SỰ PHÁT TRIỂN TỔ CHỨC TẾ VI TRONG VẬT LIỆU Microstructural Evolution in Materials Chương 1 HỆ VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỘI DUNG 1.1 Hệ đơn nguyên 1.2 Hệ hai nguyên tạo dung dịch rắn 1.3 Cấu trúc pha Pha: là phần đồng nhất của hệ có cùng cấu trúc, trạng thái, kiểu mạng, có tính chất cơlýhoá tính xác định, phân cách nhau bởi bề mặt phân chia pha
SỰ PHÁT TRIỂN TỔ CHỨC TẾ VI TRONG VẬT LIỆU Microstructural Evolution in Materials Chương HỆ VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỘI DUNG 1.1 Hệ đơn nguyên 1.2 Hệ hai nguyên - tạo dung dịch rắn 1.3 Cấu trúc pha Pha: phần đồng hệ có cấu trúc, trạng thái, kiểu mạng, có tính chất cơ-lý-hố tính xác định, phân cách bề mặt phân chia pha Tại điều kiện định tồn (những) pha xác định hệ ? Năng lượng tự (Gibbs) hệ: G = H – TS T – nhiệt độ ; H - enthalpy (nhiệt hàm); S - entropy H = E+PV Nội Thế Động (dao động nt) (Liên kết, tương tác nt) Xét thay đổi G (phụ thuộc đk tồn thành phần, nhiệt độ,…) đánh giá khả biến đổi trạng thái (tổ chức/ pha) vật liệu 1.1 Hệ đơn nguyên (1 cấu tử) Sự phụ thuộc G vào nhiệt độ T Trong hệ đơn nguyên tất pha có thành phần, có biến số nhiệt độ ảnh hưởng đến trạng thái cân Nhiệt dung riêng vật, Cp (ở đk áp suất không đổi, định nghĩa lượng nhiệt làm tăng 1K vật): Nếu chọn 250C điểm gốc (H=0), ta có: Theo c/sở nh.động học: Sự phụ thuộc G vào nhiệt độ T G = H – TS G-T Khi T tăng, G giảm với tốc độ giảm “-S” Ví dụ, xét q trình đơng đặc: Tại gần điểm đơng đặc: Tại điểm đơng đặc: (entropy nóng chảy) Như vậy, độ nguội lớn lượng Gibbs thay đổi mạnh! Do đó, (2.1) 1.2 Hệ hai nguyên – Tạo dung dịch rắn Năng lượng G hàm nhiệt độ (T) & thành phần (C)! 1.2.1 Sự thay đổi lượng tự Trước trộn A B, lượng Gibbs hệ G1 G1= XAGA+XBGB Sau trộn A & B, lượng Gibbs hệ G2; (T1=const) G2 = G1 + Gmix (2.2) G2 ? Gmix > = hay < ? G2 ? Ta có: Gmix > = hay < ? • Hmix lượng nhiệt hấp thụ hay tỏa hòa trộn [coi ∆V = 0] Nó thay đổi nội E so với trước hịa trộn; • Smix thay đổi entropy so với trước hòa trộn; • Có thể xảy số khả sau: Hmix = 0; Hmix < 0; Hmix > 1.2.2 Dung dịch rắn Tính Hmix Cấu trúc dung dịch rắn gồm cấu tử A B có dạng: Trong tồn dạng liên kết nguyên tử với lượng : * A-A có liên kết A-A * B-B có liên kết B-B * A-B có liên kết A-B Nội hệ tính bằng: PXX số liên kết loại tương ứng Phần chênh lệch lượng liên kết A-B (mới xuất hiện) với tổng trung bình liên kết A-A B-B làm thay đổi nội hệ giá trị: đó: : hệ số tương tác z: số phối trí N: số Avơgađrơ Tính Hmix - Nếu = 0, (Hmix = 0): ng.tử xếp hoàn toàn ngẫu nhiên (tr.hợp lý tưởng) Điều đương nhiên liên kết A-B lượng hồn tồn bình đẳng với liên kết có sẵn (trước trộn) A-A B-B - Nếu < (tức AB nhỏ), (Hmix < 0): ng.tử A liên kết với B làm giảm lượng hệ, liên kết A-B chiếm ưu tăng số lượng (PAB tăng) [ xu trật tự hóa dd rắn] - Nếu > (tức AB lớn), (Hmix > 0): ng.tử A liên kết với A, B với B làm giảm lượng hệ (tức liên kết A với B làm tăng lượng hệ) nên liên kết A-A B-B chiếm ưu tăng số lượng [ xu phân hóa dd rắn 1+ 2 ] Hợp kim Al-4%Cu Bài tập: Nhận xét dựa vào kiến thức học, giải thích kết đồ thị hợp kim 2014 (Al-4.4%Cu-0.5%Mg) ngày tháng năm Giới hạn bền, Ksi Giới hạn bền, MPa phút Thời gian hóa già, 31 5.3 Tiết pha hợp kim hóa bền hóa già Bài tập Al-Ag Vùng GP ( Guinier – Preston) Hk khác Giả thích vùng GP HK Al-Cu có hình đĩa; vùng GP hợp kim Al-Ag Al-Zn có hình cầu Cho biết bán kính nguyên tử Al, Cu, Ag, Zn bảng Đĩa ┴ {100} Cầu GP – giàu Cu GP – giàu Ag, GP- giàu Zn Nguyên tố Al Cu Ag Zn Bán kính nguyên tử (Ao) 1.43 1.28 1.44 1.38 32 (so sánh tổ chức) Sinh mầm phát triển mầm (HK Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Cu-Mg,…) Spinodal (HK Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co, Cu-NiSn,…) Khơng có đặc điểm cấu trúc khác biệt nên nói chung khó phân biệt pha tiết theo chế Nói chung theo chế spinodal: pha tiết nhỏ mịn, phân bố 33 5.4 Chuyển biến tích [tiết pha đồng thời] Tạo mầm phát triển mầm @ Xét HK tích (ví dụ, thép 0,8%C) A F + Xe CƠ CHẾ CHUYỂN BiẾN Mầm Xe F xuất biên hạt A với mặt liền mạng, mặt khơng liền mạng,… Sự phát triển xảy phía có mặt khơng liền mạng; Sự phát triển Xe kéo theo xuất phát triển F, đến lượt lại kéo theo xuất phát triển Xe,… V= const 34 Tạo mầm phát triển mầm Đối với thép khác tích Ví dụ thép sau tích - Xementit thứ cấp hình thành biên hạt - Sự phát triển tổ chức peclit cách tạo mầm đồng thời ferit xementit xementit có sẵn 35 Tổ chức tích Khoảng cách Xê S* ~ (T)-1 Tốc độ phát triển k: Hằng số 655oC 600oC 534oC 487oC 36 Động học trình chuyển biến Phương trình Avrami y = 1- exp(-ktn) Bài tập: -Có pha tổ chức tích? Gọi tên tổ chức -Hãy tính thành phần pha tổ chức tích -Vẽ tổ chức thép tích 37 Thành phần khác tích Khái niệm ‘Giả tích’ 2 1 C Nguội vùng 1: với HK C0 tổ chức nhận P giả tích (C0 0,8%) Nguội vùng 2: HK C0 cho tổ chức F + P Bài tập: vẽ tổ chức chứa tổ chức tích pha tiết trước tích cho thép C thấp thép C cao 38 5.5 Chuyển pha mactenxit thép Lý do1 Nếu làm nguội thép với tốc độ v>vth ch.biến AP xảy (đường nguội không cắt chữ C) Lý A không bền vững T thấp A1, đặc biệt T thấp: chênh lệch G -Fe -Fe lớn Lý Ở T thấp kh.tán xảy Phải xảy chuyển biến A theo chế đó: trượt ! Đó c/b AM 39 Biến dạng Bain Quan hệ l/m đĩa ’ : (1 1)γ (0 1)α’ [1 1]γ [11 1]α’ [ 12]γ [ 11]α’ [1 1]γ [11 1]α’ Vị trí C -Fe: dấu x Dd rắn bão hòa C -Fe 40 Mactenxit: (’) morphology Tấm (đĩa) M 41 Th.phần C định độ phương M Trong thép, %C cao c/a lớn: C Fe M có cấu trúc (2D kim): M A W.D.Calliste r HR C 70 60 50 40 30 20 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 %C 0,6 0,7 0,8 0,9 42 Sinh mầm ph.triển mầm Mầm x.hiện lệch: liền mạng Cơ chế phát triển mầm: Khi mầm lớn lên l/m, xảy theo cách, trượt song tinh (lý G) Dày 2-3 lớp ng.tử, D20 nm Trượt or glided Song tinh 43 # Các đặc điểm chuyển biến M •Ch.biến xảy tốc độ nguội lớn tốc độ nguội tới hạn (h.bên); •Chỉ xảy nguội liên tục (h.bên); •Ch.biến không kh.tán, xảy theo chế trượt song tinh (đã xét); •Thành phần khơng đổi vị trí (do khơng kh.tán); •Có mặt kế thừa [phát gờ mẫu] (do trượt song tinh); •Tốc độ ch.biến 103 m/s (V âm thanh); •Nhiệt độ Ms (Mf) không phụ thuộc tốc độ nguội mà phụ thuộc thành phần HH; •M mịn hạt A nhỏ; •Ch.biến xảy khơng hồn tồn; •Bị ổn định hóa giữ đẳng nhiệt; 44 (giải thích thêm) a) M sơ cấp; b) M thứ cấp mịn hạt A nhỏ 1,0 ALT 1,0 Lượng M: f,% (A dư chất) A dư Lượng chuyể n biến: x,% f,% x, % Mk T1 Nhiệt độ Mđ Aθ θ M T2 T1’ T1 Mđ k Nhiệt độ 45 ... pha: α/α + Biên pha (biên hạt liên pha): α/β Tại NL bề mặt lại quan trọng trình hình thành phát triển tổ chức tế vi? Bề mặt NLBM -> tăng NL hệ; q trình xảy làm NL hệ giảm Sự xuất bề mặt ->... kết, tương tác nt) Xét thay đổi G (phụ thuộc đk tồn thành phần, nhiệt độ,…) đánh giá khả biến đổi trạng thái (tổ chức/ pha) vật liệu 1.1 Hệ đơn nguyên (1 cấu tử) Sự phụ thuộc G vào nhiệt độ T... số ng.tử B m2 mặt (1 ); n2 = số ng.tử B m2 mặt (2 ) Dòng ng.tử B từ mặt (1 ) nhảy ngẫu nhiên sang mặt (2 ) 1s là: (giả thiết quanh ng.tử xen kẽ B có vị trí lỗ hổng gần nhất) JB’ = (1 /6)Bn1 ng.tử/m2.s