Bai giang chuong 4 ket khoi

NỘI DUNG 4.1 4.2 4.3 4.4 Hiện tượng khuếch tán Mơ hình “giả hóa học” hay “mạng phẳng” Khái niệm phản ứng pha rắn Tính biến đổi liên tục phản ứng pha rắn 4.5 Kết khối 4.6 Kết khối hệ thực 4.7 Liên quan cấu trúc vi mơ tính chất học vật liệu KẾT KHỐI Kết khối : Sự tự rắn vật liệu tác dụng nhiệt độ cao  Đánh giá: bền cơ, co ngót, giảm độ xốp, t/c cần thiết khác  Bản chất: có biến đổi hóa học đơn trình vật lý  Cơ chế : Kết khối pha rắn kết khối có mặt pha lỏng  Vật liệu kết khối Al2O3, SiO2, ZrO2, MgO…, bột kim loại kết khối pha rắn Thành phần hóa cấu trúc tinh thể khơng biến đổi sau nung  Silicát truyền thống (nguyên liệu đất sét) kết khối pha lỏng, ln có phản ứng hóa học tạo vật liệu composite (pha đa tinh thể + thủy tinh (pha lỏng nguội)) Các yếu tố ảnh hưởng đến kết khối vi cấu trúc vật liệu Suk-Joong L Kang (2005), Sintering KẾT KHỐI TRONG HỆ THỰC  SỰ KHÁC NHAU GiỮA MƠ HÌNH LÝ THUYẾT VÀ HỆ THỰC ?  Mơ hình lý thuyết:  hạt đồng chất,  bán kính  Hệ thực:  hình dạng hạt lỗ xốp khơng đồng đều,  thành phần ln chứa tạp chất  xảy biến đổi hóa lý làm thay đổi đột ngột thơng số trạng thái hệ  q trình xảy không theo trật tự rõ ràng  hệ ln có chất trung gian chất ban đầu khơng phản ứng hết Ý nghóa việc phân biệt chế kết khối Quan trọng thực tiễn công nghệ:  Với trình có phản ứng hóa học kết khối có mặt pha lỏng:  tăng cường khả hoạt hóa bột nguyên liệu cần thiết  nhiệt độ nung thường nhiệt độ cao nhiệt độ xuất pha lỏng (Te) chút  Độ bền sản phẩm chủ yếu phụ thuộc độ bền pha bền pha tinh thể pha thủy tinh (pha lỏng làm nguội thường trạng thái thủy tinh)  Với trình kết khối pha rắn pha lỏng biến đổi hóa học:  chất tạo dẻo thường dùng chất hữu cơ,  nhiệt độ nung thường khoảng 0,70,8Tnc (Tnc - nhiệt độ nóng chảy);  nguyên liệu thường dạng thù hình bền vững nhiệt độ cao;  kích thước hạt yếu tố định độ bền chất phụ gia phải tác dụng tăng hệ số khuếch tán giảm kích thước hạt Nguồn: Suk-Joong L Kang, Sintering, 2005 KẾT KHỐI PHA RẮN 4.5.1 Động lực kết khối  Sự giảm lượng bề mặt (hạt bột 0,1 – 100 mm)  Diện tích bề mặt hệ A0, sau kết khối A1, sức căng bề mặt g (coi không đổi)  Quá trình kết khối tự xảy ra:  DG <  DG = gA1 - gA0 = g (A1 – A0) = g.DA <  ⇒ DA < ⇒ A1 < A0  Vậy, lượng tự hệ giảm diện tích bề mặt giảm KẾT KHỐI PHA RẮN 4.5.2 Cơ chế trình kết khối pha rắn Chia thành hai giai đoạn: -giai đoạn đầu (a, b) -giai đoạn kết thúc kết khối (c, d) a) b) c) d) a) Hạt tiếp xúc tạo cầu nối; b) Tạo lỗ xốp c) Giảm kích thước lỗ xốp; d) Kết thúc kết khối (khi nhiệt độ đủ cao, hạt lớn phát triển, hạt nhỏ lại dần, ta gọi q trình phát triển hạt) Độ bền chống đứt gãy Fracture Toughness Fracture Toughness (MPam) Material Fracture Toughness (psiin x103) Metals Alloy steel (4340 tempered) 46 Titanium alloy (Ti-6Al-4V) 40-60 Ceramics Aluminum Oxide -5 Soda-lime glass 0.7 Polymers Polymethylmethacrylate (PMMA) Polystyrene (PS) Table 0.9 0.7 -1.0 4.7.1 Tính dịn vật liệu silicát  Vật liệu ceramic (và silicát nói riêng) bền cứng dịn khơng có biến dạng dẻo (liên kết chủ yếu liên kết ion, cộng hóa trị)  So sánh biểu đồ biến dạng điển hình vật liệu ceramic kim loại (MPa) Ceramics and Glasses The brittle nature of fracture in ceramics is illustrated by these stressstrain curves, which show only linear, elastic behavior In (a), fracture occurs at a tensile stress of 280 MPa In (b) compressive strength of 2100 MPa is observed The sample in both tests is a dense, polycrystalline Al2O3 Ceramics are relatively weak in tension but relatively strong in compression 4.7.2 Độ bền  Vật liệu bị phá hủy theo đường ứng suất tập trung cao nhất, theo đường có liên kết yếu  Lỗ xốp làm giảm độ bền vật liệu  Độ xốp tăng, bền (bền uốn & bền nén) giảm theo hàm mũ: d  d e aP   d - độ bền vật liệu, d0 - độ bền vật liệu độ xốp không  P - độ xốp vật liệu (% thể tích), a - số Thuyết Griffit Cơ chế phá hủy vật liệu: 1- Hình thành vết nứt 2- Vết nứt phát triển: kích thước vết nứt tăng dần tác dụng ngoại lực 3- Phá hủy vật liệu: vết nứt liên thông, vật liệu bị phá hủy ứng lực tập trung δmax d max  2 c  dmax - ứng lực tập trung đầu vết nứt  - lực tác dụng lên vật liệu c - trục c elip phân bố lực r - bán kính cong vị trí đầu vết nứt  - độ cong vị trí đầu vết nứt ứng suất phá hủy dTS d TS  2.E.g  c g - lượng bề mặt riêng chất rắn (J/m2) E - modul đàn hồi (Young modul) c - chiều rộng lớn vết nứt 4.7.3 Độ cứng  Độ cứng khả chống lại tác dụng lực học đặc biệt ấn lún, chà xát… bề mặt vật liệu  Thang Mohs vạch lên bề mặt lẫn nhau,  Khoáng cứng (độ cứng 10 theo Mohs) kim cương khoáng mềm talc (độ cứng theo thang Mohs)  Độ cứng tế vi vật liệu phương pháp dùng mũi cứng nhọn nhỏ (bằng kim cương, gốm thép đặc biệt) ấn gây lún bề mặt vật liệu Độ cứng tính theo cường độ lực ấn lún, chiều sâu diện tích vết lún  phương pháp Brinel dùng mũi thép      cứng (hoặc composite carbide tungsten) hình cầu (d = 10mm), phương pháp Vickers dùng mũi ấn hình chóp nón vng có góc nghiêng 1360, phương pháp Knoop đo độ cứng tế vi mũi hình chóp nón chữ nhật, phương pháp Rockwell dùng mũi hình chóp nón có hình thoi hình cầu kim cương Silicát composite vô cơ, không đồng vi mô Mài vạch xước bề mặt để xác định độ cứng coi phù hợp Bảng độ cứng theo thang Mohs Độ cứn g Moh s Khoáng vật Tan (Mg3Si4O10(OH)2) Độ cứng tuyệt đối Thạch cao (CaSO4•2H2O) Đá canxit (CaCO3) Đá fluorit (CaF2) 21 Apatit (Ca5(PO4)3(OH-,Cl,F-)) 48 Octocla felspat (KAlSi3O8) 72 Thạch anh (SiO2) 100 Topaz (Al2SiO4(OH-,F-)2) 10 Corundum (Al2O3) Kim cương (C) Độ cứng Vật liệu hay khoáng vật Tan Thạch cao 2.5 đến Vàng, Bạc Đá canxit, Đồng Đá fluorit đến 4.5 Bạch kim đến Sắt Apatit Octocla 6.5 đến 7 đến Quặng pyrit sắt Thủy tinh, silica nguyên chất Thạch anh Thép Topaz Corundum 200 10 Garnet 11 Hợp chất zirconia 400 1500 12 Hợp chất alumina 13 Cacbua silic (SiC) MATERIAL Aluminum Oxide Modulus of Modulus of Rupture Elasticity (Ksi) (Ksi) 30-50 53 Silicon Carbide 25 68 Titanium Carbide 160 45 Glass 10 10 Table Characteristic modulus of rupture and elastic modulus values for various ceramic materials 40,000 ALUMINUM OXIDE 30,000 20,000 GLASS 10,000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 STRAIN Silicate glasses THANK YOU