Chương 5 Sự phát triển của tổ chức tế vi Chương 5 Sự phát triển của tổ chức tế vi 6/4/2023 duc nguyenvan@hust edu vn 1 5 1 Phân rã Spinodal 5 2 Sự phát triển tổ chức bằng tiết pha 5 3 Tiết pha trong h[.]
Chương Sự phát triển tổ chức tế vi 6/4/2023 5.0 Sự phát triển tổ chức tế vi – phân loại chuyển pha Chương Sự phát triển tổ chức tế vi 5.1 Phân rã Spinodal Sự hình thành tổ chức tế vi phụ thuộc vào dạng chuyển pha xảy vật liệu Có thể phân loại ch.pha R/R theo nhiều cách, ví dụ, theo chế hình thành phát triển mầm, theo thành phần cấu trúc pha mới, 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha Theo chế hình thành phát triển mầm: 5.3 Tiết pha hợp kim hóa bền hóa già Chuyển pha trạng thái rắn 5.4 Chuyển pha tích Chuyển pha khơng khuếch tán Chuyển pha khuếch tán 5.5 Chuyển pha không khuếch tán – chuyển pha mactenxit Tiết pha, Ch.biến tích 5.6 Các dạng chuyển pha khác [Khuếch tán xa] Trật tự hóa, khối, thù hình [Khuếch tán gần] Chuyển biến Mactenxit [Không khuếch tán] [TP không thay đổi] 5.0 Sự phát triển tổ chức tế vi – phân loại chuyển pha 5.0 Sự phát triển tổ chức tế vi – phân loại chuyển pha Theo thành phần và/hoặc cấu trúc pha mới: Sự phát triển tổ chức tế vi • Chỉ thay đổi cấu trúc: chpha thù hình [1a],khối [1b], mactenxit [1c]; • Chỉ thay đổi thành phần: phân hủy spinodal [2]; trật tự hóa; • Thay đổi thành phần & cấu trúc: tiết pha [3a, 3b], chpha tích [3c] T [1a] [3a] [3b] [1b] [3c] + M đ duc.nguyenvan@hust.edu.vn [2] Tạo pha có thành phần khác với pha cũ (nền), xảy q trình khuếch tán xa (long-range) [1c] 0,8% + C Chương Sự phát triển tổ chức tế vi 6/4/2023 5.1 Phân rã spinodal (tiết pha theo chế spinodal) Xảy HK ? → 1 + 2 ❖ Hmix > 0: ( > tức AB lớn): Liên kết A-A, B-B làm giảm lượng hệ, liên kết A-B làm tăng lượng hệ => liên kết A-A B-B chiếm ưu tăng số lượng => DDR có xu hướng phân rã → 1 + 2 (các pha có cấu trúc mạng, song khác biệt TPHH) 6 5.1 Phân rã spinodal (tiết pha theo chế spinodal) Cơ chế tiết pha Spinodal K M Vùng phân rã spinodal N Đặc điểm chuyển biến spinodal: Hợp kim X0 nung đến nhiệt độ T1, sau cho nguội nhanh đến T2 Khi pha phân rã thành 1 (giàu A) 2 (giàu B) Tại nhiệt độ T2: HK có thành phần khoảng MN xảy phân rã spinodal duc.nguyenvan@hust.edu.vn Thời gian Vùng phân rã spinodal • HK có thành phần vùng bị phân rã theo chế spinodal: X0 từ từ bị phân rã thành X0 + X X0 - X G0 giảm dần, đạt X1 X2 • Ngoài vùng HK phân rã theo chế sinh mầm phát triển mầm λ • Khuếch tán ngược: D < 0: Nguyên tử B di chuyển từ nơi có nồng độ thấp Xo về nơi có nồng độ cao X2, ta nhận pha có %B = X2 X1 • Hình thành liên tục (khơng địi hỏi kích thước mầm tới hạn, khơng có hàng rào lượng cho trình “tạo mầm”): làm giảm G hệ • Thời gian chuyển biến phụ thuộc vào hệ số kt D bước dao động thành phần λ =− 2 4 D Cơ chế spinodal xảy số hệ, ví dụ: Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co, Cu-Ni-Sn, Al-Zn-Mg,… Cịn đa số hệ chuyển pha theo chế sinh phát triển mầm 8 Chương Sự phát triển tổ chức tế vi 6/4/2023 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha Các giai đoạn chuyển biến spinodal Sự dịch chuyển biên pha • Biên pha Mầm/pha nền: liền mạng, bán liền mạng khơng liền mạng kết hợp ba • Tốc độ dịch chuyển biên pha trình phát triến mầm định đến hình thái pha tiết tổ chức tế vi • Mầm có biên pha kết hợp (như vẽ) có G* nhỏ V* nhỏ nhất, NLBM thấp • Bề mặt cong khơng liền mạng có tốc độ dịch chuyển nhanh bề mặt phẳng liền mạng bán liền mạng gọi bước dao động (thành phần) G* nhỏ V* nhỏ nhất, NLBM thấp Đã c/m rằng, nhiệt độ định – T2, nhỏ giá trị tới hạn [min] đó, độ nguội lớn giá trị min nhỏ, tức tổ chức mịn Pha tiết thường có dạng kim, dạng đĩa 9 10 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha Sự phát triển mầm không liền mạng với Sự phát triển mầm không liền mạng với Xét phát triển mầm pha β pha α 𝑑𝐶 𝐷 ) 𝐶𝛽 −𝐶𝑒 𝑑𝑥 v=( 𝑥= ∆𝑋0 𝐷𝑡 2(𝑋𝛽 − 𝑋𝑒 ) 𝑣= ∆𝑋0 𝐷 2(𝑋𝛽 − 𝑋𝑒 ) 𝑡 X = CVm (Vm: thể tích mol chất) ∆C ≈ ∆X • Tốc độ dịch chuyển biên pha v = dx/dt • Lượng nguyên tố hòa tan B từ pha chuyển sang pha xét đơn vị diện tích biên pha là: (C - Ce).dx; • Dịng ngtử B qua đơn vị diện tích b/m thời gian D(dC/dx)dt, (D - hệ số khuếch tán) (C - Ce).dx = D(dC/dx)dt • Từ điều kiện bảo tồn khối lượng ta có: 12 duc.nguyenvan@hust.edu.vn Tốc độ dịch chuyển biên pha chiều dày pha tiết phụ thuộc: + Hệ số khuếch tán + Độ chênh lệch nồng độ Sự phụ thuộc tốc độ phát triển mầm theo độ nguội ∆T độ chênh lệch nồng độ ∆𝑋0 Tốc độ phát triển mầm nhỏ độ nguội nhỏ, độ bão hòa ∆𝑋0 nhỏ Tốc độ phát triển mầm nhỏ độ nguội lớn, khuếch tán nhỏ T nhỏ Tơc độ lớn đạt max độ nguội trung bình Quá trình phát triển mầm dừng lại nồng độ Ce đạt nơi 13 Chương Sự phát triển tổ chức tế vi 6/4/2023 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha Sự phát triển mầm tiết biên hạt Giản đồ TTT (Temperature-Time-Transformation) Pha tiết biên hạt thường không tiết ra dạng dải liên tục mà thành dạng hạt Khuếch tán theo biên hạt lớn khuếch tán thể tích Mầm phát triển nhanh (dày lên) khuếch tán theo biên hạt biên pha: • Giản đồ T-T-T: giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt • Cho biết thời gian bắt đầu kết thúc chuyển biến nhiệt độ khác • Cho biết tỷ phần chuyển biến f thời gian (time) nhiệt độ (temperature) khác • Cho biết tốc độ q trình chuyển pha Khuếch tán thể tích đến biên hạt, Khuếch tán theo biên hạt / Khuếch tán theo biên pha / Thường gặp khuếch tán theo nút trống Giản đồ T-T-T Nhận xét: Hk Al-Zn-Mg-Cu Pha tiết MgZn2 biên hạt hạt - Nhiệt độ nguội nhỏ: thời gian bắt đầu kết thúc muộn, trình chuyển pha lâu; Nhiệt độ nguội lớn: thời gian bắt đầu kết thúc muộn, trình chuyển pha lâu; - - Tại T=T2: nhanh! 14 Tạo mầm Phát triển mầm 15 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha Tốc độ trình chuyển pha Tốc độ trình chuyển pha Ảnh hưởng nhiệt độ T • Tốc độ q trình chuyển pha v phụ thuộc chủ yếu yếu tố: tốc độ sinh mầm N tốc độ phát triển mầm • Tốc độ tạo mầm phát triển mầm phụ thuộc T, t ➢ Tốc độ chuyển pha đánh giá lượng pha (thể tích) hình thành đơn vị thời gian nhiệt độ (độ nguội) xảy trình chuyển pha ➢ Những yếu tố định đến tốc độ tạo thành lượng pha mới: • Tốc độ sinh mầm, • Tốc độ phát triển mầm, • Mật độ phân bố vị trí sinh mầm • Các vùng khuếch tán chồng lấn • Ảnh hưởng vùng thể tích chuyển biến lân cận 16 duc.nguyenvan@hust.edu.vn • Khi ∆T lớn [do ∆G* 1/(∆T)2], tức T thấp N lớn • Khi ∆T lớn (T thấp) hệ số kh.tán D thấp, nên tốc độ phát triển mầm nhỏ Tạo mầm ❑ v đạt cực đại giá trị ∆T trung bình ❑ Tại thời gian bắt đầu kết thúc ch.biến xảy nhanh → động học có dạng đường cong chữ C Phát triển mầm 17 Chương Sự phát triển tổ chức tế vi 6/4/2023 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha Tốc độ trình chuyển pha Ảnh hưởng thời gian t: Tỷ phần chuyển biến Quá trình tiết pha ’ → + → Phương trình Avrami (Johnson-Mehl-Avrami) f = 1- f = 1- exp(-ktn) exp(-ktn) ✓ f tỷ phần chuyển biến, k & n số không phụ thuộc thời gian; ✓ n 1 không phụ thuộc nhiệt độ, ✓ k phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ Mầm sinh liên tục trình chuyển pha với tốc độ khơng đổi • Tổ chức: kích thước pha dao động dải rộng • Tốc độ chuyển pha phụ thuộc vào tốc độ sinh mầm tốc độ phát triển mầm Mầm sinh tồn vị trí tiềm từ đầu • Tổ chức: kích thước pha đồng • Tốc độ chuyển pha phụ thuộc vào số lượng vị trí tạo mầm tốc độ phát triển mầm 1/4 3/4 Thông thường: t0,5 = 0,9/(N v ) N: tốc độ tạo mầm V: tốc độ phát triển mầm 18 ➢ Tỷ phần chuyển biến f đánh giá lượng (thể tích) pha thời điểm t tổng lượng pha lúc kết thúc trình Giá trị f thay đổi từ đến 19 5.2 Sự phát triển tổ chức tiết pha 5.3 Tiết pha hợp kim hóa bền hóa già Tỷ phần chuyển biến Hợp kim Al-4%Cu m Dạng chuyển pha → hay → + Nguội chậm Nung Nhiệt độ, oC • Tồn pha ban đầu chuyển thành pha sản phẩm • Mầm pha sản phẩm tạo liên tục với tốc độ không đổi q trình chuyển pha • Tốc độ chuyển pha chịu ảnh hưởng lẫn vùng chuyển biến lân cận • Tỷ phần chuyển biến f đánh giá lượng (thể tích) pha hay pha sản phẩm thời điểm t tổng lượng pha hay pha sản phẩm lúc kết thúc trình Giá trị f thay đổi từ đến Tơi Hóa già Hóa già So sánh Tơi n %k.l Cu Ví dụ: Chuyển biến peclit, q trình kết tinh lại Tơi + Hóa già Trạng thái Ủ Tơi Tơi+ hóa già Giới hạn bền [MPa] 200 250 400 21 20 duc.nguyenvan@hust.edu.vn 21 Chương Sự phát triển tổ chức tế vi 6/4/2023 5.3 Tiết pha hợp kim hóa bền hóa già 5.3 Tiết pha hợp kim hóa bền hóa già Hợp kim Al-4%Cu 0→ + Pha 0: dung dịch rắn bão hòa Cơ chế tiết pha α0→ α1 + GP → α2 + ’’ → α3 + ’ → α4 + (CuAl2) Biên hạt Nguyên tử Al Pha : pha tiết pha ’ Nguyên tử Cu Pha : dung dịch rắn bão hịa Trong hạt T ~520oC Tơi Ddr qbh 100-200oC Hóa già Thời gian Hóa già nhân tạo Hk Al-4%Cu HK Al (4%Cu) hóa già 200oC Courtesy of MH Jacobs, The University of Birmingham Quá trình tiết pha xảy theo trình tự: Pha tiết nhỏ, l/m, lớn dần tính l/m, cuối pha tiết lớn Vùng GP Liền mạng Vùng giàu Cu Dạng đĩa Dày ~5nm D ~ 10nm Pha ’’ Liền mạng KM phương Dạng đĩa Dày ~10nm Đk ~ 100nm Pha ’ 22 Pha Không liền mạng Cftk phức tạp CuAl2 Dạng que/đa cạnh Bán liền mạng Dạng KM phương Đk < 1μm 23 ~ CuAl2 22 23 5.3 Tiết pha hợp kim hóa bền hóa già 5.3 Tiết pha hợp kim hóa bền hóa già Hợp kim Al-4%Cu Hợp kim Al-4%Cu Cơ chế tiết pha Cơ chế tiết pha Tại tiết pha trung gian giả ổn trước pha cân bằng?? ∆Gv(GP) < ∆Gv(θ’’) < ∆Gv(θ’) < ∆Gv(θ) ∆Gs(GP) > ∆Gs(θ’’) > ∆Gs(θ’) > ∆Gs(θ) γ (lm)