Lý thuyết khuếch tán của hợp kim xen kẽ với cấu trúc lập phương tâm khối dưới tác dụng của áp suất bằng phương pháp thống kê mômen

LOGO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Lý thuyết khuếch tán hợp kim xen kẽ với cấu trúc lập phƣơng tâm khối dƣới tác dụng áp suất bằng phƣơng pháp thống kê mômen Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN QUANG HỌC Ngƣời thực hiện: NGUYỄN VĂN PHƢƠNG MỞ ĐẦU NỘI DUNG LUẬN VĂN KẾT LUẬN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Bố cục luận văn Lý chọn đề tài Kim loại hợp kim đối tượng nghiên cứu vật lý công nghệ đặc biệt công nghệ vật liệu Trong thực tế ta gặp kim loại mà phần lớn kim loại có tạp chất hay nói cách khác hợp kim mà chủ yếu hợp kim nhiều thành phần Hợp kim có nhiều tính chất vượt trội so với kim loại nguyên chất hợp thành Việc nghiên cứu hợp kim xen kẽ thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu Lý chọn đề tài Phương pháp thống kê mômen (PPTKMM) phát triển mạnh khoảng 30 năm trở lại Có thể áp dụng PPTKMM để nghiên cứu tính chất cấu trúc, nhiệt động, đàn hồi, khuếch tán, chuyển pha, … loại tinh thể khác với cấu trúc LPTK, LPTD, LGXC, kim cương, sunfua kẽm,… khoảng rộng nhiệt độ từ 0K đến nhiệt độ nóng chảy tác dụng áp suất Việc nghiên cứu tính chất khuếch tán hợp kim xen kẽ AB xen kẽ với cấu trúc LPTK PPTKMM vấn đề bỏ ngỏ Mục đích nghiên cứu Xây dựng lý thuyết khuếch tán hợp kim xen kẽ AB với cấu trúc LPTK Chỉ chế khuếch tán hợp kim xen kẽ AB Xây dựng biểu thức giải tích đại lượng đặc trưng cho trình khuếch tán như: E, Do, D Tính số cho hợp kim xen kẽ cấu trúc LPTK Fe-Si Fe-H áp suất khác lên tới 70GPa Các kết tính số so sánh với kết tính số áp suất không, kết thực nghiệm kết tính số theo phương pháp khác Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Các tính chất khuếch tán hợp kim xen kẽ với cấu trúc LPTK Fe-Si Fe-H phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất nồng độ nguyên tử xen kẽ Đối với hợp kim xen kẽ với cấu trúc LPTK Fe-Si Fe-H, vùng nhiệt độ nghiên cứu khoảng từ đến 1000K, vùng áp suất nghiên cứu từ đến 70 GPa vùng nồng độ nguyên tử xen kẽ từ đến 5% Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chủ yếu PPTKMM Bố cục luận văn CHƢƠNG 1: Tổng quan về lý thuyết khuếch tán CHƢƠNG 2: Lý thuyết khuếch tán hợp kim xen kẽ AB có cấu trúc LPTK dƣới tác dụng áp śt CHƢƠNG 3: Áp dụng tính sớ cho hợp kim xen kẽ Fe-X (X = Si, H) Chƣơng 1: Tổng quan 1.1 Hợp kim xen kẽ  Đối với hợp kim thay thế: • Các nguyên tử kim loại nút mạng thay nguyên tử kim loại khác có kích thước gần • Sự thay trật tự vơ trật tự  Mạng tinh thể bị biến dạng  Đối với hợp kim xen kẽ (hoặc hợp kim ngồi nút): • Các ngun tử kim loại nút mạng tinh thể giữ nguyên • Xen kẽ vào chỗ trống nguyên tử khác có kích thước bé silic, liti, hiđrơ,…với nồng độ hạt xen kẽ nhỏ cỡ vài phần trăm  Mạng tinh thể bị biến dạng cục tính nhiệt động, tính đàn hồi, độ cứng tinh thể bị thay đổi Điều có ý nghĩa quan trọng công nghệ vật liệu 10 Chƣơng 3: Tính sớ 3.2.6 Các đại lượng khuếch tán hợp kim xen kẽ FeH áp suất không tác dụng áp suất Sự phụ thuộc nhiệt độ áp suất khoảng cách lân cận gần Năng lượng liên kết đại lượng nguyên tử H vị trí 1, nhiệt độ áp suất khác tổng kết bảng từ Bảng 3.23 đến Bảng 3.30 28 Chƣơng 3: Tính sớ 3.2.6 Các đại lượng khuếch tán hợp kim xen kẽ FeH áp suất không tác dụng áp suất Sự phụ thuộc nhiệt độ áp suất độ dài bước nhảy hiệu dụng a(P,T), lượng kích hoạt E(P,T), hệ số trước hàm mũ D0 (P,T) hệ số khuếch tán D (P,T) HKXK Fe-H tổng kết bảng từ Bảng 3.31 đến Bảng 3.33 minh họa hình vẽ từ Hình 3.13 đến Hình 3.15 29 Chƣơng 3: Tính sớ 3.2.6 Các đại lượng khuếch tán hợp kim xen kẽ FeH áp suất không tác dụng áp suất Sự phụ thuộc nồng độ nguyên tử xen kẽ H theo bảng từ Bảng 3.34 đến Bảng 3.39 hình vẽ từ Hình 3.16 đến Hình 3.23 30 Chƣơng 3: Tính sớ cho Fe-Si 40 P = (GPa) P = 30(GPa) P = 70(GPa) Fe-Si 39 38 37 E(kcal/mol) 36 35 34 33 32 31 30 29 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 T(K) Hình 3.2.Năng lượng kích hoạt E(P,T) P = 0, 30 70Gpa Fe-Si 31 Chƣơng 3: Tính sớ cho Fe-Si 28 Fe-Si 27 P= (GPa) P= 30 (GPa) P= 70 (GPa) 26 25 -2 D0(10 cm /s) 24 23 22 21 20 19 18 17 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 T(K) Hình 3.3 Hệ số trước hàm mũ D0(P,T) P = 0, 30 70Gpa Fe-Si 32 Chƣơng 3: Tính sớ cho Fe- Si Fe-Si -20 -40 P = (GPa) P = 30 (GPa) P = 70 (GPa) -60 lnD -80 -100 -120 -140 -160 -180 -200 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 1/T Hình 3.4 lnD (1/T) P = 0, 30 70 GPa.đối với Fe-Si 33 Chƣơng 3: Tính sớ cho Fe- Si 16 16 P= (GPa) P= 30 (GPa) P= 70 (GPa) Fe-Si 15 T=300K 14 T=900K 14 13 D0( 10-2cm2/s) P= (GPa) P= 30 (GPa) P= 70 (GPa) Fe-Si 15 13 D0( 10-2cm2/s) 12 12 11 11 10 10 9 8 7 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Csi (%) Csi (%) Hình 3.5 D0(cSi) P = 0, 30, 70 Gpa T = 300K Fe-Si Hình 3.6 D0(cSi) P = 0, 30, 70 Gpa T = 900K Fe-Si 34 Chƣơng 3: Tính số cho Fe-Si Fe-Si P= 0, T=300K 6.4 6.2 8.2 D (10-9 cm2/s) D (10-26 cm2/s) 6.0 Fe-Si P= 0, T=900K 8.4 5.8 5.6 5.4 8.0 7.8 5.2 7.6 5.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 1.0 CSi(%) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 CSi(%) Hình 3.7 D(cSi) P = Gpa T = 300K Fe-Si Hình 3.8 D(cSi) P = Gpa T = 900K Fe-Si 35 Chƣơng 3: Tính sớ cho Fe-Si 2.10 2.10 2.05 2.00 2.00 1.95 1.95 -7 D (10 cm /s) -25 cm /s) D (10 2.05 1.90 1.85 1.90 1.85 1.80 1.80 1.75 1.75 1.70 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Fe-Si P= 30, T=900K Fe-Si P= 30, T=300K 1.70 5.0 1.0 CSi(%) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 CSi(%) Hình 3.9 D(cSi) P = Gpa T = 300K Fe-Si Hình 3.10 D(cSi) P = Gpa T = 300K Fe-Si 36 5.0 Chƣơng 3: Tính sớ cho Fe-Si 4.9 Fe-Si P= 70, T=300K 4.8 5.1 Fe-Si P= 70, T=900K 5.0 4.7 4.9 D (10-5 cm2/s) D (10-24 cm2/s) 4.6 4.5 4.4 4.3 4.8 4.7 4.6 4.5 4.2 4.4 4.1 4.3 4.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 1.0 5.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 CSi(%) CSi(%) Hình 3.11 D(cSi) P = 70 Gpa T = 300K Fe-Si Hình 3.12 D(cSi) P = 70 Gpa T = 900K Fe-Si 37 Kết luận chƣơng Các kết thu tính số cho HKXK Fe-X (X = Si, H) cách sử dụng lý thuyết khuếch tán thiết lập chương sở PPTKMM, áp dụng hai loại tương tác khác n-m Morse phương pháp cầu phối vị Các kết tính tốn chế khuếch tán nguyên tử xen kẽ HKXK phụ thuộc vào kích thước nguyên tử xen kẽ tương tác nguyên tử xen kẽ với nguyên tử hợp kim Các két tính số phù hợp tốt với thực nghiệm có tính dự báo, định hướng cho thực nghiệm Các hình vẽ phụ thuộc lnD vào 1/T có dạng tuyến tính, nghĩa có phù hợp tốt với định luật Arrhenius vùng nhiệt độ nhiệt độ chuyển pha cấu trúc Fe 38 KẾT LUẬN CHUNG Trong luận văn chúng tơi hồn thiện phát triển PPTKMM vào nghiên cứu tính chất khuếch tán HKXK FeX (X = Si H) có cấu trúc LPTK tác dụng áp suất Các kết luận văn bao gồm Xây dựng biểu thức giải tích tính lượng tự nguyên tử xen kẽ vị trí khác trình khuếch tán HKXK AB có cấu trúc LPTK Xây dựng biểu thức giải tích tính lượng kích hoạt, hệ số trước hàm mũ hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất nồng độ nguyên tử xen kẽ HKXK AB có cấu trúc LPTK tính đến ảnh hưởng phi điều hòa dao động mạng 39 Chỉ chế khuếch tán nói chung HKXK có cấu trúc LPTK LPTD Chỉ cách khuếch tán cụ thể HKXK Fe-X (X = Si, H) Áp dụng kết lý thuyết để tính số đại lượng khuếch tán HKXK Fe-X (X = Si,H) cấu trúc LPTK tác dụng áp suất sử dụng hai loại tương tác cặp n-m Morse ba cầu phối vị Các kết tính tốn chứng tỏ ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất nồng độ nguyên tử xen kẽ lên tính chất khuếch tán HKXK 40 Các biểu thức tính đại lượng khuếch tán thu PPTKMM kể đến đóng góp hiệu ứng phi điều hịa dao động mạng trình bày luận văn có dạng giải tích dễ dàng tính số Các kết thu tính chất khuếch tán HKXK hai thành phần cấu trúc LPTK tác dụng áp suất luận văn cho phép nghiên cứu tính chất khuếch tán HKXK hai thành phần cấu trúc LPTK khác nghiên cứu tính chất khuếch tán HKXK hai thành phần cấu trúc LPTD LGXC, nghiên cứu tính chất khuếch tán HKXK ba thành phần với cấu trúc LPTK LPTD LGXC,… 41 LOGO 42