VI-SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI NGUYÊN CHẤT; 1-Điều kiện xảy ra kết tinh: a-Cấu trúc kim loại lỏng: Hầu hết các vật liệu kim loại được sản xuất bằng cách luyện ra kim loại lỏng sau đó cho kim loại lỏng kết tinh trong các khuôn đúc tạo thành vật đúc (Chi tiết đúc, phôi đúc hay thỏi đúc). Như vậy quá trình kết tinh là một qúa trình tham gia vào việc hình thành vật liệu ngay sau quá trình luyện kim và nó cũng là một trong các nhân tố ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của vật liệu. Ở nhiệt độ gần nhiệt độ kết tinh kim loại lỏng có cấu trúc gần giống kim loại rắn, thể hiện ở các đặc điển sau: Kim loại lỏng như được tạo thành bởi vô số các nhóm nguyên tử có xu hướng tự sắp xếp với nhau theo một trật tự nhất định giống như kiểu mạng tinh thể của nó ở trạng thái rắn, gọi là các nhóm trật tự gần (Kích thước của nhóm rất nhỏ so với kích thước tinh thể). Các nhóm trật tự gần này không có khả năng tồn tại ổn định mà nó liên tục được hình thành và sau đó lại bị tan rã. Các nhóm này có kích thước khác nhau, năng lượng tư do khác nhau và khác với năng lượng trung bình của hệ thống Tất cả các hiện tượng này được gọi là sự ba động về mật độ và năng lượng của hệ thống kim loại lỏng. Ngoài ra kim loại lỏng còn tồn tại vô số các điểm trống (gián đoạn) b-Biến đổi năng lượng khi kết tinh: Năng lượng tự do của hệ thống quyết định trạng thái tồn tại của hệ thống. T S gọi là nhiệt độ kết tinh hay nhiệt độ chảy lí thuyết (hình 11). Điều kiện để sự kết tinh sảy ra là: T KT <T S . Hình 11: Biến đổi NLTD theo nhiệt độ. c-Độ quá nguội: ∆ T = T S - T KT . 2-Hai quá trình của sự kết tinh. a-Tạo mầm: Định nghĩa: Mầm là phần tử rắn có cấu trúc tinh thể đầu tiên sinh ra trong kim loại lỏng có khả năng tự lớn lên tạo thành đơn tinh thể (Hạt), không bị tan lại vào kim loại lỏng nữa. Mầm tự sinh: Là mầm tự hình thành ngay trong lòng kim loại lỏng không có sự trợ giúp cuả các phần tử rắn có sẵn trong kim loại lỏng. 12 fV TH r ∆ = σ 2 Giả sử gọi: n-Số lượng nhóm trật tự gần chuyển sang trạng thái rắn trong một đơn vị thời gian trong một thể tích v của kim loại lỏng. ∆ fv -sự chênh lệch năng lượng tư do giữa hai hệ thống rắn và lỏng tính cho một đơn vị thể tích kim loại lỏng. Lúc này năng lượng tư do của hệ thống giảm một lượng do sự chuyển trạng thái là: n.v. ∆ fv . Đồng thời với sự chuyển trạng thái là sự xuất hiện bề mặt phân cách giữa hai trạng thái rắn và lỏng. Các nguyên tử nằm trên bề mặt phân cách này sẽ có năng lương lớn hơn các nguyên tử nằm ở phía trong. Như vậy hệ có sự tăng năng lượng là : n.s.σ. Vơí σ-sức căng bề mặt giữa hai trạng thái lỏng và rắn. Biến đổi năng lượng của hệ là: ∆ F =- n.v. ∆ fv + n.s.σ. Nếu coi nguyên tử là những quả cầu bán kính r ta có: r v 3 3 4 π = . S= r 2 4 π . ∆ F =-n. r 3 3 4 π ∆ fv +n. r 2 4 π σ. ∆ F =f(r). Trên đồ thị của hàm ∆ F =f(r), hnh 12, ta thấy: r=r TH → ∆ F =∆ Fmax .Chỉ có các mầm có kích thước r≥ r TH mới có khả năng phát triển lớn lên thành hạt. Hình 12 : Sự biến đổi của ∆ F phụ thuộc r. ∆ Fmax =1/3 năng lượng cần thiết tạo bề mặt phân chia (2/3 năng lượng còn lại được bù đắp bởi sự chuyển trạng thái của mầm.). Điều kiện tạo mầm tự sinh là hệ phải có sự ba động năng lượng≥1/3 năng lượng tạo bề mặt phân chia. Mầm kí sinh: Là mầm sinh ra trên bề mặt các hạt rắn có sẵn hoặc do cố ý tạo ra lơ lửng trong kim loại lỏng. Xét năng lượng tạo bề mặt phân cách trong trường hợp tạo mầm kí sinh: ∆ * Fmax = 1 3 (S 1 σ 1 + S 2 σ 2 ). Với: S 1 , σ 1 -Diện tích và sức căng bề mặt trên mặt phân chia giữa mầm và KL lỏng. S 2 , σ 2 - Diện tích và sức căng bề mặt trên mặt phân chia giữa mầm và hạt rắn mà mầm kí sinh trên đó. 13 σπ σ σ π ∗∗∗∗∗=∆ ∗ ∆ ∗=∆ THF fV F rn n Max Max 4 3 1 2 3 4 2 Sự tạo mầm kí sinh sẽ thuận lợi hơn khi ∆ Fmax ≥∆ * Fmax . Tức: 1 3 S TH σ 1 > 1 3 (S 1 σ 1 + S 2 σ 2 ). Hay: S TH σ 1 > (S 1 σ 1 + S 2 σ 2 ). Nếu giả thiết rằng: S TH =S 1 +S 2 . Thì điều kiện để sinh mầm kí sinh thuận lợi hơn mầm tự sinh là: σ 1 >σ 2 b-Phát triển mầm: 3-Sự hình thành hạt. a-Tiến trình của sự kết tinh: Tạo mầm và phát triển mầm là hai quá trình vừa có tính nối tiếp và song song với nhau. b-Hình dạng hạt: Hình dạng hạt phụ thuộc vào phương tản nhiệt có Gradiel nhiệt độ lớn nhất. c-Các đường nguội khi kết tinh KL nguyên chất: Khảo sát khối KL nguyên chất có thể tích nhỏ, được làm nguội liên tục với một tốc độ nguội nhất định, người ta thấy các đường tốc độ nguội biến đổi khác nhau phụ thuộc vào vận tốc làm nguội (hình 13). Hình 13: Các đường nguội khi kết tinh KL nguyên chất. 14 . KẾT TINH CỦA KIM LOẠI NGUYÊN CHẤT; 1-Điều kiện xảy ra kết tinh: a-Cấu trúc kim loại lỏng: Hầu hết các vật liệu kim loại được sản xuất bằng cách luyện ra kim loại lỏng sau đó cho kim loại lỏng kết. sinh ra trong kim loại lỏng có khả năng tự lớn lên tạo thành đơn tinh thể (Hạt), không bị tan lại vào kim loại lỏng nữa. Mầm tự sinh: Là mầm tự hình thành ngay trong lòng kim loại lỏng không. quá trình luyện kim và nó cũng là một trong các nhân tố ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của vật liệu. Ở nhiệt độ gần nhiệt độ kết tinh kim loại lỏng có cấu trúc gần giống kim loại rắn, thể hiện