Giáo trình Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 4 ppt

- Căn cứ vào ảnh nhiễu xạ tia Rơngen của kim loại lỏng ở gần nhiệt độ nóng chảy cho thấy nhiều điểm giống với ảnh của kim loại rắn, người ta đã khẳng định rằng trong kim loại lỏng các ng

Giản đồ sức căng mặt ngoài của một số hệ xỉ thông dụng

Hình 4.37: Sức căng bề mặt của xỉ hệ CaO - CaF 2 - Al 2 O 3 (J/m 2 )

4.3.5 Nhiệt hàm của xỉ

Trong luyện kim nhiệt hàm của xỉ lỏng cũng có ảnh hưởng tới các quá trình công nghệ Nhiệt hàm của xỉ lỏng ở một nhiệt độ nào đấy là lượng nhiệt cần thiết để nâng một gam

xỉ từ 00C lên tới nhiệt độ nóng chảy và quá trình nhiệt đến nhiệt độ nào đó

Khi các điều kiện khác như nhiệt độ nấu luyện, thành phần và trọng lượng xỉ không

đổi thì lượng tiêu hao nhiên liệu cho quá trình nấu luyện tỉ lệ thuận lợi với nhiệt hàm của xỉ

Al2O3

ở 1600OC (J/m2)

Nhiệt hàm của xỉ được tính toán theo công thức:

0

P 0

t

Q   C rắndt + nóng chảy +

1

P

o

t

t

C

 lỏng dt Q: nhiệt hàm của xỉ, kCal/kg xỉ hay Cal/g xỉ

P

C rắn, lỏng : tỉ nhiệt nóng chảy của xỉ

nóng chảy : nhiệt độ nóng chảy của xỉ

Trong thực tế việc xác định nhiệt hàm của xỉ theo công thức trên hoặc dựa vào giá trị entanpy (H) của xỉ trên giản đồ phân tích nhiệt đều gặp nhiều khó khăn, nên người ta thường

đo nhiệt hàm của xỉ bằng nhiệt lượng kế chính xác, nội dung chủ yếu của phương pháp này là:

Xỉ được nấu chảy và quá nhiệt đến nhiệt độ cần xác định nhiệt hàm Giữ xỉ lỏng ở nhiệt độ đó khoảng 20 phút để đảm bảo cân bằng nhiệt độ Nhanh chóng rót xỉ vào một chén

đồng đặt trong nhiệt lượng kế Trong nhiệt lượng kế đã có sẵn một lượng nước xác định Xỉ lỏng truyền nhiệt nhanh chóng cho nước làm nhiệt độ nước tăng lên Khi hệ thống cân bằng nhiệt ta biết được sự chênh lệch nhiệt độ qua nhiệt kế và tính được nhiệt hàm của xỉ một cách

dễ dàng

4.3.6 Tỉ trọng của xỉ

Tỉ trọng của xỉ  là tỉ số giữa trọng lượng m của một đơn vị thể tích V của nó:

m V

 

Đơn vị đo thường dùng là: g/cm3

Trong luyện kim tỉ trọng của xỉ có ý nghĩa quan trọng và ảnh hưởng đến nhiều quá trình hoá lí trong lò Xỉ là môi trường trung gian qua đó tiến hành các phản ứng hoá học: thu hồi kim loại quý từ quặng và loại trừ tạp chất của kim loại lỏng

Như đã biết tốc độ lắng đọng của giọt kim loại qua xỉ hay tốc độ nổi lên của các phần

tử tạp chất phi kim loại có dạng tròn và trong điều kiện môi trường yên tĩnh tuân theo định luật Stoc, như vậy tốc độ nổi hay lắng chìm phụ thuộc không chỉ vào độ sệt mà còn phụ thuộc vào

tỉ trọng của xỉ Trong trường hợp các điều kiện khác không đổi thì tỉ trọng của xỉ càng nhỏ tốc

độ chìm của giọt kim loại càng lớn, sự tách rời của kim loại khỏi xỉ càng dễ dàng, tổn thất kim loại trong pha xỉ càng ít

Tỉ trọng của xỉ phụ thuộc vào thành phần cũng như cấu trúc của nó Nếu xỉ chứa nhiều oxit kim loại có tỉ trọng lớn thì tỉ trọng của xỉ lớn, mặt khác nếu xỉ nhiều bọt khí thì tỉ trọng xỉ nhỏ

Tỉ trọng xỉ ở trạng thái rắn và lỏng có khác nhau, nhưng sự khác nhau không nhiều; cho nên người ta thường lấy tỉ trọng của xỉ rắn để so sánh trong việc nghiên cứu tỉ trọng của

xỉ lỏng

Thành phần hoá học của xỉ thay đổi rất nhiều cho nên tỉ trọng của xỉ luyện kim cũng biến đổi rất lớn, thường từ 2,5 4g/cm3, trong đó xỉ nấu đồng, nấu chì và xỉ lò Mactanh có tỉ trọng lớn hơn cả

Để tính gần đúng tỉ trọng của xỉ ta có thể dựa vào quy tắc cộng tỉ trọng riêng của từng cấu tử trong xỉ rồi lấy trung bình cộng theo công thức

100



%M1O;%M2O; % các oxit có trong xỉ

1 ; 2 tỉ trọng các oxit tương ứng trong xỉ

Tỉ trọng của một số oxit (g/cm3)

PbO 9,21 BaO 5,72

Bảng 4.5: Tỉ trọng của xỉ hệ CaO - Al 2 O 3 - SiO 2 ở các nhiệt độ khác nhau

Bảng 4.6: Tỉ trọng của xỉ hệ FeO - Fe 2 O 3 - SiO 2 ở 1295 - 1320 0 C

63,58

58,32

57,30

54,57

55,12

54,20

52,55

14,95 14,33 14,54 13,75 13,71 14,05 14,40

21,47 27,35 28,16 31,68 31,17 31,75 33,05

1302

1315

1316

1295

1312

1295 1300

4,08 4,04 3,92 3,96 3,84 3,76 3,72 68,79

66,15

64,77

64,01

62,13

60,95

59,07

58,42

57,22

56,24

12,13 11,64 12,92 10,92 10,91 10,77 12,49 12,44 11,75 13,12

19,08 22,21 22,31 25,07 26,96 28,88 28,44 29,14 31,03 30,64

1310

1307

1305

1315

1301

1308

1318

1301

1310

1315

4,06 4,16 4,12 3,92 3,92 4,00 3,68 3,92 3,80 3,68 63,01

54,50

55,07

53,64

50,56

17,61 17,87 16,57 16,79 16,28

19,38 27,63 28,36 29,57 33,16

1314

1320

1302

1305 1302

4,28 3,92 3,84 3,84 3,68 69,42

68,39

64,50

56,80

55,95

8,35 9,23 9,07 9,50 9,40

22,23 22,38 26,43 33,70 34,56

11318

1312

1302

1310

1312

4,08 4,00 3,92 3,68 3,60 64,28

63,95

61,55

13,18 14,02 14,73

22,54 22,03 24,72

1310

1305

1312

4,04 4,04 4,00

4.4.Cấu trúc của kim loại lỏng

Trong luyện kim các quá trình hoá - lí xảy ra chủ yếu ở trạng thái lỏng và sản phẩm thu được nói chung cũng kết tinh từ trạng thái lỏng Vì vậy việc nghiên cứu xỉ lỏng và kim loại lỏng là vấn đề không thể thiếu được

Nói chung mỗi chất đều có thể tồn tại ở 3 trạng thái : rắn, lỏng, khí Trong 3 trạng thái

đó thì trạng thái lỏng chúng ta biết còn ít ỏi hơn cả, nhất là với kim loại lỏng, vì sự phức tạp của mô hình cấu trúc và sự khó khăn của các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ở nhiệt độ cao

Kim loại lỏng có cấu tạo gần giống với kim loại rắn hơn là với kim loại hơi Chúng ta

có thể thấy rõ điều này từ những biểu hiện về tính chất của kim loại ở 3 trạng thái

- Thể tích của kim loại lỏng và rắn không khác nhau nhiều Phần lớn kim loại khi nóng chảy thể tích tăng khoảng 2 - 6% (trừ Ga và Bi giảm khoảng 3%), điều đó chứng tỏ mật độ, khoảng cách nguyên tử ở hai trạng thái này không khác nhau nhiều Còn mật độ, khoảng cách nguyên tử ở trạng thái hơi không cố định mà phụ thuộc vào kích thước không gian chứa nó

- Nhiệt nóng chảy của kim loại bé và bằng khoảng 5 - 10% nhiệt hoá hơi Điều đó nói lên liên kết nguyên tử ở trạng thái lỏng gần trạng thái rắn hơn là trạng thái hơi

- ở gần điểm nóng chảy, nhiệt dung của trạng thái lỏng chỉ khác trạng thái rắn khoảng 10%, trong khi đó trạng thái hơi khoảng 25% Điều này cho thấy dao động nhiệt của nguyên

tử ở trạng thái lỏng gần trạng thái rắn hơn là trạng thái hơi (xem bảng 4.6 và bảng 4.7)

- Căn cứ vào ảnh nhiễu xạ tia Rơngen của kim loại lỏng ở gần nhiệt độ nóng chảy cho thấy nhiều điểm giống với ảnh của kim loại rắn, người ta đã khẳng định rằng trong kim loại lỏng các nguyên tử cũng có sự sắp xếp theo một trật tự tương đối và đây là cơ sở để nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm về kim loại lỏng

- Các kết quả nghiên cứu tính chất về điện và quang cho thấy rằng trong kim loại lỏng vẫn có điện tử tự do với số lượng xấp xỉ thể rắn Nghĩa là kim loại lỏng vẫn còn tồn tại dạng liên kết có liên quan đến cấu trúc mạng tinh thể

Như vậy ở gần điểm kết tinh, trong chất lỏng sự phân bố các hạt có trật tự đặc trưng cho chất rắn không biến mất đi hoàn toàn mà chỉ mất đi một phần Trên cơ sở đó người ta đưa

ra hai giả thuyết về cấu tạo chất lỏng

Theo "lí thuyết lỗ" về cấu trúc chất lỏng người ta quan niệm rằng khi một chất rắn

nóng chảy, thể tích được tăng lên 10  12%, sự tăng thể tích này không phải chỉ do khoảng cách giữa các chất điểm tăng lên mà chủ yếu là do xuất hiện các lỗ trong dịch thể Khi chất rắn bị nung nóng liên tục thì số các lỗ sẽ tăng vọt vì sự sắp xếp các phần tử hoàn toàn mất trật

tự Do đó sự khuếch tán của các phần tử qua các lỗ tăng lên và sự hoà tan cũng tăng theo Các

lỗ liên tục được tạo thành và bồi đắp nhưng cũng liên tục bị phá vỡ và xây dựng lại Mặc dầu khi nóng chảy thể tích vật chất tăng lên, số phối vị giảm đi nhưng khoảng cách ở trật tự gần vẫn giữ được Các phần tử lúc đó giống trạng thái lỏng ở chỗ được xáo trộn hỗn loạn về mặt thể tích, nhưng lại giống trạng thái rắn ở chỗ chúng dao động xung quanh vị trí cân bằng Các tác giả cũng cho rằng chất lỏng có cấu trúc gần giống tinh thể, mỗi phần tử chất lỏng được các phần tử khác bao quanh theo trật tự gần giống như trong tinh thể nhưng ở lớp bao quanh thứ hai bắt đầu xuất hiện những sai khác so với trật tự tinh thể và ở những lớp phân tử tiếp theo sự sai khác trở nên rất lớn so với cấu trúc tinh thể Nghĩa là chất lỏng có trật tự gần, còn tinh thể

có cấu tạo theo trật tự xa Vậy ở gần nhiệt độ kết tinh chất lỏng được coi là tinh thể đã biến dạng và mất trật tự xa Như vậy lí thuyết lỗ về cấu tạo chất lỏng cho rằng khi nóng chảy mỗi nguyên tử chất lỏng được bao bọc bởi các nguyên tử khác và các lỗ Giả thuyết này khá phù hợp với nhận xét về các tính chất động học như tăng độ khuyếch tán, giảm độ sệt khi vật chất nóng chảy Những hiện tượng đó được giải thích là do tồn tại các lỗ trống trong dịch thể Tuy vậy nên hiểu một cách tổng quát hơn rằng, trong kim loại lỏng còn có các khoảng trống giữa các nguyên tử chứ không chỉ đơn thuần các lỗ trống

Lí thuyết thứ hai về dịch thể lại cho rằng: dịch thể là tập hợp những thể tích nhỏ của các tinh thể được gọi là "cụm" Mỗi cụm không quá vài chục phân tử được định hướng một

cách không xác định "lí thuyết cụm" coi dịch thể như một chất rắn vi tinh thể Lí thuyết này

giải thích được dạng đường cong của hàm phân bố theo tâm và một số tính chất của dịch thể như không bị biến đổi đột ngột khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Tuy nhiên lí thuyết cụm không giải thích được đúng đắn các tính chất do ảnh hưởng của sự hỗn loạn như

độ chảy lỏng, sự chuyển động khuếch tán trong chất lỏng Ngoài ra cũng khó chứng minh

được rằng, có các cụm vi tinh thể lại bền vững được trong khi ở biên giới tiếp xúc giữa chúng các cụm đó lại được định hướng khác nhau Tuy vậy mô hình này có thuận lợi cơ bản là được biểu thị bằng dạng toán học rất đơn giản và vì vậy nó vẫn được tồn tại tới hiện nay Các nghiên cứu về sau lại cho rằng các cụm luôn luôn xuất hiện và biến mất theo một xác suất nhất định Khi đó các nguyên tử ở cụm này có thể lại chuyển sang cụm khác mới hình thành Do vậy xét từng thời điểm ở tâm cụm sự sắp xếp các nguyên tử gần giống như cấu tạo tinh thể nhưng càng

ra ngoài mức độ trật tự càng giảm đi

Lí thuyết cụm thực chất là sự bổ sung lí thuyết lỗ Nó phù hợp với nhiều số liệu thực nghiệm và cho phép giải thích nhiều hiện tượng trong thực tế luyện kim mà nhất là cho phép mô tả cấu trúc của các hợp kim

Để nghiên cứu cấu trúc chất lỏng người ta thường dựa trên sự khuếch tán hoặc truyền tia X, hay khuếch tán trung tử hoặc điện tử, trong đó phương pháp khuếch tán tia X được dùng

nhiều hơn cả Chiếu những chùm tia Rơnghen đến bề mặt chất lỏng nghiên cứu, sự thay đổi cường độ tán xạ của tia bức xạ phụ thuộc vào góc tán xạ  Kêt quả thu đựơc thường biểu diễn dưới dạng hàm số

) (sin



 f

I 

Trong đó I: là cường độ tia

X,: là bước sóng tia bức xạ

Từ đó tìm được đường cong thực nghiệm về sự phân bố nguyên tử trong chất lỏng,

đường cong này tuy khá chinh xác nhưng không trực tiếp biểu thị về sự phân bố các nguyên tử trong chất lỏng

Bằng phương pháp phân tích toán học dạng của các hình tán xạ thu được khi chiếu tia

X vào chất lỏng, nhiều tác giả cho biết rằng : lẽ ra thu được từng vị trí xác định đối với từng nguyên tử trong từng thời điểm xác định thì người ta lại chỉ thu được một số trung bình thống

kê với vị trí tất cả nguyên tử có thể đo được Số trung bình thống kê này được gọi là hàm phân

bố theo tâm :

dr r

dr r

nr

r 4

) (

2 )

nr, r + dr : số vị trí nguyên tử nằm trong lớp cầu bán kính r, chiều dày dr Vậy (r) là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích trên khoảng cách r tính từ nguyên tử gốc bất kì nào đó Hàm phân bố theo tâm (r) được coi là xác suất để tìm thấy một nguyên tử khác ở cách một nguyên tử bất kì cho trước một khoảng cách r

trong một đơn vị thể tích

Trong chất rắn ( tinh thể ) hàm phân

bố theo tâm biểu thị bằng những píc rời rạc ở

các khoảng cách xác định theo tâm các

nguyên tử ( do tinh thể sắp xếp trật tự )

Ngược lại trong chất lỏng, do thiếu một

khoảng cách nhất định và không đổi giữa các

nguyên tử nên các píc rải rác thành một hàm

liên tục giống như một dao động tắt dần Tuy

vậy cũng có đỉnh rõ nét, đỉnh thứ nhất có

khoảng cách xấp xỉ bán kính nguyên tử Điều

đó chứng tỏ rằng có nhiều nguyên tử thực sự ở

lớp đầu tiên gần nhau Sau đó đường cong di

xuống rồi lại đi lên để tạo thành một píc thứ

hai rộng hơn tương ứng với lớp nguyên tử thứ

hai Cuối cùng đường cong hướng tới một giá

trị không đổi, hàm phân bố theo tâm biểu thị

cho một đường thẳng song song với trục hoành (hình 4-38)

Tuy vậy hàm phân bổ theo tâm biểu thị một số thống kê trung bình, lượng thông tin của

nó về chất lỏng rất hạn chế

Do đó mục tiêu hiện nay là tiêu chuẩn hoá các đường biểu diễn của hàm phân bố theo tâm đối với từng kim loại lỏng coi như những

đường đặc tính

Để nghiên cứu cấu trúc kim loại lỏng ngày nay nhiều tác giả dùng hàm xác suất phân

bố nguyên tử theo thể tích

Hình 4.38: Sự biến đổi của hàm phân bố theo khoảng cảch r của một nguyên tư bất kỳ tính từ

tâm

Hình 4.39: Sự biến đổi hàm

4r2(r) với sự thay đổi khoảng

cách từ nguyên tử trung tâm

) (

2 )

W   

Đồ thị của hàm này có dạng là một đường cong mà diện tích phía dưới nó giữa hai giá trị bất kì của số r sẽ biểu thị số các nguyên tử chứa trong thể tích tương ứng ( hình 4-39)

Như vậy, dựa vào diện tích dưới píc thứ nhất ta có thể suy ra số phối vị n của các nguyên tử bao quanh một nguyên tử chất đó và hoành độ của píc thư nhất sẽ cho ta khoảng cách giữa hai nguyên tử

Tuy nhiên việc xác định số phối vị và khoảng cách giữa hai nguyên tử như trên không

được chính xác và việc nghiên cứu chỉ giới hạn cho các chất có nhiệt độ nóng chảy dưới

11000C

Bảng 4.7: Đặc trưng của một số kim loại ở điểm nóng chảy

Kim loại

C

Tnc

0

0

100

r

V

V



100

r

C

C



100

r

X

X



nc

H



Cd

Hg

Pb

Sn

321 -39

327

232

4,7 3,6 4,8 2,8

3,4 -2,4 7,7 -6,3

30,0 6,4 8,3 21,0

1,47 0,55 1,20 1,66

V

 = Vl - Vr : sự biến đổi thể tích từ lỏng (L) sang rắn (r)

 C = Cl - Cr : sự biến đổi tính chịu nén từ lỏng (L) sang rắn (r)

X = Xl - Xr : sự biến đổi tính chịu nén từ lỏng (L) sang rắn (r)

 H  c = nhiệt nóng chảy kCal/nguyên tử gam

Từ bảng 4.8 sự biến đổi số phối vị và thể tích của kim loại ở điểm nóng chảy cho thấy các nguyên tố kim loại thuần khiết có sắp xếp cao như Al và Au khi nóng chảy số phối vị giảm xuống 11 Các nguyên tố ở thể rắn có số phối vị thấp khi chuyển sang thể lỏng có số phối vị tăng lên Các nguyên tố này hình như do việc không tạo đủ số phối vị là 11 nên thể hiện sự tồn tại liên kết đồng hoá trị ở trạng thái lỏng Trong một vài trường hợp ( Bi, Ga, Ge) việc tăng số phối vị khi nóng chẩy làm tăng số nguyên tử bao bọc, do vậy làm giảm thể tích dịch thể

Sự hiểu biết về số phối vị của các kim loại lỏng hãy còn rất ít ỏi so với kim loại rắn Nhưng nói chung các tác giả kết luận khá thống nhất về

cấu tạo của kim loại lỏng như sau:

- Các nguyên tử vẫn có xu hướng sắp xếp trật tự :

mỗi nguyên tử luôn luôn giư khoảng cách nhất định với

các nguyên tử bên cạnh và luôn luôn có một số nhất

định các nguyên tử bao quanh nó, nói khác đi trong kim

loại lỏng luôn có những nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự

- Vì chuyển động nhiệt của nguyên tử ở trạng

thái lỏng rất lớn, do đó xu hướng sắp xếp trật tự luôn

luôn bị phá huỷ và thay bằng sự sắp xếp trật tự mới, tức

là những nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự luôn luôn xuất

hiện và biến mất

- Trong kim loại lỏng có điện tử tự do

Như vậy, có thể coi trong kim loại lỏng các

nguyên tử chỉ giữ được trật tự gần, còn trật tự xa như

trong kim loại rắn thì không giữ được

Hình 4.40: Sơ đồ trình bày cấu trú của kim loại (+) ion dương kim loại lớp mây điện tử

Bảng 4.8 : Sự biến đổi phối vị và thể tích của kim loại ở điểm nóng chảy

Kim loại Cấu trúc thể rắn Số phối vị thể

rắn

Số phối vị thể lỏng

Biến đổi thể tích, %

Pp

Tl

Al

Au

Cd

Zn

Li

Na

K

Lập phương tam diện tâm

Lập phương tam diện tâm

Lập phương tam diện tâm

Lập phương tam diện tâm

Sáu cạnh xếp chặt Sáu cạnh xếp chặt Lập phương tam diện tâm

Lập phương tam diện tâm

Lập phương tam diện tâm

12

12

12

12 6+6 6+6

8

8

8

8-11

8 10.6

11

8

11

10

8

8

4.8 3.2 6.0 5.1 4.7 4.2 1.7 2.5 2.6

Hình 4.43: Sơ đồ mạng tinh thể

khối 6 cạnh (Zn, Mg, Cd, Be, Co, Ti, Zr)

Hình 4.4: Sơ đồ mạng tinh thể

mặt thoi (Hg, Sb, As, Bi)

Hg

Bi

Sn

In

Ge

Ga

Mặt thoi Mặt thoi Chính phương Chính phương Lập phương Trực giao

6

3 4.2 4.8

4 1.6

8-8.3 7-8

11 8-8.5

8

11

3.6 -3.4 2.8 2.7

- -3.2

Cấu trúc của hợp kim lỏng

Trong kĩ thuật, kim loại được sử dụng chủ yếu ở dạng hợp kim Nếu đem kim loại nấu chảy hay thiêu kết với một hay nhiều nguyên tố khác để được vật liệu mới có tính chất kim loại, thì vật liệu mới đó được gọi là hợp kim Vậy hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố

và mang tính chất kim loại Tính chất của hợp kim phụ thuộc vào cấu tạo bên trong của nó, nghĩa là vào cấu tạo mạng tinh thể Cấu tạo mạng tinh thể của hợp kim nói chung là phức tạp hơn so với kim loại nguyên chất và phụ thuộc vào tương tác giữa các nguyên tử của những nguyên tố trong nó và chính do tương quan của năng lượng tương tác này quyết định cấu trúc

và tính chất của hợp kim

Cấu trúc tinh thể ở trạng thái rắn của hợp kim có thể là :

- Dung dịch rắn

- Hợp chất hóa học hoặc các pha trung gian

- Cac tinh thể của các cấu tử nguyên chất

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu chưa đưa ra được một mô hình nào thoả mãn hoàn toàn dạng tồn tại của các hợp kim lỏng Xét một dung dịch bao gồm hai cấu tử A và B Nếu lực tương tác giữa các cấu tử cùng loại mạnh hơn lực

tương tác giữa các cấu tự khác loại thì chất lỏng sẽ tạo

thành các cụm (A-A) và (B-B) tương ứng với cùng tinh

Đặc điểm của dung dịch này là ở nhiệt độ cao các cụm

nói trên sẽ hình thành một pha đồng nhất nhưng ở nhiệt

độ thấp các cấu tử sẽ tách thành hai pha riêng biệt

Các hợp kim thuộc loại này như Pb - Zn ; Pb- Sb

Sự xuất hiện các cụm vi tinh thể không đồng

nhất trong hợp kim lỏng cũng tồn tại cả trong trạng thái

rắn, thí nghiệm sau đây của các nhà nghiên cứu đã

= Pb = Mg

Hình 4.46 Sơ đồ mạng tinh

thể hợp kim Mg2Pb

= Al = Sb

Hình 4.46 Sơ đồ mạng tinh thể hợp kim AlSb

=Sb = Sn Hình 4.46 Sơ đồ mạng tinh thể

hợp kim AbSn

chứng minh điều đó : Cho gang lỏng chịu tác dụng quay ly tâm 1900 vòng/phút, lúc này trường lực tạo ra trong gang lỏng mạnh hơn sức hut trái đất đối với nó đến 320 lần, do vậy đã làm cho lớp gang ở trục có hàm lượng C cao Số chênh lệch nồng độ C trung bình là 1,3% Trên cơ sở thí nghiệm này đã tính toán và đi đến kết luận rằng, trong gang lỏng tồn tại các cụm C chứa tơi 107 nguyên tử C với kích thước 10-100

0

 Nếu trong các dung dịch lỏng lực tương tác giữa các cấu tử khác nhau A-B mạnh hơn các cấu tử cùng loại thì sẽ tạo thành các liên kết mà đối với các hợp kim thì đó là liên kết giữa các kim loại ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ đường lỏng, trong các hợp kim này các cụm nguyên

tử tương ứng với thành phần hoá học xác định vẫn giữ được mức độ trật tự nhất định Các hợp kim thuộc loại này ở cả hai trạng thái rắn và lỏng đều có cấu tạo đồng nhất một pha ví dụ như các hợp kim Cu-Au, Cu-Ni, Fe-Cr, Fe-Ni

Những điều nêu trên đây nhắc nhở các nhà luyện kim khi muốn chế tạo các hợp kim mới phải hết sức chú ý nghiên cứu kỹ về các loại dung dịch các kiểu mạng tinh thể và đường kính nguyên tử, nồng độ điện tử của các nguyên tố tạo hợp kim, ví dụ các nguyên tố muốn tạo thành hợp kim đồng nhất ở bất kì thành phần nào ít nhất cũng phải thoả mãn các điều kiện sau đây:

- Có cùng kiểu mạng tinh thể

- Đường kính nguyên tử khác nhau ít

- Hoá lí tính gần giống nhau

- Cùng hoá trị

Khi trong dung dịch hình thành từ hai cấu tử A và B, năng lượng tương tác giữa A-A, B-B và A-B đồng đều sao cho ta có:

F(A-B) = F(B-B) = F(A-A) thì đó là dung dịch lí tưởng các hợp kim lỏng không phải là dung dịch lý tưởng, nhưng có thể coi dung dịch lỏng của Fe, Mn, Ni, Cr, là các nguyên tố có đủ điều kiện nói trên, là gần với dung dịch lí tưởng Do đó có thể vận dụng công thức của dung dịch lí tưởng đối với các dung dịch này :

G0 = RT(CAlnCA + CBlnCB) Trong đó C- nồng độ của cấu tử trong dung dịch

Với một cấu tử trong dung dịch này ta có :

 G0 = RTlnCA

Cấu trúc các hợp kim sắt với những nguyên tố thường xuyên có trong sắt

Khi nghiên cứu động học các phản ứng trong quá trình luyện kim đen người ta thường quan tâm tới cấu trúc của từng cấu tử riêng biệt trong sắt lỏng Điều đó có quan hệ tới tốc độ dịch chuyển của các cấu tử tới vùng phản ứng và ngược lại tốc độ của chính các phản ứng lại phụ thuộc vào hình dạng của các cấu tử Chúng ta lần lượt điểm qua hành vi của các nguyên tố thường xuyên có trong sắt lỏng mà chủ yếu là cacbon, silisium, mangan, phốtpho và lưu huỳnh

Cacbon

Cacbon là nguyên tử á kim hai dạng thù

hình : graphít và kim cương Trong điều kiện bình

thường graphít là dạng thù hình ổn định Trong hợp

kim Fe-C, cacbon nguyên chất chỉ có thể tồn tại ở

dạng graphit mà không có ở dạng kim cương

Graphit có mạng lục giác và rất mềm, trong thiên

nhiên cacbon thường ở dạng vô định hình

Nhiều tác giả đã kết luận rằng trong sắt lỏng

cacbon tồn tại ở dạng Fe3C, vì mỗi nguyên tử C có

thể liên kết với bất kì nguyên tử Fe nào bên cạnh,

các nguyên tử này lại luôn luôn thay đổi nên người

ta cho rằng các phân tử Fe3C không bền và thường

Hình 4.48: Sự sắp xếp của nguyên tố cacbon trong mạng lập phương điện tâm của sắt

a - Khối cơ bản austenit b- Khối cơ bản khi cacbon điền kín trong mọi lỗ trống trong khối tám mặt (trường hợp lý thưởng)