Lí thuyết khuếch tán của hợp kim xen kẽ lập phương tâm khố và lập phương tâm diện

Khuếch tán là một hiện tượng rất cơ bản trong tự nhiên và nó xảy ra trong tất cả các môi trường vật chất: Chất khí, chất lỏng, vũ trụ, động vật,…. Do vậy nghiên cứu để hiểu các quá trình khuếch tán chính là nghiên cứu quy luật cơ bản của tự nhiên. Nó sẽ góp phần làm cho con người hiểu rõ về các quá trình vận động của vật chất trong tự nhiên, nhất là sự vận động trong thế giới vi mô.

 KHOA V        - 2014 LI C Trong thời gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong TổVật lí lí thuyết, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý đã tận tình giảng dạy tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành khóa học và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong thời gian nghiên cứu khóa luận. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phan Th Thanh Hng đã quan tâm, động viên giúp đỡ tận tình, đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong thời gian nghiên cứu khóa luận. Tôi xin chân thành cảm ơn mọi đóng góp quý báu đó! Hà N Sinh viên thực hiện TRẦN THỊ NHÂM L Khóa luận tốt nghiệp: Lí thuyết khuếch tán của hợp kim xen kẽ lập phương tâm khối và lập phương tâm diện được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của cô giáo Tin  Thanh Hng. Tôi xin cam đoan đề tài này là kết quả nghiên cứu của tôi và không trùng với bất kì kết quả nghiên cứu của tác giả nào khác. Hà N Sinh viên thực hiện TRẦN THỊ NHÂM MC LC M U 1 1. Lí do chọn đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4. Phương pháp nghiên cứu 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của khóa luận 2 6. Bố cục khóa luận 2  1: TNG QUAN V HP KIM XEN K 3 1.1. Sơ lược về hợp kim 3 1.1.1. Khái niệm về hợp kim 3 1.1.2. Dung dịch rắn 4 1.1.2.1. Khái niệm và phân loại 4 1.1.2.2. Dung dịch rắn thay thế 5 1.1.2.3. Dung dịch rắn xen kẽ - hợp kim xen kẽ 7 1.1.2.4. Các đặc tính của dung dịch rắn 7 1.1.3. Pha trung gian 8 1.1.3.1. Khái niệm và phân loại 8 1.1.3.2. Pha xen kẽ 9 1.1.3.3. Pha điện tử (Hun-Rozeri) 10 1.1.3.4. Pha Laves 10 1.1.4. Hỗn hợp cơ học 10 1.2. Tính chất của hợp kim 10 1.3. Cấu trúc tinh thể của hợp kim 13 1.3.1. Lập phương tâm khối (BCC) 13 1.3.2. Lập phương tâm diện (FCC) 15 1.3.3. Lục phương (Hcp) 16 1.4. Ứng dụng của hợp kim 17 T KHUCH TÁN CA HP KIM XEN K . 20 2.1. Hiện tượng khuếch tán 20 2.2. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong hợp kim xen kẽ 22 2.2.1. Cơ chế khuếch tán 23 2.2.2. Cơ chế khuếch tán xen kẽ trong hợp kim xen kẽ 26 2.2.2.1. Mạng LPTK 26 2.2.2.2. Mạng LPTD 27 2.3. Một số phương pháp nghiên cứu hiện tượng khuếch tántrong hợp kim xen kẽ 29 Kt lun 34 Tài liu tham kho 35 1 M U 1. Lí do ch tài Cuộc sống ngày càng phát triển, nhu cầu của con người ngày càng cao đòi hỏi phải tìm ra những thiết bị, những dụng cụ mới tiến bộ hơn. Để làm được điều đó các nhà khoa học đã tìm ra những vật liệu mới để đáp ứng các ngành công nghiệp chế tạo. Một trong các vật liệu có nhiều ưu điểm đã được các nhà khoa học chú ý nghiên cứu đó chính là hợp kim. Việc pha tạp dung dịch rắn của nhiều kim loại hoặc giữa các nguyên tố kim loại với các nguyên tố phi kim có những đặc tính vượt trội so với kim loại nguyên chất hợp thành về độ bền, tính điện, độ bền cắt, khả năng chống mòn, Việc nghiên cứu cấu trúc, cơ chế của sự hình thành mạng hợp kim cũng như các thông số vật lí cơ bản, tính chất của hợp kim phụ thuộc vào nồng độ, phương pháp pha tạp và các vấn đề phức tạp khác đã đặt ra cho các nhà khoa học nhiều bài toán hóc búa. Khuếch tán là một hiện tượng rất cơ bản trong tự nhiên và nó xảy ra trong tất cả các môi trường vật chất: Chất khí, chất lỏng, vũ trụ, động vật,…. Do vậy nghiên cứu để hiểu các quá trình khuếch tán chính là nghiên cứu quy luật cơ bản của tự nhiên. Nó sẽ góp phần làm cho con người hiểu rõ về các quá trình vận động của vật chất trong tự nhiên, nhất là sự vận động trong thế giới vi mô. Chính vì vậy mà hiện tượng khuếch tán trong tự nhiên là một đề tài hấp dẫn và luôn có vấn đề mới đặt ra để nghiên cứu. Đối với hợp kim nói chung và hợp kim xen kẽ nói riêng thì có hai cơ chế khuếch tán cơ bản là cơ chế xen kẽ và cơ chế thay thế. Cơ chế nào chiếm ưu thế phụ thuộc vào từng kim loại và các tạp chất pha tạp vào kim loại đó. Hợp kim, đặc biệt là hợp kim xen kẽ là một trong những vật liệu có đóng góp không nhỏ trong sự phát triển của khoa học vật liệu. Do đó nghiên cứu hợp kim xen kẽ đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà vật lí. 2 Xuất phát từ những lí do nêu trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài: Lí thuyết khuếch tán của hợp kim xen kẽ lập phương tâm diện và lập phương tâm khối” để làm khóa luận tốt nghiệp. 2. Mu Tìm hiểu về cấu trúc tinh thể của hợp kim xen kẽ. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập phương tâm diện và lập phương tâm khối. 3. ng và phm vi nghiên cu Các hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập phương tâm khối và lập phương tâm diện. 4. u Tìm, đọc các tài liệu liên quan đến nội dung nghiên cứu. Phân tích, đánh giá các kiến thức thu lượm được để hoàn thành khóa luận. 5. c và thc tin ca khóa lun Các kết quả nhận được sẽ góp phần làm sáng tỏ hơn lí thuyết khuếch tán của hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập phương tâm khối và lập phương tâm diện. 6. B cc ca khóa lun Khóa luận được chia làm 2 chương:  Chương 1: Tổng quan về hợp kim xen kẽ.  Chương 2: Lí thuyết khuếch tán của hợp kim xen kẽ. 3  TNG QUAN V HP KIM XEN K Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng ngày càng cao hơn. Đầu tiên là thời kì đồ đá, sau đó tiến đến thời kìđồ đồng, đồ sắt, Cho đến nay là một loạt các loại vật liệu mới như: Composit, polyme, ceramit,… Các loại vật liệu này (đặc biệt là kim loại và hợp kim) đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội loài người một cách nhanh chóng. Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống, … đòi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau. Tất cả các tính chất này đều có thể được đáp ứng bởi vật liệu kim loại cũng như các loại vật liệu mới đặc biệt là hợp kim. 1.1. c v hp kim [5] Trong kĩ thuật, đặc biệt là trong chế tạo cơ khí không dùng kim loại nguyên chất mà thường dùng tổ hợp của kim loại và các chất khác. Tổ hợp các chất này được chế tạo bằng cách nấu chảy rồi pha trộn với nhau theo tỉ lệ đã định, sau đó đem đúc thành sản phẩm. Tổ hợp đó gọi là hợp kim. Hợp kim có những tính chất khác hẳn mà kim loại nguyên chất không thể có được. 1.1.1. Khái nimv hp kim  Định nghĩa Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại (dẫn điện, dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim,…). Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại. Hợp kim có thể được tạo ra từ nhiều nguyên tố kim loại và phi kim loại. 4 Ví dụ: - Thép các bon là hợp kim của nguyên tố kim loại và phi kim loại (Fe+C). - La tông là hợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu + Zn). Thành phần của các nguyên tố trong hợp kim được biểu thị theo phần trăm khối lượng của mỗi nguyên tố. Tổng các thành phần trong hợp kim luôn luôn bằng 100%. Đôi khi người ta còn dùng tỉ lệ phần trăm nguyên tử.  Một số khái niệm cơ bản Khi nghiên cứu về hợp kim ta có thêm một số khái niệm mới hơn so với kim loại nguyên chất. - Cấu tử (còn gọi là nguyên) là các nguyên tố (hay hợp chất hóa học bền vững) cấu tạo lên hợp kim. Chúng là các thành phần độc lập. - Hệ (đôi khi còn gọi là hệ thống) là một tập hợp vật thể riêng biệt của hợp kim trong điều kiện xác định. - Pha là tổ phần đông nhất của hệ (hợp kim) có cấu trúc và các tính chất cơ, lí, hóa xác định, giữa các pha có bề mặt phân cách. Ví dụ: - Ta có một hệ gồm nước đá và nước. Hệ này chỉ có một cấu tử đó là hợp chất H 2 0 nhưng có hai pha: Rắn (nước đá), lỏng (nước). - Một chi tiết bằng la tông một pha: Hệ này có hai cấu tử là Cu và Zn nhưng chỉ có một pha  (dung dịch rắn của hai cấu tử trên).  Các dạng cấu tạo của hợp kim Trong thực tế hợp kim thường có các dạng cấu tạo sau đây: a. Hợp kim có cấu tạo một pha là dung dịch rắn. b. Hợp kim có cấu tạo nhiều pha là hợp chất hóa học (hay pha trung gian). c. Hợp kim có cấu tạo bởi hai hay nhiều pha. 1.1.2. Dung dch rn 1.1.2.1. Khái nim và phân loi Cũng giống như dung dịch lỏng, trong dung dịch rắn ta không phân biệt được một cách cơ học các nguyên tử của các cấu tử, các nguyên tử của chúng 5 ta phân bố xen vào nhau trong mạng tinh thể. Cấu tử nào có số lượng nhiều hơn, vẫn giữ được kiểu mạng của mình gọi là dung môi. Các cấu tử còn lại gọi là chất hòa tan. Dung dịch rắn là pha đông nhất có cấu trúc mạng tinh thể của cấu tử dung môi nhưng thành phần của nó có thể thay đổi trong một phạm vi nhất định mà không làm mất đi sự đồng nhất của nó. Dung dịch rắn được chia làm hai loại: Dung dịch rắn thay thế và dung dịch rắn xen kẽ (hợp kim xen kẽ). 1.1.2.2. Dung dch rn thay th Dung dịch rắn thay thế là loại dung dịch rắn mà trong đó cấu tử hòa tan thay thế vào vị trí trên nút mạng của cấu tử dung môi (nguyên tố chủ). Như vậy kiểu mạng và số nguyên tử trong khối cơ sở đúng như của cấu tử dung môi. Tuy nhiên sự thay đổi này ít nhiều đều gây ra sự xô lệch mạng, vì không thể có hai loại nguyên tử của hai cấu tử có kích thước hoàn toàn giống nhau. Do vậy sự thay thế chỉ xảy ra với các cấu tử có kích thước nguyên tử khác nhau ít (với kim loại sự sai khác này không quá 15%). Tùy thuộc vào mức độ hòa tan người ta còn chia dung dịch rắn hòa tan vô hạn và có hạn.  Dung dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn: Là loại dung dịch rắn mà trong nồng độ của chất hòa tan có thể biến đổi liên tục, tức là với nồng độ bất kì. Trong loại dung dịch rắn này không thể phân biệt được cấu tử nào là dung môi, cấu tử nào là chất hòa tan, cấu tử nào có lượng chứa nhiều nhất là dung môi, các cấu tử còn lại là chất hòa tan. [...]... Cơ chế kéo cụm lại Cơ chế hỗn hợp Cơ chế tác động Hình 2.3.Một số cơ chế khuếch tán khác của tạp chất 25 2.2.2 á ơ khu ch tán xen kẽ trong hợp kim xen kẽ [1] Trong khóa luận này chúng ta sẽ đi nghiên cứu cơ chế khuếch tán xen kẽ của hợp kim xen kẽ cấu trúc mạng LPTK và mạng LPTD 2.2.2.1 Mạng LPTK Từ mạng lập phương tâm khối của kim loại A có kích thước lớn, cho xen kẽ vào tâm các mặt ô mạng những nguyên... dụng và công nghiệp Ngoài ra hợp kim còn rất nhiều ứng dụng khác trong đời sống 18 Hình 1.10 Một số ứng dụng khác của hợp kim 19 LÍ THUY T KHU CH TÁN CỦA H P KIM XEN K Một trong những vấn đề khi nghiên cứu hiện tượng khuếch tán là chúng ta cần phải chỉ ra được cơ chế khuếch tán của vật liệu Đối với hợp kim nói chung và hợp kim xen kẽ nói riêng có hai cơ chế khuếch tán cơ bản là: Cơ chế xen kẽ và cơ... khuếch tán trong tinh thể rắn nói chung và khuếch tán trong kim loại – hợp kim nói riêng Sau đây chúng tôi giới thiệu một số phương pháp lí thuyết mà các nhà khoa học đã sử dụng để nghiên cứu hiện tượng khuếch tán trong hợp kim xen kẽ 28 2.3 Một số p ơ p áp ứu hiệ ợng khu ch tántrong hợp kim xen kẽ [1, 2] Một trong những phương pháp lí thuyết mở đầu cho việc nghiên cứu hiện tượng khuếch tán là: - Lí. .. chuyển vào) 3 1 Hình 2.5 Cơ chế khuếch tán của mạng LPTK theo cách 2 Bằng các nghiên cứu từ thực nghiệm và lí thuyết các nhà khoa học đã chỉ ra rằng hợp kim xen kẽ cấu trúc lập LPTK khuếch tán theo cách 1 hay cách 2 ngoài phụ thuộc vào từng kim loại và các tạp chất pha tạp còn có thể phụ thuộc vào: + Hằng số lực kB: Nếu hằng số lực ở vị trí 2 k2B . trưng và thường gặp nhất là: - Lập phương tâm khối (BCC): Body-centered cybic. - Lập phương tâm mặt (FCC): Face-centered cybic. - Lục phương (HCP): Hexagonal-close-packed. Hình 1.5.Mt s. tan vô hn - Có cùng kiểu mạng tinh thể. - Đường kính nguyên tử khác nhau, nhỏ hơn 8%. Nếu sai khác nhau từ 8-1 5% chỉ có thể hòa tan có hạn, lớn hơn 15% không thể hòa tan vào nhau. - Các tính. diểm sau: - Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn mạng nguyên tố thành phần. - Luôn luôn có một tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tố và được biểu diễn bởi công thức hóa học nhất định. - Tính chất