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

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ

■

TRẦN THỊ NHÂM

LÍ THUYẾT KHUẾCH TÁN CỦA HỢP KIM XEN KẼ LẶP PHƯƠNG TÂM KHỐI VÀ

LẶP PHƯƠNG TÂM DIỆN • • •

Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngưòi hướng dẫn khoa học TS PHAN THỊ THANH HỒNG

HÀ NÔI – 2014

Trong thòi gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, chúng tôi đã nhận được sự giúp

đỡ của các thày, 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 an sâu sắc tới TS Phan Thị Thanh Hồng 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 Nội, tháng 05 năm 2014 Sinh viên thực hiện

TRẦN THỊ NHÂM

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 Tiến sĩ Phan Thị Thanh Hồng.

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 Nội, tháng 05 năm 2014 Sinh viên thực hiện

TRÂN THỊ NHÂM

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

■

MỞ ĐÀU

1 Lí do chọn đề 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 họp 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 họp kim cũng như các thông số vật lí cơ bản, tính chất của họfp 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 yật liệu Do đó nghiên cứu hợp kim xen kẽ đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà vật lí

4

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 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu về cấu trúc tinh thể của họp 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 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập phương tâm khối và lập phương tâm

diện

4 Phương pháp nghiên cứu

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 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của khóa luận

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 Bổ cục của khóa luận

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM XEN KẼ

Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại yật 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

5

Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đòi 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 bải yật liệu kim loại cũng như các loại vật liệu mới đặc biệt là hợp kim.

1.1 Sơ lược về họp 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 đỉnh, sau đó đem đúc thành sản phẩm Tổ họp 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 niệmvề họp kim

- La tông là hợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu + Zn)

Thành phàn của các nguyên tố trong họp kim được biểu thị theo phần trăm khối lượng của mỗi nguyên tố Tổng các thành phàn trong họp 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 vói 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

6

- Hệ (đôi khi còn gọi là hệ thống) là một tập hợp vật thể riêng biệt của họp kim trong điều kiện xác định.

- Pha là tổ phàn 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 H20 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 a (dung dịch rắn của hai cấu tử trên)

❖ Các dạng cấu tạo của họp kim Trong thực tế họp 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 họp chất hóa học (hay pha trung gian)

c Hợp kim có cấu tạo bởi hai hay nhiều pha

1.1.2 Dung dịch rắn

1.1.2.1 Khái niệm và phân loại

Cũng giống như dung dịch lỏng, ữong dung dịch rắn ta không phân biệt được một cách cơ học các nguyên tử của các cấu tử, các nguyên tử của

chúng

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 phàn 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)

I.I.2.2 Dung dịch rắn thay thế

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,

7

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 vói 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.

8

Hình 1.1 Sơ đồ tạo thành dung dịch rắn thay thế và xen kẽ

- Có cùng kiểu mạng tinh thể

- Đường kính nguyên tử khác nhau, nhỏ hơn 8% Nếu sai khác nhau từ 8-15% chỉ có thể hòa tan có hạn, lớn hơn 15% không thể hòa tan vào nhau

Xen

9

Hình 1.2 Sơ đồ tạo thành dung dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn

d

- Các tính chất vật lí và hóa học gần giống nhau (cấu tạo lớp vỏ điện tử, tính âm điện, nhiệt độ nóng chảy).

Xen

1

❖ Dung dịch rắn hòa tan có hạn:

Là dung dịch rắn mà trong đó các cấu tử chỉ hòa tan vào nhau với giá trị nhất định, tức là nồng độ của chúng bị gián đoạn

1.1.2.3 Dung dịch rắn xen kẽ - họp kim xen kẽ

Là loại dung dịch rắn trong đó nguyên tử hòa tan nằm xen giữa các nguyên tử của kim loại dung môi, chúng chui vào lỗ hổng trong mạng dung môi Như vậy ta thấy rằng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên

Do kích thước các lỗ hổng ưong mạng tính thể rất nhỏ nên các nguyên

tử hòa tan phải có kích thước rất nhỏ Đó chính là các nguyên tử c, N, H, B với dung môi Fe Đương nhiên dung dịch rắn xen kẽ chỉ có loại hòa tan

có hạn

1.1.2.4 Các đặc tính của dung dịch rắn

- Mạng tinh thể của dung dịch rắn là kiểu mạng của kim loại dung môi, thường có các kiểu mạng đơn giản và sít chặt Đây là yếu tố cơ bản quyết định các tính chất cơ, lí, hóa, về cơ bản nó vẫn giữ được các tính chất của kim loại dung môi Tuy nhiên về thông số mạng luôn khác với dung môi:

+ Trong dung dịch rắn xen kẽ: Thông số mạng dung dịch luôn lớn hơn thông số mạng dung môi (đường kính nguyên tử hòa tan luôn lớn hơn lỗ trống)

+ Trong dung dịch rắn thay thế: Nếu đường kính nguyên tử hòa tan lớn hơn đường kính nguyên tử dung môi thì thông số mạng dung dịch lớn hơn

dung môi Nếu đường kính nguyên tử hòa tan nhỏ hơn nguyên tử dung môi thì thông số mạng dung dịch nhỏ hơn dung môi.

с

rắn

xen

kẽb) Trongd

dịch

rắn

thay

thế

r

h t

>r

d m

c) Trong

dun

dịch

rắn

thay

thếk

r

h t

<r

d m

- Liên kết vẫn là liên kết kim loại

- Thành phần hóa học thay đổi trong phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu mạng

- Tính chất biến đổi nhiều:

Độ dẻo, độ dai, điện trở, độ bền,

độ cứng tăng lên,

Do các đặc tính ữên nên dung dịch rắn là

cơ sở của các hợp kim kết cấu dùng ừong cơ khí Trong các hợp kim này pha

cơ bản là dung dịch rắn, nó chiếm xấp xỉ 90%, có trường

100%

1.1.3 Pha trung gian

Trong các hợp kim hầu như không có loại hợp chất hóa học hóa ữị thường Các hợp chất hóa học tồn tại trong hợp kim thường gọi

là pha trung gian

1.1.3.1 Khái niệm và phân loại

Các họp chất hóa học tạo thành theo quy luật hóa trị thường có đặc diểm

sau:

- Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn mạng nguyên tố thành phàn

- Luôn luôn có một tí lệ chính xác giữa các nguyên tố và được biểu diễn bởi công thức

hóa học nhất định.

- Tính chất khác hẳn các nguyên

tố thành phần,

độ cứng cao, tính dòn

lớn

- Có nhiệt độ nóng chảy xác định, khi hình thành là phản ứng tỏa nhiệt Các pha trung gian trong họp kim thường gặp là: Pha

xen kẽ, pha điện

tử, phaLaves,

1.1.3.2 Pha xen kẽ

Là pha tạo nên giữa các kim loại chuyển tiếp (Fe, Cr,

Mo, .) có đường kính nguyên tử lớn với các phi kim loại (H, N, c, )

có đường kính nguyên tử bé Kiểu mạng của pha xen kẽ được xác định theo quan hệ giữa đường kính

nguyên tử kim loại và phi kim loại:

- Nếu — < 0,59 (dA là đường kính nguyên tử phi kim loai, dK

là đường

d K

kính nguyên tử kim loại) thì pha xen kẽ có kiểu mạng đơn giản: Tâm khối, tâm mặt, lục phương xếp chặt, Các nguyên tử phi kimloại xen kẽ vào lỗ hổng trong mạng

- Nếu — > 0,59 pha xen kẽ có kiểu mang phức

tap và công thức phức

d K

tạp hơn

Đặc điểm của pha xen kẽ nói chung là có nhiệt độ chảy

(thường>3000°C) và có độ cứng lớn (2000-

5000 HV), có tính dòn lớn.Chúng có vai trò rất lớn ưong việc nâng cao tính chống mài mòn và chịu nhiệt của hợp kim

1.1.3.3 Pha điện

tử (Hun - Rozeri)

Là pha trung gian có cấu tạo phức tạp, tạo nên bởi hai kim loại Thành phần của

nó như sau:

- Nhóm một: Gồm các kim loại hóa tri một

Cu, Ag, Au và kim loại chuyển tiếp Fe, Ni, Pt, Pd

- Nhóm hai: Các kim loại hóa tn hai, ba, bốn Be,

Mg, Zn, Cd, Al,

Si, Sn

1.1.3.4 Pha Laves

Là pha tạo nên bởi hai

(A,B), có tỉ lệ đường kính nguyên tử

— = 1,2 (tỉ lê này

có thể biến đổi trong pham vi 1,1 H-1,6), có công thức AB2,

d B

kiểu mạng lục phương xếp chặt (MgZn2) hay lập phương tâm mặt (MgCu2)

Trong hợp kim có thể còn gặp các pha

ơ,Ẵ,S,ụ Tuy nhiên các loại pha này ít phổ biến Một đặc tính quan trọng của các pha trung gian là cứng và dòn Vì vậy không bao giờ người ta dùng hợp kim chỉ có một pha

là pha trung gian

1.1.4 Hỗn họp

cơ học

Khá nhiều trường họfp, hợp kim có tổ chức hai hay nhiều pha: Hai

dung dịch rắn, dung dịch rắn

và pha trung gian cấu tạo như vậy gọi là hỗn họp cơ học Hai trường hợp điển hình của hỗn họp cơ học là: Cùng tinh và cùng tích

1.2 Tính chất của họp kim [5]

❖ Tính chất lí hóa:

- Khối lượng riêng là số đo khối lượng của vật chứa trong một đơn vị thể

- Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ ứng với lúc hợp kim bắt đầu nóng chảy hay kết tinh.

- Tính dẫn nhiệt là hiện tượng truyền nhiệt từ nơi cao đến nơi thấp của vật liệu

- Tính dãn

nở nhiệt là sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ

- Tính dẫn điện: Khi nhiệt

độ tăng tính dẫn điện giảm và khi

nhiệt độ giảm thì tính dẫn điện tăng.

❖ Tính chất công nghệ:

- Tính cắt gọt là khả năng cắt gọt dễ hay khó, được xác định bỏi lực cắt gọt, tốc độ cắt gọt, độ bóng sau khi cắt gọt

- Tính hàn

là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết khi nóng cục bộ chỗ nối đến trạng thái chảy hoặc dẻo

- Tính rèn

là khả năng biến dạng vĩnh cửu khi chịu tác dụng lực bên ngoài và không

bị phá hỏng

- Tính đúc xác định bởi độ chảy loãng của kim loại khi nấu chảy để đổ đầy vào khuân đúc,

độ co và tính thiên tích (tính thiên tích là sự không đồng nhất

về thành phần hóa học trong từng phần của vật đúc và trong

nội bộ các hạt của kim loại hay hợp kim).

❖ Tính chất

cơ lí

Hình 1.4 Một trong những ứng dụng của tính chắt

cơ lỉ của hợp kim

- Tính bền

là khả năng của vật liệu không bị đứt, gãy khi phải chịu một lực nhất định nào đó Tất cả các vật liệu sẽ bị đứt, khi lực vượt quá khấng lực của vật liệu.

- Tính đàn hồi và tính dẻo

+ Tính đản hồi của vật liệu là khả năng

trở về hình dạng ban đầu của vật liệu sau khi ỉoại bỏ ngoại lực Một ví

dụ rất

dễ nhận thấy hằng ngày

là tính

đàn hồi của lò

xo, nố

sẽ ứở lại hình dáng ban đầu khi bị nén hoặc kéo trong giới hạn đàn hồi + Tính dẻo là