Nghiên cứu, chế tạo hợp kim đồng đàn hồi độ bền cao trên cơ sở hợp kim hóa ni và sn

-Mục đích của luận văn: Chế tạo một số hợp kim hệ Cu-Ni-Sn có độ bền và các tính chất tương đương có thể thay thế đồng berily trong các chi tiết yêu cầu độ dẫn nhiệt, dẫn điện.và độ mài

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỢP KIM ĐỒNG ĐÀN HỒI ĐỘ BỀN

CAO TRÊN CƠ SỞ HỢP KIM HÓA Ni VÀ Sn

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn Dương Nam

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỢP KIM ĐỒNG ĐÀN HỒI ĐỘ BỀN CAO

TRÊN CƠ SỞ HỢP KIM HÓA Ni VÀ Sn

Chuyên ngành : Khoa học và kỹ thuật vật liệu kim loại

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 PGS TS LÊ THỊ CHIỀU

2 PGS TS NGUYỄN HỒNG HẢI

Hà Nội – Năm 2011

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài: Nghiên cứu, chế tạo hợp kim đồng đàn hồi độ bền cao trên cơ sở hợp kim hóa Ni và Sn

Tác giả luận văn: Nguyễn Dương Nam Khóa: 2009

Người hướng dẫn: 1 PGS.TS Lê Thị Chiều

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

-Mục đích của luận văn:

Chế tạo một số hợp kim hệ Cu-Ni-Sn có độ bền và các tính chất tương đương có thể thay thế đồng berily trong các chi tiết yêu cầu độ dẫn nhiệt, dẫn điện.và độ mài mòn cao với giá thành rẻ và công nghệ đơn giản hơn Cơ sở của

sự tăng bền là quá trình phân hủy spinodal trong hợp kim khi thực hiên xử lý nhiệt

và biến dạng

- Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận văn được tập trung nghiên cứu trên

ba hệ hợp kim Cu-9Ni-3Sn; Cu-9Ni-6Sn; Cu-15Ni-8Sn

Do giới hạn của thời gian nên luận văn tập trung vào nghiên cứu thành phần của hợp kim, khảo sát ảnh hưởng chế độ nhiệt luyện và biến dạng đến

cơ tính hợp kim

b) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

Đề tài đã nghiên cứu ứng dụng thành công phân hóa spinodal vào các mác hợp kim Cu-Ni-Sn khác nhau Kết quả cho thấy rằng sau khi xử lý ở chế độ hợp lý giá trị độ bền độ cứng tăng lên đáng kể Sau khi xử lý hợp kim Cu-9Ni-3Sn giá trị độ bền tăng lên trên 1000MPa, độ cứng trên 20HRC, độ dẫn điện đạt tới 14%IACs Đối với hệ hợp kim Cu-9Ni-6Sn sau khi xử lý giá trị độ bền tăng lên trên 1200MPa, độ cứng lên tới 26HRC, độ dẫn điện đạt 8%IACs Đối với hệ Cu-15Ni-8Sn sau xử lý giá trị độ cứng lên trên 32HRC, tốc độ ăn mòn nhỏ, hệ số ma sát thấp; dẫn nhiệt tốt Ngoài ra trong thành phần có pha mềm γ tạo điều kiện bôi trơn cho chi tiết

c) Phương pháp nghiên cứu

Tiến hành nấu các mác đồng Ni-Sn có thành phần cơ bản: 9Ni -3Sn; Cu-9Ni-6Sn; Cu-15Ni-8Sn Sử dụng các thiết bị kiểm nghiệm như hiển

Cu-vi quang học, máy hiển Cu-vi điện từ quét, phân tích Xray… tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện tên lửa, Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu, trung tâm kiểm định chất lượng hàng hóa…để thực hiện các phép đo kiểm tra sau khi xử lý

d) Kết luận

Đề tài đã tiến hành thành công chế tạo và xử lý nhiệt các mác hợp kim theo mục tiêu đề ra

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu của luận văn này chưa từng được công bố ở một công trình nào khác mà tôi không tham gia

Tác giả

Nguyễn Dương Nam

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Lê Thị Chiều và PGS.TS Nguyễn Hồng Hải đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn tới sự giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi của các cán bộ Phòng thí nghiệm Kim loại học, PTN Công nghệ vật liệu kim loại, Bộ môn Vật liệu và công nghệ đúc, Đại học Bách Khoa Hà Nội trong quá trình học tập và thực nghiệm để hoàn thành luận văn

Tác giả xin cảm ơn Phòng Công nghệ, Viện tên lửa – Viện Khoa học Công nghệ quân sự đã tận tình giúp đỡ tạo điều kiện cho tác giả thực hiện luận văn này

Tác giả xin cảm ơn tới sự cộng tác, giúp đỡ nhiệt tình của nghiên cứu sinh Sái Mạnh Thắng; sinh viên Lưu Văn Đại, Lê Văn Quân, Ngô Văn Hậu – K51 Khoa Khoa học và công nghệ vật liệu đã cùng tham gia nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả

Nguyễn Dương Nam

MỤC LỤC

Trang

TRANG BÌA……… 1

LỜI CAM ĐOAN……… 2

LỜI CẢM ƠN……… 3

MỞ ĐẦU……… 15

1 Đặt vấn đề……… 15

2 Tình hình nghiên cứu hệ Cu-Ni-Sn trên thế giới và ở Việt Nam 18

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu………

19 4 Phương pháp nghiên cứu……… 20

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN……… 23

1.1 Giới thiệu về hệ hợp kim Cu – Ni – Sn……… 23

1.1.1 Đồng thanh thiếc……… 23

1.1.2 Hợp kim đồng niken……… 26

1.1.3 Hợp kim đồng - niken - thiếc……… 27

1.2 Các cơ chế tăng bền hợp kim đồng……… 28

1.2.1 Hợp kim đồng tăng bền ở nhiệt độ thấp……… 29

1.2.2 Hợp kim đồng tiết pha tăng bền……… 29

1.2.3 Hợp kim đồng tăng bền theo cơ chế trật tự hóa……… 30

1.2.4 Hợp kim đồng tăng bền bằng phân hủy Spinodal……… 31

1.3 Hóa bền kim Cu-Ni-Sn trên cơ sở chuyển biến spinodal……… 31

1.3.1 Điều kiện để thực hiện phân hủy spinodal trong hệ Cu-Ni-Sn 31 1.3.2 Vùng thành phần có chuyển biến spinodal trong hệ Cu-Ni-Sn 53 1.3.3 Khuyếch tán của các nguyên tố trong hệ Cu-Ni-Sn………… 57

1.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới phân hủy spinodal trong hệ Cu-Ni-Sn………

61 1.3.5 Chuyển biến spinodal trong hợp kim có hàm lượng nguyên tố hợp kim cao………

62 1.3.6 Quy trình xử lý nhiệt hợp kim Cu-Ni-Sn……… 65

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM……… 69

2.1 Quy trình nấu đúc hợp kim……… 69

2.1.1 Công nghệ đúc……… 69

2.1.1.1 Những đặc điểm chung về tính đúc của đồng và hợp kim đồng……… 69

2.1.1.2 Những tính chất công nghệ trong đúc rót……… 72

2.2 Quy trình xử lý tăng bền cho hợp kim……… 73

2.3 Thiết bị phân tích……… 74

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……… 78

3.1 Nghiên cứu quá trình xử lý nhiệt của hệ hợp kim Cu-9Ni-3Sn…… 78

3.1.1 Thành phần hóa học……… 78

3.1.2 Trạng thái đúc……… 79

3.1.3 Trạng thái sau đồng nhất hóa và tôi……… 79

3.1.4 Trạng thái hóa già……… 81

3.1.5 Trạng thái xử lý nhiệt kết hợp với biến dạng……… 85

3.1.6 Phân tích ảnh SEM……… 91

3.1.7 Phân tích tốc độ ăn mòn……… 92

3.1.8 Kết quả thử nghiệm đo độ dẫn điện……… 92

3.2 Nghiên cứu quá trình xử lý nhiệt của hệ hợp kim Cu-9Ni-6Sn…… 94

3.2.1 Thành phần hóa học……… 94

3.2.2 Trạng thái sau đúc……… 95

3.2.3 Trạng thái sau ủ đồng đều và tôi……… 96

3.2.4 Trạng thái hóa già……… 96

3.2.5 Phân tích ảnh SEM……… 102

3.2.6 Phân tich Xray……… 107

3.2.6 Phân tích độ ăn mòn……… 108

3.2.7 Kết quả thử nghiệm độ dẫn điện……… 109

3.3 Nghiên cứu quá trình xử lý nhiệt của hệ hợp kim Cu-15Ni-8Sn…… 110

3.3.1 Thành phần hóa học……… 110

3.3.2 Trạng thái đúc……… 112

3.3.3 Trạng thái ủ đồng đều và tôi……… 112

3.3.4 Trạng thái hóa già……… 113

3.3.5 Phân tích ảnh SEM……… 118

3.3.6 Phân tích Xray……… 120

3.3.7 Phân tích ảnh hưởng của ăn mòn……… 121

3.3.8 Phân tích nhiệt vi sai……… 122

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 124

4.1 Kết luận……… 124

4.2 Kiến nghị……… 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 127

DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 0.1: Một số hợp kim đồng berilium……… 15

Bảng 1.1: Các hợp kim đồng tăng bền ở nhiệt độ thấp……… 29

Bảng 1.2: Nhiệt độ xử lý nhiệt dung dịch rắn và thời gian cho hợp kim spinodal……… 53

Bảng 1.3: Độ bền cơ bản và thời gian hóa già cho các hợp kim spinodal khác nhau……… 66

Bảng 3.1: Giá trị độ cứng đo được của hợp kim Cu-9Ni-3Sn khi hóa già ở các nhiệt độ khác nhau……… 82

theo thời gian khác nhau………

Bảng 3.3 : Kết quả độ cứng sau biến dạng và sau biến dạng kết hợp với hóa già……… 87

Bảng 3.4: Chế độ xử lý mẫu khảo sát độ bền……… 87

Bảng 3.5: Kết quả xác định độ bền và giới hạn đàn hồi ở các chế độ khác nhau……… 88

Bảng 3.6:Kết quả đo độ mài mòn và hệ số ma sát ở các chế độ khác nhau……… 89

Bảng 3.7: Kết quả thử độ ăn mòn của mẫu sau khi tôi và hóa già……… 92

Bảng 3.8: Mẫu đo độ dẫn điện……… 92

Bảng 3.9: Kết quả đo độ dẫn điện……… 93

Bảng 3.10: Thành phần hóa học hợp kim Cu-9Ni-6Sn nhiệt luyện…… 94

Bảng 3.11: Giá trị độ cứng đo đƣợc của hợp kim Cu-9Ni-6Sn khi hóa già ở các nhiệt độ khác nhau……… 97

Bảng 3.12: Giá trị độ cứng đo đƣợc của hợp kim Cu-9Ni-6Sn khi hóa già theo thời gian khác nhau……… 98

Bảng 3.13: Mẫu khảo sát độ bền và giới hạn đàn hồi……… 100

Bảng 3.14: Kết quả độ bền và giới hạn đàn hồi mẫu sau xử lý………… 101

Bảng 3.15: Kết quả độ mài mòn và hệ số ma sát……… 102

Bảng 3.16: Kết quả đo độ ăn mòn sau tôi và hóa già……… 108

Bảng 3.17: Thông số mẫu đo độ dẫn điện……… 109

Bảng 3.18: Kết quả đo độ dẫn điện……… 110

Bảng 3.19: Thành phần hóa học hợp kim Cu-15Ni-8Sn……… 111

Bảng 3.20: Độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn khi hóa già ở các nhiệt độ

khác nhau

114

Bảng 3.22: Độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn khi hóa già ở các thời gian

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.3: Mặt cắt đẳng nhiệt trạng thái rắn hệ ba nguyên ở 5000C…… 27

Hình 1.5: Tạo ra cấu trúc tế vi theo hàm Cahn – Hilliard, thể hiện sự thô

hóa và tách pha 33 Hình 1.6: Tiêu chuẩn Gibb cho dao động nồng độ hay mật độ vật chất

Hình 1.7: Qúa trình khuyếch tán tạo hai pha hỗn hợp: tạo mầm và phát

Hình 1.9: Sự dịch chuyển của đường hỗn hợp theo hàm lượng Sn trong 55

hệ ba nguyên Cu-Ni-Sn………

Hình 1.11 : Biên dạng nồng độ cho khuyếch tán của Ni và thiếc của hợp

Hình 1.12 : Mối quan hệ giữa hệ số khuyếch tán Sn trong hệ của Cu-Ni

Hình 1.13 : Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ số trực tiếp và gián tiếp

SnNi Cu

SnNi D

Hình 1.19: Hóa già với hợp kim Cu-15Ni-8Sn (C72900), xử lý dung

dịch bên dưới biên đơn pha (Microduplex) và ở trên biên một pha.A- xử

lý trước khi hóa già, xử lý dung dịch rắn trên biên đơn pha ở 825°C

trong 30 phút và tôi nước; B (microduplexed)- xử lý dung dịch bên dưới

đường đơn pha tại 725°C trong 1 giờ và tôi nước………

68

Hình 2.5: Thiết bị FESEM S4800……… 75

Hình 2.6: Thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D5000……… 75

Hình 2.7: Thiết bị thử độ mài mòn và hệ số ma sát……… 76

Hình 2.8 : Bản vẽ mẫu thử độ bền và giới hạn đàn hồi……… 76

Hình 2.9: Mẫu thử kéo và máy thử kéo WP300……… 77

Hình 3.1: Giản đồ pha (Cu-9Ni)-Sn……… 78

Hình 3.2: Tổ chức đúc hợp kim Cu-9Ni-3Sn……… 79

Hình 3.3: Sơ đồ nhiệt luyện hợp kim Cu-9Ni-3Sn……… 80

Hình 3.4: Tổ chức sau tôi hợp kim Cu-9Ni-3Sn……… 81

Hình 3.5: Tổ chức sau hóa già hợp kim Cu-9Ni-3Sn……… 82

Hình 3.6: Sự biến đổi độ cứng HV khi hóa già ở các nhiệt độ khác nhau 83 Hình 3.7: Sự biến đổi độ cứng HV khi hóa già theo thời gian khác nhau 85 Hình 3.8: Ảnh tổ chức tế vi mẫu sau tôi + biến dạng nguội 40% x1000 85

Hình 3.9 Tổ chức tế vi của mẫu sau biến dạng + hóa già x1000……… 86

Hình 3.10: Biểu đồ kéo mẫu ở chế độ 1C và chế độ 2-1……… 88

Hình 3.11: Biểu đồ kéo mẫu ở chế độ 2R và chế độ 2R (lần 2)……… 88

Hình 3.12: Nhiễu xạ Xray mẫu Cu – 9Ni- 3Sn hóa già 3500C………… 90

Hình 3.13: Tổ chức mẫu 9-3 sau biến dạng nguội 40% và hóa già 3500C – 2h……… 91

Hình 3.14: Đường cong thế điện cực của mẫu sau khi tôi (a) và hóa già (b)……… 92

Hình 3.15: Giản đồ pha (Cu-9Ni)-Sn……… 94

Hình 3.16: Sơ đồ nhiệt luyện hợp kim Cu-9Ni-6Sn……… 95

Hình 3.17: Tổ chức tế vi sau đúc x100……… 95

Hình 3.18: Tổ chức tế vi sau tôi (8500C; 2h)……… 96

Hình 3.19: Tổ chức tế vi sau hóa già x200……… 97

Hình 3.20: Sự thay đổi độ cứng hợp kim Cu-9Ni-6Sn theo nhiệt độ xử lý 98 Hình 3.21: Sự thay đổi độ cứng hợp kim Cu-9Ni-6Sn theo thời gian xử lý……… 99

Hình 3.22 : Đồ thị kết quả mẫu sau kéo……… 101

Hình 3.23: Ảnh SEM mẫu đúc sau hóa già 3500C trong 2h……… 103

Hình 3.24: Ảnh SEM vùng biên hạt x10000……… 103

Hình 3.25: Ảnh SEM vùng trong hạt x10000……… 103

Hình 3.26: Đồ thị phân bố nguyên tố vùng biên hạt……… 104

Hình 3.27: Đồ thị phân bố nguyên tố vùng trong hạt……… 104

Hình 3.28: Phân bố nguyên tố ở trên biên……… 105

Hình 3.29: Phân bố nguyên tố ở trong hạt……… 106

Hình 3.30: Ảnh SEM sau biến dạng 40% và hóa già 3500C (2h)……… 106

Hình 3.31: Giản đồ nhiễu xạ Xray mẫu Cu-9Ni-6Sn sau khí hóa già 3500C (trạng thái không biến dạng)……… 107 Hình 3.32: Giản đồ nhiễu xạ Xray mẫu Cu-9Ni-6Sn sau khí hóa già 107

Hình 3.37: Ảnh tổ chức tế vi hợp kim Cu-15Ni-8Sn sau tôi 8200C giữ

nhiệt 3h 113 Hình 3.38: Ảnh tổ chức tế vi hợp kim Cu-15Ni-8Sn sau tôi 8200C giữ

nhiệt 3h, hóa già 3500

C trong 2h 113 Hình 3.39: Tổ chức tế vi hợp kim Cu-15Ni-8Sn hóa già 4500C trong 3h 114 Hình 3.40: Sự thay đổi độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn theo nhiệt độ xử

lý 115 Hình 3.41: Ảnh vết đâm từng pha của hợp kim Cu-15Ni-8Sn tôi 8500C –

2.5h hóa già 4500C -2h 116 Hình 3.42: Sự thay đổi độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn theo thời gian xử

Hình 3.46: Giản đồ nhiễu xạ Xray mẫu sau hóa già 5000C (2h)……… 121 Hình 3.47: Đường cong thế điện cực ăn mòn của mẫu sau khi tôi (a) và

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Trong điều kiện khoa học và công nghệ ở một nước đang phát triển như nước

ta, nhu cầu vật liệu đồng, nhất là các hợp kim đồng có độ bền, độ đàn hồi, độ dẫn điện, khả năng chịu ăn mòn cao ngày nhiều một nhiều hơn Một trong những ngành

có nhu cầu rất cao về hợp kim đồng là điện lực

Để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, các nhà máy điện đang được gấp rút xây dựng từ trong Nam ra ngoài Bắc Các thiết bị điện, các chi tiết truyền tải điện được chế tạo trong nước ngày càng nhiều Vật liệu đồng là vật liệu chính được sử dụng trong truyền tải điện năng, chế tạo động cơ điện, tiếp điểm dẫn điện và các chi tiết điện khác

Cho đến nay các chi tiết bằng hợp kim đồng có độ bền cao, tính dẫn điện tốt, tính đàn hồi cao thường được sử dụng là hợp kim đồng bery với lượng bery khoảng 2% Dưới đây là một số mác thường gặp:

Bảng 0.1: Một số hợp kim đồng berilium

MPa

Có thể ví dụ, một số sản phẩm :

Các dụng cụ cầm tay không gây

tia lửa, không nhiễm từ

Pittong khuôn đúc

Hình 0.1: Một số sản phầm được chế tạo từ hợp kim đồng đàn hồi

Tuy có có ưu điểm là tính dẫn điện tốt, có độ bền và độ đàn hồi cao.Độ bền

và độ đàn hồi có thể tăng gấp ba lần thông qua nhiệt luyện và gia công biến dạng, đồng bery có nhược điểm là khó nấu luyện do bery nhẹ và khó hòa tan vào đồng Ngoài ra bery và oxit bery độc gây hại cho sức khỏe (gây các bệnh về phổi, da và ung thư) do vậy khi nấu luyện phải có biện pháp bảo vệ, giá thành chế tạo vì thế bị đẩy lên cao

Trong quốc phòng hợp kim đồng độ bền cao, độ đàn hồi cao, chịu ăn mòn cũng là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất vỏ đạn các loại, các loại ngòi nổ của bom, mìn, đạn.,các dụng cụ trong tháo lắp bom mìn không nhiễm từ và không phát tia lửa điện Nhiều chi tiết trong các thiết bị điện của máy bay, tên lửa, ra đa cũng được chế tạo từ hợp kim đồng độ bền cao, có tính ổn định, chịu ăn mòn trong điều kiện nhiệt đới hoặc môi trường biển, để có thể bảo quản lâu dài và sẵn sàng chiến đấu

Trong lĩnh vực hàng hải, hợp kim đồng được ứng dụng rất rộng rãi Các chi tiết như bạc, hệ thống điện trên tàu… đều được chế tạo từ hợp kim đồng.với yêu cầu độ bền cao và phải chịu được ăn mòn trong điều kiện nước biển dài ngày Một

số chi tiết còn yêu cầu về tính đàn hồi

Ngoài ra còn một số ngành công nghiệp khác, nhu cầu về hợp kim đồng độ bền cao cũng rất bức thiết Ngành khai thác khoáng sản sử dụng các loại máy

khoan nhiều kích cỡ khác nhau tùy theo công năng của máy Chi tiết cốc xoay của các loại máy khoan này làm việc trong chế độ tải trọng nặng, chịu đồng thời các lực xoay, va đập lớn, phải truyền dẫn trong môi trường bôi trơn kém, sau một thời gian làm việc, cần được thay thế Trước đây, để thay thế, các chi tiết này thường phải nhập khẩu với giá thành cao và rất khó khăn Hiện nay, trong nước đã bắt đầu chế tạo một số vật liệu làm cốc xoay như: BcuAl10Fe4Ni4 hoặc C45 nhưng các vật liệu này không đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết

Từ những nhu cầu về đồng độ bền cao trong nước và những khó khăn khi phải nhập khẩu hoặc chế tạo đồng berily với giá thành cao, nhận thấy rằng việc tìm kiếm, chế tạo các loại hợp kim đồng độ bền cao có các tính năng tương đương hợp kim đồng bery, với giá thành hạ để có thể thay thế đồng berily là rất cấp thiết., đề tài đã thực hiện nghiên cứu, chế tạo hợp kim đồng độ bền cao, hợp kim hóa bằng Ni

và Sn, với định hướng ứng dụng hệ quả của chuyển biến spinodal trong các hệ hợp kim nói trên, tìm kiếm chế độ xử lý nhiệt và biến dạng để hợp kim có được các tính chất mong muốn và có khả năng thay thế đồng berily

2 Tình hình nghiên cứu hệ Cu-Ni-Sn trên thế giới và ở Việt Nam

Trên thế giới đã có một số nghiên cứu về các hệ đồng khác thay thế cho hợp kim đồng bery như hệ Cu – Ni – Sn, hệ Cu – Ni – Zn với hàm lượn Ni, Sn, Zn nhỏ hơn 10 – 15% Các hợp kim này về độ bền, độ đàn hồi và độ dẫn điện thông qua xử

lý nhiệt có thể đạt gần bằng đồng bery nhưng nấu luyện dễ hơn, không độc, nguyên liệu sẵn có và giá thành rẻ hơn

Các phát minh nước ngoài về hợp kim đồng độ bền cao và có tính đàn hồi nhận thấy rằng có thể chế tạo hợp kim đồng trên cơ sở hệ Cu – Ni – Sn có độ cứng, độ bền, giới hạn đàn hồi và độ dẫn điện tốt thông qua công nghệ biến dạng, hợp kim hóa và xử lý nhiệt hợp lý như:

1 Cu-Ni-Sn alloy processing, United State patent No 4,012,240 ; Mar 15, 1977

2 Cu-Ni-Sn-alloy processing, United State patent No 4,406,712 ; Sep 27, 1983

3 Method for producing copper based spinodal alloys, United State patent No 4,260,432 ; Apr 7, 1981

4 Method for making copper nickel tin strip material, United State patent No 4,090,890 ; May 23, 1978

5 Method for making fine grained Cu-Ni-Sn alloys, United State patent No 4,090,890 ; Mar 6, 1979

Ở trong nước chưa có nhiều công trình nghiên cứu về hợp kim đồng, nhất là vấn đề xử lý nhiệt tăng cơ tính cho hợp kim đồng Các nhà máy chủ yếu sử dụng đồng sạch để chế tạo các loại dây cáp điện, các thanh dẫn điện, biện pháp tăng cứng, tăng bền chủ yếu thông qua cán biến dạng Một số cơ sở đúc đồng mỹ nghệ, làng nghề truyền thống chủ yếu nấu hợp kim đồng kẽm, đồng thiếc, đồng chì để đúc các sản phẩm mỹ nghệ Công nghệ nấu luyện và hợp kim hóa chủ yếu dựa trên kinh nghiệm và bí quyết gia đình mà chưa có các đầu tư nghiên cứu một cách cơ bản

Một số cơ sở quân đội đã tiến hành nghiên cứu về các hợp kim đồng để chế tạo đạn, các dụng cụ trong ngành tháo lắp đạn, bom, mìn các loại nhưng chủ yếu vẫn là nhập khẩu sản phầm hoặc phụ thuộc vào nguyên liệu và quy trình của nước ngoài Khâu xử lý nhiệt vẫn còn nhiều hạn chế

Viện khoa học mỏ và luyện kim cũng đã tiến hành nghiên cứu nấu luyện một

số hệ hợp kim đồng để chế tạo các chi tiết như bạc đỡ, bạc lót và một số sản phẩm khác trên cơ sở hệ Cu-Zn, Cu-Sn, Cu-Ni, Cu-Cr Một số đề tài đã và đang được nghiên cứu như:

Đề tài cấp Bộ 2004-2005 “Nghiên cứu công nghệ sản xuất đồng bạch”, đây

là hợp kim đồng dựa trên cơ sở hệ Cu-Ni Đề tài đã nghiệm thu và đạt kết quả tốt

Đề tài cấp Bộ 2007-2008 “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đúc bán liên tục sản xuất các loại bạc đồng dạng ống dài có khối lượng trung bình”; đã nghiệm thu đạt kết quả tốt

Ngoài ra, ở trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng đã có một số nhóm nghiên cứu về hệ hợp kim đồng

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

-Mục đích của luận văn:

Chế tạo một số hợp kim hệ Cu-Ni-Sn có độ bền và các tính chất tương đương

có thể thay thế đồng berily trong các chi tiết yêu cầu độ dẫn nhiệt, dẫn điện.và độ mài mòn cao với giá thành rẻ và công nghệ đơn giản hơn

Cơ sở của sự tăng bền là quá trình phân hủy spinodal trong hợp kim khi thực hiên xử lý nhiệt và biến dạng

- Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận văn được tập trung nghiên cứu trên ba hệ hợp kim Cu-9Ni-3Sn; Cu-9Ni-6Sn; Cu-15Ni-8Sn

-Phạm vi nghiên cứu

Do giới hạn của thời gian nên luận văn tập trung vào nghiên cứu thành phần của hợp kim, khảo sát ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện và biến dạng đến cơ tính tổ chức tính chất của hợp kim

Các luận điểm cơ bản và những đóng góp mới

-Luận điểm cơ bản:

Thay đổi tổ chức đẫn đến thay đổi tính chất đáp ứng yêu cầu làm việc Tổ chức thay đổi do:

+ Thành phần,

+ Phương pháp khử khí trong khi đúc

+ Chế độ xử lý nhiệt: Chuyển biến pha, chuyển biến spinodal Các thông số

+ Chế tạo được một số mác vật liệu đồng độ bền cao trong điều kiện trong nước có tính chất tương đương có thể thay thể đồng berily đáp ứng nhu cầu trong nước

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài tiến hành nghiên cứu nấu luyện và xử lý nhiệt kết hợp với biến dạng với hệ hợp kim đồng hệ Cu-Ni-Sn thay thế cho hợp kim đồng berili nhằm hạ giá thành sản phẩm mà vẫn thỏa mãn các tính năng kỹ thuật và tuổi bền làm việc của vật liệu

Tiến hành nấu các mác đồng Cu-Ni-Sn có thành phần cơ bản: Cu-9Ni -3Sn; Cu-9Ni-6Sn; Cu-15Ni-8Sn

Các phôi sau đúc được nung ủ đồng đều hóa thành phần trong khoảng nhiệt

sau tôi là tổ chức một pha

Phôi sau ủ được cán tấm thành phôi cho các quá trình chế tạo tiếp theo Phôi tấm được tạo ra qua nhiều lần cán nóng và cán nguội tới chiều dày mong muốn Từ các phôi tấm có thể cắt, dập, uốn tạo hình thành các chi tiết mong muốn

Các chi tiết sau dập có thể được sử dụng ở dạng biến cứng sau cán hoặc có thể sử dụng ở dạng xử lý nhiệt luyện Khi xử lý nhiệt hóa già trong khoảng nhiệt độ 300-4000C với hợp kim này xảy ra chuyên biến spinodal có tác dụng tăng bền rất mạnh cho hợp kim

Ngoài ra có thể sử dụng vật liệu sau khi xử lý hóa già thích hợp mà không qua quá trình cán

Sử dụng các phương pháp phân tích

- Sử dụng thiết bị phân tích hóa học để xác định thành phần của vật liệu

- Sử dụng thiết bị chụp ảnh tổ chức quang học, độ cứng để xác định tổ chức và độ cứng của vật liệu

- Sử dụng thiết bị phân tích Xray và ảnh SEM để xác định vùng phân rã spinodal và pha của vật liệu sau khi xử lý

- Sử dụng thiết bị khảo sát độ mài mòn và hệ số ma sát của vật liệu

- Sử dụng thiết bị WP300 để xác định giới hạn bền và giới hạn đàn hồi của vật liệu

- Xác định tốc độ ăn mòn của vật liệu

a) Thành phần và tổ chức của đồng thanh thiếc

Giản đồ pha Cu-Sn được trình bày trên hình :

Hình 1.1: Giản đồ pha Cu-Sn Hàm lượng thiêc dao động trong đồng thanh thông dụng thường dao động từ 3-14% Một số hợp kim có thể chứa tới 20%Sn Trong vùng nồng độ này xuất hiên các pha sau đây :

Dung dịch rắn 

Trong điều kiện cân bằng, pha  hòa tan khoảng 13,5% Sn ở 7980C Hạ nhiệt

độ, độ hòa tan của Sn trong  tăng lên và đạt giá trị cực đại 15,8% ở 5860C Thấp hơn nhiệt độ này, vùng  co hẹp lại Độ hòa tan của Sn trong  ở nhiệt độ thường hầu như không đáng kể

Pha 

Pha  là dung dịch rắn trên cơ sở hợp chất điện tử Cu5Sn với nồng độ điện tử

Ce = 3/2 Pha này có kiểu mạng lập phương tâm khối và tạo ra do phản ứng bao tinh ở 7980C:

L +  = 

Ở 5860

C,  bị phân hủy cùng tích:

 = [ + ] Pha 

Pha  là dung dịch rắn trên cơ sở hợp chất điện tử Cu31Sn8 với nồng độ điện

tử Ce = 21/13 Mạng tinh thể của  thuộc loại lập phương phức tạp

Ở 7980

C,  phân hủy cùng tích theo phản ứng sau :

 = [ + ] Pha 

Pha  cũng là dung dịch rắn trên cơ sở hợp chất điện tử Cu31Sn8 Ở 3500C, trong điều kiện cân bằng nó bị phân hủy cùng tích

 = [ + ] Pha 

Pha  là dung dịch rắn trên cơ sở hợp chất điện tử Cu3Sn với nồng độ điện tử

Ce = 7/4 , kiểu mạng sáu phương xếp chặt

Hệ số khuyếch tán của Sn trong Cu rất nhỏ, đặc biệt ở vùng nhiệt độ thấp Do vậy, phản ứng phân hủy cùng tích pha  ở 3500C hầu như không thể xảy ra

Tổ chức của đồng thanh thiếc phụ thuộc rất mạnh vào chế độ gia công Nếu xét ở trạng thái sau đúc bình thường, tổ chức Cu-Sn sẽ tương ứng với đường gạch trên giản đồ hình , nghĩa là pha  có độ hòa tan khoảng 8% Sn và hầu như không phụ thuộc nhiệt độ

Tổ chức ở trạng thái cân bằng, tương ứng với đường đậm của giản đồ pha chỉ đạt được khi mẫu bị biến dạng mạnh, (mức độ biến dạng  > 80%), kết hợp với ủ một thời gian dài

Trường hợp mẫu ủ sau đúc hoặc được ủ kết tinh lại sau khi biến dạng với mức độ nhỏ (<80%), tổ chức đạt được cân bằng ứng với đường đậm của giản đồ chỉ ở vùng nhiệt độ cao hơn 5000C Thấp hơn nhiệt độ này hầu như không xảy ra phân hủy 

Như vậy, sau khi đúc, tổ chức của đồng thanh với hàm lượng thiếc nhỏ hơn 8% sẽ gồm pha  Khi tẩm thực, dặc tính thiên tích nhánh cây biểu hiện rất rõ : ở trung tâm hạt , trên các nhánh cây sẽ giàu đồng ; thiếc tụ tập bên ngoài và vùng giữa các nhánh cây

Sau khi ủ, tổ chức các hợp kim này sẽ gồm các hạt  có thành phần đồng nhất

Nếu các hợp kim này bị biến dạng và ủ kết tinh lại thì trong tổ chức pha 

xuất hiện các song tinh

Các đồng thanh chứa nhiều hơn 8% Sn sau đúc có tổ chức gồm dung dịch rắn

 bị thiên tích nhánh cây mạnh và cùng tích [ + ]

Đồng thanh thiếc có tính chảy loãng kém do chặng nhiệt độ kết tinh lớn Khi đúc lượng co ngót tập trung nhỏ nhưng rỗ xốp nhiều Độ co kích thước sau đúc của đồng thanh nhỏ Do tính chất này, đồng thanh thiếc đuwocj ứng dụng nhiều để đúc các tác phẩm nghệ thuật vì ở đây dòi hỏi rất cao sự điền đầy các đường nét

Độ dẻo của đồng thanh thiếc sau đúc nhỏ do tổ chức không đồng đều Để nâng cao độ dẻo người ta áp dụng chế độ ử khoảng 700- 7500

C Sau ủ đồng đều hóa, những hợp kim chứa ít hơn 14%Sn có tổ chức một pha , còn nhứng hợp kim với hàm lượng thiếc nhiều hơn 14% có tổ chức hai pha  + 

Vì pha  giòn, cho nên các đồng thanh hai pha ở nhiệt độ thường kém dẻo

Ở nhiệt đọ cao, pha  biến thành pha  So với pha , pha  có độ dẻo cao hơn Chính vì vậy, trước khi biến dạng nguội, các đồng thanh thiếc hai pha thường được tôi để giữ lại trạng thái hai pha  + 

1.1.2 Hợp kim đồng niken

Các hợp kim của đồng với niken có cơ tính, khả năng ổn định chống ăn mòn cao và những tính chất nhiệt điện quý giá đặc biệt Chính vì vậy chúng có ý nghĩa rất lớn trong kỹ thuật

Đặc điểm về tổ chức và tính chất của hợp kim hai cấu tử Cu-Ni

Đồng với niken tạo ra giản đồ pha hòa tan vô hạn ở cả thể lỏng và thể rắn

Hình 1.2: Giản đồ pha Cu-Ni

Ni ken khi hòa tan trong đồng gây hiệu quả hóa bền mạnh ứng với nồng độ khoảng 30-35%Ni, pha  có độ bền, độ cứng , điện trở suất cực đại và hệ số nhiệt điện trở xấp xỉ bằng không

Trong thực tế thường dùng các hợp kim với hàm lượng 30%Ni Hợp kim với thành phần này có tổ chức một pha, chịu gia công biến dạng nóng và nguội đều tốt

Để nâng cao khả năng chống ăn mòn , cơ tính và cải thiện các tính chất vật lý ( dẫn điện, dẫn nhiệt ) của hợp kim Cu-Ni , người ta thường hợp kim hóa thêm các

nguyên tố như : Fe; Mn; Al; Zn; Pb

1.1.3 Hợp kim đồng - niken - thiếc

Hợp kim đồng – niken – thiếc là hệ đồng 3 nguyên Dưới đây là mặt cắt hệ ba nguyên Cu-Ni-Sn ở thể rắn:

Hình 1.3: Mặt cắt đẳng nhiệt trạng thái rắn hệ ba nguyên ở 5000C

Do đồng và niken hòa tan vô hạn vào nhau do vậy trên giản đồ pha thường chỉ có sự tạo pha giữa đồng và thiếc, niken và thiếc Do vậy khi nghiên cứu hệ hợp

Cu-Hình 1.3c : Mặt cắt đẳng nhiệt tại

5000C

kim này người ta thường qui về hệ giản đồ hai pha có một bền là thiếc còn bên kia là hỗn hợp đồng Niken với hàm lượng cố định

Hình 1.4 : Giản đồ Ni-Sn

Từ giản đồ ta thấy Ni với Sn hầu như không hòa tan vào nhau ở nhiệt độ phòng Tùy thành phần chúng tạo ra các pha như Ni3Sn ; Ni3Sn3; Ni3Sn4 Đây cũng

là các pha tăng bền cho hệ hợp kim

Các giản đồ trên ta định hình về tổ chức pha và khả năng hợp kim hóa của hệ hợp kim Cu-Ni-Sn Từ đó giải thích được các quá trình lựa chọn vật liệu, công nghệ nấu luyện, xử lý nhiệt để tạo ra các tính chất mong muốn có ở vật liệu

1.2 Các cơ chế tăng bền hợp kim đồng

Hợp kim đồng được tăng bền bằng xử lý nhiệt được chia ra hai loại: những hợp kim bị mềm đi khi được tôi ở nhiệt độ cao và tăng bền bằng cách xử lý nhiệt tiết pha ở nhiệt độ thấp hơn và các hợp kim được tăng bền bằng cách tôi từ nhiệt độ cao thông qua chuyển pha loại Mactenxit Các hợp kim được tăng bền trong phương pháp xử lý ở nhiệt độ thấp đến trung bình từ dung dịch rắn được tôi bao gồm tiết pha tăng bền, chuyển biến spinodal tăng bền, và các loại tăng bền trật tự hóa Các hợp kim tôi tăng bền bao gồm hợp kim đồng - nhôm, hợp kim đồng niken-nhôm, và một vài hợp kim đồng kẽm đặc biệt Thông thường các hợp kim tăng bền bằng tôi được ram để nâng cao độ dẻo và độ dai, giảm độ cứng tương tự như sử dụng cho các loại thép hợp kim

1.2.1 Hợp kim đồng tăng bền ở nhiệt độ thấp

Để so sánh, Bảng 1.1 liệt kê các ví dụ về các loại hợp kim tăng bền ở nhiệt

độ thấp, cũng như xử lý nhiệt thông thường mức độ tính chất đạt được cho các hợp kim này Các chi tiết được đưa ra trong ba phần phụ bên dưới

Bảng 1.1: Các hợp kim đồng tăng bền ở nhiệt độ thấp

lý dung dịch rắn, 0

1.2.2 Hợp kim đồng tiết pha tăng bền

Hầu hết hợp kim đồng tiết pha tăng bền được sử dụng trong các ứng dụng dẫn điện và nhiệt Vì vậy, xử lý nhiệt phải được thiết kế để phát triển độ bền cơ học

và độ dẫn điện cần thiết Độ cứng và độ bền phụ thuộc vào hiệu quả xử lý dung dịch rắn sau tôi và điều khiển quá trình tiết pha (hóa già) Cần lưu ý rằng thuật ngữ hóa già và sự già hóa được sử dụng trong thực tiễn xử lý nhiệt để thay thế cho thuật ngữ tiết pha tăng bền hoặc spinodal tăng bền Các hợp kim đồng tăng bền bởi xử lý ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường là hóa già, như trường hợp của một số hợp kim nhôm Khi các nguyên tử bị phân tách tiến hành thông qua việc kết tụ, sự liền mạng, và chu kỳ tiết pha trong mạng hợp kim sau tôi, độ cứng tăng, đạt đến một đỉnh cao, và sau đó giảm dần theo thời gian Độ dẫn điện tăng liên tục với thời gian

xử lý cho đến khi đạt được một giá trị tối đa, thông thường trong điều kiện tiết pha đầy đủ Các điều kiện tối ưu thường được lựa chọn từ sự xử lý tiết pha theo nhiệt độ

và thời gian chỉ dựa trên sự thay đổi tương ứng của độ cứng Gia công nguội trước khi hóa già tiết pha có xu hướng cải thiện độ cứng xử lý nhiệt Trong trường hợp các hợp kim rèn có độ bền thấp như C18200 (đồng-crom) và C15000 (đồng-zirconi), xử lý nhiệt tạo độ cứng có thể không được ưu tiên để đạt được tăng độ dẫn, với độ bền và độ cứng cuối cùng được nâng cao bằng gia công nguội

Nếu trong quá trình cán đã xảy ra tiết pha tăng bền, không cần thiết phải sử dụng tiếp các qui trình xử lý nhiệt tăng bền tiếp theo Tuy nhiên, nó có thể được ủ giảm bớt ứng suất gây ra trong quá trình chế tạo, đặc biệt đối với các chi tiết loại lò xo- dầm có mức độ tạo hình cao và gia công phức tạp, các hình dạng đó có yêu cầu kháng tối đa để giữ ứng suất ở nhiệt độ nâng cao vừa phải

1.2.3 Hợp kim đồng tăng bền theo cơ chế trật tự hóa

Một số hợp kim, thường là những hợp kim gần như bão hòa với một nguyên

tố hợp kim, khi được gia công nguội cao sau đó được ủ ở nhiệt độ tương đối thấp, trong quá trình phân hủy pha α, trải qua phản ứng trật tự hóa Hợp kim đồng C61500, C63800, C68800, và C69000 là những ví dụ của hợp kim đồng có hiện tượng này Hiện tượng tăng bền có được nhờ sự xắp xếp trật tự hóa của các nguyên

tử hòa tan trong nền đồng, tạo các lệch chuyển động xuyên qua các tinh thể

Xử lý trật tự hóa bằng cách ủ ở nhiệt độ thấp, tương tự như xử lý khử ứng suất Có thể đó tăng giới hạn đàn hồi bằng cách giảm mật độ ứng suất trong mạng tinh thể, tại nơi tập trung của búi lệch mạng Ủ hợp kim trật tự hóa cải thiện tính chất của hợp kim đặc biệt là khử bỏ ứng suất

Ủ trật tự hóa được thực hiện trong thời gian tương đối ngắn ở nhiệt độ tương đối thấp, thường trong khoảng 150-400°C Do nhiệt độ thấp, không yêu cầu có khí đặc biệt bảo vệ Tăng bền trật tự hóa thường xuyên thực hiện sau khi các bước chế tạo cuối cùng để tận dụng đầy đủ các khía cạnh xử lý khử ứng suất, đặc biệt là ở các

vị trí chịu ứng suất

1.2.4 Hợp kim đồng tăng bền bằng phân hủy Spinodal

Các hợp kim có chuyển biến spinodal được xử lý nhiệt tăng bền tương tự như các hợp kim tăng bền nhờ quá trình tiết pha Cấu trúc nền spinodal dẻo, mềm được tạo ra bởi xử lý dung dịch quá bão hòa tại nhiệt độ cao sau tôi Các vật liệu có thể được gia công nguội hoặc được tạo hình trong điều kiện này Quá trính xử lý chuyển biến spinodal làm tăng độ cứng, độ bền của hợp kim xảy ra ở một nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ tôi được gọi là quá trình hóa già Hợp kim đồng được tăng bền bằng chuyển biến spinodal- cơ bản là hợp kim đồng-niken với Crôm hoặc thiếc Cơ chế chuyển biến spinodal thực chất là sự phân hủy hóa học của tinh thể nền dung dịch rắn α nhỏ mịn (kích thước cỡ A0) Vì không có thay đổi cấu trúc tinh thể, hiệu ứng spinodal chỉ có thể phát hiện với sự hỗ trợ của kính hiển vi điện

tử Trong thời gian xử lý, các hợp kim tăng bền bằng spinodal giữ sự ổn định kích thước rất cao

1.3 Hóa bền kim Cu-Ni-Sn trên cơ sở chuyển biến spinodal

1.3.1 Điều kiện để thực hiện phân hủy spinodal trong hệ Cu-Ni-Sn

Khái niệm chung

Chuyển biến spinodal là một chuyển biến khá đặc trƣng và hệ hợp kim Ni-Sn Chính vì vậy hệ đồng này đƣợc gọi là đồng spinodal Nhờ có chuyển biến spinodal mà hệ hợp kim này có thể điều chỉnh các tính chất nhƣ độ bền, độ đàn hồi,

Cu-độ dẻo, để có thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu cao về cơ tính, về tính công nghệ trong chế tạo Hệ hợp kim Cu-Ni-Sn đƣợc sử dụng thay thế cho đồng berili ngày một nhiều hơn Hệ đồng Cu-Ni-Sn là minh chứng về ý nghĩa của chuyển biến spinodal ứng dụng trong thực tế

Hầu hết các hợp kim trên cơ sở đồng tăng bền bằng sự tăng bền dung dịch rắn, gia công nguội, tiết pha tăng bền, hoặc bởi kết hợp của các cơ chế tăng bền này Riêng hợp kim ba nguyên Cu-Ni-Sn, độ bền cao đạt đƣợc nhờ quá trình xử lý nhiệt đƣợc gọi là xử lý chuyển biến spinodal Các hợp kim đƣợc ứng dụng nhiều là Cu-9Ni-6Sn và Cu-15Ni-8Sn

Định nghĩa chuyển biến và đặc điểm tổ chức

Chuyển biến Spinodal là một cơ chế ở đó một dung dịch rắn của hai hay nhiều cấu tử có thể chia ra các vùng cơ bản khác nhau về thành phần hóa học và cơ tính Cơ chế chuyển biến này khác với chuyển pha cổ điển trong đó pha tách ra do phân hóa spinodal khó phát hiện hơn nhiều, xảy ra đồng thời và đồng nhất trên toàn khối vật liệu, không chỉ tại các vị trí chuyển pha riêng biệt

Chuyển biến Spinodal đƣợc quan tâm bởi hai lý do chính Thứ nhất, nó là một trong vài chuyển pha ở thể rắn dựa trên cơ sở lý thuyết hợp lý Lý do cho điều này là tính đơn giản vốn có của phản ứng Do đó không có rào cản nhiệt động học tới bên trong phản ứng của vùng spinodal Chuyển biến đƣợc xác định chỉ bằng khuyếch tán Nhƣ vậy chuyển biến đƣợc xem xét hoàn toàn là vấn đề của khuyếch tán, nhiều đặc điểm của chuyển biến đƣợc mô tả bằng cách giải bài toán gần đúng hàm khuyếch tán tổng quát

Thứ hai, lý thuyết về tạo mầm và phát triển mầm phải liên quan tới dao động nhiệt và vấn đề khuyếch tán liên quan tới sự phát triển của mầm là khó để giải thích bởi vì tính không hiện thực để tuyến tính hóa hàm khuyếch tán

Xét ở ý nghĩa thực tế, chuyển biến spinodal có ý nghĩa tạo ra cấu trúc tế vi nhỏ mịn phân tán và làm tăng các tính chất vật lý của vật liệu

Hình 1.5: Tạo ra cấu trúc tế vi theo hàm Cahn – Hilliard, thể hiện sự thô hóa và tách

pha

Điều kiện và động lực của chuyển biến spinodal

+Điều kiện nhiệt động học:

Các nghiên cứu phát hiện ban đầu :

Vào những năm đầu thập kỷ 40 thế kỷ 20, Nhà khoa học Bradley đã trình bày các quan sát về các dải biên xung quanh nhiễu xạ Bragg của mẫu hợp kim Cu-Ni-Fe đã được tôi và ủ trong vùng hỗn hợp của giản đồ pha Sau đó Daniel và Lipson thực hiện các nghiên cứu xa hơn đã giải thích các dải biên quan sát được bằng tính lặp lại tuần tự của thành phần theo phương <100> Từ khoảng cách của các dải biên đó họ xác định được chiều dài bước sóng của các phần chu kỳ thay đổi,

nó được xác định khoảng 100A0

Những giải thích đầu tiên về biến điệu chu kỳ được thực hiện bởi Mats Hillert trong luân án tiến sỹ ở đại học MIT năm 1955 Bắt đầu với mô hình dung dịch rắn bình thường, ông lấy đạo hàm hàm dòng cho khuyếch tán một chiều trên một mạng riêng biệt Hàm này khác với hàm thông thường bởi một số hạng Số hạng đó thể hiện sự ảnh hưởng tới lực điều khiển năng lượng mặt phân giới giữa các bề mặt tiếp giáp có thành phần khác nhau Hillert giải bằng phương pháp số hàm dòng và phát hiện rằng bên trong vùng spinodal độ cong một giá trị tuần hoàn theo khoảng cách Xa hơn, chiều dài bước sóng của biến đổi thành phần khi quan sát trong hợp kim Cu-Ni-Fe là tương tự nhau

Jonh W Cahn đã phát triển tiếp mô hình, nó bao gồm sự ảnh hưởng của biến dạng của miền tiếp giáp nhau cùng với số hạng trường năng lượng Biến dạng là đáng kể bởi vì nó tác động tới tính đồng nhất thành phần tối đa trong vật liệu không đẳng hướng

Tiêu chuẩn năng lượng Gibb

Hình 1.6: Tiêu chuẩn Gibb cho dao động nồng độ hay mật độ vật chất trong hệ đẳng

hướng không đồng nhất