ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HOC BACH KHOA Dang Va Ngoan (Chi bién)
Nguyễn Văn Dán - Nguyễn Ngọc Hà - Trương văn Trường
VAT LIEU KY THUAT
(Tái bản lần thứ sáu)
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
Trang 3.MỤC LỤC LOI NOI DAU 5 Chuong 1 CẤU TAO TINH THE CUA VAT LIEU 7 1.1: Vật liệu tỉnh thé va vô định hình / 7
1.2 Cấu tạo mạng tỉnh thể lý tưởng 10
1.3 Sai lệch mạng tỉnh thể (cấu tạo mạng tỉnh thể thực tế) 18
1.4 Cấu trúc polyme, thủy tỉnh và gốm 25
Chương 2
GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỢP KIM HAI CẤU TỬ 38
3.1 Khái niệm về giản đô trạng thái 32
2.2 Giản đồ trạng thái sắt - cacbon 46
2.3 Quá trình kết tỉnh của hợp kim Fe —, 51
2.4 Tổ chức tế vi của các hợp kim Fe-C : 53 Chương 3
QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA
TRONG VAT LIEU : rn) 3.1 Quá trình khuếch tán ˆ: 59 8.2 Quá trình chuyển pha trong vật liệu 62 Chương 4 BIẾN DẠNG VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU 102 4.1 Biến dạng đàn hồi 102 4.2 Biến dạng dễo 105 4.3 Phá hủy / 120 Chuong 5 l `
AN MON VA BAO VE VAT LIỆU `, « 188
5.1, Khái niệm chung về bảo vệ kim loại - 128
5:2 Các dạng ăn mồn tà 181
5.3 Điện thế điện cực : 7 188
5.4 Động học quá trình ăn mdn `' ` 187
5.5 Sự thụ động hóa kim loại - fos 142
6.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn điện hóa 143
5.7 An:mén hóa học (ăn mòn khô) - -, 148 `
Trang 4Chuong 6 GANG VA THEP 163 6.1 Gang 163 6.2 Thép 178 Chương 7
KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU 233
7.1 Nhôm và hợp kim nhôm 234
7.2 Đồng và hợp kim 248
7.3 Magié va hop kim magié (Mg) 261
7.4 Titan và hợp kim titan 263
7.5 Tinh chat va ting dung của một số kim loại màu khác 268
Chương 8
VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI 273
A Vột liệu uô cơ 273
8.1 Khái niệm và phân loại 273
8.2 Đặc điểm cấu trúc và tính chất vật liệu vô cơ 973 8.3 Một số vật liệu vô cơ điển hình - 277
B Vật liệu hữu cơ (polyme) 287
8.4 Cấu tạo polyme và các tính chất của polyme 287 8.ð Một số vật liệu polyme điển hình và ứng dung 297
8.6 Gia công polyme - 301
Chương 9
VAT LIEU COMPOSITE 305
9.1 Các khái niệm về composite 305
9.2 Composite hat 307
Trang 5LỜI NÓI ĐẦU
VẬT LIỆU KỸ THUẬT được biên soạn để phục vu cho vibe gidng dạy uà học tập những môn học có liên quan đến Vật liệu kỹ thuật (VLẤT)
Tài liệu được biên soạn phù hợp uới nội dụng uà phương pháp giảng dạy hiện nay của Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP HCM
Trong cuốn sách này chúng tôi cố gắng trình bày những vdn dé co
bản của VLKT, giúp cho sinh uiên có thể tự học theo tính thân của học
chế tín chỉ như: °
- Bản chất của uật liệu, tính năng oà phạm 0L ứng dụng của các nhóm uột liệu chính dùng trong kỹ thuật nói chung, đặc biệt trong cúc
ngành cơ bhí chế tạo, ô tô máy kéo, năng lượng, xây dụng Trên cơ sở đó
người đọc có thể biết cách lựa chọn, đánh giá uà sử dụng uật liệu hợp lý, đáp ứng được các yêu câu kỳ thuật, hinh tế, tạo ra các sản phẩm có chất lượng, có tính cạnh tranh, phù hợp uới nên sẵn xuất đa dạng hiện nay
- Các thành tựu thu được trong nghiên cứu uà sẵn xuất uật liệu có ý
nghĩa quan trọng đối uới sự phát triển ngành cơ khí chế tạo, góp phan quan trong trong công cuộc công nghiệp hóa uà hiện dạPhóa đất nước mà VLKT đang là một hướng mũi nhọn của khoa học công nghệ
Nội dung cơ bản của VLKT là nêu lên được mối quan hệ giữa cấu
tạo bên trong (thành phần, tổ chức) với tính chất bên ngoài (cơ, lý, hóa
tính) của uật liệu Ngoài bùn loại uà hợp bữm là những uật liệu quan
trọng, tài liệu còn mở rộng kiến thúc đến những uật liệu phi kữn loại
nh polyme, ceramic, vét ligu két hop composite va mét sé vdt ligu mdi
đang đua uào thay thế một phần uột liệu kùn loại; bổ sung thêm phân 'kiến thức uê ăn mòn 0è bảo uệ uật liệu
VẬT LIỆU KỸ THUẬT do tập thể giảng uiên của Trung tâm Nghiên
Trang 6Chương 1, 2 : TRS Truong Văn Trường
“* Chuong 3, 4,5, 7: PGS.TS Dang Vil Ngoan
Chuong 6 : TS Nguyén Ngoc Ha - Chuong 8, 9, 10:' TS Nguyén Van Dan
Trong lần tải bản này chúng tôi có sửa chữa 0ồ bổ sung thêm ở cức chương Chúng tôi rất mong được sự góp ý của các bạn déng nghiép va quý độc giả để cuốn sách được hoàn thiện hơn trong lần tdi ban tới
Trang 7Chương 1 CẤU TẠO TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU
1.1 VẬT LIỆU TINH THỂ VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH
1 Định nghĩa
, Trong thiên nhiên tổn tại hai dạng vật rắn khác nhau về tính chất
là tỉnh thể và vô định hình,
Các vật tính thể ở trạng thái rắn, khi nung đến nhiệt độ nhất định thì chúng chuyển thành trạng thái lỏng Khi làm nguội xảy ra quá trình ngược lại Việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác xảy ra ở một nhiệt độ nhất định gọi là nhiệt
độ nóng chảy (H.1.1)
Các vật vô định hình khi nung
nóng bị mềm ra trong một khoảng
nhiệt độ và sau: đó chuyển thành
trạng thái lỏng tức là không có điểm
nhiệt độ nóng chảy xác định,
“Trạng thái tinh thể của chất rắn
ổn định hơn trạng thái vô định hình r (thời gian)
Các vật tỉnh thể được đặc trưng Hinh 11 Đường cong làm
bởi sự sắp xếp có trật tự trong không nguội của tỉnh thể gian của các hạt (các ion, nguyên tử, phân tử) tạo nên tỉnh thé
Tỉnh: chất của tỉnh thể phụ thuộc vào cấu tạo dién tif-ctia các
nguyên tử, sự phân bố trong không gian của các hạt cơ ban, thanh phan hóa học, kích thước và hình đáng tỉnh thể,
t°C $ Nhiệt độ
9 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn
Cấu trúc và tính chất của các tỉnh thể phụ thuộc vào các lực giữ cho các ion, nguyên tử hảy phân tử tốn tại ở các vị trí xác định trong mạng lưới tỉnh thể
Bản chất của mối liên kết hình thành giữa các phần tử trong tỉnh
thể tạo nên cấu trúc điện tử của các nguyên tử, tác động tương hỗ với
nhau Các phần tử trong mạng lưới tỉnh thể phân bố cách nhau một
Trang 8Theo đặc điểm liên kết, tất cả các tính thể được phân thành: tình
thể phân tử, đồng hóa trị, kim loại hay ion Tuy nhiên, sự phân chia như
thế có tính chất quy ước vì trong một số trường hợp không chỉ có một loại mà nhiều loại liên kết cùng tác động Bang 1.1 “Tinh thé Ar | CHa | Kimeuong | sic | tif [-nact| Fe | Na
Năng lượng kJ/mol 75 40 750 1180 | 1000 | 750 | a90 | 110
Kiểu liên kết phan tir đồng hóa trị ion kim loại
a Liên kết phân tử (liên kết Van der Waals)
Đây là những tính thể có mối liên kết Van der Waals Liên kết này sinh ra do tương tác những điện tử ngoài cùng của các nguyên tif,
trên những khoảng cách lớn khi các mây điện tử chưa tiếp xúc với nhau
Nó xuất hiện ở bất kỳ phần tử nào (các ion, nguyên tử, phân tử)
Trong cáo tỉnh thế khí liên kết Van der Waals là duy nhất; vì vậy
nó quyết định tổ chức và tính chất của tỉnh thể (bảng 1.1)
Năng lượng liên kết của Van der Waals không lớn vì các tỉnh thể phân tử có nhiệt độ nóng chảy và bay hơi thấp ” s @ŒŒ—Qœ-O ớ Hình 1.2 Mô hình liên bết Van der Waals b Liên bết đồng hóa trị
Đó là tỉnh thể có mối liên kết đồng hóa trị Chúng được tạo thành
trong cáo nguyên tố thuộc nhóm IV, V, VI, VII phân nhóm B (bảng tuần hoàn Mendeleev) Liên kết này tạo ra khi hai hoặc nhiều nguyên tử góp
chung nhau một số điện tử để đủ 8 điện tử ở lớp ngoài cùng tđiện tử hóa
tri) : `
:: Ví dụ: các nguyễn tử của nguyên tố hóa học nhóm VIIB có lớp điện tử ngoài cùng là 7 Để có đủ 8 điện tử,cần kết hợp bai nguyên tử lại bằng cách góp chung hai điện tử lớp ngoải cùng Liên kết đông hóa trả
Trang 9đồng hóa trị xảy ra giữa các nguyên tử cùng loại (cùng một nguyên tö hóa học) gọi là liên kết đồng hỏa trị đồng cực (0í dụ: phân tử Clạ, các tỉnh thể kimi cương, silie, gecmani)
Sự liên liết đổng hóa trị giữa các nguyên tố khác loại (các nguyên
tế hóa học nhóm IHA với VA hoặc IIA với VIA), Ví dụ, GaAs, GaP, gọi là
liên kết đồng hóa trị đị cực e Liền hết ion
Đây là liên lết mạng các nguyên tử cho bớt điện tử lớp ngoài cùng
để trở thành ion đương (cation) hoặc nhận thêm điện tử để điền đầy lớp
ngoài cùng và trở thành ion âm (anion) H.1/3 mô tả liên kết ion giữa Li
và F để tạo thành LIF Nguyên tử Lí cho một điện tử để trở thành Li*;
nguyên tử F nhận một điện tử để trở thành F'; kết quả là tạo thành
hợp chất LiF Liên kết ion thường tạo thành giữa các nguyên tố có nhiều
điện tử hóa.trị (nhóm VIB, VIIB) với các nguyên tố có ít điện tử hóa trị (nhóm IB, IIB) Các ôxit kim loai (AloO3, MgO, CaO, Fe;O,, NiO, ) có
liên kết chủ yếu là liên kết ion
Cũng giống liên kết đồng hóa trị, liên kết ion càng mạnh (bền
vững) khi các nguyên tử chứa càng ít điện tử, tức là các điện tử cho hoặc
nhận nằm gần -hạt nhân Ví đụ: hydro (H) tạo với F, CI, Br, I các hợp chat HF, HCl, HBr, HI bằng năng lượng liên kết ion tương ứng là 5,81; 4,44; 38,75 va 3,06 eV/mol Cần lưu ý rằng, liên kết ion là loại liên kết không định hướng 1 : f |OOOO v - (VOOOQ Hình 1.3 Liên kết ion cia LiF Hình 1.4 Liên kết kùm loại d Liên kết kùn loại
Cáo ion dương, tạo thành một mạng xác định, đặt trong không
Trang 10
Liên kết kim loại thường được tạo nên từ những nguyên tử có ít điện tử hóa trị Các nguyên tử ở nhóm IA trong bảng tuần hoàn Mendeleev, với một điện tử hóa trị, có tính kim loại điển hình Càng
dich sang phải bảng tuân hoàn, tính chất đồng hóa trị trong liên kết của các nguyên tố tương ứng càng tăng và đến bismut (BÙ) đã xuất hiện liên
kết hỗn hợp “kim loại- đông hóa trị” Cấu trúc tỉnh thể của các chất với
liên kết kim loại có tính đối xứng rất cao
Mô hình lên kết kim loại được thể hiện như ở H.1.4
Đặc điểm của liên bết kim loại làm cho kim loại có độ déo cao Rhi dịch dãy nguyên tử (ion) nào đó đi những khoảng cách nguyên tử, các ion chuyển đến nút mới nhưng vẫn giữ nguyên cấu hình cũ, liên kết kim loại vẫn giữ vững do sự sắp xếp tương đối giữa các ion dương với
nhau và với điện tử tự do như chất đính kết gắn chặt giữa các ion dương
với nhau, luôn luôn duy trì mối liên kết đó
1.2 CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ LÝ TƯỞNG 1 Một số khái niệm cơ bản
Mạng tỉnh thể là mô hình không gian để nghiên cứu các quy luật sắp xếp các chất điểm trong vật tỉnh thể a) b) : c) Hinh 1.6 Lép phuong đơn giản a) mạng tình thể;.b) mặt tình thể; c) khối cơ bản
Nếu trong tỉnh thể cho ba phương Ox, Oy và Oz không nằm trong
cùng một mặt phẳng thì khoảng cách giữa các hạt nằm theo các phương
này không bằng nhau và lần lượt bằng a, b, c Mạng tính thể gồm các mặt đi qua chất điểm, các'mặt này luôn luôn song song cách đều nhau được gọi là mặt:tính thể, tập hợp các chất điểm cùng nằm trên một : đường thắng gọi là phương tỉnh thé
Trang 11Hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại điện chung cho mang tinh thé gọi là khối cơ bản Như vậy sự sắp xếp liên tục các khối
co ban theo các phương sẽ tạo thành mạng tỉnh thể
Mạng tinh thể không gian quyết định hoàn toàn cấu tao tinh thể Để mô tả khối: cơ bản của mạng tỉnh thể người ta dùng sáu đại lượng: ba đoạn thẳng bằng khoảng cách các hạt gân nhất theo các trục
tọa độ a, b, c và ba góc giữa các đoạn thẳng này œ,'B, y
Theo hình dáng khối cơ.bản tất cả các tỉnh thể được phân chia thành bây hệ (Bang 1.2) Bang 1,2 Các hệ tỉnh thể của các nguyên tổ Hệ Các cạnh Góc
Ba nghiéng aebec : a* Bey # 90°
Một nghiêng a#bzc œB=90°zy
Trực thoi azbzở œ=.=y= 80°
Ba phương (thoi) a=bs=t ` d=B=yz90°
Sáu phương a=bec a= P= 90% y= 120°
Bốn phương a=b#e =y=90°
Lap phương axbec = y= 90°
Các đoạn thẳng a,b,c đánh giá kích thước ô mạng tỉnh thể, chúng được gọi là thông số mạng hay hằng số mạng,
9 Các kiểu mạng tỉnh thể thường gặp
2.u Lập phương thể tâm (lpt)
Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) khối của hình lập phương cài “hy
Hình 1.6 a) khối cơ bản của thạng lập phương thể tâm -
b) mô hình thực (các quả cầu là nguyên tử)
- Bố nguyên tử n của khối cỡ bản được tính:như sau: mỗi nguyện tử ở đỉnh đồng thời là khối cơ bản nếu thuộc ÿê một ð chỉ có 1/8 nguyên tử, nguyên tử ở tâm hoàn toàn thuộc về õ cơ bản, vậy: :
n= 2x 8dink 4.1 (giữa) = 3 ñguyễn tử
Trang 12Âm tô nv n4/8mrổ Mat d@ nguyén tit My: My (theo eo bind = _— 7 a r, a- bán kính nguyên tử và kích thước ô cơ bản a) Hinh 1.7 Mạng lpHt có hai nguyên từ !ô cơ bản va M, = 68% v3 Ta có quan hệ giữa r và a là: 4r=a3.-xr= ST
"Thay vào công thức ta có My = 68%
Có hai loại lỗ hổng: lỗ hổng khối tám mặt kích thước 0,154 d (d là
đường kính nguyên tử) nằm ở tâm mặt và giữa các cạnh bên; loại thứ hai nằm ở khối bốn mặt tạo nên bởi bốn nguyên tử (H.1.8), có tâm nằm ở
trên 1⁄4 đoạn thẳng nối điểm giữa các cạnh đối điện của các mặt bên
Kích thước lỗ hổng = 0,221 d
Mạng lập phương thể tâm mỗi ô cơ bản có 6 lỗ hổng khối tám mặt và 12 lỗ hổng tửong khối bốn mặt nhưng đều có kích thước bé Các kim
loai Fe,, Cr, W, Mo(Ipdt) có kiểu mang này — ử Hình 1.8 Hình 1.9
b Mạng lận phương diện tâm (Ipdt) - còn gọi lập phương mặt tâm Các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập phương
Hinh 1.9 trình bày ô cơ bản kiểu mạng này Bốn nguyên tử ở trên
các đỉnh của mỗi mặt bên không tiếp xúc với nháu nhưng lại tiếp xúc với
Trang 13Số lượng nguyên tử trong một ô cơ bản là: n = + x8+ i x6=4 8 2 4r a ———>——— ) bì Hinh 1.10 Quan hệ giữa bán kính r và kích thước ô cơ bản a (H.1.10b) là: a2 de = 2⁄2, suy rai r = TẾT Vậy mật độ nguyên tử ô cơ bản là: (2 đàn n M, = 5% = 3 Có hai loại lỗ hổng khối tám mặt (H.1.11a) và khối bốn mat (H.1.11b) Lỗ hổng khối tám mặt có kích thước lớn nhất (0,41đ) nằm ở giữa trung tâm khối ô cơ bản và điểm giữa các cạnh bên Có bốn lỗ hổng như vậy Lỗ hổng khối bốn mặt có kích thước bé hơn (0,253) nằm ở trên
1⁄4 các đường chéo khối <111>, có tám lỗ hổng loại này 3 4 = 74% Ninh 1.11 Các lỗ hổng trong mạng lập phương điện tâm a) lỗ hổng khối lám một; b) lỗ hổng khối bốn mặt
Cac kim loai Fe,, Cu, Ni, AI, Pb có kiểu mạng này œ Lục giác xếp chặt (igxc) còn gọi là sứu phương xếp chặt
Ô cơ bản của mạng lục giác xếp chặt là khối lăng trụ lục giác đều với
thông số mạng là a và c Các nguyên tử nằm ở 12 đính, tâm hai mặt đáy
Trang 14và tâm của ba khối lãng trụ tam giác đều cách nhau (H,1.13) Tỉ:lệ Šx 16333 ` : a 120° e z NM Hinh 1.13 Mạng lục giác xếp chết ø) mô hình; b) cẩu tạo thực Số nguyên tử n là: n = 1/6 x 12 + 1⁄2 x2 + 3 = 6 Mật độ nguyên tử My = 74% Các nguyên tố Be;, Mg, Ca c6 edu tric kiéu mang nay.” 8 Các chỉ số tỉnh thé học Để xác định vị trí mặt và phương trong tỉnh thể người ta dùng cách ký hiệu bằng các sổ ; ,
Cách xác định hệ tọa dé: ding hé toa 46 Ox, Oy, Oz vudng goc với nhau trong hệ lập phương là ba cạnh của ô cơ bản, Trên mỗi trục chọn
một đơn vị đo thông số mạng a, b; e
Cách ký hiệu mặt: vị trì mặt phẳng trong không gian được xác định bằng các đoạn thắng mà mặt phẳng cắt trên các trục tọa độ:Ox, Oy, O2
Các đoạn thẳng này được biếu điễn bằng các số nguyễn m,:ñ, p theo các :
độ dài a, b, c: Lấy vighich: đão bees +, tet; ba gố này h„ K,,: sáu
` mm an Pp :
Trang 15khi quy đông mẫu số được đặt vào đấu () gọi là chỉ số của mặt: Nếu mặt phẳng cắt các trục theo chiều Am thì được đánh đấu bằng gạch ngang phía trên chỉ số tương ứng
Ky higu phương: ký hiệu phương bằng [u, v, w] trong đó u, v, w là ba số nguyên nhỏ nhất ứng với tọa độ của nguyên tử đâu tiên tran phương đi qua gốc tọa độ O song song với phương đã cho (xem H.1.14)
Hình 1.14 Các chỉ số phương (a) nà mặt (b)
Người ta luôn luôn biểu điễn chúng bằng các số nguyên, còn giá trị âm của chỉ số được ký hiệu bằng một gạch ngang bên trên chỉ số
4 Dạng thù hình
Đây là sự tôn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tỉnh thể khác nhau của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học Quá trình thay đối cấu trúc
mạng từ dạng thù hình này sang đạng thù hình khác gọi là chuyển biến thù hình Các dạng thù hình được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lap a, B, y
Sự tôn tại các dạng thù hình phụ thuộc vào hai yếu tố nhiệt độ và
áp suất
Ví dụ: graphit có thể tạo được ở điêu kiện bình thường trong khí' quyển, trong khi chuyển biến thù hình graphit sang kim cương chỉ xây ra
ở nhiệt độ và áp suất cao,
Sất là kim loại có tính thù hình Ở dưới 911°C và 1392° đến
1589°C (nhiệt độ chây) nó có mạng lập phương thể tâm Còn từ khoảng 911+ 1392°C có mạng lập phương điện tâm
Khi chuyển từ mạng lập phương thể tâm sang lập phương điện tâm
(M, = 68% sang M, = 74%) thể tích giảm đi đột ngột Khi làm nguội có quá trình ngược lại
Ở nhiệt độ thường, thiếc (Sn) có màu sáng, có thé han duge (Sny 06
kiểu mạng lập phương diện tâm) Khi làm nguội dưới âm 80°C nó chuyển thành màu xám đó là Sn¿ có kiểu mạng kim cương, làm cho thể tích tang đột ngột lên khoảng 25% Vì vậy thiếc bị vụn ra, lức này mọi chỉ tiết, mối hàn bằng thiếc đều bị vỡ, hồng
Trang 175 Tính đị hướng
Tính dị hướng là sự khác nhau về tính chất (cơ, lý, hóa) theo các phương khác nhau
Các tính chất của tỉnh thể được quyết định bởi tương tác của các nguyên tử Trong tỉnh thể, khoảng cách giữa các nguyên tử khác nhau theo những phương khác nhau và do đó tính chất cũng khác nhau
Bảng 1.4 Hệ số dân nở nhiệt của tỉnh thể Hệ Tỉnh thể om | 1% | œ sen Trực thoi Ue 82 -1,5 23 Sáu phương Graphit -1,5 -1,5 28 Kém (Zn) 8 8 65 Chính phương thể tâm Sng 31 31 16 Lập phương Đồng 17 17 17 Một nghiêng Nitroanilin 150 8 24 Qua bảng trên ta thấy hệ số dãn nở nhiệt xuất hiện rõ rệt ở cấu trúc một nghiêng và trực thoi nhưng không rõ ở những cấu trúc lập
phương
Tính di hướng tính chất của tỉnh thể chỉ đúng với đơn tinh thé (tạo ra nhân tạo) Trong điều kiện tự nhiên, các vật tỉnh thể là đơ tỉnh thể nghĩa là tập hợp các tỉnh thể nhỏ định hướng khác nhau Trong trường hợp này tính dị hướng mất đi vì khoảng cách thống kê trung bình
giữa các nguyên tử theo tất cả các phương đều gần như nhau Da vậy 3a
tỉnh thể được gọi là đẳng hướng giả
6 Da tinh thé
Nếu khối kim loại đem dùng có mạng thống nhất và phương không đổi trong toàn bộ thể tích thì được gọi là đơn tinh thể, tức là chỉ có một
tỉnh thể Trong thực tế rất-hiếm gặp kim loại đợn tỉnh thể, mà người ta
phải chế tạo bằng phương pháp nhân tạo Các vật kim loại đera dùng, dù là rất nhỏ, cũng bao gồm rất nhiều tinh thé (trong một mmẺ có tới hàng chục, hàng nghìn, hàng vạn) cấu tạo nhỏ như vậy gọi là đa tính thể
Một số tính chất của đa tính thể:
- Sự định hướng mạng tỉnh thể của mỗi hạt là ngẫu nhiên, nên phương
giữa các hạt lệch nhau một góc nào đó thường từ vài độ đến chục độ -
- Không có tính đị hướng, có tính đẳng hướng giả, tức là theo các
phương tính chất đều giống nhau
- Ở vùng biên giới các hạt, các nguyên tử sắp xếp không trật tự gọi là vùng tỉnh thể bị xô lệch
Trang 181.3, SAI LECH MANG TINH THE (CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ THỰC TẾ)
Các cấu trúc tỉnh thể trình bày ở trên (xem mục 2 của phần 1.2) là cấu trúc của tính thể lý tưởng vì khi xét đã bỏ qua đao động nhiệt và các' sai hỏng trong trật tự sắp xếp của các nguyên tử (ion, phân tử) Những sai hỏng đó được gọi là sai lệch mạng tịnh thể hay khuyết tật mạng
Một số tính chất của vật rắn như môdun đàn hồi (E), hệ số giãn nở
nhiệt, tính chất từ chỉ phụ thuộc chủ yếu vào dạng và lực liên kết, mà hầu như không thay đối do sai lệch mạng Các bành vi đưới tác dụng ngoại lực (biến cứng, biến dạng đẻo, độ đẫn điện của các chất cách điện,
bán dẫn ) thì sai lệch mạng đóng vai trò quan trọng Phụ thuộc vào kích
thước theo ba chiêu trong không gian, sai lệch mạng chia thành sơ/ lệch điểm, đường,: mặt
1: Sai lệch điểm `
Đó là loại sai lệch có kich thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyền tử)
theo ba chiểu không gian (H.1.15): Một số sai lệch điểm điển hình là nút trống, nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất 00500000 [O9990S90G900 @ = 6o+óocoo ©e@s@ óoo do oo 2 đ@Qm âoooocoo đO 0 9@ửooooooc đ Oooococseứ Oâsos e) â%0e0 20000 620 © ®%@eQ@s 9
ã ¡Hình 1.16 Sai lech điểm trong mạng tình thể
a) nit trống Frenkel; BY mit tréng Schottky; ¢, d) nguyén tử xen ké va thay thé;
e sai lạch điểm Schottky va Frenkel trong mang ion a Nut trống: nà nguyên tử xen: bề
Trong tỉnh thể, nguyên tử luôn tham giá đao động nhiệt quanh vị
trí cân bằng của nột mạng: Ở nhiệt độ T' xác định, năng lượng đao động
của mỗi nguyên tử tuần theo lý thuyết thống kê Maxwell-Boltzmann nên không giống nhau Khi một số nguyên tử nào đó có năng lượng cao, với biên độ dao động lớn, chúng 6ó khả năng bức khỏi nút mạng, để lại nút
Trang 19không có nguyên tử, goi 1a nut tréng (H1.15a, b) Sau khi rời khổi nút
mạng, nguyên tử có thể chuyển sang vị trí giữa các nút (cơ chế tạo nút
trống #renkel) (H1.15a) tạo ra sai lệch điểm dạng nguyên tử xen kẽ Cơ chế thứ hai gọi là cơ chế tạo nút trống của Schottky, khi nguyên tử rời vị
trí cân bằng ra bể mặt tỉnh thể (H1.15b)
Sự xuất hiện nút trống và nguyên tử xen kẽ luôn làm xuất hiện trường ứng suất hình cầu (trường ứng suất kéo xung quanh nút trống và nến xung quanh nguyên tử xen kẽ): Năng lượng tạo nguyên tử xen kẽ lớn hơn nhiều so với tạc nút trống (trong kim loại tương quan này vào
khoảng 7:1) vì vậy nồng độ thực tế nguyên tử xen kẽ ít hơn nhiều sò với nút trống và chúng ít ảnh hưởng đến tính chất của mạng tỉnh thể
Mật độ nút trống có thể biểu điễn theo công thức:
^ -ep(.8 TEP) (1.1)
trong đó: n, N - số nút trống và số nút mạng - năng lượng tạo nút trống
k - hằng số Boltzmanmn; T - nhiệt độ tuyệt đối
Như vậy nông độ nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm mũ,
tăng nhanh theo nhiệt độ và có giá trị lớn nhất ở kim loại lỏng
Nút trống có ảnh hưởng lớn đến cơ chế và tốc độ khuếch tán của kim loại (hợp kim) ở trạng thái rắn, Vì vậy nó có ý nghĩa quan trọng
trong thực tế, oý dụ: khi ủ đồng đều hóa thành phần hợp kim sau khi nấu
luyện hoặc khi hóa già dưng dịch rắn quá bão hòa Ngoài ra, nó cũng ảnh hưởng đến chuyển động (leo) của lệch trong quá trình biến đạng dễo ở nhiệt độ cao (hiện tượng dão nhiệt độ cao)
b Nguyên tử tạp chất
Trong thực tế không thể có vật liệu hoặc kim loại sạch tuyệt đối
Các công nghệ nấu luyện biện đại nhất trong phòng thí nghiệm cũng chỉ cho phép đạt được độ sạch khoảng 99,999% hoạc cao hơn một chút Phụ thuộc vào kích thước, các nguyên tử tạp chất có thể thay thế các nguyên tử nên ở nút mạng (H.1.15đ) hoặc xen kẽ giữa ede nút (H.1.15e) (xen kẽ của nguyên tử tạp chất khác sơ với các nguyên tử “tự xen kẽ” ở mục (1.8.1a) Đây cũng là sai lệch điểm và luôn kèm theo trường ứng suất,
hình cầu xung quanh
Nguyên tử xen kẽ dễ khuếch tán hơn so với nguyên tử thay thế: viv không cần nút trống làm trung gian
Trang 20Các nguyên tử tạp chất, trong điều kiện xác định,có thể tương tác và cần trở chuyển động của lệch, vì vậy chúng ảnh hưởng đến cơ chế, hình thái quá trình biến dạng đẻo, hóa bền
Trong tỉnh thể đồng hóa trị, nguyên tử tạp chất ảnh hưởng đến tính chất điện Ví dụ: trong mạng Ge, bốn điện tử hóa trị tạo liên kết
giữa các nút, nếu nguyên tử tạp chất As (năm điện tử hóa tri) thay thé
nguyên tử Œe, điện tử hóa trị thứ năm (thừa) của As sẽ được tự do
chuyển động đưới tác dụng của điện trường ngoài Ngược lại, nếu nguyên
tứ tạp chất là Ga (ba điện tử hóa trị) thì sẽ thiếu một điện tử cho liên kết Đó chính là cơ sở để chế tạo các chất bán dẫn (dạng p hoặc n) từ Ge
hay Si
Sai lệch điểm trong mạng ion luôn mang tính phức hợp Tính chất
mạng ion luôn phải đảm bảo trung hòa điện tích, vì vậy một núi trống cation luôn tần tại song song với nút trống anion bên cạnh, đó là sai lệch điểm Schody (H.1.15e) hay một cation xen kẽ ở cạnh một nút trống cation (H.1.150: sai lệch điểm Frenkel mi
Nông độ sai lệch điểm trong mạng ion ảnh hưởng đến độ dẫn điện
của vậtrắnion ˆ
Cuối cùng cẩn nói thêm rằng, trong thực tế rất ít khi sử dụng kim loại tỉnh khiết mà thường chế tạo hợp kim bằng cách hòa tan một số
nguyên tố khác (“tạp chất cố ý”) vào kim loại nền Nguyên tử của nguyên tố hợp kim sẽ sắp xếp theo cách xen kẽ hoặc thay thế như trên trong mạng tỉnh thể, tạo dung dịch rắn xen kẽ hoặc thay thế l
3 Sai lệch đường - lệch “
“8ai lệch đường, sau đây sẽ được gọi lA léch (dislocation) 1a loai sai
lếch có kích thước nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo hai chiều và rất
z
⁄“ lớn theo chiều thứ ba trong tỉnh thể
¿ fo
¿ Lý thuyết lệch là cơ sở lý thuyết độ bên, bộ phận quan trọng của vat ly chất rắn nói chung và vật lý: kim loại nói riêng Dựa vào lý thuyết lạch ngày nay đã có thể giải thích nhiều vấn để về cơ tính, ly tính của kim loại và hợp kim mà trước đây không giải thích được bằng lý thuyết - cổ điển Hơn nữa lý; thuyết lệch cho phép mổ ra triển vọng mới to lớn
trong việc chế tạo kim loại và hợp kim có fabting tinh ch&t dac biét (vi dụ: độ bên cao, tính giêu đệo) " }
Trang 21Những khái niệm chung
œ Lệch biên: có thế hình dung bằng cách chèn thêm một nửa mặt phẳng nguyên tử ABCD vào nửa phần trên của mạng tỉnh thể lý tưởng (H.1.16a) Sự xuất hiện thêm nửa mặt làm cho các mặt phẳng nguyên tử
khác nằm về hai phía trở nên khơng hồn tồn song song với nhau nữa Nửa tỉnh thể phía trên đường AB sẽ chịu một ứng suất nén, nửa dưới - ứng suất kéo (H.1.16a,b) Đường AB có chiều đài hàng vạn thông số
mạng, gọi là frục lệch, là biên giới phía trong của nửa mặt ABCD, vì vậy
gọi là lệch biên Nếu nửa mặt nằm ở phía trên, lệch biên được gọi là lệch
đương, ký hiệu L (H.1.16b) Trong trường hợp ngược lại, sẽ có lệch âm, ký
hiệu đấu T
Cũng có thể hình dụng lệch biên được tạo bằng cách trượt ép, mô tả trên H.1.16 như sau: cắt tỉnh thể theo mặt phẳng P (H.1.16e), ép phần
phía trên mặt P sao cho phía phải địch đi một đoạn bằng thông số mạng,
phía trái vẫn giữ nguyên vị trí cũ Kết quả nhận được (H.1.16d) cũng
Trang 22b Lệch xoắn: có thể hình dụng bằng mô hình trượt ép (H.1.17) Cắt tình thể lý tưởng theo một nửa mặt phẳng ABCD (H.1.17a), xé dich
hai mép ngoài ngược chiều nhau sao cho các nguyên tử mặt ngoài xê dịch một đoạn bằng thông số mạng theo đường CD; như vậy các nguyên
tứ sẽ sắp xếp lại quanh AB theo đường xoắn ốc Œ1.1.17b) AB gọi là trục của lệch xoắn
z
a)
Hinh 1.17 a) mô hình tạo lệch xoắn; b) sự sắp xếp nguyên từ xung quanh đường lệch xoắn
Léch xoắn phải được ký hiệu T” nếu đường xoắn ốc nguyên tử xung quanh trục lệch theo chiêu kim đồng hồ, ngược lại sẽ có lệch trái ”T Mặt ABCD-là mặt trượt của lệch xoắn Xung quanh lệch xoắn cũng tổn tại trường ứng suất đàn hỏi Có thể so sánh vị trí các mặt phẳng tỉnh thể
trong mạng lý tưởng, chứa lệch biên và lệch xoắn trên H.1.18
›¡ @ Lệch hỗn hợp: trong thực tế rất nhiều trường hợp một lệch có đặc trưng của cả lệch biên và lệch xoắn, đó là lệch hỗn hợp H.1.19 biếu
diễn cách tạo lệch hỗn hợp bằng trượt ép Đường AC là trục lệch, các
thành phân biên (CƠ) và xoắn (AA') cũng như mô hình sắp xếp nguyên
tử xung quanh trục lệch được biểu diễn trên H.1.19b
_J Hinh 1.18 Mô hình sắp xấö mặt phẳng tình thể trong
® tink thể lý tưởng; b) khi có lệch biên; ©) khi có lệnh xoắn
Trang 23Hình 1.19 g) mộ lình tạo lệch hỗn hạp; b) sắp xếp nguyên tử xung quanh đường lệch hỗn hợp 8 Sai lệch mặt
8ai lệch mặt là loại gai lệch có kích thước lớn theo hai chiều và
nhỏ theo chiều thứ ba 'Trong tinh thể, sai lệch mặt chủ yếu là biên giới
hạt, biên giới siêu hạt và mặt ngoài tinh thể
a Biên giới hạt
Biên giới hạt là vùng tiếp giáp giữa các hạt trong đa tỉnh thể Các nguyên tử ở biên giới hạt không sắp xếp theo trật tự mạng và có thể coi là vùng cấu trúc vô định hình Sức căng biên giới hạt (y) đặc trưng phần gia tăng năng lượng tự do ở vùng biên giới so với các vùng phía trong để duy trì sự cân bằng nguyên tử bê mặt H.1.20 là mô hình sắp xếp nguyên tử trên biên giới hạt (H.1:20 a,b) và ảnh chụp tế vi biên giới hạt trong vật liệu đa tỉnh thể (H.1.20c):
b) e)
Hình 1.30 a) mô hình sắp xếp nguyên tử trong biên giới bạt
b) mô hình biên giới hạt mạng hai chiều tạo nên từ những oiên bi
©j ảnh tế nỉ biên giới hạt của uật liệu da tink thé
Chiêu đày biện giới bạt phụ thuộc vào độ sạch của kim loại hoặc
vất liệu, có thể đạt giá trị hàng trăm lần thông số mạng Kim loại càng
tỉnh khiết, biên giới hạt càng móng -`
Đö cấu trúc không tịnh thể, tính chất của biên giới hạt so với cấu
trúc tịnh thể có sự khác biệt như sau:
| ~ Có:nhiệt độ chảy thấp hơn so với vùng bên trong, vì vậy ở nhiệt độ cáo biên giới hạt đễ bị chảy dẻo, gây:hiện tượng “bở nóng”
Trang 24- Hoạt tính hóa học cao hơn, dễ bị ăn mòn hóa học Dựa vào đặc tính này, dùng phương pháp tẩm thực để phát biện biên giới hạt trên kính hiển vi quang học hoặc kính hiến
vị điện tử quét —1blr—
- Biên giới.hạt có tương tác mạnh
với các loại sai lệch lkhác (nguyên tử tạp chất, nút trống, lệch), vì vậy quá trình
khuếch tán ở đây xảy ra mạnh hơn so
với vùng bên trong Trong chuyển pha, biên giới hạt là nơi dễ tạo tâm mầm nhất
- Biên giới hạt ảnh hưởng đến
điện trở suất vì nó tán xạ điện tử dẫn
Ngoài ra, lệch rất khó vượt qua biên
giới hạt ở nhiệt độ thấp vì vậy kim loại
có kích thước hạt càng nhỏ (biên giới
hạt càng nhiều) điện trở suất và độ bên
càng cao
Hình 1.21 Biên giới siêu hợt tạo nên đo tường lệch
b Biên giới siêu hạt
Biêu hạt (bfock) là những vùng tính thế nhỏ (kích thước trung bình
10?:10^ mm), với cấu trúc tỉnh thể khá hoàn chỉnh định hướng lệch
nhau một góc nhỏ, ngăn cách bằng biên giới siêu hạt
Biên giới siêu hạt thực chất là những tường lệch, Tạo nên do các
lệch cùng dấu, tương tác lẫn nhau khi chúng trượt trên những mặt trượt
song song và giữ nhau ở vị trí cân bằng (H.1.21.)
Hai siêu hạt lân cận định hướng lệch nhau một góc 0:
g=®
D
trong đó: D - khoảng cách trưng bình các lệch biên cùng dấu trên tường lệch
Biên giới siêu hạt thường xuất hiện trong quá trình kết tình lại, có
tác dụng cản trở lệch trượt và tương tác với các loại lệch điểm khác nên
cũng đóng vai trò trong tính dẻo của vật liệu
Hình 1.22 trình bày cấu trúc lệch ở một số điểm riêng biệt Hình a, b,e, e, g được phóng đại 10.000 lần, bình đ, f, h phóng đại 30.000 lần
Trang 25
Hình 1.99 Cấu trúc lệch ở các điểm riêng biệt
a) lệch ở đường biên giới hạt; b) lệch dụng lưới; c) lệch tập trung ở noi tap chất; d, ƒ h) lệch phóng đại 30.000 lần; e, g) sự phên bố không đều trong thể tích 1.4 CẤU TRÚC POLYME, THỦY TINH VÀ GỐM
Polyme là những chất có khối lượng phân tử lớn (>10'), ở đó, các
phân tử gồm các nhóm nguyên tử như nhau gọi là các mắt xích (H.1.23) Mỗi một mạch là một phân tử đã bị thay đổi của chất thấp phân tử ban đầu - các monome Khi điều chế polyme các phân tử monome nối lại với
nhau và tạo thành các phân tử đài hay là các cao phân tử mà trong đó các
nguyên tử được nối bằng liên kết đồng hóa trị Tùy theo đặc điểm liên kết
giữa các phân tử thẳng, người ta chia các polyme thành polyme nhiệt dẻo và polyme nhiệt rắn Sự khác nhau giữa chứng đặc biệt rõ khi nung nóng
Các polyme nhiệt đẻo có khả năng biến mễm và đông cứng nhiều lần khi nung nóng và khi nguội ma tinh chất của chúng không thay đối
Trang 26Nhóm bên sướn
ˆ MÁT xich Mạch chính,
Hình 1.23 Sơ đồ cấu tạo cao phân tử mạch ihẳng
Các polyme nhiệt rắn khi nung nóng vẫn còn cứng cho đến khi bị phần hủy nhiệt hoàn toàn: Sự khác nhau này về hành vị khi đun nóng
được giải thích là ở chất polyme nhiệt đẻo các lực Van der Waals tương đối yếu tác động giữa các phân tử Khi nung nóng liên kết giữa các phân
tử bị yếu đi một cách đáng kể, vật liệu trở nên mềm và biến dang được
6 polyme nhiệt rắn ngoài lực liên kết Van der Waals còn có lực liên kết
đồng hóa trị ngang giữa các phân tử nên vật liệu polyme nhiệt rắn vẫn còn cứng khi nung nóng,
Các phân tử thẳng gồm có các mạch chính và các nhóm bên sườn (H-1.38) Với: khối lượng phân tử 10! + 10Ẽ trong phân tử thẳng hàng
trăm mắt xích được nối lại và chiều:dài của mạch chính lớn hơn nhiều
lần so với nhóm bên sườn, Phần lớn polyre có mạch chính gồm chủ yếu
là các nguyên tử caebon, còn ở các polyme silic hữu cơ mạch chính được tạo thành bởi các nguyên tử ôxy và silie hiên phiên nhau
Các nhóm bên sườn được tạo thành bởi các nguyên tử (hydro, các
nguyên tử halogen) và:các gốc (OH, CN, CeHy” ), cde mach polyme
ngắn.chỉ gồm vài mắt xích, Hiến nhiên rằng, khi có vài loại nhóm bên sườn thi việc sắp xếp chúng theo mạch chính có thể là vô trật tự hoặc có
trật tự Các polyme có các nhóm sắp xếp vô trật tự được gọi là polyme
không đêu đến, còn nếu có các nhóm sắp xếp trật tự thì polyme được gọi
là đậu đặn :
„ Oấu trúc phân tử được xác định bởi phương pháp sản xuất polyme
“Khi gia công polyme (nung nóng, hòa tán ) cấu trúc phân tử polyme hầu - nhự, Không thay đổi và không thể, chẳng: hạn, một polyme không đều
đản lắm thành polyme đều đặn,
“Cấu trúc chung của polyrie gồm cấu trúc phân tit va cấu trúc ngoại vi phân tử, nghĩa là sự đắp đặt tương hỗ các phân tử thẳng trong chất polyme Cấu trúc ngoại vi phân tử xuất hiện do ảnh hưởng của lực hút
giữa các phân tử và :chuyển động nhiệt của chính: các phân tử Dạng
chuyển động nhiệt quan trọng và đặc trưng nhất của các cao phân tử là sự quay các phân phân:;tử: đối với nhau (H-1.24) Trạng thái cân bằng
ứng với giá trị xác định của Bod a giữa các liên kết (xem H.1.24) Hình
BB es
Trang 27dáng phân tử thẳng thường xuyên thay đổi Đã xác lập được rằng, hình
dáng cân bằng của chúng là hình elip tròn xoay Những thay đổi bất kỳ
về hình đáng không cân bằng của phân tử nhanh chóng bị hủy khi có
chuyển động nhiệt, lúc này việc quay quanh liên kết trong các cao phân
tử dễ dàng được thực hiện Các cấu trúc bó đặc trưng cho các polyme không đều đặn, khi đó, trên những khu vực tương đối lớn, các mạch chính của các phân tử lân cận nằm song song nhau Đối với polyme đều đặn thì
cdc tinh thể là cấu trúc ngoại vi phân tử điển hình Các cấu trúc bó và
tỉnh thể được tạo thành ở nhiệt độ cao, khi đó bên trong cao phân tử dễ xảy ra trượt, quay
Các cao phân tử trong chất polyme không được sắp xếp sít chặt, và thước đo mật độ xếp chặt chính là thể tích tự: do, _nghĩa là chênh lệch giữa thể tích riêng thực của chất và thể tích riêng lý thuyết khi xếp chặt nhất Khi nung nóng thể tích tự đo tăng Tùy theo thể tích tự do mà: chất polyme ở trong các
trạng thái vật lý sau: thủy tính, đàn hổi cao và chảy nhớt Việc 1
chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác xảy ra không có tôa nhiệt hay thu nhiệt Nhiệt độ chuyển biến được gọi là nhiệt độ thủy tỉnh hóa
T¿ và nhiệt độ chảy T‹n
Sự khác nhau giữa trạng thái của polyme thể hiện rõ ràng khi biến đạng (H.1.25) Ở trạng thái thủy tỉnh việc quay quanh liên kết trong các
phân tử lớn khó khăn thì polyme là thể rắn đàn hồi Khi đặt tải, biến dạng đàn hổi không vượt quá vài phân trăm và trở về 0 khi khử tải
trọng Khi biến đạng sẽ có sự sai lệch góc héa tri a
Trạng thai dan héi cao xuất hiện khi thể tích tự do thay đổi khoảng
9,8% Ở trạng thái này polyme như một, chất đàn hôi Dưới tác động của tái
trọng các cao phân tử bị xoắn nay được nắn thẳng và kéo căng, biến dạng
đạt tới 00 + 800% Khoảng cách nguyên tử trong phân tử lớn lúc này bị
thay đổi không đáng kể Khi khử tải trọng thì chuyển động nhiệt, trong vài phân mười giây, sẽ hổi phục các cao phân tử về hình dạng cân bằng Như vậy biến dạng đàn hồi cao là biến dạng thuận nghịch
Ở trạng thái chảy nhót các polyme như các chất lông nhớt Dưới
tác động của tải trọng, các cao phân tử bị nắn thẳng và trượt lên nhau
Hình 1.24 Sơ đô quay quanh liên kết
ở mạch chính của cao phân tử
Trang 28Chảy nhớt khơng thuận nghịch Íä thành phần chủ yếu của biến dạng Sau khi ngừng tải thì polyme ngừng chảy và chất lỏng nhớt giữ nguyên trạng thái hiện có Khi nung nóng liên kết đồng hóa trị trong cao phân tử bị đứt, Số các liên kết bị đứt như vậy tăng lên rõ rệt ở nhiệt độ cao hơn Tạụ, còn bắt đầu từ nhiệt độ phân hủy Tạẹu sự phân rã nhiệt của các
cao phân tử với việc tách ra các hợp chất thấp phân tử nhanh chóng dan
đến sự phá hủy polyme hoàn tồn
Ì- trạng thái thủy tinh
II- trạng thái đàn hồi cao dạng Biển HI- trạng thái chây Ts Nhiệt đội Ts Tự Biến dạng 4 “4 ¬ 4 ati J T, Tw "da Nhiệt độ bì c) a
Hinh 1.25 Su phy thuée ctia bién dang polyme uào nhiệt dộ a) polyme v6 dinh hinh nhiét déo; b) polyme cé it lien két ngang c) polyme tinh thể nhiệt đềo; d) polyme có liên két ngang mét phan Như vậy, cấu trúc phân tử polyme khéng bi thay-déi 6 nhiing trang
thái vật lý khác nhau (nếu không xét đến sự đứt liên kết đồng hóa trị ở
những đại phân tử riêng biệt khi nung) Trong khi đó, cấu trúc ngoại vi
phân tử dễ dàng bị thay đổi Những cấu trúc ngoại vi phân tử không cân băng khi nung nóng cao hơn Tụ bị thay thế bởi cấu trúc cân bằng Khi
nguội thấp hơn Tụ các cấu trúc ngoại vi phân tử không cân bằng đễ dàng được giữ lại trong vật liệu Nếu kéo polyme nhiệt đẻo đã được nung nóng trên Tụ, không bỏ tải trọng và làm nguội nó xuống dưới Tụ thì trạng thai dan hdi cao “bị đông lại, Các cao phân tử đã bị kéo căng giữ nguyên hình dáng của mình cả khi khử tải trọng Sự định phương của
các phân tử theỏ phương của lực kéo gây nên sự dị phương về tính chất Những sai lệch của cấu trúc ngoại vi phân tử: so với cấu trúc cân bằng có
trong các sản phẩm polyme va ảnh hưởng đến độ bên Các polyme đều
đặn được kết tỉnh khi quá nguội xuống dưới nhiệt độ kết tỉnh cân bằng Ti Sự kết tỉnh của các polyme đều đặn kèm theo tỏa nhiệt và giẩm thể
Trang 29tích Khi kết tỉnh các cao phân tử mẻm được sắp xếp theo trật tự ứng với
mang tinh thé nhất định Mức độ kết tính thường cao, không thấp hơn
60 + 70%, nhưng không thể đạt được sự kết tỉnh hoàn toàn Nhiệt độ kết
tỉnh Tụ¿ nằm cao hơn Tụ và nhờ các tỉnh thể mà các vật liệu polyme còn đàn hồi và cứng trong khoảng nhiệt độ Tụ + Tụy, lúc này các polyme không
kết tỉnh ứng với thành phần hóa học nằm ở trạng thái đàn hồi cao
Các cấu trúc ngoại vi phân tử trong các polyme nhiệt rắn phụ thuộc mật độ liên kết ngang Khi mật độ liên kết ngang không lớn thì cấu trúc
bó cũng như các tỉnh thể được hình thành Khi mật độ liên kết ngang tăng thì khả năng hình thành cấu trúc ngoại vi phân tử giảm
Trong các polyme tỉnh thể, kích thước và hình dáng tính thể phụ thuộc vào điều kiện kết tỉnh cụ thể, còn tính chất cơ học được quyết định bởi cấu trúc polyme thu được
Thủy tỉnh là chất vô định hình, tạo thành khi nấu chảy các ôxyt hay các hợp chất không ôxyt Các éxyt SiOz, B2O3, P20;, GeO, cũng như một số hợp chất không có ôxy của asen, selen, telua là những chất tạo thành thủy tỉnh
Mạng lưới không gian của các phẩn tử cấu trúc đồng nhất tạo
thành cơ sở của thủy tỉnh Trong thủy tình thạch anh thành phần đơn
giản nhất là khối tứ điện SiO, được nối các đỉnh với nhau (H.1.26) Cấu trúc của thạch anh tỉnh thể cũng được tạo thành từ các tứ diện như thé
Sự khác nhau giữa hai chất có cùng thành phân hóa học được giải thích
bởi sự sắp xếp SiO; Các góc giữa các liên kết silic - ôxy ở các tứ diện trong thủy tỉnh thay đổi trong phạm vi rộng (120+180”), chính điều đó đã giải thích sự sắp xếp vô trật tự của tứ diện SiO, Trong thạch anh tỉnh thể các tứ diện SiO¿ được sắp xếp có trật tự và tạo thành mạng tỉnh thể, trong trường hợp này góc giữa các liên kết 8i - O nằm trong khoảng hẹp hơn nhiều Cấu trúc của thủy tỉnh vô định hình xuất hiện khi nguội khối thủy tỉnh, khi đó độ nhớt cao đã cần trở sự kết tỉnh
Thủy tính silicat có phụ gia là các ôxyt khác là thành phân chính
của thủy tỉnh công nghiệp So với thủy tỉnh thạch anh, những thủy tỉnh
này bị biến mềm ở nhiệt độ thấp hơn nhưng dễ gia công thành các sắn phẩm hơn Trong các thủy tỉnh silicat các nguyên tử được nối với nhau bằng liên kết đồng hóa trị - ion; tham gia vào lưới khơng gian ngồi silic và
ôxy còn có nhôm, titan, gecmani, berili; các ion của các kim loại kiềm và
kiểm thổ cũng được phân bố vào các ô của lưới này Sự phức tạp về thành phân hóa học của thủy tính silicat làm thay đổi các tính chất của chúng, kể cã màu sắc, và là nguyên nhân của tính không đông nhất cấu trúc
Trang 30
Hình 1.26 Sự sắp xếp các tứ diện SiO, trong thủy tính
(z là góc giữa cáo liền két Si’- O)
Khi làm nguội, chất lỏng một pha bị phân hóa thành hai hay nhiều phả lỏng có thành phần hóa học khác nhau Bau khi đông đặc, thủy tỉnh có
cấu trúc nhiều pha mà mỗi pha vẫn ở trạng thái vô định hình Sự phân lớp
của các thủy tỉnh silicat là đặc điểm cấu trúc đặc trưng của chúng
Với tỉ lệ hàm lượng xác định của silic, ôxy và các nguyên tố khác
-_ rất khó ngăn chặn sự sinh mầm và phát triển của tính thể Kết tỉnh hay “khử thủy tỉnh” với sự hình thành các tỉnh thể lớn ảnh hưởng xấu tới độ bên và độ trong suốt của thủy tỉnh Người tạ ngăn ngừa kết tỉnh bằng
cách chọn thành phần hóa học cho thủy tỉnh và điều kiện nấu luyện nó:
Ứng suất trong các sản phẩm thủy tinh do sự khác nhau về mật độ ở những khu vực khác nhau được loại trừ bằng cách nung nóng đủ để xây dựng lại các phần tử cấu trúc và đồng đêu mật độ
Gốm là các vật liệu nhận được khi thiêu kết bột khoáng vật ở nhiệt độ cao Khi nung nóng, các chất ban đầu tương tác với nhau, tạo ra pha
tỉnh thể và vô định hình Gốm là vật liệu có lỗ xốp, chứa các tinh thể
đông hóa trị hay ion - các ôxyt, cacbít phức tạp hay các dung dich rắn trên cơ sở của chúng Phá vô định hình là thủy tỉnh, khác với tỉnh thể về thành phẩn hóa học Vật liệu gốm có một hay một vài pha tỉnh thể, những dạng gốm cá biệt không có thủy tỉnh trong cấu trúc Thông thường
gốm có cấu trúc đa tính thể với những lớp thủy tỉnh xen kẽ và với các hạt được phân bố vô trật tự, đo đó gốm có tính chất đồng nhất
Điểm đặc trưng của gốm là giòn Độ bên chống phá hủy càng cao nếu như các tỉnh thể càng nhỏ và càng ít lỗ xốp Chẳng hạn, gốm vi tinh thể sít chặt trên cơ sở AlzO; với kích thước hạt cỡ 1.+ ðum bên hơn bình thường 5 + 6 lên Các sản phẩm từ gốm hạt mịn sít chặt - gốm tinh - được chế tạo theo những cộng nghệ phức tạp hơn nên các gốm này đắt
Người ta sử dụng các gốm xốp làm vật liệu chịu lửa, vật liệu lọc, điện môi
trong kỹ thuật điện Cáo gốm sít chặt bên hơn được ứng dụng làm các
dụng cụ cắt và chỉ tiết máy :
Trang 31Sital hay là uật liệu thủy tỉnh tỉnh thể được chế tạo từ thủy tính có thành phần đặc biệt và kết tỉnh có điều khiển Cấu trúc của sital là hỗn hợp các tính thể (60 + 90%) rất nhỏ mịn (0,01 + lim) định bướng vô trật
tự và thủy tỉnh (40 + ø0%) Thủy tỉnh ban đầu có thành phần khác với
thủy tỉnh còn lại, ở đó tích tụ lại các ion không đi vào thành phần tỉnh thể Cấu trúc như thế được tạo thành trong các sân phẩm thủy tình được
ủ hai lân: ủ lân đầu để hình thành các tâm mâm kết tinh, lần thứ hai để nuôi các tỉnh thể ở những tâm mâm đã được tạo ra Để tạo thành các
tỉnh thể người ta đưa vào thủy tỉnh các ôxyt 14;O, TiO;, AlO; và những
hợp chất khác
Phụ thuộc vào điều kiện tạo thành các tâm kết tỉnh các sitaL được chia thành sital nhiệt và sital quang Trong các sital:nhiệt, các ôxyt hay florua TiO¿, PzO¿, NaF v.v (vài phần trăm) được sử dụng để tạo thành
các tâm mầm kết tính Khi ủ sital nhiệt ta được mật độ tỉnh thể cao và
đồng nhất Trong các sital quang người ta đùng các vi lượng vàng, bạc,
platin hay đồng Các:tâm mâm kết tính được hình thành bằng cách
chiếu tỉa cực tím và ú Những khu vực không được chiếu tia cực tím sẽ ở trạng thái vô định hình sau khi ủ
Người ta sử dụng sital quang như là vật liệu nhạy quang Các sital nhiệt có ứng dụng nhiều mặt: chúng được sử dụng như là vật liệu chịu ma sát để chế tạo các chỉ tiết máy thủy lực, các chỉ tiết chịu ma sát, các
lớp men bảo vệ như các chất điện môi ổn định và bên để làm các chỉ tiết
Trang 32Chương 2
GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỢP KIM HAI CẤU TỬ
Để khảo sát cấu tạo pha của một hợp kim người ta dùng công cụ là
giản đồ trạng thái
2.1 KHÁI NIỆM VỀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI
hông có quy luật chung để xác định tương tác giữa các nguyên tố ở trạng thái rắn Đối với từng cặp nguyên tố, quy luật tương tác giữa chúng chỉ biết được bằng thực nghiệm và được ghỉ lại nhờ giản đồ trạng thái
Sự biến đổi trạng thái và tổ chức của hệ bợp kim ở điều kiện bình
thường chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần Để biểu thị mối quan
hệ đó đối với mỗi hệ, người ta dùng giản đồ trạng thái
2.11 Các khái niệm cơ bản
ø- Pha: là những tổ phân đêng nhất của hợp kim (hệ) Chúng có
thành phân đồng nhất ở điều kiện cân bằng, ở cùng một trang thái (lồng, rắn hay khí), nếu ở trạng thái rắn phải cùng kiểu và thông số mạng và
ngăn cách với các phân còn lại (với các pha khác) bằng bề mặt phân chia b- Hệ: là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng Hệ được coi là cân
bằng nếu quá trình chuyển biến xảy ra trong nó có tính chất thuận nghịch Rất khó đạt được cân bằng tuyệt đối khi nung néng, lam nguội và
chỉ đạt được khi nung nóng và làm nguội vô cùng chậm
e- Cấu tử (nguyên): là những chất độc lập, có thành phần không đổi,
chúng tạo nên các pha của hệ
Ví dụ: Nước (HạO) ở 0°C gôm có nước (lổng) và nước đá (rắn) là hệ
mét cấu tử, có hai pha khác nhau về trạng thái tổn tại đông và ran)
d- Quy tắc pha: là quy tắc cho phép xác định quan hệ giữa số bậc tự
đó T với số cấu tử NÑ và số pha F
Số bậc tự do là số yếu tố bên trong (thành phẩn) và yếu tố bên ngoài (nhiệt độ, áp suất) có thé thay đổi được trong một phạm vỉ nào đó mà không làm thay đổi trạng thái pha của hợp kim đó
T=N-F+2
Trang 33Thông thường khi khảo sát hợp km thì nó được tiến hành ở áp suất không đổi, nên số yếu tố bên ngoài chỉ còn 1 (nhiệt độ), vì thế:
T=N-F+l, 1-chỉ nhiệt độ
- Khi T = 0 tức là hợp kim không có sự thay đổi của , nhiệt độ và thành phần
Ví dụ: Nếu kim loại lỏng kết tỉnh sẽ có hai pha rắn và lỏng nếu
T=1-2+1=0, lúc đó nhiệt độ không thay đổi Trên đường nguội sẽ
có đoạn nằm ngang
—~ Khi T = 1,.hợp kim không thay đổi số pha khi thay đổi nhiệt độ hoặc một thành phần
- Khi T = 3 tức là hợp kim sẽ không thay đổi số pha ngay cả khi thay đổi đồng thời và một thành phần
e- Quy tắc đàn bẩy: Quy tắc đòn bẩy cho phép xác định tỷ lệ thành
phần cấu tạo của Hợp kim, thành phần hóa học, tỷ lệ giữa các pha, tỷ lệ giữa các tổ chức
Xác định trạng thái pha của hợp kim: Muốn biết hợp kim đã cho với thành phần %x và nhiệt độ t°C có tổ chức pha như thế nào, người ta
xác định tọa độ trạng thái của hợp kim ứng với thành phần % và nhiệt
độ t°C đó trong hệ tọa độ thành phần - nhiệt độ
Nếu giao điểm rơi vào vùng một pha, thì hợp kim, chỉ có tổ: chức một pha và thành phần hóa học của pha chính là tỷ lạ giữa các nguyên của hợp kim đã cho (tức điểm %x)
Nếu điểm giao rơi vào vùng hai pha thì hợp kim có tổ chức hai pha
đó là khác nhau Ví dụ trên H.2.1, bai pha M và N sẽ có thành phần hóa
học tương ứng là xị và x¿ Để xác định tỷ lệ giữa hai pha nay, ta ding
quy tắc đòn bẩy
Quy tắc đòn bẩy: Điểm 0 là điểm giao của đường gióng thành phần
x%B và ở nhiệt độ t°C Điểm 0 rơi vào vùng có hai pha Gọi hai pha đó
la M va N Goi x: là % nguyên tố B.trong pha M ro tc _M O0 UN 8 m 100%A Xị x Xe 100%B —> %8 :
tinh #,1 Xúc định tệ lạ giãa hai pha theo quy tắc đòn bẩy
Gọi xạ là % nguyên tế B trong pha N Bài toán can giải là tìm
lượng tương đối của hai pha đó là m và n
Trang 34Ta có: mxị là lượng nguyên tố B trong pha M; nx; là lượng nguyên tố B trong pha N; mi + nx; chính là tổng lượng nguyên tố B trong toàn hợp kim: mxị + nx¿ = x và m + n = 100% = 1 Ta có hệ: In, my = X mtne=l Giải hệ phương trình với hai ẩn m và n, ta có: nj- X5, m= mock X¿ —Xị Ky — X MO NO n m hi ays n= es m= ay SặC HO = —— hoic =~ = —— No “2X NO = mx MO
Quan hé nay giéng nhu quy tắc tổng hợp lực song song, giống như
quy tắc đèn bẩy Quy tắc này giúp tính tỷ lệ pha của hợp kim có cấu
tao hai pha
2.1.2 Công dụng của giản đồ trạng thái
Từ gián đỗ trạng thái ta có thể xác định được:
*' „ Nhiệt độ chảy, chuyển biến pha của các hợp kim trong hệ khi
nung nóng và làm nguội, nhờ đó xác định được dé dang các chế độ đúc, :luyện, rèn, cán, hàn, nhiệt luyện
- Trạng thái pha (pha nào, thành phần và tỷ lệ giữa các pha) của các
hợp kim trong hệ, đo đó suy đoán được các đặc tính cơ bản và công dụng
Vì vậy, giản đổ trạng thái có công dụng to lớn, song trong khi sử dụng nó phải chú ý tới các điểm sau đây:
Giân đồ trạng thái được xây dựng trong điểu kiện nung nóng và
- làm nguội vô cùng chậm tức là ở trạng thái cân bằng (vì thế còn gọi là giản đồ cân bằng), do vậy nhiều khi khơng hồn tồn phù hợp với thực
tế: gự biến đổi nhiệt độ khá nhanh, nhất là trong khi làm nguội (khi đúc,
rèn, hản, nhiệt luyện), làm tổ chức hợp kim thay đổi Tuy vậy, giần đồ trạng thái vẫn là cơ sở quan trọng hàng đâu để xác định các chỉ tiêu đó 2.1.8 Cấu tạo của giản đồ trạng thái hai cấu tử
im loại nguyên chất có kiểu gidn 46 trang thái đơn giản: chỉ có một trục nhiệt độ trên đó ghi nhiệt độ chảy và biến đổi thù hình (ví dụ: đối với Fe ở H.3.2)
6 hợp kim hai cấu tử có “thêm sự biến đổi của thành phần hóa ,
học, nén ngodi trục túng có thêm trắc hoành biểu thị sự biến đổi của thanh phần (H.2.8) Mỗi điểm trên đó biểu thị một hợp kìm có thành phân nhất định, còn hai đầu mút ứng với hái cấu tử nguyên chat.”
Trang 35(100%A + 0%B và 100%B + 0%A) Đường thẳng bất kỳ ứng với sự biến
đổi nhiệt độ của một hợp kim tương ứng (trên hình vẽ là của hợp kim
40%A + 60%B) l
Trên giản đổ có những đường phân chia thành các vùng mà mỗi vùng có tổ chức và trạng thái giống nhau Hợp kim có điểm biểu diễn
(tọa độ) của nhiệt độ và thành phần rơi vào vùng nào sẽ có tổ chức và
trạng thái tương ứng với vùng đó L Pe tc 1839 Fe,(lptt) 1392 Fe,(Ipdt) Fe (Iptt) 911 0 100%B 20 —> 40%B 60 80 100%B Hình 2.2 Hình 32.3
Giản đô trạng thái một nguyên Giản đồ trạng thái hai nguyên
Sau đây khảo sát các dạng giản đề trạng thái cơ bản của hợp kim
hai cấu tử Nói chung, các giản đổ trạng thái thực tế khác nhiều với các giản đổ cơ bản này, song nếu phân tích kỹ ta thấy chúng như là các tổ hợp của các giần đỗ cơ bản ˆ
Nói chung, ở trạng thái lỏng các nguyên tố đều hòa tan vô hạn
vào nhau, nên các giản để chỉ khác nhau ở tương tác trong trạng thái
rắn mà thôi
1- Giản đô trạng thái hai cấu từ không hòa tan lẫn nhau, không
tạo thành pha trung gian (giản đô loại I)
Hệ Ph-8b có dạng của giản đồ loại này (H.2.4)
Trong các giản đồ các cặp đường ở trên cùng biểu thị quá trình kết
tỉnh và nóng chay của hợp kim, được gọi là đường lỗng và đường đặc
- Đường trên cùng là đường lỏng đây là đường khi làm nguội đến
đó hợp kim lỏng sẽ bắt đầu kết tỉnh (hoặc khi nung nóng đến đó hợp
kim sẽ bất đầu nóng chảy hoàn toàn) :
- Sát dưới đường lỏng là đường đặc đây là đường khi làm nguội đến -
đó kim loại lỏng sẽ kết thúc kết tỉnh (hoặc khi nung nóng đến đó hợp
kim rắn sẽ bắt đâu nóng cháy) :
Trang 36- Khu vực ở trên đường lỏng, hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng
(L); dưới đường đặc, hợp kim hoàn toàn gém các pha rắn Giữa hai đường đó hợp kim ở trạng thái quá độ: lỗng + rắn (đang tiến hành kết tỉnh hoặc
nóng chay)
Trên (H.2.4) đường ve
léng 1a AEB, trong d6 A, B
B là nhiệt độ chảy của aA 631°C
hai nguyên tố Pb (3270) rc L somcl1 rm và Sb (631°G) Đường đặc : aor La L+Sb Ja CED, 1a đường đẳng a a a nhiét (245°C) c Pb+L 245°C D Hãy xét sự kết m q tỉnh của một hợp kim cụ * M Pb § Sb + (Pb + Sb’ thể gồm 60% 8b + 40% (pos aby 2 + (ep Sb) Pb Đường thẳng đứng , = biểu thị hợp kim ở các 100% Pb > % Sb 60% 100% 9b nhiệt độ cắt đường đặc - Hình 9.4 Giản đô loại 1 (Pb - Sb) lông ở 245°C va 500°C Đó là hai mốc nhiệt độ đáng chú ý:
- Ở cao hơn ð00°C, hợp kim ở trạng thái lồng
- Ở thấp hơn 245°C, hợp kim ở trạng thái rắn: Pb + Sb
~ Ở trong khoảng 245 + 500°C, hợp kim ở trạng thái lông + rắn: L + Sb
, Nhiệt độ bất đầu kết tình hay kết thúc nóng chẩy: 500°C Nhiệt độ kết thúc kết tỉnh hay bắt đầu nóng chẩy: 245°C Sự kết tỉnh của hợp kim ở trang thái lỏng xảy ra như sau:
- Làm.nguội đến t° = 500°C, hgp kim lông bắt đầu kết tỉnh ra tỉnh
thể Sb cũng ở nhiệt độ này, tương ứng với điểm 1
_ - Làm nguội tiếp tục tính thé Sb sinh ra càng nhiều nên tỷ lệ Sb trọng hợp kim lỏng còn lại giảm đi và điểm biểu diễn địch sang trái
Ví đụ: ở nhiệt độ 1°, hợp kìm lông (còn lại) biểu điễn ở điểm a” và
pha rắn (tỉnh thể Sb) ở điểm a’ Ap dung quy tác đòn bẩy tính được tỷ lệ của hái pha này bằng tỷ số của hai đoạn đối nhau, như sau:
: , Le 82 „1 tứo là hết tình được B0% Sb, aa"
+ Rhỉ nguội đến °C =,245°C hop kim lông nghèo Sb đi nữa và có thành phận ở điểm E,.còn pha rấn (Sb) ở D (cá hai đều ở 24620), tỷ lệ
của hai pha này là:
Trang 37Ly _ 2D _ 100-60 _ 40
Sbp 2E 60-13 47
Pha lồng ứng với điểm E có tính chất rất đặc biệt: Nếu như ở các điểm khác của pha lồng, pha lỏng chỉ kết tính ra một pha rắn thì đến
đây nó kết tính đồng thời cả hai pha rắn Các tỉnh thể (Pb + Sb), hỗn
hợp kết Ếinh từ pha lông này, được gọi là cùng tỉnh Sự kết tỉnh kết thúc
ở đây, làm nguội tiếp tục sẽ không có chuyển biến gì thêm Cuối cùng hợp kim có tổ chức gồm các tịnh thể Sb kết tỉnh trước ở 500 - 245°C - hạt lớn và cùng tính (Pb + Sb) kết tỉnh ở 245°C - hỗn hợp các hạt nhỏ hơn với tỷ lệ: Pb +Šb_ _2 tức cùng tỉnh ~ 48% , Ph ~55% Sb _ 2/35
Tương tự, có thể theo đõi được điễn biến của các hợp kim khác
(vi du: 90% Pb + 10% Sb) và thấy có quy luật sau đây:
Đầu tiên, pha lông kết tỉnh ra một trong hai cấu tử nguyên chất trước và làm cho pha lỏng nghèo thành phần này và đạt đến thành phần của cùng tỉnh E, đến đây pha lỏng mới kết tỉnh ra thêm cấu tử thứ bai,
tức kết tỉnh ra hai cấu tử cùng một lúc
Quy ước:
-.Hợp kim có thành phần ở chính điểm E () được gọi là hợp kim
cùng tinh, bên trái và bên phải điểm E được gọi là hợp kim trước và sau cùng tỉnh
- Đường ngang CED* xảy ra phản ứng cùng tỉnh được gọi là đường cùng tinh (t= const)
39- Giản dé trang thái bai cấu tử hoa tan v6 han vdo nhau, khéng
igo nén pha trung gian (gidn dé logi ID)
Các hệ Bị - Sb (H.3.5), Cu -:Ni c6 dang cia gidn dé loai nay duéi dạng của hai đường cong khép kín, trong đó đường trên là đường lỏng, _
đường dưới là đường đặc :
Các hợp kim của loại này có quy luật kết tinh giống nhau:
“Đầu tiên, khi làm nguội, pha lổng kết tỉnh ra dung dịch rắn giàu 8b hơn (tức giàu nguyên tế khó cháy), vì thế pha lông còn lại bị nghèo
8b đi và đường biểu điễn dịch sang trái Sự kết tỉnh kết thúc khi thành
phần dưng dịch rắn bằng đúng thành phần của hợp kim”
Trang 38Ví dụ: xét hợp kim 40% Sb + 60% Bi - Trên 500°C hợp kim ở trạng thái lỏng - Làm nguội từ ð00°C đến 300° pha lỏng tiếp tục kết tỉnh: dung dịch rắn biến đổi thành phần theo
đường 12 trên đường đặc, B, 40% —> 8b 9b100%
còn pha lỏng theo đường Hinh 2.5 Gidn dé loại II 12’ trên đường lồng - Ở 400°C hợp kim gồm hai pha: dung địch lỗng L„› gồm 20% Sb + 80% Bi và dung địch rắn œ„ gồm 70% Sb + 30% Bi với tỷ lệ: L3 œ 2
- Tại t° = 300°C, dung dịch rắn ứng với điểm 2, tức có thành phần đúng bằng của hợp kim, pha lỏng ứng với điểm ?' (rất giàu Bi) với tỷ lệ rất ít đz „22 „ọ dạ 22 Coi như pha lỗng chỉ còn một giọt, khi giọt này kết tỉnh, sự kết tỉnh sẽ kết thúc — —` Nhân xét: l
- Các dung địch rắn tạo thành ở các giai đoạn khác nhau có thành
phần chênh lệch nhau (84% Sb + 16% Bi va 5% Sb + 95% Bi) gay ra su
sai khác về thành phần ở ngay trong mỗi hạt, được gọi là thiên tích trong hạt Nếu làm nguội chậm đến mức kịp xây ra khuếch tán thì thành phân sẽ đồng nhất ngay và không có thiên tích
Khác với kiểu giấn đồ trạng thái loại IĨ này, ở kiểu gián độ trạng thái loại I có thể có thiên tích theo trọng lượng nếu như khối lượng riêng
của hai loại tỉnh thể đó khác nhau nhiễu, như đối với hé Pb - Sb thi Pb
nặng hơn sẽ ở đưới đáy còn Sb nhẹ hơn sẽ ở trên Để tránh loại thiên
tích này cần làm: nguội nhanh,
Trang 393- Giản đô trạng thái hai cấu tử hòa tan có hẹn cới nhau, không tạo nên pha trung gian (giản dé loai HD
Giản đổ trạng thái có dạng giống với loại I, chỉ khác là ở hai đầu có thêm hai vùng dung dịch rắn Z và Ø trên cơ sở của hai cấu tử nguyên chất
Giản đồ tổng quát có dạng như H.9.6
AEB: đường lỏng, ACEDB: đường đặc, trong đó đoạn CED là đường cùng tinh, E: điểm cùng tỉnh, #: A(B), dung địch rắn hòa tan có hạn của B trong A và #: B(A), dung dịch rắn hòa tan có hạn của A trong B
Hai đường cong CE và DG biểu thị độ hòa tan giới hạn của các
dung dịch rắn đó, mà thông thường, độ hòa tan giảm theo nhiệt độ nên có dạng choãi sang hai bên
Trong hệ này dễ nhận thấy rằng các hợp kim của nó có sự kết tỉnh giống với một trong bai giản đồ đã khảo sát - Các hợp kim ở hai đầu (từ A' đến F và từ B' đến G) sau khi kết tỉnh có tổ chức chỉ là dung dịch rắn œ hoặc B Sự kết tính xảy ra
hoàn toàn theo giản
dé trang thái loại IL
- Các hợp kim
từ F đến C' và từ G
'đến D' thoạt đầu kết
tính như giản đồ a Fo E ,b@ 8
lại II để tao dung Hình 2.6 Gidn dé logi LIT
dịch rắn œ hoặc B, nhưng khi làm nguội xuống dưới đường CF và DG dung địch trở nên quá bão hòa sẽ tiết ra một lượng nguyên tố hòa tan dư
đưới dạng các dung dịch rắn giàu các nguyên tố nay 1a B (giàu B) từ dung
dịch rấn quá bão hòaoœ vào (giàu A) từ dung địch rắn quá bão hòa 6 Dé
phấn biệt dung dịch rắn ban đầu tạo thành từ trạng thái lồng, người ta ký hiệu dung dịch rắn tạo thành (tiết ra) từ trạng thái rắn này là Bụ hay an (thứ hai) Cuối cùng chúng có tổ chức œ + Bụ hạy B + on
- Các hợp kim trước (C' đến E) và sau ( đến Œ`) cùng tỉnh, kết
tỉnh khá giống với các hợp kim của giản đồ trạng thái loại 1, chỉ khác ở
đây vai trò của cấu tử nguyên chất được thay thế bằng dưng dịch rắn
tương ứng, nên sẽ có tổ chức lần lượt là œ + (œ + B) và B + (B + a) Sau
Trang 40khi kết tỉnh xong các dung dịch rắn có độ hòa tan lớn nhất, nên khi làm
nguội chúng tiếp tục tiết ra pha dư Bn và œ¡ như khảo sát ở trên Cuối
cùng có tổ chức œ + mu va B + on + (a + B)
- Hợp kim cùng tỉnh (E, E) kết tỉnh ngay ra cùng tỉnh (œ + B) 4 Gian dé trang théi hai céu tử không hòa tan lẫn nhau ở trạng thái rắn nhưng tạo nên pha trung gian ổn định (giản đô loại IV)
` Giản đồ có: dạng tổng quát như Œ1.2.7)
Pha trung gian với công thức tổng quát A„B„ (viết tất là H) biểu thị bằng đường thẳng đứng trên giấn đô trạng thái, trong đó H là điểm
nóng chảy của nó
Giản để trạng thái này như gồm hai giản đô loại I ghép lại là ˆ
A-A„Ba và AnB,B khi coi A„Bạ là một cấu tử Hợp kim khảo sát nằm
_ trong giản đổ nào sẽ xét theo gián đồ đó một cách độc lập ee ÓC ` ec B L A Bel 2 6 ƒ D 2 3 ca At Ằ AnBa + AnBat + B+(B+AaB,) (A +A»Bu Ý (VÀ +ÃnB,) (B +A,8,) 2 < 400% 1A ; AnBn 100% B
Hình 2.7 Giản đô trạng thái hai nguyên logi IV ð- Một số giản đỗ trạng thái hoi cấu tử cô thù hình
Nhiéu kim loại có chuyển biển thủ hình như Fe, Ơo, Mn có giản, đồ trạng thái khá phức tạp, ở những đường đặc sẽ có thêm những đường
, biểu thị chuyển biến thù hình Trên (H.2.8) trình bay 4 dang trong số đó
ở hình:a, A cổ hai thù hình A„ và Á;, B không có thù hình, trong
đó ‘Ag vA B tạo nên dung dịch rắn vô hạn œ, A; và B tạo nên dung dịch
rắn có hạn §
Ở hình b, Ä có hai thi hinh Ay và A,,:B không có thù hình, trong:
d6; Ay va.B tao nén dung dich rấn v vô b Hạn 2B, Ae ‘va -B tạo nên dung dich rắn có hạn.ơ, :