MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD: TRẦN THẾ SAN Bài tập: Hãy phân tích q trình khuếch tán nung nóng thép tích: P [Fe3C + F] As 0,8%C As 0,8%C BÀI LÀM Mơ tả thí nghiệm nung nóng thép tích Sử dụng mẫu thí nghiệm thép chứa 0,8% cacbon, có tổ chức Peclit (P=[F+Xe]) làm hàng loạt mẫu có kích thước hình dáng giống tiến hành nung tới nhiệt độ lớn nhiệt độ Ac1 Giữ mẫu nhiệt độ nung với thời gian khác sau tiến hành làm nguội nhanh Đo lượng chuyển biến P thành As theo thời gian - Trên sở đo lượng chuyển biến đó, ta xây dựng đường cong phần trăm lượng As theo thời gian t: % As = f(t) - Đường cong đường cong động học chuyển biến P thành As + OA: giai đoạn phôi thai, bắt đầu tạo trung tâm sinh mầm + AB: giai đoạn bắt đầu chuyển biến P thành As, giai đoạn có thay đổi lượng tự G = Gthể tích + Gbề mặt + Gđàn hồi Do vậy, ta thấy trình tạo mầm trạng thái rắn khó khăn chậm biến thiên lượng cao + BC: giai đoạn chuyển biến xảy nhanh lượng mầm tạo nhiều khả lớn lên mạnh Gđàn hồi chưa lớn + CD: giai đoạn chuyển biến chậm lại Gđàn hồi lớn Trang MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD: TRẦN THẾ SAN Cơ chế khuếch tán nung nóng thép tích Cơ chế khuếch tán giải thích trị số D0 Q tìm hiểu qúa trình dịch chuyển nguyên tử ( ion, phân tử ) vật liệu khác a Khuếch tán dung dich thay Các nguyên tử khuếch tán theo chế nút trống, tức nguyên tử dịch chuyển đến nút trống bên cạnh Để bước dịch chuyển thực cần có hai điều kiện sau: - Nguyên tử có hoạt G vm đủ để phá vỡ liên kết với nguyên tử bên cạnh, nới rộng khoảng cách hai nguyên tử nút trống nguyên tử dịch chuyển ( nguyên tử hình vẽ bên dưới) Số lượng nguyên tử có hoạt tỷ lệ với exp(-ΔGvm/kT) - Có nút trống nằm cạnh nguyên tử: nồng độ nút trống tỷ lệ với exp(-ΔG vf/kT) ΔGvf lượng tạo nút trống, tức lượng cần tách nguyên tử khỏi nút mạng hồn chỉnh, lượng tỷ lệ với nhiệt hố Như khả khuếch tán phụ thuộc vào xác suất hai trình trênvà hệ số khuếch tán viết dạng: D = const.exp(-ΔGvf/kT).exp(-ΔGvm/kT) (1.4) Nếu tính đến quan hệ G = H – TS Trong đó: H entanpi S entropi Khi biểu thức (1.2) D, xác định Q D0: Q = ΔHmv + ΔHvf; (1.5) D0 = const.exp[(ΔS0f + ΔS0m)/k] (1.6) Bằng cách so sánh Q tổng ΔHmv + ΔHvf dự đốn có mặt chế nút trống vật liệu cụ thể Trong nhiều kim loại ΔH mv + ΔHvf = ÷ 3eV/nguyên tử (ΔS 0f + ΔS0m)/k = từ D0 = 0,1 ÷ 10 cm2/s Trang MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD: TRẦN THẾ SAN Hoạt khuếch tán Q liên quan đến lượng tách dịch chuyển nguyên tử khỏi nút mạng đó: Q ≈ Lnc ≈ Tnc Như nhiệt cho, vật liệu có Tnc lớn Q lớn D nhỏ Khả tạo nút trống cạnh nguyên tử khác loại cạnh nguyên tử dung môi khác Do hệ số khuếch tán nguyên tử khác loại khác với hệ số khuếch tán nguyên tử dung môi Tuy nhiên nhiều trường hợp khác không 15% Q gấp đôi với D0 A Nă ng lư ợn g A ∆Gvm X B L Nă ng lư ợn g ∆Gim Hình: Mơ hình khuếch tán theo chế nút trống (a) chế nút mạng (b) Bên thay đổi đường cong lượng phụ thuộc vào vị trí b Khuếch tán dung dich xen kẽ Các nguyên tử hoà tan theo nguyên lý xen kẽ thường có đường kính nhỏ dịch chuyển từ vị trí lỗ hổng ( nút mạng) sang lỗ hổng khác Đó khuếch tán theo chế nút mạng Để chuyển đến lỗ hổng bên cạnh nguyên tử xen kẽ phải vượt ΔG im ( Hình 1.2b) Bên cạnh nguyên tử xen kẽ ln ln có lỗ hổng lượng lỗ hổng mạng xác định nhiều nguyên tử xen kẽ nên “ nồng độ” lỗ hổng không ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán Trong trường hợp này: D = const.exp(ΔSim/k).exp(ΔHim/kT) (1.7) Như vậy: D0 = const.exp(ΔSim/k) (1.8) Q D0 có trị số nhỏ so với chế nút trống Q phụ thuộc chủ yếu kích thước nguyên tử xen kẽ mật độ xếp chặt kim loại Ví dụ: D cacbon α – Fe 1,7.10-6 cm2/s 800 0C ; γ – Fe 6,7.10-7 cm2/s 1000 0C Trang MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD: TRẦN THẾ SAN Quá trình chuyển biến khuếch tán nung nóng thép tích thể rõ q trình chuyển biến pha nung nóng thép tích P 0,8%C As Khi ta nung thép nhiệt độ thép tích chuyển biến hồn tồn thành tổ chức Austenit Các chuyển biến Peclit thành Austenit nung nóng đẳng nhiệt thép tích Hình: Biểu đồ nung nóng đẳng nhiệt nung nóng P Trong đó: Vùng I: t0 < A1 vùng tồn ổn định P Vùng II: t0 > A1 bên trái đường vùng tồn P ổn định Vùng III: vùng chuyển biến Vùng III: vùng hoàn thành chuyển biến - Đặc điểm: + Chuyển biến xảy nhiệt độ nung + Nhiệt độ cao thời gian chuyển biến P thành As ngắn + Chuyển biến hoàn toàn (100%P thành 100% As) + Là chuyển biến khuếch tán - Cơ chế chuyển biến: P 0,8%C As Trang MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD: TRẦN THẾ SAN Hình: Sự hình thành mầm phát triển mầm As - Mầm As sinh biên giới F Xe, phát triển thành hạt As, hạt As gặp ta hạt As ban đầu Hình: Biểu đồ hình thành hạt As - Hạt As ban đầu: + Nồng độ C hạt không đồng + Hạt As có kích thước nhỏ khơng điều mầm As khơng sinh lúc - Trong thời gian giữ nhiệt : + Có khuếch tán C hạt As để làm đồng điều hạt + Có sát nhập hạt As bé vào hạt As lớn - Kích thước hạt As: cuối giai đoạn nhận hạt As thực tế - Các yếu tố ảnh hưởng tới kích thước hạt As nung: + Kích thước F Xe: kích thước nhỏ mầm As sinh nhiều kích thước hạt As bé Trang MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD: TRẦN THẾ SAN + Nhiệt độ nung cao kích thước hạt As lớn (theo hàm số mũ) Hình: Biểu đồ nhiệt nung + Thời gian giữ nhiệt dài kích thước hạt tăng theo hàm bậc hai Hình: Biểu đồ thời gian giữ nhiệt - Thép di truyền hạt bé: + Là loại thép nung khoảng A1 < t0 < (900 – 9500) với thời gian giữ nhiệt 3-8h hạt không lớn lên lớn lên không đáng kể Trang MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD: TRẦN THẾ SAN + Khi t0 > (900 – 9500) hạt lớn nhanh Các chuyển biến Peclit thành Austenit nung liên tục thép tích Hình: Đồ thị chuyển biến nung nóng liên tục - Là q trình nung mà nhiệt độ tăng theo thời gian - Nhận xét q trình nung nóng liên tục: + Tốc độ nung chậm nhiệt độ bắt đầu chuyển biến kết thúc chuyển biến thấp, thời gian chuyển biến dài + Tốc độ nung cao nhiệt độ chuyển biến cao, thời gian chuyển biến ngắn Tóm tắc lại chế hình thành As nung thép tích Q trình xảy có ba đơng lượng mà ba đơng thành phần hố học ngun nhân chủ yếu để tạo ba đông lượng Q trình ba đơng tạo vùng có thành phần cacbon gần 0,8% ranh giới Xe F ln có hàm lượng cacbon cao nên thuận lợi cho trình tạo mầm Do vậy, mầm As xuất ranh giới pha F Xe Các mầm As phát triển, thực trình chuyển biến P thành As Trang MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD: TRẦN THẾ SAN Tốc độ phát triển mầm As phía Xe F khác Nhận thấy ∆Cγ/F vγ/Xe vỡ F bị hoà tan hết trước sau Xe bị hồ tan hết vào γ Q trình mơ tả hình vẽ bên dưới: Độ hạt γ biểu diễn độ hạt giản đồ trạng thái Khi nung nóng nhiệt độ Ac1 thép xảy chuyển biến P → γ Chuyển biến có chế q trình kết tinh Tạo mầm phát triển mầm Các mầm γ tạo bề mặt phân chia pha F Xe Như vậy, biên giới pha F Xe P nhiều nên nảy sinh nhiều mầm γ kết thúc chuyển biến có γ nhỏ Chuyển biến P → γ làm nhỏ hạt Sau thu γ nhỏ mịn nhiệt độ Ac 1, tiếp tục nâng cao nhiệt độ, hạt γ tiếp tục phát triển nhờ trình sát nhập hạt với Sự phát triển hạt γ phụ thuộc vào nhiệt độ nung thời gian giữ nhiệt Nhiệt độ nung cao, thời gian giữ nhiệt dài hạt γ lớn Trang MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD: TRẦN THẾ SAN Trang ... tử xen kẽ mật độ xếp chặt kim loại Ví dụ: D cacbon α – Fe 1,7.1 0-6 cm2/s 800 0C ; γ – Fe 6,7.1 0-7 cm2/s 1000 0C Trang MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD: TRẦN THẾ SAN Quá trình chuyển biến khuếch tán... thời gian giữ nhiệt - Thép di truyền hạt bé: + Là loại thép nung khoảng A1 < t0 < (900 – 9500) với thời gian giữ nhiệt 3-8 h hạt không lớn lên lớn lên không đáng kể Trang MAI CHÍ TÂM – 12104213 GVHD:... - Kích thước hạt As: cuối giai đoạn nhận hạt As thực tế - Các yếu tố ảnh hưởng tới kích thước hạt As nung: + Kích thước F Xe: kích thước nhỏ mầm As sinh nhiều kích thước hạt As bé Trang MAI CHÍ