Chương 3: QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU

Chương 3 QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU 3.1 KHÁI NIỀM VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM. 3.1.1 Ðịnh nghĩa về kim loại. Theo định nghĩa cổ điển thì kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Ðịnh nghĩa này bao quát được những đặc điểm chính của đa số kim loại và trên cơ sở này người ta phân biệt kim loại với á kim. Ta thấy, hầu như kim loại ở bề mặt nhẵn bóng chưa bị ôxy hóa cũng đều có ánh kim, phần lớn kim loại khá dẻo và có thể gia công bằng áp lực tức có thể rèn được, chúng có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao (đặc biệt bạc, nhôm và đồng). Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học, người ta đã tìm ra được nhiều nguyên tố kim loại nhưng lại thiếu các tính chất trên. Cụ thể như ăngtimoan (Sb) dòn và không rèn được, còn xêri (Ce) và Prazêôđim (Pr) lại có tính dẫn điện kém. Chính vì thế định nghĩa cũ cổ điển chưa đúng cho mọi kim loại và chưa nêu lên được bản chất chung của chúng. Ngày nay người ta lấy hệ số nhiệt độ của điện trở làm đặc điểm để phân biệt kim loại với á kim. Theo tiêu chí mới này kim loại có hệ số nhiệt độ của điện trở dương, nghĩa là khi nhiệt độ tăng thì điện trở cũng tăng; còn á kim thì ngược lại có hệ số nhiệt độ của điện trở âm, tức là khi nhiệt độ tăng thì điện trở lại giảm. Cần lưu ý là không phải chỉ những nguyên tố kim loại mới có tính chất trên mà cả hợp kim của chúng cũng có những tính chất đó. Ðến nay người ta đã tìm ra hơn 100 nguyên tố hóa học, trong đó trên 3/4 là kim loại. Ngoài hai loại nguyên tố cơ bản là kim loại và á kim còn có một số nguyên tố có vị trí trung gian giữa chúng, đó là các nguyên tố bán dẫn như Giecmani (Ge), silíc (Si), v.v. 3.1.2 Phân loại kim loại. Có nhiều cách phân loại khác nhau. Một số nước chia kim loại ra làm hai nhóm lớn là kim loại đen và kim loại màu. Sắt thuộc kim loại đen; các kim loại mầu là các kim loại không phải là sắt như đồng, nhôm, chì, kẽm, thiếc, titan v.v. Sự phân chia kim loại đen và kim loại mầu trên rất thông dụng song lại mang tính chất qui ước bởi vì nó không dựa trên một thực tế khách quan nào cả vì sắt không có mầu đen, còn các kim loại khác không phải đều có mầu sắc. Tuy kim loại mầu được sử dụng với khối lượng ít hơn so với kim loại đen nhưng chúng thường lại đắt hơn và có công dụng riêng nổi bật so với kim loại và hợp kim đen. 33 3.1.3 Hợp kim. Nếu đem nấu chảy kim loại với một hay nhiều nguyên tố khác (có thể là kim loại hay á kim) để tạo nên một vật liệu mới có tính kim loại, thì vật liệu đó được gọi là hợp kim Thành phần của hợp kim được biểu thị bằng số phần trăm trọng lượng (đôi khi là số phần trăm nguyên tử) của mỗi nguyên tố chứa trong nó. Tổng số các thành phần nguyên tố trong hợp kim luôn phải là 100%. Thuật ngữ "hợp kim" ngày nay mang ý nghĩa rộng hơn. Ngoài phương pháp nấu chảy, người ta có thể thu được hợp kim bằng nhiều phương pháp khác như: − Phương pháp luyện kim bột – ép các hạt rắn và thiêu kết chúng tiếp theo ở nhiệt độ cao. − Phương pháp khuyếch tán – cho một chất xâm nhập vào một chất rắn khác ở nhiệt độ cao. − Hoặc các hợp kim có thể thu được khi hóa bụi bằng plasma, hay trong quá trình kết tinh từ pha hơi trong chân không, hay khi điện phân. So với kim loại nguyên chất, hợp kim có nhiều tính chất ưu việt hơn nên nó được sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt cũng như trong cơ khí.  Về cơ tính: Hợp kim có độ bền, độ cứng cao hơn kim loại nguyên chất trong khi có độ dẻo, độ dai phù hợp. Một vài hợp kim có tính chất quí giá mà kim loại nguyên chất không có được như độ bền nhiệt rất cao, tính cứng nóng cao, tính chống ăn mòn, tính chống mài mòn tốt nên thời gian sử dụng dài hơn.  Về tính công nghệ: Hợp kim có tính đúc, tính gia công cắt gọt đặc biệt khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện tốt. Hơn nữa về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo kim loại nguyên chất khó hơn nhiều so với chế tạo hợp kim do phải khử bỏ triệt để các tạp chất lẫn lộn nên phức tạp và tốn kém nên sử dụng hợp kim trong chế tạo cơ khí còn có tính hiệu quả kinh tế hơn. 3.2 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI 3.2.1 Các khái niệm cơ bản. Giản đồ trạng thái hay còn gọi là giản đồ pha hoặc giản đồ cân bằng của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng (hoặc tỉ lệ) các pha hay các tổ chức của hệ đó ở trạng thái cân bằng. Giản đồ trạng thái còn là sự biểu diễn quá trình kết tinh của hợp kim. Quá trình đó phụ thuộc vào loại pha được tạo thành từ dung dịch lỏng, cụ thể là phụ thuộc vào nhiệt độ và hàm lượng của các chất tạo thành. Giản đồ chỉ rõ các tổ chức của hợp kim trong các điều kiện cân bằng. Tóm lại, giản đồ pha là căn cứ không thể thiếu để nghiên cứu vật liệu, khi chúng ta hòa trộn các cấu tử lại với nhau. Các hệ khác nhau có giản đồ pha khác nhau và chúng được xây 34 dựng chủ yếu bằng thực nghiệm. Trong thực tế không có hai giản đồ trạng thái nào giống nhau hoàn toàn vì sự tương tác giữa các cấu tử xảy ra rất phức tạp từ kiểu pha, các phản ứng cho đến nhiệt độ tạo thành.  Pha. Người ta định nghĩa pha là những tổ phần đồng nhất của hợp kim (còn được gọi là hệ), chúng có thành phần đồng nhất ở điều kiện cân bằng, ở cùng một trạng thái (có thể là lỏng, rắn hay khí) và ngăn cách với các phần còn lại (tức với các pha khác) bằng bề mặt phân chia. Nếu ở trạng thái rắn các tổ phần phải có cùng kiểu mạng và thông số mạng.  Nguyên. Nguyên (hay còn gọi là cấu tử) là những chất độc lập có thành phần không biến đổi, chúng tạo nên tất cả các pha của hệ. Cấu tử thường là nguyên tố hóa học, là kim loại nguyên chất cấu tạo nên hợp kim hoặc có thể là hợp chất hóa học ổn định. Các cấu tử không thể biến đổi lẫn cho nhau nhưng có thể chuyển từ pha này sang pha khác.  Hệ. Hệ là từ dùng để chỉ một tập hợp vật thể riêng biệt của vật liệu trong điều kiện xác định hoặc là một loạt hợp kim khác nhau với các cấu tử giống nhau. Nói cách khác, một tập hợp nhiều pha ở trạng thái cân bằng được gọi là một hệ hay còn được gọi là hệ thống. Ta hãy xét một số thí dụ để làm rõ các khái niệm trên. Nước là hệ ở 0 0 C tồn tại hai pha là nước (pha lỏng) và nước đá (pha rắn) song chỉ có một cấu tử đó là hợp chất hóa học H 2 0. Trường hợp Cu và Ni thì lại khác. Ở nhiệt độ cao Cu và Ni có thể hoà tan vô hạn vào nhau tạo thành dung dịch lỏng còn ở nhiệt độ thấp chúng cũng hòa tan vào nhau để tạo thành dung dịch rắn. Như vậy hợp kim này là hệ có hai nguyên là Cu và Ni và thường có tổ chức một pha là dung dịch lỏng (ở nhiệt độ cao) và dung dịch rắn (ở nhiệt độ thấp). Ngược lại, Cu và Pb rất ít hòa tan vào nhau ở trạng thái lỏng và không hòa tan lẫn nhau ở trạng thái rắn. Do đó hợp kim đồng và chì tuy cũng là hệ hai cấu tử nhưng thường lại có tổ chức hai pha: ở nhiệt độ cao gồm hai dung dịch lỏng khác nhau về thành phần hóa học; còn ở nhiệt độ thấp nó lại bao gồm hai tinh thể Cu và Pb.  Trạng thái cân bằng của hệ. Một hệ được coi là cân bằng khi các quá trình chuyển biến xảy ra trong nó mang tính chất thuận nghịch, tức là quá trình biến đổi theo chiều ngược lại thì hệ đi qua đúng những trạng thái mà quá trình thuận đã đi qua. Ðiều này chỉ xảy ra khi các pha ở trạng thái đồng nhất, các nguyên tử nằm ở các vị trí cân bằng qui định, pha rắn không có ứng suất trong. Nói theo cách khác là hệ ở trạng thái cân bằng ổn định khi các pha trong hệ thống phải có giá trị năng lượng tự do nhỏ nhất trong số các giá trị mà chúng có thể có được trong điều kiện nhiệt độ, áp suất và thành phần xác định. Ðiều này cũng có nghĩa là trong các điều kiện đó đặc tính của hệ hoàn toàn không biến đổi theo thời gian. 35 Khi thay i ỏp sut v nhit s kộo theo s tng nng lng t do, lỳc ú rt cú th h cú bin i t ngt sang trng thỏi cõn bng mi vi nng lng t do nh hn, tc l cú chuyn bin pha. Cú th núi, trng thỏi hay t chc khụng cõn bng l khụng n nh, nú luụn cú xu hng t bin i v trng thỏi hay t chc cõn bng, n nh, nht l khi nú b nung núng, cũn nhit thng quỏ trỡnh chuyn bin ny rt chm hu nh khụng nhn thy c hoc bin i khụng ỏng k. 3.2.2 Gin pha ca cỏc h. Ngy nay ngi ta ó xõy dng c hu ht cỏc h mt nguyờn, h hai nguyờn (gia kim loi vi kim loi v gia kim loi vi phi kim loi) v cỏc h ba nguyờn. 3.2.2.1 Gin pha ca h mt cu t Hỡnh 3.1 Gin pha ca st 3.2.2.2 Gin pha ca h hai cu t Gin trng thỏi ca h hai cu t ó phc tp hn, nú gm hai trc, trong ú trc tung biu th nhit cũn trc honh biu th thnh phn ca h vi nhng ng phõn chia cỏc khu vc pha theo nguyờn tc xen gia cỏc khu vc mt pha l khu vc hai pha tng ng nh c trỡnh by trờn hỡnh 3.2 . 1539 1392 911 L (loỷng) - Fe (A 2 ) - Fe (A 1 ) - Fe (A 2 ) Nhieọt ủoọ 0 C 36 Hình 3.2 Các trục của giản đồ pha hệ hai cấu tử Thành phần có thể tính theo phần trăm % nguyên tử nhưng thông thường nó được tính theo phần trăm % khối lượng. Ðiểm tận cùng bên trái trên trục hoành tương ứng với 100% hàm lượng nguyên tố A còn lượng phần trăm nguyên thứ hai B được tính theo trục đó từ trái qua phải và điểm tận cùng bên phải tương ứng với 100% hàm lượng nguyên tố B. Ðường thẳng đứng bất kỳ biểu thị một thành phần nhất định nhưng ở các nhiệt độ khác nhau. Ví dụ đường thẳng đứng D biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của thành phần này và như vậy hai trục tung chính là giản đồ pha của từng cấu tử tương ứng. Do được biểu thị trên mặt phẳng một cách chính xác nên từ giản đồ pha của hệ hai cấu tử, người ta dễ dàng xác định được các thông tin cho một thành phần xác định ở nhiệt độ đã cho như:  Các pha tồn tại: Căn cứ vào điểm (tọa độ) của nhiệt độ - thành phần đã cho nằm trong vùng nào của giản đồ pha sẽ xác định được tổ chức pha tương ứng với vùng đó.  Thành phần pha: Nếu điểm (tọa độ) của nhiệt độ - thành phần nằm trong vùng một pha thì thành phần của pha cấu tạo nên vật liệu cũng chính là thành phần của vật liệu đã chọn. Khi điểm (tọa độ) của nhiệt độ - thành phần nằm trong vùng hai pha thì để xác định thành phần bằng cách kẻ qua nó một đường thẳng nằm ngang, hai giao điểm của đường thẳng với hai đường biên giới pha gần nhất sẽ chỉ rõ thành phần của từng pha. Ngoài ra, từ giản đồ trạng thái của hai cấu tử người ta còn biết được khoảng nhiệt độ chảy hay kết tinh, biết được các chuyển biến pha và dự đoán các tổ chức được tạo thành ở trạng thái không cân bằng khi làm nguội nhanh, v.v. Những vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong giản đồ trạng thái của sắt - các bon ở các phần sau. 3.3 CHUYỂN BIẾN PHA TỪ THỂ LỎNG SANG THỂ RẮN (KẾT TINH). 3.3.1 Khái niệm Kết tinh được hiểu là quá trình chuyển biến của vật liệu từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Xét về mặt tinh thể, đó là quá trình chuyển biến từ trạng thái các nguyên tử trong sự sắp xếp hỗn loạn không trật tự sang trạng thái các nguyên tử được sắp xếp theo một qui luật trật tự xác định. Có thể nói kết tinh là một quá trình chuyển biến tổ chức (chuyển biến pha) điển hình. Quá trình kết tinh này được thực hiện bởi hai quá trình cơ bản nối tiếp và song song với nhau: − Quá trình tạo mầm: Trong kim loại lỏng xuất hiện những trung tâm kết tinh có kích thước rất nhỏ nhất định gọi là mầm. Có thể coi đây là những mầm mống đầu tiên của kim loại rắn. 37 − Quá trình phát triển mầm: các mầm mống trên phát triển, lớn lên trở thành các hạt tinh thể. Trong khi các mầm cũ đang phát triển, lớn lên (quá trình phát triển mầm đang xảy ra) thì trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm mống mới (quá trình tạo mầm cùng đồng thời xảy ra). Ta sẽ đi sâu vào từng quá trình cụ thể. 3.3.2 Quá trình tạo mầm. Quá trình tạo mầm còn được gọi là quá trình tạo thành trung tâm kết tinh hay đơn giản là tạo mầm. Ðây là quá trình xuất hiện những phần tử rắn có cấu tạo tinh thể với thể tích nhất định ở trong kim loại lỏng, chúng là những trung tâm (hay mầm) để từ đó phát triển, lớn lên thành các hạt tinh thể. Căn cứ vào đặc tính phát sinh, người ta phân ra hai loại mầm: mầm tự sinh (còn gọi mầm đồng pha) và mầm không tự sinh (còn gọi mầm ký sinh hay mầm có sẵn, mầm không đồng pha). Mầm tự sinh là mầm được trực tiếp sinh ra từ kim loại lỏng không cần tác dụng của các phần tử (hạt) rắn có sẵn trong kim loại lỏng. Mầm không tự sinh (còn gọi là mầm ký sinh) là loại mầm kết tinh tạo nên trên bề mặt của các hạt rắn có sẵn trong kim loại lỏng. Mầm không tự sinh có vai trò quan trọng trong kết tinh thực tế, nó có thể phát sinh từ các nguồn sau: − Một hàm lượng rất nhỏ các phần tử lẫn lộn không hòa tan như ôxýt, nítrít, buị tường lò v.v có kiểu mạng và kích thước không khác nhiều so với kim loại kết tinh. − Các hạt rất nhỏ có khả năng hấp thụ trên bề mặt của mình những nguyên tử của kim loại kết tinh. − Thành khuôn, đặc biệt các vết nứt, chỗ lồi lõm trên thành khuôn. Ngoài ra, người ta cũng đưa vào kim loại lỏng một số nguyên tố để giúp cho quá trình kết tinh nhanh, chúng được gọi là chất biến tính. 3.3.3 Quá trình phát triển mầm. Sau khi tạo được mầm, quá trình tiếp theo là các mầm này phát triển, lớn lên thành các hạt tinh thể. Ta hình dung sự tạo thành hạt tinh thể kim loại bằng sơ đồ 1.25 sau đây: Hình 1.3 Sơ đồ tạo thành các hạt tinh thể. 38 # # Giây thứ nhất Giây thứ hai Giây thứ n . Từ sơ đồ ta thấy, giả sử trong một đơn vị thể tích kim loại lỏng trong một giây ban đầu sinh được 3 mầm kết tinh. Ở giây thứ hai tiếp theo ba mầm này phát triển lớn lên nhưng đồng thời trong thể tích kim loại lỏng lại sinh ra thêm 3 mầm kết tinh khác. Quá trình cứ như thế tiếp diễn cho đến khi cả khối kim loại kết tinh hết ở giây thứ n nào đó. Từ quá trình xuất hiện và lớn lên của mầm kết tinh ta có thể rút ra các nhận xét sau: −Do mỗi mầm định hướng tùy ý trong không gian một cách ngẫu nhiên nên phương mạng giữa các hạt tinh thể kim loại bị lệch nhau. −Các hạt tinh thể có kích thước không đồng đều. Những hạt tinh thể phát triển từ mầm sinh ra trước có nhiều điều kiện phát triển (về thời gian và thể tích kim loại lỏng bao quanh) sẽ có kích thước lớn hơn những hạt do các mầm sinh ra sau, muộn hơn. 3.3.4 Hình dạng hạt. Tùy thuộc vào bản chất của kim loại kết tinh (như kiểu mạng tinh thể, tạp chất v.v) và các điều kiện kết tinh (tốc độ làm nguội, phương tản nhiệt v.v) mà hạt tinh thể tạo thành khi kết tinh có thể có các dạng hình cầu, hình đa diện, hình tấm hay hình kim. Dạng hạt tinh thể hình cầu chỉ có được trong trường hợp mầm được tự do phát triển đều theo mọi phương. Tất nhiên, không thể đạt được dạng hình cầu ở tất cả các hạt tinh thể vì kể cả khi mầm kết tinh được tự do phát triển theo mọi phương với tốc độ giống nhau đi nữa thì khi gặp nhau các hạt tinh thể chỉ có thể có dạng của hình đa diện mà thôi (tổ chức này thường gặp khi các kim loại nguyên chất kết tinh được làm nguội đồng đều). Khi kim loại lỏng kết tinh trong điều kiện làm nguội thật nhanh theo một phương nào đó thì hạt tinh thể có dạng kéo dài hay hình trụ. Trường hợp mầm phát triển mạnh theo mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất và chậm theo các mặt còn lại thì hạt tinh thể sẽ có dạng hình tấm hoặc hình kim. 3.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt và các phương pháp làm nhỏ hạt. 3.3.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt. Qua nghiên cứu có hai yếu tố quyết định kích thước hạt khi kết tinh là tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển mầm. Tốc độ tạo mầm càng lớn thì trong một đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian xuất hiện càng nhiều mầm, nên số hạt tinh thể càng nhiều và hạt sẽ càng nhỏ. Ngược lại, tốc độ phát triển mầm mà càng lớn, thì những mầm sinh ra trước sẽ phát triển rất nhanh và tạo thành các hạt kim loại lớn lấn át các mầm ra sau và hạt sẽ có kích thước lớn. Người ta đã đưa ra mối quan hệ giữa kích thước hạt (ký hiệu A) với tốc độ tạo mầm n và tốc độ phát triển mầm  như sau: n aA ν ⋅= (trong đó a là hệ số). Từ công thức trên dễ dàng thấy được nếu ta càng tăng tốc độ tạo mầm n và càng giảm tốc độ phát triển mầm thì sẽ nhận được hạt tinh thể càng nhỏ. Như vậy, phương pháp làm nhỏ hạt tinh thể sẽ dựa trên nguyên lý tăng số lượng mầm và giảm tốc độ phát triển của nó. 39 3.3.5.2 Các phương pháp làm nhỏ hạt. Có nhiều cách để làm nhỏ hạt khi kết tinh nhưng trong cuốn sách này chỉ trình bày hai phương pháp chính là phương pháp tăng độ quá nguội (tức tăng tốc độ nguội) và phương pháp biến tính.  Phương pháp tăng độ quá nguội  T khi kết tinh Hình 1.4 Ảnh hưởng của ∆ T đến n và ν . −Khó làm tăng tốc độ nguội đồng đều trên toàn bộ tiết diện của thành vật đúc. Vì vùng mặt ngoài tiết xúc với thành khuôn sẽ nguội nhanh hơn, nên hạt sẽ nhỏ hơn so với vùng bên trong vật đúc. −Vật đúc lớn (nhất là với vật đúc có khối lượng rất lớn) lượng nhiệt tỏa ra khi kết tinh rất lớn nên rất khó làm nguội nhanh và dễ sinh ra tổ chức xuyên tinh. Hình 1.4 cho thấy khi tăng độ quá nguội T cả n và  đều tăng nhưng n tăng nhanh hơn nên nếu tăng độ quá nguội ta vẫn nhận được hạt nhỏ.  Phương pháp biến tính Người ta có thể đạt được hạt tinh thể nhỏ sau kết tinh bằng cách cho vào kim loại lỏng trước khi rót một lượng nguyên tố nào đó (với số lượng nhỏ không đủ làm thay đổi tính chất của kim loại lỏng) nhằm tăng lượng mầm kết tinh hoặc làm hạn chế tốc độ phát triển của mầm. Các nguyên tố này được gọi là các chất biến tính. Chất biến tính dùng làm nhỏ hạt tinh thể sau kết tinh là những chất phải có một trong hai tính chất sau: − Có khả năng kết hợp với kim loại lỏng nhưng thường là các tạp chất trong kim loại lỏng để tạo nên các hợp chât hóa học khó chảy, không tan ở dạng phần tử rắn nhỏ lơ lửng trong kim loại lỏng giúp cho sự tạo mầm ký sinh. Thí dụ, người ta thường cho vào thép lỏng một lượng nhôm rất nhỏ theo tỉ lệ 20 - 50g trên một tấn thép lỏng. Lượng nhôm nhỏ này sẽ không làm thay đổi tính chất của thép nhưng nó kết hợp với ôxy, nitơ hòa tan trong thép lỏng để tạo thành các phần tử ôxuyt nhôm Al 2 O 3 , nítrít nhôm AlN rất nhỏ phân tán đều trong thép lỏng. Chính các phần tử này giúp cho sự tạo 40 n ν n ν ∆T 1 ∆T 2 ∆ T Ðộ quá nguội T phụ thuộc tốc độ nguội, tốc độ nguội càng lớn, độ quá nguội T càng lớn. Ðể làm được điều này trong kỹ thuật đúc người ta dùng vật liệu làm khuôn có tính dẫn nhiệt cao (khuôn kim loại chẳng hạn), hoặc có thể dùng nước làm nguội thành khuôn kim loại. Có điều, tăng độ quá nguội là biện pháp chỉ thích hợp cho vật đúc nhỏ, với vật đúc lớn biện pháp này sẽ gặp khó khăn vì: mầm không tự sinh trong kim loại lỏng, do đó sẽ có nhiều hạt tinh thể và hạt tinh thể sẽ nhỏ mịn. − Có khả năng hòa tan vào kim loại lỏng, gây tác dụng làm giảm tốc độ phát triển của mầm, cũng tạo được hạt tinh thể nhỏ, mịn. Thí dụ, khi đúc hợp kim silumin Al – Si, người ta cho vào hợp kim lỏng một hỗn hợp muối natri (NaCl và NaF), các muối này hòa tan vào kim loại lỏng làm giảm sự phát triển của các tinh thể silic, nên hợp kim nhận được các tinh thể silic nhỏ mịn và cơ tính tăng lên rõ rệt. Ngoài tác dụng làm nhỏ hạt tinh thể như đã nêu trên, còn có một số chất biến tính có tác dụng làm thay đổi hình dạng của hạt tinh thể. Chẳng hạn, khi cho một chút manhê (Mg) vào gang xám lỏng, khi kết tinh ta thu được grafít ở dạng quả cầu tròn. Khi kết tinh thông thường, grafít trong gang xám ở dạng tấm (xem thêm phần gang trong tập hai). Ðể làm giảm kích thức của hạt tinh thể sau khi kết tinh, ngày nay người ta còn dùng phương pháp hiện đại như rung cơ học, sử dụng sóng siêu âm hoặc tạo ra các chuyển động tương đối giữa kim loại lỏng và mầm kết tinh. Bản chất của các ảnh hưởng này vẫn chưa được nghiên cứu kỹ. 3.4 CHUYỂN PHA Ở TRẠNG THÁI RẮN. Ở trạng thái rắn, khi nung nóng hay làm nguội trong kim loại và hợp kim có thể xảy ra các chuyển biến khác nhau như chuyển biến pha thù hình, chuyển pha cùng tích, tiết pha và chuyển biến mactenxít. 3.4.1 Chuyển pha thù hình. Khá nhiều nguyên tố hóa học hoặc hợp chất hóa học ở nhiệt độ và áp suất khác nhau, một nguyên tố có thể tồn tại hai hay nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau được gọi là tính thù hình. Những kiểu mạng tinh thể khác nhau của cùng một kim loại được gọi là dạng thù hình. Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác được gọi là chuyển biến thù hình. Các dạng thù hình của cùng một nguyên tố được ký hiệu α, β, γ, v.v trong đó, α là dạng thù hình ở nhiệt độ thấp nhất. Thí dụ: các bon là một trong những nguyên tố có nhiều dạng thù hình rất khác nhau không những về cấu trúc mạng mà còn về cả tính chất. Các bon có thể tồn tại ở dạng vô định hình như bồ hóng hoặc có mạng là kim cương (A4) và mạng graphít (A9) như đã trình bày ở phần mạng tinh thể đồng hóa trị trên. Ngoài ra nó có thể có cấu trúc lớp cuộn như sợi các bon hay cấu trúc cầu C60, C100 như fulleren mà ta không để cập đến trong cuốn sách này. Sự tồn tại các dạng thù hình phụ thuộc vào hai yếu tố chính là nhiệt độ và áp suất. Cụ thể, graphít có thể tạo ra ở điều kiện bình thường, trong khi đó chuyển biến thù hình graphít sang dạng kim cương chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ và áp suất rất cao. Sắt cũng có 3 dạng thù hình: 41 Fe α ở nhiệt độ dưới 911 0 C với mạng lập phương thể tâm. Ở khoảng nhiệt độ 911 0 C < t 0 <1392 0 C Fe γ có mạng lập phương diện tâm và ở nhiệt độ trên 1392 0 C đến 1539 0 C Fe δ có mạng lập phương diện tâm nhưng với thông số mạng khác Fe α Sự khác nhau về cấu trúc mạng tinh thê sẽ cho phép hòa tan được nhiều hay ít các nguyên tử của các nguyên tố khác. Ðó chính là cơ sở của các công nghệ nhiệt luyện như tôi, ram hay hóa nhiệt luyện nhằm điều chỉnh tính chất của thép theo yêu cầu và điều kiện làm việc cụ thể sẽ được trình bày cụ thể ở phần sau. 3.4.2 Chuyển pha cùng tích. Khi hai pha cân bằng α và β được tạo ra đồng thời từ một pha γ. Thí dụ khi làm nguội thép cùng tích có chứa 0,8% C xuống dưới đường A 1 thì từ Austenít sẽ tiết ra đồng thời hai pha là xêmentít và pha ferít. 3.4.3 Tiết pha. Tiết pha xảy ra khi giới hạn hòa tan của nguyên tố B trong nguyên tố A giảm đi theo thời gian. Thí dụ khi làm nguội thép sau cùng tích (chứa trên 0,8%C) xuống dưới nhiệt độ A cm thì austenít quá bão hòa các bon sẽ tiết ra Xe II . Nhiều hợp kim sau khi tôi nhận được dung dịch rắn quá bão hòa và khi nung nóng trở lại ở nhiệt độ thấp (hóa già) sẽ xảy ra quá trình tiết pha với sự hình thành nhiều pha giả ổn định hoặc ổn định khác nhau như quá trình chuyển pha mactenxít. 3.4.4 Chuyển pha mactenxít. Khi nung nóng thép lên nhiệt độ cao (vùng austenít) rồi làm nguội đủ nhanh đến nhiệt độ M đ , thì từ austenít sẽ không kịp tiết ra các pha cân bằng là xêmentít và ferít mà tạo ra pha giả ổn định máctenxít có kiểu mạng khác với austenít nhưng vẫn giữ nguyên nồng độ các bon. Ngoài hệ sắt và các bon, chuyển biến máctenxít còn xảy ra trong các hệ khác như hệ sắt và niken, đồng và kẽm, titan và niken, v.v. 3.5 CÁC DẠNG PHA CỦA HỆ HỢP KIM. 3.5.1 Các loại dung dịch rắn. Hai hay nhiều nguyên tố có khả năng hòa tan vào nhau ở trạng thái đặc gọi là dung dịch đặc hay dung dịch rắn. Các dung dịch rắn là những pha tinh thể trong đó nguyên tử của hai hay nhiều nguyên tố được sắp xếp trong một kiểu mạng của nguyên tố thành phần. Nguyên tố được giữ nguyên kiểu mạng được gọi là dung môi. Các nguyên tố còn lại (có nguyên tử điền vào những vị trí nhất định hoặc bất kỳ của mạng dung môi) được gọi là chất tan hay chất hòa tan. Các dung dịch rắn được ký hiệu bằng các chữ Hy lạp như α, β, γ, δ, v.v hay A(B) trong đó A là chất dung môi còn B là chất hòa tan.  Dung dịch rắn thay thế. Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thế vị trí của nguyên tử nguyên tố dung môi (A) tại các nút mạng thì ta có dung dịch rắn thay thế (hình 3. 5). 42 [...]... cơ học Sau khi kết tinh, các hợp kim có một trong hai dạng tổ chức sau: −Hợp kim có tổ chức một pha là dung dịch rắn hoặc là pha trung gian −Hợp kim có tổ chức hai hay nhiều pha 44 Trong trường hợp đầu nếu tổ chức của hợp kim chỉ có một pha thì tính chất của hợp kim chính là tính chất của pha tồn tại Có rất nhiều hợp kim nhôm, hợp kim đồng chỉ có tổ chức một pha là dung dịch rắn với tính dẻo cao, nhưng... thể của pha trung gian hoặc là bởi không đủ nguyên tử ở các nút mạng Hiện nay chưa có sự phân loại đầy đủ các loại pha trung gian khác nhau Nhưng cấu trúc của pha trung gian phụ thuộc ba yếu tố là kích thước tương đối của các nguyên tử, hóa trị của chúng và phụ thuộc vào cấu trúc điện tử của các nguyên tố (tức vị trí của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn) Các pha trung gian điển hình bao gồm pha điện... khi ở cả trong thái nguội 3.5.2 Các pha trung gian Các tinh thể được tạo thành bởi các nguyên tố khác nhau và có kiểu mạng tinh thể riêng khác với kiểu mạng của các nguyên tố tạo thành chúng được gọi là pha trung gian Các pha trung gian có thành phần không đổi hay thay đổi trong phạm vi rất hẹp Thành phần biến đổi được giải thích hoặc bởi thừa một lượng nhỏ các nguyên tử (hay ion) xen kẽ trong mạng... chứa các bon C lớn hơn trên 5% nên người ta chỉ trình bày giản đồ của Fe - C với các bon tới 6,67% ứng với hợp chất hóa học xementít nên giản đồ này còn được gọi là giản đồ Fe - Fe3C Giản đồ trạng thái này được xây dựng bằng thực nghiệm và được kiểm tra theo qui tắc pha, nó cho phép xác định về mặt lý thuyết chiều hướng xảy ra các quá trình chuyển biến pha để đạt được trạng thái cân bằng Mỗi điểm trên... 7270C thì austenít chuyển thành péc lít nên tổ chức tế vi cuối cùng của ledeburít là hỗn hợp của peclít tấm và xêmentít (hình 3.12) Vì lượng xementít trong ledeburít khá lớn (tới 2/3 là xementít) nên nó cứng và dòn Ledeburít chỉ có trong hợp kim Fe-C ở gang trắng là loại vật liệu ít gặp Hình 3.12 Tổ chức tế vi ledeburít 3.6.2.3 Các điểm (nhiệt độ) tới hạn của hợp kim Fe – C Các điểm chuyển biến ở trạng... hơn, trong tổ chức có cùng tinh thì khả năng điền đầy khuôn cao nên gang là vật liệu dùng để đúc rất tốt và có thể đúc được các chi tiết phức tạp Gang có thành phần càng gần với cùng tinh thì tính đúc càng tốt Khi lượng các bon nằm trong vùng giáp giới giữa thép và gang (khoảng từ 1,8 đến 2,2 % C) thì hợp kim có tính đúc và tính chịu biến dạng dẻo đều rất kém và lúc đó chúng được xếp thuộc loại vật liệu. .. tuần hoàn) Các pha trung gian điển hình bao gồm pha điện tử, pha xen kẽ, pha Laves và hợp chất hóa học 3.5.3 Hợp chất hóa học Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo nên do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỉ lệ xác định gọi là hợp chất hóa học Mạng tinh thể của hợp chất hóa học khác với mạng thành phần Hợp chất hóa học trong hệ có tính ổn định cao hoặc có nhiều dạng hợp châùt khác... luyện − Trạng thái pha của hệ bao gồm hệ có các pha nào, thành phần của mỗi pha và tỉ lệ giữa các pha đó ra sao ở các nhiệt độ và thành phần khác nhau, nhờ đó người ta có thể dự đoán được tính chất của hệ đã cho để sử dụng được tốt cho các mục đích khác nhau 3.6.2.2 Các tổ chức của hợp kim Fe – C trên giản đồ Các tổ chức một pha trên giản đồ là hợp kim lỏng, pha δ, austenít γ, ferít α, xementít Fe3C, graphít,... và các bon tồn tại ở trạng thái rắn, với các tổ chức một pha và nhiều pha nằm trong các đường biểu diễn và đường giới hạn thành phần Tổ chức Austenít (ký hiệu là γ hay A) là dung dịch rắn xen kẽ của các bon trong Feγ (săùt austenít) Lượng hòa tan C tối đa là 2,14% ở 1147 0C Tại 7270C lượng hòa tan C chỉ còn là 0,8% Khu vực AESG chỉ tồn tại một pha austenít riêng biệt Tổ chức tế vi của austenít có dạng... song ít gặp trong thực tế − Hỗn hợp cơ học của hai kim loại nguyên chất Có thể nói rất ít hợp kim có tổ chức như vậy vì ở trạng thái rắn phần lớn các kim loại ít nhiều đều hòa tan vào nhau − Hỗn hợp cơ học của hai pha trung gian Trường hợp này chỉ có khi dùng lượng nguyên tố hợp kim cao, nhưng do tính dòn quá lớn nên trong thực tế cũng hầu như không gặp − Hỗn hợp cơ học của dung dịch rắn và pha trung . sẽ xảy ra quá trình tiết pha với sự hình thành nhiều pha giả ổn định hoặc ổn định khác nhau như quá trình chuyển pha mactenxít. 3.4.4 Chuyển pha mactenxít chuyển biến tổ chức (chuyển biến pha) điển hình. Quá trình kết tinh này được thực hiện bởi hai quá trình cơ bản nối tiếp và song song với nhau: − Quá trình