BÀI GIẢNG KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU
1 Chương I KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU 1.1 Khuếch tán trong vật liệu Khuếch tán là sự chuyển chỗ ngẫu nhiên của các nguyên tử ( ion, phân tử) do dao động nhiệt - Khuếch tán của nguyên tử A trong chính nền loại nguyên tử đó (A) gọi là tự khuyếch tán. - Khuếch tán của nguyên tử khác loại B với nồng độ nhỏ trong nền A gọi là khuếch tán khác loại . Điều kiện để có khuếch tán khác loại là B phải hoà tan trong A. Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC 2 - Khuyếch tán có vai trò quan trọng trong nhiều quá trình công nghệ chế tạo vật liệu như kết tinh, thiêu kết, tạo lớp bán dẫn p – n, … Ứng dụng khuếch tán - Trong công nghệ xử lý nhiệt như ủ đồng đều thành phần, ủ kết tinh lại, chuyển pha khi nung và làm nguội chậm, hoá già, hoá nhiệt luyện … và trong sử dụng vật liệu: quá trình ôxy hoá, dão … Chương I KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC 3 Chương I KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU 1.2 Định luật khuếch tán 1.2.1 Định luật Fick I và hệ số khuyếch tán - Định luật FickI nêu lên quan hệ giữa dòng nguyên tử khuếch tán J qua một đơn vị bề mặt vuông góc với phương khuếch tán và Gradient nồng độ δc/δx: J = -D. dx dc = -Dgradc(1.1) Trong đó: - Dấu trừ chỉ dòng khuếch tán theo chiều giảm nồng độ - D hệ số khuếch tán ( cm 2 /s) Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC 4 Chương I KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU Trong nhiều trường hợp: D = D 0 .exp(-Q/KT) D 0 : hằng số ( cm 2 /s) Q: hoạt năng khuếch tán T: nhiệt độ khuếch tán (K) K: hằng số khí ( K=1,98cal/mol) Từ những trị số D 0 và Q có thể xác định hệ số khuyếch tán D ở nhiệt độ bất kỳ và đặc điểm của quá trình khuếch tán Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC 5 Trên hình 1.1 biểu diễn sự phụ thuộc hệ số khuếch tán khácloại của Cu trong Al trong hệ trục lgD ≈ 1/T 100 200 300 500 1000 10 -21 10 -16 10 -11 10 -5 cm²/s D 1 C° Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC 6 Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC Chất khuếch tán Trong dung môi Vùng nhiệt độ, 0 C D 0 , cm 2 /s Q, Kcal/mol D ở nhiệt độ, cm 2 /s 500 0 C 200 0 C Al Al 450 ÷ 650 1,71 34,0 4,5.10 -10 - Zn Cu - 0,34 45,5 1,5.10 -13 - Fe α – Fe 700÷750 2,00 60,6 8,0.10 -18 - C α – Fe 500÷750 0,20 24,6 2,8.10 -8 - N α – Fe - 3.10 -2 18,2 9,0.10 -9 - N Cr - 3.10 -4 24,4 4,0.10 -11 - B Fe 40 N 40 B 20 - 1,1.10 -8 82,8 3,0.10 -15 - Ag Pd 81 Si 19 - 2,0.10 -6 29,9 1,2.10 -13 - Na + NaCl 350÷750 0,5 38,0 2,8.10 -11 - Cl - NaCl - 1,1.10 2 51,4 1,7.10 -13 - Ag + AgBr - 1,2 16,0 - 1,8.10 -12 Ag + GaAs 500÷1000 2,5.10 -3 9,0 5,0.10 -6 1,2.10 -10 O 2 Polyetylen - 2,09 12,2 - 1,8.10 -9 H 2 Cao su tự nhiên - 0,26 6,0 - 1,0.10 -7 Bảng1.1 Số liệu thực nghiệm D 0 và Q Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC 7 1.2.2 Định luật FickII Chương I KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU Nếu nồng độ c không những là hàm của x mà còn phụ thuộc vào thời gian t thì để thuận tiện người ta sử dụng định luật FickII Định luật FickII trong trường hợp hệ số khuếch tán không phụ thuộc nồng độ như sau: t c ∂ ∂ cD x c ∆= ∂ ∂ 2 2 = D. (1.2) Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC 8 Nghiệm của phương trình trên trong trường hợp khuếch tán một chất có nồng độ c s trên bề mặt vào bên trong mẫu với nồng độ ban đầu c 0 ( c s >c 0 ) có dạng: C(x,t) = c s – (c s – c 0 ) erf( ) .2 tD x (1.3) tD x . tD x .2 Trong đó erf( ) là hàm sai của đại lượng được tính sẵn trong sổ tay toán học Chương I KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC 9 tD x .2 tD. Từ biểu thức (1.3) thấy rằng c(x,t) tỷ lệ với Nếu c s và c 0 là hằng số có nghĩa là chiều sâu x lớp khuếch tán với nồng độ c nào đó tỷ lệ thuận với Chương I KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC 10 Chương I KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU 1.3 Cơ chế khuếch tán Cơ chế khuếch tán giải thích trị số D 0 và Q tìm hiểu qúa trình dịch chuyển nguyên tử ( ion, phân tử ) trong những vật liệu khác nhau. 1.3.1 Trong dung dich thay thế Các nguyên tử khuếch tán theo cơ chế nút trống, tức nguyên tử dịch chuyển đến nút trống bên cạnh. Để bước dịch chuyển như vậy được thực hiện được cần có hai điều kiện sau: - Nguyên tử có hoạt năng G v m đủ để phá vỡ liên kết với những nguyên tử bên cạnh, nới rộng khoảng cách hai nguyên tử ở giữa nút trống và nguyên tử dịch chuyển [...]... triển mầm Trong chuyển pha có thay đổi thành phần hóa học mầm sẽ lớn lên theo hai quá trinh nối tiếp nhau - Nguyên tử khuếch tán trong nền đến bề mặt mầm/nền - Nguyên tử nhảy qua bề mặt vào mầm Trong đó quá trinh khuếch tán là chậm hơn do đó nó khống chế tốc độ phát triển mầm Trong chuyển pha do khuếch tán nguyên tử thay thế thì v 10-3, còn do khuếch tán nguyên tử xen kẽ v 10-2 mm2/s Nếu khuếch tán chủ... giản đồ pha) nhỏ - Hệ số khuếch tán nhỏ Nguyn Quc Tun - B mụn: TB &DC 34 1.5.4 ộng học chuyển pha - Động học chuyển pha mô tả quan hệ giữa phần vật chất đã được chuyển sang pha mới và thời gian ở những pha khác nhau - Động học chuyển pha phụ thuộc vào tốc độ tạo mầm (n) và tốc độ phát triển mầm (v )và được biểu diễn bằng biểu thức: X = 1 exp[ - (kT)n ] Trong đó: (1.21) X là phần thể tích đã được chuyển. .. ra nếu pha mới ổn định hơn, tức có năng lượng ổn định hơn -Sự phụ thuộc năng lượng tự do gv (tính cho một đơn vị thể tích)vào nhiệt độ của hai pha và - Tại nhiệt độ của T0 nng lượng của hai pha bằng nhau, ở vùng T > T0 chỉ tồ tại pha , ở vùng T < T0 chỉ tồn tại pha , T0 là nhiệt độ chuyển pha Nếu là pha lỏng còn là pha rắn thì T0 là nhiệt độ kết tinh - Dể thỏa mãn điều kiện g < g, chuyển pha ... biến pha thường gặp trong vật 1.5 Nhng c s chung ca chuyn bin pha liệu là: - Kết tinh từ thể lỏng, ví dụ: Nhôm kết tinh ở 660 0C, hợp kim 70%Pb + 30%Sn bắt đầu ở nhiệt độ 275 0C và kết thúc kết tinh ở 183 0C - Chuyển pha thù hinh, ví dụ: Khi làm nguội - Fe (mạng lập phương tâm mặt) chuyển hình thành - Fe (mạng lập phương tâm khối) ở 910 0C - Chuyển pha cùng tích Khi hai pha cân bằng và được tạo ra... trinh này quyết định đến tổ chức (số lượng, hinh dạng, phân bố từng pha) và do đó 1.5.2 Quá trinh chất của quyết định đến tínhtạo mầm vật liệu a Mầm tự sinh (đồng thể) Mầm tự sinh là nhưng nhóm nguyên tử có kiểu mạng và thành phần hóa học gần như của pha mới được hình thành trong nền pha cũ và có thể phát triển trong quá trinh chuyển pha Sự hình thành nhưng mầm như vậy sẽ dẫn đến: Nguyn Quc Tun - B mụn:... pha mới k: hằng số tốc độ chuyển pha 1/s n: hệ số Trong thực tế người ta quan tâm nhiều hơn đến biểu đồ động học chuyển pha khi vẽ nguội trong hệ trục nhịêt độ thời gian - Biểu đồ bao gồm hai đường cong dạng chữ C (còn gọi là biểu đồ chữ C) tương ứng với thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển pha đẳng nhiệt khi nguội tại mỗi nhiệt độ tương ứng Nguyn Quc Tun - B mụn: TB &DC 35 1.5.4 ộng học chuyển pha. .. tạo ra pha giả ổn định mactenxit có kiểu mạng khác với austenit nhưng vẫn giữ nguyên nồng độ cacbon Ngoài hệ Fe C chuyển pha mactenxit còn xảy ra trong các hệ khác như Fe Ni; Cu Zn; Ti Ni Nguyn Quc Tun - B mụn: TB &DC 21 1.5.1 Nhiệt động học chuyển pha Nng lượng tự do của pha luôn giảm theo nhiệt độ: G = H TS (1.12) - Trong đó: Entanpi (H) và Entrôpi (S) ít thay đổi theo nhiệt độ -Chuyển pha xảy... T0 vậy chuyển pha cần độ quá nguội T = T0 T, khi đó động lực chuyển pha sẽ là hiệu năng lượng giữa hai pha ở nhiệt độ đã cho: gv = g - g < 0 Nguyn Quc Tun - B mụn: TB &DC 22 1.5.1 Nhiệt động học chuyển pha gv có giá trị:) gv = h T/T0 (1.14) Trong đó hiệu entanpi gia hai pha: h = h - h (1.13) h là ẩn nhiệt kết tinh Lkt ( khi kết tinh) hoặc ẩn nhiệt nóng chảy Lnc ( khi nấu chảy) Ví dụ: chuyển pha -... 1.5.4 ộng học chuyển pha - Nếu nhiệt độ chuyển pha càng thấp (tức độ quá nguội T càng lớn) Thi thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển pha càng nhanh, nhưng tiếp tục hạ nhiệt độ thấp hơn chữ C thi có xu thế ngược lại .Trong một số chuyển pha ở trạng thái rắn biểu đồ động học có dạng phức tạp hơn - Biểu đồ động học chuyển pha cho phép dự đoán sản phẩm của quá trinh trong các điều kiện làm nguội đẳng nhiệt... của Si là 7,4.107 của NaCl là 1,7.109 J/mol Trong các hệ hai nguyên trở lên thi: h = C C C ) RT.ln ( 1 C C Nguyn Quc Tun - B mụn: TB &DC (1.14) 23 1.5.1 Nhiệt động học chuyển pha Trong đó C, C và C lần lượt là nồng độ của pha , , và của hợp kim Nếu điều kiện nhiệt động học được thỏa mãn (g < 0 ) chuyển pha xảy ra bằng hai quá trình nối tiếp nhau: Tạo mầm và phát triển mầm, hai quá trinh này quyết . KHUẾCH TÁN VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU 1.1 Khuếch tán trong vật liệu Khuếch tán là sự chuyển chỗ ngẫu nhiên của các nguyên tử ( ion, ph n tử) do dao động. tán - Trong công nghệ xử lý nhiệt như ủ đồng đều thành ph n, ủ kết tinh lại, chuyển pha khi nung và làm nguội chậm, hoá già, hoá nhiệt luyện … và trong