Cấu trúc của thỏi đúc phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Những yếu tố chủ yếu là số lượng và tính chất của tạp chất trong kim loại sạch và các nguyên tố hợp kim trong hợp kim, nhiệt độ đúc, tốc độ nguội khi kết tinh, cũng như cấu hình, nhiệt độ, độ dẫn nhiệt, trạng thái bề mặt bên trong của khuôn đúc. Hình sau đây là sơ đồ tổ chức thô đại của thỏi đúc nhận được trong khuôn đúc đơn giản bằng kim loại đặt thẳng đứng. Tổ chức điển hình của thỏi đúc hợp kim gồm ba phần. Kim loại lỏng bị quá nguội trước tiên ở những nơi tiếp xúc với thành khuôn lạnh. Độ quá nguội lớn tạo khả năng hình thành vùng I gồm các hạt mịn đều trục trên bề mặt thỏi đúc. Các tinh thể vùng này lớn lên không có định hướng là do sự định hướng ngẫu nhiên của chúng và chính sự định hướng ngẫu nhiên này làm các tinh thể chạm vào nhau và làm cho chúng ngừng phát triển. Sự định hướng của các tinh thể lại phụ thuộc vào tình trạng bề mặt khuôn ( độ nhám, các khí bị hấp thụ và hơi ẩm) và sự có mặt của oxit và các tạp chất không phải kim loại trong kim loại lỏng. Vùng này rất mỏng và không phải lúc nào cũng có thể phân biệt được bằng mắt thường. Sau đó các tinh thể định hướng thuận lợi nhất đối với hướng tỏa nhiệt sẽ lớn lên. Vùng 2 của các tinh thể dạng trụ vuông góc với thành khuôn được tạo thành như vậy. Cuối cùng, ở giữa thỏi đúc, nơi có độ quá nguội nhỏ nhất và hướng tỏa nhiệt không rõ ràng, các tinh thể lớn đều trục được hình thành.
Khi sử dụng các biện pháp công nghệ khác nhau, có thể làm thay đổi tương quan giữa các vùng hoặc là loại trừ một vùng nào đó ra khỏi tổ chức thỏi đúc. Chẳng hạn, nếu quá nung hợp kim trước khi đuc và làm nguội nhanh khi kết tinh sẽ dẫn đến việc hình thành tổ chức thực tế chỉ gồm một loại tinh thể hình trụ. Tổ chức như vậy được gọi là tổ chức xuyên tinh. Các thỏi đúc của kim loại rất sạch có tổ chức tương tự. Vùng tinh thể hình trụ được đặc trưng bởi mật độ lớn nhất, nhưng khe hở giữa các tinh thể hình trụ tụ tập các chất không hòa tan, nên thỏi đúc xuyên tinh thường hay bị nứt khi gia công áp lực.
Các thỏi đúc hợp kim có thành phần không đồng nhất. Chẳng hạn, trong thỏi đúc của thép theo hướng từ ngoài vào trong và từ trên xuống dưới thì nồng độ cacbon và các tạp chất có hại như lưu huỳnh, phốt pho tăng. Tính không đồng nhất
hóa học giữa các vùng khác nhau của thỏi đúc được gọi là thiên tích vùng. Nó ảnh hưởng rất xấu đến các tính chất cơ học.
Trong các thỏi đúc thực, ngoài thiên tích vùng còn gặp cả các dạng thiên tích khác. Ví dụ như thiên tích trọng lượng hình thành do sự khác nhau về trọng lượng riêng của pha lỏng và pha rắn cũng như khi kết tinh các pha lỏng không trộn lẫn với nhau được. Tùy theo pha rắn nặng hay nhẹ hơn so với pha lỏng mà khi kết tinh nó nổi lên bề mặt hay chìm xuống đảy thỏi đúc. Sự phân lớp thỏi đúc như vậy theo trọng lương riêng là không cho phép đối với các hợp kim chống ma sát vì hệ số ma sát ở bộ đôi công tác phụ thuộc nhiều vào đặc điểm cũng như tính đồng nhất của tổ chức.
Để giảm thiên tích trọng lượng người ta làm nguội nhanh thỏi đúc.
Hình 2.10 Tổ chức ba vùng của thỏi đúc
1) Vùng ngoài cùng 2) Vùng tinh thể hình trụ
Phần II HỢP KIM VÀ TỔ CHỨC Chương 3 Hợp kim và giản đồ pha 3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim 3.1.1.Khái niệm về hợp kim 3.1.1.1. Định nghĩa
Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại ( dẫn nhiệt, dẫn điện cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim). Hợp kim được tạo thành trên cơ sở kim loại: giữa hai kim loại với nhau mà cũng có thể là một kim loại và một phi kim, song nguyên tố chính vẫn là kim loại, đó là hợp kim đơn giản hay giữa nguyên tố chính là kim loại với nhiều nguyên tố khác đó là hợp kim phức tạp.
3.1.1.2. Ưu việt của hợp kim
Trong kỹ thuật và đặc biệt là trong công nghiệp cơ khí chế tạo các vật liệu được sử dụng thường là hợp kim vì so với các kim loại nguyên chất thì nó có nhiều ưu điểm hơn về tính chất, gia công và kinh tế. Sau đây là một vài ưu điểm của hợp kim:
+ Các vật liệu trong cơ khí chế tạo phải có độ bền cao để chịu được tải khi làm việc nhưng không được giòn để bị phá hủy. Trong khi các kim loại nguyên chất thường rất dẻo và độ bền kém xa hợp kim thì hợp kim lại cho phép trong những trường hợp nhất định vừa có thể chịu tải vừa có tính dẻo để không bị phá hủy dòn vì thế khi sử dụng hợp kim tuổi thọ của các chi tiết máy tăng lên rất nhiều
+ Tính công nghệ đa dạng và thích hợp. Để tạo thành các bán thành phẩm và thành phẩm vật liệu phải có khả năng gia công và tính chất này được gọi là tính công nghệ. Hợp kim với nhiều chủng loại phong phú có thể có các tính công nghệ đa dạng phù hợp với điều kiện công nghệ gia công. Hầu như mọi hợp kim đều có thể được chế tạo bằng một trong hai phương pháp: biến dạng dẻo và đúc. Noi chung hợp kim có tính gia công cắt nhất định để bảo đảm sản phẩm có kích thước, hình dạng chính xác và bề mặt nhẵn, là những yếu tố rất quan trọng khi lắp ghép trong máy móc, thiết bị.
+ Trong nhiều trường hợp luyện hợp kim đơn giản và rẻ hơn so với luyện kim loại nguyên chất, do không phải chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào.
3.1.2. Các dạng cấu tạo của hợp kim
Trong thực tế hợp kim thường có các dạng cấu tạo sau đây: + Hợp kim có cấu tạo một pha là dung dịch rắn
+ Hợp kim có cấu tạo một pha là hợp chất hoá học + Hợp kim có cấu tạo hai hay nhiều pha.
3.1.2.1.Dung dịch rắn
Trong dung dịch rắn các nguyên tử phân bố vào nhau trong mạng tinh thể. Cấu tử nào có số lượng nhiều hơn, vẫn giữ được kiểu mạng của mình gọi là dung môi, cấu tử còn lại là chất hoà tan. Dung dịch rắn là pha đồng nhất, có cấu trúc mạng tinh thể của cấu tử dung môi nhưng thành phần của nó có thể thay đổi trong một phạm vi nhất định mà không làm thay đổi sự đồng nhất đó. Dung dịch rắn được chia làm hai loại: Dung dịch rắn thay thế và dung dịch rắn xen kẽ.
a.Dung dịch rắn thay thế:
Là loại dung dịch mà nguyên tử của cấu tử hoà tan thay thế vào vị trí của các nguyên tử của nguyên tố gốc trên nút mạng tinh thể. Như vậy, kiểu mạng và ô mạng cơ sở của dung dịch rắn thay thế vẫn giống với kiểu mạng và ô mạng cơ sở của nguyên tố ban đầu. Tuy nhiên vì không thể có hai nguyên tố khác nhau mà lại có kích thước nguyên tử hoàn toàn giống nhau nên sự thay thế để tạo nên dung dịch này tất yếu sẽ dẫn đến sự xô lệch mạng tinh thể. Do vậy dung dịch rắn thay thế chỉ xảy ra khi kích thước nguyên tử của nguyên tố thay thế và của nguyên tố gốc có sự sai khác rất nhỏ. Dung dịch rắn thay thế còn được phân chia thành dung dịch rắn hoà tan vô hạn và dung dịch rắn hoà tan giới hạn
+ Dung dịch rắn hoà tan vô hạn: Là dung dịch rắn mà trong đó nồng độ biến đổi của chất hoà tan có thể biến đổi với một tỷ lệ bất kỳ. Trong loại dung dịch rắn này không thể phân biệt được cấu tử nào là dung môi, cấu tử nào là chất hoà tan, cấu tử nào có lượng chứa nhiều là dung môi, cấu tử còn lại là chất hoà tan.
Điều kiện để tạo thành dung dịch rắn hoà tan vô hạn như sau: -Có cùng kiểu mạng tinh thể
- Đường kính nguyên tử sai khác nhau rất ít, nhỏ hơn 8%
- Các tính chất vật lý và hóa học gần giống nhau (độ âm điện, cấu tạo lớp vỏ điện tử)
+ Dung dịch rắn thay thế hoà tan có hạn: Là dung dịch rắn mà các cấu tử hoà tan vào nhau với một nồng độ nhất định
b. Dung dịch rắn xen kẽ
Là dung dịch rắn mà các nguyên tử hoà tan nằm xen kẽ giữa các nguyên tử của kim loại dung môi
Các đặc tính của dung dịch rắn:
Mạng tinh thể của dung dịch rắn là mạng tinh thể của kim loại dung môi, thường có các kiểu mạng đơn giản và sít chặt. Đây là yếu tố cơ bản quyết định tính chất cơ lý hoá. Về cơ bản nó vẫn giữ được tính chất của kim loại dung môi. Tuy nhiên về thông số mạng nó luôn khác với dung môi.
Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hòa tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể lọt vào lỗ hổng trong mạng tinh thể của kim loại dung môi. Do tất cả các lỗ hổng đều rất nhỏ nên chỉ một số phi kim với bán kính nguyên tử bé như: hydro, nito, cacbon mới có khả năng hòa tan xen kẽ vào các kim loại chuyển tiếp có bán kính nguyên tử lớn như sắt, crôm, …Do số lỗ hổng này là có hạn và các nguyên tử phi kim không thể chui vào mọi lỗ hổng của mạng vì sẽ gây ra xô lệch mạng nên dung dịch rắn xen kẽ không thể có loại hòa tan vô hạn, chỉ có thể là hòa tan có hạn.
Hình 3-1. (a) Trong dung dịch rắn xen kẽ, (b) trong dung dịch rắn thay thế khi rht> rdm,
c. Đặc tính của dung dịch rắn
Về mặt cấu trúc dung dịch rắn của hợp kim có kiểu mạng tinh thể vẫn là kiểu mạng của kim loại dung môi. Đặc tính cơ bản này quyết định các đặc trưng cơ lý hóa tính của dung dịch rắn, về cơ bản vẫn giữ được các tính chất cơ bản của kim loại chủ hay nền. Như vậy dung dịch rắn trong hợp kim có các đặc tính cụ thể như sau:
+ Liên kết vẫn là liên kết kim loại, do vậy dung dịch rắn vẫn giữ được tính dẻo giống như kim loại nguyên chất
+ Thành phần hoá học thay đổi theo phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu mạng.
+ Tính chất biến đổi nhiều: Độ dẻo, độ dai, hệ số nhiệt độ điện trở giảm, điện trở độ bền, độ cứng tăng lên.
Do các đặc tính trên nên dung dịch rắn là cơ sở của hợp kim kết cấu dùng trong cơ khí. Trong hợp kim này pha cơ bản là dung dịch rắn, nó chiếm xấp xỉđến 90% có trường hợp
đến 100%.
3.1.2.2. Hợp chất hóa học
Các hợp chất hoá học có trong hợp kim thường được gọi là pha trung gian bởi vì trên giản đồ pha nó có vị trí ở giữa, trung gian giữa các dung dịch rắn có hạn ở hai đầu mút.
a. Bản chất và phân loại
Thường hiểu hợp chất hoá học tạo thành tuân theo qui luật hoá trị. Các hợp chất này mang các đặc điểm sau
- Có mạng tinh thể phức tạp khác hẳn với nguyên tố thành phần
- Luôn luôn có tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố và biểu diễn bằng công thức hoá học AnBm với m,n là các số nguyên
- Tính chất khác hẳn các nguyên tố thành phần
- Có nhiệt độ nóng chảy cố định và khi tạo thành toả ra một lượng nhiệt đáng kể b. Pha xen kẽ
Là pha tạo nên giữa các nguyên tử kim loại chuyển tiếp ( có bản kính nguyên tử lớn) với các á kim có bán kính nguyên tử bé như cacbon, nitơ, hydro và bo: cacbit,nitrit, hydrit và borit. Cấu trúc mạng của pha xen kẽ được xác định bởi tương quan kích thước nguyên tử giữa á kim (X) và kim loại (M)
- Nếu rx/rrM <0,59 các nguyên tử kim loại trong pha này sắp xếp theo một trong ba kiểu mạng đơn giản thường gặp, còn các nguyên tử phi kim xen kẽ vào các lỗ hổng trong mạng, tạo nên hợp chất với các công thức đơn giản như M4X, M2X, MX.
- Nếu rx/rM >0,59 sẽ tạo nên hợp chất với mạng tinh thể phức tạp được gọi là pha xen kẽ với mạng phức tạp) với các công thức phức tạp hơn như M3X, M7X3, M23X6.
Đặc tính nổi bật của pha xen kẽ là có nhiệt độ chảy rất cao ( thường > 2000-3000oC), rất cứng và giòn, có vai trò rất lớn trong hoá bền, nâng cao tính chống mài mòn và chịu nhiệt của hợp kim.
Do nitơ và hydro có kích thước nguyên tử khá nhỏ nên tỷ số trên < 0,59, các hydrit, nitrit đều là pha xen kẽ mạng đơn giản. Các nitrit Fe4N, Fe2N, Mo2N…được tạo thành khi thấm nitơ nâng cao mạnh độ cứng tính chống mài mòn của thép. Do cacbon có kích thước nguyên tử lớn hơn nên ngoài sự tạo thành pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp như Fe3C, Mn3C, Cr7C3, các cacbit đó là thành phần chủ yếu của hợp kim cứng và có trong các thép có tác dụng làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn.
c. Pha điện tử
Là hợp chất hoá học có nồng độ điện tử N ( số điện tử hoá trị tính cho một nguyên tử) xác định là 21/14, 21/13, 21/12, mà mỗi tỷ lệ ứng với một cấu trúc mạng phức tạp nhất định.
Với nồng độ điện tử là 21/14 được gọi là pha β với kiểu mạng lập phương tâm khối hay lập phương phức tạp hoặc sáu phương, với nồng độ 21/13 được gọi là pha γ với mạng phức tạp, với nồng độ 21/12 được gọi là pha ε với mạng sáu phương xếp chặt. Pha điện tử được tạo thành bởi kim loại giữa hai nhóm: một hoá trị một (Cu, Ag, Au, Li…) và chuyển tiếp ( Mn, Fe, Co…) với hoá trị từ hai đến năm (Be, Mg, Zn, Cd, Al…) Ví dụ hệ Cu-Zn tạo nên một loạt pha điện tử
d. Pha Laves
Tạo nên bởi hai nguyên tố A, B có tỷ lệ bán kính nguyên tử rA/rB=1,2 ( có thể biến đổi trong khoảng từ 1,1-1,6) với công thức AB2 có kiểu mạng sáu phương xếp chặt như MgZn2, MgNi2 hay lập phương tâm mặt MgCu2.
3.1.2.3. Hỗn hợp cơ học
Trong nhiều trường hợp, hợp kim có tổ chức gồm hai hay nhiều pha: hai dung dịch rắn, dung dịch rắn và pha trung gian….Cấu tạo như vậy gọi là hỗn hợp cơ học. Trên tổ chức tế vi ta phân biệt được rất rõ các pha khác nhau trong hỗn hợp cơ học. Hai trường hợp điển hình của hỗn hợp cơ học là cùng tinh và cùng tích
3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
Khi thay đổi thành phần và nhiệt độ thì cấu tạo của hệ hợp kim cũng thay đổi theo. Để xác định sự thay đổi này ta dùng giản đồ pha. Như vậy ta có định nghĩa về giản đồ pha: Giản đồ pha là giản đồ biểu thị sự thay đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng.
Cần chú ý là sự biến đổi này chỉ hoàn toàn đúng và phù hợp với hợp kim ở trạng thái cân bằng, trong trường hợp làm nguội thông thường nó sẽ có một số sai khác. Tuy vậy giản đồ pha vẫn là cơ sở để xác định cấu trúc của hợp kim,
3.2.1.Quy tắc pha và công dụng
Trạng thái cân bằng hoá học được xác định bởi một số yếu tố bên trong ( thành phần hoá học) và bên ngoài ( nhiệt độ, áp suất), tuy nhiên trong đó các yếu tố phụ thuộc lẫn nhau.
Bậc tự do là số lượng các yếu tố độc lập có thể thay đổi được trong giới hạn xác định mà không làm thay đổi trạng thái của hệ, tức là không làm thay đổi số pha đã có. Quan hệ giữa số pha P, số cấu tử C và số bậc tự do F được xác định bằng định luật hay qui tắc pha của Gibbs. Do việc nghiên cứu và sử dụng vật liệu thường diễn ra trong khí quyển nên ảnh hưởng của áp suất không