a) Sự tạo thành hạt tinh thể:
Cú thể hỡnh dung sự tạo thành hạt tinh thể kim loại bằng sơ đồ hỡnh 2.15. Giả sử trong một đơn vị thể tớch kim loại lỏng nào đú trong mỗi giõy sinh ra ba mầm mới. Cứ như thế quỏ trỡnh xảy ra cho đến khi cả khối kim loại lỏng kết tinh hết ở giõy thứ n. Do mỗi mầm định hướng tuỳ ý trong khụng gian nờn phương mạng giữa cỏc hạt lệch nhau và kớch thước hạt cũng khụng đều. Những hạt sinh ra trước sẽ cú kớch thước lớn, những hạt sinh ra sau sẽ cú kớch thước nhỏ hơn.
Hỡnh 2.15 Sơđồ tạo thành cỏc hạt tinh thể
b) Hỡnh dạng hạt tinh thể:
Trong kim loại và hợp kim, mầm pha rắn khi được tạo ra sẽ lớn lờn theo một cơ chế được kiểm soỏt bởi quỏ trỡnh khuếch tỏn nhiệt hoặc chất, trong khi đú sự tăng trưởng của pha phi kim được kiểm soỏt bởi mặt phõn cỏch. Vỡ thế, hỡnh dạng hạt tinh thể cú thể trũn, dẹt, hỡnh kim, hỡnh đa giỏc hay hỡnh nhỏnh cõy.
-Đụng đặc theo cơ chế khuyếch tỏn chất (thường xảy ra đối với hợp kim): Lý thuyết đụng đặc theo cơ chế này như sau: Sự hỡnh thành cỏc hạt hỡnh trụ bắt đầu từ việc bề mặt phõn cỏch rắn/lỏng ( r/l ) phẳng bị mất ổn định. Sự xỏo trộn gia tăng sẽ dẫn tới một sự khỏc biệt rừ rệt trong quỏ trỡnh lớn lờn của chúp và đỏy bề mặt đú,
bởi lẽ chúp cú thể thải chất hũa tan theo hướng bờn, cũn đỏy lại cú xu hướng tớch tụ chất hũa tan do chúp thải ra, kết quả là chúp cú xu hướng lớn nhanh hơn đỏy (hỡnh 2.16). Bởi vậy bề mặt bị xỏo trộn khụng cũn dạng hỡnh sin nữa kết quả là cấu trỳc tế bào hỡnh trụ được hỡnh thành. Cần chỳ ý rằng bước súng xỏo trộn lỳc đầu rất nhỏ và sẽ tăng gấp đụi sau khi cỏc tế bào hỡnh trụ được hỡnh thành. Ngoài ra khoảng cỏch giữa chỳng khụng phải là khụng đổi.
Hỡnh 2.16 Sự mất ổn định của bề mặt phõn cỏch rắn/lỏng phẳng và sự hỡnh thành cỏc tế bào hỡnh trụ
Ở một điều kiện đụng đặc cho phộp thỡ cỏc tế bào hỡnh trụ này sẽ phõn nhỏnh thành cỏc nhỏnh cõy bậc cao hơn và hướng lớn lờn ưu tiờn cũng sẽ được xỏc định. Khoảng cỏch nhỏnh cõy thứ nhất và khoảng cỏch giữa cỏc tinh thể hỡnh trụ lớn hơn nhiều so với bước súng xỏo trộn ban đầu của mặt phõn cỏch rắn/lỏng.
Hỡnh 2.17 Sơđồ tinh thể nhỏnh cõy
Quan sỏt kỹ tinh thể dạng nhỏnh cõy thấy lỳc đầu mầm phỏt triển rất nhanh theo một trục nào đú cú lợi nhất cho sự phỏt triển (trục 1 trờn hỡnh 2.17), sau đú từ trục 1 mới phỏt triển ra cỏc trục 2 rồi từ trục 2 lại phỏt triển ra trục 3. Như vậy là ban đầu tinh thể cú dạng khung hỡnh nhỏnh cõy. Sau đú kim loại lỏng ở vựng giữa cỏc nhỏnh cõy kết tinh.
Hỡnh 2.18 tổng kết những khỏc biệt giữa tinh thể hỡnh trụ với nhỏnh cõy. Tinh thể hỡnh trụ thường là một hỡnh thỏi tổ chức lớn lờn ngược với chiều của dũng nhiệt. Chỳng lớn lờn trong điều kiện gần với giới hạn của độ ổn định tuyệt đối; trong quỏ trỡnh đụng đặc cú hướng với gradient nhiệt độ dương, cỏc tế bào hỡnh trụ cú thể tồn tại như một hỡnh thỏi tăng trưởng ổn định (hỡnh 2.18a). Ngược lại, nhỏnh cõy là một hỡnh thỏi tổ chức phỏt triển trong những điều kiện xa với giới hạn ổn định của mặt phõn cỏch phẳng theo hướng gần trựng với hướng của dũng nhiệt (hướng tinh thể ưu tiờn, vớ dụ [001] trong cỏc tinh thể lập phương (hỡnh 2.18b ) và ngược chiều với nú. Hướng tinh thể ưu tiờn này cú trong bảng 2.3 Cú thể núi rằng
nhỏnh cõy là một dạng tổ chức chung nhất đối với vật đỳc thụng thường và đặc
trưng bởi sự lớn lờn của cỏc thõn cõy và nhỏnh cõy theo hướng ưu tiờn. Bảng 2.3 Hướng lớn lờn ưu tiờn của nhỏnh cõy
Kiểu mạng Hướng lớn lờn ưu tiờn Vớ dụ
Lập phương tõm mặt < 100 > Al
Lập phương tõm khối < 100 > δ - Fe
Chớnh phương < 110 > Sn
Sỏu phương xếp chặt < 1010 > H2O (tuyết )
Cỏc nhỏnh cõy đều trục phỏt triển theo tất cả cỏc hướng ưu tiờn khi nhiệt được tỏa theo mọi hướng, vớ dụ trong trường hợp bể kim loại lỏng quỏ nguội. Nếu kim loại cú mạng lập phương thỡ 6 trục [ 001 ] sẽ tạo thành cỏc thõn cõy và do đú sự định hướng của tinh thể cú thể được xỏc định một cỏch dễ dàng. Hỡnh 2.19 biểu
Hỡnh 2.19 Tiến trỡnh hỡnh thành nhỏnh cõy đều trục
Trong trường hợp đụng đặc của hợp kim, phần kim loại lỏng cuối cựng (giữa
nhỏnh cấy) thường cú thành phần hoỏ học khỏc với cỏc tinh thể đụng đặc đầu tiờn (thõn nhỏnh cõy). Bởi vậy tổ chức nhỏnh cấy trong vật đỳc cú thể được nhận biết bằng cỏch tẩm thực.
- Đụng đặc theo cơ chế khuyếch tỏn nhiệt (thường xảy ra đối với kim loại
nguyờn chất): Quỏ trỡnh đụng đặc theo cơ chế này thường xảy ra trong kim loại
nguyờn chất và thường được chia thành cỏc dạng đụng đặc cưỡng bức và khụng
Hỡnh 2.20 Trường nhiệt và đường cong nguội của tinh thể nhỏnh cõy
Trạng thỏi mà ở đú dũng nhiệt cú chiều ngược với chiều lớn lờn của tinh thể (tức là trường hợp đụng đặc cú hướng và đụng đặc dạng cột) thường được lớn lờn cưỡng bức. Bản chất của nú là ở chỗ, sự hỡnh thành cỏc đường đẳng nhiệt sẽ buộc những nhỏnh cõy phải lớn lờn với một tốc độ cho trước và buộc chỳng phải chấp nhận một độ quỏ nguội tương ứng ở chúp. Biờn giới hạt sẽ song song với trục nhỏnh cõy thứ nhất (cũn gọi là cỏc thõn cõy) và chạy dọc suốt chiều dài pha rắn. Mỗi pha nhỏnh cõy/nhỏnh cõy tạo ra những biờn giới gúc hẹp và hàng xúm của chỳng, và nhiều thõn cõy như vậy được hỡnh thành trong quỏ trỡnh phõn nhỏnh, sẽ tạo ra một hạt (hỡnh 2.20a ). Đường cong nguội trong quỏ trỡnh đụng đặc cú hướng được biểu diễn trờn hỡnh 2.20b.
Trong trường hợp đụng đặc cú hướng tinh thể tiếp xỳc với thành khuụn và
nhiệt được truyền qua chỳng theo hướng song song và ngược chiều với chiều tăng trưởng. Trong trường hợp đụng đặc đều trục ẩn nhiệt kết tinh tỏa nhiệt ra buộc phải (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đụng đặc từ đỉnh đế chõn của nú. Sự hỡnh thành cỏc vựng tinh thể dạng cột và đều trục trong hợp kim cú thể được hỡnh dung như sau: ban đầu cỏc tinh thể được hỡnh thành một cỏch ngẫu nhiờn ở thành khuụn (hỡnh 2.21a); vỡ ở thành khuụn kim loại lỏng cú độ quỏ nguội lớn nờn ban đầu cỏc nhỏnh cõy sẽ phỏt triển dọc theo thành khuụn, (hỡnh 2.21b), cho đến khi chỳng chạm phải những nhỏnh cõy bờn cạnh. Kết quả là lớp vỏ vật đỳc, hay vựng tinh thể đều trục bờn ngoài, được hỡnh thành. Lỳc này cỏc nhỏnh cõy cú trục chớnh (trục nhỏnh cõy thứ nhất) sẽ lớn lờn nhanh hơn, cũn những nhỏnh cõy cú trục chớnh khụng vuụng gúc với thành khuụn sẽ bị cỏc tinh thể bờn cạnh ngăn cản khụng phỏt triển được (hỡnh 2.21 c, d) và vựng tinh thể dạng cột sẽ hỡnh thành ( hỡnh 2.21b). Sự lớn lờn cạnh tranh này khụng những chỉ xảy ra ở thành khuụn, mà cả trong quỏ trỡnh lớn lờn của tinh thể dạng cột .
Hỡnh 2.21 Quỏ trỡnh lớn lờn cạnh tranh của nhỏnh cõy dạng cột
Sự chuyển từ nhỏnh cõy dạng cột sang nhỏnh cõy đều trục xẩy ra khi độ quỏ nhiệt của kim loại lỏng đó mất đi, kim loại lỏng trở lờn quỏ nguội và cỏc nhỏnh cõy bị gẫy, lớn lờn trong bể kim loại và hỡnh thành một vựng tinh thể đều trục bờn trong cú tỏc dụng như một dào cản phớa trước vựng tinh thể dạng cột (hỡnh 2.22).
a) đều trục phớa ngoài; b)dạng cột; c) đều trục bờn trong
Hỡnh 2.22 Sự hỡnh thành cỏc dạng tổ chức nhỏnh cõy dạng cột và đều trục
Khi nhiệt được truyền từ tinh thể vào kim loại lỏng (đụng đặc đều trục,
khụng cưỡng bức, (hỡnh 2.22c), cỏc nhỏnh cõy cú thể lớn lờn tự do trong bể kim loại với tốc độ mà độ quỏ nguội cho phộp. Cỏc nhỏnh cõy lớn lờn theo mọi hướng cho đến khi chỳng chạm phải những nhỏnh cõy lớn lờn từ một mầm cõy khỏc và biờn giới hạt sẽ tạo thành một mạng lưới liờn tục trong suốt pha rắn.
Quỏ trỡnh đụng đặc theo cơ chế khuếch tỏn nhiệt và cỏc điều kiện hỡnh thành
Hỡnh 2.23 Trường nhiệt độ trong quỏ trỡnh đụng đặc theo cơ chế khuếch tỏn nhiệt
Hỡnh 2.24 biểu diễn quỏ trỡnh phỏt triển từ một mặt phõn cỏch rắn/lỏng phẳng
đến một nhỏnh cõy đều trục.
Hỡnh 2.24 Tiến trỡnh phỏt triển từ mặt phõn cỏch r/l phẳng
đến một nhỏnh cõy đều trục
Túm lại để tổ chức nhỏnh cõy khụng hỡnh thành được thỡ phải kiểm soỏt tốc
độ nguội một cỏch khỏ chặt chẽ: hoặc là tốc độ nguội vụ cựng chậm (gần với quỏ trỡnh nguội cõn bằng) thường được ứng dụng để chế tạo đơn tinh thể, hoặc là tốc độ đủ nhanh để cỏc tinh thể cú độ quỏ bóo hũa xấp xỉ 1 được hỡnh thành. Điều này cú thể được tổng kết ở hỡnh 2.25.
Hỡnh 2.25: Hỡnh thỏi tổ chức được hỡnh thành tựy thuộc tốc độđụng đặc c) Cỏc yếu tốảnh hưởng đến độ lớn của hạt và cỏc phương phỏp làm nhỏ hạt:
Cỏc phương phỏp làm nhỏ hạt phổ biến là:
-Tăng độ quỏ nguội khi kết tinh: Dựng vật liệu làm khuụn cú độ dẫn nhiệt cao, dựng nước làm nguội,
-Tăng số lượng mầm kết tinh khụng tự sinh: Đưa vào hợp kim chất biến tớnh để tạo ra mầm kết tinh
-Làm giảm tốc độ phỏt triển mầm: Cho vào hợp kim lỏng chất đặc biệt bao lấy mầm kỡm hóm sự lớn lờn của mầm.