2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP 1 Mục đích
2.3.2. Các quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới khi hàn
Xét về mặt kim loại học, trong công nghệ hàn, cùng với quá trình biến đổi tổ chức kim loại thì hai quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới cũng là hai quá trình rất quan trọng, quyết định đến việc hình thành tổ chức và tính chất của cả KLMH và vùng ảnh hưởng nhiệt (VAHN, HAZ). Khuếch tán là sự chuyển chỗ ngẫu nhiên của các nguyên tử (ion, phân tử) do dao động nhiệt, trong đó khuếch tán của nguyên tử A trong nền của chính loại nguyên tử đó (A) gọi là tự khuếch tán, còn khuếch tán của nguyên tử khác loại B có nồng độ nhỏ hơn trong nền A gọi là khuếch tán khác loại. Khuếch tán của cả A và B trong nền A hoặc B gọi là khuếch tán tương hỗ. Trong khuếch tán khác loại và khuếch tán tương hỗ luôn có dòng nguyên tử theo chiều giảm nồng độ [7]. Trên hình 2.5 mô tả 5 cơ chế khuếch tán trong kim loại ở trạng thái rắn. Trong đó các cơ chế đổi chỗ, nút trống, đuổi nguyên tử hay đổi chỗ kiểu vòng thường xảy ra đối với dung dịch đặc thay thế. Cơ chế khuếch tán giữa các nút mạng thường xảy ra đối với dung dịch đặc xen kẽ, trong trường hợp các nguyên tử khuếch tán có đường kính nhỏ hơn nguyên tử nền.
Quá trình khuếch tán kim loại tuân theo các định luật khuếch tán Fick I và II, trong đó để có thể thực hiện được quá trình khuếch tán, các nguyên tử phải có một „hoạt năng“ đủ lớn để thắng được các lực liên kết nguyên tử giữa nó với các nguyên tử bên cạnh.
Hình 2.5 Các dạng cơ chế khuếch tán kim loại ở trạng thái rắn (nguồn: [7])
Quá trình khuếch tán trong kim loại là ngẫu nhiên, tuy nhiên các loại vật liệu có “ái lực hóa học“ với nhau lớn sẽ có xu hướng tích tụ lại gần nhau để hình thành một dạng liên kết hóa học bền vững và quá trình này gọi là quá trình kết tủa hay tiết pha [8]. Trên hình 2.6 mô tả các giai đoạn của quá trình tiết pha mới trong kim loại.
Hình 2.6 Các giai đoạn của quá trình kết tủa (tiết pha) mới trong kim loại (nguồn: [9])
Quá trình tiết pha mới chỉ hoàn thiện khi mà nguyên tử chất tan khuếch tán vào trong nguyên tử nền ở một lượng đủ lớn (vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa của nguyên tử đó trong nền) và tích tụ tại vị trí kết tủa với một tỷ lệ phù hợp để hình thành các hợp chất hóa học bền vững. Trong trường hợp lượng nguyên tử khuếch tán vào nền chưa đạt đến giới hạn hòa tan bão hòa thì kết quả nhận được chỉ là dung dịch đặc mà không hình thành các pha mới.
Các dạng kết quả sau quá trình khuếch tán trong kim loại được mô tả trong hình 2.7, trong đó hình 2.7a mô tả kết quả của quá trình khuếch tán với một lượng nhỏ nguyên tử ngoại lai, chỉ đủ hòa tan thành dung dịch đặc mà không hình thành pha mới. Các hình từ 2.7b đến 2.7d mô tả kết quả của quá trình khuếch tán với một lượng lớn nguyên tử ngoại lai vào nền, vượt quá mức bão hòa, đã kết tủa ra pha mới, trong đó dạng pha kết tủa không liền mạng với pha mẹ (hình 2.7d) có liên kết kém nhất.
Hình 2.7 Các dạng kết quả sau quá trình khuếch tán trong kim loại (nguồn: [9])
Không chỉ có đúc và nhiệt luyện, quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới còn thường xuyên xảy ra trong quá trình hàn. Kết quả khuếch tán và tiết pha trong quá trình
hàn rất đa dạng và phong phú. Trong khuôn khổ của bản luận án này, tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu quá trình khuếch tán và tiết pha để tạo ra liên kết hàn giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 thông qua các nội dung trình bày dưới đây.