5. Đơn tinh thể và đa tinh thể Mục tiêu
5.2. Đa tinh thể
Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể. Đa tinh thể gồm rất nhiều (đơn) tinh thể nhỏ (cỡ m) được gọi là hạt tinh thể, các hạt có cùng cấu trúc và thông số mạng song phương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là biên hạt (hay biên giới hạt) như đãtrình bày ở hình 1.17 b.
Từ mơ hình đó thấy rõ:
- Mỗi hạt là một khối tinh thể hồn tồn đồng nhất, thể hiện tính dị hướng.
- Các hạt định hướng ngẫu nhiên với số lượng rất lớn nên thể hiện tính đẳng hướng.
các hạt xung quanh nên có cấu trúc “trung gian” và vì vậy sắp
xếp khơng trật tự (xơ lệch) như là vơ định hình, kém xít chặt với tính chất khác với bản thân hạt.
- Có thể quan sát cấu trúc hạt đa tinh thể hay các hạt nhờ kính hiển vi quang học (hì nh 1.17c).
+ Độ hạt của tinh thể
Độ hạt có thể quan sát định tính qua mặt gãy, để chính xác phải xác định trên tổ chức tế vi. Cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM: phân thành 16 cấp chính đánh số từ 00, 0, 1, 2...., 14 theo trật tự hạt nhỏ dần, trong đó từ 1 đế n 8 là thông dụng. Cấp hạt N=3,322lgZ+1, với Z là số hạt có trong 1inch2(2,542≈ 6,45cm2
)
dưới độ phóng đại 100 lần.
Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh với bảng chuẩn ở độ phóng đại (thường là x100) hoặc xác định trên tổ chức tế vi.
+ Biên giới siêu hạt
Nếu như khối đa tinh thể gồm các hạt (kích thước hàng chục - hàng trăm
m) với phương mạng lệch nhau một góc đáng kể (hàng chục độ), đến lượt mỗi hạt nó cũng gồm nhiều thể tích nhỏ hơn (kích thước cỡ 0,1 ÷ 10m) với phương mạng lệch nhau một góc rất nhỏ (≤ 1-2o) gọi là siêu hạt hay block. Biên giới siêu hạt cũng bị xô lệch nhưng với mức độ rất thấp.
5.3. Textua
Hì nh 1.18:. Mơ hình textua trong dây nhơm sau khi kéo sợi (vectơ V biểu thị hướng kéo, trục textua là [111]).
Do biến dạng dẻo làm phương mạng định hướng tạo nên textua. Ví dụ, khi kéo sợi nhơm (hình 1.18), tinh thể hình trụ khi đúc, khi phủ. Cấu trúc đa tinh thể có textua → vật liệu có tính dị hướng. ứng dụng cho thép biến thế, tính chất từ cực đại theo chiều textua, cực tiểu theo phương vng góc → giảm tổn thất.
6. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
Mục tiêu
- Trình bày được hai quá trình kết tinh để hình thành tổ chức kim loại;
- Rèn luyện khả năng tư duy độc lập, chủ động sáng tạo trong bài học.
6.1. Điều kiện xảy ra kết tinh
Một vấn đề phải giải thích : tại sao khi làm nguội kim loại lỏng xuống thấp hơn nhiệt độ quy định (đối với mỗi kim loại ) sẽ xảy ra kết tinh?
Trong tự nhiên, mọi quá trình tự phát đề xảy ra kết tinh theo chiều giảm nănglượng tức là ở trạng thái mới ln có năng lượng dựtrữ nhỏ hơn.
6.2. Hai quá trình của sự kết tinh
6.2.1.. Sự hình thành mầm tinh thể trong kim loại lỏng
Mầm tinh thể có thể hiểu như là những phần chất rắn nhỏ ban đầu được hình thành trong kim loại lỏng . Có 2 loại mầm: mầm tự sinh và ký sinh.
* Mầm tự sinh (mầm đồng thể)
Xét trường hợp kết tinh của kim loại lỏng nguyên chất thì mầm tự sinh được coi là những nhóm ngun tử được hình thành trong kim loại lỏng (pha mẹ). Có trật tự sắp xếp gần như trật tự xếp trong tinh thể rắn và có thể phát triển (lớn lên) thành các hạt tinh thể. Nếu coi gần đúng những mầm tự sinh có dạng cầu với bán kính r, thì thấy rằng chỉ những mầm có bán kính đạt tới một giá trị tới hạn kính rth nào đó thì mới tiếp tục phát triển lên thành hạt tinh thể. Những mầm có bán kính nhỏ hơn sẽ lại tan trở lại kim loại lỏng.
Hình 1.19 mơ tả mối quan hệ giữa độ quá nguội t và kích thước mầm tới hạn rth. . Theo quan hệ này sẽ thấy độ quá nguội càng lớn thì giá trị bán kính tới hạn rth càng nhỏ. Thực nghiệm cũng như lý thuyết đều chứng tỏ: tốc độ làm nguội càng lớn thì độ quá nguội càng lớn. Điều đó có nghĩa là khi đúc, kim loại được làm nguội càng nhanh thì càng có nhiều mầm đạt tới giá trị rth và do vậy hạt tinh thể sau khi đúc càng nhỏ, tính chất sản phẩm sẽ càng tốt.
0 C 300 100 Rth (cm) 500 10 -7 15 x10 -7 10-7
Hình 1.19. Ảnh hưởng của độ quá nguội tới kích thước
* Mầm ký sinh (mầm dị thể)
Mầm kí sinh là mầm khơng tự sinh ra trong lịng pha lỏng mà dựa vào các phần tử “đặc biệt”, đó là những vật rắn có sẵn trong kim loại lỏng hoặc thành khn. Sự có mặt của mầm có sẵn làm tăng số lượng mầm, do vậy làm tăng nhanh quá trình kết tinh, đồng thời cũng góp phần làm nhỏ hạt tinh thể của sản phẩm đúc. Trong thực tế sản xuất đúc, đã sử dụng hiện tượng này để làm nhỏ hạt
tinh thể thỏi đúc, nâng cao chất lượng sản phẩm bằng cách đưa thêm vào kim
loại lỏng những chất rắn nhất định gọi là chất biến tính (ví dụ, khi nấu thép cho thêm một lượng nhỏ nhôm, hoặc khi nấu nhôm cho thêm một lượng nhỏ Zn). Chất biến tính có khả năng tạo ra các hợp chất khó chảy, tồn tại dưới dạng các hạt rắn nhỏ mịn treo lơ lửng trong pha lỏng và khi nguội, chúng đóng vai trị các trung tâm tạo mầm kí sinh. Ngồi chất biến tính, người ta cịn sử dụng các biện pháp làm nhỏ hạt khác như rung cơ học, sóng siêu âm…khi kết tinh. Kim loại với tổ chức nhỏ có cơ tính cao.
62.2. Q trình phát triển mầm
Khi khảo sát quá trình tạo mầm, người ta đã giả thiết rằng mầm ban đầu có dạng cầu (tự sinh) hoặc chỏm cầu (ký sinh). Đây chỉ là sự gần đúng ban đầu, khi chúng phát triển tự do trong pha lỏng. các bề mặt giới hạn phải là những mặt tinh thể với sắp xếp nguyên tử xác định. Hình dáng thực tế của mầm đang lớn lên phải là hình đa diện tương ứng với kiểu mạng của pha rắn. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, các tinh thể lớn lên theo hình nhánh cây hình 1.20
b) a ) a )
Hình 1.20. Sơ đồ kết tinh theo hình nhánh cây (a) và tinh
Q trình kết tinh theo hình nhánh cây có thể mơ tả như sau: đầu tiên tinh thể phát triển theo một hướng xác định, tạo lên trục chính A của tinh thể hình
1.20. Sau đó từ trục chính, tinh thể phát triển ưu tiên sang trục thứ hai(B), rồi từ trục thứ ba (C)… và cuối cùng phần kim loại lỏng xung quanh sẽ điền kín khoảng khơng gian cịn lại giữa các trục. Trên hình 1.20b là ảnh chụp một tinh thể nhánh cây dài 39 cm, nặng 3,45 kg do nhà bác học nga Chenrnov tìm được từ một lõm co một thỏi đúc năm 1878.