Chƣơng 1 : Cấu trúc và cơ tính của vật liệu Kim loại
1.6Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.6.1 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 xẩy ra kết tinh?
Trong tự nhiên, mọi quá trình tự phát đề xẩy ra kết tinh theo chiều giảm năng lượng tức là ở trạng thái mới luôn có năng lượng dự trữ nhỏ hơn.
1.6.2 Hai quá trình của sự kết tinh
1.6.2.1 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 nguyên 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.
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.
* Mầm ký sinh (mầm dị thể)
Mầm kí sinh là mầm không tự sinh ra trong lòng pha lỏng mà dựa vào các phần tử đặc biệt, đó là những vật rắn có sẵn trong kim loại lỏng hoặc thành khuôn. 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 trò các trung tâm tạo mầm kí sinh. Ngoài chất biến tính, người ta còn 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.
1.6.2.2 Quá trình phát triển mầm
a) b)
Hình 1.9 Sơ đồ kết tinh theo hình nhánh cây (a) và tinh thể nhánh cây do Chernov tìm được năm 1878 (b)
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 1.19 Quá trình kết tinh theo hình nhánh cây có thể mô tả như sau: đầu tiên tinh thể phát triển theo một hướng xác định, tạo lên trục chính A của tinh thể
hình 1.19a. 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 không gian còn lại giữa các trục. Trên hình 1.19b 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.
1.6.3 Sự hình thành hạt
Như đã trình bày ở trên, sự kết tinh bao gồm hai quá trình: tạo mầm và các mầm đó lớn lên tiếp theo. Khi các mầm sinh ra đầu tiên phát triển lên, trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm mới rồi các mầm mới này lại phát triển lên tiếp theo…Quá trình cứ như vậy xẩy ra cho đến khi kim loại lỏng hết, sự kết tinh kết thúc.
Có thể hình dung sự tạo thành hạt tinh thể kim loại bằng sơ đồ hình 1.20 Giả sử trong một đơn vị thể tích kim loại lỏng nào đó trong một giây sinh ra ba mầm, ở giây thứ hai có ba mầm sinh ra ở giây thứ nhất phát triển lên và ba mầm mới sinh. Quá trình xẩy ra như vậy cho đến khi cả khối kim loại lỏng kết tinh hết ở giây thứ n nào đó và tạo nên khối kim loại đa tinh thể. Do sự kết tinh xẩy ra theo các quá trình như vậy, có thể rút ra các nhận xét sau:
Hình 1.20 Sự tạo thành các hạt tinh thể
- Do mỗi hạt tạo nên từ mỗi mầm, mà mỗi mầm định hướng trong không gian một cách ngẫu nhiên nên phương giữa các hạt kim loại lệch nhau một góc nào đó.
- Các hạt có kích thước không đồng đều: những hạt do các mầm sinh ra trước đó có điều kiện phát triển hơn (nhiều kim loại lỏng bao quanh và thời gian dài hơn), sẽ có kích thước lớn hơn những hạt sinh ra sau.
Câu hỏi ôn tập
1.Trình bày sự sắp xếp các nguyên tử trong chất khí, chất lỏng, chất rắn tinh thể? 2. Nêu khái niệm về ô cơ sở và mạng tinh thể trong kim loại, biểu diễn ô cơ sở và mạng tinh thể bằng hình vẽ.
3.Trình bày cấu trúc tinh thể của vật rắn với liên kết kim loại, vẽ hình biểu diễn các ô cơ sở của các kiểu mạng tinh thể.
4.Thế nào là đơn tinh thể, đa tinh thể. Nêu đặc tính và ứng dụng của chúng. 5.Trình bày hai quá trình của sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại.