1.7. Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại
1.7.2. Hai quá trình của sự kết tinh
ở nhiệt độ T<Ts sự kết tinh xảy ra được là nhờ hai quá trình cơ bản nối tiếp nhau xảy ra là tạo mầm và phát triển mầm.
a. Tạo mầm
Tạo mầm là quá trình sinh ra các phần tử rắn có cấu trúc tinh thể tức nhữ ng nhóm trật tự gần (luôn có sẵn trong kim loại lỏng) với kí ch thước đủ lớn,
được cố định lại, chúng không bị tan đi như trước đó mà phát triển lên như là trung tâm của tinh thể (hạt). Người ta phân biệt hai loại mầm: tự sinh và ký sinh.
43 MÇm tù sinh
Là sự tạo mầm từ kim loại lỏng đồng nhất (đồng thể) không có sự trợ giúp của các phần từ rắn có sẵn ở trong nó. Lúc đó nhữ ng nhóm nguyên tử trật tự gần nào có kí ch thước đủ lớn r ≥ rth (với giả thiết rằng chúng là các khối hình cầu bán kí nh r) mà theo tí nh toán về nhiệt động học, rth (bán kí nh tới hạn của mầm) được tí nh theo công thức
rth = fv
2
∆ σ
trong đó: σ - sức căng bề mặt giữ a rắn và lỏng,
∆fv - độ chênh năng lượng tự do (Fl - Fr) tí nh cho một đơn vị thể tí ch.
Một khi r ≥ rth nhóm trật tự gần trở nên ổn định, không bị tan đi, phát triển lên thành hạt. Đó là các mầm tự sinh.
Khi kết tinh ở nhiệt độ càng thấp, độ quá nguội ∆To càng lớn thì ∆fv cũng càng lớn, rth càng nhỏ; điều này cũng tương đồng với có càng nhiều nhóm trật tự gần có sẵn trong chất lỏng dễ dàng thỏa m∙n điều kiện về kí ch thước này nên
càng có nhiều mầm.
MÇm ký sinh
Là sự tạo mầm ở trên bề mặt phân tử rắn có sẵn ở trong kim loại lỏng không đồng nhất (dị thể) và là dạng tạo mầm thực tế và đơn giản hơn nhiều. Nó thực tế ở chỗ kim loại lỏng dù nguyên chất đến đâu cũng còn tạp chất trong đó có các phần tử rắn khó chảy, hơn nữ a trong sản xuất thực tế không thể tránh được sự lẫn vào của nhữ ng phần tử rắn khác như: bụ i tường lò, bụ i than, bụ i chất sơn khuôn...và ngay cả thành khuôn. Mầm (nhóm trật tự gần có sẵn trong kim loại lỏng) sẽ gắn lên các bề mặt có sẵn đó theo nhữ ng mặt tương thí ch (có cấu trúc gần giống nhau), do đó sức căng bề mặt giữ a chúng (giữ a hai chất rắn) nhỏ hơn nhiều giữ a mầm và kim loại lỏng (giữ a rắn và lỏng), nên giá trị rth đòi hỏi nhỏ đi, càng tạo điều kiện dễ dàng cho tạo mầm. Thực tế là trong nhiều trường hợp người ta còn cố ý tạo ra và đưa các phần tử rắn vào để giúp kết tinh, sẽ được nói tới ở mô c sau.
b. Phát triển mầm
Người ta đ∙ tí nh toán được rằng khi đạt đến kí ch thước tới hạn rth, sự phát triển lên về kí ch thước của mầm là quá trình tự nhiên vì làm giảm năng lượng tự do. Cần nói thêm rằng trong quá trình phát triển mầm, lệch xoắn đóng vai trò quan trọng nhờ bậc thang trên bề mặt không bao giờ mất đi, để các nguyên tử bám dựa
vào một cách chắc chắn.
Hình 1.24. Các trục của nhánh cây (a) và tinh thể nhánh cây (b)
Trong các điều kiện thông thường (làm nguội tương đối nhanh) thoạt tiên sự phát triển mầm mang tí nh dị hướng tức lớn lên rất nhanh theo một số phương tạo nên nhánh cây. Điều này có nghĩa lúc đầu mầm phát triển nhanh theo trụ c bậc I (A) (hình 1.24), rồi từ trụ c chí nh này tạo nên trụ c bậc II (B) vuông góc với trụ c bậc I, rồi từ trụ c bậc II phân nhánh tiếp tạo nên trụ c bậc III (C)... cứ như vậy nhánh cây được hình thành. Sau đó kim loại giữ a các nhánh cây mới kết tinh tạo nên hạt (tinh thể) đặc kí n, như vậy cuối cùng nói chung không thấy trực tiếp được nhánh cây. Đôi khi có thể phát hiện ra nhánh cây ở vùng trên cùng, do kết tinh sau cùng, kim loại lỏng giữ a các nhánh cây đ∙ bù - bổ xung - co cho các phần đ∙ kết tinh trước làm trơ ra nhánh cây. Nếu kim loại giữ a các nhánh cây không được bổ xung đầy đủ sẽ tạo nên rỗ co giữ a các nhánh cây. Có thể thấy gián tiếp các nhánh cây bằng tẩm thực hợp kim, do sự sai khác thành phần giữ a phần kết tinh trước và kết tinh sau. Mầm cũng phát triển nhanh theo phương tản nhiệt mạnh hơn.
1.7.3. Sự hình thành hạt
Hạt là yếu tố quan trọng của tổ chức tinh thể. Bây giờ h∙y xem hạt được hình thành như thế nào ?
a. TiÕn tr×nh kÕt tinh
Có thể hình dung kết tinh như là sự tiếp nối liên tụ c của hai quá trình cơ bản trên: trong khi các mầm sinh ra trước phát triển lên thì trong kim loại lỏng vẫn tiếp tụ c sinh ra các mầm mới, quá trình cứ xảy ra như vậy cho đến khi các mầm đi đến gặp nhau và kim loại lỏng hết, cuối cùng được tổ chức đa tinh thể gồm các hạt.
Như minh họa ở hình 1.25, giả sử trong kim loại lỏng cứ mỗi giây tạo ra một mầm, ở các giây tiếp theo khi mầm này đ∙ lớn lên lại xuất hiện các mầm mới (các hình a, b, c); quá trình cứ diễn biến như vậy cho đến khi kết thúc ở giây thứ n (h×nh d). Tõ ®©y cã thÓ thÊy:
- từ mỗi mầm tạo nên một hạt,
- các hạt xuất phát từ mầm sinh ra trước có nhiều thời gian và kim loại lỏng bao quanh, có điều kiện phát triển nên hạt sẽ to hơn; ngược lại các hạt từ mầm sinh sau sẽ nhỏ hơn, do vậy các hạt không thể có kí ch thước hoàn toàn đồng nhất, song thông thường sự chênh lệch cũng không lớn,
- do các mầm định hướng trong không gian một cách ngẫu nhiên nên phương mạng ở các hạt cạnh nhau không đồng hướng, lệch nhau một cách đáng kể, do đó xuất hiện vùng biên hạt với mạng tinh thể bị xô lệch.
b. Hình dạng hạt
Do tương quan về tốc độ phát triển mầm theo các phương mà hạt tạo nên có hình dạng khác nhau, ở đây chỉ đề cập đến một số dạng thường gặp.
- Khi tốc độ phát triển đều theo mọi phương, hạt nhận được có dạng đa cạnh hay cầu. Thông thường hạt kim loại có dạng đa cạnh do các mầm cùng loại đi đến gặp nhau (hình 1.25). Trong trường hợp một loại mầm kết tinh trước, không gặp
45 các mầm cùng loại, sẽ cố định được dạng cầu của nó trên nền các hạt khác loại kết tinh sau (nh grafit cÇu trong gang).
- Khi tốc độ phát triển mạnh theo hai phương (tức theo một mặt) nào đó, hạt sẽ có dạng tấm, lá, phiến như grafit trong gang xám.
- Khi tốc độ phát triển mạnh theo một phương nào đó, hạt sẽ có dạng đũa,
cét hay h×nh trô .
- Dạng tinh thể hình kim (đầu nhọn) tồn tại trong một số trường hợp (ví dụ , khi nhiệt luyện).
Hình 1.25. Quá trình tạo và phát triển mầm theo thời gian (các hình a,b,c) và kết thúc ở giây thứ n (d).