Mầm kết tinh là gì

Just for you: FREE 60-day trial to the world’s largest digital library.

The SlideShare family just got bigger. Enjoy access to millions of ebooks, audiobooks, magazines, and more from Scribd.

Read free for 60 days

Cancel anytime.

Nội dung Text: CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH

1. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH 2.1. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI LỎNG VÀ ĐIỀU KIỆN KẾT TINH 2.1.1. Cấu tạo của kim loại lỏng - Phần lớn kim loại được chế tạo ra từ trạng thái lỏng rồi làm nguội trong khuôn thành trạng thái rắn. - Khi làm nguội kim loại kim loại lỏng sẽ xẩy ra quá trình kết tinh: mạng tinh thể và các hạt được tạo thành. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 1
2. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH 2.1.2. Điều kiện năng lượng của quá trình kết tinh. + Đặc điểm cấu trúc của kim loại lỏng: - Các nguyên tử có xu hướng tạo thành các nhóm nguyên tử xắp xếp có trật tự. [tức là có trật tự gần mà không có trật tự xa như ở trạng thái rắn]; - Các nhóm nguyên tử sắp sếp có trật tự được hình thành trong một thời gian rất ngắn, xau đó lại tản đi để rồi lại xuất hiện ở chỗ khác, có nghĩa là sự hình thành rồi lại tản đi của chúng là quá trình xẩy ra liên tiếp; - Có điện tử tự do và liên kết kim loại. ⇒ giúp nó kết tinh được rễ dàng BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 2
3. 2.1.2. Điều kiện năng lượng của quá trình kết tinh + Sự biến đổi năng lượng khi kết tinh. Năng lượng dự trữ được đặc trưng bằng 1 đại lượng khác gọi là năng lượng tự do F. - Ở nhiệt độ T > Ts kim loại tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lượng tự do trạng thái lỏng nhỏ hơn nhỏ hơn năng lượng tự do ở trạng thái rắn Fl< Fr . - Ở nhiệt dộ T < Ts kim loại tồn tại ở trạng thái rắn vì Fr< Fl . - Ở nhiệt dộ t độ T0, Fr= Fl. Kim loại lỏng ở trạng thái cân bằng động T0 được gọi là nhiệt độ kết tinh lý thuyết . ⇒ như vậy sự kết tinh thực tế chỉ xảy ra T
4. 2.1.2. Điều kiện năng lượng của quá trình kết tinh + Độ quá nguội - Độ quá nguội ∆T là hiệu giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết Ts và nhiệt độ kết tinh thực tế TKT. ∆T = Ts - TKT - Đối với kim loại nguyên chất kỹ thuật, chúng có thể kết tinh ở những độ quá nguội khác nhau, tốc độ làm nguội càng lớn thì kim loại kết tinh với độ quá nguội càng lớn. - Như vậy chuyển biến pha cần độ quá nguội ∆T khi đó động lực chuyển pha sẽ là hiệu năng lượng giữa hai pha ở nhiệt độ đã cho: ∆F = Fr - Fl < 0 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 4
5. 2.2. HAI QUÁ TRÌNH CỦA SỰ KẾT TINH 2.2.1. Sự sinh mầm kết tinh - Mầm tinh thể được hiểu là những phần chất rắn nhỏ ban đầu được hình thành trong kim loại lỏng. - Sự tạo mầm: là quá trình xuất hiện những phân tử rắn có cấu tạo tinh thể, có kích thước xác định ở trong kim loại lỏng. Đó là các trung tâm để từ đó phát triển lên thành hạt tinh thể. - Có hai loại mầm: + Mầm tự sinh - mầm đồng thể; + Mầm ký sinh - mầm dị thể. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 5
6. 2.2.1. Sự sinh mầm kết tinh + Mầm tự sinh - Mầm tự sinh là những nhóm nguyên tử có kiểu mạng và thành phần hoá học gần như pha mới [pha sản phẩm] được hình thành trong nền pha cũ [pha mẹ] và có thể phát triển trong quá trình chuyển pha. - Khi T < TS những nhóm nguyên tử sắp xếp có trật tự, có kích thước lớn hơn kích thước tới hạn r > rth Thì chúng trở nên ổn định, không tan nữa và chúng lớn lên thành hạt. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 6
7. 2.2.1. Sự sinh mầm kết tinh - Bán kính tới hạn được tính theo công thức: 2δ rth = Δf V Trong đó: δ - Sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng; ∆fV - Độ chênh nămg lượng tự do tính cho một đơn vị thể tích. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 7
8. 2.2.1. Sự sinh mầm kết tinh + Mầm ký sinh - Là mầm không tự sinh ra trong lòng pha nền mà dựa vào các vị trí có “khuyết tật”. Đó là những phần tử rắn có sẵn trong lòng kim loại lỏng. Các nhân nguyên tử sắp xếp có trật tự sẽ gắn vào đó mà phát triển lên thành hạt. Khuyết tật BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 8
9. 2.2.2. Sự lớn lên của mầm - Khi kích thước mầm r ≤ rth thì sự phát triển tiếp theo của mầm là tự phát, vì đó là sự giảm năng lượng tự do. Khi nhiệt độ kết tinh thực tế càng thấp thì rth càng nhỏ, do đó sự kết tinh càng dễ dàng. Sự lớn lên của mầm không đều theo các phương. Phương nào có mật độ nguyên tử lớn thì tốc độ phát triển mầm theo phương đó cao theo phương tản nhiệt nhanh, mầm phát triển cũng nhanh hơn. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 9
10. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH 2.3. Sự hình thành hạt tinh thể và các phương pháp tạo hạt nhỏ thỏi đúc 2.3.1- Tiến trình kết tinh Khi các mầm tạo nên trước đang lớn lên thì các mầm khác trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục hình thành. Sự hết tinh cứ thế tiếp tục phát triển như vậy cho đến khi nào không còn kim loại lỏng nữa. Quá trình kết tinh các mầm định hướng ngẫu nhiên nên phương mạng của các hạt không đồng hướng và lệch nhau một góc nào đó. ⇒ Xuất hiện sự xô lệch mạng tinh thể ở vùng biên giới hạt. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 10
11. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH 2.3.1- Hình dạng hạt - Hình dạng hạt phụ thuộc vào tốc độ phát triển của mầm theo các phương khác nhau: + Theo các phương đều nhau ⇒ hạt có dạng cạnh đều hoặc cầu; + Theo 1 phương [rất mạnh] ⇒ hạt có dạng dài hình trụ; + Theo một mặt [rất mạnh] ⇒ hạt có dạng tấm, phiến. a b c BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 11
12. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH 2.3.3- Kích thước hạt - Kích thước hạt là 1 trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng kim loại – quan hệ chặt chẽ tới cơ tính. - Các cách xác định độ lớn của hạt: + Đo diện tích trung bình của hạt [Phức tạp-ít dùng]; + Đo đường kính lớn nhất của hạt; + So sánh với bảng mẫu về cấp hạt. Thường có 8 cấp hạt chính: 1-4 cấp hạt to và 5-8 cấp hạt nhỏ. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 12
13. 2.3.4- Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc a, Nguyên lý tạo hạt nhỏ khi đúc Hai yếu tố quyết định kích thước hạt khi kết tinh là: - Tốc độ tạo mầm; - Tốc độ phát triển mầm. + Tốc độ tạo mầm càng lớn ⇒ số mầm tạo ra càng nhiều ⇒ hạt càng nhỏ. + Tốc độ phát triển mầm càng nhanh ⇒ hạt càng lớn. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 13
14. 2.3.4- Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc Bằng thực nghiệm cho thấy: v A = a. n Trong đó : A – Kích thước hạt; a – Hệ số; v – Tốc độ phát triển mầm; n – Tốc độ tạo mầm. ⇒ Nguyên lý tạo hạt nhỏ, khi đúc là tăng tốc độ tạo mầm n và giảm tốc độ phát triển mầm v. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 14
15. 2.3.4- Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc b, Các phương pháp làm hạt nhỏ khi đúc - Gồm 2 phương pháp chính là: tăng độ quá nguội, và biến tính. + Tăng độ quá nguội Khi tăng độ quá nguội, tốc độ tạo mầm n, và tốc độ phát triển mầm v đều tăng, nhưng n tăng nhanh hơn v, nên làm hạt nhỏ đi. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 15
16. 2.3.4- Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc Trong sản xuất đúc điều này thể hiện rất rõ ràng: Độ quá nguội phụ thuộc vào tốc độ nguội: Tốc độ nguội càng nhanh, độ quá nguội càng lớn. + Làm khuôn bằng kim loại; + Dùng nước làm nguội liên tục cho khuôn kin loại. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 16
17. 2.3.4- Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc + Phương pháp biến tính - Kết hợp với tạp chất trong khi kim loại lỏng tạo thành các hợp chất khó chảy, không tan lơ lửng trong lòng khối kim loại lỏng, tạo mầm có sẵn – Tạo mầm ký sinh – Tăng tốc độ tạo mầm; [VD cho khoảng 20g đến 50g Al cho 1 tấm thép lỏng] với lượng nhôm này chỉ đủ kết hợp với ôxy, và nitơ hoà tan trong thép lỏng toạ thành AL2O3 hoặc AlN phân tán đều]. - Hoà tan tạp chất vào kim loại lỏng để hạn chế tốc độ phát triển mầm v. [VD khi đúc hợp kim Al - Si, người ta cho vào một lượng Natri làm giảm sự phát triển của các tinh thể Silic]. ⇒ Đây là phương pháp hiệu quả nhất để nhận được hạt nhỏ, do đó làm biến đổi tính chất [cơ tính], nên gọi là phương pháp biến tính. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 17
18. 2.4. CẤU TẠO TINH THỂ VẬT ĐÚC - Hình dạng và độ lớn của hạt phụ thuộc vào độ nguội, tốc độ, phương tản nhiệt 2.4.1- Cấu tạo tinh thể thỏi đúc + Lớp vỏ ngoài cùng gồm những hạt nhỏ đẳng trục [vùng 1]. Do: - Tốc độ nguội ở thành khuôn lớn, nên độ quá nguội ∆T lớn; - Thành khuôn có độ nhấp nhô nên tạo điều kiện để mầm có sẵn. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 18
19. 2.4. CẤU TẠO TINH THỂ VẬT ĐÚC + Vùng trung gian gian tiếp theo có dạng hình trụ [vùng 2] theo phương vuông góc với thành khuôn. Do: - Nhiệt độ ở thành khuôn lớn lên, nên độ quá nguội ∆T thấp; - Hạt phát triển ngược chiều với phương tản nhiệt, mà phương tản nhiệt theo chiều vuông góc với thành khuôn là ngắn nhất. t. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 19
20. 2.4. CẤU TẠO TINH THỂ VẬT ĐÚC + Vùng trung tâm [vùng 3] gồm các hạt lớn đẳng trục. Do: - Nhiệt độ ở thành khuôn lớn, nên độ quá nguội ∆T nhỏ; - Mặt khác tốc độ tản nhiệt chậm và ởãung quanh có nhiệt độ gần như giống nhau nên gần như được kết tinh đồng thời, phương tản nhiệt không rõ ràng, coi như đều theo mọi phía. phía. BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 20