Giáo trình Vật liệu kỹ thuật

Nội dung text: Giáo trình Vật liệu kỹ thuật

1. MÅÍ ÂÁÖU Trong lëch sæí phaït triãøn cuía xaî häüi loaìi ngæåìi chuïng ta âaî sæí duûng ráút nhiãöu loaûi váût liãûu khaïc nhau, våïi tênh nàng sæí duûng cuía chuïng caìng ngaìy caìng cao hån. Âáöu tiãn laì thåìi kyì âäö âaï, sau âoï tiãún âãún thåìi âaûi âäö âäöng, âäö sàõt.v .v. Cho âãún ngaìy nay laì mäüt loaût caïc loaûi váût liãûu måïi nhæ : composit, ceramit, pälyme. v.v. Caïc loaûi váût liãûu naìy (âàûc biãût laì kim loaûi & håüp kim, cuìng våïi caïc loaûi váût liãûu måïi) âaî goïp pháön thuïc âáøy sæû phaït triãøn cuía xaî häü loaìi ngæåìi mäüt caïch nhanh choïng. Ngaìy nay trong caïc lénh væûc cäng nghiãûp, quäúc phoìng, âåìi säúng âoìi hoií váût liãûu sæí duûng cáön phaíi coï ráút nhiãöu tênh cháút khaïc nhau. Vê duû : khi thç cáön coï tênh dáùn âiãûn ráøt cao âãø duìng trong ngaình âiãûn læûc, luïc laûi yãu cáöu coï âäü cæïng låïn âãø laìm caïc loaûi duûng cuû càõt goüt kim loaûi, khi laûi cáön coï âäü bãön låïn âãø laìm caïc cáúu kiãûn xáy dæûng, hoàûc phaíi coï tênh deío cao âãø caïn, dáûp, keïo nguäüi, hay cáön âäü bãön cao nhæng khäúi læåüng riãng nhoí âãø duìng trong cäng nghiãûp haìng khäng Táút caí caïc yãu cáöu naìy âãöu coï thãø âæåüc âaïp æïng båíi váût liãûu kim loaûi cuîng nhæ caïc loaûi váût liãûu måïi. Män váût liãûu hoück seî trang bë cho sinh viãn nhæîng kiãún thæïc cå baín cuía caïc loaûi váût liãûu chênh : tinh thãø, caïc håüp kim, baïn dáùn vaì ion, cäüng hoïa trë cuîng nhæ kiãún thæïc vãö xæí lyï nhiãût cuía chuïng. Muûc âêch cuía män hoüc naìy giuïp cho sinh viãn hiãøu roî caïc loaûi váût liãûu khaïc nhau dæûa trãn mäúi quan hãû giæîa cáúu truïc (liãn kãút hoïa hoüc, kiãøu maûng tinh thãø) vaì cå lyï tênh, thæûc haình âæåüc caïc thê nghiãûm cå baín âãø xaïc âënh cå tênh cuía váût liãûu vaì biãút læûa choün váût liãûu phuì håüp nháút âaïp æïng nhu cáöu sæí duûng sau naìy. Khi nghiãn cæïu mäüt váût liãûu báút kyì chuïng ta âãöu dæûa vaìo bäún cæûc cå baní sau âáy : Kãút cáúu cuía cáúu truïc, caïc tênh cháút, sæû täøng håüp caïc phæång phaïp gia cäng vaì hiãûu quaí sæí duûng cuía noï. Mäüt saín pháøm coï thãø gäöm haìng chuûc loaûi váût liãûu khaïc nhau taûo nãn. Vê duû ä tä RENAULT CLIO 1,2 RN cuía Phaïp gäöm mæåìi mäüt loaûi váût liãûu sau âáy taûo nãn : 1- Theïp táúm 40,9% 2-Theïp hçnh 10,9% 2-Gang 11,3% 4-Håüp kim nhäm 4,2% 5-Caïc kim loaûi maìu khaïc 3,9% 6-Cháút deío 10,2% 7-Cháút deío âaìn häöi 3,4% 8-Váût liãûu hæîu cå khaïc 3,4% 9-Thuíy tinh 4,2% 10-Sån 1,7% 11-Cháút loíng 5,9% Yãu cáöu cuía ngæåìi kyî sæ caïc ngaình cå âiãûn tæí ngoaìi khaí năng hiãøu biãút vãö chuyãn män sáu cuía ngaình hoüc, coìn phaíi nàõm âæåüc nhæîng tênh cháút cå baín cuía caïc loaûi váût liãûu âãø tæì âoï coï thãø sæí duûng mäüt caïch håüp lyï nháút nhàòm náng cao tuäøi thoü cuía maïy moïc, cäng trçnh, haû giaï thaình saín pháøm Män hoüc naìy kãú thæìa kiãún thæïc cuía khaï nhiãöu caïc lénh væûc khaïc nhau : tinh thãø hoüc, cå læåüng tæí, lyï thuyãút lãûch, váût lyï tia rån ghen, àn moìn vaì baío vãû kim loaûi do âoï khäúi læåüng kiãún thæïc khaï låïn vaì coï nhiãöu màût. Vç váûy âoìi hoíi ngæåìi hoüc phaíi nàõm væîng caïc kiãún thæïc cå baín vãö váût liãûu vaì thæûc haình nghiãm tuïc caïc thê nghiãûm. Khi nghiãn cæïu män hoüc naìy phaíi nàõm chàõc mäúi quan hãû giæîa thaình pháön hoïa hoüc, cáúu truïc vaì tênh cháút cuía váût liãûu. Báút kyì sæû thay âäøi naìo cuía thaình pháön hoïa hoüc vaì cáúu truïc seî dáùn tåïi sæû biãún âäøi cuía tênh cháút váût liãûu. 1
2. PHÁÖN 1 : CÅ SÅÍ VÁÛT LIÃÛU HOÜC CHÆÅNG 1 : CÁÚU TRUÏC TINH THÃØ CUÍA VÁÛT LIÃÛU 1.1.CÁÚU TAÛO NGUYÃN TÆÍ VAÌ CAÏC LOAÛI LIÃN KÃÚT ÂIÃØN HÇNH TRONG CHÁÚT RÀÕN : 1.1.1.Mä hçnh cáúu taûo nguyãn tæí : Nguyãn tæí laì mäüt hãû thäúng bao gäöm haût nhán mang âiãûn dæång vaì caïc âiãûn tæí mang âiãûn ám chuyãøn âäüng xung quanh. Haût nhán nguyãn tæí cáúu taûo båíi caïc präton vaì nåtron. Präton mang âiãûn dæång coï âiãûn têch bàòng âiãûn têch cuía âiãûn tæí, nåtron khäng mang âiãûn. Trong traûng thaïi bçnh thæåìng nguyãn tæí trung hoìa âiãûn vç säú læåüng präton bàòng säú læåüng âiãûn tæí. Säú naìy âæåüc âàûc træng bàòng säú thæï tæû (Z) trong baíng tuáön hoaìn Menâãlãeïp. Khäúi læåüng nguyãn tæí bàòng khäúi læåüng haût nhán cuía noï vç khäúi læåüng cuía präton vaì nåtron låïn hån ráút nhiãöu so våiï khäúi læåüng âiãûn tæí. Våïi cuìng khäúi læåüng âiãûn tæí vaì präton, haût nhán coï thãø chæïa säú læåüng nåtron khaïc nhau vaì taûo nãn caïc âäöng vë cuía cuìng mäüt nguyãn täú hoïa hoüc. Xaïc suáút tçm tháúy âiãûn tæí trãn mäüt quyî âaûo naïo âoï xung quanh haût nhán âæåüc xaïc âënh bàòng bäún tham säú goüi laì säú læåüng tæí. Coï nghéa laì traûng thaïi nàng læåüng cuía mäùi âiãûn tæí trong nguyãn tæí âæåüc xaïc âënh båíi bäún säú læåüng tæí. Caïc säú læåüng tæí gäöm coï : a-Säú læåüng tæí chênh n : coï caïc giaï trë bàòng 1, 2, 3, 4 xaïc âënh nàng læåüng cho pheïp cuía âiãûn tæí. Caïc âiãûn tæí coï cuìng säú læåüng tæí chênh n håüp thaình mäüt låïp âiãûn tæí. Caïc låïp âiãûn tæí láön læåüt laì : K, L, M, N tæång æïng våïi n = 1, 2, 3, 4 b-Säú læåüng tæí phæång vë l : xaïc âënh caïc giaï trë cho pheïp cuía mämen xung læåüng quyî âaûo, coï trë säú bàòng 0, 1, 2, 3 (n - 1). Caïc âiãûn tæí våïi l khaïc nhau cuía cuìng låïp taûo thaình nhæîng phán låïp tæång æïng, kyï hiãûu láön læåüt laì s, p, d, f æïng våïi l = 0, 1, 2, 3 c-Säú læåüng tæí tæì ml : xaïc âënh khaí nàng âënh hæåïng cho pheïp cuía veïc tå mämen xung læåüng quyî âaûo âäúi våïi chiãöu cuía tæì træåìng bãn ngoaìi, coï trë säú bàòng 0, ±±1, 2,±3 ±l . d-Säú læåüng tæí spin ms : xaïc âënh khaí nàng âënh hæåïng ngæåüc chiãöu nhau cuía veïc tå mämen xung læåüng spin cuía âiãûn tæí, ms = ±1/2. Ngoaìi ra sæû phán bäú âiãûn tæí theo caïc mæïc khaïc nhaìucon phaíi tuán theo nguyãn lyï loaûi træì Pauly : mäùi traûng thaïi våïi ba säú læåüng tæí n, l, ml xaïc âënh chè coï thãø chæïa hai âiãûn tæí våïi spin ngæåüc chiãöu nhau. Dæûa vaìo nguyãn lyï naìy ta coï thãø dæû âoaïn säú âiãûn tæí cho pheïp trãn caïc báûc nàng læåüng. Vê duû : nguyãn tæí âäöng Cu coï säú thæï tæû Z = 29, phán bäú âiãûn tæí nhæ sau : 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s2 (Coìn goüi laì cáúu hçnh âiãûn tæí) K L M N Trong mäüt säú âiãöu kiãûn xaïc âënh, âiãûn tæí coï thãø chuyãøn tæì traûng thaïi naìy sang traûng thaïi khaïc, khi âoï seî phaït ra hay háúp thuû nàng læåüng dæåïi daûng ∆E dæåïi daûng caïc læåüng tæí aïnh saïng coï táön säú ν : -27 ∆E = El -El+1 = hν våïi h = 6,627.10 ec.s (hàòng säú Planck) 2
3. 1.1.2.Caïc loaûi liãn kãút nguyãn tæí thæåìng gàûp : Trong cháút ràõn thæåìng gàûp bäún loaûi liãn kãút sau âáy : liãn kãút âäöng hoïa tri, liãn kãút ion, liãn kãút kim loaûi, liãn kãút häùn håüp vaì liãn kãút Vanderval. 1-Liãn kãút âäng hoïa trë : Liãn kãút naìy taûo ra khi hai hoàûc nhiãöu nguyãn tæí goïp chung nhau mäüt säú âiãûn tæí ãø coï âuí taïm âiãûn tæí åí låïp ngoaìi cuìng (âiãûn tæí hoïa trë). Vê duû liãn kãút âäöng hoïa trë giæîa hai nguyãn tæí clo trong phán tæí Cl2 . Hai nguyãn tæí naìy coï säú âiãûn tæí låïp ngoaìi cuìng laì 7. Do váûy chuïng phaíi goïp chung hai âiãûn tæí låïp ngoaìi cuìng âãø âuí taïm âiãûn tæí. Âàûc âiãøm cuía liãn kãút âäöng hoïa trë : 1-Liãn kãút coï tênh âënh hæåïng, nghéa laì xaïc suáút täön taûi caïc âiãûn tæí liãn kãút låïn nháút theo phæång näúi tám caïc nguyuãn tæí. 2-Cæåìng âäü liãn kãút phuû thuäüc ráút maûnh vaìo âàûc tênh liãn kãút giæîa caïc âiãûn tæí hoïa trë våïi haût nhán. Vê duû caïc bon åí daûng âa hçnh kim cæång coï liãn kãút âäöng hoïa trë ráút maûnh vç bäún âiãûn tæí hoïa trë (trong säú saïu âiãûn tæí) liãn kãút háöu nhæ træûc tiãúp våïi haût nhán. Do váûy nhiãût âäü noïng chaíy cuía noï cao hån 3550oC. Trong khi âoï thiãúc (Sn) coï liãn kãút âäöng hoïa trë ráút yãúu vç bäún âiãûn tæí hoïa trë (trong säú 50 âiãûn tæí) nàòm xa haût nhán nãn læûc liãn kãút yãúu âäúi våïi haût nhán do âoï nhiãût âäü noïng chaíy tháúp 270oC. 3-Liãn kãút âäöng hoïa trë coï thãø xaíy ra giæîa caïc nguyãn tæí cuìng loaûi (cuía mäüt nguyãn täú hoïa hoüc trong caïc nhoïm tæì IVA âãún VIIA), goüi laì liãn kãút âäöng hoïa trë âäöng cæûc. Vê duû trong phán tæí Cl2 hay caïc tinh thãø kim cæång, si lêc, geïcmani Liãn kãút âäöng hoïa trë giæîa caïc nguyãn tæí khaïc loaûi (caïc nguyãn täú hoïa hoüc nhoïm IIIA våïi nhoïm VIA) goüi laì liãn kãút âäöng hoïa trë dë cæûc. 2-Liãn kãút ion : Âáy laì loaûi liãn kãút maûnh, caïc nguyãn tæí cho båït âiãûn tæí låïp ngoaìi cuìng vaì rtråí thaìn ion dæång hay nháûn thãm âiãûn tæí âãø baîo hoìa låïp ngoaìi cuìng vaì tråí thaình ion ám. Vê duû : trong liãn kãút LiF, Li cho båït mäüt âiãûn tæí låïp ngoaìi cuìng tråí thaình Li+, coìn F nháûn thãm mäüt âiãûn tæí vaì tråí thaình F-. Liãn kãút ion thæåìng taûo nãn giæîa caïc nguyãn täú coï nhiãöu âiãûn tæí hoïa trë (nhoïm VIB, VIIB) våïi caïc nhoïm nguyãn täú coï êt âiãûn tæí hoïa trë (nhoïm IB, IIB). Caïc ä xyt kim loaûi Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4 coï liãn kãút chuí yãúu laì liãn kãút ion. Liãn kãút ion caìng bãön væîng (caìng maûnh) khi caïc nguyãn tæí chæïa caìng êt âiãûn tæí, nghéa laì caïc âiãûn tæí cho vaì nháûn nàòm gáön haût nhán. Liãn kãút ion laì loaûi liãn kãút khäng âënh hæåïng. Vê duû : hydrä taûo våïi F, Cl, Br, I caïc håüp cháút HF, HCl, HBr, HI coï nàng læåüng liãn kãút láön læåüt laì 5,81; 4,44; 3,75 vaì 3,06 eV/mol. 3-Liãn kãút kim loaûi : Caïc ion dæång kim loaûi taûo thaình maûng xaïc âënh, âàût trong khäng gian âiãûn tæí tæû do chung. Nàng læåüng liãn kãút laì täøng håüp læûc âáøy vaì huït ténh âiãûn giæîa caïc ion dæång vaì máy âiãûn tæí tæû do . Liãn kãút kim loaûi thæåìng âæåüc taûo nãn tæì nhæîng nguyãn tæí coï êt âiãûn tæí hoïa trë. Vê duû : caïc nguyãn tæ í åí nhoïm IA trong baíng tuáön hoaìn Menâãlãep våïi mäüt âiãûn tæí hoïa trë coï tênh kim loaûi âiãøn hçnh. Caìng âi vãö bãn phaíi cuía baíng tuáön hoaìn tênh cháút âäöng hoïa trë trong liãn kãút caìng cao. Caïc cháút ràõn coï liãn kãút kim loaûi trong cáúu truïc tinh thãø cuía noï coï tênh âäúi xæïng cao. 3
4. + + + + - + + + + - + + + + - + + + + Hçnh 1.1- Liãn kãút kim loaûi. 4-Liãn kãút häùn håüp : Liãn kãút âäöng hoïa trë thuáön tuïy chè coï âæåüc trong træåìng håüp kiãn kãút âäöng cæûc (giæîa caïc nguyãn tæí cuía cuìng mäüt nguyãn täú hoïa hoüc). Trong træåìng håüp liãn kãút dë cæûc (giæîa caïc nguyãn tæí cuía caïc nguyãn täú khaïc nhau) âiãûn tæí hoïa trë tham gia liãn kãút chëu hai aính hæåíng traïi ngæåüc : -Bë huït båíi haût nhán cuía noï -Bë huït båíi haût nhán cuía nguyãn tæí thæï hai âãø taûo âiãûn tæí chung. Khaí nàng cuía haût nhán huït âiãûn tæí hoïa trë âæåüc goüi laì tênh ám âiãûn cuía nguyãn tæí. Sæû khaïc nhau vãö tênh ám âiãûn giæîa caïc nguyãn tæí trong liãn kãút âäöng hoïa trë laìm âaïm máy âiãûn tæí "chung" bë biãún daûng vaì taûo thaình ngáùu cæûc âiãûn, âoï laì tiãön täú cuía liãn kãút ion. Tênh ion cuía liãn kãút seî caìng låïn nãúu sæû khaïc nhau vãö tênh ám âiãûn cuía caïc nguyãn tæí caìng låïn. Vê duû : Na coï tênh ám âiãûn bàòng 0,9 coìn Cl coï tênh ám âiãûn bàòng 3,0. Do váûy trong liãn kãút NaCl gäöm khoaíng 58% liãn kãút ion vaì 48% liãn kãút âäöng hoïa trë. Táút caí nhæîng liãn kãút dë cæûc âãöu mang tênh cháút häùn håüp giæîa liãn kãút ion vaì âäöng hoïa trë 5-Liãn kãút yãúu (liãn kãút Val der Val) : Liãn kãút âäöng hoïa trë cho pheïp giaíi thêch sæû taûo thaình caïc phán tæí nhæ næåïc (H2O) hay polyãtylen (C2H4)n nhæng khäng thãø giaíi thêch sæû taûo thaình mäüt säú váût ràõn tæì nhæîng phán tæí trung hoìa nhæ næåïc âaï, polyme Trong nhiãöu phán tæí coï liãn kãút âäöng hoïa trë, do sæû khaïc nhau vãö tênh ám âiãûn cuía caïc nguyãøn tæí, troüng tám âiãûn têch dæång vaì âiãûn têch ám khäng truìng nhau seî taûo thaình ngáùu cæûc âiãûn vaì phán tæí bë phán cæûc. Liãn kãút Val der Val laì liãn kãút do hiãûn tæåüng huït nhau giæîa caïc nguyãn tæí hoàûc phán tæí bë phán cæûc åí traûng thaïi ràõn . Âáy laì loaûi liãn kãút yãúu, ráút dãù bë phaï huíy do ba âäüng nhiãût. Do váûy caïc cháút ràõn trãn cå såí liãn kãút Val der Val coï nhiãût âäü noïng chaíy tháúp. 1.2.CÁÚU TAÛO MAÛNG TINH THÃØ LYÏ TÆÅÍNG : 1.2.1.Caïc khaïi niãûm cå baín : 4
5. 1-Màût tinh thãø : trong kim loaûi caïc nguyãn tæí sàõp xãúp coï tráût tæû , tæïc laì chuïng âãöu nàòm trãn nhæîng màût phàóng song song vaì caïch âãöu nhau goüi laì màût tinh thãø .Táûp håüp vä säú caïc màût nhæ váûy taûo nãn maûng tinh thãø . 2-Khäúi cå såí (coìn goüi laì ä cå baín) :laì pháön nhoí nháút âàûc træng cho mäüt loaûi maûng tinh thãø .Coï thãø xem nhæ maûng tinh thãø laì do vä säú caïc khäúi cå såí xãúp liãn tiãúp nhau taûo nãn. 3-Thäng säú maûng (coìn goüi laì hàòng säú maûng) : laì khoaíng caïch giæîa hai nguyãn tæí trãn mäüt caûnh cuía khäúi cå såí .Thäng säú maûng laì kêch thæåïc cå baín cuía maûng tinh thãø, tæì âoï coï thãø suy ra caïc khoaíng caïch báút kyì trong maûng .Âån vë âo thäng säú maûng laì kx (nano meït) hay àngsträng , våïi 1kx = 1,00202Ao = 1,00202.10-8 cm. Theo thäng säú maûng ta coï thãø tênh âæåüc âæåìng kênh nguyãn tæí kim loaûi . Thäng säú maûng thæåìng kyï hiãûu laì a . 1.2.2.Caïc kiãøu maûng tinh thãø thæåìng gàûp : Trong caïc kim loaûi thäng duûng thæåìng gàûp ba kiãøu maûng tinh thãø sau âáy : 1-Láûp phæång tám khäúi A2 (thãø tám) : Caïc nguyãn tæí nàòm åí caïc âènh vaì åí trung tám cuía khäúi láûp phæång . Nãúu coi caïc nguyãn tæí laì hçnh cáöu vaì biãøu diãùn gáön nhæ tháût thç caïc nguyãn tæí nàòm åí caïc âènh cheïo nhau thç tiãúp xuïc våïi nhau qua nguyãn tæí åí trung tám .Caïc nguyãn tæí coìn laûi khäng tiãúp xuïc våïi nhau . Kiãøu maûng naìy coï trong caïc kim loaûi Feα Cr, a 3 a 3 Mo, V. Khoaíng caïch gáön nháút giæîa hai nguyãn tæí laì d = vaì r = . Kiãøu maûng 2 4 naìy coï mäüt thäng säú maûng laì a. Kiãøu maûng naìy coï säú sàõp xãúp laì K8, nghéa laì báút kyì nguyãn tæí naìo cuîng coï taïm nguyãn tæí caïch âãöu noï mäüt khoaíng gáön nháút. 2- Láûp phæång tám màût A1 (diãûn tám) : Caïc nguyãn tæí nàòm åí caïc âènh vaì tám cuía caïc màût bãn . Nãúu coi caïc nguyãn tæí laì hçnh cáöu vaì biãøu diãùn gáön nhæ tháût thç nguyãn tæí nàòm åí âènh vaì tám cuía caïc màût bãn thç tiãúp xuïc våïi nhau .Caïc nguyãn tæí coìn laûi khäng tiãúp xuïc a 2 a 2 våïi nhau . Khoaíng caïch gáön nháút giæîa hai nguyãn tæí laì d = vaì r = . Kiãøu maûng 2 4 naìy chè coï mäüt thäng säú maûng laì a . Thæåìng gàûp trong caïc kim loaûi Feγ, Cu, Ni, Al, Pb Säú sàõp xãúp cuía maûng A1 laì K12. 3-Saïu phæång xãúp chàût A3 (luûc giaïc xãúp chàût) : Caïc nguyãn tæí nàòm åí caïc âènh vaì åí tám hai màût âaïy cuía hçnh làng truû luûc giaïc âãöu .Ba nguyãn tæí nàòm åí trung tám ba làng truû tam giaïc caïch nhau .Saïu phæång xãúp chàût coï hai thäng säúù maûng laì a vaì c , tè säú c/a goüi laì hãû c 8 säú xãúp chàût .Trong træåìng håüp lyï tæåíng = ≈ 1,633 .Trong thæûc tãú tè säú c/a khäng a 3 âuïng laì 1,633 maì dao âäüng trong trong khoaíng 1,57 ÷ 1,64 vaì cuîng âæåüc coi laì xãúp chàût . Caïc kim loaûi coï kiãøu maûng naìy laì : Zn, Cd, Coα, Mg, Ti, Ru 4-Chênh phæång tám khäúi (thãø tám) : Trong täø chæïc cuía theïp sau khi täi (mactexit) coìn coï kiãøu maûng chênh phæång tám khäúi . Coï thãø coi kiãøu maûng naìy laì láûp phæång tám khäúi âæåüc keïo daìi theo mäüt chiãöu . Noï coï hai thäng säú maûng laì a vaì c , tè säú c/a goüi laì âäü chênh phæång . Trong thæûc tãú sæû sàõp xãúp cuía caïc nguyãn tæí trong kim loaûi theo xu hæåïng daìy âàûc nháút . Do âoï khäng coï kim loaûi naìo coï kiãøu maûng âån giaín chênh phæång tám khäúi caí . 5
6. Hçnh 1.2- Mä hçnh vaì caïc sàõp xãúp nguyãn tæí trong khäúi cå såí. a) Láûp phæång tám màût b) Lápû phæång tám khäúi c) Sau phæång xãúp chàût 1.3.CÁÚU TAÛO MAÛNG TINH THÃØ THÆÛC TÃÚ : 1.3.1.Phán loaûi caïc sai lãûch trong maûng tinh thãø : Caïc cáúu truïc trçnh baìy åí trãn goüi laì cáúu truïc cuía tinh thãø lyï tæåíng vç khi xem xeït âaî boí qua dao âäüng nhiãût vaì caïc sai hoíng trong tráût tæû sàõp xãúp cuía caïc nguyãn tæí (ion, phán tæí). Caïc sai hoíng âoï goüi laì sai lãûch maûng tinh thãø hay khuyãút táût maûng. Haình vi cuía tinh thãø dæåïi taïc duûng cuía ngoaûi læûc (biãún cæïng, biãún daûng deío), âäü dáùn âiãûn, tênh caïch âiãûn vaì tênh baïn dáùn seî bë aính hæåíng ráút låïn do sai lãûch maûng tinh thãø. Dæûa vaìo kêch thæåïc theo ba 6
7. chiãöu sai lãûch maûng âæåüc phán ra laìm ba loaûi : sai lãûch âiãøm, sai lãûch âæåìng, sai lãûch màût vaì khäúi. 1.Sai lãûch âiãøm : Sai lãûch âiãøm laì caïc sai lãûch coï kêch thæåïc ráút nhoí theo ba chiãöu âo khäng gian (cåî kêch thæåïc nguyãn tæí). Coï caïc daûng sau : nuït träúng, nguyãn tæí xen keî vaì nguyãn tæí taûp cháút. a-Nuït träúng vaì nguyãn tæí xen keî : Trong tinh thãø nguyãn tæí luän luän dao âäüng nhiãût xung quanh vë trê cán bàòng cuía mçnh. Taûi nhiãût âäü xaïc âënh, nàng læåüng dao âäüng cuía mäùi nguyãn tæí tuán theo lyï thuyãút thäúng kã Maïc xoen - Bol zå man nãn khäng giäúng nhau. Khi mäüt säú nguyãn tæí naìo âoï coï nàng læåüng cao, våïi biãn âäü dao âäüng låïn, chuïng coï khaí nàng råìi boí nuït maûng vaì âãø laûi nuït khäng coï nguyãn tæí, âoï laì nuït träúng. Sau âoï nguyãn tæí coï thãø chuyãøn sang vë trê giæîa caïc nuït ( cå chãú taûo nuït träúng Frenken) taûo ra sai lãûch âiãøm daûng nguyãn tæí xen keî . Khi nguyãn tæí råìi khoíi vë trê cán bàòng âi ra bãö màût tinh thãø goüi laì cå chãú nuït träúng Sätky Sæû xuáút hiãûn nuït träúng vaì nguyãn tæí xen keî luän laìm xuáút hiãûn træåìng æïng suáút hçnh cáöu (keïo xung quanh nuït träúng vaì neïn xung quanh nguyãn tæí xen keî). Näöng âäü nuït träúng thæûc tãú låïn hån nhiãöu so våïi nguyãn tæí xen keî vç nàng læåüng taûo nuït träúng nhoí hån nhiãöu so våïi nguyãn tæí xen keî. Máût âäü nuït träúng biãøu diãùn theo cäng thæïc : nQ =−exp( ) NKT Trong âoï : -n,N : säú nuït träúng vaì säú nuït maûng. -Q : nàng læåüng taûo nuït träúng -K : hàòng säú Bolzåman -T : nhiãût âäü tuyãût âäúi. Qua cäng thæïc trãn ta tháúy ràòng näöng âäü nuït träúng tàng nhanh theo nhiãût âäü vaì coï giaï trë låïn nháút åí kim loaûi loíng. b-Nguyãn tæí taûp cháút : Trong thæûc tãú khäng thãø coï váût liãûu kim loaûi nguyãn cháút tuyãût âäúi. Våïi cäng nghãû náúu luyãûn hiãûn âaûi ngaìy nay coï thãø âaût âäü saûch âãún 99,99999%. Do váûy trong kim loaûi luän coï taûp cháút. Tuìy theo kêch thæåïc nguyãn tæí maì taûp cháút coï thãø thay thãú vaìo vë trê nguyãn tæí kim loaûi trãn nuït maûng hay xen giæîa caïc nuït . Xung quanh caïc nguyãøn tæí taûp cháút luän co ï træåìng æïng suáút hçnh cáöu. 2-Sai lãûch âæåìng - Lãûch Sai lãûch âæåìng laì loaûi sai lãûch coï kêch thæåïc nhoí (kêch cåî nguyãn tæí) theo hai chiãöu âo vaì ráút låïn theo chiãöu thæï ba trong tinh thãø (seî goüi laì lãûch). Lyï thuyãút vãö lãûch laì cå såí lyï thuyãút bãön trong váût lyï kim loaûi. Nhåì coï lyï thuyãút lãûch ta coï thãø giaíi thêch âæåüc nhiãöu váún âãö vãö cå tinh, lyï tênh cuía kim loaûi vaì håüp kim. Trãn cå såí âoï chãú taûo caïc kim loaûi vaì håüp kim âàûc biãût : siãu bãön, siãu deío a-Lãûch âæåìng : Gaìi thãm vaìo phêa trãn maûng tinh thãø lyï tæåíng mäüt næía màût phàóng nguyãn tæí ABCD. Pháön næía phêa trãn cuía tinh thãø (trãn âæåìng AB) seî chëu æïng suáút neïn, næía dæåïi chëu æïng suáút keïo . Âæåìng AB daìi haìng nghçn haìng vaûn thäng säú maûng goüi laì truûc lãûch. AB laì biãn giåïi phêa trong cuía næía màût ABCD nãn goüi laì lãûch biãn. Nãúu næía màût nguyãn tæí nàòm phêa trãn goüi laì lãûch dæång, kyï hiãûu ⊥, nàòm phêa dæåïi goüi laì lãûch ám, kyï hiãûu T. 7
8. Hçnh 1.3 -Caïc daûng sai lãûch âiãøm trong maûng tinh thãø a) Nuït träúng Frenkel; b) Nuït träúng Schottky c,d) Nguyãn tæí xen keî vaì thay thãú e,f) Sai lãûch âiãøm Schottky vaì Frenkel trong ion Hçnh 1.4- Mä hçnh taûo lãûch âæåìng trong maûng tinh thãø 8
9. b-Lãûch xoàõn : ta coï thãø hçnh dung lãûch xoàõn nhæ sau : càõt maûng tinh thãø lyï tæåíng bàòng næía màût phàóng ABCD, sau âoï xã dëch hai meïp ngoaìi ngæåüc chiãöu nhau sao cho caïc nguyãn tæí màût ngoaìi seî xã dëch mäüt âoaûn bàòng mäüt thäng säú maûng theo âæåìng CD. Do âoï caïc nguyãn tæí seî sàõp xãúp laûi quanh AB theo âæåìng xoàõn äúc vaì ta coï lãûch xoàõn. AB goüi laì truûc lãûch xoàõn. Nãúu âæåìng xoàõn äúc nguyãn tæí xung quanh truûc lãûch theo chiãöu kim âäöng häö goüi laì lãûch xoàõn phaíi, kyï hiãûu ngæåüc laûi goüi laì lãûch xoàõn traïi, kyï hiãûu . A B D a) b) c) C Hçnh 1.5- Lãûch xoàõn: mä hçnh taûo thaình (a), mä hçnh khäng gian (b) vaì sæû sàõp xãúp nguyãn tæí trong vuìng lãûch (c) c-Lãch häùn håüp : Trong nhiãöu træåìng håüp mäüt lãûch coï âàûc træng cuía caí lãûch biãn vaì lãûch xoàõn goüi laì lãûch häùn håüp. Hçnh 1.6- Caïch xaïc âënh vectå træåüt (Burgers) a) Trong tinh thãø hoìan chènh b) trong lãûch âæåìng c) Trong lãûch xoàõn 3-Sai lãûch màût : Sai lãûch màût laì caïc sai lãûch coï kêch thæoïc låïn theo hai chiãöu âo vaì nhoí theo chiãöu âo thæï ba. Gäöm coï caïc loaûi : biãn giåïi haût, biãn giåïi siãu haût, màût ngoaìi tinh thãø 9
10. a-Biãn giåïi haût : laì vuìng tiãúp giaïp giæîa caïc haût trong âa tinh thãø. Caïc nguyãn tæí åí vuìng biãn giåïi haût khäng sàõp xãúp theo tráût tæû maûng vaì coï thãø coi nhæ vuìng cáúu truïc vä âënh hçnh. Chiãöu daìy biãn giåïi haût phuû thuäüc vaìo âäü saûch cuïa váût liãûu, coï thãø âaût haìng tràm thäng säú maûng. Kim loaûi caìng tinh khiãút chiãöu daìy biãn gåïi haût caìng moíng. b-Biãn giåïi siãu haût : Siãu haût (bläúc) laì nhæîng vuìng tinh thãø nhoí (kêch thæåïc trung bçnh cåî 102 - 104 nm, våïi cáúu truïc tinh thãø khaï hoaìn chènh, âënh hæåïng lãûch nhau mäüt goïc nhoí, ngàn caïch bàòng biãn giåïi siãu haût. Biãn giåïi siãu haût thæûc cháút laì nhæîng tæåìng lãûch, taûo nãn do nhæîng lãûch cuìng dáúu tæång taïc láùn nhau khi chuïng træåüt trãn nhæîng màût træåüt song song vaì giæî nhau åí vë trê cán bàòng. Hai siãu haût lán cáûn âënh hæåïng lãûch nhau mäüt goïc b b bàòng : θ = θ = . D D D - khoaíng caïch trung bçnh giæîa caïc lãûch biãn cuìng dáúu trãn træåìng lãûch. b - veïc tå træåüt (Bure). Biãn giåïi caïc siãu haût thæåìng xuáút hiãûn trong quïa trçnh kãút tinh laûi, coï taïc duûng caín tråí træåüt vaì tæång taïc våïi caïc loaûi sai lãûch âiãøm khaïc nãn cuîng âoïng vai troì trong tênh deío cuía váût liãûu. c-Sai lãûch xãúp : Sai lãûch xãúp (coìn goüi laì khuyãút táût xãúp) laì sæû phaï våî tráût tæû xãúp chàût cuía tinh thãø. Giaí sæí maûng A1 coï tráût tæû sàõp xãúp laì ABCABCABC, vç lyï do naìo âoï, tráût tæû âoï bë phaï våî, chàóng haûn thæìa mäüt låïp xãúp chàût âãø coï sai lãûch xãúp thæìa ABACA Nãúu trong tráût tæû xãúp thiãúu mäüt låïp seî taûo sai lãûch xãúp thiãúu ABCABABC Sai lãûch xãúp âàûc træng bàòng nàng læåüng γ SLX goüi laì nàng læåüng cuía sai lãûch xãúp. ÅÍ âiãöu kiãûn cán bàòng âäü räüng cuía sai lãûch xãúp laì : rr Gb()23b do = 2πγ SLX Trong âoï : G - mä âun træåüt uurur bb23 - veïc tå træåüt cuía caïc lãûch khäng hoaìn chènh giåïi haûn SLX γ SLX - nàng læåüng cuía sai lãûch xãúp. Sai lãûch xãúp coï vai troì ráút låïn trong lénh væûc hoïa bãön váût liãûu, âáy laì mäüt trong nhæîng phæång hæåïng quan troüng náng cao âäü bãön laì håüp kim hoïa, laìm tàng âäü räüng do, laìm giaím γ SLX , tæïc laì tàng caín tråí chuyãøn âäüng cuía lãûch bàòng sai lãûch xãúp. d-Cáúu truïc màût ngoaìi tinh thãø : Màût ngoaìi tinh thãø coï hçnh thaïi täön taûi khaïc so våïi nhæîng màût phàóng tinh thãø åí bãn trong. Coï thãø hçnh dung dãù daìng ràòng âäúi våïi caïc nguyãn tæí åí màût ngoaìi (màût giåïi haûn tinh thãø) khäng coï âuí säú sàõp xãúp nhæ nguyãn tæí bãn trong. Vç váûy åí màût ngoaìi chuïng khäng sàõp xãúp theo tráût tæû quy âënh cuía tinh thãø vaì taûo thaình vuìng sai lãûch. Sæïc càng bãö màût tinh thãø (nàng læåüng bãö màût) âàûc træng pháön gia tàng nàng læåüng tæû do âãø giæî caïc nguyãn tæí bãö màût åí traûng thaïi äøn âënh. Do âàûc âiãøm cáúu truïc sai lãûch cho nãn låïp màût ngoaìi tinh thãø cuîng coï nhæîng tæång taïc âàûc biãût våïi caïc sai lãûch khaïc. 4-Sai lãûch khäúi : Nhæîng sai lãûch coï kêch thæåïc låïn theo ba chiãöu trong maûng tinh thãø goüi laì sai lãûch khäúi. Sai lãûch khäúi vyî mä laì nhæîng sai hoíng sinh ra khi náúu, âuïc håüp kim nhæ räù co, táûp trung xè, taûp cháút trong váût âuïc. Trãn khêa caûnh vi mä coï thãø coi sai lãûch khäúi nhæ caïc pha 10
11. thæï hai täön taûi trãn nãön håüp kim. Vê duû nhæ graphit trong gang, caïc pha thæï hai taûo thaình khi tiãút pha tæì dung dëch ràõn. Caïc sai lãûch naìy laì cäú yï taûo ra âãø náng cao âäü bãön, caíi thiãûn tênh cháút theo yï muäún. Tuìy thuäüc vaìo cáúu truïc, hçnh thaïi täön taûi, kêch thæåïc maì hiãûu quaí hoïa bãön cuía nhæîng pha thæï hai naìy khaïc nhau. 1.3.2.Vai troì cuía sai lãûch âäúi våïi tênh cháút : Sæû coï màût cuía sai lãûch trong maûng tinh thãø vaì tæång taïc giæîa chuïng aính hæåíng âãún tênh cháút cuía váût liãûu. Âãø giaíi thêch tênh cháút cå hoüc (âäü bãön, âäü cæïng, tênh deío ) phaíi dæûa vaìo lyï thuyãút bãön trong âoï caïc mä hçnh cáúu truïc vi mä âæåüc aïp duûng âãø giaíi thêch kãút quaí thæûc tãú. ÅÍ âáy ta xem xeït sæû tæång taïc cuía lãûch våïi nhau vaì aính hæåíng cuía chuïng âãún cå tênh cuía váût liãûu. 1-Tæång taïc giæîa caïc lãûch vaì khaïi niãûm hoïa bãön : Ta xeït quaï trçnh træåüt khi biãún daûng deío, täúc âäü biãún daûng deío theo cäng thæïc Orowan ε = ρ bν. (Trong âoï : ρ laì máût âäü lãûch, b laì trë säú veïc tå Burgers, ν laì täúc âäü chuyãøn âäüng cuía lãûch). Trong quaï trçnh biãún daûng seî coï hai hiãûu æïng ngæåüc nhau xaíy ra -Máût âäü lãûch tàng do caïc nguäön khaïc nhau hoaût âäüng nhæ biãn giåïi haût, Frank - Rit laìm tàng täúc âäüü biãún daûng. -Nhæng khi tàng máût âäü lãûch tæång taïc giæîa lãûch voïi nhau vaì våïi caïc sai lãûch khaïc tàng maûnh laìm giaím âaïng kãø täúc âäü chuyãøn âäüng cuía lãûch. Vç váûy muäún duy trç täúc âäü biãún daûng laì khäng âäøi cáön phaíi tàng æïng suáút bãn ngoaìi thãm mäüt læåüng dσ . Âáy chênh laì hiãûu dσ æïng hoïa bãön biãún daûng. Hãû säú hoïa bãön biãún daûng âàûc træng båíi goïc nghiãng âæåìng dε cong σ −ε trãn biãøu âäö thæí keïo váût liãûu. Cå såí cuía caïc phæång phaïp hoïa bãön váût liãûu tinh thãø laì laìm giaím täúc âäü chuyãøn âäüng cuía lãûch. Tæång taïõc giæîa caïc lãûch xaíy ra nhåì træåìng æïng suáút âaìn häöi cuía chuïng. Khi mäüt lãûch træåüt gàûp caïc lãûch trong màût træåüt giao nhau khaïc, trãn mäùi lãûch hçnh thaình mäüt báûc lãûch. Báûc caín tråí chuyãøn âäüng lãûch hoàûc khi cuìng chuyãøn âäüng våïi lãûch seî sinh ra khuyãút táût âiãøm hoàûc caïc voìng lãûch åí phêa sau noï gáy ra hoïa bãön (hçnh 1.41 Lã ) 2-Tæång taïc giæîa lãûch vaì sai lãûch âiãøm : Kãút quaí tæång taïc giæîa lãûch vaì sai lãûch âiãøm laìm cho caïc nguyãnú tæí taûp cháút (hay nuït träúng) têch tuû xung quanh âæåìng lãûch, taûo ra nhæîng âaïm máy nguyãn tæí taûp cháút (khê quyãøn Cätren, Snuk, Suzuki ). Âãø chuyãøn âäüng lãûch cáön phaíi bäø sung thãm nàng læåüng tæì bãn ngoaìi (dσ ) nhàòm giaíi thoaït khoíi nhæîng âaïm máy âoï. Trong caïc håüp kim täön taûi åí daûng dung dëch ràõn (thay thãú, xen keî) caïc nguyãn tæí håüp kim coï thãø coi nhæ nhæîng sai lãûch âiãøm cäú yï, hiãûu quaí hoïa bãön seî tàng lãn ráút nhiãöu.Nguyãn täú håü kim laìm thay âäøi âäü räüng cuía sai lãûch xãúp, âáy laì mäüt trong caïc chæåïng ngaûi ráút maûnh caín tråí chuyãøn âäüng cuía lãûch. Trong caïc kiãøu maûng A1, A3 khi håüp kim hoïa seî laìm giaím nàng læåüng cuía sai lãûch xãúp, tæïc laì tàng âäü räüng cuía noï, do váûy laìm tàng hiãûu quaí hoïa bãön. Âoï chênh laì hoïa bãön bàòng dung dëch ràõn. 3-Tæång taïc lãûch vaì biãn giåïi haût : Khi trong haût co ï mäüt nguäön Frank - Rit hoaût âäüng seî coï vä säú lãûch træåüt cho âãún khi dæìng laûi caûnh biãn giåïi haût, taûo ra mäüt táûp håüp coï n lãûch (hçnh 1.45 Lã). Táûp håüp naìy seî taûo ra træåìng æïng suáút âaìn häöi væìa taïc duûng ngæåüc laûi, phong toía nguäön lãûch åí trong haût, 11
12. væìa kêch thêch nguäön åí caïc haût lán cáûn hoaût âäüng trong quaï trçnh biãún daûng. Biãn giåïi haût caín tråí chuyãøn âäüng cuía lãûch laì do : -Taûi biãn giåïi coï cáúu truïc khäng tráût tæû -Hai haût âa tinh thãø liãön nhau coï âënh hæåïng khaïc nhau vç váûy lãûch ráút khoï thay âäøi âäüt biãún màût træåüt khi væåüt qua biãn giåïi haût. Vç váûy lãûch chè coï thãø chuyãøn âäüng tæû do trong haût. Kêch thæåïc haût caìng nhoí, quaîng âæåìng chuyãøn âäüng tæû do caìng ngàõn, do âoï hiãûu quaí hoïa bãön caìng cao. Âoï chênh laì sæû hoïa bãön bàòng biãn giåïi haût. 4-Tæång taïc giæîa lãûch vaì pha thæï hai : Pha thæï hai taûo ra trong håüp kim do quaï trçnh chuyãøn biãún pha cungî coï thãø xem laì daûng sai lãûch cäú yï. Tuìy theo vaìo baín cháút, näöng âäü, kêch thæåïc cuía pha thæï hai, hiãûu quaí hoïa bãön cuía chuïng cuîng khaïc nhau. a-Pha thæï hai khäng liãön maûng, cæïng hån nãön : Muäún væåüt qua loaûi chæåïng ngaûi 2GB naìy æïng suáút tiãúp taïc duûng lãn lãûch phaíi âaût giaï trë: τ = , trong âoï L laì khoaíng caïch L trung bçnh giæîa caïc pháön tæí pha thæï hai. Sau khi væåüt qua lãûch âãø laûi voìng lãûch dæ xung quanh pha thæï hai. b-Pha thæï hai liãön maûng, mãöm hån nãön : Træåìng håüp naìy lãûch seî càõt pha thæï hai bàòng caïch âi xuyãn qua noï âãø taûo ra sai lãûch xãúp åí hai meïp .Vç váûy sau mäùi láön lãûch væåüt qua sæïc caín cuía pha thæï hai tàng thãm do caïc voìng lãûch dæ hoàûc sai lãûch xãúp. Âoï laì quaï trçnh hoïa bãön bàòng pha thæï hai (coìn goüi laì hoïa bãön cáúu truïc). 5-Têch tuû lãûch vaì phaï huíy : Khi lãûch bë haîm laûi bãn chæåïng ngaûi, chuïng seî têch tuû dáön, laìm tàng æïng suáút cuûc bäü cho âãún khi âaût giaï trë cao hån giåïi haûn bãön cuía maûng, liãn kãút bë phaï våî, vãút næït âáöu tiãn seî xuáút hiãûn. Caïc lãûch tiãúp theo træåüt âãún vaì giaíi thoaït trãn bãö màût vãút næït tãú vi laìm noï låïn dáön lãn vaì tråí thaình vãút næït vi mä. Luïc naìy seî xaíy ra phaï huíy. 1.3.3.Âån tinh thãø vaì âa tinh thãø : 1-Âån tinh thãø : Nãúu váût tinh thãø coï maûng thäúng nháút vaì phæång khäng thay âäøi trong toaìn bäü thãø têch goüi laì âån tinh thãø. Âãø dãù hçnh dung ta láúy mäüt ä cå såí (khäúi cå såí) tënh tiãún noï theo ba truûc toüa âäü våïi nhæîng âoaûn bàòng chu kyì tuáön hoaìn maûng seî âæåüc âån tinh thãø. Âãø coï âæåüc âån tinh thãø kim loaûi ta phaíi aïp duûng cäng nghãû âàûc biãût nuäi âån tinh thãø. Coï hai phæång phaïp : Zäcranxki vaì phæång phaïp flux (thaình pháön khaïc nhau). Tênh cháút âiãøn hçnh cuía âån tinh thãø laì tênh dë hæåïng do theo caïc phæång khaïc nhau coï máût âäü nguyãn tæí khaïc nhau. Cäng duûng cuía âån tinh thãø laì sæí duûng trong cäng nghiãûp baïn dáùn vaì kyî thuáût âiãûn. 2-Âa tinh thãø : Âa tinh thãø gäöm ráút nhiãöu tinh thãø nhoí goüi laì haût tinh thãø. Nhæîng haût naìy coï cuìng cáúu truïc maûng nhæng âënh hæåïng ngáùu nhiãn nãn khaïc nhau, liãn kãút våïi nhau bàòng biãn giåïi haût . Váût liãûu sæí duûng chuí yãúu laì âa tinh thãø. a-Âäü haût cuía âa tinh thãø : Tæì khaïi niãûm nãu trãn ta tháúy cáúu truïc cuaí âa tinh thãø gäöm hai pháön sau : -Caïc haût coï âënh hæåïng khaïc nhau. -Biãn giåïi haût coï cáúu truïc khäng tráût tæû liãn kãút caïc haût våïi nhau 12
13. Hçnh 1.7 -Mä hçnh âån tinh thãø vaì âa tinh thãø a) Âån tinh thãø b) Âa tinh thãø c) Aính tãú vi máùu âa tinh thãø sau táøm thæûc Hçnh 1.8- Aính cáúp haût chuáøn æïng våïi âäü phoïng âaûi 100 láön. Tæì âoï ta tháúy ràòng caïc haût tinh thãø khäng bao giåì coï kêch thæåïc giäúng nhau nãn 13
14. phaíi âæa ra khaïi niãûm âäü haût. Coï thãø xaïc âënh âäü haût theo ba caïch sau : +Xaïc âënh tiãút diãûn ngang S cuía caïc haût (phæång phaïp naìy khoï laìm) +Âo âæåìng kênh (chiãöu ngang) trung bçnh cuía caïc haût (êt duìng) +So saïnh säú læåüng haût coï trong mäüt âån vë diãûn têch våïi âäü phoïng âaûi 100 láön våïi baín máùu coï sàôn. Âáy laì phæång phaïp phäø biãún nháút. Sau âoï xãúp vaìo baíng cáúp haût. Baíng cáúp haût gäöm 16 cáúp tæì -2 âãún 14, thäng duûng nháút laì tæì cáúp 1 âãún cáúp 8, säú caìng låïn haût caìng nhoí. b-Tênh âàóng hæåïng cuía âa tinh thãø : Do sæû phán bäú ngáùu nhiãn cuía caïc haût trong âa tinh thãø, phæång maûng cuía chuïng sàpõ xãúp mäüt caïch báút kyì nãn tênh dë hæåïng khäng coìn thãø hiãûn næîa. Do váûy âa tinh thãø coï tênh âàóng hæåïng giaí. Såí dé goüi laì âàóng hæåïng giaí vç trong tæìng pháön nhoí cuía âa tinh thãø (haût) váùn thãø hiãûn tênh dë hæåïng. 14
15. CHÆÅNG 2 : GIAÍN ÂÄÖ PHA 2.1.CAÏC KHAÏI NIÃÛM CÅ BAÍN : 2.1.1.Pha, hãû, cáúu tæí, hãû cán bàòng: 1 - Cáúu tæí : laì caïc nguyãn täú (hay håüp cháút hoïa hoüc bãön væîng) cáúu taûo nãn váût liãûu. Chuïng laì caïc thaình pháön âäüc láûp. 2 - Hãû (âäi khi coìn goüi laì hãû thäúng) laì mäüt táûp håüp váût thãø riãng biãût cuía váût liãûu trong âiãöu kiãûn xaïc âënh hay laì mäüt loaût håüp kim khaïc nhau våïi caïc cáúu tæí giäúng nhau. 3- Pha : laì täø pháön âäöng nháút cuía hãû (håüp kim) coï cáúu truïc vaì caïc tênh cháút cå, lyï, hoïa hoüc xaïc âënh, giæîa caïc pha coï bãö màût phán caïch. Vê duû : - Ta coï mäüt hãû gäöm næåïc âaï vaì næåïc. Hãû naìy chè coï mäüt cáúu tæí âoï laì håüp cháút H2O nhæng coï hai pha : ràõn (næåïc âaï), loíng (næåïc) - Mäüt chi tiãút bàòng la täng mäüt pha : Hãû naìy coï hai cáúu tæí laì Cu vaì Zn nhæng chè coï mäüt pha α (dung dëch ràõn cuía hai cáúu tæí trãn). 4 -Hãû cán bàòng (äøn âënh) : Hãû åí traûng thaïi cán bàòng khi caïc pha cuía noï âãöu coï nàng læåüng tæû do nhoí nháút trong caïc âiãöu kiãûn vãö nhiãût âäü, aïp suáút vaì thaình pháön xaïc âënh. Tæïc laì caïc âàûc tênh cuía hãû khäng biãún âäøi theo thåìi gian. Thäng thæåìng hãû våïi caïc pha åí traûng thaïi cán bàòng bao giåì cuîng coï âäü bãön, âäü cæïng tháúp nháút, khäng coï æïng suáút bãn trong, xä lãûch maûng tinh thãø tháúp nháút vaì âæåüc hçnh thaình våïi täúc âäü nguäüi cháûm. Hãû cán bàòng coï tênh cháút thuáûn nghëch. 5- Hãû khäng cán bàòng (khäng äøn âënh) : Khi thay âäøi nhiãût âäü vaì aïp suátú laìm tàng nàng læåüng tæû do vaì hãû tråí nãn traûng thaïi khäg cán bàòng. Luïc naìy hãû coï thãø chuyãøn biãún sang traûng thaïi cán bàòng måïi coï nàng læåüng tæû do nhoí hån. Noïi chung traûng thaïi khäng cán bàòng laì khäng äøn âënh, luän coï xu hæåïng tæû biãún âäøi sang traûng thaïi cán bàòng, äøn âënh. Trong thæûc tãú mäüt säú traûng thaïi khäng cán bàòng váùn täön taûi láu daìi, do åí nhiãût âäü thæåìng chuyãøn biãún xaíy ra ráút cháûm háöu nhæ khäng nhçn tháúy âæåüc. Traûng thaïi khäng cán bàòng thæåìng coï âäü bãön, âäü cæïng cao hån nãn âæåüc sæí duûng khaï nhiãöu trong thæûc tãú (täø chæïc mactenxit sau khi täi). Traûng thaïi khäng cán bàòng âæåüc hçnh thaình våïi täúc âäü nguäüi nhanh. 6-Hãû giaí äøn âënh : Traûng thaïi giaí äøn âënh täön taûi khi traûng thaïi cán bàòng (äøn âënh) tuyãût âäúi chè täön taûi trãn lyï thuyãút, tæïc laì phaíi nung noïng hay laìm nguäüi vä cuìng cháûm maì trong thæûc tãú ráút khoï xaíy ra. Váûy giaí äøn âënh thæûc cháút laì khäng äøn âënh nhæng thæûc tãú laûi täön taûi mäüt caïch äøn âënh ngay caí khi nung noïng hay laìm nguäüi trong mäüt phaûm vi naìo âoï. 2.1.2.Quy tàõc pha vaì cäng duûng : Traûng thaïi cán bàòng cuía hãû âæåüc xaïc âënh båíi caïc yãúu täú bãn trong (thaình pháön hoïa hoüc) vaì caïc yãúu täú bãn ngoaìi ( nhiãût âäü vaì aïp suáút). Tuy nhiãn caïc yãúu täú naìy phuû thuäüc láùn nhau. Báûc tæ û do laì säú læåüng caïc yãúu täú âäüc láûp coï thãø thay âäøi âæåüc trong phaûm vi nháút âënh maì khäng laìm thay âäøi säú pha cuía noï (kyï hiãûu F -freedom). Quy tàõc pha xaïc âënh mäúi quan hãû giæîa säú pha P (phase), báûc tæû do F vaì säú cáúu tæí C (component). Ta coï : F = C - P + 2. Nhæng do viãûc nghiãn cæïu váût liãûu tiãún haình trong khê quyãøn, coï aïp suáút khäng âäøi nãn säú yãúu täú bãn ngoaìi chè coìn mäüt laì nhiãût âäü. Vç váûy cäng thæïc cuía noï laì : 15
16. F = C - P + 1 Cáön læu yï ràòng báûc tæû do laì nhæîng säú nguyãn vaì khäng ám, säú pha cæûc âaûi cuía mäüt hã chè coï thãø låïn hån säú cáúu tæí cuía noï mäüt âån vë (PMAX = C + 1), noï giuïp cho viãûc xaïc âënh säú pha cuía mäüt hãû håüp kim dãù daìng. Vê duû : - Khi F = 1 tæïc la ìchè coï mäüt yãúu täú coï thãø thay âäøi âæåüc (nhiãût âäü hay thaình pháön), luïc naìy säú pha bàòng säú cáúu tæí. - Khi F = 2 coï hai yãúu täú thay âäøi âæåüc cuìng mäüt luïc, säú pha bàòng säú cáúu tæí træì âi 1. 2.2.DUNG DËCH RÀÕN VAÌ CAÏC PHA TRUNG GIAN : 2.2.1.Khaïi niãûm vaì phán loaûi dung dëch ràõn : 1-Khaïi niãûm : Cuîng giäúng nhæ dung dëch loíng, trong dung dëch ràõn ta khäng phán biãût âæåüc mäüt caïch cå hoüc caïc nguyãn tæí cuía caïc cáúu tæí, caïc nguyãn tæí cuía chuïng phán bäú xen vaìo nhau trong maûng tinh thãø. Cáúu tæí naìo coï säú læåüng nhiãöu hån, váùn giæî âæåüc kiãøu maûng cuía mçnh goüi laì dung mäi. Caïc cáúu tæí coìn laûi goüi laì cháút hoìa tan. Dung dëch ràõn laì pha âäng nháút coï cáúu truïc maûng tinh thãø cuía cáúu tæí dung mäi nhæng thaình pháön cuía noï coï thãø thay âäøi trong mäüt phaûm vi nháút âënh maì khäng laìm máút âi sæû âäöng nháút âoï. Kyï hiãûu cuía dung dëch ràõn laì A(B). Dung dëch ràõn âæåüc chia ra laìm hai loaûi : dung dëch ràõn thay thãú vaì dung dëch ràõn xen keî. Hçnh 2.1 -Häùn håüp cå hoüc (a) vaì dung dëch ràõn (b) 2-Dung dëch ràõn thay thãú : laì loaûi dung dëch ràõn maì trong âoï nguyãn tæí cuía cáúu tæí hoìa tan thay thãú vaìo vë trê trãn nuït maûng cuía cáúu tæí dung mäi (nguyãn täú chuí). Nhæ váûy kiãøu maûng vaì säú nguyãn tæí trong khäúi cå såí âuïng nhæ cuía cáúu tæí dung mäi. Tuy nhiãn sæû thay thãú naìy êt nhiãöu âãöu gáy ra sæû xä lãûch maûng, vç khäng thãø coï hai laoüi nguyãn tæí coï kêch thæåïc hoaìn toaìn giäúng nhau. Do váûy sæû thay thãú chè xaíy ra våïi caïc cáúu tæí coï kêch thæåïc nguyãn tæí khaïc nhau êt (våïi kim loaûi sæû sai khaïc naìy khäng quaï 15%). Tuìy thuäüc vaìo mæïc âäü hoìa tan ngæåìi ta coìn chia ra dung dëch ràõn hoìa tan vä haûn vaì coï haûn. 16
17. Hçnh 2.2 -Så âäö taûo thaình dung dëch ràõn thay thãú vaì xen keî a - Dung dëch ràõn thay thãú hoìa tan vä haûn : Laì dung dëch ràõn maì trong âoï näöng âäü cuía cháút hoìa tan coï thãø biãún âäøi liãn tuûc, tæïc laì våïi näöng âäü báút kyì. Trong loaûi dung dëch ràõn naìy khäng thãø phán biãût âæåüc cáúu tæí naìo laì dung mäi, cáúu tæí naìo laì cháút hoìa tan, cáúu tæí naìo coï læåüng chæïa nhiãöu nháút laì dung mäi, caïc cáúu tæí coìn laûi laì cháút hoìa tan. Vê duû ta coï dung dëch ràõn cuía cáúu tæí A vaì B thç näöng âäü A biãún âäøi tæì 0 ÷ 100%, näöng âäü B biãún âäøi tæì 100% ÷ 0. Âiãöu kiãûn âãø hai cáúu tæí hoìa tan vä haûn vaìo nhau : * Coï cuìng kiãøu maûng tinh thãø * Âæåìng kênh nguyãn tæí khaïc nhau êt, nhoí hån 8%. Nãúu sai khaïc nhau nhiãöu tæì 8 ÷ 15% chè coï thãø hoìa tan coï haûn, låïn hån 15% khäng thãø hoìa tan vaìo nhau * Näöng âäü âiãûn tæí khäng væåüt quaï mäüt giaï trë xaïc âënh våïi mäùi loaûi dung dëch ràõn (säú læåüng âiãûn tæí hoïa trë tênh cho mäüt nguyãn tæí), tæïc laì caïc nguyãn täú phaíi coï cuìng hoïa trë. 17
18. Hçnh 2.3 -Så âäö taûo thaìmh dung dëch ràõn thay thãú hoaì tan vä haûn * Caïc tênh cháút váût lyï vaì hoïa hoüc gáön giäúng nhau (cáúu taûo låïp voí âiãûn tæí, tênh ám âiãûn, nhiãût âäü chaíy ) Noïi chung caïc nguyãn täú cuìng trong mäüt nhoïm cuía baíng hãû thäúng tuáön hoaìn thoía maîn âiãöu kiãûn naìy. Caïc càûp nguyãn täú hçnh thaình dung dëch ràõn vä haûn chè coï thãø laì nguyãn täú kim loaûi. Cáön chuï yï ràòng âáy chè laì âiãöu kiãûn cáön cuía dung dëch ràõn vä haûn. b - Dung dëch ràõn thay thãú hoìa tan coï haûn : Laì dung dëch ràõn maì trong âoï caïc cáúu tæí chè hoìa tan vaìo nhau våïi giaï trë nháút âënh, tæïc laì näöng âäü cuía chuïng bë giaïn âoaûn. Caïc càûp cáúu tæí khäng thoía manî bäún âiãöu kiãûn trãn seî taûo thaình dung dëch ràôn coï haûn c - Dung dëch ràõn tráût tæû vaì khäng tráût tæû : Nãúu sæû phán bäú nguyãn tæí cuía cáúu tæí hoìa tan trong maûng dung mäi mäüt caïch ngáùu nhiãn thç âæåüc goüi laì dung dëch ràõn khäng tráût tæû. Trong mäüt säú âiãöu kiãûn naìo âoï (nhiãût âäü, näöng âäü) trong mäüt säú hãû caïc nguyãn tæí thay thãú coï tênh quy luáût vaì goüi laì dung dëch ràõn tráût tæû. Vê duû trong hãû Au-Cu khi laìm nguäüi cháûm nguyãn tæí âäöng sàõp xãúp taûi tám caïc màût bãn, coìn nguyãn tæí vaìng nàòm åí caïc âènh cuía khäúi cå såí. 3-Dung dëch ràõn xen keî : Laì loaûi dung dëch ràõn trong âoï nguyãn tæí hoìa tan nàòm xen giæîa caïc nguyãn tæí cuía kim loaûi dung mäi, chuïng chui vaìo läù häøng trong maûng dung mäi.Nhæ váûy ta tháúy ràòng soï nguyãn tæí trong khäúi cå såí tàng lãn. Do kêch thæåïc caïc läù häøng trong maûng tinh thãø ráút nhoí nãn caïc nguyãn tæí hoìa tan phaíi coï kêch thæåïc ráút nhoí. Âoï chênh laì caïc nguyãn tæí C, N, H, B våïi dung mäi Fe. Âæång nhiãn laì dung dëch ràõn xen keî chè coï loaûi hoìa tan coï haûn. 4-Caïc âàûc tênh cuía dung dëch ràõn : a - Maûng tinh thãø cuía dung dëch ràõn laì kiãøu maûng cuía kim loaûi dung mäi, thæåìng coï caïc kiãøu maûng âån giaín vaì xêt chàût. Âáy laì yãúu täú cå baín quyãút âënh caïc tênh cháút cå, lyï hoïa Vãö cå baín noï váùn giæî âæåüc caïc tênh cháút cuía kim loaûi dung mäi. Tuy nhiãn vãö thäng säú maûng luän khaïc våïi dung mäi : - Trong dung dëch ràõn xen keî : thäng sä ú maûng dung dëch luän låïn hån thäng säú maûng dung mäi. - Trong dung dëch ràõn thay thãú : nãúu âæåïng kênh nguyãn tæí hoìa tan låïn hån âæåìng kênh nguyãn tæí dung mäi thç thäng säú maûng dung dëch låïn hån dung mäi. Nãúu âæåìng kênh nguyãn tæí hoìa tan nhoí hån nguyãn tæí dung mäi thç thäng säú maûng dung dëch nhoí hån dung mäi. 18
19. b - Liãn kãút váùn laì liãn kãút kim loaûi. Do váûy dung dëch ràõn váùn giæî âæåüc tênh deío giäúng nhæ kim loaûi nguyãn cháút, tuy coï keïm hån (træì hãû håüp kim Cu-Zn, våïi 30%Zn håüp kim naìy coìn deío hån caí keîm) c - Thaình pháön hoïa hoüc thay âäøi trong phaûm vi nháút âënh maì khäng laìm thay âäøi kiãøu maûng. d - Tênh cháút biãún âäøi nhiãöu : âäü deío, âäü dai, hãû säú nhiãût âäü âiãûn tråí giaím, âiãûn tråí, âäü bãön, âäü cæïng tàng lãn Do caïc âàûc tênh trãn nãn dung dëch ràõn laì cå såí cuía caïc håüp kim kãút cáúu duìng trong cå khê. Trong caïc håüp kim naìy pha cå baín laì dung dëch ràõn, noï chiãúm xáúp xè 90%, coï træåìng håüp âãún 100%. Hçnh 2.4 - Sæû xä lãûch maûng trong dung dëch ràõn a) Trong dung dëch ràõn xen keî b) Trong dung dëch thay thãú khi rht>rdm c) Trong dung dëch thay thãú khi rh <rdm 2.2.2.Caïc pha trung gian : Trong caïc håüp kim háöu nhæ khäng coï loaûi håüp cháút hoïa hoüc hoïa trë thæåìng. Caïc håüp cháút hoïa hoüc täön taûi trong håüp kim thæåìng goüi laì pha trung gian vç trãn giaín âäö pha noï nàòm åí vë trê giæîa vaì trung gian caïc dung dëch ràõn. 1-Khaïi niãûm vaì phán loaûi : Caïc håüp cháút hoïa hoüc taûo thaình theo quy luáût hoïa trë thæåìng coï caïc âàûc âiãøm sau : * Coï maûng tinh thãø phæïc taûp vaì khaïc hàón maûng nguyãn täú thaình pháön * Luän luän coï mäüt tyí lãû chênh xaïc giæîa caïc nguyãn täú vaì âæåü biãøu diãùn båíi cäng thæïc hoïa hoüc nháút âënh. *Tênh cháút khaïc hàón caïc nguyãn täú thaình pháön, âäü cæïng cao, tênh doìn låïn. * Coï nhiãût âäü noïng chaíy xaïc âënh, khi hçnh thaình laì phaín æïng toía nhiãût. Caïc pha trung gian trong håüp kim coï nhæîng âàûc âiãøm khaïc våïi håüp cháút hoïa hoüc theo hoïa trë, âoï laì : * Khäng tuán theo quy luáût hoïa trë. * Khäng coï thaình pháön chênh xaïc. * Coï liãn kãút kim loaûi. 19
20. Caïc pha trung gian trong håp kim thæåìng gàûp laì : pha xen keî, pha âiãûn tæí, pha La ves, pha σ 2-Pha xen keî : Laì pha taûo nãn giæîa caïc kim loaûi chuyãøn tiãúp (Fe, Cr, Mo, W ) coï âæåìng kênh nguyãn tæí låïn våïi caïc aï kim (H, B, N, C ) coï âæåìng kênh nguyãn tæí beï. Kiãøu maûng cuía pha xen keî âæåüc xaïc âënh theo quan hãû giæîa âæåìng kênh nguyãn tæí kim loaûi vaì aï kim : - Nãúu dA/dK 0,59 pha xen keî seî coï kiãøu maûng phæïc taûp vaì cäng thæïc phæïc taûp hån K3A (Mn3C), K7A3 (Cr7C3), K23A6 (Cr23C6). Âàûc âiãøm cuía pha xen keî noïi chung laì coï nhiãût âäü chaíy ráút cao (thæåìng > 30000C) vaì coï âäü cæïng låïn (2000 ÷ 5000 HV), coï tênh doìn låïn. Chuïng coï vai troì ráút låïn trong viãûc náng cao tênh chäúng maìi moìn vaì chëu nhiãût cuía håüp kim. 3-Pha âiãûn tæí (Hum-Rozãri) Laì pha trung gian coï cáúu taûo phæïc taûp, taûo nãn båíi hai kim loaûi. Thaình pháön cuía noï nhæ sau : * Nhoïm mäüt : gäöm caïc kim loaûi hoïa trë mäüt Cu, Ag, Au vaì kim loaûi chuyãøn tiãúp : Fe, Ni, Co, Pt, Pd. * Nhoïm hai : caïc kim loaûi hoïa trë hai, ba, bäún :Be, Mg, Zn, Cd, Al, Si, Sn. Näöng âäü âiãûn tæí N coï giaï trë xaïc âënh laì 3/2, 21/13 vaì 7/4 (21/14, 21/13, 21/12). Mäùi giaï trë näöng âäü âiãûn tæí æïng våïi mäüt kiãøu maûng tinh thãø. Vê duû : -N = 3/2 laì pha β våïi kiãøu maûng láûp phæång tám khäúi, hay láûp phæång phæïc taûp, hay saïu phæång (Cu5Sn, Cu5Si). - N = 21/13 laì pha γ våïi kiãøu maûng láûp phæång phæïc taûp (Cu31Sn8). - N = 7/4 laì pha ε våïi kiãøu maûng saïu phæång xãúp chàût (AgCd3). 4-Pha Laves : La pha taûo nãn båíi hai nguyãn täú (A, B), coï tyí lãû âæåìng kênh nguyãn tæí dA/dB = 1,2 (tyí lãû naìy coï thãø biãún âäøi trong phaûm vi 1,1 ÷ 1,6), coï cäng thæïc AB2, kiãøu maûng saïu phæång xãúp chàût (MgZn2) hay láûp phæång tám màût (MgCu2). Trong håüp kim coï thãø coìn gàûp caïc pha : σ , λ , δ , µ Tuy nhiãn caïc loaûi pha naìy êt phäø biãún. Mäüt âàûc tênh quan troüng cuía caïc pha trung gian laì cæïng vaì doìn. Vç váûy khäng bao giåì ngæåìi ta duìng håüp kim chè coï mäüt pha laì pha trung gian. Tyí lãû cuía chuïng trong caïc håüp kim thäng thæåìng < 10% (coï khi âãún 20 ÷ 30%), âáy laì caïc pha caín træåüt laìm tàng âäü bãön, âäü cæïng. 2.2.3.Häùn håüp cå hoüc : Khaï nhiãöu træåìng håüp, håüp kim coï täø chæïc hai hay nhiãöu pha : hai dung dëch ràõn, dung dëch ràõn vaì håüp cháút hoïa hoüc Cáúu taûo nhæ váûy goüi laì häùn håüp cå hoüc. Trãn täø chæïc tãú vi ta phán biãût âæåüc ráút roî caïc pha khaïc nhau trong häùn håüp cå hoüc. Hai træåìng håüp âiãøn hçnh cuía häùn håüp cå hoüc laì cuìng tinh vaì cuìng têch. 20
21. 2.3.CAÏC DAÛNG GIAÍN ÂÄÖ PHA HAI CÁÚU TÆÍ KHÄNG COÏ CHUYÃØN BIÃÚN ÂA HÇNH (THUÌ HÇNH) 2.3.1.Caïc giaín âäö pha hai cáúu tæí : 1-Cáúu taûo cuía giaín âäö pha hai cáúu tæí : a-Cáúu taûo cuía giaín âäö pha 1 cáúu tæí : Do laì cáúu tæí nguyãn cháút nãn thaình pháön hoaï hoüc cuía chuïng khäng thay âäøi, vç thãú giaín âäö pha mäüt cáúu tæí ráút âån giaín. Noï chè laì mäüt âæåìng thàóng âæïng trãn âoï ta ghi caïc nhiãût âäü chuyãøn biãún pha cuía cáúu tæí. b-Cáúu taûo cuía giaín âäö pha hai cáúu tæí : Giaín âäö pha håüp kim hai cáúu tæ gäöm coï hai truûc : truûc tung biãøu diãùn nhiãût âäü, truûc hoaình biãøu diãnù thaình pháön hoaï hoüc. Trãn âoï ta veî caïc âæåìng phán chia caïc khu væûc pha khaïc nhau. Caïc âiãøm nàòm trãn âæåìng nàòm ngang biãøu thë cho caïc håüp kim coï thaình pháön hoaï hoüc khaïc nhau nhæng åí cuìng mäüt nhiãût âäü. Caïc âiãøm nàòm trãn âæåìng thàóng âæïng biãøu thë cho håüp kim coï thaình pháön xaïc âënh nhæng åí caïc nhiãût âäü khaïc nhau. Nãúu håüp kim coï cáúu taûo laì hai pha thç âiãøm biãøu diãùn cuía chuïng nàòm vãö hai phêa âäúi diãûn våïi âiãøm biãøu diãùn håüp kim. L(loíng) 1539 ü C δ-Fe(A2) 0 ü, û t âä û t âä Nhiã γ-Fe(A1) Nhiã C D 911 α-Fe(A2) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 A B Hçnh 2.5- Giaín âäö pha cuía sàtõ Hçnh 2.6-Hãû truûc cuía giaín âäö pha 2 cáúu tæí í 2-Giaín âäö pha hai cáúu tæí khäng hoìa tan vaìo nhau, khäng taûo thaình pha trung gian (giaín âäö loaûi 1) : Säú cáúu tæí : A vaì B (C = 2) Caïc pha coï thãø taûo thaình : loíng (L) hoìa tan vä haûn cuía A vaì B, A vaì B. Säú pha låïn nháút PMAX = 3 AEB laì âæåìng loíng : taûi nhiãût âäü æïng våïi âæåìng naìy håüp kim bàõt âáöu kãút tinh. ÅÍ cao hån âæåìng loíng håüp kim hoaìn toaìn åí traûng thaïi loíng. CED laì âæåìng âàûc : taûi nhiãût âäü æïng våïi âæåìng âàûc håüp kim loíng kãút thuïc kãút tinh. Tháúp hån nhiãût âäü naìy håüp kim åí traûng thaïi ràõn. Trong khoaíng nhiãût âäü giæîa âæåìng loíng vaì 21
22. âæåìng âàûc laì quaï trçnh noïng chaíy hay kãút tinh cuía håüp kim, täön taûi âäöng thåìi caí pha ràõn vaì loíng. Våïi loaûi giaín âäö naìy CED coìn goüi laì âæåìng cuìng tinh. E goüi laì âiãøm cuìng tinh (eutectic). Caïc håüp kim coï thaình pháön nàòm bãn traïi âiãøm E goüi laì håüp kim træåïc cuìng tinh (hypoeutectic). Caïc håüp kim coï thaình pháön nàòm bãn phaíi âiãøm E goüi laì håüp kim sau cuìng tinh (hypereutectic). Håüp kim coï thaình pháön taûi E goüi laì håüp kim cuìng tinh. Trong thæûc tãú hãû Pb - Sb thuäüc loaûi giaín âäö naìy. a - Quaï trçnh kãút tinh cuía håüp kim træåïc cuìng tinh : * ÅÍ cao hån nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 0 : håüp kim hoaìn toaìn åí trangû thaïi loíng (L). * Laìm nguäüi tæì 0 âãún 1: âáy laì quaï trçnh nguäüi cuía håüp kim loíng (L↓). * Taûi nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 1: tæì håüp kim loíng kãút tinh ra tinh thãø A. * Laìm nguäüi tæì 1 âãún 2 : tinh thãø A sinh ra ngaìy caìng nhiãöu, håüp kim loíng caìng ngaìy caìng êt âi vaì thaình pháön cuía noï biãún âäøi theo âæåìng tæì 1 ÷ E (giaìu B hån). *Taûi nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 2 : pháön håüp kim loíng cuäúi cuìng coï thaình pháön taûi E seî kãút tinh âäöng thåìi ra A vaì B cuìng mäüt luïc, täø chæïc naìy goüi laì täø chæïc cuìng tinh. Quaï trçnh naìy goüi laì chuyãøn biãún cuìng tinh (eutectic), xaíy ra taûi nhiãût âäü khäng thay âäøi. 0 LE → (A + B) t = const * Laìm nguäüi tæì 2 âãún 3 laì quaï trçnh nguäüi cuía håüp kim ràõn, khäng xaíy ra chuyãøn biãún naìo khaïc. Täø chæïc nháûn âæåüc åí nhiãût âäü thæåìng laì A + (A +B). Caïc tinh thãø A kãút tinh ra træåïc coï kêch thæåïc thä to hån cuìng tinh (A + B). b - Quaï trçnh kãút tinh cuía håüp kim sau cuìng tinh : 0 1’ 1 2 3 Hçnh 2.7 -Giaín âäö pha loaûi 1, daûng täøng quaït (a), hãû Pb-Sb (b) * Quaï trçnh kãút tinh cuía håüp kim sau cuìng tinh hoaìn toaìn giäúng nhæ håüp kim træåïc cuìng tinh, nhæng chè khaïc laì tæì håüp kim loíng seî kãút tinh ra tinh thãø B træåïc vaì pháön loíng coìn laûi seî ngheìo B âi khi nhiãût âäü tiãúp tuûc giaím xuäúng. * Täø chæïc nháûn âæåüc åí nhiãût âäü thæåìng laì B + (A + B). c - Quaï trçnh kãút tinh cuía håüp kim cuìng tinh Håpü kim naìy coï thaình pháön æïng våïi âiãøm E. Khi laìm nguäüi âãún nhiãût âäü æïng våïi âiãøm E håüp kim loíng seî kãút tinh âäöng thåìi ra (A + B) cuìng mäüt luïc vaì saín pháøm cuäúi cuìng laì cuìng tinh (A + B). Nháûn xeït : Caïc håüp kim coï giaín âäö loaûi 1 kãút tinh theo thæï tæû sau : træåïc tiãn pha loíng kãút tinh ra mäüt trong hai cáúu tæí nguyãn cháút træåïc, laìm cho pha loíng ngheìo cáúu tæí naìy 22
23. vaì biãún âäøi thaình pháön âãún âiãøm cuìng tinh E. Âãún âáy pha loíng coìn laûi seî kãút tinh ra hai cáúu tæí cuìng mäüt luïc. d - Tam giaïc Tam man : Trong caïc hãû håüp kim coï giaín âäö loaûi 1 ta veî thãm mäüt tam giaïc phuû âãø xaïc âënh tyí lãû cuía täø chæïc cuìng tinh cuîng nhæ caïc cáúu tæí nguyãn cháút mäüt caïch dãù daìng æïng våïi caïc thaình pháön khaïc nhau. Tam giaïc naìy goüi laì tam giaïc Tam - man (do Tam - man ngæåìi Âæïc âæa ra). Taûi âiãøm E täø chæïc cuìng tinh chiãúm 100%. Ta coi âoaûn EF bàòng 100% (A + B), vç váûy caïc âæåìng song song våïi EF seî chè ra tè lãû cuía täø chæïc cuìng tinh tæång æïng trong caïc håüp kim. Tæång tæû nhæ váûy ta hoaìn toaìn coï thãø xacï âënh tyí lãû caïc cáúu tæí A vaì B tæång æïng trong caïc håüp kim. A E B F Hçnh 2.8 - Tam giaïc Tamman e - Thiãn têch vuìng : Caïc håüp kim coï giaín âäö loaûi 1 thæåìng xaíy ra thiãn têch vuìng khi kãút tinh, âàûc biãût laì khi laìm nguäüi cháûm (thiãn têch vuìng laì sæû khaïc nhau vãö thaình pháön hoïa hoüc giæîa caïc vuìng khaïc nhau cuía váût âuïc) . Vê duû : Hãû håüp kim Pb - Sb nãúu chç kãút tinh ra træåïc noï seî chçm xuäúng âaïy khuän âuïc (γ = 11,34 g/cm2).Stibi nãúu kãút tinh ra træåïc thç noï seî näøi lãn trãn(γ = 6,69g/cm2).Do váûy phêa trãn váût âuïc giaìu Sb, phêa dæåïi giaìu Pb. Tuy nhiãn hiãûn tæåüng thiãn têch vuìng coï thãø khàõc phuûc âæåüc bàòng caïch laìm nguäüi tháût nhanh âãø khäng këp xaíy ra hiãûn tæåüng chçm näøi cuía caïc tinh thãø hay cho vaìo håüp kim loíng mäüt cháút âàûc biãût noï seî taûo ra bäü khung xæång træåïc (tyí troüng ≈ håüp kim loíng), chuïng lå læíng trong håüp kim loíng ngàn caín quaï trçnh thiãn têch. 3-Giaín âäö pha hai cáúu tæí hoaìn toaìn hoìa tan vaìo nhau, khäng taûo thaình pha trung gian (giaín âäö loüai 2) : Säú cáúu tæí : A vaì B (C = 2) Säú pha coï thãø taûo thaình : håüp kim loíng hoìa tan vä haûn cuía A vaì B, dung dëch ràõn hoìa tan vä haûn cuía A vaì B laì α (P max = 2). Âæåìng AmB goüi laì âæåìng loíng, âæåìng AnB goüi laì âæåìng âàûc. Hãû Cu - Ni coï giaín âäö loaûi naìy. 23
24. 0 1 2’ 1’ 2 3 Hçnh 2.9 -Giaín âäö pha loaûi 2, daûng täøng quaït (a), hãû Cu-Ni (b) a - Xeït quaï trçnh kãút tinh cuía mäüt håüp kim cuû thãø (håüp kim 1) * Taûi nhiãût âäü æïng våïi 0 håüp kim täön taûi åí traûng thaïi loíng. * Laìm nguäüi tæì 0 - 1 : quaï trçnh nguäüi cuía håüp kim loíng. * Taûi nhiãût âäü æïn våïi âiãøm 1 tæì håüp kim loíng kãút tinh ra dung dëch ràõn hoìa tan vä haûn cuía A vaì B laì α . * Laìm nguäüi trong khoaíng nhiãût âäü tæì 1 âãún âiãøm 2 dung dëch ràõn α sinh ra ngaìy caìng nhiãöu, thaình pháön hoïa hoüc cuía noï biãún âäøi theo âæåìng tæì 1 - 2', håüp kim loíng ngaìy caìng êt âi vaì thaình pháön hoïa hoüc biãún âäøi tæì 1' - 2. * Taûi nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 2 håüp kim loíng hãút. * Laìm nguäüi tæì 2 - 3 laì quaï trçnh nguäüi cuía dung dëch ràõn α . Nháûn xeït : Caïc håüp kim coï giaín âäö loaûi 2 coï quy luáût kãút tinh nhæ sau : nãúu ta láúy âån vë laì cáúu tæí coï nhiãût âäü noïng chaíy cao hån thç âáöu tiãn tæì håüp kim loíng kãút tinh ra dung dëch ràõn giaìu cáúu tæí naìy hån, do váûy pha loíng coìn laûi seî ngheìo cáúu tæí naìy âi. Nhæng nãúu laìm nguäüi cháûm thç dung dëch ràõn taûo thaình biãún âäøi thaình pháön theo hæåïng ngheìo cáúu tæí naìy vaì cuäúi cuìng âaût thaình pháön håüp kim. b - Thiãn têch nhaïnh cáy (thiãn têch trong baín thán haût): Håüp kim coï giaín âäö loaûi 2 khi kãút tinh taûi mäùi nhiãût âäü khaïc nhau, thaình pháön hoïa hoüc cuía dung dëch ràôn cuîng khaïc nhau. Do âoïú bàòng caïch laìm nguäüi thäng thæåìng (nguäüi cháûm) haût kim loaûi âuïc taûo thaình seî khäng âäöng nháút vãö thaình pháön hoïa hoüc. Hiãûn tæåüng naìy goüi laì thiãn têch nhaïnh cáy (hay thiãn têch trong baín thán haût). Khàõc phuûc bàòng caïch laìm nguäüi cháûm hay uí khuãúch taïn sau khi âuïc. 4-Giaín âäö pha hai cáúu tæí hoìa tan coï haûn vaìo nhau, khäng taûo thaình pha trung gian (giaín âäö loaûi 3) : Säú cáúu tæí : A vaì B (C = 2) Säú pha coï thãø taûo thaình : PMax = 3 Håüp kim loíng hoìa tan vä haûn cuía A vaì B α - dung dëch ràõn cuía B hoìa tan coï haûn trong cáúu tæí A, A(B) β - dung dëch ràõn cuía A hoìa tan coï haûn trong cáúu tæí B, B(A) 24
25. Âæåìng AEB laì âæåìng loíng, ACDB laì âæåìng âàûc, CED laì âæåìng cuìng tinh. CF laì âæåìng giåïi haûn hoìa tan cuía B trong cáúu tæí A åí traûng thaïi ràõn, DG laì âæåìng giåïi haûn hoìa tan cuía A trong B åí traûng thaïi ràõn. Âiãøm E laì âiãøm cuìng tinh. Hãû håüp kim Ag - Cu vaì Pb - Sn coï giaín âäö loaûi naìy. I II A 1 L B 1’ 1’ 1 L+α E L+β 2 D C 2 2’ ) β 3 β II β+α II α α+βII + II β α α + ( +(α+β) +(α+β) + α β 100%A 100%B F 4 C’ 3 E’ D’ G %B Hinh 2.10 -Giaín âäö pha loaûi 3 daûng täøng quaït (a), hãû Pb-Sn (b) Cuîng tæång tæû nhæ giaín âäö loaûi 1, nhiãût âäü chaíy cuía cáúu tæí báút kyì seî giaím âi nãúu âæåüc âà thãm cáúu tæí thæï hai vaìo. Giaín âäö loüai 3 gäöm nhæ täøng håüp cuía hai giaín âäö loaûi 1 vaì loaûi 2. Coï thãø chia caïc håüp kim cuía hãû thaình ba nhoïm sau : a- Nhoïm chæïa ráút êt cáúu tæí thæï hai (coï thaình pháön nàòm bãn traïi F vaì bãn phaíi G), quaï trçnh kãút tinh giäúng giaín âäö loaûi 2, saín pháøm nháûn âæåüc laì dung dëch ràõn α vaì β . b - Nhoïm chæïa mäüt læåüng haûn chãú cáúu tæí thæï 2 (thaình pháön nàòm trong khoaíng F-C' vaì G-D'), ban âáöu kãút tinh ra dung dëch ràõn, nhæng khi nhiãût âäü tiãúp tuûc giaím âi tháúp hån âæåìng CF vaì DG thç do læåüng cáúu tæí hoìa tan laì quaï baîo hoìa nãn tiãút ra læåüng cáúu tæí thæìa dæåïi daûng dung dëch ràõn thæï cáúp (α thæìa B tiãút ra β II, β thæìa A tiãút ra α II). Ta xeït quaï trçnh kãút tinh cuía håüp kim I : * Taûi nhiãût âäü æïng våïi 0 : håüp kim åí traûng thaïi loíng * Laìm nguäüi tæì nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 0 âãún 1, quaï trçnh nguäüi cuía håüp kim loíng. * Taûi nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 1, tæì håüp ki loíng kãút tinh ra dung dëch ràõn α , coï thaình pháön xaïc âënh taûi âiãøm 1'. * Laìm nguäüi tæì nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 1 âãún âiãøm 2, dung dëch ràõn α sinh ra ngaìy caìng nhiãöu, thaình pháön cuía noï biãún âäøi theo âæåìng tæì 1' - 2, håüp kim loíng ngaìy caìng êt âi, thaình pháöm cuía noï biãún âäøi theo âæåìng tæì 2 - 2'. * Taûi nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 2 håüp kim loíng hãút. 25
26. * Laìm nguäüi tæì 2 âãún 3 laì quaï trçnh nguäüi cuía dung dëch ràõn α . * Taûi nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 3 do læåüng hoìa tan cuía B vaìo A laì quaï baîo hoìa nãn B thæìa âæåüc tiãút ra dæåïi daûng dung dëch ràõn β II (α → β II) * Taûi nhiãût âäü thæåìng saín pháøm nháûn âæåüc laì α + β II c - Nhoïm chæïa mäüt læåüng låïn cáúu tæí thæï hai, coï thaình pháön nàòm trong khoaíng C'-D', ban âáöu kãút tinh ra dung dëch ràõn (α C hay β D), pha loíng coìn laûi biãún âäøi thaình pháön theo âæåìng loíng âãún âiãøm E vaì kãút tinh ra täø chæïc cuìng tinh. Khi nhiãût âäü haû xuäúng tháúp hån âæåìng CF vaì DG cuîng coï quaï trçnh tiãút ra cáúu tæí hoìa tan thæìa dæåïi daûng β II vaì α II. Quaï trçnh kãút tinh cuía nhoïm naìy giäúng giaín âäö loaûi 1. Xeït quaï trçnh kãút tinh cuía håüp kim II. * Taûi nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 0 håüp kim åí traûng thaïi loíng * Laìm nguäüi tæì nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 0 âãún diãøm 1, laì quaï trçnh nguäüi cuía håüp kim loíng. * Taûi nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 1 tæì håüp kim loíng kãút tinh ra dug dëch ràõn α coï thaình pháön taûi 1'. * Laìm nguäüi tæì nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 1 âãún âiãøm 2 dung dëch ràõn α sinh ra ngaìy caìng nhiãöu, thaình pháön cuía noï thay âäøi theo âæåìng tæì 1' - C. Håüp kim loíng ngaìy caìng êt âi, thaình pháön cuía noï thay âäøi tæì 1 - E. * Taûi nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 2, håüp kim loíng coìn laûi coï thaình pháön taûi E seî kãút tinh âäöng thåìi ra hai dung dëch ràõn α C vaì β D cuìng mäüt luïc. Quaï trçnh naìy diãùn ra taûi nhiãût âäü khäng âäøi. LE → (α C + β D) * Laìm nguäüi tæì nhiãût âäü æïng våïi âiãøm 2 âãún 3 do læåüng cáúu tæí hoìa tan laì quaï baîo hoìa nãn coï quaï trçnh tiãút ra β II tæì α vaì α II. tæì β . Tuy nhiãn α II. âæåüc tiãút ra tæì β trong cuìng tinh, nàòm láùn läün våïi α C nãn khäng nhçn tháúy âæåüc. Do váûy täø chæïc nháûn âæåüc åí nhiãût âäü thæåìng laì α + β II + (α + β ). 5-Giaín âäö pha hai cáúu tæí hoaìn toaìn khäng hoìa tan vaìo nhau, taûo thaình håüp cháút hoïa hoüc äøn âënh (giaín âäö loaûi 4) : Caïc cáúu tæí : A vaì B (C = 2) Caïc pha coï thãø taûo thaình : håüp kim loíng, cáúu tæí A, B vaì håüp cháút hoïa hoüc cuía chuïng laì AmBn (kyï hiãûu laì H). Håüp cháút hoïa hoüc H coï nhiãût âäü noïng cahyí riãng, thaình pháön xaïc âënh vaì khäng thãø hoìa tan thãm cáúu tæí A, B. Hãû håüp kim Mg - Si thuäüc loaûi naìy. Nghiãn cæïu quaï trçnh kãút tinh cuía håüp kim coï giaín âäö loaûi naìy ta âæa vãö nghiãn cæïu hai giaín âäö pha loaûi 1 laì A-H vaì H-B (H âæåüc xem laì mäüt cáúu tæí âäüc láûp) 2.3.2.Quan hãû giæîa daûng giaín âäö pha vaì tênh cháút cuía håüp kim : Caïc loaûi giaín âäö pha khaïc nhau coï mäúi quan hãû giæîa daûng cuía giaín âäö vaì tênh cháút cuía håüp kim hoaìn toaìn khaïc nhau. Ta biãút ràòng pha thaình pháön laì pha taûo nãn täø chæïc cuía håüp kim. Khi håüp kim coï täø chæïc mäüt pha thç pha thaình pháön duy nháút âoï âäöng nháút våïi håüp kim, tæïc laì tênh cháút cuía noï chênh laì tênh cháút cuía håüp kim. Træåìng håüp coï täø chæïc gäöm nhiãöu pha thç tênh cháút cuía cuía håüp kim la sæû täøng håüp tênh cháút cuía caïc pha thaình pháön. Ta seî xem xeït cuû thãø mäúi quan hãû giæîa daûng cuía giaín âäö pha våïi tênh cháút cuía håüp kim nhæ thãú naìo. 26
27. Hçnh 2.11 -Giaín âäö pha loaûi 4, daûng täøng quaït (a), hãû Mg-Cu (b) a - Giaín âäö loaûi 1 : - Cå lyï tênh : Tênh cháút cuía håüp kim laì trung gian giæîa tênh cháút cuía tinh thãø A vaì tinh thãø B, tæïc laì tinh thãø naìo coï tyí lãû caìng låïn thç seî aính hæåíng caìng nhiãöu âãún tinh cháút tênh cháút cuía noï. Cuû thãø nhæ sau : Tênh cháút håüp kim = %A X t/c A + %B X t/c B Tênh cháút cuía håüp kim phuû thuäüc vaìo thaình pháön theo quy luáût báûc nháút. -Tênh cäng nghãû : * Tênh âuïc cuía håüp kim noïi chung täút vç âäü chaíy loaîng cao, nhiãût âäü noïng chaíy tháúp, kãút tinh trong mäüt khoaíng nhiãût âäü êt gáy co ngoït. * Tênh cháút gia cäng aïp læûc khäng cao. * Tênh gia cäng càõt goüt täút, phoi dãù gaîy. b - Giaín âäö loaûi 2 : - Cå lyï tênh : Mäúi quan hãû giæîa tênh cháút va thaình pháön theo quy luáût báûc hai. Âæåìng cong biãøu diãùn coï cæûc âaûi taûi 50% thaình pháön, âäü bãön vaì âäü cæïng âãöu cao hån cáúu tæí thaình pháön. Âiãûn tråí tàng maûnh theo thaình pháön cháút hoìa tan. - Tênh cäng nghãû : * Tênh âuïc xáúu vç khaí nàng âiãön âáöy khuän khäng cao, khoaíng âäng thæåìng låïn * Tênh gia cäng aïp læûc täút vç khaï deío dai * Tênh gia cäng càõt goüt xáúu vç âäü bãön âäü cæïng cao, deío phoi khoï gaîy c - Giaín âäö loaûi 3 : Mäúi quan hãû naìy laì täøng håüp cuía hai loaûi trãn. d - Giaín âäö loaûi 4 : Mäúi quan hãû giæîa tênh cháút vaì thaình pháön coï daûng âæångì thàóng vaì âiãøm cæûc âaûi æïng våïi thaình pháön cuía håüp chát hoïa hoüc H. 27
28. Hçnh 2.12 -Quan hãû giæîa tênh cháút cuía váût liãûu vaì giaín ö 2.4.GIAÍN ÂÄÖ PHA SÀT - CAÏC BON (Fe - Fe3C) : 2.4.1.Cáúu tæí sàõt vaì caïc bon 1-Cáúu tæí sàõt : 28
29. Sàõt laì nguyãn täú coï khaï nhiãöu trong tæû nhiãn. Hiãûn taûi ngæåìi ta âaî luyãûn âæåüc sàõt våïi âäü saûch 99,99999% Fe. Trong thæûc tãú saín xuáút ngæåìi ta thæåìng nghiãn cæïu våïi sàõt coï læåüng chæïa 99,8 ÷ 99,9%. Sàõt naìy goüi laì sàõt nguyãn cháút kyî thuáût (sàõt am kä) a- Cå tênh : Sàõt laì nguyãn täú coï cå tênh khaï cao, cuû thãø nhæ sau : 2 * Giåïi haûn bãön keïo : σ b = 250 MN/m (MPa) 2 * Giåïi haûn chaíy quy æåïc : σ 0,2 = 120MN/m * Âäü giaîn daìi tæång âäúi : δ % = 50 * Âäü thàõt tyí âäúi : ψ % = 85 2 * Âäü dai va âáûp : ak = 3000 Kj/m * Âäü cæïng HB = 80 b - Tênh âa hçnh cuía sàõt : Sàõt laì kim loaûi coï tênh âa hçnh, noï coï hai kiãøu maûng tinh thãø åí caïc khoaíng nhiãût âäü khaïc nhau : - Maûng láûp phæång tám khäúi täön taûi åí nhiãût âäü : o o + Nhoí hån 911 C goüi laì sàõt an pha (Feα) coï a = 2,68 Kx. Dæåïi 768 C coï tæì tênh, cao hån nhiãût âäü naìy máút tênh sàõt tæì. Taûi nhiãût âäü cao hån 768oC goüi laì sàõt bã ta (Feβ) coï a = 2,90Kx. o o + Tæì 1392 C âãún 1539 C goüi laì sàõt âen ta (Feδ) coï a = 2,93Kx. -Maûng láûp phæång tám màût täön taûi åí nhiãût âäü : 9110C < t0 < 13920C, goüi laì sàõt gama (Feγ) coï a = 3,56Kx. c-Khaí nàng hoìa tan caïc bon cuía sàõt : Hai loaûi maûng tinh thãø cuía sàõt coï khaí nàng hoìa tan caïc bon dæåïi daûng xen keî khaïc nhau. Âæåìng kênh nguyãn tæí caïc bon laì 1,54Kx. Trong khi âoï läù häøng låïn nháút trong maûng tám khäúi coï d = 0,64Kx. Maûng láûp phæång tám màût coï säú läù häøng êt hån nhæng kêch thæåïc laûi låïn hån, d = 1,02Kx. Vãö nguyãn tàõc thç sàõt khäng thãø hoìa tan caïc bon âæåüc. Tuy nhiãn trong thæûc tãú sàõt an pha hoìa tan âæåüc 0,02%C åí 727oC, sàõt âen ta hoìa tan 0,1%C åí 1499oC. Sàõt gama hoìa tan 2,14%C åí 1147OC. Ngæåìi ta cho ràòng caïc bon chui vaìo nåi coï nhiãöu sai lãûch maûng nháút. Våïi sàõt gama coï thãø hoìa tan täúi âa khoaíng 10% nguyãn tæí sàõt. 2-Cáúu tæí caïc bon : a- Caïc daûng täön taûi cuía caïc bon : Trong tæû nhiãn caïc bon täön taûi dæåïi ba daûng : than âaï (vä âënh hçnh), kim cæång vaì graphêt (coï cáúu taûo maûng tinh thãø). Trong håüp kim Fe - C caïc bon chè täön taûi tæû do åí daûng graphêt (trong caïc loaûi gang coï graphêt). b - Tæång taïc hoïa hoüc giæîa sàõt vaì caïc bon : Khi læåüng hoìa tan cuía caïc bon vaìo sàõt væåüt quaï giåïi haûn cuía dung dëch ràõn thç seî taûo nãn caïc håüp cháút hoïa hoüc : Fe3C (6,67%C), Fe2C (9,67%C) vaì FeC (17,67%C). Tuy nhiãn trong håüp kim sàõt caïc bon do chè sæí duûng åí giåïi haûn khoaíng 5%C nãn chè coï Fe3C vaì håüp cháút naìy coï tãn laì xãmentit. Xãmentit laì pha xen keî coï kiãøu maûng phæïc taûp, nhiãût âäü noïng chaíy khoaíng 1250oC vaì coï âäü cæïng cao - 800HB. ÅÍ nhiãût âäü nhoí hån 217oC coï tæì tênh. Låïn hån nhiãût âäü naìy máút tênh sàõt tæì. Khi hoìa tan thãm caïc nguyãn täú håüp kim (Cr, Mn, W ) dæåïi daûng thay thãú ta coï xãmentit håüp kim (nguyãn täú håüp kim thay vaìo vë trê cuía sàõt. 29
30. 2.4.2.Giaín âäö pha Fe - C (Fe - Fe3C) : 1- Daûng täøng quaït cuía giaín âäö pha Fe - C : Chuïng ta chè nghiãn cæïu giaín âäö pha chæïa 6,67%C nãn coìn goüi laì giaín âäö pha Fe - Fe3C. Daûng cuía giaín âäö pha naìy thoaût nhçn khaï phæïc taûp, tuy nhiãn nãúu phán têch ra thç noï laì täøng håüp cuía bäún loaûi giaín âäö pha âaî nghiãn cæïu træåïc âáy. Kyï hiãûu caïc âiãøm vaì toüa âäü cuía chuïng âaî âæåüc quäúc tãú hoïa. Cuû thãø nhæ sau : Âiãøm %C Nhiãût âä oC A 0 1539 B 0,5 1499 C 4,30 1147 D 6,67 1250 E 2,14 1147 F 6,67 1147 G 0 911 H 0,10 1499 J 0,16 1499 K 6,67 727 L 6,67 0 N 0 1392 P 0,02 727 Q 0,006 0 S 0,80 727 Caïc âæåìng trãn giaín âäö pha : -ABCD laì âæåìng loíng. -AÛHECF laì âæåìng âàûc. - ECF laì âæåìng cuìng tinh, taûi nhiãût âäü naìy xaíy ra phaín æïng cuìng tinh (euteïtic) - PSK laì âæåìng cuìng têch, taûi âáy xaíy ra phaín æïng cuìng têch (eutectoid). - SE laì giåïi haûn hoìa tan cuía caïc bon trong sàõt gamma. - PQ laì giåïi haûn hoìa tan cuía caïc bon trong sàõt an pha. 2 - Caïc chuyãøn biãún xaíy ra khi laìm nguäüi cháûm : Trong giaín âäö pha Fe - Fe3C coï âáöy âuí caïc chuyãøn biãún maì ta âaî nghiãn cæïu åí pháön træåïc âáy. Khi laìm nguäüi cháûm coï caïc chuyãøn biãún sau : - Chuyãøn biãún bao tinh : xaíy ra taûi nhiãût âäü 1499oC trong caïc håüp kim coï 0,10 ÷ 0,50%C (tæång æïng âæåìng HJB). δ H + LB ↔γ J hay δ 0,10 + L0,50 ↔ γ 0,16 Trong thæûc tãú ta khäng âãø yï âãún chuyãøn biãún naìy vç noï xaíy ra åí nhiãût âäü ráút cao vaì håüp kim coìn mäüt pháön åí traûng thaïi loíng, noï khäng aính hæåíng gç âãún täø chæïc theïp khi gia cäng vaì sæí duûng. - Chuyãøn biãún cuìng tinh : xaíy ra åí nhiãût âäü 1147oC trong caïc håüp kim coï læåüng caïc bon > 2,14% (tæång æïng âæåìng ECF). LC ↔ (γ E + Fe3CF ) hay L4,3 ↔ (γ 2,14 + Fe3C6,67 ) 30
31. -Chuyãøn biãún cuìng têch : xaíy ra taûi nhiãût âäü 727oC, coï háöu hãút trong caïc håüp kim (âæåìng PSK). γ S ↔ (α P + Fe3CK) hay γ 0,8 ↔ (α 0,02 + Fe3C6,67) - Sæû tiãút ra pha Fe3C dæ ra khoíi dung dëch ràõn : Xaíy ra trong dung dëch ràõn Feγ theo âæåìng ES vaì trong Feα theo âæåìng PQ. Hçnh 2.13 -Giaín âäö pha Fe-C (Fe-Fe3C) 3 - Caïc täø chæïc cuía håüp kim Fe - Fe3C : a- Täø chæïc mäüt pha : * Ferit (kyï hiãûu α , F hay Feα ) : laì dung dëch ràõn xen keî cuía caïc bon trong Feα , coï kiãøu maûng láûp phæång tám khäúi. Laì pha deío, dai, mãöm vaì keïm bãön, åí nhiãût âäü < 768oC coï tæì tênh, cao hån nhiãût âäü naìy máút tæì tênh . Khi hoìa tan thãm caïc nguyãn täú håüp kim Mn, Si, Ni âäü bãön cuía noï tàng lãn, âäü deío dai giaím âi. Ferit laì pha täön taûi åí nhiãût âäü thæåìng, chiãúm tyí lãû khaï låïn (khoaíng ≥ 90%) nãn aính khaï nhiãöu âãún cå tênh cuía håüp kim. Täø chæïc cuía noï laì caïc haût saïng, âa caûnh. Goüi laì phe rit xuáút phaït tæì tiãúng Latinh ferum nghéa laì sàõt. *Austenit [kyï hiãûu γ , As , Feγ (C)] : laì dung dëch ràõn xen keî cuía caïc bon trong Feγ coï maûng láûp phæång tám màût. Laì pha ráút deío vaì dai, âäü cæïng tháúp. Noï khäng coï tæì tênh vaì khäng täön taûi åí nhiãût âäü tháúp hån 727oC trong håüp kim sàõt caïc bon nguyãn cháút, chè täön taûi åí nhiãût âäü thæåìng trong caïc håüp kim chæïa mäüt læåüng âaïng kãø Mn, Ni Tuy khäng täön taûi åí nhiãût âäü thæåìng nhæng coï vai troì quyãút âënh trong biãún daûng noïng vaì nhiãût luyãûn 31
32. theïp. Täø chæïc cuía noï laì caïc haût saïng coï song tinh. Tãn goüi austenit âãø kyí niãûm nhaì váût liãûu hoüc ngæåìi Anh : Räbe Ästen. Hçnh 2.14 -Täø chæïc tãú vi cuía ferit (a) vaì austenit *Xãmentit (kyï hiãûu Xã, Fe3C) : laì pha xen keî våïi kiãøu maûng phæïc taûp, chæïa 6,67%C vaì coï cäng thæïc Fe3C, tæång æïng våïi âæåìng DFKL. Xãmentit laì pha cæïng, doìn, åí nhiãût âäü nhoí hån 217oC coï tæì tênh, cao hån nhiãût âäü naìy máút tæì tênh. Cuìng våïi ferit, noï taûo nãn caïc täø chæïc khaïc nhau cuía håüp kim Fe -C. Xãmentêt xuáút phaït tæì tãn goüi ceïmen coï nghéa laì cæïng.Ta phán biãût ra bäún loaûi xãmentit : + Xãmentit thæï nháút : (XãI, Fe3CI) : âæåüc taûo thaình tæì håüp kim loíng do giaím näöng âäü caïc bon trong håüp kim loíng theo âæåìng DC khi nhiãût âäü giaím. Noï chè coï trong caïc håüp kim chæïa > 4,3%C. Do taûo thaình tæì traûng thaïi loíng vaì åí nhiãût âäü cao nãn coï daûng thàóng, thä to. + Xãmentit thæï hai : (XãII, Fe3CII) : âæåüc taûo thaình do giaím näöng âäü caïc bon trong austenit theo âæåìng ES khi haû nhiãût âäü tæì 1147oC âãún 727oC, noï sinh ra trong caïc håüp kim coï > 0,80%C vaì tháúy roî nháút trong caïc håüp kim chæïa tæì 0,80 âãún 2,14%C. Do taûo thaình åí nhiãût âäü khäng cao làõm vaì tæì traûng thaïi ràõn nãn kêch thæåïc nhoí mën, thæåìng coï daûng læåïi bao quanh haût peclit (austenit). + Xãmen tit thæï ba : (XãIII,, Fe3CIII) : âæåüc taûo thaình khi giaím näöng âäü caïc bon trong ferit theo âæåìng PQ khi haû nhiãût âäü tæì 727oC, tháúy roî nháút trong caïc håüp kim < 0,02%C. Do taûo thaình åí nhiãût âäü ráút tháúp nãn kêch thæåïc ráút nhoí mën, säú læåüng khäng âaïng kãø, trong thæûc tãú ta boí qua noï. +Xãmentit cuìng têch : âæåüc taûo thaình do chuyãøn biãún cuìng têch austenit thaình peïc lit, noï coï vai troì ráút quan troüng trong caïc håüp kim sàõt caïc bon. b-Caïc täø chæïc hai pha : *Peclêt [kyï hiãûu P hay (F +Xã)] : laì häùn håüp cå hoüc cuìng têch cuía phe rêt vaì xãmentit âæåüc taûo ra tæì chuyãøn biãún cuìng têch cuía austenit. Trong peïc lêt coï 88% F vaì 12% Xã. Peïc lêt khaï bãön vaì cæïng nhæng cuîng âuí âäü deío dai âaïp æïng âæåüc caïc yãu cáöu cuía váût 32
33. liãûu kãút cáúu vaì duûng cuû. Tuìy thuäüc hçnh daûng cuía xãmentêt, peïc lêt âæåüc chia ra laìm hai loaûi laì peïc lêt táúm vaì peïc lêt haût. Nãúu xãmentit åí daûng táúm goüi laì peïc lêt táúm, coï âäü cæïng cao hån, âáy laì daûng thæåìng gàûp trong thæûc tãú. Nãúu xãmentit åí daûng haût goüi laì peïc lit haût, âäü Hçnh 2.15 -Täø chæïc xãmentit 2 daûng læåïi åí theïp sau cuìng têch cæïng tháúp hån, dãù càõt goüt. Peïc lêt haût êt gàûp trong thæûc tãú, chè nháû âæåüc khi uí cáöu hoïa. Peïc lêt haût coï tênh äøn âënh cao hån peïc lêt táúm. Tãn goüi peïc lêt xuáút phaït tæì peard coï nghéa laì vàòn hay maìu xaì cæì. γ 0,8 → (α 0,02 + Fe3C6,67) Hçnh 2.16 - Täø chæïc tãú vi cuía peclit táúm (a) vaì peclit haût (b). *Lãâãburit [Lã hay (γ + Xã), (P +Xã)] : laì häùn håüp cå hoüc cuìng tinh cuía austenit vaì xãmentit âæåüc taûo thaình tæì håüpü kim loíng chæïa 4,3%C taûi 1147oC. Khi laìm nguäüi dæåïi 727oC thç do chuyãøn biãún γ → P nãn täø chæïc cuía lãâãburit gäöm (P + Xã). L4,3 → (γ 2,14 + Fe3C6,67 ) 33
34. Lãâãburit coï daûng hçnh da baïo ráút cæïng vaì doìn nãn thæåìng goüi laì täø chæïc da baïo. Tãn goüi lãâãburit laì âãø kyí niãûm nhaì luyãûn kim ngæåìi Âæïc Lãâãbua. 4-Mäüt säú quy æåïc : a-Theïp vaì gang : _*Theïp laì håüp kim cuía sàtõ vaì caïc bon våïi haìm læåüng caïc bon nhoí hån 2,14%. Ngoaìi ra coìn coï thãm mäüt säú nguyãn täú khaïc : Mn, Si, P, S *Gang laì håüp kim cuía sàõt vaì caïc bon våïi haìm læåüng caïc bon låïn hån 2,14%. Ngoaìi ra coìn coï thãm mäüt säú nguyãn täú khaïc : Mn, Si, P, S Gang coï täø chæïc tæång æïng våïi giaín âäö pha Fe-C goüi laì gang tràõng (màût gaîy cuía noï coï maìu saïng tràõng, âoï laì maìu cuía xãmentit). Gang tràõng ráút cængï vaì doìn, khäng thãø gia cäng càõt goüt âæåüc. Ranh giåïi âãø phán chia theïp vaì gang laì âiãøm E trãn giaín âäö pha Fe-C. Càn cæï vaìo haìm læåüng caïc bon coï trong gang vaì theïp ta phán chia chuïng thaình nhiãöu loaûi khaïc nhau. Theïp âæåüc chia ra laìm ba loaûi : +Theïp træåïc cuìng têch : laì loaûi theïp coï haìm læåüng caïc bon nhoí hån 0,8%C, täø chæïc cán bàòng gäöm phe rit vaì peïc lit. +Theïp cuìng têch : laì loaûi theïp coï haìm læåüng caïc bon bàòng 0,8%C, täø chæïc cán bàòng laì peïc lit. +Theïp sau cuìng têch : laì loaûi theïp coï haìm læåüng caïc bon låïn hån 0,8%C, täø chæïc cán bàòng gäöm peïc lit vaì xãmentêt thæï hai. Hçnh 2.17 - Täø chæïc tãú vi cuía theïp træåïc cuìng têch. Gang tràõng âæåüc chia ra laìm ba loaûi : +Gang tràõng træåïc cuìng tinh : laì loaûi gang coï haìm læåüng caïc bon nhoí hån 4,3%C, täú chæïc cán bàòng gäöm coï peclit, xãmentit thæï hai vaì lãâãburit. +Gang tràõng cuìng tinh : laì loaûi gang coï haìm læåüng caïc bon bàòng 4,3%C, täø chæïc cán bàòng laì lãâãburit. +Gang tràõng sau cuìng tinh : laì loaûi gang coï haìm læåüng caïc bon låïn hån 4,3%C, täø chæïc cán bàòng gäöm xãmentit thæï nháút vaì lãâãburit. b-Caïc âiãøm tåïi haûn : 34
35. Caïc nhiãût âäü æïng våïi caïc chuyãøn biãún pha åí traûng thaïi ràõn trong håüp kim sàõt caïc bon (chuí yãúu duìng cho theïp) goüi laì caïc âiãøm tåïi haûn, chuïng âæåüc kyï hiãûu bàòng chæî A (viãút tàõt tæì tiãúng Phaïp arãt coï nghéa laì dæìng vç khi coï chuyãøn biãún pha nhiãût âäü bë dæìng laûi) keìm theo caïc säú thæï tæû 0, 1, 2, 3, 4 vaì cm. Gäöm coï caïc âiãøm tåïi haûn sau âáy : o *A0 - (217 C) laì nhiãût âäü chuyãøn biãún tæì cuía xãmentit, tháúp hån nhiãût âäü naìy xãmentit coï tæì tênh, cao hån nhiãût âäü naìy xementit máút tênh sàõt tæì. o *A1 - (727 C) æïng våïi âæåìng PSK laì nhiãût âäü chuyãøn biãún austenit ↔ peclit coï trong táút caí caïc loaûi theïp vaì gang. o *A2 - (768 C) coìn goüi laì âiãøm Curi, æïng våïi âæåìng MO, laì âiãøm chuyãøn biãún tæì cuía phe rit, tháúp hån nhiãût âäü naìy phe rit coï tæì tênh, cao hån nhiãût âäü naìy máút tênh sàõt tæì. o *A3 - æïng våïi âæåìng GS (911 ÷ 727 C) laì âæåìng bàõt âáöu tiãút ra phe rit tæì austenit khi laìm nguäüi vaì kãút thuïc hoìa tan phe rit vaìo austenit khi nung noïng, chè coï trong theïp træåïc cuìng têch. o o *Acm - æïng våïi âæåìng ES (1147 C ÷ 727 C)laì âæåìng bàõt âáöu tiãút ra xãmentêt tæì austenit khi laìm nguäüi vaì kãút thuïc hoìa tan xãmentit vaìo austenit khi nung noïng. o *A4 - æïng våïi âæåìng NJ (1499 ÷ 1392 C) æïng våïi chuyãøn biãún δ ↔ γ Trong táút caí caïc âiãøm tåïi haûn trãn thç caïc âiãøm A1, A3 vaì Acm âæåüc sæí duûng nhiãöu nháút vaì chuí yãúu khi nhiãût luyãûn theïp. Tuy nhiãn caïc giaï trë vãö nhiãût âäü nãu trãn chè âuïng trong traûng thaïi cán bàòng (nung noïng hay laìm nguäüi vä cuìng cháûm, täúc âäü nung →0). Trong thæûc tãú täúc âäü nung noïng hay laìm nguäüi thæåìng coï giaï trë xaïc âënh nãn khäng phuì håüp. Tæång tæû nhæ hiãûn tæåüng quaï nguäüi (khi kãút tinh) hay quaï nung (khi noïng chaíy) caïc a) b) Hçnh 2.18 -Täø chæïc tãú vi cuía gang tràõng a)Gang tràõng træåïc cuìng tinh b)Gang tràõng cuìng tinh c)gang tràõng sau cuìng tinh c) 35
36. âiãøm tåïi haûn naìy cuîng tháúp hån hay cao hån khi laìm nguäüi hay nung noïng, sæû khaïc biãût naìy caìng låïn khi täúc âäü caìng cao. Âãø phán biãût cuìng mäüt âiãøm tåïi haûn cho hai træåìng håüp khi laìm nguäüi vaì nung noïng ta thãm vaìo chæî r (refroidissement) khi laìm nguäüi vaì c (chauffage) khi nung noïng. Våïi mäüt loaûi theïp nháút âënh bao giåì ta cuîng coï : Ar1 < A1 <Ac1 vaì Ar3 < A3 < Ac3 caïc giaï trë A tênh theo giaín âäö pha, Ar phuû thuäüc vaìo täúc âäü nguäüi, Ac phuû thuäüc täúc âäü nung. -Tênh gáön âuïng haìm læåüng caïc bon cuía theïp træåïc cuìng têch qua täø chæïc cán bàòng : Âäúi våïi theïp træåïc cuìng têch trong mäüt vaìi træåìng håüp cáön thiãút ta coï thãø tênh gáön âuïng læåüng caïc bon coï trong thepï qua täø chæïc cán bàòng cuía noï. Vê duû : trong täø chæïc tãø vi cuía mäüt loaûi theïp ta tháúy pháön täúi (peïclit) chiãøm 3/4 diãûn têch, coìn pháön saïng (phe rit) chiãúm 1/4 thç læåüng caïc bon trong âoï tênh nhæ sau : *Læåüng caïc bon coï trong phe rit : 25% x 0,006% = 0,015 % ≈ 0% *Læåüng caïc bon coï trong peclit : 75% x 0,80% = 0,60%C Váûy læåüng caïc bon coï trong theïp naìy gáön duïng bàòng 0,60%C 36
37. CHÆÅNG 3 : KÃÚT TINH VAÌ KHUÃÚCH TAÏN TRONG VÁÛT LIÃÛU 3.1.QUAÏ TRÇNH KÃÚT TINH TÆÌ TRAÛNG THAÏI LOÍNG : Pháön låïn caïc kim loaûi âæåüc luyãûn bàòng phæång phaïp náúu chaíy loíng sau âoï âem âuïc thaình hçnh saín pháøm hay baïn thaình pháøm. Cháút læåüng cuía váût âuïc phuû thuäüc pháön låïn vaìo quaï trçnh chuyãøn tæì traûng thaïi loíng sang traûng thaïi ràõn, âoï laì quaï trçnh kãút tinh . Âënh nghéa : kãút tinh laì quaï trçnh hçnh thaình maûng tinh thãø tæì traûng thaïi loíng vaì thæåìng goüi laì kãút tinh láön thæï nháút . 3.1.1.Âiãöu kiãûn nàng læåüng cuía quaï trçnh kãút tinh : Trong tæû nhiãn moüi quaï trçnh tæû 2 phaït âãöu xaíy ra theo chiãöu giaím nàng læåüng, tæïc laì theo chiãöu åí traûng thaïi måïi coï nàng læåüng dæû træî nhoí hån.Vê du û: mäüt hoìn bi âàût taûi vë trê 3 A luän coï xu hæåïng làn xuäúng vi trê B äøn âënh hån . Trong træåìng håüp 1 naìy nàng læåüng dæû træî chênh laì thãú nàng cuía hoìn bi. Hçnh 3.1- Så âäö biãøu thë vë trê äøn âënh (1), khäng äøn âënh(2) vaì giaí äøn âënh (3) Trong hãû thäúng váût cháút gäöm chuyãøn âäüng cuía caïc cháút âiãøm (nguyãn tæí, phán tæí) thç nàng læåüng dæû træî âæåüc âàûc træng bàòng nàng læåüng tæû do F. F = U - TS Trong âoï : -U laì näüi nàng cuía hãû thäúng ∆F -S laì enträpi -T laì nhiãût âäü tuyãût âäúi 0K Nàng læåüng tæû do thay âäøi theo nhiãût âäü vaì caïc yãúu täú khaïc. Tæì biãøu âäö vãö Fr mäúi quan hãû giæîa nàng læåüng tæû do vaì nhiãût Fl âäü ta tháúy : -Våïi T > Ts ta coï Fr > Fl do âoï kim Ts Nhiãût âäü loaûi täön taûi åí traûng thaïi loíng Hçnh 3.2 - Så âäö biãún âäøi nàng -Våïi T < Ts ta coï Fr < Fl , do âoï læåüng tæû do ∆F cuía traûng thaïi kim loaûi täön taûi åí traûng thaïi ràõn. loíng vaì ràõn theo nhiãût âäü Nhæ váûy khi laìm nguäüi kim loaûi loíng xuäúng dæåïi nhiãût âäü Ts seî coï quaï trçnh kãút tinh xaíy ra . Taûi nhiãût âäü Ts ta coï Fr = Fl, nàng læåüng tæû do cuía hai traûng thaïi bàòng nhau, quaï trçnh kãút tinh chæa xaíy ra,nghéa laì giæîa kim loaûi ràõn vaì kim loaûi loíng coï cán bàòng âäüng . Âiãöu âoï coï nghiaî laì : nãúu coï mäüt læåüng kim loaûi loíng kãút tinh thç cuîng coï mäüt læåüng nhæ váûy kim loaûi ràõn noïng chaíy . Chè åí nhiãût âäü T < Ts , Fr < Fl roî rãût sæû kãút tinh måïi xaïy ra . Ts âæåüc goüi laì nhiãût âäü kãt tinh lyï thuyãút. 37
38. Nhæ váûy nhiãût âäü kãút tinh thæûc tãú luän tháúp hån Ts hiãûn tæåüng naìy goüi laì sæû quaï nguäüi vaì hiãûu säú giæîa hai nhiãût âäü âoï goüi laì âäü quaï nguäüi, kyï hiãûu ∆T. Pháön låïn caïc kim loaûi kãút tinh våïi âäü quaï nguäüi ∆Tnhoí , khoaíng tæì 2-5 0C . Tuy nhiãn cuîng coï kim loüai kãút tinh våïi âäü quaï nguäüi låïn (Stibi coï ∆T = 41oC). Váûy âiãöu kiãûn nàng læåüng âãø xaíy kãút tinh laì phaíi laìm nguäüi kim loaûi loíng tåïi nhiãût âäü tháúp hån Ts hay kim loaûi loíng chè kãút tinh våïi sæûü quaï nguäüi nháút âënh. Ta cuîng coï thãø lyï luáûn tæång tæû nhæ váûy våïi quaï trçnh noïng chaíy vaì chuyãøn biãún thuì hçnh . Do âäü quaï nguäüi vaì âäü quaï nung cuía pháön låïn kim loaûi beï nãn coï thãø dæûa vaìo Ts âãø xaïc âënh nhiãût âäü noïng chaíy hay kãút tinh cuía kim loüai. 3.1.2.Hai quaï trçnh cuía sæû kãút tinh : Khi haû nhiãût âäü kim loaûi loíng xuäúng tháúp hån nhiãût âäü kãút tinh lyï thuyãút Ts, quaï trçnh kãút tinh seî xaíy ra. Sæû kãút tinh thæûc hiãûn âæåüc laì nhåì co ï hai quaï trçnh sau : -Trong kim loaûi loíng xuáút hiãûn nhæîng trung tám kãút tinh coï kêch thæåïc ráút nhoí, goüi laì máöm kãút tinh. Quaï trçnh naìy goüi laì taûo máöm. -Caïc máöm naìy seî phaït triãøn lãn vaì taûo thaình haût tinh thãø .Quaï trçnh naìy goüi laì phaït triãøn máöm. 1-Quaï tçnh taûo máöm (trung tám kãút tinh) : Taûo máöm laì quaï trçnh taûo nãn caïc pháön tæí ràõn coï cáúu taûo tinh thãø, coï kêch thæåïc ráút nhoí trong loìng khäúi kim loaûi loíng, chunïg laì nhæîng máöm mäúng âáöu tiãn âãø phaït triãøn lãn thaình haût tinh thãø. Theo âàûc tênh phaït sinh máöm âæåüc chia laìm hai loaûi : máöm tæû sinh (âäöng pha) vaì máöm khäng tæû sinh (kyï sinh) a-Máöm tæû sinh (máöm âäöng pha) : Laì máöm sinh ra træûc tiãúp tæì kim loaûíi loíng khäng cáön sæû giuïp âåî cuía bãö màût caïc haût ràõn coï sàôn trong âoï . Taûi nhiãût âäü tháúp hån Ts caïc nhoïm nguyãn tæí sàõp xãúp coï tráût tæû trong kim loaûi loíng coï kêch thæåïc låïn hån mäüt giaï trë xaïc âënh æïng våïi mäùi nhiãût âäü seî cäú âënh laûi,khäng tan âi næîa vaì coï âiãöu kiãûn phaït triãøn lãn thaình haût tinh thãø. Ta xeït âiãöu kiãûn nàng læåüng cuía sæû taûo máöm naìy.Giaí sæí ràòng taûi nhiãût âäü naìo âoï nhoí hån Ts trong kim loaûi loíng xuáút hiãûn n nhoïm nguyãn tæí sàõp xãúp tráût tæû coï thãø têch v. Taûi nhiãût âäü naìy ta coï Fr < Fl .Goüi ∆Fv = Fr - Fl,laì hiãûu säú nàng læåüng tæû do giæîa kim loaûi loíng vaì kim loaûi ràõn tênh cho mäüt âån vë thãø têch kim loaûi loíng thç ∆Fv < 0 khi T < Ts. Khi taûo ra n nhoïm nguyãn tæí tráût tæû noïi trãn thç nàng læåüng cuía hãû thäúng giaím âi mäüt læåüng laì nv ∆Fv .Nhæng do taûo nãn bãö màût tiãúp xuïc giæîa ràõn vaì loíng nãn nàng læåüng tæû do seî tàng thãm mäüt læåüng laì nsσ. Trong âoï : s laì diãûn têch tiãúp xuïc giæîa nhoïm nguyãn tæí våïi kim loaûi loíng,coìn σ laì sæïc càng bãö màût trãn mäüt âån vë diãûn têch. Khi taûo ra n nhoïm nguyãn tæí sàõp xãúp coï tráût tæû trãn thç nàng læåüng caí hãû thäúng biãún âäøi mäüt læåüng laì: ∆F = - nv ∆Fv + nsσ Coi caïc nhoïm nguyãn tæí tráût tæû coï daûng hçnh cáöu baïn kênh r, ta coï: 4 ∆F = - πr3n∆F + 4πr2nσ (1) 3 v 38
39. ÅÍ nhiãût âäü nháút âënh nhoí hån Ts thç ∆Fv vaì σ laì hàòng säú nãn ∆F = f(r). Bàòng thæûc nghiãûm ngæåìi ta âaî veî âæåüc âäö thë vãö sæû phuû thuäüc giæîa nàng læåüng tæû do vaì baïn kênh r cuía nhoïm nguyãn tæí tráût tæû. Tæì âäö thë âoï ta nháûn tháúy : -Nãúu nhoïúm nguyãn tæí tráût tæû coï r1 rth khi phaït triãøn lãn laìm giaím nàng læåüng cuía hãû thäúng vaì noï tråí thaình máöm tháût sæû. Kãút luáûn : taûi mäüt nhiãût âäü nháút âënh nho hån Ts trong kim loaûi loíng coï vä säú nhoïm nguyãn tæí sàõp xãúp tráût tæû coï kêch thæåïc khaïc nhau. Chè nhæîng nhoïm naìo coï kêch thæåïc låïn hån mäüt giaï trë tåïi haûn naìo âoï måïi tråí thaình máöm thátû sæû,coìn nhæîng nhoïm khaïc tan âi. Ta coï thãø tênh baïn kênh tåïi haûn nhæ sau : tçm giaï trë cæûc âaûi cuía biãøu thæïc (1) vaì tênh 2σ âæåüc r = û(2) , giaï trë r = 0 khäng coï yï nghéa. Khi nhiãût âäü kãút tinh caìng tháúp (∆F th ∆Fv v låïn) thç rth caìng nhoí vaì caìng coï nhiãöu nhoïm nguyãn tæí tráût tæû coï kêch thæåïc låïn hån rth âãø tråí thaình máöm. Do âoï sæû kãút tinh xaíy ra dãù daìng hån. Taûi T = Ts ta coï rth = ∞ , quaï trçnh sinh máöm khäng xaíy ra . ∆F r1 rth r2 r Hçnh 3.3 - Quan hãû giæîa baïn kênh máöm vaì ∆F b-Máöm khäng tæû sinh (kyï sinh) : Laì máöm kãút tinh âæåüc taûo nãn trãn bãö màût cuía caïc haût ràõn coï sàôn trong kim loaûi loíng. Trong kim loaûi loíng khäng thãø nguyãn cháút tuyãût âäúi âæåüc,nãn bao giåì cuîng coìn taûp cháút. Âoï laì caïc cháút láùn läün khäng tan nhæ : buûi than,buûi tæåìng loì, caïc äxyt, nitrit Chuïng giuïp cho quaï trçnh sinh máöm trãn bãö màût cuía chuïng xaíy ra dãù daìng hån. Vai troì cuía máöm khäng tæû sinh ráút quan troüng trong thæûc tãú vaì do váûy quaï trçnh kãút tinh xaíy ra ráút nhanh choïng. Máöm tæû sinh bao gäöm : -Caïc pháön tæí váût láùn läün khäng tan ráút nhoí nhæ äxyt, buûi tæåìng loì, nitrit, hydrit coï kiãøu maûng vaì kêch thæåïc khäng sai khaïc nhiãöu våïi kim loaûi kãút tinh. -Caïc haût ráút nhoí coï khaí nàng háúp thuû trãn bãö màût cuía chuïng nhæîng nguyãn tæí kim loaûi kãút tinh. -Thaình khuän âuïc, âàûc biãût laì caïc vãút næït vaì chäù läöi loîm trãn thaình khuän. 2-Quaï trçnh phaït triãøn máöm : Sau khi caïc máöm âæåüc taûo ra chuïng seî tiãúp tuûc phaït tiãøn lãn thaình haût tinh thãø.Quaï trçnh naìy laìm cho nàng læåüng tæû do cuía hãû giaím âi phuì håüp våïi tæû nhiãn (laì quaï trçnh tæû 39
40. phaït)ì.Ta coï thãø minh hoüa quïa trçnh naìy bàòng cå cáúu máöm hai chiãöu (Cosen) vaì cå cáúu máöm kãút tinh coï lãûch xoàõn. σαβ σαβ α β β σβγ θ σγα r σββ θ α β γ σ αβ a) b) Hinh 3.4- Máöm kyï sinh daûng choím cáöu (a) vaì daûng tháúu kênh (b). 3.1.3.Caïc yãúu täú aính hæåíng âãún kêch thæåïc haût, caïc phæång phaïp laìm nhoí haût Sau khi âuïc haût kim loaûi khaï låïn, nhiãöu træåìng håüp coï thãø nhçn tháúy bàòng màõt thæåìng. Trong kyî thuáût âuïc luän coï xu hæåïng laìm nhoí haût kim loaûi vç haût nhoí coï cå tênh täút hån vaì êt doìn hån. Trong mäüt säú træåìng håüp do yãu cáöu cuía kyî thuáût ta måïi laìm cho haût låïn khi âuïc. Sau khi âuïc haût kim loaûi khaï låïn, nhiãöu træåìng håüp coï thãø nhçn tháúy bàòng màõt thæåìng. Trong kyî thuáût âuïc luän coï xu hæåïng laìm nhoí haût kim loaûi vç haût nhoí coï cå tênh täút hån vaì êt doìn hån. Trong mäüt säú træåìng håüp do yãu cáöu cuía kyî thuáût ta måïi laìm cho haût låïn khi âuïc. a-Caïc yãúu täú aính hæåíng âãún âäü låïn haût : Trong thæûc tãú coï nhiãöu yãúu täú aính hæåíng âãún âäü låïn cuía haût kim loaûi nhæng aính hæåíng maûnh nháút laì âäü quaï nguäüi ∆ T. Âãø âaïnh giaï aính hæåíng cuía âäü quaï nguäüi âãún âäü låïn haût ta sæí duûng hai âaûi læåüng sau : - Täúc âäü sinh máöm : laì säú læåüng tám máöm sinh ra trong mäüt âån vë thãø têch vaì trong mäüt âån vë thåìi gian, kyï hiãûu n, âån vë 1/mm3.s. - Täúc âäü phat triãøn máöm : laì täúc âäü phaït triãøn vãö kêch thæåïc daìi cuía tám máöm trong mäüt âån vë thåìi gian, kyï hiãûu v, âån vë mm/s. Täúc âäü sinh máöm caìng låïn thç kêch thæåïc haût caìng nhoí vaì täúc âäü phaït triãøn máöm caìng tàng thç kêch thæåïc haût caìng låïn. Bàòng thæûc nghiãûm, ngæåìi ta âaî tênh âæåüc kêch thæåïc haût A theo hai âaûi læåüng trãn nhæ sau : v A = a våïi a laì hãû säú thæûc nghiãûm. n Tæì âoï ta tháúy ràòng : nguyãn lyï chung âãø taûo haût nhoí laì tàng täúc âäü sinh máöm vaì haûn chãú täúc âäü phaït triãøn máöm. b-Caïc phæång phaïp laìm nhoí haût : Trong thæûc tãú ngæåìi ta thæåìng sæí duûng caïc phæång phaïp laìm nhoí haût sau âáy : - Tàng âäü quaï nguäüi khi kãút tinh : Âäü quaï nguäüi phuû thuäüc vaìo täúc âäü nguäüi, täúc âäü nguäüi caìng låïn thç âäü quaï nguäüi caìng tàng. Âãø tàng täúc âäü nguäüi ngæåìi ta duìng khuän 40
41. kim loaûi coï tênh dáùn nhiãût cao thay cho khuän caït. Våïi caïc váût âuïc låïn ta coìn duìng næåïc laûnh laìm nguäüi ngoaìi thaình khuän kim loaûi. - Phæång phaïp biãún tênh : * Tàng säú læåüng tám máöm khäng tæû sinh : ngæåìi ta cäú yï cho vaìo kim loaûi loíng caïc cháút âàûc biãût âãø giuïp cho sæû taûo máöm khäng tæû sinh. Vê duû træåïc khi roït theïp ngæåìi ta cho mäüt læåüng nhoí nhäm vaìo thuìng theïp loíng (20g/táún theïp loíng). Nhäm seî kãút håüp våïi ä xy, ni tå hoìa tan trong theïp taûo ra caïc pháön tæí Al2O3, AlN ráút nhoí mën, lå læíng phán taïn âãöu trong theïp loíng. Âáy laì nhæîng máöm khäng tæû sinh laìm cho haût theïp nhoí hån. * Haûn chãú täúc âäü phaït triãøn máöm : ngæåìi ta cho vaìo kim loüai loíng mäüt cháút âàûc biãût, noï hoìa tan vaì háúp phuû vaìo bãö màût máöm haûn chãú sæû phaït triãøn daìi cuía máöm. Vê duû : khi âuïc håüp kim nhäm -si lic ngæåìi ta cho vaìo mäüt häùn håüp muäúi natri (NaCl, NaF), chuïng hoìa tan vaìo vaì haûn chãú sæû phaït triãøn cuía tinh thãø si lic. Do váûy laìm cho haût nhoí. * Ngoaìi ra coìn cháút biãún tênh coï taïc duûng laìm thay âäøi hçnh daïng haût (taûo graphêt cáöu trong gang) caíi thiãûn ráút maûnh cå tênh cuía váût liãûu. Cáön chuï yï laì phaíi tiãún haình biãún tênh âuïng luïc, cháút biãún tênh chè cho vaìo kim loaûi loíng vaìi phuït træåïc khi roït khuän. Nãúu quaï såïm thç kim loaûi chæa këp kãút tinh seî näøi lãn vaì âi vaìo xè. Nãúu quaï muäün thç khäng këp phaín æïng. 3.2.KHUÃÚCH TAÏN TRONG VÁÛT LIÃÛU 3.2.1.Caïc âënh luáût khuãúch taïn cå baín : Khuãúch taïn laì sæû chuyãøn chäù ngáùu nhiãn cuía caïc nguyãn tæí (ion, phán tæí) do dao âäüng nhiãût. Khuãúch taïn cuía nguyãn tæí A trong nãön cuía chênh loaûi nguyãn tæí âoï (A) goüi laì tæû khuãúch taïn Khuãúch taïn cuía nguyãn tæí khaïc loaûi B våïi näöng âäü nhoí trong nãön A goüi laì khuãúch taïn khaïc loaûi. Âiãöu kiãûn âãø coï khuãúch taïn khaïc loaûi laì B phaíi hoaì tan trong A. Khuãúch taïn cuía caí A vaì B trong nãön A hoàûc B goüi laì khuãúch taïn tæång häù. Trong khuãúch taïn khaïc loaûi vaì khuãúch taïn tæång häù luän coï doìng nguyãn tæí theo chiãöu giaím näöng âäü. Khuãúch taïn coï vai troì quan troüng trong nhiãöu quaï trçnh cäng nghãû chãú taûo váût liãûu nhæ kãút tinh, thiãu kãút, taûo låïp baïn dáùn p-n, trong xæí lyï nhiãût, quaï trçnh ä xy hoaï, daîo 1-Âënh luáût Fick I vaì hãû säú khuãúch taïn : Âënh luáût Fick 1 biãøu diãùn mäúi quan hãû giæîa doìng nguyãn tæí khuãúch taïn J qua mäüt âån vë bãö màût vuäng goïc våïi phæång khuãúch taïn vaì gradien näöng âäü dc/dx : dc J =- D = - D. grad c (3.1) dx Trong âoï dáúu træì chè doìng khuãúch taïn theo chiãöu giaím näöng âäü. D - laì hãû säú khuãúch taïn, thæåìng âo bàòng cm2/s. Trong nhiãöu træåìng håüp D phuû thuäüc nhiãût âä theo quy luáût : D = Do exp (- Q/RT) (3.2) 2 Våïi Do - laì hàòng säú, cm /s Q - hoaût nàng khuãúch taïn kcal/mol T - nhiãût âäü khuãúch taïn, oK 41
42. R - hàòng säú khê, R = 1,98 cal/mol Tæì nhæîng trë säú Do vaì Q coï thãø xaïc âënh hãû säú khuãúch taïn D åí nhiãût âäü báút kyì vaì âàûc âiãøm cuía quaï trçnh khuãúch taïn (cå chãú khuãúch taïn) 2-Âënh luáût Fick 2 : Nãúu näöng âäü C khäng nhæîng laì haìm cuía x maì coìn phuû thuäüc vaìo thåìi gian t thç âãø thuáûn tiãûn ngæåìi ta sæí duûng âënh luáût Fick 2. Trong træåìng håüp hãû säú khuãúch taïn khäng phuû thuäüc näöng âäü, biãøu thæïc cuía âënh luáût Fick 2 nhæ sau : ∂C ∂2C = D = D.∇c (3.3) ∂t ∂x2 Nghiãûm cuía phæång trçnh (3.3) trong træåìng håüp khuãúch taïn mäüt cháút coï näöng âäü Cs trãn bãö màût vaìo bãn trong máùu våïi näöng âäü ban âáöu Co (Cs > Co) coï daûng : C(x,t) = Cs - (Cs - Co)erf (x/2 Dt ) (3.4) Trong âoï erf (L) - laì haìm sai cuía âaûi læåüng L âæåüc tênh sàôn trong caïc säø tay toaïn hoüc. Tæì biãøu thæïc (3.4) ta tháúy ràòng C(x,t) tyí lãû våïi (x/2 Dt ) nãúu Cs vaì Co laì hàòng säú, coï nghéa laì chiãöu sáu x cuía låïp khuãúch taïn våïi näöng âäü C naìo âoï tyí lãû thuáûn våïi Dt . 3.2.2.Cå chãú khuãúch taïn : Cå chãú khuãúch taïn giaíi thêch trë säú Do vaì Q, tçm hiãøu baín cháút cuía nhæîng quaï trçnh dëch chuyãøn nguyãn tæí (ion, phán tæí) trong nhæîng váût liãûu khaïc nhau. 1-Trong dung dëch ràõn thay thãú : Trong váût liãûu naìy, caïc nguyãn tæí khuãúch taïn theo cå chãú nuït träúng, tæïc laì nguyãn tæí dëch chuyãøn âãún nuït träúng bãn caûnh. Âãø thæûc hiãûn âæåüc bæåïc dëch chuyãøn nhæ váûy, cáön phaíi coï hai âiãöu kiãûn : v -Nguyãn tæí coï hoaût nàng G m âuí âãø phaï våî liãn kãút våïi nhæîng nguyãn tæí bãn caûnh, nåïi räüng khoaíng caïch hai nguyãn tæí åí giæîa nuït träúng vaì nguyãn tæí dëch chuyãøn (nguyãn tæí v 1 vaì 2 hçnh 3.2a.). Säú læåüng nhæîng nguyãn tæí coï hoaût nàng nhæ váûy tyí lãû våïi exp(- ∆ G m /kT). v -Coï nuït träúng nàòm caûnh nguyãn tæí : näöng âäü nuït träúng tyí lãû våïi exp(- ∆ G f /kT), v trong âoï ∆ G f laì nàng læåüng taûo nuït träúng, coï nghéa laì nàng læåüng cáön âãø taïch nguyãn tæí khoíi nuït maûng trong maûng hoaìn chènh, nàng læåüng naìy tyí lãû våïi nhiãût hoaï håi. Nhæ váûy khaí nàng khuãúch taïn phuû thuäüc vaìo xaïc suáút cuía hai quaï trçnh trãn vaì hãû säú khuãúch taïn coï thãø viãút dæåïi daûng : v v D = const.exp (- ∆ G f /kT) . exp (- ∆ G m /kT) (3.5) Nãúu kãø âãún mäúi quan hãû G = H - TS ( våïi H laì entanpi, S laì entropi) vaì biãøu thæïc (3.2) cuía D, ta xaïc âënh âæåüc Q vaì Do nhæ sau : v v Q = ∆ H m + ∆ H f (3.6) v v Do = const . exp [( ∆ S f + ∆ S m)/k] (3.7) v v v Bàòng caïch so saïnh Q vaì täøng ∆ H m + [( ∆ S f + ∆ S m)/k coï thãø dæû âoaïn sæû coï màût v v cuía cå chãú nuït träúng trong váût liãûu cuû thãø. Trong nhiãöu kim loaûi ∆ H m + ∆ H f = 1- v v 2 3eV/nguyãn tæí vaì ( ∆ S f + ∆ S m)/k = 2, do âoï Do = 0,1-10cm /s. Hoaût nàng khuãúch taïn Q liãn quan âãún nàng læåüng taïch vaì dëch chuyãøn nguyãn tæí khoíi nuït maûng, do âoï ta coï : Q ∼ Lnc ∼ Tnc (3.8) 42
43. Nhæ váûy taûi nhiãût âäü âaî cho, váût liãûu coï Tnc caìng låïn thç Q caìng låïn vaì D caìng nhoí 2-Trong dung dëch ràõn xen keî : Trong dung dëch ràõn xen leî, caïc nguyãn tæí hoaì tan thæåìng coï âæåìng kênh nhoí (H, O,N, C ) coï thãø chuyãøn tæì vë trê läù häøng naìy (giæîa caïc nuït maûng) sang caïc läù häøng khaïc. Âáy laì hiãûn tæåüng khuãúch taïn theo cå chãú giæîa caïc nuït maûng. Âãø chuyãøn âãún läù häøng bãn i caûnh, nguyãn tæí xen keî phaíi væåüt âæåüc thãú nàng ∆ G m (hçnh 3.2b). Bãn caûnh caïc nguyãn tæí xen keî luän luän coï läù häøng vaì læåüng caïc läù häøng trong maûng laì xaïc âënh vaì nhiãöu hån nguyãn tæí xen keî nãn "näöng âäü" läù häøng khäng aính hæåíng âãún hãû säú khuãúch taïn. Trong træåìng håüp naìy ta coï : i i D = const.exp( ∆ S m /k) .exp (- ∆ H m /kT) (3.9) i Do âoï Q = ∆ H m (3.10) i Do = const.exp ( ∆ S m /k) (3.11) Q vaì Do noïi chung coï giaï trë nhoí hån so våïi cå chãú nuït träúng. Q phuû thuäüc chuí yãúu vaìo kêch thæåïc nguyãn tæí xen keî ( nguyãn tæí caìng nhoí thç D caìng låïn) vaì máût âäü xãúp chàût cuía kim loaûi nãön. 3-Trong caïc tinh thãø liãn kãút ion vaì liãn kãút âäöng hoaï trë : trong tinh thãø cuía håüp cháút ion (vê duû NaCl) nãúu khuyãút táût Schottky (nuït träúng) laì âaïng kãø thç khuãúch taïn theo cå chãú nuït träúng. Trong âoï cation Na+ khuãúch taïn nhanh hån anion (Cl-) vç cation coï kêch thæåïc nhoí hån. Nãúu näöng âäü nuït träúng âuí låïn thç caïc nuït träúng seî taûo càûp (nuït träúng keïp) âãø giaím nàng læåüng cuía hãû, khi âoï entanpi dëch chuyãøn coï giaï trë nhoí dáùn âãún D låïn vaì khäng coï sæû khaïc nhau âaïng kãø giæîa D cuía cation vaì anion. Tæång tæû nhæ biãøu thæïc (3.8) ta coï mäúi quan hãû hoaût nàng khuãúch taïn trong tinh thãø ion nhæ sau : (Qcation + Qanion) ∼ Lnc ∼ Tnc Trong tinh thãø ion khi näöng âäü khuyãút táût Frenkel (nuït träúng vaì cation xen keî) laì âaïng kãø (vê duû AgBr) cation xen keî (Ag+) khuãúch taïn theo cå chãú giæîa nuït maûng khäng træûc tiãúp (cå chãú âuäøi) : nguyãn tæí xen keî âuäøi nguyãn tæí caûnh noï tæì vë trê nuït träúng nuït maûng âãún läù häøng. Entanpi chuyãøn chäù nhæ váûy nhoí hån entanpi chuyãøn chäù cuía nuït träúng. Trong caïc tinh thãø coï liãn kãút âäöng hoaï trë (vê duû SiO2, Si, Ge) quaï trçnh khuãúch taïn cuía caïc nguyãn tæí thaình pháön (vê duû cuía Si vaì O trong SiO2) vaì nhæîng nguyãn tæí thay thãú -11 2 (Ag trong maûng SiO2) laì ráút cháûm (khoaíng 10 cm /såí gáön nhiãût âäü noïng chaíy) vç noï phaíi phaï våî phaï våî liãn kãút ráút bãön trong maûng vaì khuãúch taïn theo cå chãú nuït träúng. 4-Trong váût liãûu kim loaûi vä âënh hçnh : Trong váût liãûu vä âënh hçnh khäng coï sæû khaïc nhau âaïng kãø giæîa nuït träúng vaì läù häøng cuîng nhæ khäng coï tênh chu kyì cuía vë trê nguyãn tæí. Näöng âäü khuyãút táût ráút låïn vaì keïm äøn âënh, do âoï chuïng dãù kãút håüp våïi nhau hoàûc våïi nguyãn tæí hoaì tan. Trong váût liãûu naìy coï thãø täön taûi caïc cå chãú khuãúch taïn sau : -Caïc loaûi nguyãn tæí kêch thæåïc nhoí (H,O ) khuãúch taïn theo cå chãú giæîa caïc nuït maûng, Q coï giaï trë nhoí (0,25 - 0,5eV/nguyãn tæí). Khi âæåìng kênh nguyãn tæí va ì khäúi læåüng nguyãn caìng nhoí thç hãû säú khuãúch taïn D caìng låïn. -Mäüt säú nguyãn tæí Au, Pt, Pb vaì caïc håüp phæïc cuía chuïng khuãúch taïn theo cå chãú giæîa nuït maûng trong nhæîng läù häøng låïn (khoaíng 0,7 âæåìng kênh nguyãn tæí), Q phuû thuäüc vaìo nàng læåüng liãn kãút cuía nhæîng håüp phæïc âoï vaì coï trë säú 1-3 eV/nguyãn tæí. 43
44. 5-Trong váût liãûu polyme : Trong polyme åí traûng thaïi ràõn háöìu nhæ khäng coï khuãúch taïn vç phaíi giæî cäú âënh goïc âënh vë êt ra våïi hai polyme bãn caûnh. Tuy nhiãn mäüt maûch polyme coï thãø chuyãøn âäüng cuìng våïi nhæîng maûch cáúu truïc bãn caûnh. Hiãûn tæåüng naìy goüi laì khuãúch taïn liãn kãút, chè xaíy ra åí gáön nhiãût âäü chaíy. Nhæîng phán tæí nhoí nhæ H2, O2, H2O coï thãø chuyãøn dëch trong polyme åí traûng thaïi ràõn. Nhæîng phán tæí nhoí naìy chiãúm vë trê giæîa caïc phán tæí. Nãúu maûch phán tæí coï vi chuyãøn âäüng ngáùu nhiãn (thay âäøi hçnh daïng phán tæí) thç nhæîng phán tæí nhoí phêa ngoaìi coï thãø âäøi chäù våïi nhæîng nhaïnh polyme âoï. 3.2.3.Caïc æïng duûng cuía khuãúch taïn : 1-Trong kyî thuáût âuïc : Trong quaï trçnh âuïc ngæåìi ta thay âäøi täúc âäü nguäüi âãø âiãöu chènh quaï trçnh kãút tinh cuía váût liãûu. Tuyì tæìng træåìng håüp cuû thãø ta coï thãø giaím täúc âäü nguäüi âãø tàng quaï trçnh khuãúch taïn hay tàng täúc âäü nguäüi âãø giaím quaï trçnh khuãúch taïn âãø taûo ra täø chæïc vaì tênh cháút theo yãu cáöu. Vê duû : -Khi náúu chaíy kim loaûi : âãø coï thaình pháön âäöng âãöu, khæí âæåüc taûp cháút coï haûi nàòm lå læíng trong kim loaûi loíng, cáön thuïc âáøy quaï trçnh khuãúch taïn bàòng caïch khuáúy träün, tàng nhiãût âäü Âãø chäúng bay håi vaì hoaì tan khê vaìo kim loaûi loíng ta duìng låïp xè che phuí bãö màût. -Khi âuïc gang cáön laìm nguäüi cháûm âãø coï thåìi gian cho quaï trçnh graphêt hoaï xaíy ra, tranh taûo thaình xãmentêt. 2-uí âäöng âãöu hoaï thaình pháön : Trong váût âuïc thæåìng gàûp thiãn têch nhaïnh cáy nháút laì trong caïc håüp kim coï khoaíng nhiãût âäü kãút tinh låïn näöng âäü caïc nguyãn täú håüp kim vaì taûp cháút phán bäú khäng âãöu. Vç váûy sau khi âuïc xong phaíi tiãún haình uí âäöng âãöu thaình pháön váût âuïc. Nãúu ta coi phán bäú näöng âäü coï daûng hçnh sin våïi chu kyì bàòng khoaíng caïch giæîa caïc nhaïnh cáy thç âãø âaût âæåüc hiãûu quaí uí f (âæåüc tênh bàòng âäü giaím biãn âäü näöng âäü) nhæ sau : f = [cm(t) - co] / [cm(0) - co] (3.12) Thåìi gian uí t coï thãø xaïc âënh theo biãøu thæïc nháûn âæåüc tæì nghiãûm cuía phæång trçnh âënh luáth Fick 2 : l 2 t = . lnf (3.13) 4π 2 D Våïi l - laì khoaíng caïch giæîa hai cæûc âaûi (hçnh 3.3) Âãø âaût âæåüc cuìng mäüt kiãûu quaí uí, thåìi gian uí caìng giaím, nãúu D caìng låïn (nghéa laì nhiãût âäü uí caìng cao) vaì khoaíng caïch giæîa caïc nhaïnh cáy caìng nhoí 3-Taûo låïp tháúm bãö màût : Âãø taûo låïp tháúm cho bãö màût chi tiãút ta tiãún haình giæî nhiãût láu trong mäi træåìng chæïa caïc nguyãn tæí cuía nguyãn täú cáön âæa vaìo (C, N, Si, Al, Cr ), do âoï laìm thay âäøi thaình pháön hoaï hoüc cuía låïp bãö màût. Trong ba quaï trçnh näúi tiãúp nhau xaíy ra khi tháúm (taûo nguyãn tæí hoaût, háúp phuû trãn bãö màût chi tiãút vaì khuãúch taïn vaìo bãn trong) thç quaï trçnh khuãúch tanï laì cháûm nháút. Do váûy khuãúch taïn khäúng chãú âäüng hoüc taûo låïp tháúm bãö màût. Täø chæïc cuía låïp tháúm phuû thuäüc vaìo giaín âäö pha cuía nguyãn täú nãön (A) vaì nguyãn täú cáön tháúm (B). Vê duû khi tháúm caïcc bon vaìo theïp theo giaín âäö pha Fe - C ta nháûn 44
45. âæåüc täø chæïc austenit våïi mæïc âäü baîo hoaì caïc bon khaïc nhau tuyì theo nhiãût âäü tháúm. Sau khi laìm nguäüi ta nháû âæåüc caïc täø chæïc coï læåüng xãmentit khaïc nhau. 4-Trong quaï trçnh thiãu kãút : Trong cäng nghãû luyãûn kim bäüt, saín pháøm sau khi taûo hoình xong âæåüc nung âãún nhiãût âäü cao âãø taûo liãn kãút giæîa caïc pháön tæí váût liãûu. Quaï trçnh khuãúch taïn xaíy ra ngay bãn trong haût, trãn bãö màût haût hay giæîa caïc haût. Khäúng chãú âæåüc läù xäúp (säú læåüng, hçnh daïng thãø têch ) ta seî nháûn âæåüc caïc tênh cháút theo yï muäún. Âäü co ngoït tæång âäúi cuía chi tiãút ( ∆l /lo) laì mäüt trong caïc chè tiãu quan troüng, coï thãø æåïc tênh theo biãøu thæïc sau : 2/5 ∆l⎛Dσt⎞ = const ⎜3 ⎟ (3.14) lr0 ⎝⎠T Trong âoï : -r : baïn kênh haût -σ : nàng læåüng bãö màût -T vaì t : nhiãût âäü vaì thåìi gian thiãu kãút 5-Pha taûp baïn dáùn vaì thuyí tinh : Trong baïn dáùn, táút caí caïc quaï trçnh chãú taûo vaì âãöu liãn quan âãún quaï trçnh khuãúch taïn. Vê duû pha taûp P, Sb, B vaìo Si vaì Ge âãø taûo låïp baïn dáùn p-n. Âãø tàng nhæîng chè tiãu cuía baïn dáùn (chuí yãúu laì âäü dáùn âiãûn), ngæåìi ta tháúm bo thãø khê vaìo silic. Pha taûp thuyí tinh bàòng caïch khuãúch taïn nhæîng ion coï kêch thæïoc låïn nhæ K, Rb, Cs vaìo bãö màût âãø caíi thiãûn tuïnh cháút cuía thuyí tinh nhæ : hãû säú giaîn nåí nhiãût, khaí nàng chëu va âáûp nhiãût 3.3.CHUYÃØN BIÃÚN PHA ÅÍ TRAÛNG THAÏI RÀNÕ TRONG HÅÜP KIM Fe - C Khi tiãún haình nhiãût luyãûn ta phaíi nung noïng vaì laìm nguäüi theïp coï thaình pháön hoïa hoüc xaïc âënh. Trong pháön naìy ta seî khaío saït xem sau khi nung noïng lãn caïc nhiãût âäü khaïc nhau seî xaíy ra caïc chuyãøn biãún pha naìo vaì laìm nguäüi tiãúp theo våïi täúc âäü khaïc nhau täø chæïc måïi nháûn âæåüc seî biãún thaình täø chæïc gç tæì âoï seî biãút âæåüc sæû thay âäøi cå tênh tæång æïng. Ta seî xem xeït tæìng quaï trçnh mäüt vaì khaío saït cho loaûi theïp âån giaín nháút laì theïp caïc bon cuìng têch, chæïa 0,80%C. 3.3.1.Caïc chuyãøn biãún xaíy ra khi nung noïng theïp : 1-Cå såí xaïc âënh chuyãøn biãún khi nung noïng : Cå såí âãø xaïc âënh chuyãøn biãún xaíy ra khi nung noïng laì giaín âäö pha Fe - C. Tuìy theo thaình pháön caïc bon vaì nhiãût âäü nung noïng, trong theïp seî xaíy ra caïc chuyãøn biãún khaïc nhau. Trong táút caí caïc loaûi theïp åí nhiãût âäü thæåìng âãöu coï täø chæïc peïc lêt. Theïp træåï vaì sau cuìng têch thç ngoaìi peïc lit ra coìn coï phe rit vaì xãmentit thæï hai. a-Theïp cuìng têch : o -Khi nung noïng tháúp hån Ac1 ( 727 C) seî coï chuyãøn biãún cuía täø chæïc peïc lit thaình austenit theo phaín æïng sau : [Feα + Fe3C]0,80%C → Feγ(C)0,80%C Khi nung noïng cao hån Ac1 mäüt it ta âæåüc täø chæïc austenit âäöng nháút. b-Theïp træåïc cuìng têch : -Khi nung noïng âãún Ac1 seî coï chuyãøn biãún peïc lit thaình austenit giäúng nhæ trãn. -Khi nung tæì nhiãût âäü Ac1 âãún Ac3 seî coï quaï trçnh hoìa tan cuía phe rêt vaìo austenit. 45