Giáo trình vật liệu học- vật lý học đại cương

Chia sẻ: Vũ Thiên Nhật | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:78

1
393
lượt xem
193
download

Giáo trình vật liệu học- vật lý học đại cương

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nguyên tử là một hệ thống bao gồm hạt nhân mang điện dương và các điện tử mang điện âm chuyển động xung quanh. Hạt nhân nguyên tử cấu tạo bởi các prôton và nơtron. Prôton mang điện dương có điện tích bằng điện tích của điện tử, nơtron không mang điện. Trong trạng thái bình thường nguyên tử trung hòa điện vì số lượng prôton bằng số lượng điện tử. Số này được đặc trưng bằng số thứ tự (Z) trong bảng tuần hoàn Menđêlêép. Khối lượng nguyên tử bằng khối lượng hạt nhân của nó vì khối lượng...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Giáo trình vật liệu học- vật lý học đại cương

  1. 1
  2. PH N 1 : CƠ S V T LI U H C CHƯƠNG 1 : C U TRÚC TINH TH C A V T LI U 1.1.C U T O NGUYÊN T VÀ CÁC LO I LIÊN K T I N HÌNH TRONG CH T R N: 1.1.1.Mô hình c u t o nguyên t : Nguyên t là m t h th ng bao g m h t nhân mang i n dương và các i n t mang i n âm chuy n ng xung quanh. H t nhân nguyên t c u t o b i các prôton và nơtron. Prôton mang i n dương có i n tích b ng i n tích c a i n t , nơtron không mang i n. Trong tr ng thái bình thư ng nguyên t trung hòa i n vì s lư ng prôton b ng s lư ng i n t . S này ư c c trưng b ng s th t (Z) trong b ng tu n hoàn Men êlêép. Kh i lư ng nguyên t b ng kh i lư ng h t nhân c a nó vì kh i lư ng c a prôton và nơtron l n hơn r t nhi u so v i kh i lư ng i n t . V i cùng kh i lư ng i n t và prôton, h t nhân có th ch a s lư ng nơtron khác nhau và t o nên các ng v c a cùng m t nguyên t hóa h c. Xác su t tìm th y i n t trên m t qu o náo ó xung quanh h t nhân ư c xác nh b ng b n tham s g i là s lư ng t . Có nghĩa là tr ng thái năng lư ng c a m i i n t trong nguyên t ư c xác nh b i b n s lư ng t . Các s lư ng t g m có : a-S lư ng t chính n : có các giá tr b ng 1, 2, 3, 4... xác nh năng lư ng cho phép c a i n t . Các i n t có cùng s lư ng t chính n h p thành m t l p i n t . Các l p i n t l n lư t là : K, L, M, N... tương ng v i n = 1, 2, 3, 4 ... b-S lư ng t phương v l : xác nh các giá tr cho phép c a mômen xung lư ng qu o, có tr s b ng 0, 1, 2, 3... (n - 1). Các i n t v i l khác nhau c a cùng l p t o thành nh ng phân l p tương ng, ký hi u l n lư t là s, p, d, f... ng v i l = 0, 1, 2, 3... c-S lư ng t t ml : xác nh kh năng nh hư ng cho phép c a véc tơ mômen xung lư ng qu o i v i chi u c a t trư ng bên ngoài, có tr s b ng 0, ±1, ±2, ±3... ± l . d-S lư ng t spin ms : xác nh kh năng nh hư ng ngư c chi u nhau c a véc tơ mômen xung lư ng spin c a i n t , ms = ±1/ 2. Ngoài ra s phân b i n t theo các m c khác nhàucon ph i tuân theo nguyên lý lo i tr Pauly : m i tr ng thái v i ba s lư ng t n, l, ml xác nh ch có th ch a hai i n t v i spin ngư c chi u nhau. D a vào nguyên lý này ta có th d oán s i n t cho phép trên các b c năng lư ng. Ví d : nguyên t ng Cu có s th t Z = 29, phân b i n t như sau : 2 1s 2s22p6 3s23p63d10 4s2 (Còn g i là c u hình i nt ) K L M N Trong m t s i u ki n xác nh, i n t có th chuy n t tr ng thái này sang tr ng thái khác, khi ó s phát ra hay h p th năng lư ng dư i d ng ∆E dư i d ng các lư ng t ánh sáng có t n s ν : ∆E = El -El+1 = hν v i h = 6,627.10-27ec.s (h ng s Planck) 1.1.2.Các lo i liên k t nguyên t thư ng g p : Trong ch t r n thư ng g p b n lo i liên k t sau ây : liên k t ng hóa tri, liên k t ion, liên k t kim lo i, liên k t h n h p và liên k t Vanderval. 2
  3. 1-Liên k t ông hóa tr : Liên k t này t o ra khi hai ho c nhi u nguyên t góp chung nhau m t s i n t có tám i n t l p ngoài cùng ( i n t hóa tr ). Ví d liên k t ng hóa tr gi a hai nguyên t clo trong phân t Cl2 (H1.1, Lê). Hai nguyên t này có s i n t l p ngoài cùng là 7. Do v y chúng ph i góp chung hai i n t l p ngoài cùng tám i n t . c i m c a liên k t ng hóa tr : 1-Liên k t có tính nh hư ng, nghĩa là xác su t t n t i các i n t liên k t l n nh t theo phương n i tâm các nguyuên t . 2-Cư ng liên k t ph thu c r t m nh vào c tính liên k t gi a các i n t hóa tr v i h t nhân. Ví d các bon d ng a hình kim cương có liên k t ng hóa tr r t m nh vì b n i n t hóa tr (trong s sáu i n t ) liên k t h u như tr c ti p v i h t nhân. Do v y nhi t nóng ch y c a nó cao hơn 3550oC. Trong khi ó thi c (Sn) có liên k t ng hóa tr r t y u vì b n i n t hóa tr (trong s 50 i n t ) n m xa h t nhân nên l c liên k t y u i v i h t nhân do ó nhi t nóng ch y th p 270oC. 3-Liên k t ng hóa tr có th x y ra gi a các nguyên t cùng lo i (c a m t nguyên t hóa h c trong các nhóm t IVA n VIIA), g i là liên k t ng hóa tr ng c c. Ví d trong phân t Cl2 hay các tinh th kim cương, si líc, gécmani ...Liên k t ng hóa tr gi a các nguyên t khác lo i (các nguyên t hóa h c nhóm IIIA v i nhóm VIA) g i là liên k t ng hóa tr d c c. 2-Liên k t ion : ây là lo i liên k t m nh, các nguyên t cho b t i n t l p ngoài cùng và rtr thàn ion dương hay nh n thêm i n t bão hòa l p ngoài cùng và tr thành ion âm. Ví d : trong liên k t LiF, Li cho b t m t i n t l p ngoài cùng tr thành Li+, còn F nh n thêm m t i n t và tr thành F-.(H1.2, Lê) Liên k t ion thư ng t o nên gi a các nguyên t có nhi u i n t hóa tr (nhóm VIB, VIIB) v i các nhóm nguyên t có ít i n t hóa tr (nhóm IB, IIB). Các ô xyt kim lo i Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4 có liên k t ch y u là liên k t ion. Liên k t ion càng b n v ng (càng m nh) khi các nguyên t ch a càng ít i n t , nghĩa là các i n t cho và nh n n m g n h t nhân. Liên k t ion là lo i liên k t không nh hư ng. Ví d : hydrô t o v i F, Cl, Br, I các h p ch t HF, HCl, HBr, HI có năng lư ng liên k t l n lư t là 5,81; 4,44; 3,75 và 3,06 eV/mol. 3-Liên k t kim lo i : Các ion dương kim lo i t o thành m ng xác nh, t trong không gain i n t do chung. Năng lư ng liên k t là t ng h p l c y và hút tĩnh i n gi a các ion dương và mây i n t t do (H1.3 Lê). Liên k t kim lo i thư ng ư c t o nên t nh ng nguyên t có ít i n t hóa tr . Ví d : các nguyên t nhóm IA trong b ng tu n hoàn Men êlêep v i m t i n t hóa tr có tính kim lo i i n hình. Càng i v bên ph i c a b ng tu n hoàn tính ch t ng hóa tr trong liên k t càng cao. Các ch t r n có liên k t kim lo i trong c u trúc tinh th c a nó có tính i x ng cao. 4-Liên k t ng h n h p : Liên k t ng hóa tr thu n túy ch có ư c trong trư ng h p kiên k t ng c c (gi a các nguyên t c a cùng m t nguyên t hóa h c). rong trương h p liên k t d c c (gi a các 3
  4. nguyên t c a các nguyên t khác nhau) i n t hóa tr tham gia liên k t ch u hai nh hư ng trái ngư c : -B hút b i h t nhân c a nó -B hút b i h t nhân c a nguyên t th hai t o i n t chung. Kh năng c a h t nhân hút i n t hóa tr ư c g i là tính âm i n c a nguyên t . S khác nhau v tính âm i n gi a các nguyên t trong liên k t ng hóa tr làm ám mây i n t "chung" b bi n d ng và t o thành ng u c c i n, ó là ti n t c a liên k t ion. Tính ion c a liên k t s càng l n n u s khác nhau v tính âm i n c a các nguyên t càng l n. Ví d : Na có tính âm i n b ng 0,9 còn Cl có tính âm i n b ng 3,0. Do v y trong liên k t NaCl g m kho ng 58% liên k t ion và 48% liên k t ng hóa tr . T t c nh ng liên k t d c c u mang tính ch t h n h p gi a liên k t ion và ng hóa tr 5-Liên k t y u (liên k t Val der Val) : Liên k t ng hóa tr cho phép gi i thích s t o thành các phân t như nư c (H2O) hay polyetylen (C2H4)n nhưng không th gi i thích s t o thành m t s v t r n t nh ng phân t trung hòa như nư c á, polyme... Trong nhi u phân t có liên k t ng hóa tr , do s khác nhau v tính âm i n c a các nguy n t , tr ng tâm i n tích dương và i n tích âm không trùng nhau s t o thành ng u c c i n và phân t b phân c c. Liên k t Val der Val là liên k t do hi n tư ng hut nhau gi a các nguyên t ho c phân t b phân c c tr ng thái r n (hình 1.4 Lê). ây là lo i liên k t y u, r t d b phá h y do ba ng nhi t. Do v y các ch t r n trên cơ s liên k t Val der Val có nhi t nóng ch y th p. 1.2.C U T O M NG TINH TH LÝ TƯ NG : 1.2.1.Các khái ni m cơ b n : 1-M t tinh th : trong kim lo i các nguyên t s p x p có tr t t , t c là chúng u n m trên nh ng m t ph ng song song và cách u nhau g i là m t tinh th .T p h p vô s các m t như v y t o nên m ng tinh th . 2-Kh i cơ s (còn g i là ô cơ b n) :là ph n nh nh t c trưng cho m t lo i m ng tinh th .Có th xem như m ng tinh th là do vô s các kh i cơ s x p liên ti p nhau t o nên. 3-Thông s m ng (còn g i là h ng s m ng) : là kho ng cách gi a hai nguyên t trên m t c nh c a kh i cơ s .Thông s m ng là kích thư c cơ b n c a m ng tinh th , t ó có th suy ra các kho ng cách b t kỳ trong m ng . ơn v o thông s m ng là kx (nano mét) hay ăng strông , v i 1kx = 1,00202Ao = 1,00202.10-8 cm. Theo thông s m ng ta có th tính ư c ư ng kính nguyên t kim lo i . Thông s m ng thư ng ký hi u là a . 1.2.2.Các ki u m ng tinh th thư ng g p : Trong các kim lo i thông d ng thư ng g p ba ki u m ng tinh th sau ây : 1-L p phương tâm kh i A2 (th tâm) : Các nguyên t n m các nh và trung tâm c a kh i l p phương . N u coi các nguyên t là hình c u và bi u di n g n như th t thì các nguyên t n m các nh chéo nhau thì ti p xúc v i nhau qua nguyên t trung tâm .Các nguyên t còn l i không ti p xúc v i nhau . Ki u m ng này có trong các kim lo i Feα ,Cr,Mo,V. Kho ng a 3 a 3 cách g n nh t gi a hai nguyên t là d = và r = . Ki u m ng này có m t thông s 2 4 m ng là a. Ki u m ng này có h s s p x p là K8, nghĩa là b t kỳ nguyên t nào cũng có tám nguyên t cách u nó m t kho ng g n nh t. 4
  5. 2- L p phương tâm di n A1 (di n tâm) : Các nguyên t n m các nh và tâm c a các m t bên . N u coi các nguyên t là hình c u và bi u di n g n như th t thì nguyên t n m nh và tâm c a các m t bên thì ti p xúc v i nhau .Các nguyên t còn l i không ti p xúc v i a 2 a 2 nhau . Kho ng cách g n nh t gi a hai nguyên t là d = và r = . Ki u m ng này ch 2 4 có m t thông s m ng là a . Thư ng g p trong các kim lo i Feγ,Cu,Ni,Al,Pb...S s p x p c a m ng A1 là K12. 3-Sáu phương x p ch t A3 (l c giác x p ch t) : Các nguyên t n m các nh và tâm hai m t áy c a hình lăng tr l c giác u .Ba nguyên t n m trung tâm ba lăng tr tam giác cách nhau .Sáu phương x p ch t có hai thông s ù m ng là a và c , t s c/a g i là h s x p c 8 ch t .Trong trư ng h p lý tư ng = ≈ 1,633 .Trong th c t t s c/a không úng là 1,633 a 3 mà dao ng trong trong kho ng 1,57 ÷ 1,64 và cũng ư c coi là x p ch t . Các kim lo i có ki u m ng này là : Zn,Cd,Coα,Mg,Ti,Ru... 4-Chính phương tâm kh i (th tâm) : Trong t ch c c a thép sau khi tôi (mactexit) còn có ki u m ng chính phương tâm kh i . Có th coi ki u m ng này là l p phương tâm kh i ư c kéo dài theo m t chi u . Nó có hai thông s m ng là a và c , t s c/a g i là chính phương . Trong th c t s s p x p c a các nguyên t trong kim lo i theo xu hư ng dày c nh t . Do ó không có kim lo i nào có ki u m ng ơn gi n chính phương tâm kh i c . 1.3.C U T O M NG TINH TH TH C T : 1.3.1.Phân lo i các sai l ch trong m ng tinh th : Các c u trúc trình bày trên g i là c u trúc c a tinh th lý tư ng vì khi xem xét ã b qua dao ng nhi t và các sai h ng trong tr t t s p x p c a các nguyên t (ion, phân t ). Các sai h ng ó g i là sai l ch m ng tinh th hay khuy t t t m ng. Hành vi c a tinh th dư i tác d ng c a ngo i l c (bi n c ng, bi n d ng d o), d n i n, tính cách i n và tính bán d n ... s b nh hương r t l n do sai l ch m ng tinh th . D a vào kích thư c theo ba chi u sai l ch m ng ư c phân ra làm ba lo i : sai l ch i m, sai l ch ư ng, sai l ch m t và kh i. 1.Sai l ch i m : Sai l ch i m là các sai l ch có kích thư c r t nh theo ba chi u o không gian (c kích thư c nguyên t ). Có các d ng sau : nút tr ng, nguyên t xen k và nguyên t t p ch t. a-Nút tr ng và nguyên t xen k : Trong tinh th nguyên t luôn luôn dao ng nhi t xung quanh v trí cân b ng c a mình. T i nhi t xác nh, năng lư ng dao ng c a m i nguyên t tuân theo lý thuy t th ng kê Mác xoen - Bol zơ man nên không gi ng nhau. Khi m t s nguyên t nào ó có năng lư ng cao, v i biên dao ng l n, chúng có kh năng r i b nút m ng và l i nút không có nguyên t , ó là nút tr ng.(hình 1.28ab Lê) Sau ó nguyên t có th chuy n sangv trí gi a các nút ( cơ ch t o nút tr ng Frenken) t o ra sai l ch i m d ng nguyên t xen k (hình 1.28a). Khi nguyên t r i kh i v trí cân b ng i ra b m t tinh th g i là cơ ch nút tr ng Sôtky S xu t hi n nút tr ng và nguyên t xen k luôn làm xu t hi n trư ng ng su t hình c u (kéo xung quanh nút tr ng và nén xung quanh nguyên t xen k ). N ng nút tr ng th c t l n hơn nhi u so v i nguyên t xen k vì năng lư ng t o nút tr ng nh hơn nhi u so v i nguyên t xen k . M t nút trông sbi u di n theo công th c : 5
  6. n Q = exp(− ) N KT Trong ó : -n,N : s nút tr ng và s nút m ng. -Q : năng lư ng t o nút tr ng -K : h ng s Bonzơman -T : nhi t tuy t i. Qua công th c trên ta th y r ng n ng nút tr ng tăng nhanh theo nhi t ô và có giá tr l n nh t kim lo i l ng. b-Nguyên t t p ch t : Trong th c t không th có v t li u kim lo i nguyên ch t tuy t i. V i công ngh n u luy n hi n i ngày nay có th t s ch n 99,99999%. Do v y trong kim lo i luôn có t p ch t. Tùy theo kích thư c nguyên t mà t p ch t có th thay th vào v trí nguyên t kim lo i trên nút m ng hay xen gi a các nút (hình 1.28cd Lê ). Xung quanh các nguy n t t p ch t luôn có trư ng ng su t hình c u. 2-Sai l ch ư ng - L ch Sai l ch ư ng là lo i sai l ch có kích thư c nh (kích c nguyên t ) theo hai chi u o và r t l n theo chi u th ba trong tinh th (s g i là l ch). Lý thuy t v l ch là cơ s lý thuy t b n trong v t lý kim lo i. Nh có lý thuy t l ch ta có th gi i thích ư c nhi u v n v cơ tinh, lý tính c a kim lo i và h p kim. Trên cơ s ó ch t o các kim lo i và h p kim c bi t : siêu b n, siêu d o... a-L ch ư ng : Gài thêm vào phía trên m ng tinh th lý tư ng m t n a m t ph ng nguyên t ABCD. Ph n n a phía trên c a tinh th (trên ư ng AB) s ch u ng su t nén, n a dư i ch u ng su t kéo (hình 1.29 Lê ). ư ng AB dài hàng nghìn hàng v n thông s m ng g i là tr c l ch. AB là biên gi i phía trong c a n a m t ABCD nên g i là l ch biên. N u n a m t nguyên t n m phía trên g i là l ch dương, ký hi u ⊥, n m phía dư i g i là l ch âm, ký hi u T. b-L ch xo n : ta có th hình dung l ch xo n như sau : c t m ng tinh th lý tư ng b ng n a m t ph ng ABCD (hình 1.30 Lê), sau ó xê d ch hai mép ngoài ngư c chi u nhau sao cho các nguyên t m t ngoài s xê d ch m t o n b ng m t thông s m ng theo ư ng CD. Do ó các nguyên t s s p x p l i quanh AB theo ư ng xo n c và ta có l ch xo n. (hình 1.30b Lê). AB g i là tr c l ch xo n. N u ư ng xo n c nguyên t xung quanh tr c l ch theo chi u kim ng h gòila l ch xo n ph i, ký hi u ngư c l i g i là l ch xo n trái, ký hi u . c-Lêch h n h p : Trong nhi u trư ng h p m t l ch có c trưng c a c l ch biên và l ch xo n g i là l ch h n h p (hình 1.32 Lê ) 3-Sai l ch m t : Sai l ch m t là các sai l ch có kích thưóc l n theo hai chi u o và nh theo chi u o th ba. G m có các lo i : biên gi i h t, biên gi i siêu h t, m t ngoài tinh th ... a-Biên gi i h t : là vùng ti p giáp gi a các h t trong a tinh th . Các nguyên t vùng biên gi i h t không s p x p theo tr t t m ng và có th coi như vùng c u trúc vô nh hình. (hình 1.35a Lê). Chi u dày biên gi i h t ph thu c vào s ch cúa v t li u, có th t hàng trăm thông s m ng. Kim lo i càng tinh khi t chi u dày biên g i h t càng m ng. b-Biên gi i siêu h t : Siêu h t (bl c) là nh ng vùng tinh th nh (kích thư c trung bình c 10 - 104 nm, v i c u trúc tinh th khá hoàn ch nh, nh hư ng l ch nhau m t góc nh , 2 ngăn cách b ng biên gi i siêu h t. Biên gi i siêu h t th c ch t là nh ng tư ng l ch, t o nên do 6
  7. nh ng l ch cùng d u tương tác l n nhau khi chúng trư t trên nh ng m t trư t song song và gi nhau v trí cân b ng (hình 1.36 Lê). Hai siêu h t lân c n nh hư ng l ch nhau m t góc b b b ng : θ = θ= . D D D - kho ng cách trung bình gi a các l ch biên cùng d u trên trư ng l ch. b - véc tơ trư t (Bure). Biên gi i các siêu h t thư ng xu t hi n trong qúa trình k t tinh l i, có tác d ng c n tr trư t và tương tác v i các lo i sai l ch i m khác nên cũng óng vai trò trong tính d o c a v t li u. c-Sai l ch x p : Sai l ch x p (còn g i là khuy t t t x p) là s phá v tr t t x p ch t c a tinh th . Gi s m ng A1 có tr t t s p x p là ABCABCABC, vì lý do nào ó, tr t t ó b phá v , ch ng h n th a m t l p x p ch t có sai l ch x p th a ABACA...N u trong tr t t x p thi u m t l p s t o sai l ch x p thi u ABCABABC...(hình 1.37a và 1.37b) Sai l ch x p c trưng b ng năng lư ng γ SLX g i là năng lư ng c a sai l ch x p. i u ki n cân b ng r ng c a sai lr ch x p là : r G (b 2 b3 ) do = 2πγ SLX Trong ó : G - mô un trư t uu rur b2 b3 - véc tơ trư t c a các l ch không hoàn ch nh gi i h n SLX γ SLX - năng lư ng c a sai l ch x p. Sai l ch x p có vai trò r t l n trong lĩnh v c hóa b n v t li u, ây là m t trong nh ng phương hư ng quan tr ng nâng cao b n là h p kim hóa, làm tăng r ng do, làm gi m γ SLX , t c là tăng c n tr chuy n ng c a l ch b ng sai l c x p. d-C u trúc m t ngoài tinh th : M t ngoài tinh th có hình thái t n t i khác so v i nh ng m t ph ng tinh th bên trong. Có th hìng dung d dàng r ng i v i các nguyên t m t ngoài (m t gi i h n tinh th ) không có s s p x p như nguyên t bên trong. Vì v y m t ngoài chúng không s p x p theo tr t t quy nh c a tinh th (hình 1.39 Lê) và t o thành vùng sai l ch. S c căng b m t tinh th (năng lư ng b m t) c trưng ph n gia tăng năng lư ng t do gi các nguyên t b m t tr ng thái n nh. Do c i m c u trúc sai l ch cho nên l p m t ngoài tinh th cũng có nh ng tương tác c bi t v i các sai l ch khác. 4-Sai l ch kh i : Nh ng sai l ch có kích thư c l n theo ba chi u trong m ng tinh th g i là sai l ch kh i. Sai l ch kh i v mô là nh ng sai h ng sinh ra khi n u, úc h p kim như r co t p trung x , t p ch t trong v t úc. Trên khía c nh vi mô có th coi sai l ch kh i như các pha th hai t n t i trên n n h p kim. Ví d như graphit trong gang, các pha th hai t o thành khi ti t pha t dung d ch r n. Các sai l ch này là c ý t o ra nâng cao b n, c i thi n tính ch t theo ý mu n. Tùy thu c vào c u trúc, hình thái t n t i, kích thư c mà hi u qu hóa b n c a nh ng pha th hai này khác nhau. 1.3.2.Vai trò c a sai l ch i v i tính ch t : S có m t c a sai l ch trong m ng tinh th và tương tác gi a chúng nh hư ng n tính ch t c a v t li u. gi i thích tính ch t cơ h c ( b n, c ng, tính d o...) ph i d a vào lý thuy t b n trong ó các mô hình c u trúc vi mô ư c áp d ng gi i thích k t qu th c 7
  8. t . ây ta xem xét s tương tác c a l ch v i nhau và nh hư ng c a chúng n cơ tính c a v t li u. 1-Tương tác gi a các l ch và khái ni m hóa b n : Ta xét quá trình trư t khi bi n d ng d o, t c bi n d ng d o theo công th c Orowan ε = ρ .b.ν . Trong ó : ρ là m t l ch, b là tr s véc tơ Burgers, ν là t c chuy n ng c a l ch). Trong quá trình bi n d ng s có hai hi u ng ngư c nhau x y ra -M t l ch tăng do các ngu n khác nhau ho t ng như bi n giư i h t, Frank - Rit làm tăng t c bi n d ng. -Nhưng khi tăng m t l ch tương tác gi a l ch vói nhau và v i các sai l ch khác tăng m nh làm gi m áng k t c chuy n ng c a l ch. Vì v y mu n duy trì t c bi n d ng là không i c n ph i tăng ng su t bên ngoài thêm m t lư ng d σ . ây chính là hi u ng hóa b n bi n d ng. H s hóa b n bi n d ng dσ c trưng b i góc nghiêng ư ng cong σ − ε trên dε bi u th kéo v t li u. Cơ s c a các phương pháp hóa b n v t li u tinh th là làm gi m t c chuy n ng c a l ch. Tương t c gi a các l ch x y ra nh trư ng ng su t àn h i c a chúng. Khi m t l ch trư t g p các l ch trong m t trư t giao nhau khác, trên m i l ch hình thành m t b c l ch. B c c n tr chuy n ng l ch ho c khi cùng chuy n ng v i l ch s sinh ra khuy t t t i m ho c các vòng l ch phía sau nó gây ra hóa b n (hình 1.41 Lê ) 2-Tương tác gi a l ch và sai l ch i m : K t qu tương tác gi a l ch và sai l ch i m làm cho các nguy n t t p ch t (hay nút tr ng) tích t xung quanh ư ng l ch, t o ra nh ng ám mây nguyên t t p ch t (khí quy n Côtren, Snuk Suzuki...). chuy n ng l ch c n ph i b sung thêm năng lư ng t bên ngoài (d σ ) nh m gi i thoát kh i nh ng ám mây ó. Trong các h p kim t n t i d ng dung d ch r n (thay th , xen k ) các nguyên t h p kim có th coi như nh ng sai l ch i m c ý, hi u qu hóa b n s tăng lên r t nhi u.Nguyên t h kim làm thay i r ng c a sai l ch x p, ây là m t trong các chư ng ng i r t m nh c n tr chuy n ng c a l ch. Trong các ki u m ng A1, A3 khi h p kim hóa s làm gi m năng lư ng c a sai l ch x p, t c là tăng r ng c a nó, do v y làm tăng hi u qu hóa b n. ó chính là hóa b n b ng dung d ch r n. 3-Tương tác l ch và biên gi i h t : Khi trong h t có m t ngu n Frank - Rit ho t ng s có vô s l ch trư t cho n khi d ng l i c nh biên gi i h t, t o ra m t t p h p có n l ch (hình 1.35 Lê). T p h p này s t o ra trư ng ng su t àn h i v a tác d ng ngư c l i, phong t a ngu n l ch trong h t, v a kích thích ngu n các h t lân c n ho t ng trong quá trình bi n d ng. Biên gi i h t c n tr chuy n ng c a l ch là do : -T i biên gi i có c u trúc không tr t t -Hai h t a tinh th li n nhau có nh hư ng khác nhau vì v y l ch r t khó thay i t bi n m t trư t khi vư t qua biên gi i h t. Vì v y l ch ch có th chuy n ng t do trong h t. Kích thư c h t càng nh , quãng ư ng chuy n ng t do càng ng n, do ó hi u qu hóa b n càng cao. ó chính là s hóa b n b ng biên gi i h t. 4-Tương tác gi a l ch và pha th hai : 8
  9. Pha th hai t o ra trong h p kim do quá trình chuy n bi n pha cũng có th xem là d ng sai l ch c ý. Tùy theo vào b n ch t, n ng , kích thư c c a pha th hai, hi u qu hóa b n c a chúng cũng khác nhau. a-Pha th hai không li n m ng, c ng hơn n n : Mu n vư t qua lo i chư ng ng i này 2GB ng su t ti p tác d ng lên l ch ph i t giá tr : τ = , trong ó L là kho ng cách trung L bình gi a các ph n t pha th hai. Sau khi vư t qua l ch l i vòng l ch dư xung quanh pha th hai. b-Pha th hai li n m ng, m m hơn n n : Trư ng h p này l ch s c t pha th hai b ng cách i xuyên qua nó t o ra sai l ch x p hai mép (hình 1.36a Lê).Vì v y sau m i l n l ch vư t qua s c c n c a pha th hai tăng thêm do các vòng l ch dư ho c sai l ch x p. ó là quá trình hóa b n b ng pha th hai (còn g i là hóa b n c u trúc). 5-Tích t l ch và phá h y : Khi l ch b hãm l i bên chư ng ng i, chúng s tích t d n, làm tăng ng su t c c b cho n khi t giá tr cao hơn gi i h n b n c a m ng, liên k t b phá v , v t n t u tiên s xu t hi n. Các l ch ti p theo trư t n và gi i thoát trên b m t v t n t t vi làm nó l n d n lên và tr thành v t n t vi mô. Lúc này s x y ra phá h y. 1.3.3. ơn tinh th và a tinh th : 1- ơn tinh th : N u v t tinh th có m ng th ng nh t và phương không thay i trong toàn b th tích g i là ơn tinh th . (1.46a Lê). d hình dung ta l y m t ô cơ s (kh i cơ s ) t nh ti n nó theo ba tr c t a v i nh ng o n b ng chu kỳ tu n hoàn m ng s ư c ơn tinh th . có ư c ơn tinh th kim lo i ta ph i áp d ng công ngh c bi t nuôi ơn tinh th . Có hai phương pháp : Zôcranxki và phương pháp flux (thành ph n khác nhau). Tính ch t i n hình c a ơn tinh th là tính d hư ng do theo các phương khác nhau có m t nguyên t khác nhau. Công d ng c a ơn tinh th là s d ng trong công nghi p bán d n và k thu t i n. 2- a tinh th : a tinh th g m r t nhi u tinh th nh g i là h t tinh th . Nh ng h t này có cùng c u trúc m ng nhưng nh hư ng ng u nhiên nên khác nhau, liên k t v i nhau b ng biên gi i h t ((hình 1.46b Lê). V t li u s d ng ch y u là a tinh th . a- h t c a a tinh th : T khái ni m nêu trên ta th y c u trúc c a a tinh th g m hai ph n sau : -Các h t có nh hư ng khác nhau. -Biên gi i h t có c u trúc không tr t t liên k t các h t v i nhau T ó ta th y r ng các h t tinh th không bao gi có kích thư c gi ng nhau nên ph i ưa ra khái ni m h t. Có th xác nh h t theo ba cách sau : +Xác nh ti t di n ngang S c a các h t (phương pháp này khó làm) + o ư ng kính (chi u ngang) trung bình c a các h t (ít dùng) +So sánh s lư ng h t có trong m t ơn v di n tích v i phóng i 100 l n v i b n m u có s n. ây là phương pháp ph bi n nh t. Sau ó x p vào b ng c p h t. B ng c p h t g m 16 c p t -2 n 14, thông d ng nh t là t c p 1 n c p 8, s càng l n h t càng nh . b-Tính ng hư ng c a a tinh th : Do s phân b ng u nhiên c a các h t trong a tinh th , phương m ng c a chúng s p x p m t cách b t kỳ nên tính d hư ng không còn th 9
  10. hi n n a. Do v y a tinh th có tính ng hư ng gi . S dĩ g i là ng hư ng gi vì trong t ng ph n nh c a a tinh th (h t) v n th hi n tính d hư ng. CHƯƠNG 2 : GI N PHA 2.1.CÁC KHÁI NI M CƠ B N : 2.1.1.Pha, h , c u t , h cân b ng: 1 - C u t : là các nguyên t (hay h p ch t hóa h c b n v ng) c u t o nên v t li u. Chúng là các thành ph n c l p. 2 - H ( ôi khi còn g i là h th ng) là m t t p h p v t th riêng bi t c a v t li u trong i u ki n xác nh hay là m t lo t h p kim khác nhau v i các c u t gi ng nhau. 3- Pha : là t ph n ng nh t c a h (h p kim) có c u trúc và các tính ch t cơ, lý, hóa h c xác nh, gi a các pha có b m t phân cách. Ví d : - Ta có m t h g m nư c á và nư c. H này ch có m t c u t ó là h p ch t H2O nhưng có hai pha : r n (nư c á), l ng (nư c) - M t chi ti t b ng la tông m t pha : H này có hai c u t là Cu và Zn nhưng ch có m t pha α (dung d ch r n c a hai c u t trên). 4 -H cân b ng ( n nh) : H tr ng thái cân b ng khi các pha c a nó u có năng lư ng t do nh nh t trong các i u ki n v nhi t , áp su t và thành ph n xác nh. T c là các c tính c a h không bi n i theo th i gian. Thông thư ng h v i các pha tr ng thái cân b ng bao gi cũng có b n, c ng th p nh t, không có ng su t bên trong, xô l ch m ng tinh th th p nh t và ư c hình thành v i t c ngu i ch m. H cân b ng có tính ch t thu n ngh ch. 5- H không cân b ng (không n nh) : Khi thay i nhi t và áp su t làm tăng năng lư ng t do và h tr nên tr ng thái khôg cân b ng. Lúc này h có th chuy n bi n sang tr ng thái cân b ng m i có năng lư ng t do nh hơn. Nói chung tr ng thái không cân b ng là không n nh, luôn có xu hư ng t bi n i sang tr ng thái cân b ng, n nh. Trong th c t m t s tr ng thái không cân b ng v n t n t i lâu dài, do nhi t thư ng chuy n bi n x y ra r t ch m h u như không nhìn th y ư c. Tr ng thái không cân b ng thư ng có b n, c ng cao hơn nên ư c s d ng khá nhi u trong th c t (t ch c mactenxit sau khi tôi). Tr ng thái không cân b ng ư c hình thành v i t c ngu i nhanh. 6-H gi n nh : Tr ng thái gi n nh t n t i khi tr ng thái cân b ng ( n nh) tuy t i ch t n t i trên lý thuy t, t c là ph i nung nóng hay làm ngu i vô cùng ch m mà trong th c t r t khó x y ra. V y gi n nh th c ch t là không n nh nhưng th c t l i t n t i m t cách n nh ngay c khi nung nóng hay làm ngu i trong m t ph m vi nào ó. 2.1.2.Quy t c pha và công d ng : Tr ng thái cân b ng c a h ư c xác nh b i các y u t bên trong (thành ph n hóa h c) và các y u t bên ngoài ( nhi t và áp su t). Tuy nhiên các y u t này ph thu c l n nhau. B c t do là s lư ng các y u t c l p có th thay i ư c trong ph m vi nh t nh mà không làm thay i s pha c a nó (ký hi u F -freedom). Quy t c pha xác nh m i quan h gi a s pha P (phase), b c t do F và s c u t C (component). Ta có : 10
  11. F = C - P + 2. Nhưng do vi c nghiên c u v t li u ti n hành trong khí quy n, có áp su t không i nên s y u t bên ngoài ch còn m t là nhi t . Vì v y công th c c a nó là : F=C-P+1 C n lưu ý r ng b c t do là nh ng s nguyên và không âm, s pha c c i c a m t hê ch có th l n hơn s c u t c a nó m t ơn v (PMAX = C + 1), nó giúp cho vi c xác nh s pha c a m t h h p kim d dàng. Ví d : - Khi F = 1 t c la ìch có m t y u t có th thay i ư c (nhi t hay thành ph n), lúc này s pha b ng s c u t . - Khi F = 2 có hai y u t thay i ư c cùng m t lúc, s pha b ng s c u t tr i 1. 2.2.DUNG D CH R N VÀ CÁC PHA TRUNG GIAN : 2.2.1.Khái ni m và phân lo i dung d ch r n : 1-Khái ni m : Cũng gi ng như dung d ch l ng, trong dung d ch r n ta không phân bi t ư c m t cách cơ h c các nguyên t c a các c u t , các nguyên t c a chúng phân b xen vào nhau trong m ng tinh th . C u t nào có s lư ng nhi u hơn, v n gi ư c ki u m ng c a mình g i là dung môi. Các c u t còn l i g i là ch t hòa tan. Dung d ch r n là pha ông nh t có c u trúc m ng tinh th c a c u t dung môi nhưng thành ph n c a nó có th thay i trong m t ph m vi nh t nh mà không làm m t i s ng nh t ó. Ký hi u c a dung d ch r n là A(B). Dung d ch r n ư c chia ra làm hai lo i : dung d ch r n thay th và dung d ch r n xen k . 2-Dung d ch r n thay th : là lo i dung d ch r n mà trong ó nguyên t c a c u hòa tan thay th vào v trí trên nút m ng c a c u t dung môi (nguyên t ch ). Như v y ki u m ng và s nguyên t trong kh i cơ s úng như c a c u t dung môi. Tuy nhiên s thay th này ít nhi u u gây ra s xô l ch m ng, vì không th có hai la i nguyên t có kích thư c hoàn toàn gi ng nhau. Do v y s thay th ch x y ra v i các c u t có kích thư c nguyên t khác nhau ít (v i kim lo i s sai khác này không quá 15%). Tùy thu c vào m c hòa tan ngư i ta còn chia ra dung d ch r n hòa tan vô h n và có h n. a - Dung d ch r n thay th hòa tan vô h n : Là dung d ch r n mà trong ó n ng c a ch t hòa tan có th bi n i liên t c, t c là v i n ng b t kỳ. Trong lo i dung d ch r n này không th phân bi t ư c c u t nào là dung môi, c u t nào là ch t hòa tan, c u t nào có lư ng ch a nhi u nh t là dung môi, các c u t còn l i là ch t hòa tan. Ví d ta có dung d ch r n c a c u t A và B thì n ng A bi n i t 0-100%, n ng B bi n i t 100% - 0. i u ki n hai c u t hòa tan vô h n vào nhau : * Có cùng ki u m ng tinh th * ư ng kính nguyên t khác nhau ít, nh hơn 8%. N u sai khác nhau nhi u t 8-15% ch có th hòa tan có h n, > 15% không th hòa tan vào nhau * N ng i n t không vư t quá m t giá tr xác nh v i m i lo i dung d ch r n (s lư ng i n t hóa tr tính cho m t nguyên t ), t c là các nguyên t ph i có cùng hóa tr . 11
  12. * Các tính ch t v t lý và hóa h c g n gi ng nhau (c u t o l p v i n t , tính âm i n, nhi t ch y...) Nói chung các nguyên t cùng trong m t nhóm c a b ng h th ng tu n hoàn th a mãn i u ki n này. Các c p nguyên t hình thành dung d ch r n vô h n ch có th là nguyên t kim lo i. C n chú ý r ng ây ch là i u ki n c n c a dung d ch r n vô h n. b - Dung d ch r n thay th hòa tan có h n : Là dung d ch r n mà trong ó các c u t ch hòa tan vào nhau v i giá tr nh t nh, t c là n ng c a chúng b gián o n. Các c p c u t không th a mãn b n i u ki n trên s t o thành dung d ch r n có h n c - Dung d ch r n tr t t và không tr t t : N u s phân b nguyên t c a c u t hòa tan trong m ng dung môi m t cách ng u nhiên thì ư c g i là dung d ch r n không tr t t . Trong m t s i u ki n nào ó (nhi t , n ng ) trong m t s h các nguyên t thay th có tính quy lu t và g i là dung d ch r n tr t t . Ví d trong h Au-Cu khi làm ngu i ch m nguyên t ng s p x p t i tâm các m t bên, còn nguyên t vàng n m các nh c a kh i cơ s . 3-Dung d ch r n xen k : Là lo i dung d ch r n trong ó nguyên t hòa tan n m xen gi a các nguyên t c a kim lo i dung môi, chúng chui vào l h ng trong m ng dung môi.Như v y ta th y r ng só nguyên t trong kh i cơ s tăng lên. Do kích thư c các l h ng trong m ng tinh th r t nh nên các nguyên t hòa tan ph i có kích thư c r t nh . ó chính là các nguyên t C, N, H, B... v i dung môi Fe. ương nhiên là dung d ch r n xen k ch có lo i hòa tan có h n. 4-Các c tính c a dung d ch r n : a - M ng tinh th c a dung d ch r n là ki u m ng c a kim lo i dung môi, thư ng có các ki u m ng ơn gi n và xít ch t. ây là y u t cơ b n quy t nh các tính ch t cơ, lý hóa ... V cơ b n nó v n gi ư c các tính ch t c a kim lo i dung môi. Tuy nhiên v thông s m ng luôn khác v i dung môi : - Trong dung d ch r n xen k : thông s m ng dung d ch luôn l n hơn thông s m ng dung môi. - Trong dung d ch r n thay th : n u ư ng kính nguyên t hòa tan l n hơn ư ng kính nguyên t dung môi thì thông s m ng dung d ch l n hơn dung môi. N u ư ng kính nguyên t hòa tan nh hơn nguyên t dung môi thì thông s m ng dung d ch nh hơn dung môi. b - Liên k t v n là liên k t kim lo i. Do v y dung d ch r n v n gi ư c tính d o gi ng như kim lo i nguyên ch t, tuy có kém hơn (tr h h p kim Cu-Zn, v i 30%Zn h p kim này còn d o hơn c ng) c - Thành ph n hóa h c thay i trong ph m vi nh t nh mà không làm thay i ki u m ng. d - Tính ch t bi n i nhi u : d o, dai, h s nhi t i n tr gi m, i n tr , b n, c ng tăng lên... Do các c tính trên nên dung d ch r n là cơ s c a các h p kim k t c u dùng trong cơ khí. Trong các h p kim này pha cơ b n là dung d ch r n, nó chi m x p x 90%, có trư ng h p n 100%. 2.2.2.Các pha trung gian : 12
  13. Trong các h p kim h u như không có lo i h p ch t hóa h c hóa tr thư ng. Các h p ch t hóa h c t n t i trong h p kim thư ng g i là pha trung gian vì trên gi n pha nó n m v trí gi a và trung gian các dung d ch r n. 1-Khái ni m và phân lo i : Các h p ch t hóa h c t o thành theo quy lu t hóa tr thư ng có các c i m sau : * Có m ng tinh th ph c t p và khác h n m ng nguyên t thành ph n * Luôn luôn có m t t l chính xác gi a các nguyên t và ư bi u di n b i công th c hóa h c nh t nh. *Tính ch t khác h n các nguyên t thành ph n, c ng cao, tính dòn l n. * Có nhi t nóng ch y xác nh, khi hình thành là ph n ng t a nhi t. Các pha trung gian trong h p kim có nh ng c i m khác v i h p ch t hóa h c theo hóa tr , ó là : * Không tuân theo quy lu t hóa tr . * Không có thành ph n chính xác. * Có liên k t kim lo i. Các pha trung gian trong hơp kim thư ng g p là : pha xen k , pha i n t , pha La ves, pha σ ... 2-Pha xen k : Là pha t o nên gi a các kim lo i chuy n tiép (Fe, Cr, Mo, W...) có ư ng kính nguyên t l n v i các á kim (H, B, N, C...) có ư ng kính nguyên t bé. Ki u m ng c a pha xen k ư c xác nh theo quan h gi a ư ng kính nguyên t kim lo i và á kim : - N u dA/dK < 0,59 thì pha xen k có các ki u m ng ơn gi n : tâm kh i, tâm m t, sáu phương x p ch t... Các nguyên t á kim xen k vào l h ng trong m ng. Chúng có công th c ơn gi n như : K4A (Fe4N), K2A (W2C), KA (NbC, NbH, TiC), KA2 (Ti2H). V i K là kim lo i, A là á kim. - N u dA/dK > 0,59 pha xen k s có ki u m ng ph c t p và công th c ph c t p hơn K3A (Mn3C), K7A3 (Cr7C3), K23A6 (Cr23C6). c i m c a pha xen k nói chung là có nhi t ch y r t cao (thư ng > 30000C) và có c ng l n (2000 ÷ 5000 HV), có tính dòn l n. Chúng có vai trò r t l n trong vi c nâng cao tính ch ng mài mòn và ch u nhi t c a h p kim. 3-Pha i n t (Hum-rozêri) Là pha trung gian có c u t o ph c t p, t o nên b i hai kim lo i. Thành ph n c a nó như sau : * Nhóm m t : g m các kim lo i hóa tr m t Cu, Ag, Au và kim lo i chuy n ti p : Fe, Ni, Co, Pt, Pd. * Nhóm hai : các kim lo i hóa tr hai, ba, b n :Be, Mg, Zn, Cd, Al, Si, Sn. N ng i n t N có giá tr xác nh là 3/2, 21/13 và 7/4 (21/14, 21/13, 21/12). M i giá tr n ng i n t ng v i m t ki u m ng tinh th . Ví d : -N = 3/2 là pha β v i ki u m ng l p phương tâm kh i, hay l p phương ph c t p, hay sáu phương (Cu5Sn, Cu5Si). - N = 21/13 là pha γ v i ki u m ng l p phương ph c t p (Cu31Sn8). - N = 7/4 là pha ε v i ki u m ng sáu phương x p ch t (AgCd3). 4-Pha Laves : 13
  14. La pha t o nên b i hai nguyên t (A, B), có t l ư ng kính nguyên t dA/dB = 1,2 (t l này có th bi n i trong ph m vi 1,1 ÷ 1,6), có công th c AB2, ki u m ng sáu phương x p ch t (MgZn2) hay l p phương tâm m t (MgCu2). Trong h p kim có th còn g p các pha : σ , λ , δ , µ ... Tuy nhiên các lo i pha này ít ph bi n. M t c tính quan tr ng c a các pha trung gian là c ng và dòn. Vì v y không bao gi ngư i ta dùng h p kim ch có m t pha là pha trung gian. T l c a chúng trong các h p kim thông thư ng < 10% (có khi n 20 ÷ 30%), ây là các pha c n trư t làm tăng b n, c ng. 2.2.3.H n h p cơ h c : Khá nhi u trư ng h p, h p kim có t ch c hai hay nhi u pha : hai dung d ch r n, dung d ch r n và h p ch t hóa h c... C u t o như v y g i là h n h p cơ h c. Trên t ch c t vi ta phân bi t ư c r t rõ các pha khác nhau trong h n h p cơ h c. Hai trư ng h p i n hình c a h n h p cơ h c là cùng tinh và cùng tích. 2.3.CÁC D NG GI N PHA HAI C U T KHÔNG CÓ CHUY N BI N A HÌNH (THÙ HÌNH) 2.3.1.Các gi n pha hai c u t : 1-Gi n pha hai c u t không hòa tan vào nhau, không t o thành pha trung gian (gi n lo i 1) : S c u t : A và B (C = 2) Các pha có th t o thành : l ng (L) hòa tan vô h n c a A và B, A và B. S pha l n nh t PMAX = 3 AEB là ư ng l ng : t i nhi t ng v i ư ng này h p kim b t u k t tinh. cao hơn ư ng l ng h p kim hoàn toàn tr ng thái l ng. CED là ư ng c : t i nhi t ng v i ư ng c h p kim l ng k t thúc k t tinh. Th p hơn nhi t này h p kim tr ng thái r n. Trong kho ng nhi t gi a ư ng l ng và ư ng c là quá trình nóng ch y hay k t tinh c a h p kim, t n t i ng th i c pha r n và l ng. V i lo i gi n này CED còn g i là ư ng cùng tinh. E g i là i m cùng tinh (eutectic). Các h p kim có thành ph n n m bên trái i m E g i là h p kim trư c cùng tinh (hypoeutectic). Các h p kim có thành ph n n m bên ph i i m E g i là h p kim sau cùng tinh (hypereutectic). H p kim có thành ph n t i E g i là h p kim cùng tinh. Trong th c t h Pb - Sb thu c lo i gi n này. a - Quá trình k t tinh c a h p kim trư c cùng tinh : * cao hơn nhi t ng v i i m 0 : h p kim hoàn toàn tr ng thái l ng (L). * Làm ngu i t 0 n 1: ây là quá trình ngu i c a h p kim l ng (L↓). * T i nhi t ng v i i m 1: t h p kim l ng k t tinh ra tinh th A. * Làm ngu i t 1 n 2 : tinh th A sinh ra ngày càng nhi u, h p kim l ng càng ngày càng ít i và thành ph n c a nó bi n i theo ư ng t 1 ÷ E (giàu B hơn). *T i nhi t ng v i i m 2 : ph n h p kim l ng cu i cùng có thành ph n t i E s k t tinh ng th i ra A và B cùng m t lúc, t ch c này g i là t ch c cùng tinh. Quá trình này g i là chuy n bi n cùng tinh (eutectic), x y ra t i nhi t không thay i. 0 LE → (A + B) t = const 14
  15. * Làm ngu i t 2 n 3 là quá trình ngu i c a h p kim r n, không x y ra chuy n bi n nào khác. T ch c nh n ư c nhi t thư ng là A + (A +B). Các tinh th A k t tinh ra trư c có kích thư c thô to hơn cùng tinh (A + B). b - Quá trình k t tinh c a h p kim sau cùng tinh : * Quá trình k t tinh c a h p kim sau cùng tinh hoàn toàn gi ng như h p kim trư c cùng tinh, nhưng ch khác là t h p kim l ng s k t tinh ra tinh th B trư c và ph n l ng còn l i s nghèo B i khi nhi t ti p t c gi m xu ng. * T ch c nh n ư c nhi t thư ng là B + (A + B). c - Quá trình k t tinh c a h p kim cùng tinh H p kim này có thành ph n ng v i i m E. Khi làm ngu i n nhi t ng v i i m E h p kim l ng s k t tinh ng th i ra (A + B) cùng m t lúc và s n ph m cu i cùng là cùng tinh (A + B). Nh n xét : Các h p kim có gi n lo i 1 k t tinh theo th t sau : trư c tiên pha l ng k t tinh ra m t trong hai c u t nguyên ch t trư c, làm cho pha l ng nghèo c u t này và bi n i thành ph n n i m cùng tinh E. n ây pha l ng còn l i s k t tinh ra hai c u t cùng m t lúc. d - Tam giác Tam man : Trong các h h p kim có gi n lo i 1 ta v thêm m t tam giác ph xác nh t l c a t ch c cùng tinh cũng như các c u t nguyên ch t m t cách d dàng ng v i các thành ph n khác nhau. Tam giác này g i là tam giác Tam - man (do Tam - man ngư i c ưa ra). T i i m E t ch c cùng tinh chi m 100%. Ta coi o n EF b ng 100% (A + B), vì v y các ư ng song song v i EF s ch ra t l c a t ch c cùng tinh tương ng trong các h p kim. Tương t như v y ta hoàn toàn có th xác nh t l các c u t A và B tương ng trong các h p kim. e - Thiên tích vùng : Các h p kim có gi n lo i 1 thư ng x y ra thiên tích vùng khi k t tinh, c bi t là khi làm ngu i ch m (thiên tích vùng là s khác nhau v thành ph n hóa h c gi a các vùng khác nhau c a v t úc) . Ví d : H h p kim Pb - Sb n u chì k t tinh ra trư c nó s chìm xu ng áy khuôn úc ( γ = 11,34 g/cm2).Stibi n u k t tinh ra trư c thì nó s n i lên trên( γ = 6,69g/cm2).Do v y phía trên v t úc giàu Sb, phía dư i giàu Pb. Tuy nhiên hi n tư ng thiên tích vùng có th kh c ph c ư c b ng cách làm ngu i th t nhanh không k p x y ra hi n tư ng chìm n i c a các tinh th hay cho vào h p kim l ng m t ch t c bi t nó s t o ra b khung xương trư c (t tr ng ≈ h p kim l ng), chúng lơ l ng trong h p kim l ng ngăn c n quá trình thiên tích. 2-Gi n pha hai c u t hoàn toàn hòa tan vào nhau, không t o thành pha trung gian (gi n l ai 2) : S c u t : A và B (C = 2) S pha có th t o thành : h p kim l ng hòa tan vô h n c a A và B, dung d ch r n hòa tan vô h n c a A và B là α (P max = 2). ư ng AmB g i là ư ng l ng, ư ng AnB g i là ư ng c. H Cu - Ni có gi n lo i này. a - Xét quá trình k t tinh c a m t h p kim c th (h p kim 1) 15
  16. * T i nhi t ng v i 0 h p kim t n t i tr ng thái l ng. * Làm ngu i t 0 - 1 : quá trình ngu i c a h p kim l ng. * T i nhi t n v i i m 1 t h p kim l ng k t tinh ra dung d ch r n hòa tan vô h n c a A và B là α . * Làm ngu i trong kho ng nhi t t 1 n i m 2 dung d ch r n α sinh ra ngày càng nhi u, thành ph n hóa h c c a nó bi n i theo ư ng t 1 - 2', h p kim l ng ngày càng ít i và thành ph n hóa h c bi n i t 1' - 2. * T i nhi t ng v i i m 2 h p kim l ng h t. * Làm ngu i t 2 - 3 là quá trình ngu i c a dung d ch r n α . Nh n xét : Các h p kim có gi n lo i 2 có quy lu t k t tinh như sau : n u ta l y ơn v là c u t có nhi t nóng ch y cao hơn thì u tiên t h p kim l ng k t tinh ra dung d ch r n giàu c u t này hơn, do v y pha l ng còn l i s nghèo c u t này i. Nhưng n u làm ngu i ch m thì dung d ch r n t o thành bi n i thành ph n theo hư ng nghèo c u t này và cu i cùng t thành ph n h p kim. b - Thiên tích nhánh cây (thiên tích trong b n thân h t): H p kim có gi n lo i 2 khi k t tinh t i m i nhi t khác nhau, thành ph n hóa h c c a dung d ch r n cũng khác nhau. Do óú b ng cách làm ngu i thông thư ng (ngu i ch m) h t kim lo i úc t o thành s không ng nh t v thành ph n hóa h c. Hi n tư ng này g i là thiên tích nhánh cây (hay thiên tích trong b n thân h t). Kh c ph c b ng cách làm ngu i ch m hay khu ch tán sau khi úc. 3-Gi n pha hai c u t hòa tan có h n vào nhau, không t o thành pha trung gian (gi n lo i 3) : S c u t : A và B (C = 2) S pha có th t o thành : PMax = 3 H p kim l ng hòa tan vô h n c a A và B α - dung d ch r n c a B hòa tan có h n trong c u t A, A(B) β - dung d ch r n c a A hòa tan có h n trong c u t B, B(A) ư ng AEB là ư ng l ng, ACDB là ư ng c, CED là ư ng cùng tinh. CF là ư ng gi i h n hòa tan c a B trong c u t A tr ng thái r n, DG là ư ng gi i h n hòa tan c a A trong B tr ng thái r n. i m E là i m cùng tinh. H h p kim Ag - Cu và Pb - Sn có gi n lo i này. Cũng tương t như gi n lo i 1, nhi t ch y c a c u t b t kỳ s gi m i n u ư c ă thêm c u t th hai vào. Gi n l ai 3 g m như t ng h p c a hai gi n lo i 1 và lo i 2. Có th chia các h p kim c a h thành ba nhóm sau : a- Nhóm ch a r t ít c u t th hai (có thành ph n n m bên trái F và bên ph i G), quá trình k t tinh gi ng gi n lo i 2, s n ph m nh n ư c là dung d ch r n α và β . b - Nhóm ch a m t lư ng h n ch c u t th 2 (thành ph n n m trong kho ng F-C' và G-D'), ban u k t tinh ra dung d ch r n, nhưng khi nhi t ti p t c gi m i th p hơn ư ng CF và DG thì do lư ng c u t hòa tan là quá bão hòa nên ti t ra lư ng c u t th a dư i d ng dung d ch r n th c p ( α th a B ti t ra β II, β th a A ti t ra α II). Ta xét quá trình k t tinh c a h p kim I : * T i nhi t ng v i 0 : h p kim tr ng thái l ng 16
  17. * Làm ngu i t nhi t ng v i i m 0 n 1, quá trình ngu i c a h p kim l ng. * T i nhi t ng v i i m 1, t h p ki l ng k t tinh ra dung d ch r n α , có thành ph n xác nh t i i m 1'. * Làm ngu i t nhi t ng v i i m 1 n i m 2, dung d ch r n α sinh ra ngày càng nhi u, thành ph n c a nó bi n i theo ư ng t 1' - 2, h p kim l ng ngày càng ít i, thành ph m c a nó bi n i theo ư ng t 2 - 2'. * T i nhi t ng v i i m 2 h p kim l ng h t. * Làm ngu i t 2 n 3 là quá trình ngu i c a dung d ch r n α . * T i nhi t ng v i i m 3 do lư ng hòa tan c a B vào A là quá bão hòa nên B th a ư c ti t ra dư i d ng dung d ch r n β II ( α → β II) * T i nhi t thư ng s n ph m nh n ư c là α + β II c - Nhóm ch a m t lư ng l n c u t th hai, có thành ph n n m trong kho ng C'-D', ban u k t tinh ra dung d ch r n ( α C hay β D), pha l ng còn l i bi n i thành ph n theo ư ng l ng n i m E và k t tinh ra t ch c cùng tinh. Khi nhi t h xu ng th p hơn ư ng CF và DG cũng có quá trình ti t ra c u t hòa tan th a dư i d ng β II và α II. Quá trình k t tinh c a nhóm này gi ng gi n lo i 1. Xét quá trình k t tinh c a h p kim II. * T i nhi t ng v i i m 0 h p kim tr ng thái l ng * Làm ngu i t nhi t ng v i i m 0 n di m 1, là quá trình ngu i c a h p kim l ng. * T i nhi t ng v i i m 1 t h p kim l ng k t tinh ra dug d ch r n α có thành ph n t i 1'. * Làm ngu i t nhi t ng v i i m 1 n i m 2 dung d ch r n α sinh ra ngày càng nhi u, thành ph n c a nó thay i theo ư ng t 1' - C. H p kim l ng ngày càng ít i, thành ph n c a nó thay i t 1 - E. * T i nhi t ng v i i m 2, h p kim l ng còn l i có thành ph n t i E s k t tinh ng th i ra hai dung d ch r n α C và β D cùng m t lúc. Quá trình này di n ra t i nhi t không i. LE → ( α C + β D) * Làm ngu i t nhi t ng v i i m 2 n 3 do lư ng c u t hòa tan là quá bão hòa nên có quá trình ti t ra β II t α và α II. t β . Tuy nhiên α II. ư c ti t ra t β trong cùng tinh, n m l n l n v i α C nên không nhìn th y ư c. Do v y t ch c nh n ư c nhi t thư ng là α + β II + ( α + β ). 4-Gi n pha hai c u t hoàn toàn không hòa tan vào nhau, t o thành h p ch t hóa h c n nh (gi n lo i 4) : Các c u t : A và B (C = 2) Các pha có th t o thành : h p kim l ng, c u t A, B và h p ch t hóa h c c a chúng là AmBn (ký hi u là H). H p ch t hóa h c H có nhi t nóng cah riêng, thành ph n xác nh và không th hòa tan thêm c u t A, B. H h p kim Mg - Si thu c lo i này. Nghiên c u quá trình k t tinh c a h p kim có gi n lo i này ta ưa v nghiên c u hai gi n pha lo i 1 là A-H và H-B (H ư c xem là m t c u t c l p) 2.3.2.Quan h gi a d ng gi n pha và tính ch t c a h p kim : 17
  18. Các lo i gi n pha khác nhau có m i quan h gi a d ng c a gi n và tính ch t c a h p kim hoàn toàn khác nhau. Ta bi t r ng pha thành ph n là pha t o nên t ch c c a h p kim. Khi h p kim có t ch c m t pha thì pha thành ph n duy nh t ó ng nh t v i h p kim, t c là tính ch t c a nó chính là tính ch t c a h p kim. Trư ng h p có t ch c g m nhi u pha thì tính ch t c a c a h p kim la s t ng h p tính ch t c a các pha thành ph n. Ta s xem xét c th m i quan h gi a d ng c a gi n pha v i tính ch t c a h p kim như th nào. a - Gi n lo i 1 : - Cơ lý tính : Tính ch t c a h p kim là trung gian gi a tính ch t c a tinh th A và tinh th B, t c là tinh th nào có t l càng l n thì s nh hư ng càng nhi u n tinh ch t tính ch t c a nó. C th như sau : Tính ch t h p kim = %A X t/c A + %B X t/c B Tính ch t c a h p kim ph thu c vào thành ph n theo quy lu t b c nh t. -Tính công ngh : * Tính úc c a h p kim nói chung t t vì ch y loãng cao, nhi t nóng ch y th p, k t tinh trong m t kho ng nhi t ít gây co ngót. * Tính ch t gia công áp l c không cao. * Tính gia công c t g t t t, phoi d gãy. b - Gi n lo i 2 : - Cơ lý tính : M i quan h gi a tính ch t va thành ph n theo quy lu t b c hai. ư ng cong bi u di n có c c i t i 50% thành ph n, b n và c ng u cao hơn c u t thành ph n. i n tr tăng m nh theo thành ph n ch t hòa tan. - Tính công ngh : * Tính úc x u vì kh năng i n y khuôn không cao, kho ng ông thư ng l n * Tính gia công áp l c t t vì khá d o dai * Tính gai công c t g t x u vì b n c ng cao, d o phoi khó gãy ... c - Gi n lo i 3 : M i quan h này là t ng h p c a hai lo i trên. d - Gi n lo i 4 : M i quan h gi a tính ch t và thành ph n có d ng ư ng th ng và i m c c i ng v i thành ph n c a h p chât hóa h c H. 2.4.GI N PHA SĂT - CÁC BON (Fe - Fe3C) : 2.4.1.C u t s t và các bon 1-C u t s t : S t là nguyên t có khá nhi u trong t nhiên. Hi n t i ngư i ta ã luy n ư c s t v i s ch 99,99999% Fe. Trong th c t s n xu t ngư i ta thư ng nghiên c u v i s t có lư ng ch a 99,8 - 99,9%. S t này g i là s t nguyên ch t k thu t (s t am kô) a- Cơ tính : S t là nguyên t có cơ tính khá cao, c th như sau : * Gi i h n b n kéo : σ b = 250 MN/m2 (MPa) * Gi i h n ch y quy ư c : σ 0,2 = 120MN/m2 * giãn dài tương i : δ % = 50 * th t t i : ψ % = 85 * dai va p : ak = 3000 Kj/m2 * c ng HB = 80 18
  19. b - Tính a hình c a s t : S t là kim lo i có tính a hình, nó có hai ki u m ng tinh th các kho ng nhi t khác nhau : - M ng l p phương tâm kh i t n t i nhi t : + Nh hơn 911 C g i là s t an pha có a = 2,68 Kx. Dư i 768oC có t tính, cao o hơn nhi t này m t tính s t t . T i nhi t cao hơn 768oC g i là s t bê ta, có a = 2,90Kx. + T 1392oC n 1539oC g i là s t en ta có a = 2,93Kx. -M ng l p phương tâm m t t n t i nhi t : 9110C < t0 < 13920C, g i là s t gamma, có a = 3,56Kx. c-Kh năng hòa tan các bon c a s t : Hai lo i m ng tinh th c a s t có kh năng hòa tan các bon dư i d ng xen k khác nhau. ư ng kính nguyên t các bon là 1,54Kx. Trong khi ó l h ng l n nh t trong m ng tâm kh i có d = 0,64Kx. M ng l p phương tâm m t có s l h ng ít hơn nhưng kích thư c l i l n hơn, d = 1,02Kx. V nguyên t c thì s t không th hòa tan các bon ư c. Tuy nhiên trong th c t s t an pha hòa tan ư c 0,02%C 727oC, s t en ta hòa tan 0,1%C 1499oC. S t gama hòa tan 2,14%C 1147OC. Ngư i ta cho r ng các bon chui vào nơi có nhi u sai l ch m ng nh t. V i s t gama có th hòa tan t i a kho ng 10% nguyên t s t. 2-C u t các bon : a- Các d ng t n t i c a các bon : Trong t nhiên các bon t n t i dư i ba d ng : than á (vô nh hình), kim cương và graphít (có c u t o m ng tinh th ). Trong h p kim Fe - C các bon ch t n t i t do d ng graphít (trong các lo i gang có graphít). b - Tương tác hóa h c gi a s t và các bon : Khi lư ng hòa tan c a các bon vào s t vư t quá gi i h n c a dung d ch r n thì s t o nên các h p ch t hóa h c : Fe3C (6,67%C), Fe2C (9,67%C) và FeC (17,67%C). Tuy nhiên trong h p kim s t các bon do ch s d ng gi i h n kho ng 5%C nên ch có Fe3C và h p ch t này có tên là xêmentit. Xêmentit là pha xen k có ki u m ng ph c t p, nhi t nóng ch y o o kho ng 1250 C và có c ng cao - 800HB. nhi t nh hơn 217 C có t tính. L n hơn nhi t này m t tính s t t . Khi hòa tan thêm các nguyên t h p kim (Cr, Mn, W...) dư i d ng thay th ta có xêmentit h p kim (nguyên t h p kim thay vào v trí c a s t. 2.4.2.Gi n pha Fe - C (Fe - Fe3C) : 1- D ng t ng quát c a gi n pha Fe - C : Chúng ta ch nghiên c u gi n pha ch a 6,67%C nên còn g i là gi n pha Fe - Fe3C. D ng c a gi n pha này tho t nhìn khá ph c t p, tuy nhiên n u phân tích ra thì nó là t ng h p c a b n lo i gi n pha ã nghiên c u trư c ây. Ký hi u các i m và t a c a chúng ã ư c qu c t hóa. C th như sau : i m %C Nhi t ô oC A 0 1539 B 0,5 1499 C 4,30 1147 D 6,67 1250 E 2,14 1147 F 6,67 1147 19
  20. 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 Các ư ng trên gi n pha : -ABCD là ư ng l ng. - HECF là ư ng c. - ECF là ư ng cùng tinh, t i nhi t này x y ra ph n ng cùng tinh (eutétic) - PSK là ư ng cùng tích, t i ây x y ra ph n ng cùng tích (eutectoid). - SE là gi i h n hòa tan c a các bon trong s t gamma. - PQ là gi i h n hòa tan c a các bon trong s t an pha. 2 - Các chuy n bi n x y ra khi làm ngu i ch m : Trong gi n pha Fe - Fe3C có y các chuy n bi n mà ta ã nghiên c u ph n trư c ây. Khi làm ngu i ch m có các chuy n bi n sau : - Chuy n bi n bao tinh : x y ra t i nhi t 1499oC trong các h p kim có 0,10 ÷ 0,50%C (tương ng ư ng HJB). δ H + LB ↔ γ J hay δ 0,10 + L0,50 ↔ γ 0,16 Trong th c t ta không ý n chuy n bi n này vì nó x y ra nhi t r t cao và h p kim còn m t ph n tr ng thái l ng, nó không nh hư ng gì n t ch c thép khi gia công và s d ng. - Chuy n bi n cùng tinh : x y ra nhi t 1147oC trong các h p kim có lư ng các bon > 2,14% (tương ng ư ng ECF). LC ↔ ( γ E + Fe3CF ) hay L4,3 ↔ ( γ 2,14 + Fe3C6,67 ) -Chuy n bi n cùng tích : x y ra t i nhi t 727oC, có h u h t trong các h p kim ( ư ng PSK). γ S ↔ ( α P + Fe3CK) hay γ 0,8 ↔ ( α 0,02 + Fe3C6,67) - S ti t ra pha Fe3C dư ra kh i dung d ch r n : X y ra trong dung d ch r n Fe γ theo ư ng ES và trong Fe α theo ư ng PQ. 3 - Các t ch c c a h p kim Fe - Fe3C : a- T ch c m t pha : * Ferit (ký hi u α , F hay Fe α ) : là dung d ch r n xen k c a các bon trong Fe α , có ki u m ng l p phương tâm kh i. Là pha d o, dai, m m và kém b n, nhi t < 768oC có t tính, cao hơn nhi t này m t tính s t t . Khi hòa tan thêm các nguyên t h p kim Mn, Si, Ni... b n c a nó tăng lên, d o dai gi m i. Ferit là pha t n t i nhi t thư ng, chi m t l khá l n (kho ng ≥ 90%) nên nh khá nhi u n cơ tính c a h p kim. T ch c c a nó là các h t sáng, a c nh. G i là phe rit xu t phát t ti ng Latinh ferum nghĩa là s t. *Austenit [ký hi u γ , As , Fe γ (C)] : là dung d ch r n xen k c a các bon trong Fe γ 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản