Giáo trình về Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 4

Chia sẻ: Little Duck | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

123
lượt xem 39
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiệt hàm của xỉ lỏng ở một nhiệt độ nào đấy là lượng nhiệt cần thiết để nâng một gam xỉ từ 00C lên tới nhiệt độ nóng chảy và quá trình nhiệt đến nhiệt độ nào đó. Khi các điều kiện khác như nhiệt độ nấu luyện, thành phần và trọng lượng xỉ không đổi thì lượng tiêu hao nhiên liệu cho quá trình nấu luyện tỉ lệ thuận lợi với nhiệt hàm của xỉ. Nhiệt hàm của xỉ được tính toán theo công thức: t0 t1 Q ? ? CP rắndt 0 + ? nóng chảy + to ?C P lỏng dt Q: nhiệt hàm của xỉ, kCal/kg xỉ hay Cal/g...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình về Lý thuyết các quá trình luyện kim - Chương 4

Gi¶n ®å søc c¨ng mÆt ngoµi cña mét sè hÖ xØ th«ng dông H×nh 4.36: Søc c¨ng bÒ mÆt cña xØ hÖ CaO - CaF2- Al2O3 ë 1600OC (J/m2) H×nh 4.37: Søc c¨ng bÒ mÆt cña xØ hÖ CaO - CaF2 - Al2O3(J/m2) 4.3.5. NhiÖt hµm cña xØ. Trong luyÖn kim nhiÖt hµm cña xØ láng còng cã ¶nh hëng tíi c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ. NhiÖt hµm cña xØ láng ë mét nhiÖt ®é nµo ®Êy lµ lîng nhiÖt cÇn thiÕt ®Ó n©ng mét gam xØ tõ 00C lªn tíi nhiÖt ®é nãng ch¶y vµ qu¸ tr×nh nhiÖt ®Õn nhiÖt ®é nµo ®ã. Khi c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c nh nhiÖt ®é nÊu luyÖn, thµnh phÇn vµ träng lîng xØ kh«ng ®æi th× lîng tiªu hao nhiªn liÖu cho qu¸ tr×nh nÊu luyÖn tØ lÖ thuËn lîi víi nhiÖt hµm cña xØ.
NhiÖt hµm cña xØ ®îc tÝnh to¸n theo c«ng thøc: t0 t1 C Q   CP r¾ndt  nãng ch¶y + + dt P láng to 0 Q: nhiÖt hµm cña xØ, kCal/kg xØ hay Cal/g xØ. CP : tØ nhiÖt nãng ch¶y cña xØ. r¾n, láng  nãng ch¶y : nhiÖt ®é nãng ch¶y cña xØ. Trong thùc tÕ viÖc x¸c ®Þnh nhiÖt hµm cña xØ theo c«ng thøc trªn hoÆc dùa vµo gi¸ trÞ entanpy (H) cña xØ trªn gi¶n ®å ph©n tÝch nhiÖt ®Òu gÆp nhiÒu khã kh¨n, nªn ngêi ta thêng ®o nhiÖt hµm cña xØ b»ng nhiÖt lîng kÕ chÝnh x¸c, néi dung chñ yÕu cña ph¬ng ph¸p nµy lµ: XØ ®îc nÊu ch¶y vµ qu¸ nhiÖt ®Õn nhiÖt ®é cÇn x¸c ®Þnh nhiÖt hµm. Gi÷ xØ láng ë nhiÖt ®é ®ã kho¶ng 20 phót ®Ó ®¶m b¶o c©n b»ng nhiÖt ®é. Nhanh chãng rãt xØ vµo mét chÐn ®ång ®Æt trong nhiÖt lîng kÕ. Trong nhiÖt lîng kÕ ®· cã s½n mét lîng níc x¸c ®Þnh. XØ láng truyÒn nhiÖt nhanh chãng cho níc lµm nhiÖt ®é níc t¨ng lªn. Khi hÖ thèng c©n b»ng nhiÖt ta biÕt ®îc sù chªnh lÖch nhiÖt ®é qua nhiÖt kÕ vµ tÝnh ®îc nhiÖt hµm cña xØ mét c¸ch dÔ dµng. 4.3.6. TØ träng cña xØ. TØ träng cña xØ  lµ tØ sè gi÷a träng lîng m cña mét ®¬n vÞ thÓ tÝch V cña nã: m  V §¬n vÞ ®o thêng dïng lµ: g/cm3 Trong luyÖn kim tØ träng cña xØ cã ý nghÜa quan träng vµ ¶nh hëng ®Õn nhiÒu qu¸ tr×nh ho¸ lÝ trong lß. XØ lµ m«i trêng trung gian qua ®ã tiÕn h µnh c¸c ph¶n øng ho¸ häc: thu håi kim lo¹i quý tõ quÆng vµ lo¹i trõ t¹p chÊt cña kim lo¹i láng. Nh ®· biÕt tèc ®é l¾ng ®äng cña giät kim lo¹i qua xØ hay tèc ®é næi lªn cña c¸c phÇn tö t¹p chÊt phi kim lo¹i cã d¹ng trßn vµ trong ®iÒu kiÖn m«i trêng yªn tÜnh tu©n theo ®Þnh luËt Stoc, nh vËy tèc ®é næi hay l¾ng ch×m phô thuéc kh«ng chØ vµo ®é sÖt mµ cßn phô thuéc vµo tØ träng cña xØ. Trong trêng hîp c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c kh«ng ®æi th× tØ träng cña xØ cµng nhá tèc ®é ch×m cña giät kim lo¹i cµng lín, sù t¸ch rêi cña kim lo¹i khái xØ cµng dÔ dµng, tæn thÊt kim lo¹i trong pha xØ cµng Ýt. TØ träng cña xØ phô thuéc vµo thµnh phÇn còng nh cÊu tróc cña nã. NÕu xØ chøa nhiÒu oxit kim lo¹i cã tØ träng lín th× tØ träng cña xØ lín, mÆt kh¸c nÕu xØ nhiÒu bät khÝ th× tØ träng xØ nhá. TØ träng xØ ë tr¹ng th¸i r¾n vµ láng cã kh¸c nhau, nhng sù kh¸c nhau kh«ng nhiÒu; cho nªn ngêi ta thêng lÊy tØ träng cña xØ r¾n ®Ó so s¸nh trong viÖc nghiªn cøu tØ träng cña xØ láng. Thµnh phÇn ho¸ häc cña xØ thay ®æi rÊt nhiÒu cho nªn tØ träng cña xØ luyÖn kim còng biÕn ®æi rÊt lín, thêng tõ 2,5 4g/cm3, trong ®ã xØ nÊu ®ång, nÊu ch× vµ xØ lß Mactanh cã tØ träng lín h¬n c¶. §Ó tÝnh gÇn ®óng tØ träng cña xØ ta cã thÓ dùa vµo quy t¾c céng tØ träng riªng cña tõng cÊu tö trong xØ råi lÊy trung b×nh céng theo c«ng thøc M 1O. 1  % M 2O 2  ... xØ  100 %M1O;%M2O; .....% c¸c oxit cã trong xØ. 1 ; 2 ... tØ träng c¸c oxit t¬ng øng trong xØ TØ träng cña mét sè oxit (g/cm3)
PbO 9,21 BaO 5,72 SiO2 4,20 FeO 5,00 N a2 O 2,27 MnO 5,16 CaO 3,40 Fe3O4 4,54 MgO 3,65 ZnO 5,60 Al2O3 3,68 Cu 2 O 6,00 B¶ng 4.5: TØ träng cña xØ hÖ CaO - Al2O3- SiO2 ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau. TØ träng g/cm3 Thµnh phÇn % 1350 0 14000 1450 0 15000 1550 0 CaO Al2O3 SiO2 1 2 3 4 5 6 7 8 35 5 60 2,531 2,526 2,520 2,513 2,507 35 10 55 2,545 2,537 2,530 2,524 2,517 35 15 50 2,554 2,546 2,539 2,532 2,525 35 18 47 2,559 2,550 2,545 2,540 2,533 35 19 46 2,562 2,553 2,547 2,542 2,534 35 20 45 2,563 2,555 2,549 2,543 2,537 40 5 55 2,566 2,559 2,550 2,543 2,535 40 10 50 2,573 2,565 2,559 2,552 2,543 40 13 47 2,586 2,577 2,570 2,562 2,555 40 14 46 2,588 2,581 2,573 2,565 2,558 40 15 45 2,591 2,584 2,576 2,567 2,561 40 20 40 2,604 2,596 2,589 2,581 2,574 45 5 50 2,609 2,601 2,594 2,587 2,580 45 6 49 2,610 2,603 2,595 2,588 2,580 45 8 47 2,613 2,605 2,599 2,591 2,584 45 9 46 2,614 2,606 2,601 2,593 2,585 45 10 45 2,615 2,609 2,602 2,594 2,587 45 15 40 2,62416 2,616 2,603 2,601 2,594 45 20 35 2,628 2,620 2,614 2,607 2,600 50 5 45 2,647 2,640 2,632 2,624 2,617 50 10 40 2,567 2,650 2,643 2,635 2,627 50 15 35 - - 2,656 2,648 2,640 50 20 30 - - - 2,661 2,653 29,4 15,5 55,1 2,501 2,496 2,491 2,486 2,482 30,0 20,0 50,0 2,526 2,521 2,517 2,513 2,508 1 2 3 4 5 6 7 8 32,8 17,2 50,0 2,538 533 2,525 2,524 2,520 32,0 22,0 64,0 2,559 2,552 2,546 2,540 2,534 33,4 29,7 46,9 2,593 2,588 2,583 2,578 2,573 31,7 33,3 35,0 2,593 2,588 2,583 2,578 2,573 35,2 18,5 46,3 2,564 2,559 2,554 2,549 2,544 36,8 19,3 43,9 2,575 2,574 2,569 2,564 2,559 35,2 25,9 38,9 2,590 2,586 2,585 2,575 2,570 38,0 20,0 42,0 2,592 2,586 2,580 2,573 2,567 40,0 19,4 40,6 2,604 2,598 2,591 2,584 2,578 41,6 11,4 47,0 2,600 2,593 2,586 2,580 2,574 42,6 11,4 46,0 2,605 2,597 2,590 2,584 2,578 43,6 11,4 45,0 2,609 2,602 2,595 2,583 2,582 45,6 17,6 37,1 2,627 2,620 2,613 2,606 2,598 43,6 18,2 38,2 2,620 2,613 2,606 2,598 2,591 41,9 18,7 39,4 2,614 2,606 2,599 2,592 2,584
B¶ng 4.6: TØ träng cña xØ hÖ FeO - Fe2O3 - SiO2 ë 1295 - 13200C Thµnh phÇn % NhiÖt ®é TØ träng 0 g /cm3 FeO Fe2O3 SiO2 C 63,58 14,95 21,47 1302 4,08 58,32 14,33 27,35 1315 4,04 57,30 14,54 28,16 1316 3,92 54,57 13,75 31,68 1295 3,96 55,12 13,71 31,17 1312 3,84 54,20 14,05 31,75 1295 3,76 52,55 14,40 33,05 1300 3,72 68,79 12,13 19,08 1310 4,06 66,15 11,64 22,21 1307 4,16 64,77 12,92 22,31 1305 4,12 64,01 10,92 25,07 1315 3,92 62,13 10,91 26,96 1301 3,92 60,95 10,77 28,88 1308 4,00 59,07 12,49 28,44 1318 3,68 58,42 12,44 29,14 1301 3,92 57,22 11,75 31,03 1310 3,80 56,24 13,12 30,64 1315 3,68 63,01 17,61 19,38 1314 4,28 54,50 17,87 27,63 1320 3,92 55,07 16,57 28,36 1302 3,84 53,64 16,79 29,57 1305 3,84 50,56 16,28 33,16 1302 3,68 69,42 8,35 22,23 11318 4,08 68,39 9,23 22,38 1312 4,00 64,50 9,07 26,43 1302 3,92 56,80 9,50 33,70 1310 3,68 55,95 9,40 34,56 1312 3,60 64,28 13,18 22,54 1310 4,04 63,95 14,02 22,03 1305 4,04 61,55 14,73 24,72 1312 4,00 4.4.CÊu tróc cña kim lo¹i láng Trong luyÖn kim c¸c qu¸ tr×nh ho¸ - lÝ x¶y ra chñ yÕu ë tr¹ng th¸i láng vµ s¶n phÈm thu ®îc nãi chung còng kÕt tinh tõ tr¹ng th¸i láng. V× vËy viÖc nghiªn cøu xØ láng vµ kim lo¹i láng lµ vÊn ®Ò kh«ng thÓ thiÕu ®îc. Nãi chung mçi chÊt ®Òu cã thÓ tån t¹i ë 3 tr¹ng th¸i : r¾n, láng, khÝ. Trong 3 tr¹ng th¸i ®ã th× tr¹ng th¸i láng chóng ta biÕt cßn Ýt ái h¬n c¶, nhÊt lµ víi kim lo¹i láng, v× sù phøc t¹p cña m« h×nh cÊu tróc vµ sù khã kh¨n cña c¸c ph¬ng ph¸p nghiªn cøu thùc nghiÖm ë nhiÖt ®é cao. Kim lo¹i láng cã cÊu t¹o gÇn gièng víi kim lo¹i r¾n h¬n lµ víi kim lo¹i h¬i. Chóng ta cã thÓ thÊy râ ®iÒu nµy tõ nh÷ng biÓu hiÖn vÒ tÝnh chÊt cña kim lo¹i ë 3 tr¹ng th¸i. - ThÓ tÝch cña kim lo¹i láng vµ r¾n kh«ng kh¸c nhau nhiÒu. PhÇn lín kim lo¹i khi nãng ch¶y thÓ tÝch t¨ng kho¶ng 2 - 6% (trõ Ga vµ Bi gi¶m kho¶ng 3%), ®iÒu ®ã chøng tá mËt ®é, kho¶ng c¸ch nguyªn tö ë hai tr¹ng th¸i nµy kh«ng kh¸c nhau nhiÒu. Cßn mËt ®é, kho¶ng c¸ch nguyªn tö ë tr¹ng th¸i h¬i kh«ng cè ®Þnh mµ phô thuéc vµo kÝch thíc kh«ng gian chøa nã.
- NhiÖt nãng ch¶y cña kim lo¹i bÐ vµ b»ng kho¶ng 5 - 10% nhiÖt ho¸ h¬i. §iÒu ®ã nãi lªn liªn kÕt nguyªn tö ë tr¹ng th¸i láng gÇn tr¹ng th¸i r¾n h¬n lµ tr¹ng th¸i h¬i. - ë gÇn ®iÓm nãng ch¶y, nhiÖt dung cña tr¹ng th¸i láng chØ kh¸c tr¹ng th¸i r¾n kho¶ng 10%, trong khi ®ã tr¹ng th¸i h¬i kho¶ng 25%. §iÒu nµy cho thÊy dao ®éng nhiÖt cña nguyªn tö ë tr¹ng th¸i láng gÇn tr¹ng th¸i r¾n h¬n lµ tr¹ng th¸i h¬i (xem b¶ng 4.6 vµ b¶ng 4.7). - C¨n cø vµo ¶nh nhiÔu x¹ tia R¬ngen cña kim lo¹i láng ë gÇn nhiÖt ®é nãng ch¶y cho thÊy nhiÒu ®iÓm gièng víi ¶nh cña kim lo¹i r¾n, ngêi ta ®· kh¼ng ®Þnh r»ng trong kim lo¹i láng c¸c nguyªn tö còng cã sù s¾p xÕp theo mét trËt tù t¬ng ®èi vµ ®©y lµ c¬ së ®Ó nghiªn cøu lÝ thuyÕt vµ thùc nghiÖm vÒ kim lo¹i láng. - C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu tÝnh chÊt vÒ ®iÖn vµ quang cho thÊy r»ng trong kim lo¹i láng vÉn cã ®iÖn tö tù do víi sè lîng xÊp xØ thÓ r¾n. NghÜa lµ kim lo¹i láng vÉn cßn tån t¹i d¹ng liªn kÕt cã liªn quan ®Õn cÊu tróc m¹ng tinh thÓ. Nh vËy ë gÇn ®iÓm kÕt tinh, trong chÊt láng sù ph©n bè c¸c h¹t cã trËt tù ®Æc trng cho chÊt r¾n kh«ng biÕn mÊt ®i hoµn toµn mµ chØ mÊt ®i mét phÇn. Trªn c¬ së ®ã ngêi ta ®a ra hai gi¶ thuyÕt vÒ cÊu t¹o chÊt láng. Theo "lÝ thuyÕt lç" vÒ cÊu tróc chÊt láng ngêi ta quan niÖm r»ng khi mét chÊt r¾n nãng ch¶y, thÓ tÝch ®îc t¨ng lªn 10  12%, sù t¨ng thÓ tÝch nµy kh«ng ph¶i chØ do kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c chÊt ®iÓm t¨ng lªn mµ chñ yÕu lµ do xuÊt hiÖn c¸c lç trong dÞch thÓ. Khi chÊt r¾n bÞ nung nãng liªn tôc th× sè c¸c lç sÏ t¨ng vät v× sù s¾p xÕp c¸c phÇn tö hoµn toµn mÊt trËt tù. Do ®ã sù khuÕch t¸n cña c¸c phÇn tö qua c¸c lç t¨ng lªn vµ sù hoµ tan còng t¨ng theo. C¸c lç liªn tôc ®îc t¹o thµnh vµ båi ®¾p nhng còng liªn tôc bÞ ph¸ vì vµ x©y dùng l¹i. MÆc dÇu khi nãng ch¶y thÓ tÝch vËt chÊt t¨ng lªn, sè phèi vÞ gi¶m ®i nhng kho¶ng c¸ch ë trËt tù gÇn vÉn gi÷ ®îc. C¸c phÇn tö lóc ®ã gièng tr¹ng th¸i láng ë chç ®îc x¸o trén hçn lo¹n vÒ mÆt thÓ tÝch, nhng l¹i gièng tr¹ng th¸i r¾n ë chç chóng dao ®éng xung quanh vÞ trÝ c©n b»ng. C¸c t¸c gi¶ còng cho r»ng chÊt láng cã cÊu tróc gÇn gièng tinh thÓ, mçi phÇn tö chÊt láng ®îc c¸c phÇn tö kh¸c bao quanh theo trËt tù gÇn gièng nh trong tinh thÓ nhng ë líp bao quanh thø hai b¾t ®Çu xuÊt hiÖn nh÷ng sai kh¸c so víi trËt tù tinh thÓ vµ ë nh÷ng líp ph©n tö tiÕp theo sù sai kh¸c trë nªn rÊt lín so víi cÊu tróc tinh thÓ. NghÜa lµ chÊt láng cã trËt tù gÇn, cßn tinh thÓ cã cÊu t¹o theo trËt tù xa. VËy ë gÇn nhiÖt ®é kÕt tinh chÊt láng ®îc coi lµ tinh thÓ ®· biÕn d¹ng vµ mÊt trËt tù xa. Nh vËy lÝ thuyÕt lç vÒ cÊu t¹o chÊt láng cho r»ng khi nãng ch¶y mçi nguyªn tö chÊt láng ®îc bao bäc bëi c¸c nguyªn tö kh¸c vµ c¸c lç. Gi¶ thuyÕt nµy kh¸ phï hîp víi nhËn xÐt vÒ c¸c tÝnh chÊt ®éng häc nh t¨ng ®é khuyÕch t¸n, gi¶m ®é sÖt khi vËt chÊt nãng ch¶y. Nh÷ng hiÖn tîng ®ã ®îc gi¶i thÝch lµ do tån t¹i c¸c lç trèng trong dÞch thÓ. Tuy vËy nªn hiÓu mét c¸ch tæng qu¸t h¬n r»ng, trong kim lo¹i láng cßn cã c¸c kho¶ng trèng gi÷a c¸c nguyªn tö chø kh«ng chØ ®¬n thuÇn c¸c lç trèng. LÝ thuyÕt thø hai vÒ dÞch thÓ l¹i cho r»ng: dÞch thÓ lµ tËp hîp nh÷ng thÓ tÝch nhá cña c¸c tinh thÓ ®îc gäi lµ "côm". Mçi côm kh«ng qu¸ vµi chôc ph©n tö ®îc ®Þnh híng mét c¸ch kh«ng x¸c ®Þnh .. "lÝ thuyÕt côm" coi dÞch thÓ nh mét chÊt r¾n vi tinh thÓ. LÝ thuyÕt nµy gi¶i thÝch ®îc d¹ng ®êng cong cña hµm ph©n bè theo t©m vµ mét sè tÝnh chÊt cña dÞch thÓ nh kh«ng bÞ biÕn ®æi ®ét ngét khi chuyÓn tõ tr¹ng th¸i láng sang tr¹ng th¸i r¾n. Tuy nhiªn lÝ thuyÕt côm kh«ng gi¶i thÝch ®îc ®óng ®¾n c¸c tÝnh chÊt do ¶nh hëng cña sù hçn lo¹n nh ®é ch¶y láng, sù chuyÓn ®éng khuÕch t¸n trong chÊt láng. Ngoµi ra còng khã chøng minh ®îc r»ng, cã c¸c côm vi tinh thÓ l¹i bÒn v÷ng ®îc trong khi ë biªn giíi tiÕp xóc gi÷a chóng c¸c côm ®ã l¹i ®îc ®Þnh híng kh¸c nhau. Tuy vËy m« h×nh nµy cã thuËn lîi c¬ b¶n lµ ®îc biÓu thÞ b»ng d¹ng to¸n häc rÊt ®¬n gi¶n vµ v× vËy nã vÉn ®îc tån t¹i tíi hiÖn nay. C¸c nghiªn cøu vÒ sau l¹i cho r»ng c¸c côm lu«n lu«n xuÊt hiÖn vµ biÕn mÊt theo mét x¸c suÊt nhÊt ®Þnh. Khi ®ã c¸c nguyªn tö ë côm nµy cã thÓ l¹i chuyÓn sang côm kh¸c míi h×nh thµnh. Do vËy xÐt tõng thêi ®iÓm ë t©m côm sù s¾p xÕp c¸c nguyªn tö gÇn gièng nh cÊu t¹o tinh thÓ nhng cµng ra ngoµi møc ®é trËt tù cµng gi¶m ®i. LÝ thuyÕt côm thùc chÊt lµ sù bæ sung lÝ thuyÕt lç. Nã phï hîp víi nhiÒu sè liÖu thùc nghiÖm vµ cho phÐp gi¶i thÝch nhiÒu hiÖn tîng trong thùc tÕ luyÖn kim mµ nhÊt lµ cho phÐp m« t¶ cÊu tróc cña c¸c hîp kim. §Ó nghiªn cøu cÊu tróc chÊt láng ngêi ta thêng dùa trªn sù khuÕch t¸n hoÆc truyÒn tia X, hay khuÕch t¸n trung tö hoÆc ®iÖn tö, trong ®ã ph¬ng ph¸p khuÕch t¸n tia X ®îc dïng
nhiÒu h¬n c¶. ChiÕu nh÷ng chïm tia R¬nghen ®Õn bÒ mÆt chÊt láng nghiªn cøu, sù thay ®æi cêng ®é t¸n x¹ cña tia bøc x¹ phô thuéc vµo gãc t¸n x¹ . Kªt qu¶ thu ®ù¬c thêng biÓu diÔn díi d¹ng hµm sè  I  f (sin )  Trong ®ã I: lµ cêng ®é tia X,: lµ bíc sãng tia bøc x¹. Tõ ®ã t×m ®îc ®êng cong thùc nghiÖm vÒ sù ph©n bè nguyªn tö trong chÊt láng, ®êng cong nµy tuy kh¸ chinh x¸c nhng kh«ng trùc tiÕp biÓu thÞ vÒ sù ph©n bè c¸c nguyªn tö trong chÊt láng. B»ng ph¬ng ph¸p ph©n tÝch to¸n häc d¹ng cña c¸c h×nh t¸n x¹ thu ®îc khi chiÕu tia X vµo chÊt láng, nhiÒu t¸c gi¶ cho biÕt r»ng : lÏ ra thu ®îc tõng vÞ trÝ x¸c ®Þnh ®èi víi tõng nguyªn tö trong tõng thêi ®iÓm x¸c ®Þnh th× ngêi ta l¹i chØ thu ®îc mét sè trung b×nh thèng kª víi vÞ trÝ tÊt c¶ nguyªn tö cã thÓ ®o ®îc. Sè trung b×nh thèng kª nµy ®îc gäi lµ hµm ph©n bè theo t©m : nr (r  dr )   4r 2 .dr (r ) nr, r + dr : sè vÞ trÝ nguyªn tö n»m trong líp cÇu b¸n kÝnh r, chiÒu dµy dr. VËy (r) lµ sè nguyªn tö trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch trªn kho¶ng c¸ch r tÝnh tõ nguyªn tö gèc bÊt k× nµo ®ã. Hµm ph©n bè theo t©m (r) ®îc coi lµ x¸c suÊt ®Ó t×m thÊy mét nguyªn tö kh¸c ë c¸ch mét nguyªn tö bÊt k× cho tríc mét kho¶ng c¸ch r trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch. Trong chÊt r¾n ( tinh thÓ ) hµm ph©n bè theo t©m biÓu thÞ b»ng nh÷ng pÝc rêi r¹c ë c¸c kho¶ng c¸ch x¸c ®Þnh theo t©m c¸c nguyªn tö ( do tinh thÓ s¾p xÕp trËt tù ). Ngîc l¹i trong chÊt láng, do thiÕu mét kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh vµ kh«ng ®æi gi÷a c¸c nguyªn tö nªn c¸c pÝc r¶i r¸c thµnh mét hµm liªn tôc gièng nh mét dao ®éng t¾t dÇn. Tuy vËy còng cã ®Ønh râ nÐt, ®Ønh thø nhÊt cã kho¶ng c¸ch xÊp xØ b¸n kÝnh nguyªn tö. §iÒu ®ã chøng tá r»ng cã nhiÒu nguyªn tö thùc sù ë líp ®Çu tiªn gÇn nhau. Sau ®ã ®êng cong di xuèng råi l¹i ®i lªn ®Ó t¹o thµnh mét pÝc thø H×nh 4.38: Sù biÕn ®æi cña hµm ph©n bè theo hai réng h¬n t¬ng øng víi líp nguyªn tö thø hai. Cuèi cïng ®êng cong híng tíi mét gi¸ kho¶ng c¶ch r cña mét nguyªn t bÊt kú tÝnh tõ trÞ kh«ng ®æi, hµm ph©n bè theo t©m biÓu thÞ t©m cho mét ®êng th¼ng song song víi trôc hoµnh (h×nh 4 -38). Tuy vËy hµm ph©n bæ theo t©m biÓu thÞ mét sè thèng kª trung b×nh, lîng th«ng tin cña nã vÒ chÊt láng rÊt h¹n chÕ. Do ®ã môc tiªu hiÖn nay lµ tiªu chuÈn h o¸ c¸c ®êng biÓu diÔn cña hµm ph©n bè theo t©m ®èi víi tõng kim lo¹i láng coi nh nh÷ng ®êng ®Æc tÝnh. §Ó nghiªn cøu cÊu tróc kim lo¹i láng ngµy nay nhiÒu t¸c gi¶ dïng hµm x¸c suÊt ph©n bè nguyªn tö theo thÓ tÝch H×nh 4.39: Sù biÕn ®æi hµm 4r2(r) víi sù thay ®æi kho¶ng c¸ch tõ nguyªn tö trung t©m
W( r )  4r 2  ( r ) §å thÞ cña hµm nµy cã d¹ng lµ mét ®êng cong mµ diÖn tÝch phÝa díi nã gi÷a hai gi¸ trÞ bÊt k× cña sè r sÏ biÓu thÞ sè c¸c nguyªn tö chøa trong thÓ tÝch t¬ng øng ( h×nh 4 -39) Nh vËy, dùa vµo diÖn tÝch díi pÝc thø nhÊt ta cã thÓ suy ra sè phèi vÞ n cña c¸c nguyªn tö bao quanh mét nguyªn tö chÊt ®ã vµ hoµnh ®é cña pÝc th nhÊt sÏ cho ta kho¶ng c¸ch gi÷a hai nguyªn tö. Tuy nhiªn viÖc x¸c ®Þnh sè phèi vÞ vµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai nguyªn tö nh trªn kh«ng ®îc chÝnh x¸c vµ viÖc nghiªn cøu chØ giíi h¹n cho c¸c chÊt cã nhiÖt ®é nãng ch¶y díi 1100 0C. B¶ng 4.7: §Æc trng cña mét sè kim lo¹i ë ®iÓm nãng ch¶y 0 V C X T nc 100 100 100 H n c Kim lo¹i Vr Cr Xr 0 C Cd 321 4,7 3,4 30,0 1,47 Hg -39 3,6 -2,4 6,4 0,55 Pb 327 4,8 7,7 8,3 1,20 Sn 232 2,8 -6,3 21,0 1,66 V = Vl - Vr : sù biÕn ®æi thÓ tÝch tõ láng (L) sang r¾n (r)  C = Cl - Cr : sù biÕn ®æi tÝnh chÞu nÐn tõ láng (L) sang r¾n (r)  X = Xl - Xr : sù biÕn ®æi tÝnh chÞu nÐn tõ láng (L) sang r¾n (r)  H c = nhiÖt nãng ch¶y kCal/nguyªn tö gam. Tõ b¶ng 4.8 sù biÕn ®æi sè phèi vÞ vµ thÓ tÝch cña kim lo¹i ë ®iÓm nãng ch¶y cho thÊy c¸c nguyªn tè kim lo¹i thuÇn khiÕt cã s¾p xÕp cao nh Al vµ Au khi nãng ch¶y sè phèi vÞ gi¶m xuèng 11. C¸c nguyªn tè ë thÓ r¾n cã sè phèi vÞ thÊp khi chuyÓn sang thÓ láng cã sè phèi vÞ t¨ng lªn. C¸c nguyªn tè nµy h×nh nh do viÖc kh«ng t¹o ®ñ sè phèi vÞ lµ 11 nªn thÓ hiÖn sù tån t¹i liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ ë tr¹ng th¸i láng. Trong mét vµi trêng hîp ( Bi, Ga, Ge) viÖc t¨ng sè phèi vÞ khi nãng chÈy lµm t¨ng sè nguyªn tö bao bäc, do vËy lµm gi¶m thÓ tÝch dÞch thÓ. Sù hiÓu biÕt vÒ sè phèi vÞ cña c¸c k im lo¹i láng h·y cßn rÊt Ýt ái so víi kim lo¹i r¾n. Nhng nãi chung c¸c t¸c gi¶ kÕt luËn kh¸ thèng nhÊt vÒ cÊu t¹o cña kim lo¹i láng nh sau: - C¸c nguyªn tö vÉn cã xu híng s¾p xÕp trËt tù : mçi nguyªn tö lu«n lu«n gi kho¶ng c¸ch nhÊt ®Þnh víi c¸c nguyªn tö bªn c¹nh vµ lu«n lu«n cã mét sè nhÊt ®Þnh c¸c nguyªn tö bao quanh nã, nãi kh¸c ®i trong kim lo¹i láng lu«n cã nh÷ng nhãm nguyªn tö s¾p xÕp trËt tù. - V× chuyÓn ®éng nhiÖt cña nguyªn tö ë tr¹ng th¸i láng rÊt lín, do ®ã xu híng s¾p xÕp trËt tù lu«n lu«n bÞ ph¸ huû vµ thay b»ng sù s¾p xÕp trËt tù míi, tøc lµ nh÷ng nhãm nguyªn tö s¾p xÕp trËt tù lu«n lu«n xuÊt hiÖn vµ biÕn mÊt. - Trong kim lo¹i láng cã ®iÖn tö tù do. Nh vËy, cã thÓ coi trong kim lo¹i láng c¸c nguyªn tö chØ gi÷ ®îc trËt tù gÇn, cßn trËt tù xa nh H×nh 4.40: S¬ ®å tr×nh bµy cÊu tró cña kim lo¹i (+) i on d¬ng kim lo¹i ... líp m©y ®iÖn tö trong kim lo¹i r¾n th× kh«ng gi÷ ®îc.
H×nh 4.4: S¬ ®å m¹ng tinh thÓ H×nh 4.43: S¬ ®å m¹ng tinh thÓ mÆt thoi khèi 6 c¹nh (Hg, Sb, As, Bi) (Zn, Mg, Cd, Be, Co, Ti, Zr) B¶ng 4.8 : Sù biÕn ®æi phèi vÞ vµ thÓ tÝch cña kim lo¹i ë ®iÓm nãng ch¶y Sè phèi vÞ thÓ Sè phèi vÞ thÓ BiÕn ®æi thÓ Kim lo¹i CÊu tróc thÓ r¾n r¾n láng tÝch, % Pp LËp ph¬ng tam diÖn t©m 12 8 -11 4.8 Tl LËp ph¬ng tam diÖn t©m 12 8 3.2 Al LËp ph¬ng tam diÖn t©m 12 10.6 6.0 Au LËp ph¬ng tam diÖn t©m 12 11 5.1 Cd S¸u c¹nh xÕp chÆt 6+6 8 4.7 Zn S¸u c¹nh xÕp chÆt 6+6 11 4.2 Li LËp ph¬ng tam diÖn t©m 8 10 1.7 Na LËp ph¬ng tam diÖn t©m 8 8 2.5 K LËp ph¬ng tam diÖn t©m 8 8 2.6
Hg MÆt thoi 6 8 -8.3 3.6 Bi MÆt thoi 3 7 -8 -3.4 Sn ChÝnh ph¬ng 4.2 11 2.8 In ChÝnh ph¬ng 4.8 8 -8.5 2.7 Ge LËp ph¬ng 4 8 - Ga Trùc giao 1.6 11 -3.2 CÊu tróc cña hîp kim láng Trong kÜ thuËt, kim lo¹i ®îc sö dông chñ yÕu ë d¹ng hîp kim. NÕu ®em kim lo¹i nÊu ch¶y hay thiªu kÕt víi mét hay nhiÒu nguyªn tè kh¸c ®Ó ®îc vËt liÖu míi cã tÝnh chÊt kim lo¹i, th× vËt liÖu míi ®ã ®îc gäi lµ hîp kim. VËy hîp kim lµ vËt thÓ cã chøa nhiÒu nguyªn tè vµ mang tÝnh chÊt kim lo¹i. TÝnh chÊt cña hîp kim phô thuéc vµo cÊu t¹o bªn trong cña nã, nghÜa lµ vµo cÊu t¹o m¹ng tinh thÓ. CÊu t¹o m¹ng tinh thÓ cña hîp kim nãi chung lµ phøc t¹p h¬n so víi kim lo¹i nguyªn chÊt vµ phô thuéc vµo t¬ng t¸c gi÷a c¸c nguyªn tö cña nh÷ng nguyªn tè trong nã vµ chÝnh do t¬ng quan cña n¨ng lîng t¬ng t¸c nµy quyÕt ®Þnh cÊu tróc vµ tÝnh chÊt cña hîp kim. CÊu tróc tinh thÓ ë tr¹ng th¸i r¾n cña hîp kim cã thÓ lµ : - Dung dÞch r¾n. - Hîp chÊt hãa häc hoÆc c¸c pha trung gian. - Cac tinh thÓ cña c¸c cÊu tö nguyªn chÊt. Cho ®Õn nay, c¸c nhµ nghiªn cøu cha ®a ra ®îc mét m« h×nh nµo tho¶ m·n hoµn toµn d¹ng tån t¹i cña c¸c hîp kim láng. XÐt mét dung dÞch bao gåm hai cÊu tö A vµ B. NÕu lùc t¬ng t¸c gi÷a c¸c cÊu tö cïng lo¹i m¹nh h¬n lùc = Al = Sb = Pb = Mg H×nh 4.46. S¬ ®å m¹ng tinh H×nh 4.46. S¬ ®å m¹ng tinh thÓ hîp kim AlSb thÓ hîp kim Mg2Pb t¬ng t¸c gi÷a c¸c cÊu tù kh¸c lo¹i th× chÊt láng sÏ t¹o thµnh c¸c côm (A-A) vµ (B-B) t¬ng øng víi cïng tinh. §Æc ®iÓm cña dung dÞch nµy lµ ë nhiÖt ®é cao c¸c côm nãi trªn sÏ h×nh thµnh mét pha ®ång nhÊt nhng ë nhiÖt ®é thÊp c¸c cÊu tö sÏ t¸ch thµnh hai pha riªng biÖt. C¸c hîp kim thuéc lo¹i nµy nh Pb - Zn ; Pb - Sb ... Sù xuÊt hiÖn c¸c côm vi tinh thÓ kh«ng ®ång nhÊt trong hîp kim láng còng tån t¹i c¶ trong tr¹ng th¸i r¾n, thÝ nghiÖm sau ®©y cña c¸c nhµ nghiªn cøu ®· =Sb = Sn H×nh 4.46. S¬ ®å m¹ng tinh thÓ hîp kim AbSn
chøng minh ®iÒu ®ã : Cho g ang láng chÞu t¸c dông quay ly t©m 1900 vßng/phót, lóc nµy trêng lùc t¹o ra trong gang láng m¹nh h¬n søc hut tr¸i ®Êt ®èi víi nã ®Õn 320 lÇn, do vËy ®· lµm cho líp gang ë trôc cã hµm lîng C cao. Sè chªnh lÖch nång ®é C trung b×nh lµ 1,3%. Trªn c¬ së thÝ nghiÖm nµy ®· tÝnh to¸n vµ ®i ®Õn kÕt luËn r»ng, trong gang láng tån t¹i c¸c 0 côm C chøa t¬i 107 nguyªn tö C víi kÝch thíc 10-100  . NÕu trong c¸c dung dÞch láng lùc t¬ng t¸c gi÷a c¸c cÊu tö kh¸c nhau A-B m¹nh h¬n c¸c cÊu tö cïng lo¹i th× sÏ t¹o thµnh c¸c liªn kÕt mµ ®èi víi c¸c hîp kim th× ®ã lµ liªn kÕt gi÷a c¸c kim lo¹i. ë nhiÖt ®é lín h¬n nhiÖt ®é ®êng láng, trong c¸c hîp kim nµy c¸c côm nguyªn tö t¬ng øng víi thµnh phÇn ho¸ häc x¸c ®Þnh vÉn gi÷ ®îc møc ®é trËt tù nhÊt ®Þnh. C¸c hîp kim thuéc lo¹i nµy ë c¶ hai tr¹ng th¸i r¾n vµ láng ®Òu cã cÊu t¹o ®ång nhÊt mét pha vÝ dô nh c¸c hîp kim Cu-Au, Cu-Ni, Fe-Cr, Fe-Ni... Nh÷ng ®iÒu nªu trªn ®©y nh¾c nhë c¸c nhµ luyÖn kim khi muèn chÕ t¹o c¸c hîp kim míi ph¶i hÕt søc chó ý nghiªn cøu kü vÒ c¸c lo¹i dung dÞch c¸c kiÓu m¹ng tinh thÓ vµ ®êng kÝnh nguyªn tö, nång ®é ®iÖn tö... cña c¸c nguyªn tè t¹o hîp kim, vÝ dô c¸c nguyªn tè muèn t¹o thµnh hîp kim ®ång nhÊt ë bÊt k× thµnh phÇn nµo Ýt nhÊt còng ph¶i tho¶ m·n c¸c ®iÒu kiÖn sau ®©y: - Cã cïng kiÓu m¹ng tinh thÓ. - §êng kÝnh nguyªn tö kh¸c nhau Ýt. - Ho¸ lÝ tÝnh gÇn gièng nhau. - Cïng ho¸ trÞ. Khi trong dung dÞch h×nh thµnh tõ hai cÊu tö A vµ B, n¨ng lîng t¬ng t¸c gi÷a A-A, B-B vµ A-B ®ång ®Òu sao cho ta cã: F(A-B) = F(B-B) = F(A-A) th× ®ã lµ dung dÞch lÝ tëng. c¸c hîp kim láng kh«ng ph¶i lµ dung dÞch lý tëng, nhng cã thÓ coi dung dÞch láng cña Fe, Mn, Ni, Cr, lµ c¸c nguyªn tè cã ®ñ ®iÒu kiÖn nãi trªn, lµ gÇn víi dung dÞch lÝ tëng. Do ®ã cã thÓ vËn dông c«ng thøc cña dung dÞch lÝ tëng ®èi víi c¸c dung dÞch nµy :  G0 = RT(CAlnCA + CBlnCB) Trong ®ã C- nång ®é cña cÊu tö trong dung dÞch. Víi mét cÊu tö trong dung dÞch nµy ta cã :  G0 = RTlnCA CÊu tróc c¸c hîp kim s¾t víi nh÷ng nguyªn tè thêng xuyªn cã trong s¾t Khi nghiªn cøu ®éng häc c¸c ph¶n øng trong qu¸ tr×nh luyÖn kim ®en ngêi ta thêng quan t©m tíi cÊu tróc cña tõng cÊu tö riªng biÖt trong s¾t láng. §iÒu ®ã cã quan hÖ tíi tèc ®é dÞch chuyÓn cña c¸c cÊu tö tíi vïng ph¶n øng vµ ngîc l¹i tèc ®é cña chÝnh c¸c ph¶n øng l¹i phô thuéc vµo h×nh d¹ng cña c¸c cÊu tö. Chóng ta lÇn lît ®iÓm qua hµnh vi cña c¸c nguyªn tè thêng xuyªn cã trong s¾t láng mµ chñ yÕu lµ cacbon, silisium, mangan, phètpho vµ lu huúnh. Cacbon Cacbon lµ nguyªn tö ¸ kim hai d¹ng thï h×nh : graphÝt vµ kim c¬ng. Trong ®iÒu kiÖn b×nh thêng graphÝt lµ d¹ng thï h×nh æn ®Þnh. Trong hîp kim Fe-C, cacbon nguyªn chÊt chØ cã thÓ tån t¹i ë d¹ng graphit mµ kh«ng cã ë d¹ng kim c¬ng. Graphit cã m¹ng lôc g i¸c vµ rÊt mÒm, trong thiªn nhiªn cacbon thêng ë d¹ng v« ®Þnh h×nh. NhiÒu t¸c gi¶ ®· kÕt luËn r»ng trong s¾t láng H×nh 4.48: Sù s¾p xÕp cña nguyªn tè cacbon tån t¹i ë d¹ng Fe3C, v× mçi nguyªn tö C cã cacbon trong m¹ng lËp ph¬ng ®iÖn thÓ liªn kÕt víi bÊt k× nguyªn tö Fe nµo bªn c¹nh, t©m cña s¾t c¸c nguyªn tö nµy l¹i lu«n lu«n thay ®æi nªn ngêi a - Khèi c¬ b¶n austenit ta cho r»ng c¸c ph©n tö Fe3C kh«ng bÒn vµ thêng b- Khèi c¬ b¶n khi cacbon ®iÒn kÝn trong mäi lç trèng trong khèi t¸m mÆt (trêng hîp lý thëng)
xuyªn trao ®æi nguyªn tö víi c¸c cÊu tö xung quanh. Trong hîp kim Fe - C láng, c¸c nguyªn tö vÉn gi÷ ®îc trËt tù gÇn, khi biÕt ®îc d¹ng h×nh thµnh cña dung dÞch ngêi ta cã thÓ biÕt ®îc sè c¸c nguyªn tö Fe bao quanh nguyªn tö C. C¸c nguyªn tö C n»m ë t©m hoÆc gi÷a c¸c mÆt cña m¹ng lËp ph¬ng c¬ b¶n. VÝ dô víi kiÓu m¹ng lËp ph¬ng diÖn t©m, tuy cã Ýt lç hæng h¬n (mçi khèi c¬ b¶n, cã 4 lç hæng trong khèi 8 mÆt vµ 8 lç hæng trong khèi bèn mÆt), nhng l¹i cã kÝch thíc lín h¬n nªn nguyªn tö C chui vµo ®ã vµ g©y x« lÖch m¹ng. V× vËy mçi khèi lËp ph¬ng diÖn t©m chØ cã thÓ chøa ®îc nhiÒu nhÊt lµ mét nguyªn tö C vµ C cµng kh«ng thÓ ®iÒn ®Çy hÕt vµo mäi lç hæng trong khèi 8 mÆt (h×nh 4.48a) lîng hoµ ta C lín nhÊt trong Fe, h¬n 2% vÒ träng lîng tøc kho¶ng h¬n 8% vÒ sè nguyªn tö, nghÜa lµ cø 3 khèi c¬ b¶n míi cã mét khèi chøa nguyªn tö C. Cßn hîp chÊt ho¸ häc cña Fe víi C d¹ng xementit - Fe3C ®îc t¹o thµnh khi lîng C lín h¬n giíi h¹n hoµ tan cña nã trong Fe h ay Fe. Khi ®ã trong mét khèi c¬ b¶n cã 4 nguyªn tö C vµ 12 nguyªn tö Fe tho¶ m·n c«ng thøc Fe3C. Nguyªn tö C n»m ë vÞ trÝ lç hæng t¹o nªn bëi 6 nguyªn tö Fe xÕp theo h×nh khèi 8 mÆt (h×nh 4.48b). Cacbon cã kh¶ n¨ng kim lo¹i ho¸ c¶ ë tr¹ng th¸i láng vµ r¾n, nã cã mèi liªn kÕt kim lo¹i víi tËp hîp c¸c ®iÖn tö ho¸ trÞ vµ t¹o thµnh c¸c ion C4+ hay 3+ trong dung dÞch mµ nã x©m nhËp. H×nh 4.49. M¹ng tinh thÓ cña hîp chÊt ho¸ C¸c nhµ luyÖn kim thêng häc xªmentit. quan t©m ®Õn ¶nh hëng cña c¸c t¹p chÊt tíi tÝnh chÊt bÒ mÆt cña kim lo¹i láng, v× khi ho¹t ®é cña bÒ mÆt cao th× nång ®é cña chóng ë mÆt ph©n pha cã thÓ cao h¬n nhiÒu so víi nång ®é phÝa trong thÓ tÝch, do ®ã cã ¶nh hëng tíi møc ®é ph¸t triÓn cña c¸c qu¸ tr×nh. Cacbon cã ho¹t tÝnh bÒ mÆt thÊp, khi hµm lîng cacbon trong s¾t láng t¨ng tõ 0 ®Õn 3-4% chØ lµm gi¶m søc c¨ng bÒ mÆt cña dung dÞch kho¶ng 30 -50erg/cm2 (h×nh 4.53).
H×nh 4.50: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - C Silisium. C¸c thÐp silic kÜ thuËt chøa 0,5 - 4,5% Si vµ do cã mÆt Si lµm gi¶m h¼n nhiÖt ®é ch¶y láng cña thÐp (h×nh 4.51) . Trªn gi¶n ®å ta thÊy râ vÒ phÝa Fe cã ba hîp kim cña hÖ Fe - Si lµ : FeSi, Fe3Si2 vµ Fe3Si. Hîp kim Fe - Si t¹i ®iÓm cïng tinh ë 1195 0C chøa 20% Si vµ pha - Fe3Si2 10300C chøa 25% Si. Trong trêng hîp cã mÆt c¶ cacbon Si tån t¹i trong hîp kim s¾t mét phÇn ë d ¹ng c¸cbit. %Mn H×nh 4.52. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i hÖ Fe - H×nh 4.51. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i hÖ Fe - Mn Si Mangan C¸c thÐp cacbon th«ng thêng cã chøa Mn tíi 0,8%. Mangan më réng pha  cña hîp kim Fe-Mn gièng nh niken trong hîp kim Fe-Ni (h×nh 4.52). Mangan lµm gi¶m nhiÖt ®é nãng ch¶y cña hîp k im Fe-Mn vµ tõ kho¶ng 35% th× nã ®· t¹o thµnh hîp kim víi Fe mét pha ®ång nhÊt ë c¶ tr¹ng th¸i láng vµ tr¹ng th¸i r¾n. Mangan hoµ tan v« h¹n trong s¾t vµ t¹o thµnh dung dÞch gÇn víi lÝ tëng. §iÒu ®ã cã thÓ gi¶i thÝch lµ do n¨ng lîng liªn kÕt cña c¸c nguyªn tö Fe-Mn g¾n víi n¨ng lîng liªn kÕt cña c¸c nguyªn tö cïng lo¹i Fe-Fe vµ Mn-Mn. Do cã b¸n kÝnh nguyªn tö xÊp xØ b¸n kÝnh 0 0 nguyªn tö Fe ( rFe  1, 26 A 3 a rMn  1,31 A ) nªn Mn chiÕm vÞ trÝ gi¶ kÕt tinh cña m¹ng nguyªn tö Fe.
Oxy Oxy t¹o thµnh víi s¾t ba lo¹i oxyt: Fe2O3, Fe3O4, FeO vµ h×nh nh trong s¾t láng chØ tån t¹i ph©n tö FeO. §iÒu nµy biÓu thÞ b»ng hiÖu øng nhiÖt vµ n¨ng lîng tù do ph¸t sinh khi hoµ tan rÊt cao. 1/2 O2 khÝ   O  G o  28000  0,69T Cal/gam.nguyªn tö hoÆc khi nhiÖt ®é t¨ng ®é hoµ tan cña oxy vµo s¾t láng còng t¨ng. ¶nh hëng nµy cña nhiÖt ®é ®îc m« t¶ nh sau:  FeO    Fe  O  G o  28000  12,51T Cal/gam.ng uyªn tö. O %  lg O%   6320  2, 734  lg  FeO  T Tuy vËy Oxy kh«ng t¹o thµnh víi s¾t nh÷ng ph©n tö bÒn Hµm lîng c¸c chÊt % v÷ng mµ nguyªn tö H×nh 4.53. ¶nh hëng cña c¸c nguyªn tè ®Õn søc c¨ng bÒ mÆt oxy (nãi cña s¾t láng ®óng h¬n ion O2-) lóc th× liªn kÕt víi nguyªn tö s¾t nµy (hay ion Fe2+) lóc th× liªn kÕt víi nguyªn tö s¾t kh¸c. Trong chÊt láng, oxy cã ho¹t tÝnh bÒ mÆt lín nªn lµm gi¶m søc c¨ng bÒ mÆt cña s¾t láng rÊt nhiÒu, vÝ dô khi n©ng cao hµm lîng oxy tõ 0 ®Õn 0,2% th× søc c¨ng bÒ mÆt cña s¾t ë 16000C gi¶m tõ 1700-1800 erg/cm2 xuèng cßn 1000-1100 erg/cm2 (h×nh 4.53). §iÒu ®ã cã nghÜa lµ do FeO kh«ng bÒn trong liªn kÕt víi kim lo¹i láng nªn ®· bÞ ®Èy ra líp ngoµi, t¹i ®ã nång ®é oxy cao h¬n trong khèi s¾t láng. Fe Hµm lîng - %P Trong s¾t láng, cacbon vµ oxy tån t¹i theo tØ lÖ H×nh 4.54: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - nghÞch, nghÜa lµ thÐp chøa cacbon cµng nhiÒu th× chøa oxy P cµng Ýt, vÝ dô s¾t armco víi 0,02% C chøa kho¶ng 0,1% O2, thÐp c«ng cô víi 1%C chØ chøa kho¶ng 0,002%O2. Phètpho Phètpho t¹o thµnh víi s¾t hai hîp kim lµ Fe3P vµ Fe2P (h×nh 4.54), nhng trong chÊt láng Fe2P bÒn v÷ng h¬n, biÓu thÞ ë chç nã cã gi¸ trÞ  H cao ( H o  29000 cal/gam.nguyªn tö). Trong s¾t láng vµ thÐp cacbon thÊp ph«tpho cã ho¹t ®é bÒ mÆt nhá nªn kh«ng cã ¶nh hëng lín tíi c¸c qu¸ tr×nh kh¸c nh sù biÕn ®æi nång ®é cña oxy. Trong gang láng phètpho cã ho¹t ®é bÒ mÆt cao h¬n. Lu huúnh Trong s¾t láng lu huúnh tån t¹i ë d¹ng FeS, gi÷a sulfit s¾t vµ s¾t cã cïng tinh ë 30,5% vµ 985 C (h×nh 4.55). Nh÷ng nghiªn cøu gÇn ®©y cho thÊy s¾t  ë 1365 0 hoµ tan kho¶ng 0 0,17% S vµ s¾t  kho¶ng 0,07% S.
Còng gièng nh FeO trong s¾t láng FeS lu«n lu«n t¹o thµnh vµ biÕn mÊt, do ®ã lu huúnh cã ho¹t tÝnh bÒ mÆt lín vµ lµm gi¶m m¹nh søc c¨ng mÆt ngoµi cña s¾t láng, vÝ dô. Khi hµm lîng lu huúnh t¨ng tõ 0 ®Õn 0,2% th× søc c¨ng bÒ mÆt cña s¾t láng gi¶m tõ 1700 - 1800 erg/cm2 xuèng cßn 1000 - 1100 erg/cm2. Oxy, lu huúnh, phètpho lµ nh÷ng nguyªn tè thêng xuyªn cã trong gang, thÐp vµ lµm gi¶m c¬ lÝ tÝnh, tÝnh chèng ¨n mßn cña kim lo¹i. H×nh 4.55: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - S 4.5. CÊu t¹o vµ tÝnh chÊt líp mµng gi÷a kim lo¹i - xØ Nghiªn cøu nång ®é, thµnh phÇn, cÊu tróc, tÝnh chÊt, chiÒu dµy vµ nh÷ng ®¹i lîng kh¸c ë líp tiÕp xóc kim lo¹i - xØ lµ c«ng viÖc hÕt søc phøc t¹p vµ khã kh¨n. Nhng v× nhiÒu qu¸ tr×nh ho¸ lÝ quan träng trong c¸c qu¸ tr×nh luyÖn kim l¹i xÈy ra th«ng qua líp tiÕp xóc nµy vµ cã khi tÝnh chÊt cña nã l¹i cã ¶nh hëng quyÕt ®Þnh tíi hiÖu qu¶ cña c¸c qu¸ tr×nh. Cho nªn ®Ó hiÓu râ c¬ cÊu cña t¸c dông t¬ng hç gi÷a kim lo¹i vµ xØ chóng ta cÇn hiÓu biÕt s¬ bé vÒ cÊu t¹o cña líp mµng gi÷a kim lo¹i -xØ. Thùc nghiÖm ®· x¸c ®Þnh hiÖn tîng ®iÖn mao dÉn gi÷a hai líp xØ vµ kim lo¹i láng. Qua líp mµng nµy phÝa kim lo¹i cã ®iÖn tÝch ©m cßn ë phÝa xØ cã ®iÖn tÝch d¬ng. Ngoµi ra khi nghiªn cøu sù phãng ®iÖn xuÊt hiÖn khi t¹o thµnh giät kim lo¹i trong xØ láng ngêi ta còng thÊy hiÖn tîng trªn vµ hä ®· chøng minh r»ng sè cation d trong xØ kh«ng qu¸ 10% cßn l¹i 90 % lµ c¸c cation vµ anion ®· ®îc trung hoµ ®iÖn tÝch. Khi chuyÓn c¸c cation vÝ dô s¾t tõ kim lo¹i vµo xØ th× gi÷a xØ vµ kim lo¹i ®· h×nh thµnh mét líp ®Öm. §iÖn tÝch d¬ng ë mÆt ngoµi líp xØ tiÕp xóc víi kim lo¹i bao gåm chñ yÕu lµ c¸c cation Fe2+ , Ca2+, Mn2+... víi nång ®é kh«ng nhiÒu l¾m. Ngêi ta cho r»ng c¸c cation kim lo¹i ë ngay bÒ mÆt tiÕp xóc ®i vµo xØ, do ®ã mËt ®é c¸c ®iÖn tö ë bÒ mÆt ki m lo¹i t¨ng lªn t¹o thµnh ®iÖn tÝch ©m. Khi cã kim lo¹i vµ xØ kiÒm tiÕp xóc nhau do tån t¹i líp ®iÖn tÝch kÐp ë líp mµng mµ g©y ra sù dÞch chuyÓn c¸c anion oxy tõ xØ vµo kim lo¹i, ngîc l¹i c¸c cation kim lo¹i cã trong xØ cã thÓ bÞ l«i kÐo vµo kim lo¹i. Tõ g i¸ trÞ vÒ ®é phãng ®iÖn cña líp ®iÖn tÝch kÐp ë mÆt ph©n pha kim lo¹i - xØ cã thÓ suy ra ®îc nång ®é d cña c¸c ion ë mÆt biªn giíi hai pha. Do c¸c ion lu«n lu«n cã sù x¸o trén hçn lo¹n vÒ nhiÖt nªn tr¹ng th¸i cña líp ®Öm kh«ng æn ®Þnh. C¸c ion ë mÆt ngoµi ®i s©u vµo trong khèi nãng ch¶y, thay vµo chç ®ã lµ c¸c ion tõ trong khèi chuyÓn ra. Ngoµi ra theo ®Þnh luËt ph©n bè nªn thêng xuyªn cã sù chuyÓn dÞch cña c¸c ion c¶ hai pha láng vµo líp ®Öm råi tõ ®ã chuyÓn dÞch tõ líp nµy sang líp kh¸c. Nh vËy gi÷a kim lo¹i vµ xØ ®· ph¸t sinh ra mét dßng ®iÖn ®îc gäi lµ "dßng trao ®æi". Cêng ®é cña dßng nµy biÕn ®æi tõ mét vµi cho tíi hµng tr¨m Ampe/cm2. Khi c¸c ph¶n øng ho¸ häc
xÈy ra ë gi÷a kim lo¹i - xØ, "dßng trao ®æi" kh«ng gi÷ nguyªn mµ thay ®æi tuú theo cêng ®é vµ híng dÞch chuyÓn cña c¸c nguyªn tè tõ pha nµy sang pha kh¸c. Khi chuyÓn dÞch c¸c ion gi÷a hai pha, nÕu pha nµy nhËn ®îc tõ pha kia nh÷ng ion ®ång dÊu nµy th× tõ pha ®ã sÏ cã sù dÞch chuyÓn ngîc l¹i pha kia c¸c ion kh¸c dÊu. TÊt nhiªn khi c¸c ion tõ kim lo¹i vµo xØ cã thÓ kÌm theo sù chuyÓn dÞch c¸c ®iÖn tö. Sù trao ®æi ®ång thêi c¸c ion ngîc dÊu gi÷a hai pha sÏ tr¸nh ®îc hiÖn tîng tô tËp c¸c ®iÖn tÝch ®ång dÊu trong tõng pha lµm cho qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt gi÷a hai pha dÇn dÇn bÞ ®×nh trÖ. Ngoµi ra ngêi ta nhËn thÊy r»ng oxy tån t¹i trong xØ díi d¹ng c¸c anion O2-, nã chØ cã thÓ chuyÓn vµo kim lo¹i ®ång thêi víi c¸c cation Fe2+ . Lu huúnh tån t¹i trong thÐp díi d¹ng c¸c anion S2-, nã cã thÓ chuyÓn tõ kim lo¹i vµo xØ cïng víi cation P5+ trong khi cã c¸c cation Fe2+ tõ xØ l¹i chuyÓn vµo thÐp thay ®æi chç cho c¸c cation P5+ nhng víi tØ sè lín h¬n. Kh¶ n¨ng oxi ho¸ cña xØ luyÖn thÐp ®îc x¸c ®Þnh b»ng nång ®é c¸c cation Fe2+ vµ anion O2- (nghÜa lµ nång ®é FeO) chÝnh x¸c h¬n lµ b»ng hÖ sè ho¹t ®é cña chóng trong xØ.