tập bài giảng hợp kim

4

Ch−¬ng 1

CÊu tróc tinh thÓ vµ sù h×nh thµnh 1.1. CÊu t¹o vµ liª n kÕ t nguyª n tö nguyª n tö = h¹ t nh© n + electron = (proton + n¬tron) + electron n¬tron kh«ng mang ®iÖ n proton mang ®iÖ n d−¬ng = ®iÖ n tÝ ch cña electron → ng/tö trung hoµ Kh¸ i niÖ m c¬ b¶ n vÒ cÊ u t¹ o nguyª n tö CÊ u h× nh electron (electron configuration) chØ râ: sè l−îng tö chÝ nh (1, 2, 3...), ký hiÖ u ph© n líp (s, p, d...), sè l−îng electron thuéc ph© n líp (sè mò trª n ký hiÖ u ph© n líp). VÝ dô: Cu cã Z = 29 cã cÊ u h× nh electron lµ 1s22s22p6 3s23p63d104s1 qua ®ã biÕ t ®−îc sè electron ngoµ i cïng (ë ®© y lµ 1, hãa trÞ 1). Ç c kim lo¹ i chuyÓ n tiÕ p: Fe cã Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2 1.1.2. Çc d¹ng liª n kÕ t nguyª n tö trong chÊt r¾n Ç c lo¹ i vË t liÖ u kh¸ c nhau cã thÓ tån t¹ i ç c d¹ ng liª n kÕ t riª ng. Sù kh¸ c nhau cña ç c d¹ ng liª n kÕ t ®ã còng lµ nguyª n nh© n t¹ o nª n ç c tÝ nh chÊ t kh¸ c nhau. a. Liª n kÕ t ®ång hãa trÞa. Liª n kÕ t ®ång hãa trÞa. Liª n kÕ t ®ång hãa trÞa. Liª n kÕ t ®ång hãa trÞ Lµ liª n kÕ t cña hai (hoÆ c nhiÒ u) nguyª n tö gãp chung nhau mét sè electron hãa trÞ ®Ó cã ®ñ t¸ m electron ë líp ngoµ i cïng. Cã thÓ lÊ y ba vÝ dô nh− sau (h× nh 1.1). • Clo cã Z=17 (1s22s22p63s23p5), cã 7e ë líp ngoµ i cïng, 2 nguyª n tö Cl mçi nguyª n tö gãp chung 1 electron ®Ó líp ngoµ i cïng 8e (h× nh 1.1a). + a) b) c)

H× nh 1.1. S¬ ®å biÓu diÔn liªn kÕt ®ång hãa trÞ a. ph©n tö clo, b. giecmani (Ge), c. mªtan (CH4)

• Giecmani (Ge, z=32) cã 4e líp ngoµ i cïng (4s2, 4p2), 4 nguyª n tö gãp chung (h× nh 1.1b). Liª n kÕ t gi÷a ç c nguyª n tö cïng lo¹ i (tõ IVB VIIB nh− Cl, Ge) lµ lo¹ i ®ång cùc, cßn gi÷a ç c nguyª n tè kh¸ c lo¹ i nh− CH4 lµ lo¹ i dÞ cùc. • Mª tan (CH4). Cacbon (z=6), cã 4e líp ngoµ i cïng vµ 4 nguyª n tö H ®Ó mçi nguyª n tö nµ y gãp cho nã 1 electron lµ m cho líp electron ngoµ i cïng ®ñ 8 (h× nh 1.1c).

b. Liª n kÕ t ionb. Liª n kÕ t ionb. Liª n kÕ t ionb. Liª n kÕ t ion KL nhãm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e ç c nguyª n tè : VIB (O, S...),

VIIB (H, F, Cl, Br, I). Ç c «xit kim lo¹ i nh− Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO... cã xu thÕ m¹ nh víi t¹ o liª n kÕ t ion. • Liª n kÕ t ion cµ ng m¹ nh khi líp ngoµ i cïng (cho) chøa Ý t e, nhË n n» m cµ ng gÇ n

h¹ t nh© n. • Liª n kÕ t kh«ng ®Þ nh h−íng (®Þ nh h−íng th× x¸ c suÊ t liª n kÕ t lín nhÊ t theo

ph−¬ng nèi t© m ç c nguyª n tö), vË t liÖ u cã liª n kÕ t ion th× tÝ nh gißn cao.

C

H

H

H

H Ge

Ge

Ge Ge

Ge

Cl Cl Cl Cl

5

H× nh 1.2. S¬ ®å biÓu diÔn liªn kÕt ion trong ph©n tö LiF

H× nh 1.3. S¬ ®å liªn kÕt kim lo¹i

c. Liª n kÕ t kim lo¹i (c. Liª n kÕ t kim lo¹i (c. Liª n kÕ t kim lo¹i (c. Liª n kÕ t kim lo¹i (h× nh 1.3) o §/n: lµ liª n kÕ t trong ®ã ç c cation kim lo¹ i nhÊ n ch× m trong ®¸ m m© y electron tù

do. o N¨ ng l−îng liª n kÕ t lµ tæng hîp (c© n b» ng) → ç c ion kim lo¹ i cã vÞ trÝ x¸ c

®Þ nh. Ç c nguyª n tè nhãm Ia cã tÝ nh kim lo¹ i ®iÓ n h× nh, cµ ng dÞ ch sang bª n ph¶ i tÝ nh chÊ t kim lo¹ i cµ ng gi¶ m, tÝ nh ®ång hãa trÞ trong liª n kÕ t cµ ng t¨ ng.

o TÝ nh chÊ t cña kim lo¹ i : liª n kÕ t nµ y t¹ o cho kim lo¹ i ç c tÝ nh chÊ t ®iÓ n h× nh: ¸nh kim hay vÎ s¸ ng, dÉ n nhiÖ t vµ dÉ n ®iÖ n tèt vµ tÝ nh dÎ o, dai cao

d.d.d.d. Liª n kÕ t hçn hîpLiª n kÕ t hçn hîpLiª n kÕ t hçn hîpLiª n kÕ t hçn hîp - Thùc ra ç c liª n kÕ t trong ç c chÊ t, vË t liÖ u th«ng dông th−êng mang tÝ nh hçn

hîp cña nhiÒ u lo¹ i. VÝ dô: Na vµ Cl cã tÝ nh © m ®iÖ n lÇ n l−ît lµ 0,9 vµ 3,0. V× thÕ liª n kÕ t gi÷a Na vµ Cl trong NaCl gåm kho¶ ng 52% liª n kÕ t ion vµ 48% liª n kÕ t ®ång hãa trÞ . e.e.e.e. Liª n kÕ t yÕ u (Van deLiª n kÕ t yÕ u (Van deLiª n kÕ t yÕ u (Van deLiª n kÕ t yÕ u (Van der Waals)r Waals)r Waals)r Waals) Do sù kh¸ c nhau vÒ tÝ nh © m ®iÖ n t¹ o thµ nh vµ ph© n tö ph© n cùc. Ç c cùc tr¸ i dÊ u hót nhau t¹ o ra liª n kÕ t Van der Waals. Liª n kÕ t nµ y yÕ u, rÊ t dÔ bÞ ph¸ vì khi t¨ ng nhiÖ t ®é. 1.2.1.2.1.2.1.2. S¾p xÕ p nguyª n tö trong vËt chÊtS¾p xÕ p nguyª n tö trong vËt chÊtS¾p xÕ p nguyª n tö trong vËt chÊtS¾p xÕ p nguyª n tö trong vËt chÊt 1.2.1. ChÊt khÝ1.2.1. ChÊt khÝ1.2.1. ChÊt khÝ1.2.1. ChÊt khÝ Trong chÊ t khÝ cã sù s¾ p xÕ p nguyª n tö mét ç ch hçn lo¹ n → kh«ng cã h× nh d¹ ng, kÝ ch th−íc x¸ c ®Þ nh. 1.2.2.1.2.2.1.2.2.1.2.2. ChÊt r¾n tinh thÓChÊt r¾n tinh thÓChÊt r¾n tinh thÓChÊt r¾n tinh thÓ

Li+ F-

Me+ Me+ Me+ Me+

Me+ Me+ Me+ Me+

Me+ Me+ Me+ Me+

Me+ Me+ Me+ Me+

Ion d−¬ng

M© y Electron

ChÊt r¾n tinh thÓ : - TrËt tù gÇn, mµ cßn cã c¶ trËt tù xa. - Ç c kiÓ u m¹ ng tinh thÓ x¸ c ®Þ nh: lË p ph−¬ng, lôc gi¸ c,... (h× nh 1.4)

H× nh 1.4. S¬ ®å m¹ ng tinh thÓ

6 1.2.3.1.2.3.1.2.3.1.2.3. ChÊt láng, chÊt r¾n v« ®Þ nh h× nh vµ vi tinh thÓChÊt láng, chÊt r¾n v« ®Þ nh h× nh vµ vi tinh thÓChÊt láng, chÊt r¾n v« ®Þ nh h× nh vµ vi tinh thÓChÊt láng, chÊt r¾n v« ®Þ nh h× nh vµ vi tinh thÓ

a.a.a.a. ChÊt lángChÊt lángChÊt lángChÊt láng Trong ph¹ m vi hÑ p (kho¶ ng 0,25nm) ç c nguyª n tö chÊ t láng cã xu thÕ tiÕ p xóc

(xÝ t) nhau t¹ o thµ nh ç c ®¸ m nhá, do vË y kh«ng co l¹ i khi nÐ n nh− chÊ t khÝ , ç c ®¸ m nguyª n tö nµ y lu«n h× nh thµ nh vµ tan r· . ChÊ t láng chØ cã trË t tù gÇ n, kh«ng cã trË t tù xa. Gi÷a ç c ®¸ m cã kho¶ ng trèng do ®ã mË t ®é xÕ p cña chÊ t láng thÊ p, khi ®«ng ®Æ c th−êng kÌ m theo gi¶ m thÓ tÝ ch (co ngãt). b.b.b.b. ChÊt r¾n v« ®Þ nh h× nhChÊt r¾n v« ®Þ nh h× nhChÊt r¾n v« ®Þ nh h× nhChÊt r¾n v« ®Þ nh h× nh

ë mét sè chÊ t, tr¹ ng th¸ i láng cã ®é sÖ t cao, ç c nguyª n tö kh«ng ®ñ ®é linh ho¹ t ®Ó s¾ p xÕ p l¹ i khi ®«ng ®Æ c; chÊ t r¾ n t¹ o thµ nh cã cÊ u tróc gièng nh− chÊ t láng tr−íc ®ã gäi lµ chÊ t r¾ n v« ®Þ nh h× nh. Thñy tinh (mµ cÊ u t¹ o c¬ b¶ n lµ SiO2) lµ chÊ t r¾ n v« ®Þ nh h× nh

Nh− vË y vÒ mÆ t cÊ u tróc, ç c chÊ t r¾ n gåm 2 lo¹ i: tinh thÓ vµ v« ®Þ nh h× nh. Kim lo¹ i, hîp kim vµ phÇ n lín ç c chÊ t v« c¬, rÊ t nhiÒ u polyme - tinh thÓ

Tuú theo b¶ n chÊ t cña vË t liÖ u vµ tèc ®é lµ m nguéi khi ®«ng ®Æ c → tinh thÓ hoÆ c v« ®Þ nh h× nh. Thñy tinh nãng ch¶ y, ç c ph© n tö SiO2 [trong ®ã ion O2- ë ç c ®Ø nh khèi tø diÖ n (bèn mÆ t) tam gi¸ c ®Ò u, t© m cña khèi lµ ion Si4+ nh− biÓ u thÞ ë h× nh 1.5a] lµ m nguéi b× nh th−êng → v« ®Þ nh h× nh (h× nh 1.5b); lµ m nguéi v« cïng chË m ç c ph© n tö SiO2 cã ®ñ thêi gian s¾ p xÕ p l¹ i theo trË t tù xa sÏ ®−îc thñy tinh (cã cÊ u tróc) tinh thÓ (h× nh 1.5c). a) c)

H× nh 1.5. CÊu tróc khèi tø diÖn [ SiO4]

4- (a), thñy tinh th−êng SiO2 (b) thñy tinh tinh thÓ SiO2 (c)

c. c. c. c. ChÊt r¾n vi tinh thÓChÊt r¾n vi tinh thÓChÊt r¾n vi tinh thÓChÊt r¾n vi tinh thÓ Còng víi vË t liÖ u tinh thÓ kÓ trª n khi lµ m nguéi tõ tr¹ ng th¸ i láng rÊ t nhanh (trª n

d−íi 104®é/s) sÏ nhË n ®−îc cÊ u tróc tinh thÓ nh−ng víi kÝ ch th−íc h¹ t rÊ t nhá (cì nm), ®ã lµ vË t liÖ u cã tª n gäi lµ vi tinh thÓ (cßn gäi lµ finemet hay nanomet).

Tãm l¹ i ç c vË t liÖ u cã ba kiÓ u cÊ u tróc: tinh thÓ (th−êng gÆ p nhÊ t), v« ®Þ nh h× nh vµ vi tinh thÓ (Ý t gÆ p). 1.3.1.3.1.3.1.3. Kh¸i niÖ m vÒ m¹ng tinh thÓKh¸i niÖ m vÒ m¹ng tinh thÓKh¸i niÖ m vÒ m¹ng tinh thÓKh¸i niÖ m vÒ m¹ng tinh thÓ §/n: m¹ ng tinh thÓ lµ m« h× nh kh«ng gian biÓ u diÔ n quy luË t h× nh häc cña sù s¾ p xÕ p nguyª n tö . PhÇ n lín vË t liÖ u cã cÊ u tróc tinh thÓ , tÝ nh chÊ t rÊ t ®a d¹ ng phô thuéc vµ o kiÓ u m¹ ng. 1.3.1.1.3.1.1.3.1.1.3.1. TÝ nh ®èi xøngTÝ nh ®èi xøngTÝ nh ®èi xøngTÝ nh ®èi xøng • M¹ ng tinh thÓ mang tÝ nh ®èi xøng, lµ mét trong nh÷ng ®Æ c ®iÓ m quan träng, thÓ

hiÖ n c¶ ë h× nh d¸ ng bª n ngoµ i, cÊ u tróc bª n trong còng nh− ç c tÝ nh chÊ t cña vË t r¾ n tinh thÓ .

- Oxy - Si

(b)

7

• TÝ nh ®èi xøng lµ tÝ nh chÊ t h× nh häc khi quay mét ®iÓ m hay mét phÇ n tö xung quanh 1 ® iÓ m hay mét ®−êng víi mét gãc α chóng sÏ trïng lÆ p nhau. §iÓ m hay ®−êng ®−îc quay xung quanh ®ã ®−îc gäi lµ t© m hay trôc ®èi xøng. §èi xøng qua mÆ t ph¼ ng ®−îc gäi lµ ®èi xøng g−¬ng. Gäi n = 2π/ α lµ bË c ®èi xøng, chØ cã n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hiÖ u L1, L2, L3, L4, L6.

n=2 (L2) n=3 (L3) n=4 (L4) n=6 (L6) 1.3.2.1.3.2.1.3.2.1.3.2. ¤ c¬ së ¤ c¬ së ¤ c¬ së ¤ c¬ së ---- ký hiÖ u ph−¬ng, mÆt tinh thÓ ký hiÖ u ph−¬ng, mÆt tinh thÓ ký hiÖ u ph−¬ng, mÆt tinh thÓ ký hiÖ u ph−¬ng, mÆt tinh thÓ a.a.a.a. ¤ c¬ së¤ c¬ së¤ c¬ së¤ c¬ së • §/n: lµ h× nh khèi nhá nhÊ t cã ç ch s¾ p xÕ p nguyª n tö ®¹ i diÖ n cho toµ n bé m¹ ng tinh thÓ . • Do tÝ nh ®èi xøng b» ng ph−¬ng ph¸ p xoay vµ tÞ nh tiÕ n ta sÏ suy ra toµ n bé m¹ ng tinh thÓ • Th«ng sè m¹ ng (h» ng sè m¹ ng) lµ kÝ ch th−íc cña « c¬ së, th−êng lµ kÝ ch th−íc ç c c¹ nh cña « c¬ së tõ ®ã cã thÓ H× nh 1.6. ¤ c¬ së vµ hÖ täa ®é x¸ c ®Þ nh toµ n bé kÝ ch th−íc cña « c¬ së (h× nh 1.6) b.b.b.b. Nót m¹ngNót m¹ngNót m¹ngNót m¹ng

Nót m¹ ng t−¬ng øng víi vÞ trÝ ç c nguyª n tö trong m¹ ng tinh thÓ . c.c.c.c. ChØ sè ph−¬ngChØ sè ph−¬ngChØ sè ph−¬ngChØ sè ph−¬ng

Ph−¬ng lµ ®−êng th¼ ng ®i qua ç c nót m¹ ng, ®−îc ký hiÖ u b» ng [u v w]; Ba chØ sè u, v, w lµ ba sè nguyª n tû lÖ thuË n víi täa ®é cña nót m¹ ng n» m trª n ph−¬ng ®ãë gÇ n gèc täa ®é nhÊ t (h× nh 1.7).

Chó ý: Ph−¬ng vµ mÆ t tinh thÓ cã kÝ ch th−íc v« h¹ n Trª n h× nh 1.7 giíi thiÖ u ba ph−¬ng ®iÓ n h× nh trong m¹ ng tinh thÓ cña hÖ lË p

ph−¬ng: - ®−êng chÐ o khèi [111], ®−êng chÐ o mÆ t [110], c¹ nh [100].

Ç c ph−¬ng cã ç c gi¸ trÞ tuyÖ t ®èi u, v, w gièng nhau, t¹ o nª n hä ph−¬ng <uvw>. VÝ dô hä <110> gåm ç c ph−¬ng sau ®© y chóng cã cïng quy luË t s¾ p xÕ p nguyª n tö:

L

a

3 5

2

1

4

H× nh 1.7. Çc ph−¬ng ®iÓn h× nh cña

H× nh 1.8. Çc mÆt ®iÓn h× nh cña hÖ lËp ph−¬ng hÖ lËp ph−¬ng

a x

y

z

[110]

[111]

[100] [010]

[001]

8 [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101] (ç c ®−êng chÐ o) d. ChØ sè Miller cña mÆt tinh thÓd. ChØ sè Miller cña mÆt tinh thÓd. ChØ sè Miller cña mÆt tinh thÓd. ChØ sè Miller cña mÆt tinh thÓ

MÆ t tinh thÓ lµ tË p hîp ç c mÆ t cã ç ch s¾ p xÕ p nguyª n tö gièng hÖ t nhau, song song vµ ç ch ®Ò u nhau, chóng cã cïng mét ký hiÖ u. Ng−êi ta ký hiÖ u mÆ t b» ng chØ sè Miller (h k l). Ç c chØ sè h, k, l ®−îc x¸ c ®Þ nh theo ç c b−íc nh− sau: . t× m giao ®iÓ m cña mÆ t ph¼ ng trª n ba trôc theo thø tù Ox, Oy, Oz, . x¸ c ®Þ nh täa ®é ç c giao ®iÓ m, råi lÊ y ç c gi¸ trÞ nghÞ ch ®¶ o, . quy ®ång mÉ u sè, lÊ y ç c gi¸ trÞ cña tö sè, ®ã chÝ nh lµ ç c chØ sè h, k, l . VÝ dô, x¸ c ®Þ nh ç c chØ sè Miller cho ç c mÆ t

mÆ t ®iÓ m c¾ t ç c trôc nghÞ ch ®¶ o chØ sè 1 1, 1, 1/2 1, 1, 2 (112) 2 1, 1, 1 1, 1, 1 (111) 3 1, 1, ∞ 1, 1, 0 (110) 4 1, ∞, ∞ 1, 0, 0 (100) 5 1, 1, 2 1, 1, 1/2 (221)

H× nh 1.8 S¬ ®å ký hiÖ u mÆ t tinh thÓ theo chØ sè Miller Ç c mÆ t cã ç c chØ sè gi¸ trÞ tuyÖ t ®èi h, k, l gièng nhau t¹ o nª n hä mÆ t h k l.

VÝ dô, ç c mÆ t hép t¹ o nª n hä 100 gåm (100), (010), (001), (100), (010), (001). e.e.e.e. ChØ sè Miller ChØ sè Miller ChØ sè Miller ChØ sè Miller ---- Bravais trong hÖ Bravais trong hÖ Bravais trong hÖ Bravais trong hÖ lôc gi¸clôc gi¸clôc gi¸clôc gi¸c ChØ sè Miller - Bravais víi hÖ cã bèn trôc täa ®é Ox, Oy, Ou, Oz (h× nh 1.9). ChØ sè Miller - Bravais ®−îc ký hiÖ u b» ng (h k i l), trong ®ã chØ sè thø ba i (cña trôc Ou) cã quan hÖ : i = - (h + k) H· y thö so s¸ nh hai chØ sè nµ y cho ç c mÆ t trong hÖ lôc gi¸ c ®−îc tr× nh bµ y ë h× nh 1.9:

mÆ t chØ sè Miller chØ sè Miller - Bravais ABHG (100) (1010) BCIH (010) (0110) AGLF (110) (1100)

ABCDEF (001) (0001) ACIG (1120)

H× nh 1.9. HÖ täa ®é trong hÖ lôc gi¸ c vµ çc mÆt

Ç ch ký hiÖ u theo Miller - Bravais thÓ hiÖ n ®−îc ç c mÆ t bª n cïng hä vµ cïng

ç ch s¾ p nguyª n tö. 1.3.3.1.3.3.1.3.3.1.3.3. MËt ®é nguyª n töMËt ®é nguyª n töMËt ®é nguyª n töMËt ®é nguyª n tö a. a. a. a. MËt ®é xÕ pMËt ®é xÕ pMËt ®é xÕ pMËt ®é xÕ p

Lµ møc ®é dµ y ®Æ c cña nguyª n tö trong m¹ ng tinh thÓ . MË t ®é xÕ p theo ph−¬ng (chiÒ u dµ i) Ml, theo mÆ t Ms hay trong toµ n bé thÓ tÝ ch m¹ ng Mv ®−îc x¸ c ®Þ nh theo ç c c«ng thøc: Ml = l / L, Ms = s / S, Mv = v / V

x

y

u

A B

C D E

F

z

G H

I

J K

L

3

52

1

4

9 trong ®ã:

• l, s, v lÇ n l−ît lµ chiÒ u dµ i, diÖ n tÝ ch, thÓ tÝ ch bÞ nguyª n tö (ion) chiÕ m chç, • L, S, V lÇ n l−ît lµ tæng chiÒ u dµ i, diÖ n tÝ ch, thÓ tÝ ch xem xÐ t.

b.b.b.b. Sè phèi trÝ (sè s¾p xÕ p)Sè phèi trÝ (sè s¾p xÕ p)Sè phèi trÝ (sè s¾p xÕ p)Sè phèi trÝ (sè s¾p xÕ p): lµ sè l−îng nguyª n tö ç ch ®Ò u gÇ n nhÊ t mét nguyª n tö ®· cho. Sè s¾ p xÕ p cµ ng lín chøng tá m¹ ng tinh thÓ cµ ng dµ y ®Æ c. c.c.c.c. Lç hængLç hængLç hængLç hæng Lµ kh«ng gian trèng gi÷a ç c nguyª n tö (coi nguyª n tö lµ h× nh cÇ u ®Æ c). KÝ ch th−íc lç hæng ®−îc ®¸ nh gi¸ b» ng ®−êng kÝ nh hay b¸ n kÝ nh qu¶ cÇ u lín nhÊ t cã thÓ ®Æ t lät vµ o. 1.4.1.4.1.4.1.4. CÊu tróc tinh thÓ ®iÓ n h× nh cña chÊt r¾nCÊu tróc tinh thÓ ®iÓ n h× nh cña chÊt r¾nCÊu tróc tinh thÓ ®iÓ n h× nh cña chÊt r¾nCÊu tróc tinh thÓ ®iÓ n h× nh cña chÊt r¾n 1.4.11.4.11.4.11.4.1. ChÊt r¾n cã liª n kÕ t kim lo¹i (kim lo¹i nguyª n chÊt)ChÊt r¾n cã liª n kÕ t kim lo¹i (kim lo¹i nguyª n chÊt)ChÊt r¾n cã liª n kÕ t kim lo¹i (kim lo¹i nguyª n chÊt)ChÊt r¾n cã liª n kÕ t kim lo¹i (kim lo¹i nguyª n chÊt)

§Æ c tÝ nh cÊ u tróc cña kim lo¹ i lµ : nguyª n tö (ion) lu«n cã xu h−íng xÕ p xÝ t chÆ t víi kiÓ u m¹ ng ®¬n gi¶ n (nh− lË p ph−¬ng t© m mÆ t, lË p ph−¬ng t© m khèi, lôc gi¸ c xÕ p chÆ t). a.a.a.a. LËp ph−¬ng t©m khèi A2LËp ph−¬ng t©m khèi A2LËp ph−¬ng t©m khèi A2LËp ph−¬ng t©m khèi A2 ¤ c¬ së lµ h× nh lË p ph−¬ng, c¹ nh b» ng a, ç c nguyª n tö (ion) n» m ë ç c ®Ø nh vµ t© m khèi (h× nh 1.10a, b vµ c). Sè l−îng nguyª n tö cho mçi «: nv = 8 ®Ø nh. 1/8 + 1 gi÷a = 2 nguyª n tö (a) (b) (c) d)

Th−êng dïng ç ch vÏ t−îng tr−ng (h× nh c). Nguyª n tö n» m xÝ t nhau theo ph−¬ng <111>, do ®ã:

- ®−êng kÝ nh nguyª n tö dng.t = 23

a , sè s¾ p xÕ p lµ 8.

Ç c mÆ t tinh thÓ xÕ p dµ y ®Æ c nhÊ t lµ hä 110. MË t ®é xÕ p thÓ tÝ ch Mv = 68%. Cã hai lo¹ i lç hæng: h× nh 4 mÆ t vµ h× nh 8 mÆ t nh− tr× nh bµ y ë h× nh d. Lo¹ i 8 mÆ t cã kÝ ch th−íc b» ng 0,154 dng.t n» m ë t© m ç c mÆ t bª n 100 vµ gi÷a ç c c¹ nh a. Lo¹ i 4

mÆ t cã kÝ ch th−íc lín h¬n mét chót, b» ng 0,291 dng.t n» m ë 41 trª n c¹ nh nèi ®iÓ m

gi÷a ç c c¹ nh ®èi diÖ n cña ç c mÆ t bª n. Nh− vË y trong m¹ ng A2 cã nhiÒ u lç hæng

a

lç hæng 4 mÆ t lç hæng 8

a

a

100 110 H× nh 1.10. ¤ c¬ së m¹ng lËp ph−¬ng t©m khèi (a, b), çc lç hæng (c) vµ çch xÕp çc mÆt tinh thÓ 100 vµ 110 (d)

10 nh−ng kÝ ch th−íc ®Ò u nhá, lín nhÊ t còng kh«ng qu¸ 30% kÝ ch th−íc (®−êng kÝ nh) nguyª n tö . Ç c kim lo¹ i cã kiÓ u m¹ ng A1 th−êng gÆ p lµ : Feα, Cr, Mo, W. M¹ ng chÝ nh ph−¬ng t© m khèi chØ kh¸ c m¹ ng A2 ë a = b ≠ c b.b.b.b. LËp ph−¬ng t©m mÆt A1LËp ph−¬ng t©m mÆt A1LËp ph−¬ng t©m mÆt A1LËp ph−¬ng t©m mÆt A1 o Kh¸ c víi kiÓ u m¹ ng A2 lµ thay cho nguyª n tö n» m ë trung t© m khèi lµ nguyª n tö

n» m ë trung t© m ç c mÆ t bª n, nh− biÓ u thÞ ë ç c h× nh 1.11a, b vµ c. a) b) c) d) o Sè nguyª n tö trong 1 « lµ : nv = 8 ®Ø nh. 1/8 + 6 mÆ t. 1/2 = 4 nguyª n tö . o Trong m¹ ng A1, ç c nguyª n tö xÕ p xÝ t nhau theo ph−¬ng ®−êng chÐ o mÆ t <110>,

do ®ã:

®−êng kÝ nh dng.t = 22

a , sè s¾ p xÕ p lµ 12.

o Ç c mÆ t tinh thÓ dµ y ®Æ c nhÊ t lµ hä 111. MË t ®é xÕ p thÓ tÝ ch Mv =74%, m¹ ng A1 nµ y lµ kiÓ u xÕ p dµ y ®Æ c h¬n A2 vµ lµ mét trong hai kiÓ u xÕ p dµ y ®Æ c nhÊ t.

Cã 2 lo¹ i lç hæng h× nh 4 mÆ t vµ h× nh 8 mÆ t nh− tr× nh bµ y ë ç c h× nh 1.11c. Lo¹ i bèn mÆ t cã kÝ ch th−íc 0,225 dng.t (®Ø nh1 vµ t© m ba mÆ t 2,3,4). § ng chó ý lµ lo¹ i lç hæng h× nh t¸ m mÆ t, nã cã kÝ ch th−íc lín h¬n c¶ , b» ng 0,414dng.t, n» m ë trung t© m khèi vµ gi÷a ç c c¹ nh a. So víi m¹ ng A2, m¹ ng A1 tuy dµ y ®Æ c h¬n song sè l−îng lç hæng l¹ i Ý t h¬n mµ kÝ ch th−íc lç hæng l¹ i lín h¬n h¼ n (0,225 vµ 0,41 so víi 0,154 vµ 0,291). ChÝ nh ®iÒ u nµ y (kÝ ch th−íc lç hæng) míi lµ yÕ u tè quyÕ t ®Þ nh cho sù hßa tan d−íi d¹ ng xen kÏ .

Kh¸ nhiÒ u kim lo¹ i ®iÓ n h× nh cã kiÓ u m¹ ng nµ y: s¾ t (Feγ), Ni, Cu, Al víi h» ng sè a m¹ ng lÇ n l−ît b» ng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoµ i ra cßn cã Pb, Ag, Au.

a

1

23

4

A B

100 111

B A C

H× nh 1.11. ¤ c¬ së m¹ng lËp ph−¬ng t©m mÆt (a, b), çc lç hæng (c) vµ çch xÕp çc mÆt tinh thÓ 100 vµ 111 (d)

11 c.c.c.c. Lôc gi¸cLôc gi¸cLôc gi¸cLôc gi¸c xÕ p chÆt A3 xÕ p chÆt A3 xÕ p chÆt A3 xÕ p chÆt A3 Ç c nguyª n tö n» m trª n 12 ®Ø nh, t© m cña 2 mÆ t ®¸ y vµ t© m cña ba khèi l¨ ng

trô tam gi¸ c ç ch ®Ò u nhau (h× nh 1.12a, b vµ c).

a) b) c) d) H× nh 1.12. ¤ c¬ së m¹ng lôc gi¸c xÕp chÆt (a,b,c) vµ

çch xÕp çc mÆt tinh thÓ 0001 (d)

Sè l−îng nguyª n tö trong 1 « : nv = 12 ®Ø nh/6 + 2 gi÷a mÆ t/2 + 3 t© m = 6 nguyª n tö Nguyª n tö xÕ p xÝ t nhau theo ç c mÆ t ®¸ y (0001). 3 nguyª n tö ë gi÷a song song víi mÆ t ®¸ y s¾ p xÕ p nguyª n tö gièng nh− 2 mÆ t ®¸ y, nh−ng n» m ë ç c hâm ç ch ®Ò u nhau (h× nh 1.12d). M¹ ng lôc gi¸ c xÕ p chÆ t th× c/a = 38 hay 1,633. Tuy nhiª n trong thùc tÕ c/a cã xª dÞ ch nª n quy −íc: c/a = 1,57 ÷ 1,64 th× m¹ ng ®−îc coi lµ xÕ p chÆ t, 1,57 < c/a < 1,64 kh«ng xÕ p chÆ t.

Ç c kim lo¹ i cã kiÓ u m¹ ng nµ y Ý t th«ng dông h¬n lµ : Tiα víi a = 0,2951nm, c = 0,4679nm, c/a = 1,5855 (xÕ p chÆ t), Mg víi a = 0,3209nm, c = 0,5210nm, c/a = 1,6235 (xÕ p chÆ t), Zn víi a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, c/a = 1,8590 (kh«ng xÕ p chÆ t).

1.4.2.1.4.2.1.4.2.1.4.2. ChÊt r¾n cã liª n kÕ t ®ång hãa trÞChÊt r¾n cã liª n kÕ t ®ång hãa trÞChÊt r¾n cã liª n kÕ t ®ång hãa trÞChÊt r¾n cã liª n kÕ t ®ång hãa trÞ a.a.a.a. Kim c−¬ng A4Kim c−¬ng A4Kim c−¬ng A4Kim c−¬ng A4

Kim c−¬ng lµ mét d¹ ng tån t¹ i (thï h× nh) cña cacbon víi cÊ u h× nh electron lµ 1s2 2s2 2p2, vË y sè e líp tham gia liª n kÕ t lµ N = 4, sè s¾ p xÕ p sÏ lµ 4 tøc lµ mçi mét nguyª n tö cacbon cã 4 nguyª n tö bao quanh gÇ n nhÊ t.

H× nh 1.14. « c¬ së cña m¹ng tinh thÓ kim c−¬ng (a), vÞ trÝ çc nguyªn tö (b) vµ liªn kÕt (c)

¤ c¬ së m¹ ng kim c−¬ng (h× nh 1.14a), ®−îc t¹ o thµ nh trª n c¬ së cña « c¬ së A1 cã thª m bèn nguyª n tö bª n trong víi ç c täa ®é (xem h× nh 1.14b):

1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2); 1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4). n» m ë t© m cña bèn khèi 1/8 ç ch ®Ò u nhau.

Ç c nguyª n tö cacbon ®Ò u cã liª n kÕ t ®ång hãa trÞ víi n¨ ng l−îng lín nª n kim c−¬ng cã ®é cøng rÊ t cao (cao nhÊ t trong thang ®é cøng).

A

B

12 b.b.b.b. M¹ng grafitM¹ng grafitM¹ng grafitM¹ng grafit Cã m¹ ng lôc gi¸ c líp (h× nh 1.15a), trong mét líp kho¶ ng ç ch gi÷a ç c nguyª n tö a = 0,246nm, liª n kÕ t ®ång ho¸ trÞ . Kho¶ ng ç ch gi÷a ç c líp c = 0,671nm, t−¬ng øng víi liª n kÕ t yÕ u Van der Waals, grafit rÊ t dÔ bÞ t¸ ch líp , rÊ t mÒ m, nã ®−îc coi nh− lµ mét trong nh÷ng chÊ t r¾ n cã ®é cøng thÊ p nhÊ t. c.c.c.c. CÊu tróc cña sîi cacbon vµ fullereneCÊu tróc cña sîi cacbon vµ fullereneCÊu tróc cña sîi cacbon vµ fullereneCÊu tróc cña sîi cacbon vµ fullerene Ph© n tö cacbon C60 gäi lµ fullerene do hai nhµ khoa häc H. Kroto (Anh) vµ R. Smalley (Mü) t¹ o ra 1985 (Nobel n¨ m 1995) (h× nh 1.15c): 60 nguyª n tö C n» m trª n mÆ t cÇ u gåm 12 ngò gi¸ c vµ 20 lôc gi¸ c ®Ò u, n» m xen kÏ nhau t¹ o ®èi xøng trßn, øng víi ®é bÒ n vµ ®é cøng rÊ t cao cña nã ch¾ c ch¾ n høa hÑ n sÏ cã nh÷ng øng dông kú l¹ trong kü thuË t. Sîi cacbon ®−îc tr× nh bµ y ë h× nh 1.15b

H× nh 1.15. CÊu tróc m¹ng cña grafit (a), sîi cacbon (b) vµ fullerene (c). d.d.d.d. CÊu tróc cña SiOCÊu tróc cña SiOCÊu tróc cña SiOCÊu tróc cña SiO2222

H× nh 1.5a, lµ m« h× nh s¾ p xÕ p kh«ng cña ç c khèi tø diÖ n tam gi¸ c ®Ò u SiO4

4- cña SiO2. Th¹ ch anh víi cÊ u tróc lôc gi¸ c (h× nh 1.16a), cristobalit β víi cÊ u tróc lË p

ph−¬ng (h× nh 1.16b). Trong ®iÒ u kiÖ n nguéi nhanh sÏ nhË n ®−îc thñy tinh (v« ®Þ nh h× nh) nh− ë h× nh 1.5b. H× nh 1.15. S¾p xÕp khèi tø diÖn (SiO4)

4- trong th¹ch anh (a), cristobalit β (b). 1.4.3.1.4.3.1.4.3.1.4.3. ChÊt r¾n cã liª n kÕ t ionChÊt r¾n cã liª n kÕ t ionChÊt r¾n cã liª n kÕ t ionChÊt r¾n cã liª n kÕ t ion

CÊ u tróc tinh thÓ cña hîp chÊ t hãa häc cã liª n kÕ t ion phô thuéc vµ o hai yÕ u tè:

13

• Tû sè cña ion © m vµ ion d−¬ng ®¶ m b¶ o trung hßa vÒ ®iÖ n. • T−¬ng quan kÝ ch th−íc gi÷a ion © m vµ ion d−¬ng: trong tinh thÓ ion, ç c ion lu«n cã xu h−íng s¾ p xÕ p ®Ó ®é xÕ p chÆ t vµ tÝ nh ®èi xøng cao nhÊ t.

M¹ ng tinh thÓ cña hîp chÊ t víi liª n kÕ t ion vÉ n cã ç c kiÓ u m¹ ng ®¬n gi¶ n (A1, A2) nh−ng sù ph© n bè ç c ion trong ®ã kh¸ phøc t¹ p nª n vÉ n ®−îc coi lµ cã m¹ ng phøc t¹ p.

Cã thÓ h× nh dung m¹ ng tinh thÓ ç c hîp chÊ t hãa häc víi liª n kÕ t ion ®−îc t¹ o thµ nh trª n c¬ së cña « c¬ së cña ion © m, ç c ion d−¬ng cßn l¹ i chiÕ m mét phÇ n hay toµ n bé ç c lç hæng.

TØ mØ vÒ cÊ u tróc cña chÊ t r¾ n cã liª n kÕ t ion ®−îc tr× nh bµ y ë ch−¬ng 7. 1.4.4.1.4.4.1.4.4.1.4.4. CÊu tróc cña polymeCÊu tróc cña polymeCÊu tróc cña polymeCÊu tróc cña polyme Kh¸ c víi kim lo¹ i vµ ç c chÊ t v« c¬, « c¬ së chØ t¹ o nª n bëi sè l−îng h¹ n chÕ (tõ vµ i ®Õ n vµ i chôc) nguyª n tö (ion), mçi ph© n tö polyme cã thÓ gåm hµ ng triÖ u nguyª n tö . VÝ dô PE (C2H4)n:

H H H H H H H H C = C → C C → C C C C H H H H H H H H

m¹ ch kÝ n bÎ liª n kÕ t kÐ p t¹ o m¹ ch th¼ ng Ç c ph© n tö (m¹ ch) polyme ®−îc liª n kÕ t Van der Waals víi nhau (liª n kÕ t yÕ u). Mét sè vïng ç c m¹ ch s¾ p xÕ p cã trË t tù t¹ o nª n cÊ u tróc tinh thÓ , phÇ n cßn l¹ i lµ v« ®Þ nh h× nh. 1.4.5.1.4.5.1.4.5.1.4.5. D¹ng thï h× nhD¹ng thï h× nhD¹ng thï h× nhD¹ng thï h× nh Thï h× nh hay ®a h× nh lµ sù tån t¹ i hai hay nhiÒ u cÊ u tróc m¹ ng tinh thÓ kh¸ c nhau cña cïng mét nguyª n tè hay mét hîp chÊ t hãa häc, mçi cÊ u tróc kh¸ c biÖ t ®ã ®−îc gäi lµ d¹ ng thï h× nh: ký hiÖ u α, β, γ, δ, ε.... Qu¸ tr× nh thay ®æi tõ d¹ ng thï h× nh nµ y sang d¹ ng thï h× nh kh¸ c ®−îc gäi lµ chuyÓ n biÕ n thï h× nh. Ç c yÕ u tè dÉ n ®Õ n chuyÓ n biÕ n thï h× nh th−êng gÆ p h¬n c¶ lµ nhiÖ t ®é, sau ®ã lµ ¸ p suÊ t.

Cacbon ngoµ i d¹ ng v« ®Þ nh h× nh cßn tån t¹ i: ç c d¹ ng thï h× nh (ç c h× nh 1.13, 1.14): kim c−¬ng (A4), grafit (A9). sîi cacbon (cÊ u tróc líp cuén), fullerene (cÊ u tróc mÆ t cÇ u C60) trong ®ã. grafit lµ d¹ ng th−êng gÆ p vµ æn ®Þ nh nhÊ t.

S¾ t (Fe) cã hai kiÓ u m¹ ng lµ : Feα-A2, T < 911oC, Feγ-A1, T= 911 ÷ 1392oC, Feδ T> 1392oC -1539oC; → tÝ nh chÊ t ≠.

ChuyÓ n biÕ n thï h× nh bao giê còng ®i kÌ m víi sù thay ®æi vÒ thÓ tÝ ch (në hay co) vµ c¬ tÝ nh. VÝ dô: khi nung nãng s¾ t qua 911oC s¾ t l¹ i co l¹ i ®ét ngét (do t¨ ng mË t ®é xÕ p tõ 68 lª n 74% khi chuyÓ n tõ Feα → Feγ) vµ hoµ n toµ n ng−îc l¹ i khi lµ m nguéi (®iÒ u nµ y h¬i tr¸ i víi quan niÖ m th−êng gÆ p lµ nung nãng th× në ra, cßn lµ m nguéi th× co l¹ i) → rÌ n khu«n?. 1.5.1.5.1.5.1.5. Sai lÖ ch m¹ng tinh thÓSai lÖ ch m¹ng tinh thÓSai lÖ ch m¹ng tinh thÓSai lÖ ch m¹ng tinh thÓ Trong thùc tÕ kh«ng ph¶ i 100% nguyª n tö ®Ò u n» m ®óng vÞ trÝ quy ®Þ nh, g© y nª n nh÷ng sai lÖ ch ®−îc gäi lµ sai lÖ ch m¹ ng tinh thÓ hay khuyÕ t tË t m¹ ng. Tuy sè nguyª n tö n» m lÖ ch vÞ trÝ quy ®Þ nh chiÕ m tû lÖ rÊ t thÊ p (chØ 1 ÷ 2%) song ¶ nh h−ëng lín ®Õ n c¬ tÝ nh: kh¶ n¨ ng biÕ n d¹ ng dÎ o, biÕ n cøng...).

Phô thuéc vµ o kÝ ch th−íc theo ba chiÒ u trong kh«ng gian, sai lÖ ch m¹ ng chia thµ nh: ®iÓ m, ®−êng vµ mÆ t.

14 1.5.1.1.5.1.1.5.1.1.5.1. Sai lÖ ch ®iÓ mSai lÖ ch ®iÓ mSai lÖ ch ®iÓ mSai lÖ ch ®iÓ m

§ã lµ lo¹ i sai lÖ ch cã kÝ ch th−íc rÊ t nhá (cì kÝ ch th−íc nguyª n tö) theo ba chiÒ u kh«ng gian, cã d¹ ng bao quanh mét ®iÓ m. H× nh 1.17 tr× nh bµ y tæng qu¸ t ç c d¹ ng sai lÖ ch ®iÓ m nµ y. a.a.a.a. Nót trèng vµ nguyª n tö tù xen kÏNót trèng vµ nguyª n tö tù xen kÏNót trèng vµ nguyª n tö tù xen kÏNót trèng vµ nguyª n tö tù xen kÏ (H× nh 1.17a)

Do dao ®éng nhiÖ t quanh vÞ trÝ c© n b» ng, ë møc ph© n bè n¨ ng l−îng kh«ng ®Ò u, mét sè nguyª n tö bøt khái nót m¹ ng ®Ó l¹ i nót trèng vµ t¹ o nguyª n tö xen kÏ gi÷a.

H× nh 1.17. Çc d¹ng sai lÖch ®iÓm: nót trèng vµ nguyªn tö tù xen kÏ (a) vµ çc nguyªn tö t¹p chÊt (b).

MË t ®é cña nót trèng t¨ ng nhanh theo nhiÖ t ®é (n= KTQ

e−

), khi s¾ p ch¶ y láng nmax . Nót trèng cã ¶ nh h−ëng lín ®Õ n c¬ chÕ vµ tèc ®é khuÕ ch t¸ n cña kim lo¹ i vµ hîp kim ë tr¹ ng th¸ i r¾ n. b.b.b.b. Nguyª n tö t¹p chÊtNguyª n tö t¹p chÊtNguyª n tö t¹p chÊtNguyª n tö t¹p chÊt Trong thùc tÕ vË t liÖ u hoÆ c kim lo¹ i th−êng cã t¹ p chÊ t: xen kÏ (h× nh 1.17b).

Do sù sai kh¸ c vÒ ®−êng kÝ nh nguyª n tö gi÷a ç c nguyª n tè nÒ n vµ t¹ p chÊ t → sai lÖ ch 1.5.2.1.5.2.1.5.2.1.5.2. Sai lÖ ch ®−êSai lÖ ch ®−êSai lÖ ch ®−êSai lÖ ch ®−êng ng ng ng ---- LÖ ch LÖ ch LÖ ch LÖ ch Sai lÖ ch ®−êng lµ lo¹ i cã kÝ ch th−íc nhá (cì kÝ ch th−íc nguyª n tö) theo hai chiÒ u vµ lín theo chiÒ u thø ba, tøc cã d¹ ng cña mét ®−êng (cã thÓ lµ th¼ ng, cong, xo¸ y tr«n èc). Sai lÖ ch ®−êng cã thÓ lµ mét d· y ç c sai lÖ ch ®iÓ m kÓ trª n. Chóng gåm: hai d¹ ng lµ biª n vµ xo¾ n. a.a.a.a. LÖ ch biª nLÖ ch biª nLÖ ch biª nLÖ ch biª n (edge dislocation hay dislocation line) (h× nh 1.18a) Cã thÓ h× nh dung lÖ ch biª n ®−îc t¹ o thµ nh nhê chÌ n thª m b¸ n mÆ t ABCD vµ o nöa phÇ n trª n cña m¹ ng tinh thÓ lý t−ëng (h× nh 1.18a), khi ®ã, ç c mÆ t nguyª n tö kh¸ c ë hai phÝ a trë nª n kh«ng cßn song song víi nhau n÷a. (a) (b) (c)

H× nh 1.18. LÖch biªn: tinh thÓ kh«ng lÖch (a), m« h× nh t¹o thµnh (b), sù s¾p xÕp nguyªn tö trong vïng lÖch (c)

B

A

C

D

vÐ c t¬

54

32

1

1

2 3

4

15 Nh− thÊ y râ ë h× nh 1.18b: ®−êng AD ®−îc gäi lµ trôc lÖ ch, nã chÝ nh lµ biª n cña b¸ n mÆ t nª n cã tª n lµ lÖ ch biª n. Víi sù ph© n bè nh− vË y nöa tinh thÓ cã chøa b¸ n mÆ t sÏ chÞ u øng suÊ t nÐ n, nöa cßn l¹ i chÞ u øng suÊ t kÐ o. VÐ c t¬ Burgers: lµ vÐ c t¬ ®ãng kÝ n vßng trßn Burgers vÏ trª n mf vu«ng gãc víi trôc lÖ ch khi chuyÓ n tõ tinh thÓ kh«ng lÖ ch sang tinh thÓ cã lÖ ch. LÖ ch th¼ ng ADb ⊥

r

c. c. c. c. LÖ ch xo¾nLÖ ch xo¾nLÖ ch xo¾nLÖ ch xo¾n (screw dislocation) (h× nh 1.19a) a) b) c) H× nh 1.19. LÖch xo¾n: tinh thÓ kh«ng lÖch (a), m« h× nh t¹o thµnh (a),

®Æc ®iÓm s¾p xÕp nguyªn tö trong vïng lÖch (c). Ç c nguyª n tö trong vïng hÑ p gi÷a hai ®−êng AD vµ BC s¾ p xÕ p l¹ i cã d¹ ng ®−êng xo¾ n èc gièng nh− mÆ t vÝ t nª n lÖ ch cã tª n lµ lÖ ch xo¾ n nh− thÊ y râ ë h× nh 1.19c. VÐ c t¬ Burgers song song víi trôc lÖ c AD=L c.c.c.c. §Æc tr−ng vÒ h× nh th¸i cña lÖ ch§Æc tr−ng vÒ h× nh th¸i cña lÖ ch§Æc tr−ng vÒ h× nh th¸i cña lÖ ch§Æc tr−ng vÒ h× nh th¸i cña lÖ ch

MË t ®é lÖ ch (ký hiÖ u lµ ρ) lµ tæng chiÒ u dµ i trôc lÖ ch trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝ ch cña tinh thÓ , cã thø nguyª n lµ cm/cm3 hay cm-2. MË t ®é lÖ ch phô thuéc rÊ t m¹ nh vµ o ®é s¹ ch vµ tr¹ ng th¸ i gia c«ng. VÝ dô, ®èi víi kim lo¹ i ρ cã gi¸ trÞ nhá nhÊ t (~ 108 cm-2) øng víi ®é s¹ ch cao vµ tr¹ ng th¸ i ñ; hîp kim vµ kim lo¹ i sau biÕ n d¹ ng nguéi, t«i... ρ tí i 1010 ÷ 1012 cm-2) (cã thÓ coi mË t ®é lÖ ch lµ trôc lÖ ch ch¹ y qua/1 cm2).

ý nghÜ a: lÖ ch biª n gióp cho dÔ biÕ n d¹ ng (tr−ît), khi mË t ®é qu¸ lín l¹ i g© y c¶ n tr−ît (t¨ ng bÒ n). Ngoµ i ra, lÖ ch xo¾ n gióp cho mÇ m ph¸ t triÓ n nhanh khi kÕ t tinh. 1.5.3.1.5.3.1.5.3.1.5.3. Sai lÖ ch mÆtSai lÖ ch mÆtSai lÖ ch mÆtSai lÖ ch mÆt Sai lÖ ch mÆ t lµ lo¹ i sai lÖ ch cã kÝ ch th−íc lín theo hai chiÒ u ®o vµ nhá theo chiÒ u thø ba, tøc cã d¹ ng cña mét mÆ t (cã thÓ lµ ph¼ ng, cong hay uèn l−în). Ç c d¹ ng ®iÓ n h× nh cña sai lÖ ch mÆ t lµ : - biª n giíi h¹ t vµ siª u h¹ t (sÏ tr× nh bµ y ë môc sau) vµ bÒ mÆ t tinh thÓ . 1.6.1.6.1.6.1.6. §¬n tinh thÓ vµ ®a tinh thÓ§¬n tinh thÓ vµ ®a tinh thÓ§¬n tinh thÓ vµ ®a tinh thÓ§¬n tinh thÓ vµ ®a tinh thÓ 1.6.1.1.6.1.1.6.1.1.6.1. §¬n tinh thÓ§¬n tinh thÓ§¬n tinh thÓ§¬n tinh thÓ

§¬n tinh thÓ (h× nh 1.20a): lµ mét khèi chÊ t r¾ n cã m¹ ng ®ång nhÊ t (cïng kiÓ u vµ h» ng sè m¹ ng), cã ph−¬ng m¹ ng kh«ng ®æi trong toµ n bé thÓ tÝ ch. Trong thiª n nhiª n: mét sè kho¸ ng vË t cã thÓ tån t¹ i d−íi d¹ ng ®¬n tinh thÓ . Chóng cã bÒ mÆ t ngoµ i nh½ n, h× nh d¸ ng x¸ c ®Þ nh, ®ã lµ nh÷ng mÆ t ph¼ ng nguyª n tö giíi h¹ n (th−êng lµ ç c mÆ t xÕ p chÆ t nhÊ t). Ç c ®¬n tinh thÓ kim lo¹ i kh«ng tån t¹ i trong tù nhiª n, muèn cã ph¶ i dïng c«ng nghÖ "nu«i" ®¬n tinh thÓ .

§Æ c ®iÓ m: cã tÝ nh chÊ t rÊ t ®Æ c thï lµ dÞ h−íng v× theo ç c ph−¬ng mË t ®é xÕ p chÆ t nguyª n tö kh¸ c nhau. §¬n tinh thÓ chØ ®−îc dïng trong b¸ n dÉ n. 1.6.2.1.6.2.1.6.2.1.6.2. §a tinh thÓ§a tinh thÓ§a tinh thÓ§a tinh thÓ a. H¹ta. H¹ta. H¹ta. H¹t Trong thùc tÕ hÇ u nh− chØ gÆ p ç c vË t liÖ u ®a tinh thÓ . §a tinh thÓ gåm rÊ t nhiÒ u (®¬n) tinh thÓ nhá (cì µm) ®−îc gäi lµ h¹ t tinh thÓ , ç c h¹ t cã cïng cÊ u tróc vµ

B

A

C

D

B

A

C

D

B

A

C

D

vÐ c t¬ L

16 th«ng sè m¹ ng song ph−¬ng l¹ i ®Þ nh h−íng kh¸ c nhau (mang tÝ nh ngÉ u nhiª n) vµ liª n kÕ t víi nhau qua vïng ranh giíi ®−îc gäi lµ biª n h¹ t (hay biª n giíi h¹ t) nh− tr× nh bµ y ë h× nh 1.20b. Tõ m« h× nh ®ã thÊ y râ: - Mçi h¹ t lµ mét khèi tinh thÓ hoµ n toµ n ®ång nhÊ t, thÓ hiÖ n tÝ nh dÞ h−íng. - Ç c h¹ t ®Þ nh h−íng ngÉ u nhiª n víi sè l−îng rÊ t lín nª n thÓ hiÖ n tÝ nh ®¼ ng h−íng - Biª n h¹ t chÞ u ¶ nh h−ëng cña ç c h¹ t xung quanh nª n cã cÊ u tróc “trung gian” vµ v× vË y s¾ p xÕ p kh«ng trË t tù (x« lÖ ch) nh− lµ v« ®Þ nh h× nh , kÐ m xÝ t chÆ t víi tÝ nh chÊ t kh¸ c víi b¶ n th© n h¹ t. - Cã thÓ quan s¸ t cÊ u tróc h¹ t ®a tinh thÓ hay ç c h¹ t nhê kÝ nh hiÓ n vi quang häc (h× nh 1.20c).

b.b.b.b. §é h¹t§é h¹t§é h¹t§é h¹t §é h¹ t cã thÓ quan s¸ t ®Þ nh tÝ nh qua mÆ t g· y, ®Ó chÝ nh x¸ c ph¶ i x¸ c ®Þ nh trª n tæ chøc tÕ vi.

CÊ p h¹ t theo tiª u chuÈ n ASTM: ph© n thµ nh 16 cÊ p chÝ nh ®¸ nh sè tõ 00, 0, 1, 2...., 14 theo trË t tù h¹ t nhá dÇ n, trong ®ã tõ 1 ®Õ n 8 lµ th«ng dông.

CÊ p h¹ t N=3,322lgZ+1, víi Z lµ sè h¹ t cã trong 1inch2 (2,542≈ 6,45cm2) d−íi ®é phãng ®¹ i 100 lÇ n.

Ng−êi ta th−êng x¸ c ®Þ nh cÊ p h¹ t b» ng ç ch so s¸ nh víi b¶ ng chuÈ n ë ®é phãng ®¹ i (th−êng lµ x100) hoÆ c x¸ c ®Þ nh trª n tæ chøc tÕ vi. Ç c sè liÖ u ph© n cÊ p h¹ t xem trong b¶ ng 1.2.

B¶ ng 1.2. Çc cÊp h¹t chuÈn chÝ nh theo ASTM CÊ p h¹ t 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Z(x100)/inch2 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 128 Z thùc/mm2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048

S h¹ t, mm2 0,258 0,129 0,0645 0,032 0,016 0,008 0,004 0,002 0,001 0,0005 CÊ p h¹ t 9 10 11 12 13 14 Z(x100)/inch2 256 512 1024 2048 4096 8200 Z thùc/mm2 4096 8200 16400 32800 65600 131200 S h¹ t, mm2 2.10-4 1.10-4 6.10-5 3.10-5 1,6.10-5 7,88.10-6

H× nh 1.20. M« h× nh ®¬n tinh thÓ (a), ®a tinh thÓ (b), tæ chøc tÕ vi kim lo¹i ®a tinh thÓ (c), cÊu tróc cña siªu h¹t (d).

17

H× nh 1.21. Thang ¶nh cÊp h¹t chuÈn øng víi ®é phãng ®¹i x100 c.c.c.c. Siª u h¹tSiª u h¹tSiª u h¹tSiª u h¹t

NÕ u nh− khèi ®a tinh thÓ gåm c¸ c h¹ t (kÝ ch th−íc hµ ng chôc - hµ ng tr¨ m µm) víi ph−¬ng m¹ ng lÖ ch nhau mét gãc ®¸ ng kÓ (hµ ng chôc ®é), ®Õ n l−ît mçi h¹ t nã còng gåm nhiÒ u thÓ tÝ ch nhá h¬n (kÝ ch th−íc cì 0,1 ÷ 10µm) víi ph−¬ng m¹ ng lÖ ch nhau mét gãc rÊ t nhá (≤ 1-2o) gäi lµ siª u h¹ t hay block (h× nh 1.20d). Biª n giíi siª u h¹ t còng bÞ x« lÖ ch nh−ng víi møc ®é rÊ t thÊ p. 1.6.3.1.6.3.1.6.3.1.6.3. TextuaTextuaTextuaTextua

H× nh 1.22. M« h× nh textua trong d©y nh«m sau khi kÐo sîi (vect¬ V biÓu thÞ h−íng kÐo, trôc textua lµ [111]).

Do biÕ n d¹ ng dÎ o lµ m ph−¬ng m¹ ng ®Þ nh h−íng t¹ o nª n textua. VÝ dô, khi kÐ o sîi nh«m (h× nh 1.22), tinh thÓ h× nh trô khi ®óc, khi phñ. CÊ u tróc ®a tinh thÓ cã textua → vË t liÖ u cã tÝ nh dÞ h−íng. øng dông cho thÐ p biÕ n thÕ , t/c tõ cùc ®¹ i theo chiÒ u textua, cùc tiÓ u theo ph−¬ng vu«ng gãc → gi¶ m tæn thÊ t.

18 1.7.1.7.1.7.1.7. Sù kÕ t tinh vµ h× nh thµnh tæ chøc cña kim lo¹iSù kÕ t tinh vµ h× nh thµnh tæ chøc cña kim lo¹iSù kÕ t tinh vµ h× nh thµnh tæ chøc cña kim lo¹iSù kÕ t tinh vµ h× nh thµnh tæ chøc cña kim lo¹i PhÇ n lín kim lo¹ i hîp kim ®−îc chÕ t¹ o (luyÖ n) ra → ®óc, tøc qua kÕ t tinh, sau ®ã → ç n → b¸ n thµ nh phÈ m vµ s¶ n phÈ m. KÕ t tinh lµ b−íc khëi t¹ o h× nh thµ nh tæ chøc h¹ t, tinh thÓ . → ®é h¹ t, tæ chøc mong muèn. 1.7.1.1.7.1.1.7.1.1.7.1. §iÒ u kiÖ n x¶y ra kÕ t tinh§iÒ u kiÖ n x¶y ra kÕ t tinh§iÒ u kiÖ n x¶y ra kÕ t tinh§iÒ u kiÖ n x¶y ra kÕ t tinh a.a.a.a. CÊu tróc ë tr¹ng th¸i lángCÊu tróc ë tr¹ng th¸i lángCÊu tróc ë tr¹ng th¸i lángCÊu tróc ë tr¹ng th¸i láng

ChÊ t láng chØ cã trË t tù gÇ n, trong ®ã cã nh÷ng nhãm nguyª n tö s¾ p xÕ p trË t tù , chóng ë tr¹ ng th¸ i c© n b» ng ®éng. VÒ mÆ t cÊ u tróc tr¹ ng th¸ i láng gÇ n tr¹ ng th¸ i tinh thÓ h¬n, ç c ®¸ m nguyª n tö → lµ t© m mÇ m gióp cho kÕ t tinh. b.b.b.b. BiÕ n ®æi n¨ng l−îng khi kÕ t tinhBiÕ n ®æi n¨ng l−îng khi kÕ t tinhBiÕ n ®æi n¨ng l−îng khi kÕ t tinhBiÕ n ®æi n¨ng l−îng khi kÕ t tinh H× nh 1.23 biÓ u thÞ sù biÕ n ®æi n¨ ng l−îng ∆G cña ç c tr¹ ng th¸ i láng (∆GL) vµ r¾ n (∆GR) (tinh thÓ ) theo nhiÖ t ®é:

- ë nhiÖ t ®é T > TO vË t thÓ tån t¹ i ë tr¹ ng th¸ i láng ∆GL<∆GR

- ë nhiÖ t ®é To < TO, ∆GR<∆GL → ®«ng ®Æ c TO ®−îc gäi lµ nhiÖ t ®é kÕ t tinh hay nãng ch¶ y T = TO → kÕ t tinh (nãng ch¶ y) ch−a x¶ y ra KT&NC chØ x¶ y ra khi cã ∆T ≠ 0 H× nh 1.23. BiÕn ®æi n¨ng l−îng tù do cña hÖ

c.c.c.c. §é qu¸ nguéi§é qu¸ nguéi§é qu¸ nguéi§é qu¸ nguéi §é qu¸ nguéi ∆T: nguéi d−íi TO

∆T = T - TO < 0 ∆T thay ®æi tõ rÊ t nhá (1 ÷ 2oC) ®Õ n rÊ t lín (hµ ng chôc, tr¨ m ®Õ n ngh× n oC) tïy

theo tèc ®é lµ m nguéi khi kÕ t tinh. Nguéi chË m trong khu«n ç t ∆T lín h¬n khi nguéi nhanh trong khu«n kim lo¹ i.

Khi nung nãng: sù nãng ch¶ y sÏ x¶ y ra ë nhiÖ t ®é T > TO, ∆T ®−îc gäi lµ ®é qu¸ nung. 1.7.2.1.7.2.1.7.2.1.7.2. Hai qu¸ tr× nh cña sù kÕ t tinhHai qu¸ tr× nh cña sù kÕ t tinhHai qu¸ tr× nh cña sù kÕ t tinhHai qu¸ tr× nh cña sù kÕ t tinh Gåm hai qu¸ tr× nh c¬ b¶ n nèi tiÕ p nhau x¶ y ra lµ t¹ o mÇ m vµ ph¸ t triÓ n mÇ m. a. T¹o mÇma. T¹o mÇma. T¹o mÇma. T¹o mÇm

T¹ o mÇ m lµ qu¸ tr× nh sinh ra ç c phÇ n tö r¾ n cã cÊ u tróc tinh thÓ , víi kÝ ch th−íc ®ñ lín, chóng kh«ng bÞ tan ®i nh− tr−íc ®ã mµ ph¸ t triÓ n lª n nh− lµ trung t© m cña tinh thÓ (h¹ t), hai lo¹ i mÇ m: tù sinh vµ ngo¹ i lai. MÇ m tù sinh

Ç c ®¸ m nguyª n tö cã kÝ ch th−íc ®ñ lín r ≥ rth (coi chóng lµ ç c h× nh cÇ u b¸ n kÝ nh r) mµ theo tÝ nh to¸ n vÒ nhiÖ t ®éng häc, rth (b¸ n kÝ nh tíi h¹ n cña mÇ m) ®−îc

tÝ nh theo c«ng thøc: rth = vG∆σ2

, trong ®ã: σ - søc c¨ ng bÒ mÆ t gi÷a

r¾ n vµ láng, ∆Gv - chª nh lÖ ch n¨ ng l−îng tù do (GL - GR) tÝ nh cho mét ®¬n vÞ thÓ tÝ ch.

Mét khi mÇ m cã r ≥ rth → ph¸ t triÓ n lª n thµ nh h¹ t.

∆G

∆GR

∆GL

nhiÖ t ®é TO

19

Khi ®é qu¸ nguéi ∆T cµ ng lín th× ∆GV còng cµ ng lín, rth cµ ng nhá → sè l−îng mÇ m cµ ng lín → h¹ t nhá. MÇ m ký sinh Lµ ç c hË t r¾ n n» m l¬ löng trong kim lo¹ i láng, thµ nh khu«n ®óc → mÇ m ngo¹ i lai. Thùc tÕ lµ trong nhiÒ u tr−êng hîp ng−êi ta cßn cè ý t¹ o ra vµ ®−a ç c phÇ n tö r¾ n vµ o ®Ó gióp kÕ t tinh, sÏ ®−îc nãi tíi ë môc sau. b.b.b.b. Ph¸t triÓ n mÇmPh¸t triÓ n mÇmPh¸t triÓ n mÇmPh¸t triÓ n mÇm MÇ m ph¸ t triÓ n lµ nhê ç c ®¸ m nguyª n tö b¸ m lª n bÒ mÆ t mÇ m ®Æ c biÖ t lµ trª n ç c bË c lÖ ch xo¾ n.

H× nh 1.24. KÕt tinh nh¸nh c©y (a), tinh thÓ nh¸nh c©y (b)

Khi ®−îc lµ m nguéi t−¬ng ®èi nhanh, tho¹ t tiª n sù ph¸ t triÓ n mÇ m mang tÝ nh dÞ h−íng tøc lµ ph¸ t triÓ n rÊ t nhanh theo mét sè ph−¬ng t¹ o nª n nh¸ nh c© y, trôc bË c I (A) (h× nh 1.24), råi tõ trôc chÝ nh nµ y t¹ o nª n trôc bË c II (B) vu«ng gãc víi trôc bË c I, råi tõ trôc bË c II ph© n nh¸ nh tiÕ p t¹ o nª n trôc bË c III (C)... cø nh− vË y nh¸ nh c© y ®−îc h× nh thµ nh. Sau ®ã kim lo¹ i gi÷a ç c nh¸ nh c© y míi kÕ t tinh t¹ o nª n h¹ t (tinh thÓ ) ®Æ c kÝ n, kh«ng thÊ y trùc tiÕ p ®−îc nh¸ nh c© y n÷a. Nh¸ nh c© y chØ ®−îc ph¸ t hiÖ n thái ®óc lín, phÇ n kÕ t tinh tr−íc lµ m tr¬ ra nh¸ nh c© y mµ kh«ng cßn kim lo¹ i láng ®iÒ n ®Ç y. Còng cã thÓ tÈ m thùc hîp kim ®Ó thÊ y ®−îc nh¸ nh c© y.

1.7.3.1.7.3.1.7.3.1.7.3. Sù h× nh thµnh h¹tSù h× nh thµnh h¹tSù h× nh thµnh h¹tSù h× nh thµnh h¹t a.a.a.a. TiÕ n tr× nh kÕ t tinhTiÕ n tr× nh kÕ t tinhTiÕ n tr× nh kÕ t tinhTiÕ n tr× nh kÕ t tinh Ta thÊ y: tõ mçi mÇ m t¹ o nª n mét h¹ t, ç c h¹ t ph¸ t triÓ n tr−íc → to h¬n; h¹ t sau sÏ nhá h¬n → kÝ ch th−íc h¹ t ≠ (chª nh lÖ ch Ý t) b.b.b.b. H× nh d¹ng h¹tH× nh d¹ng h¹tH× nh d¹ng h¹tH× nh d¹ng h¹t H× nh d¹ ng h¹ t phô thuéc vµ o ph−¬ng thøc lµ m nguéi: - Nguéi ®Ò u theo mäi ph−¬ng → h¹ t cã d¹ ng ®a c¹ nh hay cÇ u (h× nh 1.25). - Nguéi nhanh theo hai ph−¬ng (tøc theo mét mÆ t) → h¹ t cã d¹ ng tÊ m, l¸ , phiÕ n nh− grafit trong gang x¸ m.

- do ç c mÇ m ®Þ nh h−íng ngÉ u nhiª n → h¹ t kh«ng ®ång h−íng, lÖ ch nhau mét ç ch ®¸ ng kÓ → vïng biª n h¹ t víi m¹ ng tinh thÓ bÞ x« lÖ ch.

H× nh 1.25. Qu¸ tr× nh t¹o vµ ph¸t triÓn mÇm theo thêi gian (çc h× nh a,b,c) vµ

kÕt thóc ë gi©y thø n (d).

20 - Nguéi nhanh theo mét ph−¬ng nµ o ®ã, h¹ t sÏ cã d¹ ng ®òa, cét hay h× nh trô . - D¹ ng tinh thÓ h× nh kim (®Ç u nhän) → chØ khi nhiÖ t luyÖ n. 1.7.4.1.7.4.1.7.4.1.7.4. Çc ph−¬ng ph¸p t¹o h¹t nhá khi ®ócÇc ph−¬ng ph¸p t¹o h¹t nhá khi ®ócÇc ph−¬ng ph¸p t¹o h¹t nhá khi ®ócÇc ph−¬ng ph¸p t¹o h¹t nhá khi ®óc H¹ t nhá → c¬ tÝ nh cao h¬n (bÒ n vµ dÎ o h¬n = ®é dai cao h¬n) → ? h¹ t nhá. a.a.a.a. Nguyª n lýNguyª n lýNguyª n lýNguyª n lý KÝ ch th−íc h¹ t còng phô thuéc vµ o t−¬ng quan cña hai qu¸ tr× nh: t¹ o mÇ m vµ ph¸ t triÓ n mÇ m. Sè mÇ m ®−îc t¹ o ra cµ ng nhiÒ u th× h¹ t cµ ng nhá, mÇ m lín lª n (ph¸ t triÓ n) cµ ng nhanh th× h¹ t cµ ng lín. KÝ ch th−íc h¹ t A phô thuéc vµ o tèc ®é sinh mÇ m

n vµ tèc ®é ph¸ t triÓ n v (mm/s) theo c«ng thøc thùc nghiÖ m: A = 1,1 4

3

nv

, ®Ó t¹ o

h¹ t nhá → t¨ ng n vµ gi¶ m v b.b.b.b. Çc ph−¬ng ph¸p lµm h¹t nhá khi ®ócÇc ph−¬ng ph¸p lµm h¹t nhá khi ®ócÇc ph−¬ng ph¸p lµm h¹t nhá khi ®ócÇc ph−¬ng ph¸p lµm h¹t nhá khi ®óc T¨ ng tèc ®é nguéi Khi t¨ ng ®é qu¸ nguéi ∆To, tèc ®é sinh mÇ m n vµ tèc ®é ph¸ t triÓ n dµ i cña mÇ m v ®Ò u t¨ ng (h× nh 1.26) . ∆T < ∆T1(~103 ®é/s): ∆T ↑ → c¶ n&v ®Ò u ↑ . ∆T1<∆T < ∆T2(~104-105 ®é/s): ∆T↑ → n↑, v ↓ → nano . ∆T > ∆T2: ∆T ↑ → v« ®Þ nh h× nh . §óc khu«n ç t → khu«n kim lo¹ i → h¹ t nhá BiÕ n tÝ nh: . T¹ o mÇ m ngo¹ i lai : 2 lo¹ i: - kim lo¹ i cã cïng kiÓ u m¹ ng hoÆ c gÇ n gièng nhau: FeSi, FeSiCa (gang), Ti (thÐ p) H× nh 1.26. ¶nh h−ëng cña ∆T ®Õn n vµ v - cho chÊ t t¹ o oxit, nitrit : Al2O3, AlN khi ®óc thÐ p . HÊ p phô : Na cho Silumin (AlSi) . CÇ u ho¸ graphit : Mg, Ce, §h T¸ c ®éng vË t lý: Rung, siª u © m → bÎ gÉ y tinh thÓ → h¹ t nhá §óc ly t© m → h¹ t nhá 1.7.5. CÊu t¹o tinh thÓ cña thái ®óc1.7.5. CÊu t¹o tinh thÓ cña thái ®óc1.7.5. CÊu t¹o tinh thÓ cña thái ®óc1.7.5. CÊu t¹o tinh thÓ cña thái ®óc a.a.a.a. Ba vïng tinh thÓ cña thái ®ócBa vïng tinh thÓ cña thái ®ócBa vïng tinh thÓ cña thái ®ócBa vïng tinh thÓ cña thái ®óc

∆T2 ∆T1 ∆T

n,v n

v

Ç c thái (thÐ p) ®óc th−êng cã tiÕ t diÖ n trßn hoÆ c vu«ng, chóng ®−îc ®óc trong khu«n kim lo¹ i, ®«i khi khu«n cßn ®−îc lµ m nguéi b» ng n−íc chóng th−êng cã cÊ u tróc 3 vïng ®iÓ n h× nh (h× nh 1.27):

H× nh 1.27. CÊ u tróc 3 vïng cña thái ®óc

21

Vá ngoµ i cïng lµ líp h¹ t nhá ®¼ ng trôc 1: do ∆T lín, mÇ m ngo¹ i lai nhiÒ u → h¹ t nhá mÞ n. Do thµ nh khu«n cã ®é nhÊ p nh« → ç c mÇ m ph¸ t triÓ n theo ç c ph−¬ng ngÉ u nhiª n c¾ t nhau, chÌ n Ð p nhau → h¹ t ph¸ t triÓ n ®Ò u theo mäi phÝ a. Vïng tiÕ p theo lµ líp h¹ t t−¬ng ®èi lín h× nh trô 2: vu«ng gãc víi thµ nh khu«n, do thµ nh khu«n míi b¾ t ®Ç u nãng lª n → ∆To ↓, h¹ t lín h¬n vµ ph¸ t triÓ n m¹ nh theo ph−¬ng ph¸ p tuyÕ n víi thµ nh khu«n lµ ph−¬ng truyÒ n nhiÖ t → h¹ t h× nh trô . Vïng ë gi÷a lµ vïng ç c h¹ t lín ®¼ ng trôc 3. Kim lo¹ i láng ë gi÷a kÕ t tinh sau cïng, thµ nh khu«n ®· nãng lª n nhiÒ u do ®ã: - ∆T ↓ → h¹ t lín, - nhiÖ t t¶ n ®Ò u theo mäi ph−¬ng → h¹ t ®¼ ng trôc. . Vïng ngoµ i cïng lu«n lu«n lµ líp vá máng, 2 vïng sau phô thuéc vµ o ®iÒ u kiÖ n lµ m nguéi khu«n: + nguéi m· nh liÖ t th× vïng 2 sÏ lÊ n ¸ t vïng 3, thË m chÝ mÊ t vïng 3 → xuyª n tinh → khã biÕ n d¹ ng dÎ o, kh«ng phï hîp víi thái ç n + nguéi chË m th× vïng 3 l¹ i lÊ n ¸ t vïng 2, thái trë nª n dÔ ç n h¬n. b.b.b.b. Çc khuyÕ t tËt cña vËt ®óc Çc khuyÕ t tËt cña vËt ®óc Çc khuyÕ t tËt cña vËt ®óc Çc khuyÕ t tËt cña vËt ®óc Rç co vµ lâm co: Do khi kÕ t tinh kim lo¹ i co l¹ i kh«ng ®−îc bï → co: rç co n» m ph© n t¸ n, r¶ i r¸ c gi÷a ç c nh¸ nh c© y trª n kh¾ p vË t ®óc ®−îc gäi lµ rç co→ gia c«ng ¸ p lùc ë nhiÖ t ®é cao th× chóng ®−îc hµ n kÝ n kh«ng ¶ nh h−ëng ®¸ ng kÓ ®Õ n c¬ tÝ nh. co tË p trung → lâm co th−êng n» m ë n¬i kÕ t tinh sau cïng: chç dµ y, phÝ a trª n. PhÇ n thái cã lâm co ph¶ i ®−îc c¾ t bá → tû lÖ sö dông chØ cßn kho¶ ng 85 ®Õ n 95%. §óc liª n tôc o cã lâm co §èi víi chi tiÕ t ®óc ph¶ i ®Ó phÇ n lâm co ë ®Ë u ngãt → c¾ t bá ®i. Rç khÝ

KhÝ hoµ tan tho¸ t ra kh«ng kÞ p → rç khÝ hay bät khÝ . Khi ç n kh«ng thÓ hµ n kÝ n ®−îc (líp «xyt ng¨ n c¶ n khuÕ ch t¸ n lµ m liÒ n chç bÑ p), g© y ra trãc vá hoÆ c nøt khi sö dông → khö khÝ tèt tr−íc khi rãt khu«n, sÊ y kh« khu«n ç t hoÆ c ®óc trong ch© n kh«ng. Thiª n tÝ ch (segregation)

Lµ sù kh«ng ®ång nhÊ t vÒ thµ nh phÇ n vµ tæ chøc cña s¶ n phÈ m ®óc, c¶ víi hîp kim (khi thµ nh phÇ n phøc t¹ p) vµ kim lo¹ i do tÝ ch tô t¹ p chÊ t. Cã nhiÒ u d¹ ng thiª n tÝ ch: theo träng l−îng, trong b¶ n th© n h¹ t, cña P, S trong thÐ p.

36

PhÇn II Hîp kim vµ biÕn ®æi tæ chøc

Ch−¬ng 3 Hîp kim vµ gi¶n ®å pha 3.1.3.1.3.1.3.1. CÊu tróc tinh thÓ cña hîp kimCÊu tróc tinh thÓ cña hîp kimCÊu tróc tinh thÓ cña hîp kimCÊu tróc tinh thÓ cña hîp kim 3.1.1.3.1.1.3.1.1.3.1.1. Kh¸i niÖ m vÒ hîp kimKh¸i niÖ m vÒ hîp kimKh¸i niÖ m vÒ hîp kimKh¸i niÖ m vÒ hîp kim a.a.a.a. §Þ nh nghÜ a§Þ nh nghÜ a§Þ nh nghÜ a§Þ nh nghÜ a Hîp kim lµ hçn hîp cña kim lo¹i víi mét hoÆc nhiÒ u kim lo¹i hoÆc ¸ kim kh¸c. La t«ng= hîp kim Cu + Zn → hîp kim ®¬n gi¶ n chØ gåm 2 nguyª n tè Gang: Fe+Mn+Si vµ C+P+S, nguyª n tè chÝ nh lµ Fe (kim lo¹ i) → hîp kim phøc t¹ p. Nguyª n tè kim lo¹ i chÝ nh (> 50%) ®−îc gäi lµ nÒ n hay nguyª n tè c¬ së . b.b.b.b. −u viÖ t cña hîp kimu viÖ t cña hîp kimu viÖ t cña hîp kimu viÖ t cña hîp kim so víi kim lo¹i so víi kim lo¹i so víi kim lo¹i so víi kim lo¹i Hîp kim: ®é bÒ n, ®é cøng, tÝ nh chèng mµ i mßn cao h¬n, tÝ nh c«ng nghÖ tèt h¬n: ®óc, c¾ t gät, nhiÖ t luyÖ n ®Ó ho¸ bÒ n tèt h¬n, rÎ h¬n. Kim lo¹ i nguyª n chÊ t: dÉ n nhiÖ t, dÉ n ®iÖ n tèt (d© y dÉ n, trang søc, ®iÖ n cùc Pt, Au) c.c.c.c. Mét sè kh¸i niÖ mMét sè kh¸i niÖ mMét sè kh¸i niÖ mMét sè kh¸i niÖ m • Pha: cïng cÊ u tróc, cïng tr¹ ng th¸ i, cïng kiÓ u vµ th«ng sè m¹ ng, ç c tÝ nh chÊ t c¬ - lý - hãa x¸ c ®Þ nh, ph© n ç ch nhau bëi mÆ t ph© n chia pha. • CÊ u tö lµ ç c phÇ n ®éc lË p cã khèi l−îng kh«ng ®æi, chóng t¹ o nª n ç c pha trong hîp kim. • HÖ lµ tË p hîp ç c pha, cã thÓ ë c© n b» ng hoÆ c kh«ng c© n b» ng. T¹ o thµ nh hçn hîp c¬ häc A + B KKKKhihihihi cã t−¬ng t¸c: cã t−¬ng t¸c: cã t−¬ng t¸c: cã t−¬ng t¸c: 2 tr−êng hîp x¶ y ra: - hßa tan thµ nh dung dÞ ch r¾ n, tæ chøc mét pha nh− kim lo¹ i nguyª n chÊ t (h× nh 3.2b) dung m«i - ph¶ n øng víi nhau thµ nh hîp chÊ t hãa häc, t¹ o thµ nh kiÓ u m¹ ng míi kh¸ c h¼ n. 3.1.2.3.1.2.3.1.2.3.1.2. Dung dÞ ch r¾nDung dÞ ch r¾nDung dÞ ch r¾nDung dÞ ch r¾n a. Kh¸i niÖ m a. Kh¸i niÖ m a. Kh¸i niÖ m a. Kh¸i niÖ m ---- ph©n lo¹i ph©n lo¹i ph©n lo¹i ph©n lo¹i §/n:§/n:§/n:§/n: lµ hîp kim trong ®ã 1 hay nhiÒ u nguyª n tè hoµ tan vµ o m¹ ng tinh thÓ cña kim lo¹ i chiÕ m ®a sè ®−îc gäi lµ nÒ n. Dung m«i chiÕ m ®a sè, nguyª n tè chiÕ m tû lÖ Ý t h¬n lµ chÊ t tan. §/®iÓ m:§/®iÓ m:§/®iÓ m:§/®iÓ m: kiÓ u m¹ ng cña dung m«i, nång ®é chÊ t tan cã thÓ thay ®æi trong mét ph¹ m vi mµ kh«ng lµ m mÊ t ®i sù ®ång nhÊ t ®ã. Dung dÞ ch r¾ n lµ cña B trong A: A(B), m¹ ng cña A.

• Tr¹ ng th¸ i kh«ng c© n b» ng (3) = kh«ng æn ®Þ nh: th−êng gÆ p: khi t«i→c¬ tÝ nh (bÒ n, cøng) cao h¬n, xu h−íng→(1&2) • Tr¹ ng th¸ i gi¶ æn ®Þ nh (2) muèn sang (1) ph¶ i th¾ ng ∆G • æn ®Þ nh (1). d.d.d.d. Ph©n lo¹i çc t−¬ng t¸cPh©n lo¹i çc t−¬ng t¸cPh©n lo¹i çc t−¬ng t¸cPh©n lo¹i çc t−¬ng t¸c ChÕ t¹ o hîp kim = nÊ u ch¶ y % x¸ c ®Þ nh råi lµ m nguéi. Tõ pha láng ®ång nhÊ t khi lµ m nguéi sÏ cã t−¬ng t¸ c t¹ o nª n ç c pha kh¸ c nhau.

∆G

1

3

2

H× nh 3.1. S¬ ®å ç c vÞ trÝ æn ®Þ nh (1), gi¶ æn ®Þ nh (2)

vµ kh«ng æn ®Þ nh (3)

37 Çc kiÓ u:Çc kiÓ u:Çc kiÓ u:Çc kiÓ u: thay thÕ vµ xen kÏ (h× nh 3.3) H× nh 3.3. S¬ ®å s¾p xÕp nguyªn tö hßa tan thay thÕ vµ xen kÏ vµo dung m«i cã m¹ng lËp ph−¬ng t©m mÆt, mÆt (100) b.b.b.b. Dung dÞ ch r¾n thay thÕDung dÞ ch r¾n thay thÕDung dÞ ch r¾n thay thÕDung dÞ ch r¾n thay thÕ

§/n:§/n:§/n:§/n: nguyª n tö chÊ t tan thay thÕ vÞ trÝ nguyª n tö dung m«i. §/kiÖ n:§/kiÖ n:§/kiÖ n:§/kiÖ n: sai kh¸ c dnguyª n tö kh«ng qu¸ 15%. TÝ nh chÊ t ho¸ lý t−¬ng tù nhau. Ph©n lo¹i:Ph©n lo¹i:Ph©n lo¹i:Ph©n lo¹i: theo giíi h¹ n h/tan gåm 2 lo¹ i: dd r¾ n hoµ tan cã h¹ n vµ dd r¾ n hoµ tan v« h¹ n

theo sù ph© n bè ng/tö chÊ t tan, cã 2 lo¹ i: dd r¾ n cã tr/tù vµ dd r¾ n o cã tr/tù GGGGiíi h¹n hßa tan lµ nång ®é chÊ t tan lín nhÊ t mµ vÉ n b¶ o tån ®−îc m¹ ng tinh thÓ . §iÒ u kiÖ n hoµ t§iÒ u kiÖ n hoµ t§iÒ u kiÖ n hoµ t§iÒ u kiÖ n hoµ tan v« h¹n:an v« h¹n:an v« h¹n:an v« h¹n: chØ cã thÓ (cã khi o) x¶ y ra khi tháa m· n c¶ 4 yÕ u tè sau:

H× nh 3.4. S¬ ®å thay thÕ ®Ó t¹o dung dÞch r¾n hßa tan v« h¹n gi÷a hai kim lo¹i A vµ B 1- cïng kiÓ u m¹ ng, 2-®−êng kÝ nh nguyª n tö kh¸ c nhau Ý t (< 8%) 3-tho¶ m· n giíi h¹ n nång ®é ®iÖ n tö: vÝ dô: m¹ ng lftm → Ce ≤ 1,36, lftk → Ce ≤ 1,48, 4-cã cïng ho¸ trÞ , tÝ nh © m ®iÖ n sai kh¸ c nhau Ý t. Ngoµ i ra, tÝ nh lý - hãa (®Æ c biÖ t lµ nhiÖ t ®é ch¶ y) gièng nhau → dÔ t¹ o thµ nh dung dÞ ch r¾ n hßa tan v« h¹ n. VÝ dô: Ag - Au (m¹ ng A1, ∆r = 0,20%, cïng nhãm IB), Cu - Ni (m¹ ng A1, ∆r = 2,70%, IB vµ VIII), Feα - Cr (m¹ ng A2, ∆r = 0,70%, VIB vµ VIII). DDDDung dÞ ch r¾n ung dÞ ch r¾n ung dÞ ch r¾n ung dÞ ch r¾n cãcãcãcã trËt tù trËt tù trËt tù trËt tù:::: ç c nguyª n tö chÊ t tan s¾ p xÕ p cã trË t tù trong m¹ ng tinh thÓ dung m«i, (®−îc nguéi rÊ t chË m trong kho¶ ng nO nhÊ t ®Þ nh). §a sè tr−êng hîp lµ kh«ng trË t tù. c.c.c.c. Dung dÞ ch r¾n xen kÏDung dÞ ch r¾n xen kÏDung dÞ ch r¾n xen kÏDung dÞ ch r¾n xen kÏ §/n:§/n:§/n:§/n: ç c nguyª n tö hßa tan n» m xen kÏ vµ o ç c lç hæng trong m¹ ng tinh thÓ dung m«i. §iÒ u kiÖ n:§iÒ u kiÖ n:§iÒ u kiÖ n:§iÒ u kiÖ n: b¸ n kÝ nh nguyª n tö chÊ t tan ph¶ i rÊ t nhá: N (0,071nm), C (0,077nm) vµ ®«i khi c¶ B (0,091nm) míi cã kh¶ n¨ ng xen kÏ vµ o ç c lç hæng gi÷a ç c nguyª n tö lín nh− Fe (0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm),... Lç hæng lín nhÊ t trong m¹ ng A1 lµ lo¹ i 8 mÆ t chØ b» ng 0,414dng/tö , ngoµ i H, o cã ¸ kim nµ o bá lät → ®È y ç c nguyª n tö chñ bao quanh gi· n ra, g© y ra x« lÖ ch m¹ nh m¹ ng (h× nh 3.5). . chØ cã dung dÞ ch r¾ n xen hßa tan cã h¹ n. H× nh 3.5. Sù x« lÖch m¹ng trong dd r¾n: a. hßa tan thay thÕ khi rht > rchñ, b. hßa tan xen kÏ rht> rlç hæng d.d.d.d. Çc ®Æc tÝ nh cña dung dÞ ch r¾nÇc ®Æc tÝ nh cña dung dÞ ch r¾nÇc ®Æc tÝ nh cña dung dÞ ch r¾nÇc ®Æc tÝ nh cña dung dÞ ch r¾n Cã kiÓ u m¹ ng tinh thÓ cña kim lo¹ i dung m«i → cã ®Æ c tr−ng c¬, lý , hãa tÝ nh cña kim lo¹ i nÒ n: 1) M¹ ng tinh thÓ , ®¬n gi¶ n vµ xÝ t chÆ t (A1, A2...) cña kim lo¹ i víi liª n kÕ t kim lo¹ i 2) C¬ tÝ nh gièng kim lo¹ i c¬ së:

thay

thÕ

xen kÏ

a-th

ay th

Õ

b-xen kÏ

ban

®Ç

u

38 . dÎ o, cã gi¶ m ®i 1 chót song vÉ n ®ñ cao, dÔ biÕ n d¹ ng dÎ o, ç biÖ t t¨ ng ®é dÎ o: Cu(Zn) víi 30%Zn cßn dÎ o h¬n c¶ Cu → chi tiÕ t dË p s© u, ®å d¸ t = lat«ng . t¨ ng ®é bÒ n, ®é cøng, kh¶ n¨ ng chÞ u t¶ i h¬n h¼ n kim lo¹ i nguyª n chÊ t . nång ®é chÊ t tan cµ ng lín → dÎ o cµ ng gi¶ m, bÒ n cµ ng t¨ ng. Qu¸ lín → g© y ra gißn, dÔ bÞ g· y, vì → chän nång ®é thÝ ch hîp. 3) DÉ n nhiÖ t, dÉ n ®iÖ n tèt nh−ng kÐ m h¬n kim lo¹ i nguyª n chÊ t, thay ®æi tÝ nh chèng ¨ n mßn. Dung dÞ ch r¾ n lµ pha c¬ b¶ n chiÕ m tíi 90% thË m chÝ 100% trong vË t liÖ u kÕ t cÊ u. 3.1.3.3.1.3.3.1.3.3.1.3. Pha trung gianPha trung gianPha trung gianPha trung gian Trª n gi¶ n ®å pha 2 phÝ a lµ dung dÞ ch r¾ n, ë gi÷a lµ ç c pha trung gian. a.a.a.a. B¶n chÊt vµ ph©n lo¹iB¶n chÊt vµ ph©n lo¹iB¶n chÊt vµ ph©n lo¹iB¶n chÊt vµ ph©n lo¹i §Æ c ®iÓ m: 1) Cã m¹ ng tinh thÓ phøc t¹ p vµ kh¸ c h¼ n víi nguyª n tè thµ nh phÇ n

2) Cã tû lÖ chÝ nh x¸ c gi÷a ç c nguyª n tè theo c«ng thøc hãa häc AmBn 3) TÝ nh chÊ t : kh¸ c h¼ n ç c nguyª n tè thµ nh phÇ n → gißn 4) Cã nhiÖ t ®é ch¶ y x¸ c ®Þ nh, khi t¹ o thµ nh táa nhiÖ t.

5) kh¸ c víi ç c hîp chÊ t hãa häc th«ng th−êng, ç c pha trung gian kh«ng hoµ n toµ n tu© n theo quy luË t hãa trÞ → kh«ng cã thµ nh phÇ n hãa häc chÝ nh x¸ c theo c«ng thøc, cã liª n kÕ t kim lo¹ i. Ç c pha trung gian trong hîp kim th−êng gÆ p: pha xen kÏ , pha ®iÖ n tö vµ pha Laves. b.b.b.b. Pha Pha Pha Pha xen kÏxen kÏxen kÏxen kÏ §/n:§/n:§/n:§/n: Lµ pha t¹ o nª n gi÷a ç c kim lo¹ i chuyÓ n tiÕ p (cã b¸ n kÝ nh nguyª n tö lín) víi ç c ¸ kim cã b¸ n kÝ nh nguyª n tö bÐ nh− C, N, H (vµ B): cacbit, nitrit, hy®rit (vµ borit). §/®iÓ m:§/®iÓ m:§/®iÓ m:§/®iÓ m: M¹ ng tinh thÓ cña pha xen kÏ ∈ t−¬ng quan kÝ ch th−íc nguyª n tö gi÷a ¸ kim (X) vµ kim lo¹ i (M):. khi rX / rM < 0,59 → mét trong ba kiÓ u m¹ ng lµ A1, A2, A3 (tuy kh«ng gi÷ l¹ i kiÓ u m¹ ng vèn cã nh−ng vÉ n mang ®Æ c ®iÓ m kim lo¹ i), ç c nguyª n tö ¸ kim xen kÏ vµ o ç c lç hæng trong m¹ ng, t¹ o nª n hîp chÊ t víi ç c c«ng thøc ®¬n gi¶ n nh− M4X, M2X. . khi rX / rM > 0,59 → m¹ ng tinh thÓ phøc t¹ p (®−îc gäi lµ pha xen kÏ víi m¹ ng phøc t¹ p) t−¬ng øng víi c«ng thøc M3X, M7X3, M23X6. TTTT/chÊt:/chÊt:/chÊt:/chÊt: NhiÖ t ®é ch¶ y rÊ t cao (th−êng > 2000 ÷ 3000oC), rÊ t cøng (HV > 2000 ÷ 5000) vµ gißn → hãa bÒ n, n© ng cao tÝ nh chèng mµ i mßn vµ chÞ u nhiÖ t cña hîp kim. H vµ N cã kÝ ch th−íc nguyª n tö nhá nª n rX / rM < 0,59, → Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N... cã m¹ ng ®¬n gi¶ n. C cã rX / rM>0,57 nª n t¹ o Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6,WC, TiC, Mo2C, VC → m¹ ng phøc t¹ p → t¨ ng ®é cøng vµ tÝ nh chèng mµ i mßn cña hîp kim. c.c.c.c. Pha ®iÖ n tö Pha ®iÖ n tö Pha ®iÖ n tö Pha ®iÖ n tö (Hum - Rothery) §/n:§/n:§/n:§/n: Lµ pha cã kiÓ u m¹ ng x¸ c ®Þ nh, t¹ o thµ nh víi nång ®é ®iÖ n tö N x¸ c ®Þ nh (sè ®iÖ n tö hãa trÞ /sè nguyª n tö): 3/2 (21/14), 21/13 vµ 7/4 (21/12), mçi tû lÖ øng víi mét cÊ u tróc m¹ ng phøc t¹ p nhÊ t ®Þ nh. Th−êng lµ hîp kim cña Cu, Ag, Au víi Zn, Sn, Cd. Víi Cu1+, Zn2+ ta cã:

Ce = 21/14 → pha β m¹ ng A1: CuZn, AgZn, AuZn (Ce=(1.1+1.2)/2=3/2) Ce = 21/13 → pha γ m¹ ng lf phøc t¹ p: Cu5Zn8, Ag5Sn8 (C

e=(5.1+8.2)13=21/13) Ce = 21/12 → pha ε, m¹ ng lgxc: CuZn3, AgZn3 (Ce=(1.1+3.2)/4=7/4=21/12) d.d.d.d. Pha LavesPha LavesPha LavesPha Laves §/n:§/n:§/n:§/n: Pha t¹ o bëi hai nguyª n tè A, B cã tû lÖ b¸ n kÝ nh nguyª n tö rA / rB = 1,2 (1,1 ÷ 1,6) víi c«ng thøc AB2 cã kiÓ u m¹ ng A3: MgZn2, MgNi2 hay A1 (MgCu2). Do gißn nª n chØ ®−îc dïng trong HKTG hoÆ c ç c pha ho¸ bÒ n.

39 3.2.3.2.3.2.3.2. Gi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu töGi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu töGi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu töGi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu tö §/n:§/n:§/n:§/n: G§P lµ gi¶ n ®å biÓ u thÞ sù biÕ n ®æi thµ nh phÇ n vµ tr¹ ng th¸ i pha ë c© n b» ng theo nhiÖ t ®é vµ thµ nh phÇ n cña hÖ d−íi ¸ p suÊ t kh«ng ®æi (1 at). Çch biÓ u diÔ n:Çch biÓ u diÔ n:Çch biÓ u diÔ n:Çch biÓ u diÔ n: §Æ c ®iÓ m: G§P chØ ®óng vµ phï hîp víi hîp kim ë tr¹ ng th¸ i c© n b» ng (nguéi rÊ t chË m hay ñ), C«ng dông:C«ng dông:C«ng dông:C«ng dông: x¸ c ®Þ nh cÊ u tróc cña hîp kim, x¸ c ®Þ nh no ch¶ y, chuyÓ n biÕ n pha → nÊ u luyÖ n vµ xö lý nhiÖ t, gia c«ng (biÕ n d¹ ng, ®óc, rÌ n, ç n, kÐ o,..), rÊ t quan träng. 3.2.1.3.2.1.3.2.1.3.2.1. Quy t¾c pha vµ øng dôngQuy t¾c pha vµ øng dôngQuy t¾c pha vµ øng dôngQuy t¾c pha vµ øng dông Quy t¾ c pha cña Gibbs: T= N-F+2 khi P=1at th× T=N-F+1 TTTT====0 0 0 0 → hÖ bÊ t biÕ n, c¶ % vµ no, lóc ®ã F = N + 1 (sè pha=sè cÊ u tö +1). VÝ dô kim lo¹ i nguyª n chÊ t (N = 1) khi nãng ch¶ y: T=1-2+1=0 → nhiÖ t ®é kh«ng ®æi. T=1:T=1:T=1:T=1: → VÝ dô, khi kÕ t tinh HK 2 nguyª n: (T = 2 - 2 + 1=1) kÕ t tinh hoÆ c nãng ch¶ y trong kho¶ ng nhiÖ t ®é hoÆ c %. TTTT = 2 = 2 = 2 = 2:::: hÖ cïng mét lóc cã thÓ thay ®æi c¶ hai yÕ u tè nhiÖ t ®é vµ thµ nh phÇ n §Æc ®iÓ m: §Æc ®iÓ m: §Æc ®iÓ m: §Æc ®iÓ m: T ≥ 0 → sè pha nhiÒ u nhÊ t cña hÖ (ë tr¹ ng th¸ i c© n b» ng!) Fmax = N + 1 → hÖ mét cÊ u tö Fmax = 2, hai cÊ u tö Fmax = 3, ba cÊ u tö Fmax = 4. 3.2.2. Quy t¾c ®ßn bÈy3.2.2. Quy t¾c ®ßn bÈy3.2.2. Quy t¾c ®ßn bÈy3.2.2. Quy t¾c ®ßn bÈy §/n:§/n:§/n:§/n: lµ quy t¾ c cho phÐ p x¸ c ®Þ nh tû lÖ cña ç c pha, ç c tæ chøc trª n G§P. BiÓ u thøc: BiÓ u thøc: BiÓ u thøc: BiÓ u thøc:

QA.XA=QB.XA Trong vïng 2 pha: ®iÓ m kh¶ o s¸ t cµ ng gÇ n pha nµ o th× tû lÖ pha Ê y cµ ng lín

βα

α

βα

β

+=β

+=α

XXX%

XXX

%

FA.XA=FB.XB FA=FB(XB/XA)

Mα.Xα=Mβ.Xβ 3.2.3.3.2.3.3.2.3.3.2.3. Gi¶n ®å lGi¶n ®å lGi¶n ®å lGi¶n ®å lo¹i Io¹i Io¹i Io¹i I §/n: §/n: §/n: §/n: Lµ G§P cña hÖ 2 cÊ u tö kh«ng cã bÊ t kú t−¬ng t¸ c nµ o víi nhau. M« t¶:M« t¶:M« t¶:M« t¶: AEB lµ ®−êng láng, CED (245oC) lµ ®−êng r¾ n, lµ nhiÖ t ®é ch¶ y (kÕ t tinh): B, A (h× nh 3.9a), ®iÓ n h× nh lµ hÖ Pb - Sb ë h× nh 3.9b. (Pb ch¶ y 327oC), (Sb ch¶ y- 631oC). kho¶ ng gi÷a hai ®−êng láng vµ ®−êng ®Æ c: kho¶ ng kÕ t tinh. a) b)

H× nh 3.9. D¹ng tæng qu¸t cña gi¶n ®å pha lo¹i I (a) vµ gi¶n ®å pha Pb - Sb (b).

Hîp kim 1: 60%Sb + 40%Pb. B¾ t ®Ç u ®«ng ®Æ c ë 1 (500oC), kÕ t thóc ®«ng ®Æ c ë 2 (245oC)

FA

FB XA XB

α β

T

%B →

M

Xα Xβ

L

L+B A+L

B+(A+B)

E A

B

A+B

A+ (A+B)

100%A 100%B %B →

nhiÖ

t L

L+Sb Pb+L

E 327

631

[Pb+

Sb]

Pb Sb %Sb →

nhiÖ

t

13

a’’ a a’

1 1’

60

245

Sb+[Pb+Sb]

37

b b’b’’

40

+ > 500oC → láng hoµ n toµ n L, < 245oC r¾ n hoµ n toµ n, trong kho¶ ng (500 ÷ 245oC) 2 pha (láng + r¾ n) = (L + Sb). Khi lµ m nguéi th× tinh thÓ B (Sb) t¹ o thµ nh cµ ng nhiÒ u. ¸p dông quy t¾c çnh tay ®ßnp dông quy t¾c çnh tay ®ßnp dông quy t¾c çnh tay ®ßnp dông quy t¾c çnh tay ®ßn:::: - t¹ i ®iÓ m a tû lÖ pha r¾ n %Sb= a’’a/a’’a’=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha láng %L=63,5% - t¹ i ®iÓ m b tû lÖ pha r¾ n %Sb= b’’b/b’’b’= (60-13)/(100-13)=54%, pha láng %L=46% ¸p dông quy t¾c pha:p dông quy t¾c pha:p dông quy t¾c pha:p dông quy t¾c pha: t¹ i ®iÓ m 1& a T=2-2+1= 1 ®«ng ®Æ c trong kho¶ ng no→cã thÓ thay ®æi trª n ®iÓ m 1 T=2-1+1=2 → thay ®æi c¶ % vµ no mµ pha láng (hÖ ) vÉ n b¶ o tån t¹ i ®iÓ m cïng tinh E T=2-3+1=0 → ®«ng ®Æ c cïng tinh th× no kh«ng ®æi gièng KL ng/chÊ t Ph¶ n øng cïng tinh: LE → (A + B) hay L13%Sb → (Pb + Sb). Hîp kim cã thµ nh phÇ n ë chÝ nh ®iÓ m E → hîp kim cïng tinh, cã nhiÖ t ®é ch¶ y thÊ p nhÊ t, Hîp kim < 13%Sb = HK tr−íc cïng tinh, HK>13%Sb →sau cïng tinh (tù kh¶ o s¸ t HKTCT) 3.2.4.3.2.4.3.2.4.3.2.4. Gi¶n ®å lo¹i IIGi¶n ®å lo¹i IIGi¶n ®å lo¹i IIGi¶n ®å lo¹i II §/n: lµ G§P cña hÖ 2 cÊ u tö hoµ tan v« h¹ n ë tr¹ ng th¸ i r¾ n vµ láng (h× nh 3.10) HÖ ®iÓ n h× nh Cu - Ni ë h× nh 3.10.a vµ hÖ Al2O3 - Cr2O3 ë h× nh 3.10b. S¬ ®å biÓu diÔn sù h×nh thµnh tæ chøc khi kÕt tinh ë çc nhiÖt ®é kh¸c nhau. a) b)

H× nh 3.10. Gi¶n ®å pha lo¹i II, hÖ Cu-Ni (a) vµ hÖ Al2O3 - Cr2O3 (b). 3.2.5.3.2.5.3.2.5.3.2.5. Gi¶n ®å lo¹i IIIGi¶n ®å lo¹i IIIGi¶n ®å lo¹i IIIGi¶n ®å lo¹i III §/n:§/n:§/n:§/n: Lµ gi¶ n ®å pha cña hÖ hai cÊ u tö , hßa tan cã h¹ n ë tr¹ ng th¸ i r¾ n vµ cã t¹ o thµ nh cïng tinh, h× nh 3.12. HÖ ®iÓ n h× nh lµ Pb-Sn. D¹ ng kh¸ gièng víi gi¶ n ®å lo¹ i I, kh¸ c nhau ë ®© y lµ + T−¬ng tù nh− gi¶ n ®å lo¹ i I, nhiÖ t ®é ch¶ y cña HK gi¶ m khi t¨ ng cÊ u tö thø hai.

ç c dung dÞ ch r¾ n cã h¹ n α vµ β thay thÕ cho ç c cÊ u tö A vµ B. AEB - ®−êng láng, ACEDB- ®−êng r¾ n. H× nh 3.12. Gi¶n ®å lo¹i III, hÖ Pb - Sn vµ s¬ ®å h×nh thµnh tæ chøc khi kÕt tinh ë tr¹ng th¸i c©n b»ng cña hîp kim

F

G

A

B 245

200

19,2 61,9 97,5 183

100

13,3

300

20 40 60 80 Sn Pb %Sn

E a a’

2

3

4

1

2’

C D α

α+Sn

18,5 57

nhiÖ

t ®é

, o C

L L+40%S1

α13,3%Sn L40%Sn 2

3 4

%Cr2O3 Cr2O3 Al2O3 20 40 80 60

2000

2100

2200 nh

iÖt ®

é,

L

L+α

α

2266

2045

%Ni Ni Cu 20 40 80 60

1000

1200

1400

nhiÖ

t

1455

1083

®−êng

®−êng

L

α

L+α

1

2 2’’

0

1’

41

+ §iÓ m cïng tinh E víi ph¶ n øng cïng tinh : LE → [α+β] hay L61,9 → [α19,2+ β97,5] + HK < 61,9%Sn → tr−íc cïng tinh (tr¸ i E) vµ HK> 61,9%Sn → HK sau cïng tinh (ph¶ i E) + CF vµ DG lµ giíi h¹ n hßa tan. §é hßa tan max ë nhiÖ t ®é cïng tinh 183oC + Cã thÓ chia ç c hîp kim cña hÖ thµ nh ba nhãm sau. • Nhãm chøa rÊ t Ý t cÊ u tö thø hai (bª n tr¸ i F, bª n ph¶ i G), sau khi kÕ t tinh xong chØ cã mét dung dÞ ch r¾ n α hoÆ c β, cã ®Æ c tÝ nh nh− gi¶ n ®å lo¹ i II. • Nhãm cã thµ nh phÇ n n» m trong kho¶ ng (tõ F®Õ n C vµ D ®Õ n G), no< CF vµ DG →βII&αII. • Nhãm giµ u nguyª n tè HK (tõ C ®Õ n D), sau khi tiÕ t ra dung dÞ ch r¾ n → (αC hay βD), pha láng cßn l¹ i → ® iÓ m cïng tinh E. Kh¶ o s¸ t HK 40%Sn cña hÖ Pb - Sn (h× nh 3.12). - Trª n 245oC HK ch¶ y láng hoµ n toµ n, ë 245oC hîp kim b¾ t ®Ç u kÕ t tinh ra α2’ víi 13,3%Sn, nguéi tiÕ p tôc dung dÞ ch r¾ n A→C, pha láng cßn l¹ i A→E chiÒ u t¨ ng lª n cña hµ m l−îng Sn. ¸p dông quy t¾ c ®ßn bÈ y: ë 200oC pha α chøa 18,5%Sn (a’) vµ L chøa 57%Sn (a’’), %r¾ n= (57-40)/(57-18,5) = 44,2%, %L = 55,8% ë nhiÖ t ®é cïng tinh (LE → [αC + βD]), %L=(61,9-40)/(61,9-19,2)=51,3%, vµ %α=48,7% trong cïng tinh %α=(97,5-61,9)/(97,5-19,2)= 45,5% vµ %β=54,5%

§/®iÓ m: §/®iÓ m: §/®iÓ m: §/®iÓ m: hai lo¹ i dung dÞ ch r¾ n α: lo¹ i kÕ t tinh ®Ç u tiª n ë trª n 183oC vµ lo¹ i cïng kÕ t tinh víi β ë nhiÖ t ®é kh«ng ®æi (183oC) vµ ®−îc gäi lµ α cïng tinh (bá qua αII). H× nh 3.13 lµ tæ chøc tÕ vi cña hai hîp kim hÖ nµ y.

3.2.6.3.2.6.3.2.6.3.2.6. Gi¶n ®å lo¹i IVGi¶n ®å lo¹i IVGi¶n ®å lo¹i IVGi¶n ®å lo¹i IV §/n: Lµ G§P hai cÊ u tö cã t¹ o thµ nh hîp chÊ t hãa häc AmBn,

Trª n ®© y lµ bèn gi¶ n ®å pha hai cÊ u tö c¬ b¶ n nhÊ t, thùc tÕ cßn cã nhiÒ u kiÓ u gi¶ n ®å pha phøc t¹ p víi ç c ph¶ n øng kh¸ c.

3.2.7.3.2.7.3.2.7.3.2.7. Çc gi¶nÇc gi¶nÇc gi¶nÇc gi¶n ®å pha víi çc ph¶n øng kh¸c ®å pha víi çc ph¶n øng kh¸c ®å pha víi çc ph¶n øng kh¸c ®å pha víi çc ph¶n øng kh¸c GGGG§P víi çc p§P víi çc p§P víi çc p§P víi çc ph¶n øng bao tinh (peritectic) (peritectic) (peritectic) (peritectic)::::L+R1→R2.VÝ dô G§P Fe-C→L0,5+ δ0,1 → γ0,16

D¹ ng ®iÓ n h× nh lµ hÖ HK Mg-Ca (h× nh 3.14) víi hîp chÊ t ho¸ häc æn ®Þ nh Mg4Ca3, = tæng cña hai gi¶ n ®å lo¹ i I: Mg - Mg4Ca3 vµ Mg4Ca3-Ca. §−îc kh¶ o s¸ t nh− 2 gi¶ n ®å ®éc lË p.

H× nh 3.14. Gi¶n ®å lo¹i IV, hÖ Mg-Ca %Ca

Ca Mg 20 40 80 60

400

600

800

nhiÖ

t ®é

,

55,3

L

L+Ca

Mg4Ca3+Ca Mg+Mg4Ca3

L+Mg4Ca3

Mg4Ca3+L Mg+L

516 445

H× nh 3.13. Tæ chøc tÕ vi cña hîp kim Pb - Sb: a. cïng tinh [α+β], mµu tèi lµ α giµu Pb, b. tr−íc cïng tinh víi 40%Sn [α ®éc lËp lµ çc h¹t lín mµu ®en bÞ bao bäc bëi cïng tinh [α+β]

42 §/®iÓ m:§/®iÓ m:§/®iÓ m:§/®iÓ m: r¾ n míi R2 n» m gi÷a Lbt& R1 trª n G§P, p/ø bao tinh kh«ng x¶ y ra hoµ n toµ n, v× R2 t¹ o thµ nh bao bäc lÊ y R1 t¹ o nª n líp mµ ng ng¨ n ç ch kh«ng cho ph¶ n øng tiÕ p tôc. G§P cã ph¶n øng cïng tÝ ch (eutectoid) (eutectoid) (eutectoid) (eutectoid):::: R → [R1+R2]

§/®iÓ m:§/®iÓ m:§/®iÓ m:§/®iÓ m: kh¸ c víi ph¶ n øng cïng tinh, cïng tÝ ch lµ pha r¾ n → 2 pha r¾ n. VÝ dô: G§P Fe - C: Feγ(C)0,8 → [Feα + Fe3C] (sÏ kh¶ o s¸ t sau). Sù tiÕ t pha khái dung dÞ ch r¾ n TiÕ t pha βII & αII (h× nh 3.12) lµ ç c phÇ n tö nhá mÞ n, ph© n t¸ n, ph© n bè ®Ò u trong nÒ n pha mÑ → ho¸ bÒ n → hãa bÒ n tiÕ t pha.

3.2.8.3.2.8.3.2.8.3.2.8. Quan hÖ gi÷a d¹ng gi¶n ®å pha vµ tÝ nh chÊt cña hîp kimQuan hÖ gi÷a d¹ng gi¶n ®å pha vµ tÝ nh chÊt cña hîp kimQuan hÖ gi÷a d¹ng gi¶n ®å pha vµ tÝ nh chÊt cña hîp kimQuan hÖ gi÷a d¹ng gi¶n ®å pha vµ tÝ nh chÊt cña hîp kim a. a. a. a. TÝ nh chÊt çc pha thµnh phÇnTÝ nh chÊt çc pha thµnh phÇnTÝ nh chÊt çc pha thµnh phÇnTÝ nh chÊt çc pha thµnh phÇn Hîp kim cã tæ chøc mét pha → tÝ nh chÊ t cña hîp kim lµ tÝ nh chÊ t cña pha ®ã HK cã tæ chøc bao gåm hçn hîp cña nhiÒ u pha th× tÝ nh chÊ t cña hîp kim lµ sù tæng hîp hay kÕ t hîp tÝ nh chÊ t cña ç c pha thµ nh phÇ n (kh«ng ph¶ i lµ céng ®¬n thuÇ n), gåm ç c tr−êng hîp: HK lµ DDR (dung dÞ ch r¾ n) + ç c pha trung gian: Quan hÖ tÝ nh chÊ t - nång ®é th«ng th−êng ®−îc x¸ c ®Þ nh b» ng thùc nghiÖ m. §/®iÓ m tÝ nh chÊt vµ sù h× nh thµnh:§/®iÓ m tÝ nh chÊt vµ sù h× nh thµnh:§/®iÓ m tÝ nh chÊt vµ sù h× nh thµnh:§/®iÓ m tÝ nh chÊt vµ sù h× nh thµnh: DDDDung dÞ ch r¾nung dÞ ch r¾nung dÞ ch r¾nung dÞ ch r¾n (tÝ nh chÊ t gÇ n gièng víi KL dung m«i), th−êng rÊ t dÎ o, dai vµ mÒ m, Pha trung gian Pha trung gian Pha trung gian Pha trung gian : : : : tÝ nh chÊ t kh¸ c h¼ n víi ç c cÊ u tö nguyª n chÊ t: cøng hoÆ c rÊ t cøng, gißn. PPPPha trung gian chØ xuÊt hiÖ n ha trung gian chØ xuÊt hiÖ n ha trung gian chØ xuÊt hiÖ n ha trung gian chØ xuÊt hiÖ n khi ®−a cÊ u tö thø hai vµ o víi l−îng v−ît qu¸ giíi h¹ n hßa tan. b.b.b.b. TÝ nh chÊt cña hçn hîp çc phaTÝ nh chÊt cña hçn hîp çc phaTÝ nh chÊt cña hçn hîp çc phaTÝ nh chÊt cña hçn hîp çc pha: Quan hÖ tuyÕ n tÝ nh:: Quan hÖ tuyÕ n tÝ nh:: Quan hÖ tuyÕ n tÝ nh:: Quan hÖ tuyÕ n tÝ nh: h× nh 3.16, ®¬n gi¶ n nhÊ t

TÝ nh chÊ t cña hçn hîp : ∑=Σ

1

niiXTT , trong ®ã Ti vµ Xi lµ tÝ nh chÊ t vµ tû lÖ cña pha i, ®èi

víi hîp kim 2 pha: PHK = T1X1 + T2.X2 hay PHK = T1 + X2.(T2 - T1). Víi Xi ∈ G§P (h× nh 3.16)

H× nh 3.16. TÝ nh chÊt cña hîp kim vµ gi¶n ®å pha - quan hÖ tuyÕn tÝ nh q/hÖ tuyÕ n tÝ nh chØ ®óng khi cïng cì h¹ t vµ ç c pha ph© n bè ®Ò u ®Æ n.

%B → B A

nhiÖ

t ®é

, PΣ

L L+B A+L

PΣ

A+B

%B → AmBn A

nhiÖ

t ®é

, PΣ

L α+L

PΣ

L+AmBn

α

α+AmBn

%B → B A

nhiÖ

t ®é

, PΣ

L

L+α

PΣ α PA

PB

%B → B A

nhiÖ

t ®é

, PΣ

L α+L

PΣ

L+β

α

β

α+β

Pβ

Pα PA PB

Pα PAmBn

43 Quan hÖ phi tuyÕ n:Quan hÖ phi tuyÕ n:Quan hÖ phi tuyÕ n:Quan hÖ phi tuyÕ n:. Trong tr−êng hîp h¹ t nhá ®i hoÆ c to lª n, tÝ nh chÊ t ®¹ t ®−îc sÏ thay ®æi tuú theo tr−êng hîp: h¹ t nhá di → ®é dai t¨ ng = bÒ n + dÎ o t¨ ng ChÝ nh v× thÕ mµ tÝ nh chÊ t cña hîp kim cã thÓ kh«ng cßn tu© n theo quan hÖ tuyÕ n tÝ nh nhÊ t lµ t¹ i ®iÓ m cïng tinh, cïng tÝ ch vµ l© n cË n (h× nh 3.17). H× nh 3.17. Quan hÖ phi tuyÕ n gi÷a tÝ nh chÊ t vµ G§P

3.3.3.3.3.3.3.3. Gi¶n ®å pha Fe Gi¶n ®å pha Fe Gi¶n ®å pha Fe Gi¶n ®å pha Fe ---- C (Fe C (Fe C (Fe C (Fe ---- Fe Fe Fe Fe3333C)C)C)C) Gi¶ n ®å pha Fe - C (chØ xÐ t hÖ Fe - Fe3C) kh¸ phøc t¹ p, rÊ t ®iÓ n h× nh ®Ó minh häa ç c t−¬ng t¸ c th−êng gÆ p vµ ®−îc sö dông rÊ t nhiÒ u trong thùc tÕ . Ngoµ i ra cßn cã gi¶ n ®å Fe - grafit lµ hÖ c© n b» ng æn chñ yÕ u lµ dïng trong gang. 3.3.1.3.3.1.3.3.1.3.3.1. T−¬ng t¸c gi÷a Fe vµ CT−¬ng t¸c gi÷a Fe vµ CT−¬ng t¸c gi÷a Fe vµ CT−¬ng t¸c gi÷a Fe vµ C Fe,Fe,Fe,Fe, kh¸ dÎ o (dÔ biÕ n d¹ ng nguéi), dai, tuy bÒ n, cøng h¬n Al, Cu nhiÒ u song vÉ n cßn rÊ t thÊ p so víi yª u cÇ u sö dông. Khi ®−a C vµ o Fe gi÷a → hãa bÒ n, rÎ h¬n → HK Fe-C trë nª n th«ng dông a.a.a.a. Sù hßa tan cña Sù hßa tan cña Sù hßa tan cña Sù hßa tan cña CCCC vµo vµo vµo vµo FeFeFeFe T¹o dung dÞ ch r¾n xen kÏ :T¹o dung dÞ ch r¾n xen kÏ :T¹o dung dÞ ch r¾n xen kÏ :T¹o dung dÞ ch r¾n xen kÏ : b¸ n kÝ nh nguyª n tö rC = 0,077nm, rFe = 0,1241nm) → C chØ cã thÓ hßa tan cã h¹ n vµ o Fe ë d¹ ng dung dÞ ch r¾ n xen kÏ . Fe cã 2 kiÓ u m¹ ng tinh thÓ : lftk A2 (no < 911oC - Feα vµ 1392 ÷ 1539oC - Feδ) vµ lftm A1 (911 ÷ 1392oC - Feγ), kh¶ n¨ ng hßa tan cacbon vµ o ç c pha Fe kh¸ c nhau: FeFeFeFeαααα vµ Fe vµ Fe vµ Fe vµ Feδδδδ víi m víi m víi m víi m¹ng ¹ng ¹ng ¹ng A2A2A2A2 tuy mË t ®é xÕ p thÊ p, cã nhiÒ u lç hæng, song mçi lç hæng l¹ i cã kÝ ch th−íc qu¸ nhá (lç t¸ m mÆ t cã r = 0,02, lç bèn mÆ t lín h¬n cã r = 0,036), lín nhÊ t còng chØ b» ng 50% kÝ ch th−íc cña nguyª n tö s¾ t → Feα chØ hoµ tan ®−îc ≤0,02%C vµ Feδ ≤0,1%C. FeFeFeFeαααα v v v vµ Feµ Feµ Feµ Feδδδδ, Fe, Fe, Fe, Feγγγγ víi m¹ng A1 víi m¹ng A1 víi m¹ng A1 víi m¹ng A1:::: tuy cã mË t ®é xÕ p cao h¬n, nh−ng lç hæng l¹ i cã kÝ ch th−íc lín h¬n (lç bèn mÆ t r = 0,028nm, lç t¸ m mÆ t r = 0,051nm), vÉ n cßn h¬i nhá nh−ng nhê ç c nguyª n tö s¾ t cã thÓ gi· n ra → Feγ hßa tan ®−îc cacbon ≤2,14%C. b.b.b.b. T−¬ng t¸c hãa häc T−¬ng t¸c hãa häc T−¬ng t¸c hãa häc T−¬ng t¸c hãa häc gi÷a Fe vµ Cgi÷a Fe vµ Cgi÷a Fe vµ Cgi÷a Fe vµ C Austenit (γ) lµ DDR cña C trong Feγ, m¹ ng A1, g/h¹ n hoµ tan: 727oC -0,8%C, 1147oC-2,14%C Ferit (α) lµ DDR cña C trong Feα, m¹ ng A2, giíi h¹ n hoµ tan: 20oC-0,006%C, 727oC-0,8%C Fe3C lµ pha xen kÏ , cã kiÓ u m¹ ng phøc t¹ p, cã thµ nh phÇ n 6,67%C + 93,33%Fe. 3.3.2.3.3.2.3.3.2.3.3.2. Gi¶n ®å pha Fe Gi¶n ®å pha Fe Gi¶n ®å pha Fe Gi¶n ®å pha Fe ---- Fe Fe Fe Fe3333C vµ çc tæ chøcC vµ çc tæ chøcC vµ çc tæ chøcC vµ çc tæ chøc a.a.a.a. Gi¶n ®å pha Fe Gi¶n ®å pha Fe Gi¶n ®å pha Fe Gi¶n ®å pha Fe ---- Fe Fe Fe Fe3333C C C C H× nh 3.18 víi ç c ký hiÖ u ç c täa ®é (no, oC - %C) nh− sau: Mét sè ®−êng cã ý nghÜ a thùc tÕ rÊt quan träng:Mét sè ®−êng cã ý nghÜ a thùc tÕ rÊt quan träng:Mét sè ®−êng cã ý nghÜ a thùc tÕ rÊt quan träng:Mét sè ®−êng cã ý nghÜ a thùc tÕ rÊt quan träng: - ABCD lµ ®−êng láng ®Ó x¸ c ®Þ nh nhiÖ t ®é ch¶ y → ®óc - AHJECF lµ ®−êng r¾ n → kÕ t tinh hoµ n toµ n → ®óc. - PSK (727oC) lµ ®−êng cïng tÝ ch → nhiÖ t luyÖ n - ES - giíi h¹ n hßa tan cacbon trong Feγ → ho¸ nhiÖ t luyÖ n, nhiÖ t luyÖ n.

%B → B A

nhiÖ

t ®é

, PΣ

L α+L

PΣ

L+β

α

β

α+β Pβ

Pα

44

- PQ - giíi h¹ n hßa tan cacbon trong Feα → nhiÖ t luyÖ n kÐ m quan trong h¬n A (1539 - 0) B (1499 - 0,5) C (1147 - 4,3) H (1499 - 0,10) P (727 - 0,02) Q (0 - 0,006) S (727 - 0,80) D (~1250 - 6,67) E (1147 - 2,14) K (727 - 6,67) G (911 - 0) F (1147 - 6,67) J (1499 - 0,16) N (1392 - 0) H× nh 3.18. Gi¶n ®å pha Fe - C (Fe - Fe3C) b. Çc chuyÓ n biÕ n khi lµm nguéi chËmb. Çc chuyÓ n biÕ n khi lµm nguéi chËmb. Çc chuyÓ n biÕ n khi lµm nguéi chËmb. Çc chuyÓ n biÕ n khi lµm nguéi chËm - ChuyÓ n biÕ n bao tinh x¶ y ra ë 1499oC: δH + LB → γJ hay δ0,10+ L0,50 → γ0,16 (3.1) - ChuyÓ n biÕ n cïng tinh x¶ y ra ë 1147oC: LC→ (γE + Xª ) hay L4,3 → (γ2,14+ Xª ) (3.2) - ChuyÓ n biÕ n cïng tÝ ch x¶ y ra ë 727oC: γS → [αP + Xª ] hay γ0,8 → [α0,02+ Xª ] (3.3) - Sù tiÕ t pha Fe3C d− ra khái dung dÞ ch r¾ n cña cacbon: γ, no< ES →Xª II vµ α, no< PQ →Xª III. c.c.c.c. Çc tæ chøc mét phaÇc tæ chøc mét phaÇc tæ chøc mét phaÇc tæ chøc mét pha FeritFeritFeritFerit (αααα, F, F, F, F), ®· nª u ë trª n, Ferit lµ pha tån t¹ i ë nhiÖ t ®é th−êng, tû lÖ cao nhÊ t (tíi 90%), quan träng ®ãi víi c¬ tÝ nh cña hîp kim Fe - C. Tæ chøc tÕ vi cña ferit (xem h× nh 3.22) cã d¹ ng ç c h¹ t s¸ ng, ®a c¹ nh. Austenit Austenit Austenit Austenit [γγγγ, AAAA, FeFeFeFeγγγγ(C)(C)(C)(C)], ®· nª u trª n, kh¸ c víi F, γγγγ kh«ng cã tÝ nh s¾ t tõ , chØ tån t¹ i ë nhiÖ t ®é cao (> 727oC), chØ tån t¹ i ë nhiÖ t ®é cao hoÆ c TKG austenit, Γ13,… nh−ng l¹ i cã vai trß quyÕ t ®Þ nh trong biÕ n d¹ ng nãng vµ nhiÖ t luyÖ n. TÝ nh chÊ t cña γγγγ: : : : cã tÝ nh dÎ o rÊ t cao (m¹ ng A1). Nhê γγγγ cã tÝ nh dÎ o cao cã tÝ nh dÎ o cao cã tÝ nh dÎ o cao cã tÝ nh dÎ o cao →→→→ thÓ tiÕ n hµ nh biÕ n d¹ ng nãng mäi hîp kim Fe - C víi C < 2,14% Lµ m nguéi austenit víi tèc ®é ≠ → tæ chøc ≠ → c¬ tÝ nh ≠: nguéi chË m → P+F mÒ m, nguéi nhanh → mactenxit cøng. Tæ chøc tÕ vi cña γγγγ gåm ç c h¹ t s¸ ng, cã thÓ víi mµ u ®Ë m nh¹ t kh¸ c nhau ®«i chót, cã ç c ®−êng song tinh. Xª mXª mXª mXª mentitentitentitentit (XXXXªªªª , FeFeFeFe3333CCCC): lµ pha xen kÏ víi kiÓ u m¹ ng phøc t¹ p cã c«ng thøc Fe3C vµ thµ nh phÇ n 6,67%C, cøng vµ gißn, cïng víi ferit nã t¹ o nª n ç c tæ chøc kh¸ c nhau cña hîp kim Fe - C. Ng−êi ta ph© n biÖ t 4 lo¹ i Xª : - XeI tiÕ t ra tõ pha láng khi lµ m nguéi HK > 4,3%C. Xª I cã d¹ ng th¼ ng, th« to (h× nh 3.24b) ®«i khi cã thÓ thÊ y ®−îc b» ng m¾ t th−êng.

γ

γ+L

L

E C

P α

G

J

B A H

Q

δ

F+P pe

clit

lª®

ªbu

ri

P+Xª IP+Xª II+Lª Lª + Xª I

727

1147

A3

Acm

L+Xª

Fe Fe3C 0,8 2,14 4,3

910

1200

nhiÖ

t ®é

, o C

%C →

1 2 3 4 5 6

500

D

F

K γ+Xª II

γ+Xª II+Lª Lª + Xª I S

45

- XeII ®−îc t¹ o thµ nh lµ m nguéi γ theo ®−êng ES HK cã 0,80<%C< 2,14, D¹ ng l−íi bao quanh h¹ t γγγγ (peclit) h× nh 3.23, l−íi liª n tôc lµ m gi¶ m m¹ nh tÝ nh dÎ o vµ dai cña hîp kim, l−íi r¸ ch t¨ ng cøng vµ chÞ u mµ i mßn tèt. - XeIII ®−îc t¹ o thµ nh khi lµ m nguéi F d−íi ®−êng PQ, qu¸ nhá th−êng ®−îc bá qua. - Xª cïng tÝ ch ®−îc t¹ o thµ nh do chuyÓ n biÕ n cïng tÝ ch → peclit, rÊ t quan träng, xÐ t sau. Grafit Grafit Grafit Grafit chØ ®−îc t¹ o thµ nh trong gang v× cã Si, kh¶ o s¸ t trong gang sau nµ y. d.d.d.d. Çc tæ chøc hai phaÇc tæ chøc hai phaÇc tæ chøc hai phaÇc tæ chøc hai pha PeclitPeclitPeclitPeclit (cã thÓ ký hiÖ u b» ng PPPP, [Fe[Fe[Fe[Feαααα + Fe + Fe + Fe + Fe3333C]C]C]C]). §/n: lµ hçn hîp cïng tÝ ch cña F vµ Xª ®−îc t¹ o thµ nh tõ ph¶ n øng cïng tÝ ch (3.3). §/®iÓ m: Trong P cã 88% F vµ 12% Xª ph© n bè ®Ò u → kÕ t hîp dÎ o víi pha cøng → bÒ n cao, cøng nh−ng còng ®ñ dÎ o, dai lµ vË t liÖ u kÕ t cÊ u vµ c«ng cô tèt, gåm: P tÊ m vµ peclit h¹ t. Peclit tÊm (h× nh 3.21a): th−êng gÆ p h¬n, F & Xª ®Ò u ë d¹ ng tÊ m n» m xen kÏ nhau. Peclit h¹t (h× nh 3.21b): Ý t gÆ p h¬n, Xª thu gän l¹ i thµ nh d¹ ng h¹ t n» m ph© n bè ®Ò u trª n nÒ n F. So víi peclit tÊ m, peclit h¹ t cã ®é bÒ n, ®é cøng thÊ p h¬n, ®é dÎ o, ®é dai cao h¬n ®«i chót. Peclit h¹ t th−êng ®−îc t¹ o thµ nh khi gi÷ nhiÖ t l© u ë (600 ÷ 700oC). Lª ®ª burit Lª ®ª burit Lª ®ª burit Lª ®ª burit (Lª hay [[[[P + XeP + XeP + XeP + Xe]) trª n 727oC lµ [γ+Xª ] d−íi 727oC lµ [P+Xª ] H× nh 3.21: Lª = hçn hîp cña peclit tÊ m (ç c h¹ t tèi nhá) trª n nÒ n xª mentit s¸ ng. Lª ®ª burit cøng vµ gißn v× tû lÖ Xª cao (%Xª =(4,3-0,8)/(6,67-0,8)=59,6%) vµ chØ cã trong gang tr¾ ng. 3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3. Ph©n lo¹iPh©n lo¹iPh©n lo¹iPh©n lo¹i a.a.a.a. Kh¸i niÖ m Kh¸i niÖ m Kh¸i niÖ m Kh¸i niÖ m chung vÒ thÐ p, gangchung vÒ thÐ p, gangchung vÒ thÐ p, gangchung vÒ thÐ p, gang ThÐ p vµ gang ®Ò u lµ hîp kim Fe-C, trong ®ã: < 2,14%C lµ thÐ p, ≥ 2,14%C lµ gang. §/®iÓ m: tÊ t c¶ ç c thÐ p khi ®−îc nung nãng trª n ®−êng GSE t−¬ng øng ®Ò u cã 1 pha γ TÝ nh ®óc cña thÐ p lµ thÊ p (no ch¶ y cao, co nhiÒ u), Ý t ®−îc sö dông ®Ó chÕ t¹ o vË t ®óc. Gang kh«ng thÓ nung nãng ®Ó cã tæ chøc mét pha γ mµ bao giê còng cßn Xª (hay grafit) → kh«ng biÕ n d¹ ng nguéi lÉ n nãng ®−îc (kÓ c¶ lo¹ i ®−îc gäi lµ gang rÌ n), tÝ nh ®óc tèt. b. Çc lo¹i thÐ p, gang theo gi¶n ®å pha Fe b. Çc lo¹i thÐ p, gang theo gi¶n ®å pha Fe b. Çc lo¹i thÐ p, gang theo gi¶n ®å pha Fe b. Çc lo¹i thÐ p, gang theo gi¶n ®å pha Fe ---- C C C C ThÐ p C: ThÐ p C: ThÐ p C: ThÐ p C: lo¹ i chØ chøa C vµ 1 l−îng kh«ng ®¸ ng kÓ ç c nguyª n tè kh¸ c, gåm 3 lo¹ i: - ThÐ p tr−íc cïng tÝ ch: %C <0,8%, bª n tr¸ i ®iÓ m S, tæ chøc F (s¸ ng) + P (tèi) (h× nh 3.22). PhÇn lín thÐ p th−êng dïng lµ lo¹i nµy mµ tËp trung ë lo¹i ≤ 0,20%C råi tiÕ p ®Õ n 0,30 ÷ 0,40%C. Khi %C ↑→ %P ↑, → F ↓ - ThÐ p cïng tÝ ch: thÐ p chøa 0,80%C → tæ chøc peclit. - ThÐ p sau cïng tÝ ch: víi thµ nh phÇ n > 0,80%C (th−êng chØ tíi 1,50%, ç biÖ t cã thÓ tíi 2.0 ÷ 2,2%), tæ chøc P+Xª II (h× nh 3.23).

H× nh 3.21. Tæ chøc tÕ vi cña:

a) Pec lit tÊ m b) Peclit h¹ t c) Lª ®ª burit

b) a) c)

46 GangGangGangGang:::: t−¬ng øng víi G§P Fe-C (Fe-Fe3C) lµ gang tr¾ ng, Ý t dïng v× qu¸ cøng, gißn, kh«ng thÓ gia c«ng c¾ t ®−îc gåm 3 lo¹ i: - Gang tr¾ng tr−íc cïng tinh víi %C< 4,3%, cã tæ chøc P+ Xª II + Lª (h× nh 3.24a). - Gang tr¾ng cïng tinh cã 4,3%C, ®óng ®iÓ m C hay l© n cË n, víi tæ chøc chØ lµ Lª (h× nh 3.21). - Gang tr¾ng sau cïng tinh víi > 4,3%C ë bª n ph¶ i ®iÓ m C, cã tæ chøc Lª + Xª I (h× nh 3.24b). H× nh 3.23. Tæ chøc tÕ vi cña thÐp sau cïng tÝ ch H× nh 3.24. Tæ chøc tÕ vi cña gang tr¾ng (x500): (1,20%C) (x500). tr−íc cïng tinh (a) vµ sau cïng tinh (b) c.c.c.c. Çc ®iÓ m tíi h¹n cña thÐ pÇc ®iÓ m tíi h¹n cña thÐ pÇc ®iÓ m tíi h¹n cña thÐ pÇc ®iÓ m tíi h¹n cña thÐ p A (tõ tiÕ ng Ph¸ p arrª t=dõng, c- chauffer=nung nãng, r- refroidir=lµ m nguéi) A víi 1, 2, 3, 4, vµ cm, chóng ®−îc gäi lµ ç c ®iÓ m (hay nhiÖ t ®é) tíi h¹ n, gåm: A1 - ®−êng PSK (727oC) øng víi chuyÓ n biÕ n austenit ↔ peclit, cã trong mäi lo¹ i thÐ p. A3 - ®−êng GS (911 ÷ 727oC) øng víi b¾ t ®Ç u tiÕ t ra F khái γ khi lµ m nguéi hay kÕ t thóc hßa tan ferit vµ o austenit khi nung nãng, chØ cã trong thÐ p tr−íc cïng tÝ ch. AAAAcm cm cm cm ---- ®−êng ES (1147 ÷ 727oC) øng víi b¾ t ®Ç u tiÕ t ra Xª II khái γ khi lµ m nguéi hay kÕ t thóc hßa tan Xª II vµ o γ khi nung nãng, chØ cã trong thÐ p sau cïng tÝ ch. AAAA0000---- (210oC) - ®iÓ m Curi cña Xª , A2- (768oC) - ®iÓ m Curi cña ferit, Cïng mét thÐ p bao giê còng cã: Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3...,

H× nh 3.22. Tæ chøc tÕ vi cña thÐp tr−íc cïng tÝ ch (x500): a. 0,10%C, b. 0,40%C, c.0,60%C.