(NB) Giáo trình Vật liệu cơ khí nghề Cắt gọt kim loại nghề Cắt gọt kim loại với mục tiêu giúp các bạn có thể trình bày được đặc điểm, tính chất cơ lý, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí như: gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung dịch trơn nguội ...
Cấu trúc và cơ tính của vật liệu Kim loại
Cấu tạo và liên kết nguyên tử
1.1.1 Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử
Nguyên tử là một hệ thống bao gồm hạt nhân mang điện dương và các điện tử mang điện âm Hạt nhân được cấu tạo từ proton và nơtron, trong đó proton mang điện dương và nơtron không mang điện Ở trạng thái bình thường, nguyên tử có điện tích trung hòa do số lượng proton bằng số lượng điện tử, được xác định bởi số thứ tự nguyên tử (Z) trong bảng tuần hoàn Khối lượng nguyên tử chủ yếu được xác định bởi khối lượng hạt nhân, vì proton và nơtron nặng hơn nhiều so với điện tử Đồng thời, hạt nhân có thể chứa số lượng nơtron khác nhau, tạo thành các đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học.
1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn
1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị
Liên kết này tạo ra khi hai(hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau một số điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử ở lớp ngoài cùng
Hình 1.1 Liên kết cộng hoá trị trong phân tử khí CH4 Hình 1.1 Liên kết cộng hoá trị trong phân tử khí CH 4
1.1.2.2 Liên kết ion Đây là loại liên kết mạnh và rất dễ xẩy ra giữa nguyên tử có ít điện tử hóa trị dễ cho bớt điện tử đi để tạo thành ion dương như các nguyên tố nhóm IB(Cu,
Các nguyên tố kim loại như Ag và Au, cùng với các nguyên tố nhóm IIB như Zn, Cd, và Hg, có khả năng nhận thêm điện tử để tạo thành ion âm, tương tự như các nguyên tố nhóm VIB như O và S Hình 1.2 minh họa liên kết ion trong phân tử LiF.
Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết trong phân tử LiF
Hình 1.3 Sơ đồ liên kết kim loại
1.1.2.3 Liên kết kim loại Đây là loại liên kết đặc trưng cho các vật liệu kim loại, quyết định các tính chất rất đặc trưng của loại vật liệu này Hình 1.3 biểu diễn sơ đồ liên kết kim loại Có thể hình dung liên kết này như sau: các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt trong không gian điện tử tự do "chung" Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) của lực hút (giữa ion dương và điện tử tự do bao quanh) và lực đẩy (giữa các ion dương) Chính nhờ sự cân bằng này các nguyên tử, ion kim loại luôn luôn có vị trí cân bằng xác định trong đám mây điện tử Liên kết kim loại thường được tạo ra trong kim loại là các nguyên tố có í t điện tử hóa trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt ra khỏi nguyên tử trở nên tự do (không bị ràng buộc bởi nguyên tử nào) và tạo nên "mây" hay "biển" điện tử
Liên kết đồng hóa trị thuần túy chỉ tồn tại trong liên kết đồng cực giữa các nguyên tử cùng loại Ngược lại, trong liên kết dị cực giữa các nguyên tử khác nhau, điện hóa trị chịu ảnh hưởng từ hai lực tác động trái ngược.
- Bị hút bởi hạt nhân “của mình”
- Bị hút bởi hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo nguyên tử “chung”
Tính âm điện của nguyên tử là khả năng của hạt nhân hút điện tử hóa trị, và sự khác biệt về tính âm điện giữa các nguyên tử trong liên kết đồng hóa trị làm biến dạng đám mây điện tử “chung”, tạo ra ngẫu cực điện, tiền đề cho liên kết ion Độ ion của liên kết tăng lên khi sự khác biệt về tính âm điện giữa các nguyên tử lớn hơn Chẳng hạn, Na có tính âm điện là 0,9 và Cl là 3,0, dẫn đến liên kết giữa Na và Cl trong hợp chất NaCl có khoảng 52% là liên kết ion và 48% là liên kết đồng hóa trị Tất cả các liên kết dị cực đều mang tính chất hỗn hợp giữa liên kết ion và đồng hóa trị.
1.1.2.5 Liên kết yếu (liên kết Van der Waals)
Liên kết đồng hóa trị đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các phân tử như nước (H2O) và polyetylen (C2H4)n Tuy nhiên, chúng không thể giải thích được sự hình thành của một số vật rắn từ các phân tử trung hòa, chẳng hạn như nước đá và polyme.
Trong các phân tử có liên kết đồng hóa trị, sự khác biệt về tính âm điện giữa các nguyên tử dẫn đến sự phân cực điện, khi trọng tâm điện tích dương và âm không trùng nhau Liên kết van der Waals xuất hiện do lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực trong trạng thái rắn Đây là loại liên kết yếu, dễ bị phá vỡ bởi sự dao động nhiệt, đặc biệt khi nhiệt độ tăng Do đó, các chất rắn có liên kết van der Waals thường có nhiệt độ nóng chảy thấp.
Sắp xếp nguyên tử trong vật chất
1.2.1 Không trật tự hoàn toàn, chất khí
Chất khí có khả năng nén và chiếm toàn bộ thể tích chứa nó Các nguyên tử và phân tử trong chất khí luôn chuyển động do ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất, dẫn đến sự thay đổi trong dao động nhiệt Vị trí của chúng thay đổi một cách ngẫu nhiên, và trung bình mỗi nguyên tử hoặc phân tử chiếm một thể tích hình cầu với đường kính trung bình.
Trong vật rắn tinh thể, mỗi nguyên tử có vị trí xác định không chỉ so với các nguyên tử gần mà còn với những nguyên tử xa hơn, tạo nên một không gian đồng nhất xung quanh Điều này cho thấy tinh thể có trật tự xa, như minh họa trong hình 1.4 với cấu trúc tinh thể của muối ăn và hình 1.5 với cấu trúc tinh thể của kim cương.
Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể của kim cương Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể muối ăn
1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể
Thể tích của một khối lượng chất lỏng thường được coi là không đổi, tương tự như trong vật rắn, nơi các nguyên tử có xu hướng tiếp xúc và chiếm một không gian hình cầu khoảng 0,25 mm Do đó, chất lỏng không có tính chất chịu nén.
Chất rắn được chia thành hai nhóm chính: vật tinh thể và vật vô định hình, dựa trên cách sắp xếp của các nguyên tử, ion hay phân tử Trong vật rắn tinh thể, các chất điểm được sắp xếp theo một quy luật hình học nhất định, trong khi đó, ở vật vô định hình, chúng sắp xếp một cách hỗn loạn Tất cả kim loại và hợp chất của chúng ở trạng thái rắn đều thuộc loại vật tinh thể, có cấu trúc tinh thể rõ ràng Ví dụ tiêu biểu cho vật vô định hình là thủy tinh và nhựa, trong đó các chất điểm không tuân theo trật tự nào cả, cả ở trạng thái lỏng và rắn.
Sự khác nhau giữa chất lỏng và vật rắn thể hiện như sau:
Các nguyên tử luôn chuyển động do dao động nhiệt, dẫn đến sự sắp xếp không ổn định trong một vùng không gian nhỏ Chất lỏng có cấu trúc gần như có trật tự, nhưng không hoàn toàn, do sự phá vỡ liên tục từ dao động nhiệt Khác với tính dị hướng của chất rắn, chất lỏng có tính đẳng hướng, với số lượng nguyên tử và lực liên kết đồng đều trên mọi hướng Độ sắp xếp chặt của chất lỏng thấp hơn so với chất rắn, và quá trình kết tinh thường đi kèm với việc giảm thể tích.
Chất khí, chất lỏng và chất rắn có thể được hình dung qua hình ảnh cụ thể: khán giả trong một buổi hòa nhạc rời khỏi hội trường khi có còi báo động (khí), sự kết thúc của buổi hòa nhạc tượng trưng cho chất lỏng, và hàng ngũ bộ đội chuẩn bị duyệt binh trên quảng trường đại diện cho chất rắn.
Giống như chất lỏng, vật rắn vô định hình có tính đẳng hướng
Khi kim loại hoặc hợp kim lỏng được làm nguội với tốc độ lớn hơn 10^4 - 10^9 °C/s, sản phẩm thu được sẽ có cấu trúc vô định hình hoặc cấu trúc tinh thể với kích thước rất nhỏ, khoảng nanomet Những vật rắn này được gọi là vật rắn vô định hình hoặc vi tinh thể.
Khái niệm về mạng tinh thể
1.3.1 Ô cơ sở Để có những khái niệm đầu tiên về mạng tinh thể, hãy xuất phát từ khái niệm đơn giản về ô cơ sở Ô cơ sở là mô hình không gian mô tả quy luật hình học của sự sắp xếp các chất điểm trong vật tinh thể, hình 1.6a biểu diễn ô cơ sở của mạng lập phương đơn giản trong đó các vòng tròn nhỏ biểu thị các chất điểm (nguyên tử, ion, phân tử) và các đường thẳng nối giữa các đường là tưởng tượng Thấy rằng, do tính đối xứng của tinh thể từ một ô cơ sở, bằng thao tác đối xứng, tịnh tiến theo 3 chiều trong không gian sẽ nhận được toàn bộ mạng tinh thể (hình 1.6b)
Hình 1.6 a) Mô hình ô cơ sở b) Mô hình không gian biểu diễn mạng tinh thể a ) a x y z b) Ô cơ sở được xây dựng trên 3 vectơ đơn vị ⃗ , ⃗⃗ , ⃗ tương ứng 3 trục tọa độ
Ox, Oy và Oz đại diện cho tâm của các nguyên tử (ion hoặc phân tử) tại các nút mạng Môdun Ba vectơ a, b, c, với kích thước lần lượt là | ⃗|, | ⃗⃗|, | ⃗|, được gọi là hằng số mạng hoặc chu kỳ tuần hoàn của mạng tinh thể theo ba chiều tương ứng Các góc được tạo thành giữa các vectơ này, ký hiệu là (góc giữa ⃗⃗ và ⃗, giữa ⃗ và ⃗, giữa ⃗ và ⃗⃗), đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc mạng tinh thể.
Trong mạng tinh thể, có thể chọn nhiều kiểu ô cơ sở khác nhau, nhưng ô cơ sở phải là đơn vị tuần hoàn nhỏ nhất và đại diện cho tính chất cũng như cấu trúc toàn bộ tinh thể Việc lựa chọn ô cơ sở cần tuân thủ các nguyên tắc nhất định để đảm bảo tính chính xác và đầy đủ của mô hình tinh thể.
- Tính đối xứng của ô cơ sở phải là tính đối xứng của tinh thể (về hình dáng bên ngoài và các tính chất);
- Số cạnh bằng nhau và số góc (giữa các cạnh) bằng nhau của ô phải nhiều nhất;
- Nếu có các góc vuông giữa các cạnh thì số góc đó phải nhiều nhất;
- Có thể tích nhỏ nhất hoặc các cạnh bên ngắn nhất
Bằng cách tịnh tiến, đưa các phần tử (nguyên tử,ion hay phân tử) lên tâm các mặt bên, tâm đáy hoặc tâm các ô cơ sở đơn giản
Dựa vào mối tương quan giữa các tham số như a, b, c và các góc α, β, γ, người ta phân chia hệ tinh thể thành 7 loại khác nhau Khi thực hiện tịnh tiến các ion, phân tử hoặc nguyên tử về tâm của mặt và tâm khối, ta có thể xác định được 14 kiểu mạng Bravais Tất cả các mạng tinh thể của chất rắn đều được biểu diễn thông qua một trong 14 kiểu mạng Bravais này.
Bảng 1.1 Các kiểu mạng Bravais
Quan hệ giữa các trục
Quan hệ giữa các góc
Các kiểu mạng Bravais Đơn giản Tâm đáy Tâm Khối Tâm mặt aB gnờihgn a # b #c α # ò # γ # 90º
Thông số mạng, hay còn gọi là hằng số mạng, là kích thước cơ bản của mạng tinh thể, cho phép tính toán khoảng cách trong mạng Thông số mạng thường được xác định dựa trên kích thước các cạnh của khối cơ bản Đơn vị đo chiều dài của thông số mạng trong tinh thể là ăngstrôm (Å), với 1 Å = 10^-8 cm.
Từ thông số mạng có thể tính được khoảng cách giữa
2 nguyên tử bất kỳ trong mạng
1.3.3 Nút mạng và cách xác định
Coi các nguyên tử như những quả cầu rắn, chúng xếp chặt theo ba trục vuông góc x, y, z trong không gian Khi nối các tâm của các nguyên tử, ta hình thành một mạng tinh thể lập phương đơn giản Hình lập phương nhỏ nhất với 8 đỉnh tương ứng với tâm của 8 nguyên tử được gọi là ô cơ sở Mỗi nguyên tử đóng vai trò là đỉnh chung của 8 ô cơ sở, được gọi là nút mạng.
Vị trí của nút mạng được biểu thị bằng ba số tương ứng với tọa độ trong hệ tọa độ đã chọn, được đặt trong ngoặc vuông kép ([[ ]]) Các giá trị âm của tọa độ được ký hiệu bằng dấu (-) ở vị trí tương ứng Ví dụ, nút A nằm trên tọa độ a.
Mạng tinh thể có tính đối xứng cho phép suy ra tọa độ của mọi nút mạng thông qua phép tịnh tiến từ các nút trong ô cơ sở Cụ thể, nếu tọa độ của một nút trong ô cơ sở là (x0, y0, z0), thì tọa độ của một nút khác sẽ được tính theo công thức: x1 = x0 + n1*a, y1 = y0 + n2*b, z1 = z0 + n3*c, trong đó n1, n2, n3 là các số nguyên.
Tọa độ còn có thể biểu diễn dưới dạng vectơ :
1.3.4 Chỉ số của phương tinh thể
Phương tinh thể là đường thẳng nối các nút trong mạng tinh thể, với khoảng cách giữa chúng tuân theo quy luật xác định Mỗi phương tinh thể được ký hiệu bằng ba số nguyên u, v, w, tỷ lệ thuận với tọa độ của một nút gần gốc tọa độ nhất trên phương đó.
Hình 1.8 Chỉ số đường và điểm trong mạng tinh thể
Chỉ số âm có ký hiệu (-) ở trên Trên hình 1.8 nêu một số phương [111]
[110] [221]… Vectơ đơn vị của phương sẽ là:
Để xác định chỉ số của một phương trong không gian có tính đối xứng, bạn chỉ cần tìm chỉ số của phương song song với nó và đi qua gốc tọa độ Các phương song song với tính chất giống nhau được ký hiệu là hệ phương [uvw], trong khi những phương không song song nhưng có tính chất tương đồng sẽ tạo thành họ phương.
Ký hiệu Các phương trong một họ có trị số tuyệt đối u, v, w giống nhau, ví dụ (hình 1.8) họ phương gồm sáu phương : [010], [001], [100], [0 ī 0],
1.3.5 Chỉ số Miller của mặt tinh thể
Mặt phẳng tinh thể là mặt phẳng trong không gian mạng tinh thể được tạo nên bởi những nút mạng, sắp sếp theo một trật tự xác định
Chỉ số Miller của mặt phẳng tinh thể được biểu diễn bằng ba số nguyên h, k, l, phản ánh tỷ lệ nghịch với độ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ đến giao điểm của mặt phẳng với các trục tọa độ Ox, Oy, Oz Để xác định các chỉ số h, k, l của một mặt phẳng tinh thể, có thể thực hiện theo các bước cụ thể, ví dụ như đối với mặt phẳng P trong hình 1.9.
- Tìm giao điểm của mặt phẳng với ba trục tọa độ Ox, Oy, Oz;
- Xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ đến các giao điểm tương ứng nói trên (1; ẵ; 1/3 trờn hỡnh 1.9) Lấy giỏ trị nghịch đảo của chúng (1;2;3)
Quy đồng mẫu số chung của các số nghịch đảo, bao gồm ba số nguyên h, k, l, sẽ xác định chỉ số Miller của mặt phẳng đang được xem xét Mặt phẳng P trong Hình 1.9 có chỉ số Miller tương ứng.
Phương trình của mặt phẳng trong không gian là: Hình 1.9 Cách xác định chỉ số
Nếu mặt phẳng song song với trục tọa độ, chỉ số Miller sẽ tỉ lệ với 1/∞, tức là bằng 0 (ví dụ, mặt phẳng (001) song song với trục Ox và Oy) Giá trị âm được biểu thị bằng dấu (-) trong chỉ số tương ứng.
Hệ mặt phẳng tinh thể được ký hiệu bằng các chỉ số (h, k, l) đại diện cho những mặt song song có tính chất giống nhau Để xác định chỉ số của một mặt phẳng bất kỳ, chỉ cần tìm chỉ số của mặt phẳng song song nằm trong ô cơ sở chứa trục độ Mặc dù các mặt phẳng không song song nhưng vẫn thuộc cùng một họ mặt phẳng với các chỉ số Miller được ký hiệu dưới dạng {hkl} Giá trị tuyệt đối của h, k, l là giống nhau, chỉ khác nhau về vị trí, ví dụ như trong mạng tinh thể hình lập phương, các mặt phẳng như (100), (101), (001), và (ī) đều thuộc họ {100}.
00) (0ī 0) và (00 ī) tức là các mặt bên và đáy của ô cơ sở
1.3.6 Chỉ số Miller-Bravais trong hệ sáu phương
Các chỉ số Miller không phù hợp với hệ tinh thể sáu phương do các phương hoặc mặt cùng họ có chỉ số khác nhau Để biểu diễn các phương và mặt tinh thể trong hệ này, cần sử dụng chỉ số Miller-Bravais, tương ứng với hệ tọa độ bốn trục: Ox, Oy, Oz và Ou Ba trục Ox, Oy, Ou nằm trên cùng mặt phẳng đáy của ô cơ sở, mỗi cặp tạo thành góc 120º với trục Oz, với gốc tọa độ O là tâm của mặt đáy Cách xác định chỉ số Miller-Bravais tương tự như chỉ số Miller, và mặt tinh thể được ký hiệu bằng các chỉ số trong ngoặc đơn dạng (hkil), với quan hệ i = - (h + k).
Cấu trúc tinh thể điển hình của vật rắn
1.4.1 Chất rắn có liên kết kim loại Đặc tính cấu trúc của kim loại là: nguyên tử (ion) luôn có xu hướng xếp xít chặt với kiểu mạng đơn giản (như lập phương tâm mặt, lập phương tâm khối, sáu phương xếp chặt) và các liên kết ngắn, mạnh do vậy trong lim loại thường không gặp các kiểu mạng không xếp chặt như lập phương đơn giản(hình 1.11)
1.4.1.1 Lập phương tâm khối A2 Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và các trung tâm khối như biểu diễn ở các hình 1.12a, b và c Tuy phải vẽ tới chân nguyên tử để biểu thị cho ô, song thuộc về ô này chỉ là: nv = 8 đỉnh 1/8 + 1 giữa = 2 nguyên tử (mỗi nguyên tử ở đỉnh thuộc về tám ô bao quanh nên thuộc về ô đang xét chỉ là 1/8, nguyên tử ở trung tâm khối thuộc hoàn toàn ô đang xét)
Hình 1.12 Ô cơ sở mạng lập phương tâm khối (a,b);
Các lỗ hổng(c) và cách xếp các mặt tinh thể
Trong mạng tinh thể, các nguyên tử luôn được sắp xếp sát nhau, nhưng cách vẽ phổ biến thường sử dụng hình thức như ở hình c Trong mạng A2, các nguyên tử được xếp chặt chẽ theo phương đường chéo khối , điều này cho thấy sự sắp xếp của chúng về mặt hình học.
- Đường kính d ng.t và bán hình nguyên tử r ng.t lần lượt bằng a.
- Mỗi nguyên tử trong mạng A2 này luôn được bao quanh bằng tám nguyên tử gần nhất với khoảng cách ngắn nhất là a
3 (và sáu nguyên tử tương đối gần với khoảng cách là a, nên có số sắp xếp là tám (hay đôi khi cũng biểu hiện thị bằng 8+6)
Mặt tinh thể có cấu trúc xếp dày đặc nhất thuộc họ (110), với mật độ xếp thể tích m v đạt 68% Trong cấu trúc này, tồn tại hai loại lỗ hổng: lỗ hình bốn mặt và lỗ hình tám mặt Lỗ hình tám mặt có kích thước 0,154 d ng.t và nằm ở trung tâm của các mặt bên.
(100) và giữa các cạnh a Loại bốn mặt có kích thước lớn hơn một chút, bằng
1 trên cạnh nối điểm giữa các cạnh đối diện của các mặt bên
Mạng A2 có nhiều lỗ hổng với kích thước nhỏ, lớn nhất không vượt quá 30% đường kính của nguyên tử So với mạng chính phương tâm khối, mạng A2 có sự khác biệt ở hai thông số mạng a và c, với điều kiện c/a khác 1 Kiểu mạng này thường gặp trong mactenxit khi trải qua quá trình nhiệt luyện (tôi).
Khác với mạng A2, trong cấu trúc này, nguyên tử được đặt ở trung tâm các mặt bên của khối, như thể hiện trong hình 1.13a, b và c Mặc dù cần đến mười bốn nguyên tử để mô tả một ô, nhưng thực chất chỉ có một số nguyên tử thuộc về ô này.
Hình 1.13 Ô cơ sở mạng lập phương tâm mặt (a,b);
Các lỗ hổng(c) và cách xếp các mặt tinh thể nv = 8 đỉnh 1/8 + 6 mặt 1/2 = 4 nguyên tử
Trong mạng tinh thể, các nguyên tử được sắp xếp sát nhau, thường được thể hiện theo cách vẽ như hình c, mặc dù có thể thấy rõ sự sắp xếp trong các hình a và b Trong mạch A1, các nguyên tử được xếp chặt chẽ theo phương đường chéo mặt , cho phép nhận diện dễ dàng cấu trúc hình học của chúng.
- Đường kính d ng.t và bán kính nguyên tử r ng.t lần lượt bằng a.
- Mỗi nguyên tử luôn luôn được bao quanh bởi mười hai nguyên tử gần nhất với khoảng cách là a.
Mạng A1 có cấu trúc tinh thể với số sắp xếp là mười hai, cho mật độ xếp thể tích m v đạt 74% Đây là kiểu xếp dày đặc hơn mạng A2 và thuộc một trong hai kiểu xếp dày đặc nhất, bên cạnh mạng A3 Mạng A1 cũng có hai loại lỗ hổng hình bốn mặt và hình tám mặt, tương tự như mạng A2, nhưng với số lượng và kích thước hơi khác nhau Lỗ hổng hình bốn mặt có kích thước 0,225dng.t.
Các đường chéo khối tính từ đỉnh cho thấy rằng lỗ hổng hình tám mặt có kích thước lớn nhất, đạt 0,414dng.t, nằm ở trung tâm khối và giữa các cạnh a So với mạng A2, mạng A1 có mật độ dày đặc hơn nhưng lại có ít lỗ hổng hơn, với kích thước lỗ hổng lớn hơn (0,225 và 0,41 so với 0,154 và 0,291) Kích thước lỗ hổng chính là yếu tố quyết định cho sự hòa tan dưới dạng xen kẽ.
Nhiều loại kim loại điển hình như sắt (Fe), niken, đồng và nhôm có cấu trúc mạng tinh thể đặc trưng với các hằng số a mạng lần lượt là 0,3656 mm, 0,3524 mm, 0,3615 mm và 0,4049 mm Bên cạnh đó, chì, bạc và vàng cũng thuộc nhóm kim loại này.
1.4.1.3 Sáu phương xếp chặt A3 Ô cơ sở là khối lăng trụ lục giác (gồm sáu lăng trụ tam giác đều), các nguyên tử nằm trên mười hai đỉnh, tâm của hai mặt đáy và tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách nhau như biểu thị ở hình 1.14a, b và c để biểu thị một ô cần tới 17 nguyên tử, song thực tế thuộc về ô này chỉ là
Hình 1.14 Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt (a,b,c) và cách xếp các mặt tinh thể(d) nv = 12 đỉnh 1/6 + 2 giữa mặt 1/2 + 3 = 6 nguyên tử
Trong kiểu mạng này, các nguyên tử được sắp xếp sát nhau theo các mặt đáy (0001), trong đó mỗi mặt đáy bao gồm ba nguyên tử nằm song song Các mặt đáy này chồng khít vào các khe hở được tạo ra bởi các mặt đáy trước đó.
Nếu mặt đáy có vị trí như a, sẽ tạo ra các khe hở b và c Khi thứ tự xếp chồng luân phiên chỉ gồm hai trong ba vị trí như ABABA, ACACA, hoặc BCBCB, sẽ hình thành mạng sáu phương xếp chặt Chiều cao c của ô phụ thuộc vào cạnh a của lục giác đáy, với điều kiện a và c luôn bằng nhau.
8 hay 1,633 Tuy nhiên trong thực tế c/a của kiểu mạng này thay đổi rất nhiều và không bao giờ đạt được đúng giá trị lý tưởng trên
Vì thế người ta quy ước:
- Nếu tỷ số a c nằm trong khoảng 1,57 và 1,64 thì mạng được coi là xếp chặt
- Nếu tỷ số a c nằm ngoài khoảng trên thì mạng được coi là không xếp chặt
Mặt đáy (0001) và thể tích của mạng A3 có mật độ tương tự như mặt (111) và thể tích mạng A1, với tỷ lệ lần lượt là 92% và 74% Cách sắp xếp nguyên tử trên hai mặt dày đặc này gần như giống hệt nhau, với thứ tự xếp chồng lớp của mạng A1 theo chu kỳ ABCABCA Trong cấu trúc sắp xếp xít chặt, mỗi nguyên tử được bao quanh bởi 12 nguyên tử gần nhất ở khoảng cách a, tạo ra số sắp xếp là 12 Trong trường hợp không xếp chặt, số sắp xếp là 6+6 Mạng A3 cũng chứa các lỗ hổng bốn mặt và tám mặt, tuy nhiên, các kim loại với kiểu mạng này ít phổ biến hơn.
- Titan (ti ỏ ) với a = 0,2951nm, c = 0,4679nm, a c 1,5855(xếp chặt),
- Magiê với a = 0,3209nm, c = 0,5210nm, a c 1,6235(xếp chặt),
- Kẽm với a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, a c 1,8590(khụng xếp chặt)
1.4.2 Chất rắn có liên kết đồng trị hoá
Mỗi nguyên tử tham gia liên kết đồng hoá trị đều đóng góp một điện tử hoá trị để hoàn thiện lớp điện tử với đủ tám electron Nếu số điện tử hoá trị của nguyên tố là N, thì mỗi nguyên tử cần liên kết với 8-n nguyên tử khác để hình thành liên kết đồng trị hoá, tức là có 8-n nguyên tử xung quanh ở khoảng cách gần nhất, tương ứng với số sắp xếp là 8-n.
Hình 1.15 Ô cơ sở của mạng tinh thể kim cương (a), vị trí các nguyên tử(b) và liên kết đồng hóa trị(c)
Đơn tinh thể và đa tinh thể
Đơn tinh thể (hình 1.17a) là khối chất rắn có mạng đồng nhất với phương mạng không đổi trong toàn bộ thể tích Trong tự nhiên, một số khoáng vật tồn tại dưới dạng đơn tinh thể, có bề mặt nhẵn và hình dáng xác định với các mặt phẳng nguyên tử giới hạn Kim loại đơn tinh thể không có trong tự nhiên và cần công nghệ "nuôi" để tạo ra Đặc điểm nổi bật của đơn tinh thể là tính dị hướng, do sự khác biệt trong mật độ xếp chặt của các nguyên tử Chúng chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực bán dẫn.
Trong thực tế, hầu hết các vật liệu đều là đa tinh thể, bao gồm nhiều tinh thể nhỏ (kích thước khoảng micromet) được gọi là hạt tinh thể Các hạt này có cùng cấu trúc và thông số mạng nhưng lại có định hướng khác nhau một cách ngẫu nhiên Chúng liên kết với nhau qua các vùng ranh giới được gọi là biên hạt.
Từ mô hình đó thấy rõ:
- Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, thể hiện tính dị hướng
- Các hạt định hướng ngẫu nhiên với số lượng rất lớn nên thể hiện tính đẳng hướng
Biên hạt có cấu trúc “trung gian” do chịu ảnh hưởng từ các hạt xung quanh, dẫn đến sự sắp xếp không trật tự và vô định hình Điều này làm cho biên hạt kém xít chặt, và có thể quan sát cấu trúc hạt đa tinh thể hoặc các hạt thông qua kính hiển vi quang học.
Độ hạt của tinh thể có thể được quan sát định tính qua mặt gãy, nhưng để xác định chính xác, cần phải xem xét trên tổ chức tế vi Theo tiêu chuẩn ASTM, độ hạt được phân thành 16 cấp chính, đánh số từ 00 đến 14, với các cấp từ 1 đến 8 là thông dụng nhất Công thức tính cấp hạt là N = 3,322lg Z + 1, trong đó Z là số hạt có trong 1 inch vuông (khoảng 6,45 cm²) dưới độ phóng đại 100 lần.
Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh với bảng chuẩn ở độ phóng đại (thường là x 100) hoặc xác định trên tổ chức tế vi
Nếu như khối đa tinh thể gồm các hạt (kích thước hàng chục - hàng trăm
Các hạt có kích thước từ 0,1 đến 10μm thường có phương mạng lệch nhau một góc nhỏ (≤ 1-2 độ), được gọi là siêu hạt hay block Mặc dù biên giới của siêu hạt cũng bị xô lệch, nhưng mức độ xô lệch này rất thấp.
Do biến dạng dẻo làm phương mạng định hướng tạo nên textua Ví dụ, khi kéo sợi nhôm(hình 1.13), tinh thể hình trụ khi đúc, khi phủ
Hình 1.18 Mô hình textua trong dây nhôm kéo sợ (vectơ V biểu thị hướng kéo, trục textua là
Cấu trúc đa tinh thể có tính dị hướng, với ứng dụng trong thép biến thế, cho thấy tính chất từ cực đại theo chiều textua và cực tiểu theo phương vuông góc, giúp giảm tổn thất hiệu quả.
Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.6.1 Điều kiện xảy ra kết tinh
Khi kim loại lỏng được làm nguội xuống dưới nhiệt độ quy định, quá trình kết tinh sẽ xảy ra Điều này xảy ra vì mỗi loại kim loại có một nhiệt độ đông đặc nhất định, và khi nhiệt độ giảm xuống dưới mức này, các nguyên tử bắt đầu sắp xếp lại theo cấu trúc tinh thể Sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến động lực học của các nguyên tử, dẫn đến việc hình thành các hạt tinh thể và cuối cùng tạo ra một cấu trúc rắn chắc Việc hiểu rõ quá trình này là rất quan trọng trong ngành công nghiệp chế biến kim loại.
Trong tự nhiên, các quá trình tự phát thường diễn ra theo hướng giảm năng lượng, dẫn đến việc các trạng thái mới có năng lượng dự trữ thấp hơn.
1.6.2 Hai quá trình của sự kết tinh
1.6.2.1 Sự hình thành mầm tinh thể trong kim loại lỏng
Mầm tinh thể là những phần chất rắn nhỏ ban đầu hình thành trong kim loại lỏng, bao gồm hai loại chính: mầm tự sinh và mầm ký sinh.
* Mầm tự sinh (mầm đồng thể)
Trong quá trình kết tinh của kim loại lỏng nguyên chất, mầm tự sinh được hình thành từ các nhóm nguyên tử trong kim loại lỏng (pha mẹ), với cấu trúc gần giống như tinh thể rắn và có khả năng phát triển thành các hạt tinh thể Chỉ những mầm có bán kính đạt đến giá trị tới hạn r th mới có thể tiếp tục phát triển thành hạt tinh thể, trong khi những mầm nhỏ hơn sẽ tan trở lại vào kim loại lỏng.
Thực nghiệm và lý thuyết cho thấy rằng tốc độ làm nguội càng lớn thì độ quá nguội cũng tăng Điều này có nghĩa là trong quá trình đúc, khi kim loại được làm nguội nhanh chóng, số lượng mầm tinh thể đạt tới giá trị rth sẽ nhiều hơn, dẫn đến kích thước hạt tinh thể sau khi đúc nhỏ hơn, từ đó cải thiện tính chất của sản phẩm.
* Mầm ký sinh (mầm dị thể)
Mầm kí sinh là những phần tử không tự sinh ra trong kim loại lỏng mà dựa vào các vật rắn có sẵn, giúp tăng số lượng mầm và thúc đẩy quá trình kết tinh nhanh chóng, đồng thời làm nhỏ hạt tinh thể Trong sản xuất đúc, việc sử dụng chất biến tính như nhôm hay kẽm vào kim loại lỏng giúp nâng cao chất lượng sản phẩm bằng cách tạo ra các hợp chất khó chảy, tồn tại dưới dạng hạt rắn nhỏ, làm trung tâm cho sự hình thành mầm kí sinh Ngoài ra, các biện pháp như rung cơ học và sóng siêu âm cũng được áp dụng để làm nhỏ hạt trong quá trình kết tinh, từ đó cải thiện cơ tính của kim loại.
1.6.2.2 Quá trình phát triển mầm a) b)
Hình 1.9 Sơ đồ kết tinh theo hình nhánh cây (a) và tinh thể nhánh cây do Chernov tìm được năm 1878 (b)
Trong quá trình khảo sát tạo mầm, có giả thiết rằng mầm ban đầu có thể tồn tại dưới dạng cầu (tự sinh) hoặc chỏm cầu (ký sinh) Đây chỉ là một sự gần đúng ban đầu khi chúng phát triển tự do trong pha lỏng Các bề mặt giới hạn cần phải là những mặt tinh thể với sắp xếp nguyên tử xác định Hình dáng thực tế của mầm đang lớn lên sẽ là hình đa diện tương ứng với kiểu mạng của pha rắn.
Trong nhiều trường hợp, các tinh thể phát triển theo hình nhánh cây, bắt đầu từ một trục chính A và sau đó mở rộng sang các trục phụ B, C Quá trình này diễn ra khi tinh thể phát triển theo một hướng xác định, cuối cùng lấp đầy khoảng không gian giữa các trục bằng kim loại lỏng xung quanh Hình 1.19b minh họa một tinh thể nhánh cây dài 39 cm và nặng 3,45 kg, được phát hiện bởi nhà bác học Nga Chenrnov từ một lõm co của một thỏi đúc năm 1878.
Sự kết tinh trong kim loại lỏng bao gồm hai giai đoạn chính: tạo mầm và sự phát triển của các mầm này Khi các mầm đầu tiên hình thành và phát triển, trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục xuất hiện các mầm mới, và quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi kim loại lỏng hoàn toàn được tiêu thụ, đánh dấu sự kết thúc của quá trình kết tinh.
Sự hình thành hạt tinh thể kim loại có thể được minh họa qua một quá trình diễn ra trong kim loại lỏng Trong mỗi giây, ba mầm tinh thể mới được hình thành, trong khi các mầm từ giây trước đó cũng phát triển Quá trình này tiếp tục cho đến khi toàn bộ khối kim loại lỏng kết tinh hoàn toàn, tạo thành một khối kim loại đa tinh thể Qua quá trình kết tinh này, có thể rút ra những nhận xét quan trọng về cấu trúc và đặc tính của kim loại.
Hình 1.20 Sự tạo thành các hạt tinh thể
Mỗi hạt kim loại được hình thành từ một mầm, và do sự định hướng ngẫu nhiên của các mầm trong không gian, nên phương giữa các hạt kim loại thường lệch nhau một góc nhất định.
Các hạt có kích thước không đồng đều do sự phát triển khác nhau của các mầm sinh ra trước đó Những hạt này, được bao quanh bởi nhiều kim loại lỏng và có thời gian phát triển dài hơn, sẽ có kích thước lớn hơn so với những hạt sinh ra sau.
1.Trình bày sự sắp xếp các nguyên tử trong chất khí, chất lỏng, chất rắn tinh thể?
2 Nêu khái niệm về ô cơ sở và mạng tinh thể trong kim loại, biểu diễn ô cơ sở và mạng tinh thể bằng hình vẽ
3.Trình bày cấu trúc tinh thể của vật rắn với liên kết kim loại, vẽ hình biểu diễn các ô cơ sở của các kiểu mạng tinh thể
Đơn tinh thể và đa tinh thể là hai loại cấu trúc kim loại khác nhau, trong đó đơn tinh thể có cấu trúc đồng nhất và hoàn chỉnh, trong khi đa tinh thể bao gồm nhiều tinh thể nhỏ liên kết với nhau Đặc tính của đơn tinh thể thường là độ bền cao và tính dẫn điện tốt, còn đa tinh thể thường có tính dẻo và khả năng chịu lực tốt hơn Ứng dụng của đơn tinh thể thường thấy trong các thiết bị điện tử, trong khi đa tinh thể được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và sản xuất vật liệu Sự kết tinh trong kim loại diễn ra qua hai quá trình chính: quá trình nucleation, nơi các hạt tinh thể hình thành, và quá trình phát triển, nơi các tinh thể lớn lên và kết hợp với nhau để tạo thành cấu trúc cuối cùng.
Hợp kim và biến đổi tổ chức
Cấu trúc tinh thể của hợp kim
2.1.1 Khái niệm về hợp kim
Hợp kim là sản phẩm được tạo ra từ quá trình nấu chảy hoặc thiêu kết của hai hoặc nhiều nguyên tố, trong đó nguyên tố chính là kim loại Quá trình này tạo ra một vật liệu mới với các tính chất kim loại đặc trưng.
Hợp kim là vật liệu được hình thành từ nhiều nguyên tố kim loại, có đặc tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao, dẻo và dễ biến dạng Chúng có thể được tạo ra từ sự kết hợp giữa hai kim loại (như đồng và kẽm trong la tatông) hoặc giữa một kim loại và một á kim (như thép và gang từ sắt và carbon) Hợp kim có thể chia thành hai loại: hợp kim đơn giản, trong đó nguyên tố chính là kim loại, và hợp kim phức tạp, bao gồm nhiều nguyên tố khác nhau Nguyên tố kim loại chiếm tỷ lệ lớn nhất (>50%) trong hợp kim được gọi là nền hoặc nguyên tố chủ Thành phần của các nguyên tố trong hợp kim thường được biểu thị bằng phần trăm khối lượng, trong khi trong polymer, thành phần được thể hiện bằng phần trăm thể tích.
2.1.1.2 Ưu việt của hợp kim
Các kim loại nguyên chất, như nhôm và đồng, nổi bật với khả năng dẫn nhiệt tốt, nhưng trong chế tạo cơ khí, hợp kim thường được ưa chuộng hơn do tính chất phù hợp và kinh tế hơn Vật liệu cơ khí cần có độ bền cao để chịu tải tốt, đồng thời không được giòn để tránh hư hỏng Mặc dù kim loại nguyên chất rất dẻo, nhưng độ cứng và khả năng chống mài mòn của chúng kém hơn nhiều so với hợp kim Sự cân bằng giữa độ bền, độ cứng, độ dẻo và độ dai là yếu tố quyết định trong việc lựa chọn vật liệu Hợp kim hiện vẫn là lựa chọn tối ưu cho máy móc và thiết bị nhờ vào sự kết hợp các đặc tính cơ học Hơn nữa, tính công nghệ của vật liệu cũng rất quan trọng; kim loại nguyên chất dễ biến dạng nhưng khó gia công, trong khi hợp kim mang lại tính công nghệ đa dạng, phù hợp với các yêu cầu chế tạo khác nhau.
Hầu hết các hợp kim đều có thể được gia công thông qua hai phương pháp chính: biến dạng dẻo và đúc Biến dạng dẻo bao gồm các kỹ thuật như cán, kéo, ép chảy (thường áp dụng cho bán thành phẩm dài), rèn (để tạo phôi cho cắt gọt) và dập (để tạo thành sản phẩm) Trong khi đó, phương pháp đúc chủ yếu được sử dụng cho các sản phẩm có hình dạng phức tạp.
Hợp kim có tính gia công cắt đặc trưng, giúp đảm bảo sản phẩm đạt kích thước và hình dạng chính xác, cũng như bề mặt nhẵn bóng Điều này đặc biệt quan trọng trong việc lắp ghép các bộ phận trong máy móc và thiết bị.
Nhiều hợp kim, đặc biệt là thép, chiếm tới 90% tổng sản lượng vật liệu kim loại, có tính nhạy cảm cao với các vật liệu để tạo ra cơ tính đa dạng, phù hợp với điều kiện làm việc và vật gia công Trong nhiều trường hợp, việc luyện hợp kim đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn so với luyện kim loại nguyên chất, do không cần phải chi phí để khử các nguyên tố lẫn vào.
So với luyện cắt nguyên chất, luyện hợp kim Fe – C (thép và gang) đơn giản hơn nhờ nhiệt độ chảy thấp và ít yêu cầu khử bỏ carbon Đối với yêu cầu độ bền cao, việc loại bỏ hoàn toàn carbon và tạp chất trong luyện sắt không chỉ không cần thiết mà còn có thể gây hại.
- Khi pha Zn vào kim loại chủ Cu ta được latông vừa bền lại vừa rẻ hơn (do kẽm rẻ hơn đồng nhiều)
Khi khảo sát các hợp kim cũng như các vật liệu khác, thường gặp 1 số khái niệm mới cần phân định cho rõ
- Cấu tử: là các nguyên tố (hay hợp chất hoá học bền vững) cấu tạo nên hợp kim
Ví dụ latông (hợp kim Cu- Zn) có hai cấu tử là Cu và Zn nhiều khi còn phân biệt cấu tử hoà tan với cấu tử dung môi
Hệ là thuật ngữ chỉ một tập hợp các vật thể riêng biệt của hợp kim trong những điều kiện nhất định, hoặc một loạt hợp kim khác nhau nhưng có các cấu tử tương đồng.
Pha là thành phần đồng nhất trong cấu trúc hợp kim, có các đặc tính cơ, lý, hóa xác định và được phân tách bởi bề mặt giữa các pha Các dạng khác nhau của pha bao gồm đơn chất, dung dịch lỏng, dung dịch rắn, chất khí và các dạng thù hình.
Ví dụ: + Nước ở 0 0 c là một hệ cấu tử (hợp chất hoá học bền vững H2O) và có hai pha (pha rắn : đá, pha lỏng: nước)
*Trạng thái cân bằng(ổn định)
Trạng thái cân bằng trong nhiệt động học liên quan chặt chẽ đến năng lượng tự do, một đại lượng phụ thuộc vào năng lượng dự trữ.
Nội năng của hệ thống liên quan đến mức độ sắp xếp trật tự của các nguyên tử và phân tử Hệ đạt trạng thái cân bằng ổn định khi các pha của nó có năng lượng tự do tối thiểu dưới các điều kiện nhiệt độ, áp suất và thành phần xác định.
Hình 2.1 minh họa vị trí của hệ thống ổn định (1), không ổn định (2) và giả ổn định (3) Điều này cho thấy trong các điều kiện này, đặc tính và cấu trúc của hệ thống không thay đổi theo thời gian, duy trì trạng thái bền vững mãi mãi Thông thường, hệ thống ở trạng thái cân bằng có độ bền và độ cứng thấp nhất, không chịu ứng suất bên trong, với sự xô lệch mạng tinh thể tối thiểu và được làm nguội với tốc độ chậm nhất.
*Trạng thái không cân bằng (không ổn định)
Khi nhiệt độ và áp suất thay đổi, năng lượng tự do của hệ tăng lên, dẫn đến trạng thái không cân bằng Trong tình huống này, hệ có thể chuyển đổi đột ngột sang trạng thái cân bằng mới với năng lượng tự do thấp hơn, tức là có hiện tượng chuyển pha Trạng thái không cân bằng thường không ổn định và có xu hướng chuyển đổi về trạng thái cân bằng ổn định, đặc biệt khi bị nung nóng Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường, quá trình này thường khó nhận thấy hoặc diễn ra với tốc độ chậm, khiến trạng thái không cân bằng không tồn tại lâu dài, mặc dù lý thuyết cho rằng nó không thể tồn tại vĩnh viễn Trạng thái không cân bằng lại có ý nghĩa quan trọng trong thực tế vì thường đáp ứng các yêu cầu về cơ tính như độ bền và độ cứng cao hơn.
Trạng thái không cân bằng hình thành khi quá trình nguội diễn ra nhanh chóng, và nhiều loại hợp kim, đặc biệt là thép, thường được sử dụng trong trạng thái này.
*Trạng thái giả ổn định
Khái niệm về trạng thái giả ổn định đề cập đến tình trạng mà trạng thái cân bằng tuyệt đối chỉ tồn tại lý thuyết, yêu cầu quá trình làm nguội phải diễn ra rất chậm, điều này khó xảy ra trong thực tế Mặc dù giả ổn định thực chất không ổn định, nhưng nó vẫn tồn tại một cách ổn định ngay cả khi bị nung nóng trong một phạm vi nhất định.
2.1.1.4 Phân loại các tương tác
Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
Mặc dù các tương tác giữa hai nguyên tố có thể xảy ra, nhưng để xác định chính xác các tương tác này, cần dựa vào thực nghiệm để xây dựng các giản đồ pha cho từng cặp cụ thể Giản đồ pha thể hiện sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng, và chỉ hoàn toàn chính xác đối với hợp kim ở trạng thái cân bằng (làm nguội chậm hoặc ở trạng thái ủ) Trong trường hợp làm nguội thông thường, giản đồ pha có thể không phù hợp, nhưng vẫn là cơ sở để xác định cấu trúc của hợp kim tại các thành phần và nhiệt độ xác định Những sai lệch trong giản đồ pha có thể được lý giải, cho thấy tầm quan trọng của nó trong việc khảo sát hợp kim và ceramic Việc biết đọc và phân tích giản đồ pha là cần thiết để sử dụng hiệu quả hợp kim và ceramic.
Do mức độ cần thiết yêu cầu ở đây chỉ trình bày giản đồ pha của hệ hai cấu tử, tức chỉ ứng với hợp kim đơn giản
2.2.1 Quy tắc pha và ứng dụng
Trạng thái cân bằng của hệ được xác định bởi các yếu tố bên trong và bên ngoài, tuy nhiên trong đó các yếu tố phụ thuộc lẫn nhau
Bậc tự do là số lượng các yếu tố độc lập có thể thay đổi trong giới hạn nhất định mà không làm thay đổi trạng thái của hệ, tức là không làm thay đổi số pha Quan hệ giữa pha (p), số cấu tử (c) và số bậc tự do (f) được xác định bởi quy luật pha của Gibbs Trong nghiên cứu và sử dụng vật liệu trong khí quyển, ảnh hưởng của áp suất thường không được tính đến, do đó số yếu tố bên ngoài chỉ còn lại là nhiệt độ Quy tắc pha được biểu diễn bằng công thức: F = c - p + 1.
Khi F = 0, hệ thống có vô số trạng thái, không có yếu tố nào không thể thay đổi Lúc này, số pha p sẽ bằng c + 1, trong đó c là số cấu tử Chẳng hạn, với kim loại nguyên chất (c = 1), khi nóng chảy hoặc kết tinh, hệ thống tồn tại hai pha (p = 2), bao gồm pha lỏng và pha rắn Ví dụ điển hình là hợp kim đồng (Cu).
Khi ở nhiệt độ thường, hợp kim Ni có tổ chức dạng dung dịch rắn, và khi được nung nóng, nó sẽ chuyển thành dung dịch lỏng Trong quá trình nóng chảy, hợp kim này tồn tại ở hai pha (rắn và lỏng) với số bậc tự do là 1, theo công thức F = C - P + 1 (với C là số thành phần và P là số pha) Điều này cho thấy quá trình nóng chảy diễn ra trong một khoảng nhiệt độ nhất định, cho phép thay đổi một chút thành phần (thêm hoặc bớt Cu, Ni) mà vẫn duy trì trạng thái hai pha của hợp kim.
Trong hệ nhị biến với F = 2, có thể đồng thời thay đổi cả nhiệt độ và thành phần, dẫn đến p = c - 1, trong đó số pha ít hơn số cấu tử là một Ví dụ, nhiều hệ hai cấu tử ở trạng thái lỏng có khả năng hòa tan vô hạn vào nhau, tạo thành một pha dung dịch lỏng duy nhất Số bậc tự do trong trường hợp này là hai (f = 2 - 1 + 1), cho thấy rằng trạng thái lỏng của hệ có thể thay đổi nhiệt độ và thành phần một cách dễ dàng trong khi vẫn duy trì chỉ một pha.
Trong khảo sát giản đồ pha, thường gặp các trường hợp liên quan đến số bậc tự do, cần lưu ý rằng số bậc tự do không thể âm và giá trị tối thiểu là không Do đó, số pha tối đa của hệ ở trạng thái cân bằng được xác định là p max = c + 1, nghĩa là không thể lớn hơn số cấu tử quá một đơn vị Vậy trong hệ một cấu tử, p max sẽ là một.
Trong hệ hai cấu tử, số pha tối đa có thể hình thành là hai pha khác nhau, trong khi đó, trong hệ ba cấu tử, có thể đạt tối đa bốn pha Điều này rất quan trọng cho việc xác định các pha trong hệ thống.
2.2.2 Giản đồ pha và công dụng
Giản đồ pha, hay còn gọi là giản đồ trạng thái hoặc giản đồ cân bằng, là công cụ quan trọng để thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và tỷ lệ các pha trong hệ ở trạng thái cân bằng Mỗi hệ thống có giản đồ pha riêng biệt, được xây dựng dựa trên thực nghiệm, và không có hai giản đồ nào hoàn toàn giống nhau do sự tương tác phức tạp giữa các cấu tử Hiện nay, hầu hết các hệ hai cấu tử giữa kim loại, kim loại với á kim, cũng như các hệ ba cấu tử đã được xây dựng, giúp việc tra cứu trở nên thuận tiện hơn.
Hệ một cấu tử có đặc điểm là không có sự biến đổi thành phần, do đó giản đồ pha của nó chỉ có một trục Trên trục này, chúng ta đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) cùng với các nhiệt độ chuyển biến thù hình (nếu có), như minh họa trong hình 2.4 cho trường hợp của sắt.
Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục, trong đó trục tung thể hiện nhiệt độ và trục hoành biểu thị thành phần, thường được tính theo % khối lượng Các đường phân chia khu vực pha được vẽ theo những nguyên tắc cụ thể để xác định các trạng thái khác nhau của hệ thống.
- Xen giữa hai khu vực một pha là khu vực hai pha tương ứng
Trục hoành biểu thị các thành phần của hệ, với tỷ lệ cấu tử b tăng từ trái sang phải và tỷ lệ cấu tử a tăng từ phải sang trái Hai đầu mút của trục tương ứng với hai cấu tử nguyên chất: A ở bên trái và B ở bên phải Ví dụ, điểm C trên hình 2.5 thể hiện thành phần 30%B và 70%A, trong khi điểm D tương ứng với 80%B và 20%A.
- Đường thẳng bất kỳ biểu thị một thành phần xác định nhưng ở các nhiệt độ khác nhau
Ví dụ đường thẳng đứng qua D biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của thành phần này (80%B+20%A)
Trục tung chính trong giản đồ pha đại diện cho từng cấu tử tương ứng, với A ở bên trái và B ở bên phải Nhờ vào việc biểu thị chính xác trên mặt phẳng, giản đồ pha của hệ hai cấu tử cho phép xác định dễ dàng các thông số quan trọng cho một thành phần cụ thể tại một nhiệt độ nhất định.
Hình 2.4 Giản đồ trạng thái của sắt
Hình 2.5 Các trục của giản đồ trạng thái hai cấu tử Thành phần %B
Các pha tồn tại trong hợp kim được xác định dựa trên tọa độ nhiệt độ và thành phần Nếu tọa độ nằm trong vùng một pha, hợp kim sẽ có tổ chức một pha; ngược lại, nếu tọa độ nằm trong vùng hai pha, hợp kim sẽ có tổ chức hai pha tương ứng.
Khi tọa độ nằm trong vùng một pha, thành phần của pha cấu tạo nên hợp kim sẽ bằng chính các thành phần của hợp kim đã chọn Ngược lại, nếu tọa độ nằm trong vùng hai pha, việc xác định thành phần trở nên phức tạp hơn; cần kẻ đường nằm ngang (đẳng nhiệt) qua tọa độ này, và hai giao điểm của nó với các đường một pha gần nhất sẽ chỉ rõ thành phần của từng pha tương ứng.
Tỷ lệ giữa các pha hoặc tổ chức trong hợp kim có thể được xác định thông qua quy tắc đòn bẩy, trong đó ba điểm (tọa độ và hai pha) tạo thành hai đoạn thẳng, với độ dài mỗi đoạn biểu thị tỷ lệ tương đối của pha đối diện.
*Suy đoán tính chất của hợp kim zckl
Giản đồ pha Fe - C(Fe – Fe 3 C)
Giản đồ pha Fe-C (chỉ xét hệ Fe-Fe3C) là một hệ thống phức tạp, thể hiện rõ các tương tác phổ biến và có ứng dụng rộng rãi trong thực tế Việc nắm vững giản đồ pha này sẽ mang lại nhiều lợi ích thiết thực.
Giản đồ pha Fe-C chủ yếu khảo sát phần giàu Fe với lượng cacbon lên đến 6,67% (tương ứng với Fe3C), tức là hệ Fe-Fe3C Bên cạnh đó, giản đồ Fe-Grafit là hệ cân bằng ổn định nhất, nhưng rất khó đạt được trong thực tế Do đó, giản đồ Fe-Fe3C cũng được xem là một dạng cân bằng ổn định, mặc dù chính xác hơn là cân bằng ổn định giả.
2.3.1 Tương tác giữa Fe và C
Sắt là kim loại khá phổ biến trong vỏ trái đất Sắt nguyên chất kỹ thuật có cơ tính sau:
So với các kim loại như nhôm và đồng, sắt có độ dẻo và độ dai khá cao, tuy nhiên độ bền và độ cứng của nó vẫn chưa đáp ứng đủ yêu cầu sử dụng Khi cacbon được thêm vào sắt, hai nguyên tố này tương tác với nhau, tạo ra dung dịch rắn và pha trung gian, giúp tăng cường độ bền và độ cứng cho hợp kim Fe – C Nhờ vào những tính chất vượt trội này, hợp kim sắt cacbon đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
2.3.1.1 Sự hoà tan của cácbon trong sắt
Cacbon chỉ có thể hoà tan có hạn vào sắt ở dạng dung dịch rắn xen kẽ do kích thước nguyên tử của cacbon nhỏ hơn sắt (rC = 0,077nm, rFe = 0,124nm) Sắt có hai kiểu mạng tinh thể: lập phương tâm khối A2 tồn tại ở nhiệt độ dưới 911°C và 1392 đến 1539°C (Feδ) cùng với lập phương tâm mặt A1 trong khoảng 911 đến 1539°C (Feα), với các lỗ hổng kích thước khác nhau, dẫn đến khả năng hoà tan cacbon cũng khác nhau.
Bằng các tính toán hình học đơn giản, có thể nhận thấy rằng trong mạng lập phương tâm khối của Fe α và Fe δ, mặc dù mật độ thấp và có nhiều lỗ hổng, nhưng kích thước các lỗ hổng lại quá nhỏ (lỗ tám mặt có r = 0,154rFe và lỗ bốn mặt lớn hơn có r = 0,29rFe) Kích thước lớn nhất của các lỗ hổng này chưa đạt 30% kích thước nguyên tử sắt và chỉ khoảng một nửa kích thước nguyên tử cacbon, chỉ chứa khối cầu với r = 0,0364nm, không thể chứa được nguyên tử cacbon Do đó, về lý thuyết, Fe α và Fe δ không có khả năng hòa tan cacbon, và nồng độ hòa tan cacbon trong chúng có thể coi là không đáng kể.
Khác với Fe và Fe, Fe có mạng lập phương tâm mặt A1 với mật độ thể tích cao hơn, nhưng lại có kích thước lỗ lớn hơn (lỗ bốn mặt r = 0,225rFe, lỗ tám mặt r = 0,414rFe) Lỗ hổng tám mặt này có khả năng chứa khối cầu r 0,052nm, cho phép nguyên tử cacbon xâm nhập bằng cách giãn cách các nguyên tử sắt Do đó, chỉ có Fe mới có khả năng hòa tan cacbon, tuy nhiên, nguyên tử cacbon không thể xen kẽ vào mọi lỗ hổng tám mặt, dẫn đến giới hạn hòa tan cacbon trong Fe chỉ khoảng 10% nguyên tử.
2.3.1.2 Tương tác hoá học giữa Fe và C
Khi lượng cacbon trong sắt vượt quá giới hạn hòa tan, tùy thuộc vào hình dạng thù hình và nhiệt độ, các nguyên tử cacbon thừa sẽ kết hợp với Fe3C để hình thành xementit Đây là một pha xen kẽ với cấu trúc mạng phức tạp, có thành phần 6,67% cacbon và 93,33% sắt.
Grafit thực sự là pha ổn định hơn xêmentit, nhưng trong hợp kim thuần Fe – C, việc hình thành grafit rất khó khăn, gần như không thể Do đó, xêmentit được xem là pha giả ổn định Tuy nhiên, việc hình thành grafit có thể diễn ra dễ dàng hơn khi có các yếu tố thuận lợi về thành phần và tốc độ nguội.
2.3.2 Giản đồ pha Fe – C và các tổ chức
Là biểu đồ chỉ rõ sự phụ thuộc của tổ chức hợp kim Fe- C(cụ thể là gang và thép) vào thành phần hóa học và nhiệt độ
Biết được quy luật về sự kết tinh và chuyển biến tổ chức của hợp kim Fe
- C khi nung nóng và làm nguội
Xác định được nhiệt độ nung nóng cho từng loại thép khi rèn, dập và nhiệt luyện
Là tài liệu không thể thiếu của người làm công việc nhiệt luyện
2.3.2.4 Các tổ chức của hợp kim Fe - C trên giản đồ(hình 2.10)
* Các khu vực trên giản đồ
- khu vực I: hợp kim Fe-c có pha lỏng(L)
- khu vực II: lỏng + ôstenit(l+ô)
- khu vực III: lỏng + xêmentitI (L+xêI)
- khu vực V: ôstenit + xêmentitII ( ô+ xêII)
- khu vực VI: ôstenit + xêmentitII + lêđêburit( ô+ xê II +lê)
- khu vực VII: xêmentitI + lêđêburit( xê i +lê)
- khu vực VIII: ôstenit +Ferit( ô +F)
- khu vực IX: peclic + Ferit( p+F) Điểm Nhiệt độ
- khu vực X: peclic + xêmentitII(p + xêII)
- khu vực XI: peclic + xêmentitII + lêđêburit( p+ xêII+Lê)
- khu vực XII: xêmentit I + lêđêburit( xê I +Lê)
* Các tổ chức của hợp kim Fe – c
- Xêmentit: (Fe3C, Xê): là hợp chất hoá học của Fe và C, có độ cứng rất cao(700 HB) có 3 dạng:
+ xêmentit I : kết tinh từ pha lỏng (%c ≥ 4,3%)
+ xêmentitII: kết tinh từ pha rắn (2,14 0,8%)
+ xêmentit III : tiết ra từ dung dịch rắn ferit (0,02 0,006%c)
- Ferit(F): là dung dịch rắn của c trong fe, có độ cứng thấp(80HB), độ dẻo cao, có từ tính
- Ôstenit(ô): là dung dịch rắn của c trong Fe, Ô rất dẻo và dai, phù hợp với công nghệ rèn
- Peclic(p): là hỗn hợp cơ học của F và xê Trong p có 88% F và 12% xê, có tính cắt gọt tốt, p có 2 dạng:
+ peclic tấm: xê ở dạng, tấm, phiến, HB = 200- 220
+ peclic hạt: xê ở dạng hạt HB 0 -200
- Lêđêburit(Lê): là hỗn hợp cơ học của ô và xê (ở t o > 727 o c) hoặc hỗn hợp cơ học của p và xê (ở t o > 727 o c) Lêđêburit rất cứng
* Điểm tới hạn của hợp kim Fe – C:
- Định nghĩa: điểm tới hạn là các nhiệt độ bắt đầu hoặc kết thúc quá trình chuyển biến tổ chức của hợp kim Fe - C ở trạng thái rắn
* Các điểm tới hạn thường dùng khi nhiệt luyện thép(hình 2.11)
Là điểm chuyển biến cùng tích của thép, nghĩa là:
Là điểm chuyển biến bắt đầu tiết ra F từ ô khi làm nguội hoặc kết thúc sự hoà tan f vào ô khi nung nóng
Hình 2.11 Các điểm tới hạn Fe- C
Là điểm chuyển biến bắt đầu tiết ra xê từ ô khi làm nguội hoặc kết thúc sự hoà tan xê vào ô khi nung nóng
Chú ý rằng các nhiệt độ A1, A3, và Acm trên giản đồ chỉ áp dụng trong điều kiện nung nóng và làm nguội rất chậm, điều này khó đạt được trong thực tế sản xuất Do đó, nhiệt độ khi nung nóng thường cao hơn và nhiệt độ khi làm nguội thường thấp hơn các giá trị trên giản đồ.
+ Điểm tới hạn nung nóng: Ac
+ Điểm tới hạn làm nguội: Ar
Vì vậy: Ar1< A1< Acm; Ar3< A3< Ac3; Arcm< Acm< Accm
Ví dụ: thép 40 có A3 = 820 o c nhưng trong thực tế: Ar3= 805810 o c; Ac3830835 o c