(NB) Giáo trình Vật liệu công nghiệp 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 electron 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 vì số lượng proton và electron bằng nhau, được xác định bởi số thứ tự nguyên tử (Z) trong bảng tuần hoàn Menđeleev Khối lượng nguyên tử chủ yếu được xác định bởi khối lượng hạt nhân, do proton và nơtron nặng hơn nhiều so với electron Hạt nhân có thể chứa số lượng nơtron khác nhau, tạo ra 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 như Ag và Au thuộc nhóm IIB (Zn, Cd, Hg) có khả năng nhận thêm điện tử để tạo thành ion âm, tương tự như các nguyên tố nhóm VIB (O, 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 xảy ra 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 đối kháng.
- 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 khi sự khác biệt về tính âm điện giữa các nguyên tử lớn hơn; ví dụ, Na có tính âm điện là 0,9, trong khi Cl là 3,0 Kết quả là, liên kết giữa Na và Cl trong hợp chất NaCl có khoảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị, cho thấy rằng 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 giúp giải thích sự hình thành các phân tử như nước (H2O) và polyetylen (C2H4)n Tuy nhiên, nó không thể giải thích sự tạo thành một số vật rắn từ các phân tử trung hòa 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 không trùng nhau của trọng tâm điện tích dương và âm, tạo ra ngẫu cực điện và làm cho phân tử bị phân cực Liên kết van der Waals là loại liên kết hình thành từ hiệu ứng hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực trong trạng thái rắn Đây là liên kết yếu, dễ bị phá vỡ do 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 chiếm toàn bộ thể tích chứa nó và có khả năng nén được Các nguyên tử hoặc phân tử trong chất khí luôn chuyển động do sự dao động nhiệt, với số lượng nguyên tử trên một đơn vị thể tích thay đổi theo nhiệt độ và áp suất Vị trí của chúng thay đổi ngẫu nhiên, và trung bình mỗi nguyên tử hoặc phân tử chiếm một thể tích hình cầu tương ứng, với đường kính trung bình xác định.
Trong vật rắn tinh thể, mỗi nguyên tử có vị trí xác định không chỉ so với các nguyên tử lân cận mà còn với những nguyên tử xa hơn, tạo nên không gian đồng nhất xung quanh chúng Điều này cho thấy tinh thể có trật tự xa Ví dụ, cấu trúc tinh thể của muối ăn và kim cương minh họa cho đặc điểm này.
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 Điều này dẫn đến việc chất lỏng không có tính chất chịu nén.
Chất rắn vô định hình và vi tinh thể được phân loại dựa trên sự sắp xếp của các nguyên tử, ion hoặc phân tử Các chất rắn tinh thể có cấu trúc sắp xếp theo quy luật hình học nhất định, trong khi các chất rắn vô định hình có cấu trúc hỗn loạn Tất cả kim loại và hợp chất của chúng trong trạng thái rắn đều thuộc loại vật tinh thể, trong khi thủy tinh và nhựa là ví dụ điển hình của vật vô định hình, với cấu trúc không trật tự cả trong trạng thái lỏng và rắn.
Sự khác nhau giữa chất lỏng và vật rắn thể hiện như sau:
Các nguyên tử luôn luôn chuyển động do ba động nhiệt, dẫn đến sự sắp xếp có trật tự nhưng không ổn định trong một vùng không gian nhỏ Chất lỏng có tính chất đẳng hướng, khác với tính dị hướng của chất rắn, vì số lượng nguyên tử và lực liên kết giữa chúng 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 sự giảm thể tích.
Chất khí, chất lỏng và chất rắn có thể được minh họa qua hình ảnh: khi còi báo động vang lên tại hội trường hòa nhạc, khán giả (khí) nhanh chóng rời khỏi; khi buổi hòa nhạc kết thúc, mọi người di chuyển chậm lại (lỏng); và hàng ngũ bộ đội sẵn sàng duyệt binh trên quảng trường thể hiện sự ổn định của 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 cao 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 ở cấp độ 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) Ô cơ sở được xây dựng trên 3 vectơ đơn vị , , tương ứng 3 trục tọa độ
Ox, Oy và Oz Tâm của các nguyên tử (ion hoặc phân tử) ở đỉnh ô là các nút
Mô hình ô cơ sở trong mạng tinh thể được mô tả bởi ba vectơ a, b và c, đại diện cho kích thước ô cơ sở, còn gọi là hằng số mạng hay chu kỳ tuần hoàn Các góc giữa ba vectơ này, ký hiệu là α, β và γ, thể hiện mối quan hệ giữa chúng khi hợp từng đôi một.
Trong mạng tinh thể, có thể lựa chọn nhiều kiểu ô cơ sở khác nhau Tuy nhiên, ô cơ sở là đơn vị tuần hoàn nhỏ nhất, do đó việc lựa chọn cần tuân thủ nguyên tắc để đảm bảo nó đại diện đầy đủ cho tính chất và cấu trúc của toàn bộ tinh thể Các nguyên tắc này rất quan trọng trong việc xác định ô cơ sở phù hợp.
- 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 yếu tố như a, b, c và các góc α, β, γ, người ta phân chia tinh thể thành 7 hệ khác nhau Khi tịnh tiến các ion, phân tử hoặc nguyên tử về tâm của mặt và tâm khối, ta có thể hình thành 14 kiểu mạng Bravais Tất cả các mạng tinh thể của chất rắn đều có thể được biểu diễn bằng 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
Thông số mạng, hay còn gọi là hằng số mạng, là kích thước cơ bản của mạng tinh thể, cho phép tính toán các 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
Các nguyên tử trong mạng tinh thể được hình dung như những quả cầu rắn, sắp xếp chặt chẽ theo ba trục vuông góc x, y, z Khi nối các tâm của những quả cầu này, ta sẽ 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 cũng 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 trục tọa độ đã chọn, và được đặt trong ngoặc vuông kép ([[ ]]) Các tọa độ âm sẽ được ký hiệu bằng dấu (-) ở vị trí tương ứng Ví dụ, nút A có tọa độ trên trục a.
Do tính đối xứng của mạng tinh thể, tọa độ của mọi nút mạng có thể suy ra bằng cách tịnh tiến các nút trong ô cơ sở với các bước là số nguyên lần hằng số mạng a, b, c Chẳng hạn, 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 + n₁a, y₁ = y₀ + n₂b, z₁ = z₀ + n₃c, 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 đi qua các nút trong mạng tinh thể, được xác định bởi các khoảng cách theo quy luật nhất định Nó được ký hiệu bằng ba số nguyên u, v, w, tỷ lệ thuận với tọa độ của một nút gần gốc tọa độ nhất nằm 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, ta có thể tìm chỉ số của phương song song với nó đi qua gốc tọa độ Các phương song song với tính chất tương đồng sẽ tạo thành hệ phương, ký hiệu là [uvw] Ngược lại, những phương không song song nhưng có tính chất giống nhau 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 thị bằng ba số nguyên h, k, l, phản ánh tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ gốc tọa độ đến giao điểm của mặt phẳng với các trục Ox, Oy và Oz Để xác định các chỉ số h, k, l cho 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)
Để quy đồng mẫu số chung cho các số nghịch đảo đã tìm được, ta sử dụng ba số nguyên h, k, l Trên phần tử số, chỉ số Miller của mặt phẳng đang xét sẽ được xác định Mặt phẳng P, như thể hiện 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
Khi mặt phẳng song song với trục tọa độ, chỉ số Miller sẽ tỉ lệ với 1/∞, tương đương với giá trị bằng 0 (chẳng hạn như mặt phẳng (001) song song với trục Ox và Oy) Các giá trị âm được biểu thị bằng dấu (-) trong chỉ số tương ứng.
Hệ mặt phẳng tinh thể được ký hiệu bằng (h, k, l) gồm những mặt song song có tính chất giống nhau Để xác định chỉ số của một mặt bất kỳ, chỉ cần tìm chỉ số của mặt phẳng song song với nó trong ô cơ sở chứa trục độ Mặc dù các mặt phẳng không song song nhưng chúng có tính chất tương tự, tạo thành một họ mặt phẳng Chỉ số Miller của các mặt phẳng trong họ được ký hiệu là {hkl}, với giá trị tuyệt đối h, k, l giống nhau, chỉ thay đổi vị trí Ví dụ, trong mạng tinh thể có ô cơ sở hình lập phương, các mặt như (100), (101), (001) 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 và mặt cùng họ có chỉ số khác nhau Để biểu diễn phương và mặt tinh thể trong hệ này, cần sử dụng chỉ số Miller-Bravais với bốn trục: Ox, Oy, Oz và Ou Ba trục Ox, Oy, Ou nằm trên mặt phẳng đáy của ô cơ sở, mỗi cặp tạo với nhau một góc 120º vuông góc 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 để ký hiệu mặt tinh thể, các chỉ số được ghi trong ngoặc đơn dưới dạng (hkil), với mối 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 thường xếp sát nhau, tuy nhiên cách vẽ phổ biến lại là hình c Trong mạng A2, các nguyên tử được sắp xếp chặt chẽ theo phương đường chéo khối , điều này cho thấy sự dễ dàng trong việc nhận diện cấu trúc hình học của chúng.
- Đường kính dng.t và bán hình nguyên tử rng.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)
Các mặt tinh thể xếp dày đặc nhất thuộc họ (110) với mật độ xếp thể tích là 0,68 hay 68% Trong cấu trúc này, tồn tại hai loại lỗ hổng: lỗ hổng hình bốn mặt và lỗ hổng hình tám mặt Lỗ hổng hình tám mặt có kích thước 0,154 dng.t và nằm ở tâm 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 kích thước nhỏ, với kích thước lớn nhất không vượt quá 30% đường kính nguyên tử Mạng chính phương tâm khối khác biệt với mạng A2 ở chỗ có hai thông số mạng a và c, với a ≠ c Kiểu mạng này thường gặp trong quá trình nhiệt luyện (tôi) của mactenxit.
Khác với mạng A2, trong cấu trúc này, nguyên tử nằm ở trung tâm các mặt bên của khối Mặc dù cần đến mười bốn nguyên tử để biểu thị cho 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 (như hình a, b), nhưng cách biểu diễn như hình c lại phổ biến hơn Trong mạch A1, các nguyên tử xếp chặt theo phương đường chéo mặt , cho thấy sự sắp xếp này dễ nhận diện về mặt hình học.
- Đường kính dng.t và bán kính nguyên tử rng.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 tinh thể A1 có số sắp xếp là mười hai với mật độ xếp thể tích đạt 74% (0,74), cho thấy đây là kiểu xếp dày đặc hơn mạng A2 và là một trong hai kiểu xếp dày đặc nhất, bên cạnh 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 Kích thước lỗ hổng bốn mặt là 0,225dng.t.
Các đường chéo khối được tính từ đỉnh, trong đó loại 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 số lượng lỗ hổng lại ít hơn, đồng thời kích thước lỗ hổng lớn hơn đáng kể (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 kim loại tiêu biểu như sắt (Fe), niken, đồng và nhôm có kiểu mạng tinh thể đặc trưng với hằng số a mạng lần lượt là 0,3656 mm, 0,3524 mm, 0,3615 mm và 0,4049 mm Ngoài ra, chì, bạc và vàng cũng thuộc nhóm 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) n v = 12 đỉnh 1/6 + 2 giữa mặt 1/2 + 3 = 6 nguyên tử
Trong kiểu mạng này, các nguyên tử được sắp xếp gần nhau theo các mặt đáy (0001), trong đó mỗi mặt đáy bao gồm ba nguyên tử song song Các mặt đáy chồng khít vào nhau, tạo ra khe hở giữa các nguyên tử Nếu mặt đáy có vị trí a, sẽ hình thành các khe hở b và c Khi thứ tự sắp xếp chồng chéo luân phiên chỉ là hai trong ba vị trí như ABABA, ACACA, hoặc BCBCB, sẽ tạo ra mạng sáu phương chặt chẽ, với chiều cao c của ô phụ thuộc vào cạnh a của lục giác đáy, trong đó 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
Các tính toán cho thấy mặt đáy (0001) và thể tích của mạng A3 có mật độ tương tự như mặt (111) và thể tích của mạng A1, với các giá trị 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 là ABCABCA Trong cấu trúc sắp xếp xít chặt, mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử lân cận ở khoảng cách a, trong khi cấu trúc không xếp chặt có số sắp xếp là 6+6 Mạng A3 cũng chứa các lỗ hổng bốn mặt và tám mặt, tuy nhiên, các kim loại có kiểu mạng này ít phổ biến hơn.
- Titan (tiỏ) 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 trong liên kết đồng hoá trị góp chung một điện tử hoá trị để đạt được cấu hình điện tử ổn định với tám điện tử Nếu số điện tử hoá trị của nguyên tố là N, thì mỗi nguyên tử cần liên kết với 8-n nguyên tử khác Điều này dẫn đến việc hình thành cấu trúc với 8-n nguyên tử sắp xếp đều xung quanh.
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)
Kim cương là một dạng thù hình của cacbon với cấu hình điện tử 1s² 2s² 2p², trong đó số điện tử lớp L tham gia liên kết là bốn (N = 4) Mỗi nguyên tử cacbon có bốn nguyên tử xung quanh gần nhất Ô cơ sở mạng kim cương được hình thành từ ô cơ sở A1 với bốn nguyên tử bổ sung ở các tọa độ nhất định.
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 chúng là tính dị hướng, do mật độ xếp chặt nguyên tử khác nhau Đơn tinh thể 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 chịu tác động từ các hạt xung quanh, dẫn đến cấu trúc "trung gian" và sự sắp xếp không trật tự, tạo ra trạng thái vô định hình và kém xít chặt Điều này có thể quan sát được qua cấu trúc hạt đa tinh thể hoặc các hạt bằng kính hiển vi quang học.
Độ hạt của tinh thể có thể được quan sát định tính qua mặt gãy, nhưng để có kết quả chính xác, cần phải xác định 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
Siêu hạt, hay còn gọi là block, là những hạt có kích thước từ 0,1 đến 10 µm, với phương mạng lệch nhau một góc rất nhỏ (≤ 1-2 độ) Mỗi siêu hạt bao gồm nhiều thể tích nhỏ hơn và biên giới của chúng 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 [111])
Cấu trúc đa tinh thể có tính dị hướng, với ứng dụng chính trong thép biến thế, cho thấy tính chất từ cực đại theo chiều textua và cực tiểu theo phương vuông góc, giúp giảm thiểu tổn thất.
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 cho từng loại kim loại, quá trình kết tinh sẽ xảy ra Điều này là do sự giảm nhiệt độ làm cho các nguyên tử trong kim loại mất năng lượng và bắt đầu sắp xếp lại theo cấu trúc tinh thể ổn định Kết quả là, kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, hình thành các tinh thể với tính chất vật lý đặc trưng Việc hiểu rõ quá trình này là rất quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo và luyện kim.
Trong tự nhiên, mọi quá trình tự phát đều diễn ra theo chiều giảm năng lượng, tức là trạng thái mới luôn 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 là những nhóm nguyên tử hình thành trong pha lỏng, có cấu trúc gần giống như tinh thể rắn và có khả năng phát triển thành các hạt tinh thể Chỉ những mầm tự sinh có bán kính đạt đến giá trị tới hạn rth mới có thể tiếp tục lớn lên thành hạt tinh thể, trong khi những mầm có bán kính nhỏ hơn sẽ tan trở lại vào kim loại lỏng.
Nghiên cứu cho thấy rằng tốc độ làm nguội càng cao thì độ quá nguội cũng tăng theo Điều này có nghĩa là khi kim loại được làm nguội nhanh chóng trong quá trình đúc, sẽ có nhiều mầm tinh thể đạt giá trị rth, dẫn đến kích thước hạt tinh thể nhỏ hơn Kết quả là, sản phẩm đúc sẽ có chất lượng tốt hơn.
* Mầm ký sinh (mầm dị thể)
Mầm kí sinh là những hạt không tự sinh ra trong kim loại lỏng, mà phụ thuộc vào các phần tử rắn có sẵn, giúp tăng số lượng mầm và thúc đẩy quá trình kết tinh nhanh chóng Việc thêm chất biến tính, như nhôm trong thép hoặc kẽm trong nhôm, vào kim loại lỏng có thể làm nhỏ hạt tinh thể và nâng cao chất lượng sản phẩm đúc Chất biến tính tạo ra các hợp chất khó chảy, tồn tại dưới dạng hạt rắn nhỏ lơ lửng trong pha lỏng và khi nguội, chúng trở thành trung tâm tạo 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, giúp kim loại có tổ chức nhỏ và cơ tính cao.
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 sự hình thành của mầm, người ta đã đưa ra giả thuyết 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 mầm phát triển tự do trong môi trường lỏng Các bề mặt giới hạn của mầm cần phải là những mặt tinh thể với cấu trúc 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, với quá trình kết tinh diễn ra theo các bước nhất định Đầu tiên, tinh thể hình thành trục chính A, sau đó phát triển theo trục thứ hai (B) và trục thứ ba (C) Cuối cùng, kim loại lỏng xung quanh sẽ lấp đầy khoảng không gian giữa các trục 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 thỏi đúc năm 1878.
Quá trình kết tinh diễn ra qua hai giai đoạn chính: tạo mầm và sự phát triển của các mầm này Khi các mầm đầu tiên hình thành và lớn lên, kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra những mầm mới, và các mầm này cũng tiếp tục phát triển 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 diễn ra qua một quá trình liên tục, bắt đầu từ việc trong một đơn vị thể tích kim loại lỏng, mỗi giây có ba mầm tinh thể mới được sinh ra Ở giây thứ hai, ba mầm từ giây đầu tiên tiếp tục phát triển và ba mầm mới xuất hiện Quá trình này tiếp diễn cho đến khi toàn bộ khối kim loại lỏng được kết tinh hoàn toàn, tạo thành khối kim loại đa tinh thể Từ quá trình kết tinh này, có thể rút ra nhiều nhận xét quan trọng về sự hình thành và phát triển của các hạt tinh thể.
Hình 1.20 Sự tạo thành các hạt tinh thể
Mỗi hạt kim loại được hình thành từ một mầm, và do sự phân bố ngẫu nhiên của các mầm trong không gian, phương giữa các hạt kim loại sẽ bị lệch nhau một góc nhất định.
Các hạt có kích thước không đồng đều do các mầm sinh ra trước đó có điều kiện phát triển tốt hơn, với nhiều kim loại lỏng bao quanh và thời gian phát triển dài hơn, dẫn đến kích thước lớn hơn so với các 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
4.Thế nào là đơn tinh thể, đa tinh thể Nêu đặc tính và ứng dụng của chúng
5.Trình bày hai quá trình của sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại.
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 vật liệu được tạo ra từ quá trình nấu chảy hoặc thiêu kết của hai hoặc nhiều nguyên tố, trong đó nguyên tố chính thường là kim loại, nhằm tạo ra một sản phẩm mới với các tính chất kim loại đặc trưng.
Hợp kim là vật thể bao gồm nhiều nguyên tố kim loại, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao, dẻo và dễ biến dạng Chúng được hình thành từ sự kết hợp giữa hai kim loại (như đồng và kẽm trong la tatông) hoặc giữa một kim loại với một á kim (như thép và gang với 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, với nhiều nguyên tố khác nhau Nguyên tố kim loại chiếm tỷ lệ lớn nhất (>50%) được gọi là nền hay nguyên tố chủ Thành phần của các nguyên tố trong hợp kim thường được biểu thị bằng phần trăm khối lượng.
2.1.1.2 Ưu việt của hợp kim
Các kim loại nguyên chất 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 về sử dụng, gia công và kinh tế Vật liệu cơ khí cần có độ bền cao để chịu tải lớn mà không bị giòn, trong khi kim loại nguyên chất có độ dẻo tốt nhưng độ cứng và khả năng chống mài mòn kém hơn nhiều so với hợp kim Sự cân bằng giữa độ bền, độ cứng và độ dẻo là yếu tố quyết định trong việc lựa chọn vật liệu, giúp hợp kim trở thành lựa chọn tối ưu cho máy móc và thiết bị Hơn nữa, tính công nghệ của hợp kim đa dạng và thích hợp cho nhiều phương pháp chế biến, trong khi kim loại nguyên chất khó gia công hơn.
Hầu hết các hợp kim đều có thể được tạo hình thông qua hai phương pháp chính: biến dạng dẻo và đúc Phương pháp biến dạng dẻo bao gồm các kỹ thuật như cán, kéo, ép chảy để sản xuất các bán thành phẩm dài, rèn để tạo phôi cho cắt gọt, và dập để tạo thành sản phẩm hoàn thiện 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 cần thiết để đảm bảo sản phẩm đạt kích thước và hình dạng chính xác, cùng với bề mặt nhẵn bóng Điều này đặc biệt quan trọng khi các thành phần được lắp ghép với nhau trong máy móc và thiết bị.
Nhiều hợp kim, đặc biệt là thép, chiếm tới 90% tổng sản lượng vật liệu kim loại, rất nhạy cảm 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 hơn so với luyện kim loại nguyên chất, do không 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 do nhiệt độ chảy thấp và ít cần khử bỏ carbon trong sản phẩm Đối với yêu cầu độ bền cao, việc khử bỏ carbon và tạp chất khác hoàn toàn không cần thiết và 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 hợp kim riêng biệt trong những điều kiện xác định, hoặc là một loạt hợp kim khác nhau nhưng có các cấu tử tương đồng.
Pha là thành phần đồng nhất trong cấu trúc hệ hợp kim, có các tính chất cơ, lý và hóa học xác định Giữa các pha này tồn tại bề mặt phân cách, và các pha khác nhau có thể bao gồm đơn chất, dung dịch lỏng, dung dịch rắn, khí, và các dạng thù hình khác nhau.
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)
Trong lĩnh vực nhiệt động học, trạng thái cân bằng hay ổn định 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 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 nhỏ nhất dưới các điều kiện nhiệt độ, áp suất và thành phần xác định.
Hệ thống có thể được phân loại thành ba trạng thái: ổn định, không ổn định và giả ổn định Trong các trạng thái này, đặc tính cấu trúc và tính chất của hệ thống không thay đổi theo thời gian, duy trì sự ổn định vĩnh viễn Thông thường, hệ thống ở trạng thái cân bằng có độ bền và độ cứng thấp nhất, không chịu ứng suất bên trong, và sự xô lệch mạng tinh thể là tối thiểu, 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 đột ngột chuyển sang trạng thái cân bằng mới với năng lượng tự do thấp hơn, tức là xảy ra chuyển pha Trạng thái không cân bằng thường không ổn định và có xu hướng chuyển đổi sang trạng thái cân bằng, đặc biệt khi bị nung nóng Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường, quá trình này có thể diễn ra rất chậm, khiến trạng thái không cân bằng tồn tại trong thời gian ngắn Dù không thể tồn tại vĩnh viễn về lý thuyết, trạng thái không cân bằng vẫn có ý nghĩa quan trọng trong thực tế, vì nó thường đáp ứng các yêu cầu về cơ tính như độ bền và độ cứng cao hơn.
Trạng thái không cân bằng thường hình thành khi quá trình làm nguội diễn ra nhanh chóng, và nhiều loại hợp kim, đặc biệt là thép, được sử dụng trong trạng thái này để đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu.
*Trạng thái giả ổn định
Khái niệm về trạng thái giả ổn định đề cập đến tình huống mà trạng thái cân bằng lý thuyết chỉ tồn tại khi làm nguội rất chậm, điều này khó xảy ra trong thực tế Mặc dù giả ổn định thực chất là không ổn định, nhưng nó vẫn tồn tại một cách ổn định trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, ngay cả khi bị nung nóng.
2.1.1.4 Phân loại các tương tác
Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
Mặc dù biết rằng có sự tương tác giữa hai nguyên tố, nhưng để xác định chính xác các tương tác này, cần dựa vào các thực nghiệm nhằm xây dựng 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 với hợp kim ở trạng thái cân bằng, như làm nguội rất 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 tương ứng với các thành phần và nhiệt độ nhất định, và những sai lệch có thể được lý giải Do đó, giản đồ pha là công cụ quan trọng trong việc khảo sát hợp kim và ceramic, giúp hiểu rõ cấu trúc và cần thiết cho việc sử dụng hiệu quả các vật liệu này.
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 (f) là số lượng các yếu tố độc lập có thể thay đổi mà không làm thay đổi trạng thái của hệ, được xác định theo quy tắc pha của Gibbs Mối quan hệ giữa số cấu tử (c), số pha (p) và bậc tự do (f) được thể hiện qua công thức F = c - p + 1 Trong nghiên cứu và sử dụng vật liệu trong khí quyển, áp suất không được tính đến, do đó yếu tố bên ngoài chỉ còn lại là nhiệt độ.
Nếu F = 0, hệ thống có vô số trạng thái khả thi, không có yếu tố nào cố định Khi đó, số pha p sẽ bằng c + 1, trong đó c là số cấu tử Ví dụ, đối với kim loại nguyên chất (c = 1), khi nóng chảy hoặc kết tinh, sẽ có hai pha tồn tại (p = 2), bao gồm pha lỏng và pha rắn Một ví dụ cụ thể là hợp kim đồng (Cu).
Ni ở nhiệt độ thường tồn tại dưới dạng dung dịch rắn và khi được nung nóng, nó sẽ chuyển thành dung dịch lỏng Trong quá trình nóng chảy, hợp kim này có hai pha (dung dịch rắn và lỏng) với số bậc tự do bằng 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 thành phần của hợp kim (như thêm hoặc bớt Cu, Ni) mà vẫn giữ được trạng thái hai pha.
Trong hệ nhị biến với F = 2, có thể thay đổi đồng thời cả nhiệt độ và thành phần, dẫn đến p = c - 1, nghĩa là 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 trạng thái lỏng có thể thay đổi nhiệt độ và thành phần dễ dàng mà vẫn duy trì một pha.
Khi 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, với giá trị nhỏ nhất là không Do đó, số pha tối đa của hệ ở trạng thái cân bằng được xác định là pmax = c + 1, nghĩa là không thể vượt quá số cấu tử quá một đơn vị Trong hệ cấu tử một cấu tử, pmax sẽ được xác định theo quy tắc này.
Trong hệ thống hai cấu tử, số pha tối đa có thể tạo ra là hai, trong khi đó, hệ ba cấu tử có thể tạo ra tối đa bốn pha Thông tin này rất hữu ích cho việc xác định các pha của hệ, giúp hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các cấu tử.
2.2.2 Giản đồ pha và công dụng
Giản đồ pha, hay còn gọi là giản đồ trạng thái, 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, được xây dựng thông qua 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, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tra cứu thông tin.
Hệ một cấu tử không thay đổi thành phần có giản đồ pha với một trục duy nhất, trên đó thể hiện nhiệt độ chảy (kết tinh) và các nhiệt độ chuyển biến thù hình (nếu có), như minh họa trong hình 2.4 đối với trường hợp của sắt.
Giản đồ pha hệ hai cấu tử được thể hiện qua hai trục, trong đó trục tung biểu thị nhiệt độ và trục hoành biểu thị thành phần, thường được tính theo % khối lượng Các đường phân chia khu vực pha được xác định dựa trên những nguyên tắc cụ thể.
- Xen giữa hai khu vực một pha là khu vực hai pha tương ứng
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
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 Các 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 tương ứng với 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 trong giản đồ pha đại diện cho từng cấu tử của hệ hai cấu tử, với cấu tử A ở bên trái và cấu tử B ở bên phải Giản đồ pha được biểu thị chính xác trên mặt phẳng, giúp dễ dàng xác định các thông số quan trọng cho một thành phần cụ thể tại một nhiệt độ nhất định.
Các pha tồn tại trong một hợp kim được xác định dựa trên tọa độ nhiệt độ và thành phần Khi tọa độ nằm trong vùng một pha, hợp kim sẽ có tổ chức một pha; nếu tọa độ nằm trong vùng hai pha, tổ chức của hợp kim sẽ là hai pha.
Khi tọa độ nằm trong vùng một pha, thành phần của pha cấu tạo nên hợp kim sẽ trùng với các thành phần của hợp kim đã chọn Ngược lại, khi tọa độ nằm trong vùng hai pha, việc xác định thành phần trở nên phức tạp hơn Để xác định, cần kẻ đường nằm ngang (đẳng nhiệt) qua tọa độ này; hai giao điểm của nó với hai 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 Cụ thể, ba điểm trên (gồm tọa độ và hai pha) tạo thành hai đoạn thẳng, trong đó độ dài mỗi đoạn thể hiện tỷ lệ tương đối của pha đối diện.
*Suy đoán tính chất của hợp kim zckl
Theo quy tắc kết hợp thì tính chất của hợp kim phk là tổng hợp tính chất cảu từng pha theo tỷ lệ bậc nhất p hk = n pha Ppha
Ngoài ra từ giản đồ pha của hệ hai cấu tử biết được:
Lượng pha phải Độ dài đoạn thẳng phải (đòn bên phải) Độ dài đoạn thẳng trái (đòn bên trái)
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 thường gặp và có ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn 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 hàm lượng cacbon lên đến 6,67% (tương ứng với Fe3C), tạo thành hệ thống Fe-Fe3C Mặc dù giản đồ Fe-Grafit là hệ cân bằng ổn định nhất, nhưng rất khó để đạt được trong thực tế Do đó, giản đồ Fe-Fe3C thường được xem là hệ cân bằng ổn định, mặc dù thực chất chỉ 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 khác như nhôm và đồng, sắt có tính dẻo và dai, nhưng độ bền và độ cứng của nó vẫn còn thấp so với 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 Hợp kim này hiện đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng.
2.3.1.1 Sự hoà tan của cácbon trong sắt
Cacbon chỉ có thể hòa tan có hạn vào sắt do kích thước nguyên tử, với bán kính 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 từ 1392 đến 1539°C) và lập phương tâm mặt A1 (911 đến 1539°C), mỗi kiểu mạng có kích thước lỗ hổng khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng hòa tan cacbon.
Bằng các tính toán hình học đơn giản, có thể thấy rằng mặc dù mạng lập phương tâm khối của Feα và Feδ có mật độ thấp và nhiều lỗ hổng, nhưng kích thước các lỗ hổng này quá nhỏ Cụ thể, lỗ tám mặt có bán kính 0,154rFe và lỗ bốn mặt lớn hơn có bán kính 0,29rFe, với kích thước lớn nhất chưa bằng 30% kích thước nguyên tử sắt và gần một nửa kích thước nguyên tử cacbon Điều này dẫn đến việc lỗ hổng chỉ chứa nổi khối cầu có bán kính 0,0364nm, không đủ để chứa nguyên tử cacbon Do đó, nguyên tử Feα và Feδ về lý thuyết 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 có kích thước lỗ lớn hơn, như lỗ bốn mặt và lỗ tám mặt Lỗ tám mặt có khả năng chứa khối cầu có bán kính 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 tất cả các 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 hàm lượng cacbon trong sắt vượt quá giới hạn hòa tan, tùy thuộc vào hình dạng thù hình và nhiệt độ, các nguyên tử cacbon dư thừa sẽ kết hợp với sắt để tạo thành xementit (Fe3C) 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, thậm chí có thể coi là không thể Do đó, xêmentit được xem là pha giả ổn định Tuy nhiên, sự hình thành grafit có thể 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 + xêmentit II + lêđêburit( ô+ xêII+lê)
- khu vực VII: xêmentitI + lêđêburit( xêi+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: xêmentitI + lêđêburit( xêI+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:
+ xêmentitI: kết tinh từ pha lỏng (%c ≥ 4,3%)
+ xêmentitII: kết tinh từ pha rắn (2,14 0,8%)
+ xêmentitIII: 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
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 có thể đạt được trong thực tế sản xuất Do đó, khi nung nóng, nhiệt độ chuyển biến thường cao hơn và khi làm nguội, nhiệt độ luôn thấp hơn các nhiệt độ ghi 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