Cấu tạo của kim loại lỏng và điều kiện kết tinh
Phần lớn các kim loại được luyện bằng phương pháp nấu chảy, sau đó đem đúc thành sản phẩm hay bán sản phẩm. Chất lượng vật đúc phụ thuộc vào phần lớn vào quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, đó là quá trình kết tinh.
Định nghĩa: Kết tinh là quá trình hình thành mạng tinh thể từ trạng thái lỏng và thường được gọi là kết tinh lần thứ I.
a. Cấu tạo của kim loại lỏng
Trong kim loại lỏng các nguyên tử không sắp xếp hỗn loạn như ở trạng thái khí, song cũng không sắp xếp trật tự như trạng thái rắn. Nếu xem xét biểu hiện bên ngoài thì kim loại lỏng gần với kim loại rắn hơn so với trạng thái khí.
Cấu tạo kim loại lỏng có những đặc điểm sau:
- Lên kết vẫn là liên kết kim loại như ở trạng thái rắn nhưng có yếu hơn
- Các nguyên tử luôn có xu hướng sắp xếp trật tự, tức là nguyên tử luôn giữ khoảng cách nhất định với các nguyên tử bên cạnh và luôn có số nguyên tử nhất định bao quanh nó.
- Chuyển động nhiệt của nguyên tử ở trạng thái lỏng rất lớn, do đó xu hướng sắp xếp có trật tự luôn bị phá huỷ và thay bằng sự sắp xếp có trật tự mới.
- Trong kim loại lỏng có nguyên tử tự do.
b. Tính chất của kim loại lỏng
- Thể tích kim loại lỏng và rắn khác nhau không nhiều lắm, phần lớn kim loại nóng chảy tăng 2÷6%, trừ Ga (Gali) và Bi (Bitmut) thể tích giảm 30%.
- Nhiệt nóng chảy bé, chỉ bằng 5÷10% nhiệt hoá hơi.
- Gần điểm nóng chảy nhiệt dung kim loại lỏng chỉ khác kim loại rắn 10%, trong khi đó kim loại rắn và khí khác nhau 25%.
Điều kiện năng lượng của quá trình kết tinh
Trong tự nhiên mọi quá trình tự phát đều xảy ra theo chiều giảm năng lượng, tức là theo chiều ở trạng thái mới có năng lượng dự trữ nhỏ hơn.
Ví dụ: Một hòn bi đặt vị trí A luôn có xu hướng lăn xuống vị trí B ổn định hơn. Trong trường hợp này, năng lượng dự trữ là thế năng của hòn bi.
Trong hệ thống vật chất gồm chuyển động của các chất điểm (nguyên tử, phân tử) thì năng lượng dự trữ được đặc trưng bằng năng lượng tự do F.
Trong đó:
- U là nội năng của hệ thống
- S là entrôpi
- T là nhiệt độ tuyệt đối độ K
Năng lượng tự do thay đổi theo nhiệt độ và các yếu tố khác. Từ biểu đồ mối quan hệ giữa năng lượng và nhiệt độ ta thấy:
- Với T > Ts ta có Fr > F1 do đó kim loại tồn tại trạng thái lỏng.
- Với T < Ts ta có Fr < F1 do đó kim loại tồn tại trạng thái rắn.
Như vậy khi làm nguội kim loại lỏng xuống dưới nhiệt độ Ts sẽ có quá trình kết tinh xảy ra. Tại nhiệt độ Ts ta có Fr = Fl, năng lượng tự do của hai trạng thái bằng nhau, quá trình kết tinh chưa xảy ra, nghĩa là kim loại rắn và kim loại lỏng cân bằng động. Điều có có nghĩa là nếu có một lượng kim loại lỏng kết tinh thì cũng có một lượng kim loại rắn như vậy nóng chảy. Chỉ ở nhiệt độ T< Ts để Fr < Fl rõ rệt thì sự kết tinh mới xảy ra. Ts gọi là nhiệt độ kết tinh lý thuyết.
Như vậy nhiệt độ kết tinh thực tế luôn luôn thấp hơn Ts hiện tựơng này gọi là sự quá nguội và hiệu số giữa hai nhiệt độ đó gọi là độ quá nguội, ký hiệu ∆T. Phần lớn các kim loại kết tinh với độ quá nguội ∆T nhỏ, khoảng 2 ÷ 5 0C. Tuy nhiên cũng có kim loại kết tinh với nhiệt độ quá nguội lớn (Sb [Sb (Stibi/Antimon) có ∆T = 410C].
Vậy điều kiện năng lượng để xảy ra quá trình kết tinh là phải làm nguội kim loại lỏng tới nhiệt độ thấp hơn Ts hay kim loại lỏng chỉ kết tinh với sự quá nguội nhất định. Ta cũng lý luận tương tự như vậy quá trình nóng chảy và chuyển biến thù hình. Do độ quá nguội và độ quá nung của phần lớn kim loại bé nên có thể dựa vào Ts để xác định nhiệt độ nóng chảy hay kết tinh kim loại.
Hai quá trình của sự kết tinh
Khi hạ nhiệt độ kim loại lỏng xuống thấp hơn nhiệt độ kết tinh lý thuyết Ts, quá trình kết tinh xảy ra. Sự kết tinh thực hiện được là nhờ hai quá trình sau:
- Trong kim loại lỏng xuất hiện những trung tâm kết tinh có kích thước rất nhỏ, gọi là mầm kết tinh. Quá trình này gọi là quá trình tạo mầm.
- Các mầm này phát trển lên và tạo thành hạt tinh thể. Quá trình này gọi là phát triển mầm.
Quá trình tạo mầm (trung tâm kết tinh)
Tạo mầm là quá trình tạo nên các phần tử rắn có cấu tạo tinh thể, có kích thước rất nhỏ trong lòng khối kim loại lỏng, chúng là những mầm mống đầu tiên để phát triển lên thành hạt tinh thể.
Theo đặc tinh phát sinh mầm được chia làm hai loại là mầm tự sinh (đồng pha) và mầm không tự sinh (ký sinh).
- Mầm tự sinh (mầm đồng pha)
Là mầm sinh ra trực tiếp từ kim loại lỏng không cần sự giúp đỡ của bề mặt các hạt rắn có sẵn trong đó.
Tại nhiệt độ thấp hơn Ts các nguyên tử sắp xếp có trật tự trong kim loại lỏng có kích thước lớn hơn một giá trị xác định ứng với mỗi nhiệt độ sẽ cố định lại, không tan đi nữa và có đều kiện phát triển thành hạt tinh thể.
Ta xét năng lượng của sự tạo mầm này, giả sử rằng tại một nhiệt độ nào đó nhỏ hơn Ts trong kim loại lỏng xuất hiện n nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự có thể tích v. Tại nhiệt độ này ta có Fr < F1. Gọi ∆Fv = F1 - Fr là hiệu số năng lượng tự do giữa kim loại lỏng và kim loại rắn cho một đơn vị thể tích kim loại lỏng thì ∆Fv < 0 khi T < Ts. Khi tạo ra n nhóm nguyên tử trật tự nói trên thì năng lượng của hệ thống giảm đi một lượng n.v. ∆Fv . Nhưng do tạo nên bề mặt tiếp xúc giữa rắn và lỏng nên năng lượng tự do sẽ tăng thêm n.s.δ. Trong đó s là diện tích tiếp xúc giữa nhóm nguyên tử với kim loại lỏng, còn δ là sức căng bề mặt trên đơn vị diện tích. Khi tạo ra n nhóm nguyên tử sắp xếp có trật tự thì năng lượng cả hệ thống biến đổi là:
Coi các nhóm nguyên tử trật tự có dạng hình cầu bán kính r ta có:
Ở nhiệt độ nhỏ hơn Ts thì ∆F và δ là hằng số nên ∆F = f(r). Bằng thực nghiệm người ta vẽ được đồ thị về sự phụ thuộc giữa năng lượng tự do và bán kính r của nhóm nguyên tử trật tự. Từ đồ thị ta nhận thấy:
- Nếu nhóm nguyên tử trật tự có r1 < rth thì nó phát triển lên làm cho năng lượng của hệ thống tăng lên, không phù hợp với tự nhiên nên sẽ tan đi.
- Nếu nhóm nguyên tử trật tự có r2 > rth thì nó phát triển lên làm giảm năng lượng của hệ thống và nó trở thành mầm thật sự.
Kết luận: Tại một nhiệt độ nhất định nhỏ hơn Ts trong kim loại lỏng có vô số nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự có kích thước khác nhau, chỉ những nhóm nào có kích thước lớn hơn một giá trị tới hạn nào đó mới trở thành mầm thật sự, còn những nhóm khác tan đi.
Ta có thể tính bán kính tới hạn như sau: Tìm giá trị cực đại của biều thức (1) và tính được
giá trị r = 0 không có ý nghĩa.
Khi nhiệt độ kết tinh càng thấp (∆Fv lớn) thì rth càng nhỏ và càng có nhiều nhóm nguyên tử trật tự có kích thước lớn hơn rth để trở thành mầm. Do đó sự kết tinh xảy ra dễ dàng hơn. Tại T = Ts ta có rth = ∞, quá trình sinh mầm không xảy ra.
- Mầm không tự sinh (ký sinh)
Là mầm kết tinh được tạo nên trên bề mặt của các hạt rắn có sẵn trong kim loại lỏng. Trong nguyên loại lỏng không thể nguyên chất tuyệt đối được, nên bao giờ cũng có tạp chất. Đó là chất lẫn lộn không tan như bụi than, bụi tường lò, các ôxyt, nitric, …Chúng giúp cho quá trình sinh mầm trên bề mặt chúng xảy ra dễ dàng hơn. Vai trò của mầm không tự sinh rất quan trọng trong thực tế và do vậy quá trình kết tinh xảy ra nhanh chóng.
Mầm không tự sinh bao gồm:
- Các phần tử lẫn lộn không tan rất nhỏ như ôxyt, bụi tường lò, nitric, hydric… có kiểu mạng và kích thước không sai khác nhiều với kim loại kết tinh.
- Các hạt nhỏ có khả năng hấp thụ trên bề mặt của chúng những nguyên tử kim loại kết tinh.
- Thành khuôn đúc, đặc biệt là các vết nứt và chỗ lồi lõm trên thành khuôn.
Quá trình phát triển mầm
Sau khi các mầm được tạo ra chúng sẽ phát triển thành hạt tinh thể. Quá trình này làm cho năng lượng hạt tự do của hệ giảm đi phù hợp với tự nhiên (là quá trình tự phát). Ta có thể minh hoạ quá trình này bằng cơ cấu mầm 2 chiều (Cosen) và cơ cấu mầm kết tinh có lệch xoắn.
Sự tạo thành hạt tinh thể và hình dáng kim loại đúc
a. Sự hình thành hạt tinh thể
Sự kết tinh bao gồm quá trình tạo mầm và sau đó các mầm phát triển lên. Khi mầm đầu tiên phát triển lên, trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm mới. Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi toàn bộ kim loại lỏng kết tinh hết.
Chúng ta có thể hình dung sự tạo thành hạt tinh thể như sau: Giả sử rằng trong một đơn vị thể tích kim loại lỏng nào đó trong một giây sinh ra ba mầm, ở giây thứ hai ba mầm sinh ra ở giây thứ nhất phát triển lên và sinh ra ba mầm mới. Quá trình như vậy cứ tiếp tục xảy ra cho đến khi toàn bộ chất lỏng kết tinh ở giây thứ n. Do sự định hướng của mầm trong không gian là ngẫu nhiên nên phương của các mạng giữa các hạt lệch nhau. Các hạt tạo thành có kích thước không đồng đều, những hạt sinh ra trước sẽ lớn hơn vì có điều kiện phát triển. Những hạt do mầm càng sinh sau càng ít có điều kiện phát triển nên có thể nhỏ hơn.
b. Hình dáng nhận được sau khi đúc
Hạt kim loại nhận được sau khi đúc có thể có nhiều hình dáng rất khác nhau, trong thực tế có thể gặp các hình dáng sau đây:
- Hạt dạng cầu do mầm kết tinh phát triển theo mọi phương.
- Hạt dạng tấm do mầm phát triển mạnh theo một mặt đã cho.
- Hạt dạng kim nhận được khi làm nguội nhanh.
- Hạt dạng đa cạnh do các hạt phát triển chèn ép lẫn nhau, đây là dạng hạt thường gặp nhất
Sự kết tinh hình nhánh cây, và kích thước hạt kim loại
a. Sự kết tinh hình nhánh cây
Sự phát triển tinh thể có dị hướng, tức theo các phương và mặt có độ phát triển mầm mạnh hơn các phương và mặt có mật độ bé. Mặt khác tinh thể còn phát triển mạnh theo phương tản nhiệt, nên ban đầu của sự kết tinh, tinh thể có dạng hình nhánh cây. Quan sát kỹ quá trình kết tinh ta nhận thấy đầu tiên mầm phát triển theo hướng có lợi nhất tạo nên trục thứ nhất, sau đó từ trục thứ nhất tạo ra trục thứ hai làm với trục thứ nhất một góc nào đó, rồi trục thứ hai phát triển thành trục thứ ba…
b. Kích thước hạt kim loại
Kích thước hạt kim loại là một trong những chỉ tiêu quan trong để đánh giá chất lượng kim loại (chủ yếu là cơ tính). Do không thể tách rời từng hạt ra đo đạc nên phải đưa ra các quy ước để đánh giá độ lớn của chúng. Thông thường xác định độ lớn hạt trên tổ chức tế vi theo phương pháp sau:
- Đo diện tích của S của hạt trên mặt cắt (cách này khá phức tạp nên ít dùng).
- Đo đường kính trung bình của hạt (chiều ngang).
- So sánh với bảng có độ phóng đại X100lần (thường dùng nhất).
Sau khi xác định kích thước theo một trong ba cách trên, ta sắp xếp chúng vào một bảng cấp hạt. Cấp hạt kim loại từ -3, -2, ….11, 12. Thông dụng nhất từ cấp 1÷8, cấp 1 hạt lớn nhất, cấp 8 hạt bé nhất.
Các yếu tố làm ảnh hưởng đến độ lớn của hạt và phương pháp làm nhỏ hạt
Sau khi đúc hạt kim loại khá lớn, nhiều trường hợp có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Trong kỹ thuật đúc luôn có xu hướng làm nhỏ hạt kim loại vì hạt nhỏ có cơ tính tốt hơn và ít giòn hơn. Trong một số trường hợp do yêu cầu kỹ thuật ta mới làm cho hạt lớn khi đúc.
a. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn hạt
Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của hạt kim loại nhưng ảnh hưởng mạnh nhất là độ quá nguội ∆T. Để đánh giá độ quá nguội đến độ lớn của hạt ta sử dụng hai đại lượng sau:
- Tốc độ sinh mầm là số lượng tâm mầm sinh ra trong đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian, ký hiệu n, đơn vị đo l/mm3 .s.
- Tốc độ phát triển mầm là tốc độ phát triển về kích thước dài của tâm mầm trong một thời gian, ký hiệu v, đơn vị mm/s.
Tốc độ sinh mầm càng lớn thì kích thước hạt càng nhỏ và tốc độ phát triển mầm càng tăng thì kích thước hạt càng lớn. Bằng thực nghiệm người ta đã tính được kích thước hạt A theo hai đại lượng trên như sau:
Từ đó ta thấy rằng nguyên lý chung để tạo hạt nhỏ là tăng tốc độ sinh mầm và hạn chế tốc độ phát triển mằm.
b - Các phương pháp làm nhỏ hạt
Trong thực tế người ta thường sử dụng các phương pháp làm nhỏ hạt sau đây:
- Tăng độ quá nguội khi kết tinh
Độ quá nguội phụ thuộc vào tốc độ nguội, tốc độ nguội càng lớn thì độ quá nguội càng tăng. Để tăng độ quá nguội người ta dùng khuôn kim loại có tính dẫn nhiệt cao thay cho khuôn cát. Với các vật đúc lớn người ta còn dùng nước lạnh làm nguội ngoài thành kim loại.
- Phương pháp biến tính
+ Tăng số lượng tâm mầm không tự sinh: Người ta cố ý cho vào kim loại lỏng các chất đặc biệt để giúp cho tạo mầm không tự sinh. Ví dụ trước khi rót thép người ta cho một lượng nhỏ nhôm vào thùng thép lỏng (20g/tấn thép lỏng). Nhôm sẽ kết hợp với oxy, nitơ hoà tan trong thép tạo ra phân tử Al2O3, AlN rất nhỏ, mịn lơ lửng phân tán trong thép lỏng. Đây là mầm không tự sinh làm cho hạt thép nhỏ hơn.
+ Hạn chế tốc độ phát triển mầm: Người ta cho vào kim loại lỏng một chất đặc biệt, nó hoà tan và hấp phụ vào bề mặt mầm hạn chế sự phát triển dài của mầm. Ví dụ khi đúc nhôm – silic người ta cho vào hỗn hợp muối natri ( 2/3 NaCl, 1/3 NaF) với tỉ lệ 0,05 – 0,08%, chúng hoà tan vào và hạn chế sự phát triển của tinh thể silic do vậy làm hạt nhỏ.
+ Ngoài ra sự biến tính còn có tác dụng làm thay đổi hình dáng hạt (tạo graphít cầu trong gang) cải thiện rất mạnh cơ tính của vật liệu.
+ Cần chú ý là phải tiến hành đúng lúc, chất biến tính chỉ cho vào kim loại lỏng vài phút trước khi rót khuôn. Nếu quá sớm, thì kim loại chưa kết tinh chất biến tính nổi lên và đi vào xỉ, ngược lại quá muộn thì không kịp phản ứng.
Cấu tạo của vật đúc
Kim loại lỏng sau khi nấu luyện xong được đúc thành sản phẩm hay bán sản phẩm. Các sản phẩm đúc rất đa dạng, nhiều vật đúc có hình dạng rất phức tạp. Vì vậy không thể có quy luật chung của chúng. Ở đây chúng ta nghiên cứu vật đúc đơn giản nhất đó là các thỏi thép đúc trong khuôn kim loại, từ đó suy rộng ra cho các vật đúc phức tạp và đúc trong các loại khuôn khác.
a. Cấu tạo tinh thể vật đúc
Thông thường vật đúc có 3 vùng tinh thể sau đây:
- Vùng ngoài cùng
Vùng này có các hạt đẳng trục và có kích thước nhỏ và mịn (vùng 1). Do đầu tiên kim loại lỏng tiếp xúc với thành khuôn nguội lạnh nên bị nguội đột ngột và kết tinh với độ nguội ∆T lớn, cùng với tác dụng tạo mầm của thành khuôn nên hạt tạo thành có kích thước nhỏ, mịn. Mặt khác do sự lồi lõm thành khuôn (chất sơn khuôn) nên mầm phát triển theo mọi phương và có dạng đẳng trục.
- Vùng trung gian
Vùng này gồm các hạt hình trụ, tức là các hạt dài và vuông góc với thành khuôn (vùng 2). Sau khi đã tạo thành vùng 1 thì thành khuôn đã khá nóng, do vậy kim loại kết tinh với độ quá nguội ∆T nhỏ, vì vậy hạt nhận được có xu hướng lớn dần lên. Lúc này ảnh hưởng chủ yếu hình dáng hạt là phương thoát nhiệt. Phương thoát nhiệt vuông góc với thành khuôn nên hạt phát triển mạnh theo hướng ngược lại. Kết quả là tạo ra các hạt hình trụ vuông góc với thành khuôn.
- Vùng trung tâm
Vùng này có hạt lớn và đẳng trục (vùng 3). Khi vùng này kết tinh thì vùng 3 đã rất nóng nên kim loại kết tinh với độ quá nguội ∆T bé, do vậy kích thước hạt lớn, sự thoát nhiệt theo mọi phương là như nhau nên hạt có dạng đẳng trục.
Trên ba vùng tinh thể trên thì vùng ngoài cùng luôn luôn tồn tại và có chiều dày nhỏ. Còn vùng trong có thể tổn tại hay không phụ thuộc vào điều kiện làm nguội khuôn. Khi khuôn làm nguội mãnh liệt thì vùng 2 lấn át hẳn vùng 3 và có thể làm mất vùng 3, lúc này vùng 2 phát triển đến tâm vật đúc. Cấu tạo vật đúc như là gồm các hình trụ vuông góc với thành khuôn gọi là tổ chức xuyên tinh. Tổ chức xuyên tinh chỉ có lợi khi yêu cầu vật đúc có mật độ lớn và không qua biến dạng dèo (cán, rèn). Nếu làm nguội chậm thì vùng 3 lấn át hẳn vùng 2, vật đúc có mật độ nhỏ và dễ dàng biến dạng dẻo.
b. Các tật của vật đúc
Các tật hỏng làm xấu chất lượng của vật đúc, vì vậy phải nghiên cứu để tìm biện pháp hạn chế hoặc loại bỏ chúng. Trong vật đúc thường gặp các tật hỏng sau đây:
1-Rỗ co: (rỗ xốp, rỗ tế vi)
Do quá trình kết tinh dạng nhánh cây nên dòng kim loại lỏng không thể điền đầy hết tất cả những khe hở giữa các nhánh cây đó. Khi kết tinh, thể tích kim loại giảm đi sẽ tạo nên các lỗ hỗng tại đó. Hiện tượng này gọi là rỗ co. Rỗ co phân bố khắp vật đúc và làm giảm mật độ vật đúc nên làm xấu cơ tính của nó. Có thể khắc phục rỗ co bằng cách biến dạng nóng, lúc này rỗ co được hàn kín lại (bề mặt rỗ co chưa bị oxy hoá) rỗ co ảnh hưởng không đáng kể cơ tính vật đúc.
2-Lõm co
Do khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn thể tích kim loại bị giảm đi nên ở trên cùng và tại phần dày nhất của vật đúc tạo ra lỗ hỏng gọi là lõm co. Lõm co làm mất sự lành lặn của vật đúc và phải cắt bỏ đi, do vậy phần thể tích vật đúc sử dụng chỉ còn khoảng 85 – 95%. Khắc phục lõm co bằng đậu ngót để đưa nó ra ngoài vật đúc.
Rỗ co và lõm co có cùng chung một nguyên nhân hình thành đó là sự giảm thể tích. Với một kim loại hay hợp kim thì tỉ lệ co khi kết tinh là hằng số, vì vậy tăng lõm co sẽ giảm được rỗ co và ngược lại chứ không làm mất hai tật hỏng này
3-Rỗ khí
Trong điều kiện nấu luyện thông thường kim loại lỏng hoà tan khá nhiều loại khí. Sau khi kết tinh độ hoà tan của khí giảm đi đột ngột, khí thoát ra bị kẹt lại và hình thành bọt khí gọi là rỗ khí. Rỗ khí rất nguy hiểm vì nó mất đi tính liên tục của vật đúc và là nơi tập trung ứng xuất làm giảm cơ tính. Nếu rỗ khí nằm ngay dưới võ vật đúc sẽ gây ra tróc và nứt cho chi tiết. Có thể khắc phục rỗ khí bằng cách biến dạng nóng, chúng sẽ biến dẹp đi (trừ trường hợp nằm sát ngoài, dưới võ vật đúc). Biện pháp khắc phục tốt nhất là khử khí triệt để trước khi rót khuôn hay đúc trong chân không.
4-Thiên tích
Thiên tích là sự không đồng nhất về thành phần hoá học và tổ chức bản thân vật đúc, do đó dẫn đến sự khác nhau về tính chất giữa các vùng của vật đúc. Thiên tích có nhiều loại là thiên tích theo trọng lượng , thiên tích theo nhánh cây.
Cấu tạo hợp kim
Trong kỹ thuật, đặc biệt là trong chế tạo cơ khí không dùng kim loại nguyên chất mà thường dùng tổ hợp của kim loại và các chất khác. Tổ hợp các chất này được chế tạo bằng cách nấu chảy rồi pha trộn lẫn nhau theo tỉ lệ đã định, sau đó đem đúc thành sản phẩm. Tổ hợp đó gọi là hợp kim. Hợp kim có tính chất khác hẳn mà kim loại nguyên chất không có được.
Khái niệm về hợp kim
a. Định nghĩa
Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại (dẫn nhiệt, dẫn điện cao, dễ biến dạng, có ánh kim…).
Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại. Hợp kim có thể được tạo nên giữa nguyên tố kim loại với nhau, hay giữa nguyên tố kim loại và phi kim loại.
Ví dụ:
- Thép cacbon là hợp kim của nguyên tố kim loại và phi kim loại (Fe + C)
- La tông là hợp kim của hai nguyên tố đồng và kẽm (Cu + Zn)
Thành phần các nguyên tố trong hợp kim được biểu thị theo % khối lượng của mỗi nguyên tố. Tổng cộng các thành phần hợp kim luôn luôn bằng 100%. Đôi khi người ta còn dùng tỉ lệ phần trăm nguyên tử.
b. Các ưu việt của hợp kim
Sở dĩ hợp kim được sử dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí vì nó có những đặc tính ưu việt hơn hẳn kim loại nguyên chất và giá thành thấp hơn.
1 - Hợp kim có cơ tính tổng hợp tốt hơn kim loại nguyên chất: Hợp kim có độ bền cao hơn nhiều so với kim loại nguyên chất, độ dẻo thấp hơn nhưng cơ tính chung của nó đảm bảo thoả mãn đầy đủ các yêu cầu của chế tạo cơ khí.
2 - Hợp kim có tính công nghệ đa dạng và phù hợp: Đảm bảo tính gia công cắt gọt, có độ dẻo, có độ thấm tôi lớn…. Một số kim loại đặc biệt có những tính chất quý như không rỉ, có điện trở lớn, chịu nhiệt độ cao…. mà kim loại nguyên chất không thể có được.
3 - Trong nhiều trường hợp hợp kim dễ chế tạo và rẻ tiền hơn như luyện thép có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn luyện sắt, latông bền và rẻ hơn đồng…
c. Một số khái niệm cơ bản
Khi nghiên cứu hợp kim ta có thêm một số khái niệm mới cần phải thêm vào so với kim loại nguyên chất.
1 - Cấu tử (còn gọi là nguyên): Là các nguyên tố (hay hợp chất hoá học bền vững) cấu tạo nên hợp kim. Chúng là các thành phần độc lập.
2 - Hệ (đôi khi còn gọi là hệ thống): Là tập hợp các vật thể riêng biệt của hợp kim trong điều kiện xác định.
3 - Pha: Là tổ hợp đồng nhất của hệ (hợp kim) có cấu trúc và tính chất cơ, lý, hoá xác định, giữa các pha có bề mặt phân cách.
Ví dụ: Ta có một hệ gồm nước và đá. Hệ này chỉ có một cấu tử đó là hợp chất H2O nhưng có hai pha là rắn (nước đá), lỏng (nước).
Một chi tiết bằng latông một pha: Hệ này gồm có hai cấu tử đó là Cu và Zn nhưng chỉ có một pha α (dung dịch rắn của hai cấu tử trên).
4 - Trạng thái cân bằng (ổn định): Hệ ở trạng thái cân bằng khi các pha của nó đều có năng lượng tự do nhỏ nhất trong các điều kiện nhiệt độ, áp xuất và thành phần xác định. Tức là đặc tính của hệ không biến đổi theo thời gian. Thông thường hệ với các pha ở trang thái cân bằng bao giờ cũng có độ bền, độ cứng thấp nhất, không có ứng xuất bên trong, xô lệch mạng tinh thể thấp nhất và được hình thành với tốc độ nguội chậm.
5 - Trạng thái không cân bằng (không ổn định): Khi thay đổi nhiệt độ và áp xuất làm tăng năng lượng tự do và hệ trở nên trạng thái không cân bằng. Lúc này hệ có thể chuyển biến sang trạng thái cân bằng mới có năng lượng tư do nhỏ hơn. Nói chung trạng thái không cân bằng là không ổn định, luôn có xu hướng tự biến đổi sang trạng thái cân bằng, ổn định. Trong thực tế một số trạng thái không cân bằng vẫn tồn tại lâu dài, do ở nhiệt độ thường chuyển biến xảy ra rất chậm hầu như không nhìn thấy được. Trạng thái không cân bằng được hình thành với tốc độ nguội nhanh.
6 - Trạng thái giả ổn định: Trạng thái giả ổn định chỉ tồn tại khi trạng thái cân bằng (ổn định) tuyệt đối chỉ tồn tại trên lý thuyết, tức là phải nung nóng hay làm nguội vô cùng chậm mà trên thực tế khó xảy ra. Vậy giả ổn định thực chất là không ổn định nhưng thực tế lại tồn tại ổn định ngay cả khi nung nóng hay làm nguội trong một phạm vi nào đó.
d. Các dạng cấu tạo của hợp kim
Trong thực tế hợp kim tồn tại các dạng sau đây:
1 - Hợp kim có cấu tạo một pha là dung dịch rắn.
2 - Hợp kim có cấu tạo một pha là hợp chất hoá học (hay pha trung gian)
3 - Hợp kim có cấu tạo bởi hai hay nhiều pha.
Dung dịch rắn
a. Khái niệm và phân loại
Cũng như dung dịch lỏng, trong dung dịch rắn ta không phân biệt được một cách cơ học các nguyên tử của các cấu tử, các nguyên tử của chúng phân bố xen kẻ nhau trong mạng tinh thể. Cấu tử nào có số lượng nhiều hơn, vẫn giữ được kiểu mạng của mình gọi là dung môi. Các cấu tử còn lại gọi là chất hoà tan.
Dung dịch rắn là pha đồng nhất có cấu trúc mạng tinh thể của cấu tử dung môi nhưng thành phần của nó có thể thay đổi trong phạm vi nhất định mà không làm mất đi sự đồng nhất đó.
Ký hiệu của dung dịch rắn là A(B)
Dung dịch rắn chia làm hai loại: Dung dịch rắn thay thế và dung dịch rắn xen kẻ.
b. Dung dịch rắn thay thế
Là dung dịch rắn mà trong đó nguyên tử của cấu tử hoà tan thay thế vào vị trí trên nút mạng của cấu tử dung môi (nguyên tố chủ).
Như vậy kiểu mạng và số nguyên tử trong khối cơ sở đúng như cấu tử dung môi, tuy nhiên sự thay thế này ít nhiều gây nên sự xô lệch mạng, vì không thể có hai loại nguyên tử của hai cấu tử hoàn toàn giống nhau. Do vậy sự thay thế chỉ xảy ra với các cấu tử có kích thước nguyên tử khác nhau ít (với kim loại sự sai khác này không quá 15%). Tuỳ thuộc vào mức độ hoà tan người ta còn chia ra dung dịch rắn hoà tan vô hạn và có hạn.
- Dung dịch rắn thay thế hoà tan vô hạn
Là dung dịch rắn mà trong đó nồng độ của chất hoà tan có thể biến đổi liên tục, tức là với nồng độ bất kỳ.
Trong loại dung dịch rắn này không thể phân biệt được cấu tử nào là dung môi, cấu tử nào là chất hoà tan, cấu tử nào có lượng chứa nhiều nhất là dung môi, các cấu tử còn lại là chất hoà tan. Ví dụ ta có dung dịch rắn của cấu tử A và B thì nồng độ A biến đổi từ 0 đến 100%, nồng độ B biến đổi từ 100% đến 0.
- Điều kiện dung dịch rắn hoà tan vô hạn
- Có cùng kiểu mạng tinh thể.
- Đường kinh nguyên tử khác nhau ít, nhỏ hơn 8%. Nếu sai khác nhau nhiều từ 8÷15% chỉ có thể hoà tan có hạn, lớn hơn 15% không thể hoà tan vào nhau.
- Nồng độ nguyên tử không vượt quá một giá trị xác định với mỗi loại dung dịch rắn (số lượng điện tử hoá trị tính cho một nguyên tử) tức là các nguyên tố phải cùng có hoá trị.
- Các tính chất vật lý, hoá học gần giống nhau (cấu tạo lớp vỏ điện tử, tính âm điện, nhiệt độ chảy…)
Nói chung các nguyên tố cùng trong một nhóm của hệ thống tuần hoàn thoả mãn điều kiện này. Các nguyên tố hình thành dung dịch rắn vô hạn chỉ có thể là nguyên tố kim loại. Cần chú ý đây là điều kiện cần của dung dịch rắn vô hạn.
- Dung dịch rắn thay thế hoà tan có hạn
Là dung dịch rắn mà trong đó các cấu tử chỉ hoà tan vào nhau với một giá trị nhất định, tức là nồng độ của chúng bị gián đoạn.
Các cặp cấu tử không thoả mãn 4 điều kiện trên sẽ tạo thành dung dịch rắn có hạn.
c. Dung dịch rắn trật tự và không trật tự
Nếu sự phân bổ nguyên tử của cấu tử hoà tan trong mạng dung môi một cách ngẫu nhiên thì được gọi là dung dịch rắn không trật tự. Trong một số điều kiện nào đó (nhiệt độ, nồng độ) trong một số hệ các nguyên tử thay thế có tinh quy luật và gọi là dung dịch rắn trật tự.
Ví dụ trong hệ Au –Cu khi làm nguội chậm nguyên tử đồng sắp xếp tại tâm các mặt bên, còn nguyên tử vàng nằm ở đỉnh các cơ sở.
d. Dung dịch rắn xen kẽ
Là loại dung dịch rắn trong đó nguyên tử hoà tan nằm trong xen giữa các nguyên tử của kim loại dung môi, chúng chui vào lỗ hỏng của mạng dung môi. Như vậy ta thấy rằng số nguyên tử trong khối cơ sở tăng lên.
Do kích thước các lỗ hổng trong mạng tinh thể rất nhỏ nên các nguyên tử hoà tan phải có kích thước rất nhỏ. Đó chính là các nguyên tử C, N, H, B (Bo)…. với dung môi Fe. Đương nhiên là dung dịch rắn xen kẻ chỉ có loại hoà tan có hạn.
e. Các đặc tính của dung dịch rắn
Mạng tinh thể của dung dịch rắn là kiểu mạng của kim loại dung môi, thường có kiểu mạng đơn giản và sít chặt. Đây là yếu tố cơ bản quyết định tính chất cơ, lý, hoá…Về mặt cơ bản nó vẫn giữ được các tính chất của kim loại dung môi. Tuy nhiên về thông số mạng luôn khác với dung môi:
- Trong dung dịch xen kẻ thông số mạng dung dịch luôn lớn hơn thông số mạng dung môi (đường kính nguyên tử hoà tan luôn lớn hơn lỗ hổng).
- Trong dung dịch rắn thay thế nếu đường kính nguyên tử hoà tan lớn hơn đường kính nguyên tử dung môi thì thông số mạng dung dịch lớn hơn thông số mạng dung môi. Ngược lại nếu đường kính nguyên tử hoà tan nhỏ hơn nguyên tử dung môi thì thông số mạng dung dịch nhỏ hơn thông số mạng dung môi.
- Liên kết vẫn là liên kết kim loại, do vậy dung dịch rắn vẫn giữ được tính chất dẻo giống như kim loại nguyên chất tuy có kém hơn (trừ hệ hợp kim Cu-Zn, với 30% Zn hợp kim này còn dẻo hơn cả kẽm).
- Thành phần hoá học thay đổi trong phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu mạng.
- Thành phần hoá học thay đổi trong phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu mạng.
Do các đặc tính trên nên dung dịch rắn là cơ sở của của các hợp kim kết cấu dùng trong cơ khí. Trong các hợp kim này pha cơ bản là dung dịch rắn, nó chiếm xấp xỉ 90%, có trường hợp đến 100%.
Pha trung gian
Trong hợp kim hầu như không có hợp chất hoá học hoá trị thường. Các hợp chất hoá học tồn tại trong hợp kim thường là pha trung gian vì trên giản đồ pha của nó nằm vị trí giữa trung gian của các dung dịch rắn ở hai đầu mút.
a. Khái niệm và phân loại
Các hợp chất hoá học tạo thành theo quy luật hoá trị thường có các đặc điểm sau:
- Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn mạng nguyên tố thành phần.
- Luôn luôn có một tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố và được biểu diễn bởi công thức hoá học nhất định.
- Tính chất khác hẳn với nguyên tố thành phần, độ cứng cao, tình giòn lớn.
- Có nhiệt độ nóng chảy xác định, khi hình thành là phản ứng quá nhiệt.
Các pha trung gian trong hợp kim có những đặc điểm khác với hợp chất hoá học theo hoá trị đó là:
- Không tuân theo quy luật hoá trị.
- Không có thành phần chính xác.
- Có liên kết kim loại
Các pha trung gian trong hợp kim thường gặp là: Pha xen kẽ, pha điện tử, pha la ves, pha δ…
b. Pha xen kẽ
Là pha tạo nên những kim loại chuyển tiếp (Fe, Cr, Mo, W…) có những đường kính nguyên tử lớn với các phi kim loại (H, N, C…) có đường kính nguyên tử bé. Kiểu mạng của pha xen kẻ được xác định theo quan hệ giữa đường kính nguyên tử kim loại và phi kim loại:
Post a Comment