Kimloaihoc 2018 01 3 (updated)

Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Chương 2: KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
2.1 Cấu tạo của kim loại lỏng và điều
kiện kết tinh
2.1.1 Cấu tạo của kim loại lỏng
2.1.2 Điều kiện năng lượng của quá trình
kết tinh

2.2 Độ quá nguội
2.3 Hai quá trình của sự kết tinh

Ho Chi Minh City University of Technology
2.3.1 Tạo mầm
Faculty of Materials Technology
- Sự tạo mầm tự sinh (mầm đồng pha)
- Sự tạo mầm ký sinh (mầm khác pha)
2.3.2 Quá trình phát triển mầm

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.

Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Chương 2: KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
2.4 Sự hình thành hạt tinh thể
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4

Tiến trình kết tinh
Hình dạng hạt
Khái niệm độ hạt (kích thước hạt)
Ý nghĩa độ hạt

2.5 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi
đúc
đúc

2.5.1 Nguyên lý
Ho Chi Minh City
University
of Technology
2.5.2 Các phương

pháp
làm
hạt nhỏ khi
Faculty of Materials Technology

- Tăng độ quá nguội
- Phương pháp biến tính

2.6 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc
Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.

HCMUT 2.6.1 Quá trình kết tinh thực tế của kim


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Chương 2: KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
2.6 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc

2.6. 2 Cấu của thỏi đúc thực tế
2.6. 3 Các khuyết tật của thỏi đúc
- Lõm co và rỗ co

- Rỗ khí
- Thiên tích
- Ứng suất đúc
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

2.1. Cấu tạo của kim loại lỏng và điều
kiện kết tinh
2.1.1.
Cấu
tạo
của
kim
loại
lỏng

- Phần lớn kim loại được chế tạo ra từ trạng thái lỏng rồi
làm nguội trong khuôn thành trạng thái rắn.

Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

- Khi làm nguội kim loại kim loại lỏng sẽ xẩy ra quá trình
kết tinh: mạng tinh thể và các hạt được tạo thành.

Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology

268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

2.1.1. Cấu tạo của kim loại lỏng
- Các nguyên tử có xu hướng tạo thành các nhóm
nguyên tử xắp xếp có trật tự. (tức là có trật tự gần mà
khơng có trật tự xa như ở trạng thái rắn);
- Các nhóm nguyên tử sắp sếp có trật tự được
hình thành trong một thời gian rất ngắn, sau đó lại tản đi để
rồi lại xuất hiện ở chỗ khác, có nghĩa là sự hình thành rồi
lại tản đi của chúng là q trình xẩy ra liên tiếp;
- Có điện tử tự do và liên kết kim loại.
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

 giúp nó kết tinh được dễ dàng

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam

Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

2.1.2 Sự biến đổi năng lượng khi kết tinh
- Năng lượng dự trữ
được đặc trưng bằng 1
đại lượng khác gọi là G
năng lượng tự do G.

Gl
∆G

- Ở nhiệt độ T > Ts kim
Gr
loại tồn tại ở trạng thái
lỏng vì năng lượng tự
do trạng thái lỏng nhỏHo Chi Minh City University of Technology
hơn nhỏ hơn năng Faculty of Materials Technology
lượng tự do ở trạng thái
rắn Gl < Gr .
Hình: Biến đổi năng lượng tự do theo nhiệt độ
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

2.1.2 Sự biến đổi năng lượng khi kết tinh
- Ở nhiệt dộ T <
Ts kim loại tồn tại ở
trạng thái rắn vì Gr < Gl .
- Ở nhiệt độ Ts,
Gr= Gl. Kim loại lỏng ở
trạng thái cân bằng
động.
Ts được gọi là nhiệt độ
kết tinh lý thuyết .

G

Gl
∆G

Gr

Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

 như vậy sự kết Hình: Biến đổi năng lượng tự do theo nhiệt độ
tinh thực tế chỉ xảy ra T <
of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
Ts hay Gr < Gl Faculty
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
HCMUT

Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

2.2 Độ quá nguội
- Độ quá nguội ∆T là hiệu giữa nhiệt độ kết tinh lý
thuyết Ts và nhiệt độ kết tinh thực tế TKT.

∆T = Ts - TKT
- Đối với kim loại nguyên chất kỹ thuật, chúng có thể kết
tinh ở những độ quá nguội khác nhau, tốc độ làm nguội

càng lớn thì kim loại kết tinh với độ quá nguội càng lớn.
- Như vậy chuyển biến pha cần độ quá nguội ∆T khi đó
Minh City University of Technology
động lực chuyển pha sẽ HolàChihiệu
năng lượng giữa hai pha ở
Faculty of Materials Technology
nhiệt độ đã cho:

∆G = Gr - Gl < 0
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

2.3 Hai quá trình của sự kết
tinh

2.3.1.
Tạothể
mầm

- Mầm tinh
đượckết
hiểutinh
là những phần chất rắn nhỏ ban đầu
được hình thành trong kim loại lỏng.
- Sự tạo mầm: là
quá trình xuất hiện
những phân tử rắn
có cấu tạo tinh thể,
có kích thước xác
định ở trong kim loại
lỏng. Đó là các
trung tâm để từ đó
phát triển lên thành
hạt tinh thể.
HCMUT

Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC

Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

* Có 2 loại mầm:
1. Mầm tự sinh: Mầm tự sinh là những nhóm

nguyên tử có kiểu mạng và thành phần hoá học gần như pha
mới (pha sản phẩm) được hình thành trong nền pha cũ (pha
mẹ) và có thể phát triển trong q trình chuyển pha.
Gl
G
- Khi T < TS những nhóm
∆G
nguyên tử sắp xếp có trật
tự, có kích thước lớn hơn
Gr
kích thước tới hạn r > r* thì
Ho Chi Minh City University of Technology
chúng trở nên ổn định,
Faculty of Materials Technology
không tan nữa và chúng
lớn lên thành hạt.

Hình: Sự thay đổi năng lượng tụ do theo nhiệt độ của hai pha
rắn (r) và lỏng (l)

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam

Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

∆G: sự thay đổi năng lượng
tự do của hệ
∆GS: sự thay đổi năng lượng
tự do bề mặt
∆GV: sự thay đổi năng lượng
tự do thể tích
r*: bán kính tới hạn
∆G*r: sự thay đổi năng lượng
tự do tới hạn
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Hình: Thay đổi năng lượng tự do của hệ khi tạo mầm

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.

Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Giả sử:
+ n-số lượng nhóm trật tự gần chuyển sang trạng
thái rắn trong một đơn vị thời gian trong một đơn
vị thể tích V của kim loại lỏng.
+ ∆gv -sự chênh lệch năng lượng tư do giữa hai
hệ thống rắn (R) và lỏng (L) tính cho một đơn vị
thể tích kim loại lỏng. Lúc này năng lượng tư do
của hệ thống giảm một lượng do sự chuyển trạng
Ho Chi Minh City University of Technology
thái là:
Faculty of Materials Technology

n.v.∆gv = V.∆gv = Gv
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.

Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Giả sử:
+ Đồng thời với sự chuyển trạng thái là sự xuất
hiện bề mặt phân cách giữa hai trạng thái rắn (R)
và lỏng (L). Các nguyên tử nằm trên bề mặt phân
cách này sẽ có năng lương lớn hơn các nguyên tử
nằm ở phía trong.
 Như vậy hệ có sự tăng năng lượng là : n.s.LR;
vơí LR- sức căng bề mặt giữa hai trạng thái lỏng
Ho Chi Minh City University of Technology
và rắn.
Faculty of Materials Technology
 Biến đổi năng lượng của hệ là:

G= -Gv + SLR = - n.v.∆gv + n.s.LR
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM

Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Nếu coi nguyên tử là những quả câu bán kinh r ta có:
thể tích khối cầu v = 4/3πr3; V = n.v; và diện tích mặt cầu

s = 4πr2; S = n.s

► G = - n.4/3πr3.∆gv + n.4πr2.LR
Ta thấy: r = r*
→ ∆G = ∆G*r
Chỉ có các mầm có kích
thước r ≥ r* mới có khả
năng phát triển lớn lên
thành hạt.

Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Hình: Thay đổi năng lượng tự do của hệ khi tạo mầm

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.

Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Từ điều kiện cưc trị hàm G ta tính được bán kinh tới hạn r*:

2LR
r* =
gv
∆G*r=

2

4 π.n. 2LR 
LR
g
3
v

2
1
.n.4πr*
.LR
∆G r =

3
*

Hình: Sự biến đổi của G phụ thuộc r

Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

∆G*r = 1/3 năng lượng cần thiết tạo bề mặt phân chia (2/3 năng
lượng còn lại được bù đắp bởi sự chuyển trạng thái của mầm)

→ Điều kiện tạo mầm tự sinh là hệ phải có ba động năng lượng ≥
1/3 năng lượng bề mặt phân chia pha.
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

2. Mầm ký sinh: - Là mầm khơng tự sinh ra trong lịng pha

nền mà dựa vào các vị trí có “khuyết tật”. Đó là những phần
tử rắn có sẵn trong lịng kim loại lỏng. Các nhân nguyên tử sắp
xếp có trật tự sẽ gắn vào đó mà phát triển lên thành hạt.

Pha lỏng
Mầm

Khái niệm về “hạt rắn có sẵn”
bao gồm các yếu tố cơ bản sau:
- Thành khuôn chứa kim loại
lỏng khi kết tinh
-

Các tạp chất khó chảy lẫn
trong
kim loại lỏng (VD:
Ho Chi Minh City University
of Technology
Faculty of Materials
TechnologyCr2O3,.. lẫn trong kim
AL2O3,
loại lỏng).
- Bụi tường lò lẫn trong kim loại
Khuyết tật lỏng

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.

Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

2. Mầm ký sinh
- Xét năng lượng tạo bề mặt phân cách trong trường hợp tạo
mầm ký sinh:

1 (S  +S  )
∆Gmax=
ML ML
MR MR
3
SML: diện tích bề mặt phân chia giữa mầm
và kim loại lỏng;

SMR: diện tích bề mặt phân chia giữa mầm

và hạt rắn mà mầm ký sinh trên đó. Ho Chi Minh City University of Technology

Hình: Sơ đồ tạo mần ký sinh

Faculty of Materials Technology

σML: Sức căng bề mặt giữa mầm và kim loại lỏng;
σMR: Sức căng bề mặt giữa mầm và hạt rắn có sẵn;
σRL: Sức căng bề mặt giữa hạt rắn và kim loại lỏng.
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Sự tạo mầm ký sinh sẽ thuận lợi khi: ∆G*r ≥ ∆Gmax

Tức:

1 (S  +S  )
ML ML
MR MR
3
(SMLML+SMRMR)

1/3S* .ML >

Hay: S*.ML >
Nếu giả thiết rằng:

S* = (SML+ SMR).
Thì điều kiện để sinh mầm
Ho Chi Minh City University of Technology
ký sinh thuận lợi hơn mầm
Faculty of Materials Technology
tự sinh là:

ML > MR
HCMUT

Hình: Sơ đồ tạo mần ký sinh

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


Đại Học Quốc Gia TP.HCM
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Vietnam National University-HCMC
Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Nếu coi nguyên tử là những quả câu bán kinh r ta có:
thể tích khối cầu v = 4/3πr3; V = n.v; và diện tích mặt cầu

s = 4πr2; S = n.s

► G = - n.4/3πr3. + n.4πr2.LR
Ta thấy: r = r*
→ ∆G = ∆G*r
Chỉ có các mầm có kích
thước r ≥ r* mới có khả
năng phát triển lớn lên
thành hạt.

Ho Chi Minh City University of Technology
Faculty of Materials Technology

Hình: Thay đổi năng lượng tự do của hệ khi tạo mầm

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.