Lí thuyết khuếch tán của hợp kim xen kẽ lập phương tâm khối và lập phương tâm diện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ
■
TRẦN THỊ NHÂM
LÍ THUYẾT KHUẾCH TÁN CỦA HỢP KIM XEN KẼ LẶP PHƯƠNG TÂM KHỐI VÀ
LẶP PHƯƠNG TÂM DIỆN • • •
Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngưòi hướng dẫn khoa học TS. PHAN THỊ THANH HỒNG
HÀ NÔI – 2014
Trong thòi gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, chúng tôi đã nhận được sự giúp
đỡ của các thày, cô giáo trong TổVật lí lí thuyết, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý đã tận tình
giảng dạy tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành khóa học và đóng góp nhiều ý kiến quý báu
trong thời gian nghiên cứu khóa luận.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết an sâu sắc tới TS. Phan Thị Thanh Hồng đã quan
tâm, động viên giúp đỡ tận tình, đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong thời gian nghiên
cứu khóa luận.
Tôi xin chân thành cảm ơn mọi đóng góp quý báu đó!
Hà Nội, tháng 05 năm 2014 Sinh viên thực hiện
TRẦN THỊ NHÂM
Khóa luận tốt nghiệp: “Lí thuyết khuếch tán của hợp kim xen kẽ lập phương tâm khối
và lập phương tâm diện” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của cô
giáo Tiến sĩ Phan Thị Thanh Hồng.
Tôi xin cam đoan đề tài này là kết quả nghiên cứu của tôi và không trùng với
bất kì kết quả nghiên cứu của tác giả nào khác.
Hà Nội, tháng 05 năm 2014 Sinh viên thực hiện
TRÂN THỊ NHÂM
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
■
MỞ ĐÀU
1. Lí do chọn đề tài

Cuộc sống ngày càng phát triển, nhu cầu của con người ngày càng cao
đòi hỏi phải tìm ra những thiết bị, những dụng cụ mới tiến bộ hơn. Để làm
được điều đó các nhà khoa học đã tìm ra những vật liệu mới để đáp ứng các
ngành công nghiệp chế tạo. Một trong các vật liệu có nhiều ưu điểm đã
được các nhà khoa học chú ý nghiên cứu đó chính là họp kim. Việc pha tạp
dung dịch rắn của nhiều kim loại hoặc giữa các nguyên tố kim loại với các
nguyên tố phi kim có những đặc tính vượt trội so với kim loại nguyên chất
hợp thành về độ bền, tính điện, độ bền cắt, khả năng chống mòn, Việc
nghiên cứu cấu trúc, cơ chế của sự hình thành mạng họp kim cũng như các
thông số vật lí cơ bản, tính chất của họfp kim phụ thuộc vào nồng độ,
phương pháp pha tạp và các vấn đề phức tạp khác đã đặt ra cho các nhà
khoa học nhiều bài toán hóc búa.
Khuếch tán là một hiện tượng rất cơ bản trong tự nhiên và nó xảy ra
trong tất cả các môi trường vật chất: Chất khí, chất lỏng, vũ trụ, động vật,
Do vậy nghiên cứu để hiểu các quá trình khuếch tán chính là nghiên cứu
quy luật cơ bản của tự nhiên. Nó sẽ góp phần làm cho con người hiểu rõ về
các quá trình vận động của vật chất trong tự nhiên, nhất là sự vận động
trong thế giới vi mô. Chính vì vậy mà hiện tượng khuếch tán trong tự nhiên
là một đề tài hấp dẫn và luôn có vấn đề mới đặt ra để nghiên cứu. Đối với
hợp kim nói chung và hợp kim xen kẽ nói riêng thì có hai cơ chế khuếch tán
cơ bản là cơ chế xen kẽ và cơ chế thay thế. Cơ chế nào chiếm ưu thế phụ
thuộc vào từng kim loại và các tạp chất pha tạp vào kim loại đó.
Hợp kim, đặc biệt là hợp kim xen kẽ là một trong những vật liệu có
đóng góp không nhỏ trong sự phát triển của khoa học yật liệu. Do đó nghiên
cứu hợp kim xen kẽ đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà vật lí.
4
Xuất phát từ những lí do nêu trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài:
“Lí thuyết khuếch tán của hợp kim xen kẽ lập phương tâm diện và lập phương tâm
khối” để làm khóa luận tốt nghiệp.
2. Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu về cấu trúc tinh thể của họp kim xen kẽ.
Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập
phương tâm diện và lập phương tâm khối.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Các hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập phương tâm khối và lập phương
tâm
diện.
4. Phương pháp nghiên cứu
Tìm, đọc các tài liệu liên quan đến nội dung nghiên cứu. Phân tích,
đánh giá các kiến thức thu lượm được để hoàn thành khóa luận.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của khóa luận
Các kết quả nhận được sẽ góp phần làm sáng tỏ hơn lí thuyết khuếch
tán của hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập phương tâm khối và lập phương tâm
diện.
6. Bổ cục của khóa luận
Khóa luận được chia làm 2 chương:
• Chương 1: Tổng quan về hợp kim xen kẽ.
• Chương 2: Lí thuyết khuếch tán của hợp kim xen kẽ.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM XEN KẼ
Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất
nhiều loại yật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng ngày càng
cao hơn. Đầu tiên là thời kì đồ đá, sau đó tiến đến thời kìđồ đồng, đồ sắt,
Cho đến nay là một loạt các loại vật liệu mới như: Composit, polyme,
ceramit, Các loại vật liệu này (đặc biệt là kim loại và hợp kim) đã góp
phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội loài người một cách nhanh chóng.
5
Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đòi sống, đòi
hỏi vật liệu sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau. Tất cả các
tính chất này đều có thể được đáp ứng bải yật liệu kim loại cũng như các
loại vật liệu mới đặc biệt là hợp kim.

1.1. Sơ lược về họp kim [5]
Trong kĩ 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 với nhau theo tỉ
lệ đã đỉnh, sau đó đem đúc thành sản phẩm. Tổ họp đó gọi là hợp kim. Hợp
kim có những tính chất khác hẳn mà kim loại nguyên chất không thể có
được.
1.1.1. Khái niệmvề họp kim
❖ Định nghĩa
Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại (dẫn
điện, dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim,
Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại. Hợp kim có
thể được tạo ra từ nhiều nguyên tố kim loại và phi kim loại.
Ví dụ:
- Thép các bon là hợp kim của nguyên tố kim loại và phi kim loại
(Fe+C).
- La tông là hợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu + Zn).
Thành phàn của các nguyên tố trong họp kim được biểu thị theo phần
trăm khối lượng của mỗi nguyên tố. Tổng các thành phàn trong họp kim
luôn luôn bằng 100%. Đôi khi người ta còn dùng tỉ lệ phần trăm nguyên tử.
♦♦♦ Một số khái niệm cơ bản Khi nghiên cứu về hợp kim ta có thêm
một số khái niệm mới hơn so vói kim loại nguyên chất.
- Cấu tử (còn gọi là nguyên) là các nguyên tố (hay hợp chất hóa học
bền vững) cấu tạo lên hợp kim. Chúng là các thành phần độc lập.
6
- Hệ (đôi khi còn gọi là hệ thống) là một tập hợp vật thể riêng biệt của
họp kim trong điều kiện xác định.
- Pha là tổ phàn đông nhất của hệ (hợp kim) có cấu trúc và các tính
chất cơ, lí, hóa xác định, giữa các pha có bề mặt phân cách.
Ví dụ: - Ta có một hệ gồm nước đá và nước. Hệ này chỉ có một cấu tử đó là

hợp chất H
2
0 nhưng có hai pha: Rắn (nước đá), lỏng (nước).
- Một chi tiết bằng la tông một pha: Hệ này có hai cấu tử là Cu và Zn
nhưng chỉ có một pha a (dung dịch rắn của hai cấu tử trên).
❖ Các dạng cấu tạo của họp kim Trong thực tế họp kim
thường có các dạng cấu tạo sau đây:
a. Hợp kim có cấu tạo một pha là dung dịch rắn.
b. Hợp kim có cấu tạo nhiều pha là họp chất hóa học (hay pha trung
gian).
c. Hợp kim có cấu tạo bởi hai hay nhiều pha.
1.1.2. Dung dịch rắn
1.1.2.1. Khái niệm và phân loại
Cũng giống như dung dịch lỏng, ữong dung dịch rắn ta không phân biệt
được một cách cơ học các nguyên tử của các cấu tử, các nguyên tử của
chúng
ta phân bố xen vào 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 hòa tan. Dung dịch rắn là pha đông nhất có cấu trúc mạng tinh
thể của cấu tử dung môi nhưng thành phàn của nó có thể thay đổi trong một
phạm vi nhất định mà không làm mất đi sự đồng nhất của nó.
Dung dịch rắn được chia làm hai loại: Dung dịch rắn thay thế và dung
dịch rắn xen kẽ (hợp kim xen kẽ).
I.I.2.2. Dung dịch rắn thay thế
Dung dịch rắn thay thế là loại dung dịch rắn mà trong đó cấu tử hòa 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 của cấu
tử dung môi. Tuy nhiên sự thay đổi này ít nhiều đều gây ra sự xô lệch mạng,
7
vì không thể có hai loại nguyên tử của hai cấu tử có kích thước hoàn toàn

giống nhau. Do vậy sự thay thế chỉ xảy ra vói các cấu tử có kích thước
nguyên tử khác nhau ít (với kim loại sự sai khác này không quá 15%). Tùy
thuộc vào mức độ hòa tan người ta còn chia dung dịch rắn hòa tan vô hạn và
có hạn.
❖ Dung dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn:
Là loại dung dịch rắn mà trong nồng độ của chất hòa tan có thể biến đổi
liên tục, tức là với nồng độ bất kì.
Trong loại dung dịch rắn này không thể phân biệt được cấu
tử nào là dung môi, cấu tử nào là chất hòa tan, cấu tử
nào có lượng chứa nhiều nhất là dung môi, các cấu tử còn
lại là chất hòa tan.
8
Hình 1.1. Sơ đồ tạo thành dung dịch rắn thay
thế và xen kẽ
- Có cùng kiểu mạng tinh thể.
- Đường kính nguyên tử khác nhau, nhỏ hơn 8%. Nếu sai
khác nhau từ 8-15% chỉ có thể hòa tan có hạn, lớn hơn 15%
không thể hòa tan vào nhau.
Xen
9
Hình 1.2. Sơ đồ tạo thành dung dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn
d
- Các tính chất vật lí và hóa học gần giống nhau (cấu tạo
lớp vỏ điện tử, tính âm điện, nhiệt độ nóng chảy).
Xen
1
❖ Dung dịch rắn hòa tan có hạn:
Là dung dịch rắn mà trong đó các cấu tử chỉ hòa tan vào nhau với giá
trị nhất định, tức là nồng độ của chúng bị gián đoạn.
1.1.2.3. Dung dịch rắn xen kẽ - họp kim xen kẽ

Là loại dung dịch rắn trong đó nguyên tử hòa tan nằm xen giữa các
nguyên tử của kim loại dung môi, chúng chui vào lỗ hổng trong mạng dung
môi. Như vậy ta thấy rằng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên.
Do kích thước các lỗ hổng ưong mạng tính thể rất nhỏ nên các nguyên
tử hòa tan phải có kích thước rất nhỏ. Đó chính là các nguyên tử c, N, H,
B với dung môi Fe. Đương nhiên dung dịch rắn xen kẽ chỉ có loại hòa tan
có hạn.
1.1.2.4. Các đặc tính của dung dịch rắn
- Mạng tinh thể của dung dịch rắn là kiểu mạng của kim loại dung
môi, thường có các kiểu mạng đơn giản và sít chặt. Đây là yếu tố cơ bản
quyết định các tính chất cơ, lí, hóa, về 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 rắn xen kẽ: Thông số mạng dung dịch luôn lớn hơn
thông số mạng dung môi (đường kính nguyên tử hòa tan luôn lớn hơn lỗ
trống).
+ Trong dung dịch rắn thay thế: Nếu đường kính nguyên tử hòa tan lớn
hơn đường kính nguyên tử dung môi thì thông số mạng dung dịch lớn hơn
dung môi. Nếu đường kính nguyên tử hòa tan nhỏ hơn nguyên tử dung môi
thì thông số mạng dung dịch nhỏ hơn dung môi.
0000000
a)
Hình 1.3. Sự
xô lệch
mạng trong
dung dịch
rắn
a) T
r
o

n
g

d
u
n
g

d
с
ị
c
h

r
ắ
n

x
e
n

k
ẽ
b) T
r
o
n
g

d
u
n
g

d
ị
c
h

r
ắ
n

t
h
a
y

t
h
ế

k
h
i

r
h
t

>
r
d
m
c) T
r
o
n
g

d
u
n
g

d
ị
c
h

r
ắ
n

t
h
a
y

t

h
ế

k
h
i

r
h
t
<
r
d
m
- Liên kết
vẫn là liên kết
kim loại.
- Thành
phần hóa học
thay đổi trong
phạm vi nhất
định mà không
làm thay đổi
kiểu mạng.
- Tính chất
biến đổi nhiều:
Độ dẻo, độ dai,
điện trở, độ bền,
độ cứng tăng
lên,

Do các đặc
tính ữên nên
dung dịch rắn là
cơ sở của các
hợp kim kết cấu
dùng ừong cơ
khí. Trong các
hợp kim này pha
cơ bản là dung
dịch rắn, nó
chiếm xấp xỉ
90%, có trường
hợp chiếm
100%.
1.1.3. Pha
trung gian
Trong các
hợp kim hầu
như không có
loại hợp chất
hóa học hóa ữị
thường. Các hợp
chất hóa học tồn
tại trong hợp
kim thường gọi
là pha trung
gian.
1.1.3.1. Khái
niệm và phân
loại

Các họp
chất hóa học tạo
thành theo quy
luật hóa trị
thường có đặc
diểm
sau:
- Có mạng tinh
thể phức tạp và
khác hẳn mạng
nguyên tố thành
phàn.
- Luôn luôn có
một tí lệ chính
xác giữa các
nguyên tố và
được biểu diễn
bởi công thức
hóa học nhất
định.
- Tính chất khác
hẳn các nguyên
tố thành phần,
độ cứng cao,
tính dòn
lớn.
- Có nhiệt độ
nóng chảy
xác định,
khi hình

thành là
phản ứng
tỏa nhiệt.
Các pha
trung gian
trong họp
kim thường
gặp là: Pha
xen kẽ, pha
điện
tử, phaLaves,
1.1.3.2. Pha xen
kẽ
Là pha tạo
nên giữa các
kim loại chuyển
tiếp (Fe, Cr,
Mo, ) có
đường kính
nguyên tử lớn
với các phi kim
loại (H, N, c, )
có đường kính
nguyên tử bé.
Kiểu mạng của
pha xen kẽ được
xác định theo
quan hệ giữa
đường kính
nguyên tử kim

loại và phi kim
loại:
- Nếu — < 0,59
(d
A
là đường
kính nguyên tử
phi kim loai, d
K
là đường
d
K
kính nguyên tử
kim loại) thì pha
xen kẽ có kiểu
mạng đơn giản:
Tâm khối, tâm
mặt, lục phương
xếp chặt, Các
nguyên tử phi
kimloại xen kẽ
vào lỗ hổng
trong mạng.
- Nếu — > 0,59
pha xen kẽ có
kiểu mang phức
tap và công thức
phức
d
K

tạp hơn.
Đặc điểm
của pha xen kẽ
nói chung là có
nhiệt độ chảy
rất cao
(thường>3000°
C) và có độ
cứng lớn (2000-
5000 HV), có
tính dòn lớn.
Chúng có vai
trò rất lớn ưong
việc nâng cao
tính chống mài
mòn và chịu
nhiệt của hợp
kim.