Kết Tinh Của Hợp Kim Trong Khuôn Đúc

CHƯƠNG 6
KẾT TINH CỦA HỢP KIM
TRONG KHUÔN ĐÚC




1. CÁC KIỂU ĐÔNG ĐẶC CỦA KIM
LOẠI VÀ HỢP KIM
• Kim loại nguyên chất: kết tinh ở nhiệt
độ không đổi
• Hợp kim: nói chung, xảy ra trong một
khoảng nhiệt độ: “khoảng đông đặc”
• Trong khoảng đông, hai pha rắn và
lỏng cùng tồn tại: “vùng 2 pha”



1. CÁC KIỂU ĐÔNG ĐẶC CỦA KIM
LOẠI VÀ HỢP KIM

• KL nguyên chất: đường lỏng (TL) và
đường đặc (TS) trùng nhau. KL đông
đặc có hướng: pha rắn từ bề mặt tiến
dần vào tâm nhiệt của vật đúc


1. CÁC KIỂU ĐÔNG ĐẶC CỦA KIM
LOẠI VÀ HỢP KIM
• Hợp kim:
- Đông đặc có hướng: vật đúc có 3 vùng:

1. Vùng rắn: T2. Vùng 2 pha: TS3. Vùng lỏng: T>TL
- Đông đặc thể tích: vùng 2 pha choán hầu
như toàn bộ chiều dày thành vật đúc: VĐ
đông đặc gần như đồng thời trên toàn
thể tích


2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM
a. Trường nhiệt độ: là tập hợp nhiệt độ của
các điểm trong không gian vật thể
- Trường nhiệt độ ổn định (trường dừng):
không phụ thuộc vào thời gian:
T=f(x,y,z)
- Trường nhiệt độ không dừng: phụ thuộc
vào thời gian: T=f(x,y,z,t)
b. Mặt đẳng nhiệt: tập hợp các điểm trong
trường nhiệt độ có cùng nhiệt độ


c. Gradient nhiệt độ
• Gradient nhiệt độ tại điểm P trên mặt
đẳng nhiệt (grad T)P là véctơ theo chiều
pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt có
chiều dương về phía nhiệt độ tăng, có
giá trị:
(grad T)P=(δ T/δ n)P= (δ T/δ x)Pcosα +
(δ T/δ y)Pcosβ + (δ T/δ z)Pcosγ

d. Kết tinh (Crystallization)
• Kết tinh là quá trình hình thành VĐ ở
trạng thái vi mô, bao gồm:
- Quá trình hình thành tâm mầm
- Sự phát triển của các tâm mầm
- Sự hình thành và phát triển của nhánh
cây
• Nghiên cứu quá trình kết tinh là NC sự
hình thành tổ chức của VĐ


e. Đông đặc (Solidification)
• Đông đặc là quá trình KL chuyển từ trạng
thái lỏng → rắn mà không xét đến cấu
trúc tinh thể
• NC quá trình đông đặc bao gồm:
- Quá trình hình thành và phát triển lớp KL
rắn
- Sự hình thành và dịch chuyển vùng 2 pha
• NC quá trình đông đặc nhằm xác định
nguyên nhân các khuyết tật có liên quan


f. Hệ số phân bố cân bằng
• Trong quá trình đông đặc, thành phần
pha rắn và pha lỏng thay đổi theo đường
đặc và đường lỏng trên giản đồ trạng thái
• Hệ số phân bố k của hợp kim có thành
phần C0:

k= hàm lượng chất tan trong pha rắn /
hàm lượng chất tan trong pha lỏng
⇒ Trong quá trình kết tinh, k thay đổi liên
tục


f. Hệ số phân bố cân bằng
• Quá trình kết tinh của HK có thành
phần C0
- Khi nhiệt độ giảm đến T1: pha rắn xuất
hiện có thành phần CS; pha lỏng-vẫn C0
- Khi nhiệt độ giảm đến T2: pha rắn kết
tinh có thành phần C1 ; pha lỏng-C2
- Khi nhiệt độ đến T3: giọt KLL cuối cùng
có thành phần CL
⇒ trong quá trình kết tinh, pha rắn ngày
càng giàu B ⇒ Thiên tích trong VĐ


g. Quá nguội nồng độ


g. Quá nguội nồng độ
• Ta có:
∆ T0= TL-TS= m∆ C0
k0=CS/C0=C0/CL

⇒ Cs=k0C0 và CL=C0/k0
∆ C0=CL-C0=(C0/k0)-C0
=C0(1/k0–1)=C0(1-k0)/k0

g. Quá nguội nồng độ
Quá trình đông đặc HK có thành phần C0
• Khi T vừa thấp hơn TL, những phần tử
của pha rắn đầu tiên có thành phần
k0C0. Do k0<1 ⇒ [B]R<[B]L;
lượng B dư: C0-CR=C0(1-k0) sẽ tích tụ
trước bề mặt phân cách rắn-lỏng
• Nếu không kịp khuếch tán, nồng độ B
trước bề mặt kết tinh sẽ lớn hơn nồng
độ nó trong KLL gây nên hiện tượng
“Quá nguội nồng độ”


h. Độ quá nguội
• KL nguyên chất ở trạng thái lỏng được
làm nguội dù với tốc độ rất chậm thì
nhiệt độ kết tinh thực tế vẫn thấp hơn
nhiệt độ kết tinh lý thuyết
∀ ⇒ KLL có thể tồn tại ở nhiệt độ thấp
hơn nhiệt độ kết tinh lý thuyết T0. KLL
lúc này được gọi là KLL quá nguội
∀ ∆ T= T0-T: độ quá nguội


h. Độ quá nguội


3.SỰ HÌNH THÀNH & PHÁT TRIỂN MẦM

3.1.Sự hình thành mầm nội sinh
• Khi làm nguội KLL với độ quá nguội ∆ T
⇒ năng lượng tự do của hệ giảm: đây
là động lực thúc đẩy quá trình kết tinh
• Giả sử có 1 cụm nguyên tử với bán
kính r, thể tích V, diện tích bề mặt F
đang hình thành trong KLL quá nguội.
• Năng lượng tự do của hệ sẽ thay đổi
một lượng ∆ G do 2 nguyên nhân:



3.1.Sự hình thành mầm nội sinh
1. Giảm năng lượng tự do thể tích ∆ GV

- Pha rắn có năng lượng tự do nhỏ hơn
pha lỏng ⇒ năng lượng tự do giảm:
∆ G V= - n ∆ G m
n-số mol của mầm;

n= V/Vmol

∆ Gm- ứng với 1 mol KL
∆ Gm= ∆ Hm - T∆ Sm = ∆ Hm - T.∆ H/To
≈ Lnc - T.Lnc/T0= Lnc(1-T/T0)= Lnc ∆ T/T0


3.1.Sự hình thành mầm nội sinh
2. Tăng năng lượng tự do bề mặt ∆ GF
Xuất hiện pha mới (rắn) có diện tích bề

mặt F làm năng lượng tự do tăng:
∆ GF= σ F

σ - scbm của mầm
⇒ ∆ G= ∆ GV+∆ GF
= -4π r3Lnc ∆ T/(T03Vm) + 4π r2σ
⇒ ∆ G= f(r)


3.1.Sự hình thành mầm nội sinh
• Khi T>TL: khi r tăng ⇒∆ GV, ∆ GF cùng
tăng ⇒ ∆ G cũng tăng: không thể hình
thành mầm
• Khi T=TL: khi r tăng ⇒∆ GV=0, ∆ GF tăng
⇒ ∆ G tăng: cũng không thể hình thành
mầm
• Khi Ttăng ⇒ đường biểu diễn ∆ G=f(r) có cực
đại ∆ Gmax tại rth


3.1.Sự hình thành mầm nội sinh
- Những mầm có rlên được do khi r tăng thì ∆ G cũng tăng
- Chỉ những mầm có r>rth mới có thể phát
triển lên được
• Xác định rth
d(∆ G)/dr=0 ⇒ rth= 2σ /∆ GV; ∆ Gmax= Fthσ /3
• Nguyên nhân chủ yếu tạo nên những
cụm nguyên tử có r>rth là do “Ba động

năng lượng”


3.2.Sự hình thành mầm ký sinh
(Ngoại sinh, ngoại nhập)
• Thực tế, quá trình kết tinh của KLL xảy ra
với ∆ T nhỏ hơn rất nhiều so với độ quá
nguội cần cho mầm tự sinh
• Nguyên nhân: do các phần tử rắn có mặt
trong KLL
• Bằng các tính toán tương tự, năng lượng
cần thiết để tạo mầm ký sinh có rth:

∆ G’max=(2-3cosθ +cos2θ ) ∆ Gmax/4=c.∆ G’max
θ -góc thấm ướt của mầm lên phần tử rắn