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

KHOA V
------------------------------

Ủ

- 2014


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

L I CẢ
Trong thời gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, chúng tôi đã nhận được
sự giúp đỡ của các thầy, 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 ơn 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

L

O

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 Ti n sĩ

ị 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

TRẦN THỊ NHÂM


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

MỤC LỤC
MỞ

U .......................................................................................................... 1

1. Lí do chọn đề tài ............................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của khóa luận ............................................... 2
6. Bố cục khóa luận ........................................................................................... 2
1: TỔNG QUAN VỀ H P KIM XEN K ................................ 3
1.1. Sơ lược về hợp kim ................................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm về hợp kim..................................................................... 3
1.1.2. Dung dịch rắn.................................................................................. 4
1.1.2.1. Khái niệm và phân loại ........................................................... 4
1.1.2.2. Dung dịch rắn thay thế ............................................................ 5
1.1.2.3. Dung dịch rắn xen kẽ - hợp kim xen kẽ.................................. 7
1.1.2.4. Các đặc tính của dung dịch rắn ............................................... 7
1.1.3. Pha trung gian ................................................................................. 8
1.1.3.1. Khái niệm và phân loại ............................................................ 8
1.1.3.2. Pha xen kẽ ................................................................................ 9
1.1.3.3. Pha điện tử (Hun-Rozeri)....................................................... 10
1.1.3.4. Pha Laves ............................................................................... 10
1.1.4. Hỗn hợp cơ học ............................................................................. 10
1.2. Tính chất của hợp kim............................................................................. 10
1.3. Cấu trúc tinh thể của hợp kim ................................................................. 13
1.3.1. Lập phương tâm khối (BCC) ........................................................ 13
1.3.2. Lập phương tâm diện (FCC) ......................................................... 15


1.3.3. Lục phương (Hcp) ......................................................................... 16
1.4. Ứng dụng của hợp kim ............................................................................ 17
T KHU CH TÁN CỦA H P KIM XEN K . 20

2.1. Hiện tượng khuếch tán ............................................................................. 20
2.2. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong hợp kim xen kẽ ............................ 22
2.2.1. Cơ chế khuếch tán ......................................................................... 23
2.2.2. Cơ chế khuếch tán xen kẽ trong hợp kim xen kẽ .......................... 26
2.2.2.1. Mạng LPTK ....................................................................... 26
2.2.2.2. Mạng LPTD ....................................................................... 27
2.3. Một số phương pháp nghiên cứu hiện tượng khuếch tántrong hợp kim xen
kẽ ..................................................................................................................... 29
K t lu n .......................................................................................................... 34
Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 35


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

MỞ
1. Lí do ch

U

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 hợp 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 hợp kim cũng như các thông số vật lí cơ
bản, tính chất của hợp 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 vật liệu. Do đó nghiên
cứu hợp kim xen kẽ đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà vật lí.

1


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. Mụ đ

ứu

Tìm hiểu về cấu trúc tinh thể của hợp 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. ố

ợng và phạm vi nghiên cứu
Các hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập phương tâm khối và lập phương tâm

diện.
4.

ơ

p áp

ứu

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.

ĩ

c và thực tiễn của khóa lu n

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. Bố cục của khóa lu n

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.

2


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

1
TỔNG QUAN VỀ H P KIM XEN K
Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất
nhiều loại vật 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.
Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời 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 bởi vật liệu kim loại cũng như các loại vật
liệu mới đặc biệt là hợp kim.

1.1.

ơ

ợc về hợp 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 định, sau đó đem đúc thành sản phẩm. Tổ hợp 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 hợp 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.

3


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 phần của các nguyên tố trong hợp kim được biểu thị theo phần
trăm khối lượng của mỗi nguyên tố. Tổng các thành phần trong hợp 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 với
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.

- Hệ (đôi khi còn gọi là hệ thống) là một tập hợp vật thể riêng biệt của
hợp kim trong điều kiện xác định.
- Pha là tổ phần 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 H20 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  (dung dịch rắn của hai cấu tử trên).
 Các dạng cấu tạo của hợp kim
Trong thực tế hợp 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 hợp 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, 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

4


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

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 phần 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).
1.1.2.2. Dung dịch rắn thay th
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,
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 với 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.

5


Thay thế

Xen kẽ
Hình 1.1. Sơ đồ tạo thành dung dịch rắn thay thế và xen kẽ

a)

b)

c)

B

d)

e)
)_

Hình 1.2. Sơ đồ tạo thành dung dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn
- 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.
- Các tính chất vật lí và hóa học gần giống nhau (cấu tạo lớp vỏ điện tử,
tính âm điện, nhiệt độ nóng chảy).

6


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi

phi

 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 - hợp 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 trong mạng tinh 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. á 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.

7


a)

c)

b)
Hình 1.3. Sự xô lệch mạng trong dung dịch rắn
a) Trong dung dịch rắn xen kẽ
b) Trong dung dịch rắn thay thế khi rht>rdm
c) Trong dung dịch rắn thay thế khi rht
- 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 trên nên dung dịch rắn là cơ sở 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 chiếm 100%.
1.1.3. Pha trung gian
Trong các hợp kim hầu như không có loại hợp chất hóa học hóa trị
thường. Các hợp chất hóa học tồn tại trong hợp kim thường gọi là pha trung
gian.

8


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi

phi

1.1.3.1. Khái niệm và phân loại
Các hợp 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 phần.
- Luôn luôn có một tỉ 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 hợp kim thường gặp là: Pha xen kẽ, pha điện
tử, pha Laves,….
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

dA
 0,59 (dA là đường kính nguyên tử phi kim loại, dK là đường
dK

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

dA

 0,59 pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp và công thức phức
dK

tạp hơn.
Đặc điểm của pha xen kẽ nói chung là có nhiệt độ chảy rất cao
(thường>30000C) và có độ cứng lớn (2000  5000 HV), có tính dòn lớn.

9


Chúng có vai trò rất lớn trong việc nâng cao tính chống mài mòn và chịu nhiệt
của hợp kim.
1.1.3.3.

đ ện tử (Hun - Rozeri)

Là pha trung gian có cấu tạo phức tạp, tạo nên bởi hai kim loại. Thành
phần của nó như sau:
- Nhóm một: Gồm các kim loại hóa trị một Cu, Ag, Au và kim loại
chuyển tiếp Fe, Ni, Pt, Pd.
- Nhóm hai: Các kim loại hóa trị hai, ba, bốn Be, Mg, Zn, Cd, Al, Si, Sn.
1.1.3.4. Pha Laves
Là pha tạo nên bởi hai nguyên tố (A,B), có tỉ lệ đường kính nguyên tử
dA
 1,2 (tỉ lệ này có thể biến đổi trong phạm vi 1,1  1,6), có công thức AB2,
dB

kiểu mạng lục phương xếp chặt (MgZn2) hay lập phương tâm mặt (MgCu2).
Trong hợp kim có thể còn gặp các pha  ,  ,  ,  … Tuy nhiên các loại
pha này ít phổ biến. Một đặc tính quan trọng của các pha trung gian là cứng

và dòn. Vì vậy không bao giờ người ta dùng hợp kim chỉ có một pha là pha
trung gian.
1.1.4. Hỗn hợp ơ

c

Khá nhiều trường hợp, hợp kim có tổ chức hai hay nhiều pha: Hai dung
dịch rắn, dung dịch rắn và pha trung gian … Cấu tạo như vậy gọi là hỗn hợp cơ
học. Hai trường hợp điển hình của hỗn hợp cơ học là: Cùng tinh và cùng tích.

1.2. Tính chất của hợp kim [5]
 Tính chất lí hóa:
- Khối lượng riêng là số đo khối lượng của vật chứa trong một đơn vị
thể tích. Nếu gọi khối lượng riêng của vật là m, thể tích là V thì khối lượng
riêng của vật tính theo:

10


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi



m

(g/cm3)
V

- Trọng lượng riêng là trọng lượng của vật chứa trong một đơn vị thể
tích. Nếu gọi trọng lượng của vật là P, thể tích là V thì trọng lượng riêng d
của vật được tính theo:
d

P
(kg/m3)
V

- Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ ứng với lúc hợp kim bắt đầu nóng chảy
hay kết tinh.
- Tính dẫn nhiệt là hiện tượng truyền nhiệt từ nơi cao đến nơi thấp của
vật liệu.
- Tính dãn nở nhiệt là sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ.
- Tính dẫn điện: Khi nhiệt độ tăng tính dẫn điện giảm và khi nhiệt độ
giảm thì tính dẫn điện tăng.
 Tính chất công nghệ:
- Tính cắt gọt là khả năng cắt gọt dễ hay khó, được xác định bởi lực cắt
gọt, tốc độ cắt gọt, độ bóng sau khi cắt gọt.
- Tính hàn là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết khi nóng
cục bộ chỗ nối đến trạng thái chảy hoặc dẻo.
- Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu khi chịu tác dụng lực bên
ngoài và không bị phá hỏng.
- Tính đúc xác định bởi độ chảy loãng của kim loại khi nấu chảy để đổ
đầy vào khuân đúc, độ co và tính thiên tích (tính thiên tích là sự không đồng
nhất về thành phần hóa học trong từng phần của vật đúc và trong nội bộ các
hạt của kim loại hay hợp kim).

11


 Tính chất cơ lí

Hình 1.4. Một trong những ứng dụng của tính chất cơ lí của hợp kim
- Tính bền là khả năng của vật liệu không bị đứt, gãy khi phải chịu một
lực nhất định nào đó. Tất cả các vật liệu sẽ bị đứt, khi lực vượt quá kháng lực
của vật liệu.
- Tính đàn hồi và tính dẻo
+ Tính đàn hồi của vật liệu là khả năng trở về hình dạng ban đầu của
vật liệu sau khi loại bỏ ngoại lực. Một ví dụ rất dễ nhận thấy hằng
ngày là tính đàn hồi của lò xo, nó sẽ trở lại hình dáng ban đầu khi bị
nén hoặc kéo trong giới hạn đàn hồi.
+ Tính dẻo là khả năng chịu biến dạng mà không bị đứt gãy hoặc vỡ.
- Tính dễ uốn và tính dòn: Khi vật liệu có thể uốn cong, biến dạng mà
không bị nứt hoặc đứt, gãy thì người ta nói vật liệu có tính uốn dễ. Nhìn
chung các kim loại trở nên dễ uốn hơn ở nhiệt độ cao.
- Tính mềm là một thuộc tính cho phép vật liệu có thể kéo căng, uốn
cong mà không bị đứt, gãy.
- Độ cứng và độ dai.
- Khả năng chống mòn.

12


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai

tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

1.3. Cấu trúc tinh thể của hợp kim [5]
Trong hợp kim các kiểu mạng tinh thể đặc trưng và thường gặp nhất là:
- Lập phương tâm khối (BCC): Body-centered cybic.
- Lập phương tâm mặt (FCC): Face-centered cybic.
- Lục phương (HCP): Hexagonal-close-packed.

Hình 1.5.Một số cấu trúc tinh thể của hợp kim
1.3.1. L p p

ơ

âm

ối (BCC)

Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể của mạng lập phương tâm khối
 Ô cơ sở: Hình lập phương cạnh a, 8 nguyên tử 8 góc, một nguyên tử ở
tâm khối.

13


 Số nguyên tử trong ô cơ sở n
Nguyên tử ở góc là chung của 8 ô cơ sở nên 1 ô có
có 8 

1
nguyên tử và 8 góc
8

1
nguyên tử.
8

Nguyên tử ở tâm hoàn toàn thuộc một ô.
1
n   8  1  2 nguyên tử
8

 Số sắp xếp k (số lượng các nút bao quanh gần nhất (BQGN) hay số phối
trí).
- Mỗi nguyên tử được BQGN bởi 8 nguyên tử với khoảng cách a 3
2

 k = 8 (xét cho cả nguyên tử ở đỉnh và ở tâm).

- Mỗi nguyên tử còn được bao quanh bởi 6 nguyên tử khác với khoảng
cách a  k = 8 + 6.
 Khoảng cách hai nguyên tử gần nhất a 3 .
2

 Mật độ thẳng, mật độ phẳng, độ lặp lại
- Mật độ thẳng (linear density): LD = số nguyên tử trên đoạn
thẳng/chiều dài đoạn thẳng (nguyên tử/cm).
- Mật độ phẳng (planar density): PD = số nguyên tử trên mặt

phẳng/diện tích mặt phẳng S (nguyên tử/cm2).
- Độ lặp lại (Repetition spacing) theo một phương: Khoảng cách giữa
các nguyên tử trên phương đó.

14


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

1.3.2. L p p

ơ

âm

ện (FCC)

Hình 1.7. Cấu trúc tinh thể của mạng lập phương tâm diện
 Ô cơ sở: Hình lập phương cạnh a, 8 nguyên tử 8 góc, 6 nguyên tử ở giữa
các mặt.
 Số nguyên tử trong ô cơ sở
1
1
nguyên tử, 8 góc có  8

8
8

- Một nguyên tử ở góc là của 8 ô  1 ô có
nguyên tử.
- Một nguyên tử ở mặt là của 2 ô  1 ô có

1
1
nguyên tử, 6 mặt có  6
2
2

nguyên tử.
1
1
n   8   6  4 nguyên tử
8
2

 Số sắp xếp K
- Mỗi nguyên tử được bao quanh gần nhất bởi 12 nguyên tử với khoảng
cách

a 2
 K = 12.
2

- Đỉnh: Cách đều 4 tâm của 3 mặt quanh nó.
- Tâm: Cách đều 4 đỉnh và 8 tâm của hai ô cơ sở kề nhau.

 Khoảng cách hai nguyên tử gần nhất

15

a 2
.
2


 Mật độ xếp: Các nguyên tử chỉ xếp sít chặt nhau trên {111} và tiếp xúc
nhau theo phương <110> nằm trên {111}. Do đó 4r  a 2 và r 
1.3.3. Lụ p

ơ

(

a 2
.
4

p)

Hình 1.8. Cấu trúc tinh thể của mạng lục phương
 Ô cơ sở: Hình lăng trụ 6 cạnh có chiều cao c, đáy lục giác đều cạnh a, có
12 nguyên tử ở góc, 2 nguyên tử ở tâm 2 mặt đáy và 3 nguyên tử ở tâm của 3
khối lăng trụ tam giác cách nhau.
 Số nguyên tử trong ô cơ sở:
1
1

n   12   2  3  6 nguyên tử
6
2

 Mật độ xếp: Các nguyên tử xếp sít nhau theo mặt {0001} và tiếp xúc
nhau theo hai phương.
 Số sắp xếp
- Mỗi nguyên tử bao quanh gần nhất bởi 12 nguyên tử có khoảng cách a
 K=12 (nguyên tử ở tâm đáy có 6 nguyên tử xung quanh, 3 nguyên tử

ở trên, nguyên tử ở dưới).
- Nếu

c
 1,633 thì khoảng cách đến ba nguyên tử phía trên và phía
a

dưới sẽ khác khoảng cách đến các nguyên tử xung quanh K = 6 + 6.

16


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Dưới đây chúng tôi sẽ đi sâu vào nghiên cứu hai cơ chế khuếch tán chủ
yếu trong hợp kim xen kẽ LPTK và LPTD.
1.4. Ứng dụng của hợp kim
Dựa vào những ưu điểm của hợp kim như:
+ Cách âm, cách nhiệt…
+ Thích ứng với mọi điều kiện thời tiết.
+ Siêu nhẹ, siêu bền, đa dạng về màu sắc chủng loại.
+ Hiệu quả thẩm mỹ cao.
+ Dễ bảo trì tẩy rửa.
+ Dễ thi công, dễ uốn tạo dáng thẩm mỹ trong kiến trúc và tạo hình
công ngiệp.
Người ta đã sử dụng hợp kim để chế tạo các vật liệu không thể thiếu
trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống

Hình 1.8. Ứng dụng của tấm ốp hợp kim nhôm
Tấm ốp hợp kim nhôm là vật liệu mới với những ưu điểm: Có khả năng
cách nhiệt, cách âm, chống cháy, chống sự ăn mòn, độ bền màu cao, vật liệu
nhẹ, thi công dễ dàng.Vật liệu nhôm bền, cách nhiệt, chống thấm cho tường,
dễ tạo hình,làm đẹp và hợp với các công trình kiến trúc hiện đại. Ngoài ra tấm
ốp hợp kim nhôm được sử dụng làm biển quảng cáo, vách ngăn.

17


Hình 1.9.Ứng dụng của Inox
Inox là một hợp kim thép, tổng hợp của các kim loại màu, có khả năng
chịu mài mòn, chống oxy hóa, không nhiễm từ, mềm dẻo, dễ uốn và dễ gia
công. Hơn nữa, Inox còn đảm bảo được tính mỹ thuật và sự sang trọng tinh tế.
Chính vì thế Inox được sử dụng rộng rãi trong ngành dân dụng và công
nghiệp.

Ngoài ra hợp kim còn rất nhiều ứng dụng khác trong đời sống.

18


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Hình 1.10. Một số ứng dụng khác của hợp kim

19


LÍ THUY T KHU CH TÁN CỦA H P KIM XEN K
Một trong những vấn đề khi nghiên cứu hiện tượng khuếch tán là chúng
ta cần phải chỉ ra được cơ chế khuếch tán của vật liệu. Đối với hợp kim nói
chung và hợp kim xen kẽ nói riêng có hai cơ chế khuếch tán cơ bản là: Cơ chế
xen kẽ và cơ chế thay thế. Cơ chế nào chiếm ưu tiên phụ thuộc vào từng kim
loại và các tạp chất pha tạp. Đối với hợp kim xen kẽ do đặc điểm của các
nguyên tử xen kẽ là những nguyên tử có kích thước nhỏ nên cơ chế xen kẽ là
chủ yếu. Điều đó có nghĩa là các nguyên tử có kích thước bé hơn, dưới tác
dụng của nhiệt độ và ứng suất có thể dịch chuyển từ lỗ trống này sang lỗ trống
khác trong mạng tinh thể. Trong khóa luận này chúng tôi sẽ trình bày cụ thể
hiện tượng khuếch tán và lí thuyết khuếch tán trong hợp kim xen kẽ (HKXK).

2.1. Hiệ

ợng khu ch tán

Theo tài liệu [3], khuếch tán là một quá trình di chuyển ngẫu nhiên của
một hay một số loại nguyên tử vật chất nào đó trong môi trường vật chất khác
(gọi là vật chất gốc) dưới tác dụng của các điều kiện đã cho như nhiệt độ, áp
suất, điện - từ trường và gradien nồng độ tạp chất….Nguyên tử pha vào được
gọi là nguyên tử pha (dopant) hoặc nguyên tử tạp chất (impurity). Nguyên tử
được pha vào bằng khuếch tán thường có nồng độ rất bé cỡ (10-3 ÷ 10-4)% so
với nồng độ nguyên tử gốc và vì vậy chúng thường được gọi là tạp chất.
Nếu chính các nguyên tử vật chất của môi trường gốc khuếch tán trong
chính môi trường vật chất đó thì được gọi là sự tự khuếch tán (self- diffusion).
Hiện tượng khuếch tán của các nguyên tử trong tinh thể là một trong
những vấn đề rất quan trọng và được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên
cứu. Lí thuyết khuếch tán xuất hiện đầu những năm 1855 được mô tả trong

20