Vật liệu đại học giao thông

6
Điều kiện năng lượng của quá trình kết tinh
Về mặt cấu tạo nguyên tử , ta có thể coi trong kim loại lỏng , các nguyên tử chỉ giữ đc trật tự
gần , còn trong kim loại rắn giữ đc sự sắp xếp các nguyên tử ở mức trật tự xa
Kết tinh kim loại là một quá trình hạ nhiệt độ kim loại sẽ chuyển từ trạng thái lỏng ( trật tự gần)
sang trạng thái rắn( trật tự xa) . nhiệt độ tại đó, lỏng chuyển sang rắn , ng ta gọi là nhiệt độ kết
tinh lý thuyết ký hiệu T0
Năng lượng tự do của hệ thống ( G) : G= f( T,P,V,c) . Trong đó : T là nhiệt độ , P là áp suất, V là
thể tích , c là nồng độ
Trong trường hợp kết tinh của kim loại thực tế có thể coi: c =cosnt, p=const= 1AT, V xấp xỉ =
const. Do đó G=f(T). Vật lý chất rắn đã xây dựng: G=E+P*V-TS=H-TS. Với E là nội năng của hệ
thống, S là entropi của ht, H là Entanpi
Trong điều kiện đẳng áp, sự thay đổi nhiệt độ làm cho năng lượng tự do thay đổi . Ta có nhiệt
dung đẳng áp ( Cp= dH/dt)p ....biểu đồ...
Nếu kết tinh tại nhiệt dộ T mà : T>T0 thì Gl <Gr => ko thể kết tinh và T=T0 thì Gl=Gl=> tồn tại cả
lỏng và rắn và T< T0 thì Gl > Gr => kết tinh xảy ra
Lấy T0-T= đen ta T gọi là độ quá nguội thì ta có : đk năng lượng của quá trình kết tinh là năng
lượng tự do của pha rắn nhỏ hơn năng lượng của pha lỏng. Muốn vậy cần có độ quá nguội
đentaT . Nhiệt dộ kết tinh lý thuyết T0 ở nhiệt độ cân bằng đc xác định : T0 = đentaH/ đenta S =
Lnc /đenta S. . ở đây sai khác Entanpi giữa pha lỏng và pha rắn dc gọi là ẩn nhiệt nóng chay :
Lnc . Trong thực tế kim loại kết tinh tại nhiệt độ T<T0 , do đó pha lỏng có thể tồn tại ở nhiệt độ
nhỏ hơn T0 . đây là pha kém ổn định “ lỏng quá nguội”
7
Cơ chế sinh mầm : nếu mầm lớn lên một cách độc lập trong long kim loại lỏng thì ng ta gọi là
mầm tự sinh , còn nếu mầm lớn lên trên bề mặt của phần tử rắn tiếp xúc với kim loại lỏng thì đc
gọi là mầm ký sinh.Mầm tự sinh : điều kiện năng lượng để sinh mầm tự sinh : khi có đentaT thì
sẽ có đenta G bằng Gl –Gr . Giả sử sinh mầm hình cầu có bán kính R thể tích V và diện tích bề
mặt là S thì ta có phương trình năng lượng đenta G= -đentaGv + đentaGs. Trong đó đentaGv
năng lương thể tích , bản than năng lượng pha rắn nhỏ hơn năng lượng pha lỏng dẫn tới năng
lượng của hệ thống giảm( dấu âm) . đentaGs năng lượng bề mặt, sự xuất hiện bề mặt phân
chia nằm giữa mầm và kim loại lỏng dẫn tới năng lượng hệ thống tăng( dấu dương)

Quá trinh kết tinh xảy ra khi có sự giảm năng lượng , tức là đentaGv >đentaGs . giả thiết mầm
có tạo bởi n mol kim loại và thể tích của một mol kim loại là vm thì tại nhiệt độ T ta tính đc năng
lượng thay đổi đenta Gm do một mol kim loại chuyển từ lỏng sang rắn : dentaGm = Lnc
.đentaT/T0. Phương trình năng lượng sẽ có dạng : đenta G =xích ma .S – n.đentaGm=4piRbinh
.xích ma- 4/3 pi R lập . Lnc .đentaT / (Vm.T0)
Với xích ma là sức căng bề mặt mầm . lấy cực trị của hàm số đentaG= f(R) , suy ra R tới hạn
=2xichma .Vm.T0/ Lnc.đentaT ....đồ thị
Thay Rth ta đc : đentaGth=4pi Rth bình .( xichma-1/3 . Lnc.đentaT.Rth/Vm.T0)=1/3xichmaSth
Điều kiện sinh mầm tự sinh: mầm có bán kính R>=Rth vì theo đồ thị đentaG =f( R ) nếu R<Rth
thì khi R tăng , đentaG tăng : trái quy luật năng lượng. R>=Rth thì khi R tăng , đetanG giảm phù
hợp với quy luật
Quá trình sinh mầm thiếu 1/3 năng lượng sức căng bề mặt , những vùng nào trong khối kim loại
nỏng có thể bù đc 1/3 năng lượng thiếu hụt này thì sẽ sinh mầm , nhưng vùng sinh mầm gọi là
vùng 3 động năng lượng
Mầm ký sinh : Giả thiết màm hình chỏm cầu có bán kính R góc tiếp xúc giữa mầm và bề mặt
vật rắn là (phi) với : cosphi=trị tuyệt dối( xichma RL –xichma MR) ) / xichma ML
Gọi đenta G*là sự thay đổi năng lượng , ta có đentaG* = dentaG nhân ¼(2-3cosphi+ cos mũ 3
phi ) =đentaG nhân C (phi) . Sự thay đổi năng lượng mầm ký sinh chỉ khác mầm tự sinh ở đại
lượng C(phi) và 0<= C(phi)<= 1, với C(phi ) xác định thì R*th =2xichma ML .Vm.T0/Lnc.đentaT
suy ra dentaG*th=C(phi) .1/3.xichma ML.Sth
Lúc đó các điều kiện sinh mầm tự sinh và mầm ký sinh đều có những yêu cầu như nhau.
Nhưng do 0<=C(phi)<=1 nên sinh mầm tự sinh ko lợi bằng sinh mầm ký sinh về năng lượng.
Sự phát triển mầm
Khi mầm hình thành có kích thước R>=Rth thì sẽ phát triển thành hạt tinh thể . sự phát triển
của màm có R>=Rth là quá trình tự nhiên vì nó làm giảm năng lượng tự do của hệ.cơ chế của
mầm phát triển theo nguyên lý Gibbs-vulf-curie.Hình dáng cân bằng của tinh thể đang lớn lên
phải làm như thế nào để tổng lăng lượng bề mặt là nhỏ nhất: tổng xihc ma từ i=1 tới n của
xihma i . Si= min. trong đó xihma i và Si là sức căng bề mặt và diện tích bề mặt giới hạn thứ i
9,
Độ hạt sau kết tinh và các biện phap làm nhỏ hạt:

Quá trình kết tinh cho ta một thế hệ hạt. kích thước của các hạt sẽ quyết định rất lớn tính chất
kim loại sau kết tinh . để đánh giá đúng vai trò của hạt , sử dụng khái niệm về độ hạt
Định nghĩa: độ hạt là số lượng hạt quan sát đc trên một đơn vị diện tích( K) . rõ rang K càng lớn
thì hạt càng bé. Đây là quan hệ tỉ lệ nghịc và nếu gọi d trung bình là đường kính trung bình của
hạt thì K xấp xỉ bằng 1/d tbinh. Để đánh giá tính chất kim loại sau kết tinh thì ngoài kích hạt ra
còn đánh giá dựa trên hình dáng hạt. thương trong thực tế gặp 2 laoi hình dáng hạt là hạt
tròn ,và hạt dài. Yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt chính là tốc độ sinh mầm n và tốc độ
mầm v hay chính là tốc độ quá nguội đenta T bằng thực nghiệm ng ta tìm ra mối qh giữa d tb và
n và v như sau: dtrunhbinh =h.( v/n)mũ x. trong đó h và x là hệ số phụ thuộc vào kiểu mạng và
bản chất của kim loại với kim loại và hợp kim thì h =0.9 và x = ( 1/2 đến ¾ )
Các biện pháp làm nhỏ hạt : tăng độ quá nguội đenta T : khi tăng độ quá nguôi đenta T thì
trong kim loại có thể gặp dạng đường cong n=f(đentaT) và v=f(đentaT) . suy ra biện phá này
phải tăng khả năng làm nguội thành khuôn , có thể chọn các giải pháp như sau: phun các chất
lỏng ( nc , dầu, không khí...) nén tăng cường độ nguội cho khuôn. Chế tạo khuôn bằng vật liệu
có hệ số dẫn nhiệt cao, có thể chế tạo khuôn rỗng để cho chất môi giới làm nguội lưu thong
hoặc tăng diện tích bề mặt tiêp xúc của khuôn với môi trường bằng việc làm cánh tản nhiệt...
Sử dụng chất biến tính : chất biến tính loại 1: chất này có thể hòa tan đc trong kl lỏng góp phần
làm giảm công hình thành tâm mầm giới hạn .chất biến tính loại 2: không tan trong kl lỏng , có
thể kết hợp với các tạp chất trong kl lỏng tạo ra các hợp chất khó chảy tồn tại dưới dạng các
phân tử rắn nằm lơ lửng trong kl lỏng giúp cho việc tạo mầm ký sinh.
Áp dụng biện pháp cơ học , vật lý trong quá trình kết tinh
10, Biến dạng dẻo đơn tinh thẻ theo cơ chế trượt
Đối với đơn tinh thể hoàn thiện , tất cả nguyên tử nằm phía trên mặt trượt sẽ tương đối so với
các nguyên tử nằm bên dưới tác dụng của ứng suất trượt , đi những bước làn lượt là số
nguyên lầ thong số mạng theo phương trượt : 1b,2b,3b...nb. ở đây b là thong số mạng theo
phương trượt và a là thong số mạng theo phương vuông góc với phương trượt.lý thuyết độ bền
gọi ứng suất trượt trong tinh thể hoàn thiện là độ bền lý thuyết đc tính bằng công thức: xichma lt
=b/a .G/2pi . sin (2piX/b) Trong đó G là moduyn trượt , x là độ xê dịch trượt (khoảng cách
trượt nhỏ hơn thong số mạng theo phương trượt (x<= b) . Đối với tinh thể ko hoàn thiện ( chứa
lệch ) trong mô hình dưới đây , giả sử đơn tinh thể chứa lệch biên thì cơ chế của nó : quá trình

biến dạng dẻo chỉ thực hiên với những nguyên tử quanh vùng lệch chuyển động. Lý thuyết độ
bền gọi là ứng xuất trượt trong đơn tinh thể ko hoàn thiện là độ bền thực tế và đc tính bằng
công thức thực nghiệm : xichma tt= 2G/( 1-muy) . exp(-2pi/1-muy . a/b) trong đó muy là hệ số
poát xông, lấy bằng 1/3 cho kim loại .So sánh độ bền thực tế với độ bền lý thuyết với a=b ,
x=b/4 , muy=1/3 thì xichma lt >> xichma tt => sự chuyển động làm cho dễ biến dạng dẻo và
trong lý thuyết độ bền , muốn tăng bền cho kim loại phải hãm lệch, cản chở chuyển động của
lệch
11, những đặc điểm của biến dạng dẻo đa tinh thể
Các hạt trong đa tinh thể có định hướng phương mạng khác nhau . tải trọng tác dụng là cho
biến dạng khác nhau : hạt nào có phương mạng thuận lợi với phương của ứng xuất tác dụng
sẽ bị biến dạng trước với trị số trị xuất nhỏ. Trải lại hạt nào định hướng phương mạng không
thuận lợi với phương của ứng suất tác dụng thì hoặc đc biến dạng sua với trị suất lớn hơn hoặc
ko thể biến dạng đc . các hạt trong đa tinh thể có mức độ biến dạng dẻo không đồng nhất.
Các hạt trong đa tinh thẻ luôn tương tác với nhau . Sự biến dạng của một hạt luôn ảnh hưởng
đến các hạt xung quanh và chúng bị cản trở . do vậy khi biến dạng dỏe các hạt trong đa tinh thể
có thể bị trượt ngang theo nhiều hẹ trượt khác nhau và xảy ra đồng thời sự quay của các mặ
trượt và phương trượt.
Vùng biên giới hạt của đa tinh thể sắp xếp khong có trật tự là cho trượt khó phát triển vì không
hình thành đc các mặt trượt và phương trượt . đây là yếu tố hãm lệch có hiệu quả . Trong đa
tinh thể khó có thể trượt lien tục từ hạt này sang hạt khác do định hướng phương mạng giữa
các hạt và hãm lệch bởi vùng biên giới hạt . Trong cơ học vật rắn , quan tâm đến độ bền độ
dẻo là hai chỉ tiêu rất quan trọng để chế tạo chi tiết máy. Nếu độ bền thấp thì dễ biến dạng và
ngc lại . lý thuyết độ bền chỉ ra vai trò của lệch mạng ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của kim loại
theo đồ thị của mối quan hệ xichma=f(p). ở đây p là mật độ lệch
12
Tổ chức và tính chất của kim loại sau biến dạng dẻo
A, sự thay đổi tổ chức : đường trượt là nơi thoát ra của mựt trượt trên bề mặt mẫu . Các đường
trượt đều định hướng theo phương của ứng xuất tác dụng. mức biến dạng càng lớn thì số
đường trượt càng nhiều, mật độ càng mau.
B,sự thay đổi hình dáng hạt : nếu tải trọng tác dụng đủ lớn , các hạt đa tinh thể sẽ bị biến dạng

tương đối đồng đều và bị dài ra theo phương của ứng xuất tác dụng hình dáng của hạt thay đổi
làm cho tính đẳng hướng giả mất đi thay bằng tính dị hướng
C, tạo ra siêu hạt với độ biến dạng lớn ( 40-50%) các hạt kim loại sẽ bị chia cắt nên nhỏ hơn
.các phần thể tích có kích thước ( 1-2micromet) và có phương mạng lệch nhau một góc 1độ-20’
đc gọi là siêu hạt
D, tạo tổ chứ thớ sợi : tron kim loại trc khi chiu biến dạng dẻo có thể chứa các tạp chất trong
nó. Pha chất rắn thứ 2 có sự phân bố không đều ở dạng cục ,hòn .Sau khi biến dạng dẻo ,
chúng bị biến thành các chuỗi dài nằm song song theo phương ứng suất tác dụng gọi là tổ chứ
thớ sợi . Tổ chức thớ sợi làm cho cơ tính của mẫu kim loại đa tinh thể có tính dị hướng và tổ
chức này ảnh hưởng có hại đến kim loại sử dụng ,dễ bị phá hủy dòn
Tính chất của kim loại sau biến dạng dẻo: sau khi biến dạng dẻo tổ chức thay đổi thể tích riêng
thay đổi sinh ra trạng thái ứng suất dư tổ chức. Bản than kl tích một lượng nhiệt làm cho năng
lượng tự do của hệ tăng, hệ kém ổn định hơn gọi là ứng suất dư nhiệt . Sự tồn tại của ứng suất
dư tổ chức và ứng suất dư nhiệt gọi là ứng suất dư.ứng suất dư đc chia làm ba loại : USD loại
1 : là loại USD tồn tại cân bằng trong toàn bộ vật thể, USD loại 2 :ứng suất dư tồn tại cân bằng
trong từng vùng hoặc trong hạt. USD loại 2 là USD tồn tại cân bằng trong từng vùng hoặc trong
hạt .USD loại 3 : là USD tồn tại cân bằng trong từng vùng của hạt hoặc trong siêu hạt
Câu 13
Phân biệt 2 quá trình hồi phục và kết tinh lại , trình bày qt kt lại
-hồi phục T<Tktl : quá trình hồi phục này có thể làm giảm một phần ứng suất dư , giảm sai lệch
mạng . về việc hồi phục các tính chất, điện trở giảm , tính dẫn nhiệt, dẫn điện tăng , khả năng
chống ăn mòn tăng lên chút it. ở giai đoạn hồi phục , cơ tính thay dổi ko nhiều , nó chỉ rõ rệt khi
nhiệt độ hồi phục cao , gần nhiệt độ kt lại thì xu hướng độ cứng độ bền giảm , độ dẻo , độ dai
va đập tăng nhưng không lớn .
Kết tinh lại :
1
Định nghĩa đặc điểm , cách xây dựng , tính chất của tinh thể lý tưởng của kim loại
Định nghĩa : mạng tinh thể lý tương là mô hình lý tưởng không gian mô tả quy luật hình học của
sự sắp xếp các nguyên tử trong kim loại .đặc điểm chung:- không bị khống chế về mặt kích
thước , có thể mở rộng ra vô hạn - có tính tuần hoàn -mỗi nguyên tử bao quanh bởi một số

lượng bằng nhau các nguyên tử gần nhất với khoảng cách như nhau.số lượng các nguyên tử
này gọi là số sắp xếp của mạng – toàn thể mạng xem như đc tạo thành hình khối đơn giản,
giống nhau; cách sắp xếp các nguyên tử khối đó đặc trưng cho cách sắp xếp của toàn mạng đc
gọi là ô cơ sở
Xây dựng :