Chương 3: QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU

Chương 3
QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA
TRONG VẬT LIỆU
3.1 KHÁI NIỀM VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM.
3.1.1 Ðịnh nghĩa về kim loại.
Theo định nghĩa cổ điển thì kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn
điện và dẫn nhiệt cao. Ðịnh nghĩa này bao quát được những đặc điểm chính của đa số kim loại
và trên cơ sở này người ta phân biệt kim loại với á kim.
Ta thấy, hầu như kim loại ở bề mặt nhẵn bóng chưa bị ôxy hóa cũng đều có ánh kim,
phần lớn kim loại khá dẻo và có thể gia công bằng áp lực tức có thể rèn được, chúng có tính
dẫn điện, dẫn nhiệt cao (đặc biệt bạc, nhôm và đồng).
Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học, người ta đã tìm ra được nhiều nguyên tố kim
loại nhưng lại thiếu các tính chất trên. Cụ thể như ăngtimoan (Sb) dòn và không rèn được, còn
xêri (Ce) và Prazêôđim (Pr) lại có tính dẫn điện kém. Chính vì thế định nghĩa cũ cổ điển chưa
đúng cho mọi kim loại và chưa nêu lên được bản chất chung của chúng.
Ngày nay người ta lấy hệ số nhiệt độ của điện trở làm đặc điểm để phân biệt kim loại với
á kim. Theo tiêu chí mới này kim loại có hệ số nhiệt độ của điện trở dương, nghĩa là khi nhiệt
độ tăng thì điện trở cũng tăng; còn á kim thì ngược lại có hệ số nhiệt độ của điện trở âm, tức là
khi nhiệt độ tăng thì điện trở lại giảm. Cần lưu ý là không phải chỉ những nguyên tố kim loại
mới có tính chất trên mà cả hợp kim của chúng cũng có những tính chất đó.
Ðến nay người ta đã tìm ra hơn 100 nguyên tố hóa học, trong đó trên 3/4 là kim loại.
Ngoài hai loại nguyên tố cơ bản là kim loại và á kim còn có một số nguyên tố có vị trí trung
gian giữa chúng, đó là các nguyên tố bán dẫn như Giecmani (Ge), silíc (Si), v.v.
3.1.2 Phân loại kim loại.
Có nhiều cách phân loại khác nhau. Một số nước chia kim loại ra làm hai nhóm lớn là
kim loại đen và kim loại màu. Sắt thuộc kim loại đen; các kim loại mầu là các kim loại không
phải là sắt như đồng, nhôm, chì, kẽm, thiếc, titan v.v.
Sự phân chia kim loại đen và kim loại mầu trên rất thông dụng song lại mang tính chất
qui ước bởi vì nó không dựa trên một thực tế khách quan nào cả vì sắt không có mầu đen, còn
các kim loại khác không phải đều có mầu sắc.
Tuy kim loại mầu được sử dụng với khối lượng ít hơn so với kim loại đen nhưng chúng

thường lại đắt hơn và có công dụng riêng nổi bật so với kim loại và hợp kim đen.
33
3.1.3 Hợp kim.
Nếu đem nấu chảy kim loại với một hay nhiều nguyên tố khác (có thể là kim loại hay á
kim) để tạo nên một vật liệu mới có tính kim loại, thì vật liệu đó được gọi là hợp kim..
Thành phần của hợp kim được biểu thị bằng số phần trăm trọng lượng (đôi khi là số phần
trăm nguyên tử) của mỗi nguyên tố chứa trong nó. Tổng số các thành phần nguyên tố trong hợp
kim luôn phải là 100%.
Thuật ngữ "hợp kim" ngày nay mang ý nghĩa rộng hơn. Ngoài phương pháp nấu chảy,
người ta có thể thu được hợp kim bằng nhiều phương pháp khác như:
− Phương pháp luyện kim bột – ép các hạt rắn và thiêu kết chúng tiếp theo ở nhiệt
độ cao.
− Phương pháp khuyếch tán – cho một chất xâm nhập vào một chất rắn khác ở
nhiệt độ cao.
− Hoặc các hợp kim có thể thu được khi hóa bụi bằng plasma, hay trong quá trình
kết tinh từ pha hơi trong chân không, hay khi điện phân.
So với kim loại nguyên chất, hợp kim có nhiều tính chất ưu việt hơn nên nó được sử
dụng rộng rãi trong sinh hoạt cũng như trong cơ khí.
 Về cơ tính:
Hợp kim có độ bền, độ cứng cao hơn kim loại nguyên chất trong khi có độ dẻo, độ dai
phù hợp. Một vài hợp kim có tính chất quí giá mà kim loại nguyên chất không có được như độ
bền nhiệt rất cao, tính cứng nóng cao, tính chống ăn mòn, tính chống mài mòn tốt nên thời gian
sử dụng dài hơn.
 Về tính công nghệ:
Hợp kim có tính đúc, tính gia công cắt gọt đặc biệt khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện
tốt. Hơn nữa về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo kim loại nguyên chất khó hơn nhiều so với chế
tạo hợp kim do phải khử bỏ triệt để các tạp chất lẫn lộn nên phức tạp và tốn kém nên sử dụng
hợp kim trong chế tạo cơ khí còn có tính hiệu quả kinh tế hơn.
3.2 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI
3.2.1 Các khái niệm cơ bản.

Giản đồ trạng thái hay còn gọi là giản đồ pha hoặc giản đồ cân bằng của một hệ là công
cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng (hoặc tỉ lệ) các pha hay các tổ
chức của hệ đó ở trạng thái cân bằng.
Giản đồ trạng thái còn là sự biểu diễn quá trình kết tinh của hợp kim. Quá trình đó phụ
thuộc vào loại pha được tạo thành từ dung dịch lỏng, cụ thể là phụ thuộc vào nhiệt độ và hàm
lượng của các chất tạo thành. Giản đồ chỉ rõ các tổ chức của hợp kim trong các điều kiện cân
bằng.
Tóm lại, giản đồ pha là căn cứ không thể thiếu để nghiên cứu vật liệu, khi chúng ta hòa
trộn các cấu tử lại với nhau. Các hệ khác nhau có giản đồ pha khác nhau và chúng được xây
34
dựng chủ yếu bằng thực nghiệm. Trong thực tế không có hai giản đồ trạng thái nào giống nhau
hoàn toàn vì sự tương tác giữa các cấu tử xảy ra rất phức tạp từ kiểu pha, các phản ứng cho đến
nhiệt độ tạo thành.
 Pha.
Người ta định nghĩa pha là những tổ phần đồng nhất của hợp kim (còn được gọi là hệ),
chúng có thành phần đồng nhất ở điều kiện cân bằng, ở cùng một trạng thái (có thể là lỏng, rắn
hay khí) và ngăn cách với các phần còn lại (tức với các pha khác) bằng bề mặt phân chia. Nếu
ở trạng thái rắn các tổ phần phải có cùng kiểu mạng và thông số mạng.
 Nguyên.
Nguyên (hay còn gọi là cấu tử) là những chất độc lập có thành phần không biến đổi,
chúng tạo nên tất cả các pha của hệ.
Cấu tử thường là nguyên tố hóa học, là kim loại nguyên chất cấu tạo nên hợp kim hoặc
có thể là hợp chất hóa học ổn định. Các cấu tử không thể biến đổi lẫn cho nhau nhưng có thể
chuyển từ pha này sang pha khác.
 Hệ.
Hệ là từ dùng để chỉ một tập hợp vật thể riêng biệt của vật liệu trong điều kiện xác định
hoặc là một loạt hợp kim khác nhau với các cấu tử giống nhau. Nói cách khác, một tập hợp
nhiều pha ở trạng thái cân bằng được gọi là một hệ hay còn được gọi là hệ thống.
Ta hãy xét một số thí dụ để làm rõ các khái niệm trên.
Nước là hệ ở 0

0
C tồn tại hai pha là nước (pha lỏng) và nước đá (pha rắn) song chỉ có một
cấu tử đó là hợp chất hóa học H
2
0.
Trường hợp Cu và Ni thì lại khác. Ở nhiệt độ cao Cu và Ni có thể hoà tan vô hạn vào
nhau tạo thành dung dịch lỏng còn ở nhiệt độ thấp chúng cũng hòa tan vào nhau để tạo thành
dung dịch rắn. Như vậy hợp kim này là hệ có hai nguyên là Cu và Ni và thường có tổ chức một
pha là dung dịch lỏng (ở nhiệt độ cao) và dung dịch rắn (ở nhiệt độ thấp).
Ngược lại, Cu và Pb rất ít hòa tan vào nhau ở trạng thái lỏng và không hòa tan lẫn nhau ở
trạng thái rắn. Do đó hợp kim đồng và chì tuy cũng là hệ hai cấu tử nhưng thường lại có tổ
chức hai pha: ở nhiệt độ cao gồm hai dung dịch lỏng khác nhau về thành phần hóa học; còn ở
nhiệt độ thấp nó lại bao gồm hai tinh thể Cu và Pb.
 Trạng thái cân bằng của hệ.
Một hệ được coi là cân bằng khi các quá trình chuyển biến xảy ra trong nó mang tính
chất thuận nghịch, tức là quá trình biến đổi theo chiều ngược lại thì hệ đi qua đúng những trạng
thái mà quá trình thuận đã đi qua.
Ðiều này chỉ xảy ra khi các pha ở trạng thái đồng nhất, các nguyên tử nằm ở các vị trí
cân bằng qui định, pha rắn không có ứng suất trong. Nói theo cách khác là hệ ở trạng thái cân
bằng ổn định khi các pha trong hệ thống phải có giá trị năng lượng tự do nhỏ nhất trong số các
giá trị mà chúng có thể có được trong điều kiện nhiệt độ, áp suất và thành phần xác định. Ðiều
này cũng có nghĩa là trong các điều kiện đó đặc tính của hệ hoàn toàn không biến đổi theo thời
gian.
35
Khi thay i ỏp sut v nhit s kộo theo s tng nng lng t do, lỳc ú rt cú th
h cú bin i t ngt sang trng thỏi cõn bng mi vi nng lng t do nh hn, tc l cú
chuyn bin pha.
Cú th núi, trng thỏi hay t chc khụng cõn bng l khụng n nh, nú luụn cú xu hng
t bin i v trng thỏi hay t chc cõn bng, n nh, nht l khi nú b nung núng, cũn
nhit thng quỏ trỡnh chuyn bin ny rt chm hu nh khụng nhn thy c hoc bin

i khụng ỏng k.
3.2.2 Gin pha ca cỏc h.
Ngy nay ngi ta ó xõy dng c hu ht cỏc h mt nguyờn, h hai nguyờn (gia
kim loi vi kim loi v gia kim loi vi phi kim loi) v cỏc h ba nguyờn.
3.2.2.1 Gin pha ca h mt cu t
Hỡnh 3.1 Gin pha ca st
3.2.2.2 Gin pha ca h hai cu t
Gin trng thỏi ca h hai cu t ó phc tp hn, nú gm hai trc, trong ú trc tung
biu th nhit cũn trc honh biu th thnh phn ca h vi nhng ng phõn chia cỏc khu
vc pha theo nguyờn tc xen gia cỏc khu vc mt pha l khu vc hai pha tng ng nh c
trỡnh by trờn hỡnh 3.2 .
1539
1392
911
L (loỷng)
- Fe (A
2
)
- Fe (A
1
)
- Fe (A
2
)
Nhieọt ủoọ
0
C
36
Hình 3.2 Các trục của giản đồ pha hệ hai cấu tử
Thành phần có thể tính theo phần trăm % nguyên tử nhưng thông thường nó được tính

theo phần trăm % khối lượng.
Ðiểm tận cùng bên trái trên trục hoành tương ứng với 100% hàm lượng nguyên tố A còn
lượng phần trăm nguyên thứ hai B được tính theo trục đó từ trái qua phải và điểm tận cùng bên
phải tương ứng với 100% hàm lượng nguyên tố B. Ðường thẳng đứng bất kỳ biểu thị một
thành phần nhất định nhưng ở các nhiệt độ khác nhau.
Ví dụ đường thẳng đứng D biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của thành phần này và như vậy
hai trục tung chính là giản đồ pha của từng cấu tử tương ứng.
Do được biểu thị trên mặt phẳng một cách chính xác nên từ giản đồ pha của hệ hai cấu
tử, người ta dễ dàng xác định được các thông tin cho một thành phần xác định ở nhiệt độ đã
cho như:
 Các pha tồn tại:
Căn cứ vào điểm (tọa độ) của nhiệt độ - thành phần đã cho nằm trong vùng nào của giản
đồ pha sẽ xác định được tổ chức pha tương ứng với vùng đó.
 Thành phần pha:
Nếu điểm (tọa độ) của nhiệt độ - thành phần nằm trong vùng một pha thì thành phần của
pha cấu tạo nên vật liệu cũng chính là thành phần của vật liệu đã chọn. Khi điểm (tọa độ) của
nhiệt độ - thành phần nằm trong vùng hai pha thì để xác định thành phần bằng cách kẻ qua nó
một đường thẳng nằm ngang, hai giao điểm của đường thẳng với hai đường biên giới pha gần
nhất sẽ chỉ rõ thành phần của từng pha.
Ngoài ra, từ giản đồ trạng thái của hai cấu tử người ta còn biết được khoảng nhiệt độ
chảy hay kết tinh, biết được các chuyển biến pha và dự đoán các tổ chức được tạo thành ở
trạng thái không cân bằng khi làm nguội nhanh, v.v.
Những vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong giản đồ trạng thái của sắt - các bon ở
các phần sau.
3.3 CHUYỂN BIẾN PHA TỪ THỂ LỎNG SANG THỂ RẮN (KẾT TINH).
3.3.1 Khái niệm
Kết tinh được hiểu là quá trình chuyển biến của vật liệu từ trạng thái lỏng sang trạng thái
rắn. Xét về mặt tinh thể, đó là quá trình chuyển biến từ trạng thái các nguyên tử trong sự sắp
xếp hỗn loạn không trật tự sang trạng thái các nguyên tử được sắp xếp theo một qui luật trật tự
xác định. Có thể nói kết tinh là một quá trình chuyển biến tổ chức (chuyển biến pha) điển hình.

Quá trình kết tinh này được thực hiện bởi hai quá trình cơ bản nối tiếp và song song với
nhau:
− Quá trình tạo mầm: Trong kim loại lỏng xuất hiện những trung tâm kết tinh có kích
thước rất nhỏ nhất định gọi là mầm. Có thể coi đây là những mầm mống đầu tiên của
kim loại rắn.
37
− Quá trình phát triển mầm: các mầm mống trên phát triển, lớn lên trở thành các hạt tinh
thể.
Trong khi các mầm cũ đang phát triển, lớn lên (quá trình phát triển mầm đang xảy ra) thì
trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm mống mới (quá trình tạo mầm cùng đồng thời
xảy ra). Ta sẽ đi sâu vào từng quá trình cụ thể.
3.3.2 Quá trình tạo mầm.
Quá trình tạo mầm còn được gọi là quá trình tạo thành trung tâm kết tinh hay đơn giản là
tạo mầm. Ðây là quá trình xuất hiện những phần tử rắn có cấu tạo tinh thể với thể tích nhất
định ở trong kim loại lỏng, chúng là những trung tâm (hay mầm) để từ đó phát triển, lớn lên
thành các hạt tinh thể. Căn cứ vào đặc tính phát sinh, người ta phân ra hai loại mầm: mầm tự
sinh (còn gọi mầm đồng pha) và mầm không tự sinh (còn gọi mầm ký sinh hay mầm có sẵn,
mầm không đồng pha).
Mầm tự sinh là mầm được trực tiếp sinh ra từ kim loại lỏng không cần tác dụng của các
phần tử (hạt) rắn có sẵn trong kim loại lỏng.
Mầm không tự sinh (còn gọi là mầm ký sinh) là loại mầm kết tinh tạo nên trên bề mặt của
các hạt rắn có sẵn trong kim loại lỏng.
Mầm không tự sinh có vai trò quan trọng trong kết tinh thực tế, nó có thể phát sinh từ các
nguồn sau:
− Một hàm lượng rất nhỏ các phần tử lẫn lộn không hòa tan như ôxýt, nítrít, buị tường lò
v.v có kiểu mạng và kích thước không khác nhiều so với kim loại kết tinh.
− Các hạt rất nhỏ có khả năng hấp thụ trên bề mặt của mình những nguyên tử của kim
loại kết tinh.
− Thành khuôn, đặc biệt các vết nứt, chỗ lồi lõm trên thành khuôn.
Ngoài ra, người ta cũng đưa vào kim loại lỏng một số nguyên tố để giúp cho quá trình

kết tinh nhanh, chúng được gọi là chất biến tính.
3.3.3 Quá trình phát triển mầm.
Sau khi tạo được mầm, quá trình tiếp theo là các mầm này phát triển, lớn lên thành các
hạt tinh thể.
Ta hình dung sự tạo thành hạt tinh thể kim loại bằng sơ đồ 1.25 sau đây:

Hình 1.3 Sơ đồ tạo thành các hạt tinh thể.
38
# #
Giây thứ nhất
Giây thứ hai
Giây thứ n
...
Từ sơ đồ ta thấy, giả sử trong một đơn vị thể tích kim loại lỏng trong một giây ban đầu
sinh được 3 mầm kết tinh. Ở giây thứ hai tiếp theo ba mầm này phát triển lớn lên nhưng đồng
thời trong thể tích kim loại lỏng lại sinh ra thêm 3 mầm kết tinh khác. Quá trình cứ như thế tiếp
diễn cho đến khi cả khối kim loại kết tinh hết ở giây thứ n nào đó. Từ quá trình xuất hiện và
lớn lên của mầm kết tinh ta có thể rút ra các nhận xét sau:
−Do mỗi mầm định hướng tùy ý trong không gian một cách ngẫu nhiên nên phương
mạng giữa các hạt tinh thể kim loại bị lệch nhau.
−Các hạt tinh thể có kích thước không đồng đều. Những hạt tinh thể phát triển từ mầm
sinh ra trước có nhiều điều kiện phát triển (về thời gian và thể tích kim loại lỏng bao quanh) sẽ
có kích thước lớn hơn những hạt do các mầm sinh ra sau, muộn hơn.
3.3.4 Hình dạng hạt.
Tùy thuộc vào bản chất của kim loại kết tinh (như kiểu mạng tinh thể, tạp chất v.v) và
các điều kiện kết tinh (tốc độ làm nguội, phương tản nhiệt v.v) mà hạt tinh thể tạo thành khi kết
tinh có thể có các dạng hình cầu, hình đa diện, hình tấm hay hình kim.
Dạng hạt tinh thể hình cầu chỉ có được trong trường hợp mầm được tự do phát triển đều
theo mọi phương. Tất nhiên, không thể đạt được dạng hình cầu ở tất cả các hạt tinh thể vì kể cả
khi mầm kết tinh được tự do phát triển theo mọi phương với tốc độ giống nhau đi nữa thì khi

gặp nhau các hạt tinh thể chỉ có thể có dạng của hình đa diện mà thôi (tổ chức này thường gặp
khi các kim loại nguyên chất kết tinh được làm nguội đồng đều).
Khi kim loại lỏng kết tinh trong điều kiện làm nguội thật nhanh theo một phương nào đó
thì hạt tinh thể có dạng kéo dài hay hình trụ.
Trường hợp mầm phát triển mạnh theo mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất và chậm theo
các mặt còn lại thì hạt tinh thể sẽ có dạng hình tấm hoặc hình kim.
3.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt và các phương pháp làm nhỏ hạt.
3.3.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt.
Qua nghiên cứu có hai yếu tố quyết định kích thước hạt khi kết tinh là tốc độ tạo mầm và
tốc độ phát triển mầm.
Tốc độ tạo mầm càng lớn thì trong một đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian xuất
hiện càng nhiều mầm, nên số hạt tinh thể càng nhiều và hạt sẽ càng nhỏ.
Ngược lại, tốc độ phát triển mầm mà càng lớn, thì những mầm sinh ra trước sẽ phát triển
rất nhanh và tạo thành các hạt kim loại lớn lấn át các mầm ra sau và hạt sẽ có kích thước lớn.
Người ta đã đưa ra mối quan hệ giữa kích thước hạt (ký hiệu A) với tốc độ tạo mầm n và
tốc độ phát triển mầm  như sau:
n
aA
ν
⋅=
(trong đó a là hệ số).
Từ công thức trên dễ dàng thấy được nếu ta càng tăng tốc độ tạo mầm n và càng giảm tốc
độ phát triển mầm thì sẽ nhận được hạt tinh thể càng nhỏ. Như vậy, phương pháp làm nhỏ hạt
tinh thể sẽ dựa trên nguyên lý tăng số lượng mầm và giảm tốc độ phát triển của nó.
39
3.3.5.2 Các phương pháp làm nhỏ hạt.
Có nhiều cách để làm nhỏ hạt khi kết tinh nhưng trong cuốn sách này chỉ trình bày hai
phương pháp chính là phương pháp tăng độ quá nguội (tức tăng tốc độ nguội) và phương pháp
biến tính.
 Phương pháp tăng độ quá nguội


T khi kết tinh
Hình 1.4 Ảnh hưởng của
∆
T đến n và
ν
.
−Khó làm tăng tốc độ nguội đồng đều trên toàn bộ tiết diện của thành vật đúc. Vì vùng
mặt ngoài tiết xúc với thành khuôn sẽ nguội nhanh hơn, nên hạt sẽ nhỏ hơn so với vùng bên
trong vật đúc.
−Vật đúc lớn (nhất là với vật đúc có khối lượng rất lớn) lượng nhiệt tỏa ra khi kết tinh
rất lớn nên rất khó làm nguội nhanh và dễ sinh ra tổ chức xuyên tinh.
Hình 1.4 cho thấy khi tăng độ quá nguội T cả n và  đều tăng nhưng n tăng nhanh hơn
nên nếu tăng độ quá nguội ta vẫn nhận được hạt nhỏ.
 Phương pháp biến tính
Người ta có thể đạt được hạt tinh thể nhỏ sau kết tinh bằng cách cho vào kim loại lỏng
trước khi rót một lượng nguyên tố nào đó (với số lượng nhỏ không đủ làm thay đổi tính chất
của kim loại lỏng) nhằm tăng lượng mầm kết tinh hoặc làm hạn chế tốc độ phát triển của mầm.
Các nguyên tố này được gọi là các chất biến tính.
Chất biến tính dùng làm nhỏ hạt tinh thể sau kết tinh là những chất phải có một trong hai
tính chất sau:
− Có khả năng kết hợp với kim loại lỏng nhưng thường là các tạp chất trong kim loại
lỏng để tạo nên các hợp chât hóa học khó chảy, không tan ở dạng phần tử rắn nhỏ lơ lửng trong
kim loại lỏng giúp cho sự tạo mầm ký sinh.
Thí dụ, người ta thường cho vào thép lỏng một lượng nhôm rất nhỏ theo tỉ lệ 20 - 50g
trên một tấn thép lỏng. Lượng nhôm nhỏ này sẽ không làm thay đổi tính chất của thép nhưng
nó kết hợp với ôxy, nitơ hòa tan trong thép lỏng để tạo thành các phần tử ôxuyt nhôm Al
2
O
3

,
nítrít nhôm AlN rất nhỏ phân tán đều trong thép lỏng. Chính các phần tử này giúp cho sự tạo
40
n
ν
n
ν
∆T
1
∆T
2 ∆
T
Ðộ quá nguội T phụ thuộc tốc
độ nguội, tốc độ nguội càng lớn, độ
quá nguội T càng lớn.
Ðể làm được điều này trong kỹ
thuật đúc người ta dùng vật liệu làm
khuôn có tính dẫn nhiệt cao (khuôn
kim loại chẳng hạn), hoặc có thể dùng
nước làm nguội thành khuôn kim loại.
Có điều, tăng độ quá nguội là
biện pháp chỉ thích hợp cho vật đúc
nhỏ, với vật đúc lớn biện pháp này sẽ
gặp khó khăn vì: