khoa hoc vat lieu co khi-chuong 2-SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (193.42 KB, 7 trang )
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
1. Điều kiện năng lượng để có q trình kết tinh xảy ra
-Ta xét một thí dụ như hình vẽ:
+ Ta thấy viên bi ở vị trí số 1 là
ổn định nhất, đến viên bi 2 và
viên bi 3 là kém ổn định nhất.
+ Nếu xét mức năng lương dự trữ thế năng thì viên
bi số 1 là thấp nhất, rồi đến năng lượng dự trữ thế
năng viên bi 2 và năng lượng dự trữ thế năng của
viên bi 3 là cao nhất.
*Kết luận: Quy luật của tự nhiên là mọi vật đều có xu
thế tồn tại ổn định hơn ở trạng thái có năng lượng dự
trữ thấp hơn.
1
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
1. Điều kiện năng lượng để có q trình kết tinh xảy ra
- Theo nghiên cứu của các nhà vật liệu thì trong kim loại
sự chuyển động của các nguyên tử, ion được đặc trưng
bằng một đại lượng được gọi là năng lượng tự do G.
- Năng lượng tự do G là một hàm theo G(T,P,V,c).
- Hầu hết sự kết tinh kim loại lỏng xảy ra trong mơi
trường áp suất khí quyển nên có thể coi là đây là q
trình đẳng áp.
- Trong mơi trường đẳng áp năng lượng tự do G được
tính theo cơng thức sau:
G= H-TS.
Trong đó:
G: Năng lượng tự do đẳng áp của hệ
H: Entanpi (nhiệt hàm) của hệ
T: Nhiệt độ (0K)
S: Entropi của hệ.
2
1
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
1. Điều kiện năng lượng để có q trình kết tinh xảy ra
Vậy đồ thị thay đổi năng lượng tự do của hai pha lỏng
và rắn phụ thuộc nhiệt độ như sau
T T
dT
G G0 Cp. dT
T
0 0
3
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
1. Điều kiện năng lượng để có q trình kết tinh xảy ra
* Nhận xét:
- T0 gọi là nhiệt độ kết tinh lý
thuyết
- Nếu T>To → GL
- Nếu T<To → GL>GR vật thể
tồn tại ở trạng thái rắn
Vì vậy muốn cho qua trình kết tinh xảy ra ta phải hạ
nhiệt độ xuống thấp hơn nhiệt độ kết tinh lý thuyết
4
2
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
2. Tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển của tinh thể
- Tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển của tinh thể là hai
thông số quan trọng của quá trình kết tinh.
a. Tốc độ tạo mầm (n):
Tốc độ tạo mầm là số lượng mầm
được tạo ra trong một đơn vị thể
tích trong một đơn vị thời gian.
b. Tốc độ phát triển mầm (v):
- Là khả năng dịch chuyển của bề
mặt mầm theo phương pháp tuyến
trong một đơn vị thời gian.
5
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
3. Độ hạt sau khi kết tinh
- Độ hạt là đặc tính quan trọng và là một trong những tiêu
chuẩn đánh giá chất lượng kim loại.
- Muốn đánh giá chính xác độ hạt ta dùng phương pháp
nghiên cứu tổ chức tế vi thông qua các đại lượng
+ Số lượng hạt N quan sát được trên một đơn vị diện tích
+ Diện tích trung bình S(mm2) của một hạt trên bề mặt
1
- N và S có mối quan hệ N s có nghĩa là số lượng hạt N
càng nhiều, hạt có kích thước S càng bé.
6
3
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
3. Độ hạt sau khi kết tinh
* Hình dạng hạt:
- Do tương quang về tốc độ phát triễn mầm theo các
phương mà hạt được tạo thành có hình dạng khác nhau.
+ Khi tốc độ nguội đều theo
mọi phương thì hạt tạo nên có
hình dạng đa cạnh xu hướng co
về dạng cầu.
+ Khi tốc độ nguội mạnh theo
một phương nào đó, hạt sẽ phát
triển mạnh theo phương đó và
có dạng kéo dài (tấm trụ)
7
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
3. Độ hạt sau khi kết tinh
* Kích thước trung bình của hạt d(mm)
- Phụ thuộc vào điều kiện kết tinh (hạt dạng đều trục hoặc
dạng kéo dài).
- Đối với tổ chưc hạt kéo dài nên đánh giá theo số lượng hạt
N trên một đơn vị diện tích hay diện tích trung bình S của
hạt.
- Đối với tổ chức hạt đều trục có thể đánh giá theo một
trong ba đại lượng N, S, d (kt hạt trung bình). phổ biên
nhất là đánh giá theo d.
8
4
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
3. Độ hạt sau khi kết tinh
* Kích thước trung bình của hạt d(mm)
- Tốc độ sinh mầm (n) và tốc độ phát triển mầm (v) ảnh
hưởng đến độ hạt rất nhiều. Nếu xét trên cùng một diện
tích và trong cùng một thời gian thì tốc độ sinh mầm lớn
hạt sẽ nhỏ và ngược lại nếu tốc độ phát triển mầm lớn thì
hạt sẽ to.
→ Vậy muốn làm nhỏ hạt phải làm tăng tốc độ tạo mầm
và giảm tốc độ phát triển mầm
- Mối quan hệ N, n, v:
n
N K
v
X
+ Đây là công thức thực nghiệm K và X là các hệ số
1
2
+ Thông thường chọn K=0.9; X
3
4
9
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
4. Các biện pháp làm nhỏ hạt
* Nguyên lý chung:
- Trong quá trình kết tinh muốn làm nhỏ hạt phải dùng
các biện pháp tăng tốc độ sinh mầm (n) và giảm tốc độ
phát triển mầm (v).
a. Tăng độ quá nguội ΔT
- Khi tăng độ quá nguội thì tốc độ
tạo mầm (n) và tốc độ phát triển
mầm (v) đều tăng nhưng (n) tăng
nhanh hơn (v), do đó làm nhỏ hạt đi.
T
- Trong thực tế để tăng độ quá nguội khi đúc phải làm
nguội nhanh, thường dùng các phương pháp sau đây:
10
5
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
4. Các biện pháp làm nhỏ hạt
a. Tăng độ quá nguội ΔT
+ Tăng khả năng tỏa nhiệt của thành khuôn: Thay vật
liệu làm khn có tính dẫn nhiệt lớn (khn kim loại
thay khn cát).
+ Dùng nước, khí hay chất làm mát tăng cường làm
nguội cho khn.
* Các phương pháp này có nhược điểm:
- Tốc độ nguội không đồng điều nên độ hạt nhận được
cũng không đều.
- Đối với các khối kim loại lớn rất khó làm nguội với
tốc độ nhanh do lượng nhiệt tỏa ra nhiều.
11
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
4. Các biện pháp làm nhỏ hạt
a. Tăng độ quá nguội ΔT
* Các phương pháp này có nhược điểm:
- Tốc độ nguội cao sẽ làm cho ứng suất lớn và có thể
gây nứt vật đúc.
- Nếu đúc gang sẽ gây biến trắng làm dịn gang.
b. Sử dụng biến tính
- Là phương pháp làm nhỏ hạt rất hiệu quả.
- Cách làm là cho một ít chất đặt biệt có tác dụng làm
nhỏ hạt vào kim loại lỏng trước khi rót khuôn (0.0010.1% trọng lượng kim loại lỏng).
12
6
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
4. Các biện pháp làm nhỏ hạt
b. Sử dụng biến tính
* Chất biến tính phải có một trong hai tính chất sau
- Có khả năng kết hợp với kim loại lỏng để tạo ra các
hợp chất hóa học khó chảy, khơng tan giúp tạo mầm ký
sinh làm tăng N.
Ví dụ: Cho nhơm (Al) vào thép lỏng ( 20-25g/1tấn thép lỏng)
để tạo nên (Al2O3), Nitrit (AlN) khó chảy tạo nên các phần
tử rắn giúp tạo mầm ký sinh dễ dàng nên tăng n làm hạt nhỏ.
- Có khả năng hịa tan vào kim loại lỏng gây tác dụng
giảm tốc độ phát triển mầm
Ví dụ: Cho hỗn hợp muối (NaCl+NaF) vào hợp kim Al-Si
(1%) để hạn chế sự phát triển của các tinh thể Si làm nhỏ hạt.
13
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
4. Các biện pháp làm nhỏ hạt
c. Tiến hành kết tinh dưới những tác động cơ học và
vật lý khác
Có thể tăng mạnh tốc độ tạo mầm bằng các biện pháp
- Tạo những dòng kim loại lưu động bằng cách rung cơ
học
- Tác động vào kim loại lỏng sóng âm hay sóng siêu âm
- Kết tinh trong từ trường hoặc điện trường mạnh
14
7
