KHVLCK-chuong 2-SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG.pdf

dsds

1. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
1
1. Định nghĩa kết tinh
- Kết tinh là quá trình hình thành mạng tinh thể từ trạng
thái lỏng.
- Nghiên cứu sự kết tinh nhằm tìm ra các quy luật nâng
cao chất lượng vật đúc.
2. Cấu tạo của kim loại lỏng
- Trạng thái ban đầu của sự kết tinh là trạng thái lỏng.
- Kim loại lỏng có cấu tạo gần giống với kim loại rắn hơn
là kim loại hơi. biểu hiện qua các tính chất sau
+ Thể tích của kim loại lỏng và kim loại rắn không khác
nhau nhiều. Thường kim loại nóng chảy thể tích tăng
khoảng (2-6%).

2. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
2
2. Cấu tạo của kim loại lỏng
+ Nhiệt độ nóng chảy bé và chỉ bằng (5-10)% nhiệt độ
hóa hơi.
+ Nhiệt dung của trạng thái lỏng khác trạng thái rắn 10%
còn khác trạng thái hơi 25% cho thấy dao động nhiệt ở
trạng lỏng gần trạng thái rắn hơn.
+ Dựa vào ảnh nhiễu xạ tia rơnghen thì kim loại lỏng có
điểm giống với kim loại rắn.
Tóm lại: có thể coi trong kim loại lỏng các nguyên tử chỉ
giữ được trật tự gần, còn trật tự xa như kim loại rắn thì
không thể giữ được.

3. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
3. Điều kiện năng lượng để có quá trình kết tinh xảy ra
3
+ 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.
-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.

4. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
3. Điều kiện năng lượng để có quá trình kết tinh xảy ra
4
- 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 môi
trường áp suất khí quyển nên có thể coi là đây là quá
trình đẳng áp.
- Trong môi trường đẳng áp năng lượng tự do G được
tính theo công thức sau:
Trong đó:
G: Năng lượng tự do đẳng áp của hệ
H: Entanpi (nhiệt hàm) của hệ
T: Nhiệt độ (
0
K)
S: Entropi của hệ.
G= H-TS.

5. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
3. Điều kiện năng lượng để có quá trình kết tinh xảy ra
5
- Mà Entropi (S) là đại lượng nói lên mức độ trật tự của
mạng tinh thể, nó được qui ước S=0 tại 0
o
K và khi nhiệt
độ tăng thì S tăng
- Rút ra:
0
0
T
G G SdT 
0
0 0
.
T T
dT
G G Cp dT
T
 
  
 

- Bản thân entropi phụ thuộc nhiêt độ nên
- Trong thực tế áp suất không đổi thì G=f(T)

6. Vậy đồ thị thay đổi năng lượng tự do của hai pha lỏng
và rắn phụ thuộc nhiệt độ như sau
6
dT
T
dT
CpGG
TT
 






00
0
.
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
3. Điều kiện năng lượng để có quá trình kết tinh xảy ra

7. 7
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
* Nhận xét:
- Hai đường cong cắt nhau tại
T
0 và T
0 được gọi là nhiệt độ
kết tinh lý thuyết
- Tại T
0 tồn tại trạng thái cân
bằng động giữa pha lỏng và
pha rắn
- Nếu T>T
o → G
L<G
R vật thể tồn tại ở trạng thái lỏng
- Nếu T<T
o → G
L>G
R vật thể tồn tại ở trạng thái rắn, xảy
ra sự kết tinh.
-> Vì vậy muốn cho quá trình kết tinh xảy ra ta phải hạ
nhiệt độ xuống thấp hơn nhiệt độ kết tinh lý thuyết một
lương ΔT (độ quá nguội) ΔT = T
0 – T với
(T
0 >T)
3. Điều kiện năng lượng để có quá trình kết tinh xảy ra

8. 8
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
* Nhận xét:
- Có thể nói cách khác là điều
kiện năng lượng của quá trình
kết tinh xảy ra khi năng lượng
pha rắn nhỏ hơn năng lượng
pha lỏng.
3. Điều kiện năng lượng để có quá trình kết tinh xảy ra

9. 4. Sự tạo mầm trong quá trình kết tinh
a. Định nghĩa mầm
Mầm là phần tử rắn được hình thành từ kim loại lỏng có
cấu trúc tinh thể, có kích thước đủ lớn để tồn tại và phát
triển.
b. Phân loại mầm
- Có 2 loại mầm: mầm tự sinh và mầm ký sinh.
9
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
+ Mầm tự sinh: là mầm có thể lớn lên độc lập trong
lòng kim loại không nhờ vào các phần tử rắn ban đầu.
+ Mầm ký sinh: là mầm chỉ có thể lớn lên trên bề mặt
của phân tử rắn tiếp xúc với kim loại lỏng.

10. 5. 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.
10
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
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.

11. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
6. Động học của quá trình kết tinh
- Động học của quá trình kết tinh là nghiên cứu quan
hệ giữa lượng kim loại lỏng đã được kết tinh theo thời
gian.
- Konmogorov đã đưa ra phương trình động học của
quá trình kết tinh













43
3
exp1)( 

 nvVV
o
Trong đó:
:Lượng kim loại đã được kết tinh tại thời điểm
:Lượng kim loại lỏng ban đầu
:Tốc độ sinh mầm
:Tốc độ phát triển tinh thể
:Thời gian xét
( )
o
V
V
n
v



24

12. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
- Nếu gọi là số phần trăm kim loại lỏng được kết
tinh tại thời điểm τ
24
( )* 3 4
( )
1 exp
3
o
V
V nv
V




 
   
 
 
( )*
( )
o
V
V
V



6. Động học của quá trình kết tinh
- Vì xét quá trình kết tinh là
đẳng nhiệt ứng với một độ
quá nguôi ∆T sẽ có một trị số
nv
3
tương ứng và sẽ có một
đường cong quan hệ V
(τ)=f(τ)
và nếu thay đổi ∆T sẽ có họ
đường cong. 5
a
4
a
3
a
5
b
4
b
3
b
( )
*
V

100
50
O

2
a

13. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
24
6. Động học của quá trình kết tinh
* Nhận xét:
- Quá trình kết tinh không xảy ra
ngay tức thời mà cần một thời
gian chuẩn bị (điểm a), quá trình
kết tinh tương ứng kết thúc tại
(điểm b).
5
a
4
a
3
a
5
b
4
b
3
b
( )
*
V

100
50
O

2
a
- Trị số nv
3
càng lớn kết tinh xảy ra càng nhanh tức là
khoảng thời gian chuẩn bị kết tinh (oa), khoảng thời
gian kết tinh (ab) sẽ càng nhỏ.
- Tốc độ kết tinh đạt cực đại khi
*
( )
o
dV
V

*
( )
50%V



14. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
24
6. Động học của quá trình kết tinh
*
( )
o
dV
V
 *
( )
50%V


*
dV
d

1
2
3
4
5
- Tốc độ kết tinh đạt cực đại khi
- Mối quan hệ giữa nhiệt độ kết tinh đẳng nhiệt với tốc
độ sinh mầm và tốc độ phát triển mâm hoặc độ quá
nguội ∆T biểu thị như hình.
T
O
5
T
4
T
3
T
T
3
nv
o
T

15. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
24
6. Động học của quá trình kết tinh
- Giản đồ tổng hợp động học kết tinh chung có dạng hai
đường cong chữ ‘C’ (aa và bb) là đường nối các điểm
bắt đầu a và kết thúc kết tinh b.
T
5
b
4
T
3
T
lg 
o
T
5
a5
T
4
b
3
b
4
a
3
a
Bắt đầu kết tinh
Kết thúc kết tinh

16. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
24
6. Động học của quá trình kết tinh
- Khi độ quá nguội ∆T bé thì trị số nv
3
cũng bé nên thời
gian chuẩn bị oa và khoảng thời gian kết tinh ab đều
lớn. Các điểm a,b cách xa trục tung.
- Nếu giảm nhiệt độ kết tinh tức tăng độ quá nguôi ∆T
thì trị số nv
3
tăng nên các điểm a,b càng gần về phía
trục tung
T
0
–T T T 
5
a
4
a
3
a
5
b
4
b
3
b
( )
*
V

100
50
O

2
a
T
5
b
4
T
3
T
lg 
o
T
5
a5
T
4
b
3
b
4
a
3
a
Bắt đầu kết tinh
Kết thúc kết tinh

17. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
24
6. Động học của quá trình kết tinh
- Khi tăng độ quá nguội ∆T vượt quá điểm cực đại nv
3

thì nv
3
sẽ giảm khoảng thời gian chuẩn bị oa và khoảng
thời gian kết tinh ab lại tăng dần. Các điểm a,b lại cách
xa trục tung. Do đó làm cho các đường cong của quá
trình kết tinh có dạng chữ ‘C’.
5
a
4
a
3
a
5
b
4
b
3
b
( )
*
V

100
50
O

2
a
T
5
b
4
T
3
T
lg 
o
T
5
a5
T
4
b
3
b
4
a
3
a
Bắt đầu kết tinh
Kết thúc kết tinh
T
O
5
T
4
T
3
T
T
3
nv
o
T

18. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
24
6. Động học của quá trình kết tinh
+ Vùng phía bên trái đường
aa là vùng kim loại còn tồn
tại ở trạng thái lỏng kém ổn
định gọi là vùng kim loại
lỏng quá nguội.
T
5
b
4
T
3
T
lg 
o
T
5
a5
T
4
b
3
b
4
a
3
a
Bắt đầu kết tinh
Kết thúc kết tinh
- Giản đồ chữ ‘C’ chia làm các vùng
+ Vùng nằm giữa aa và bb tương ứng với quá trình
kết tinh đang xảy ra.
+ Vùng bên phải đường bb là vùng kim loại đã kết
tinh xong.

19. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
24
6. Động học của quá trình kết tinh
T
b
lg 
o
T
a
Bắt đầu kết tinh
Kết thúc kết tinh
- Trong thực tế kim loại kết tinh chủ yếu xảy ra theo cơ
chế mầm ký sinh với những độ quá nguội bé nên không
thể thực hiện độ quá nguội ∆T lớn vì vậy đường cong
chữ C xác định bằng thực nghiệm chỉ có nhánh phía
trên như hình

20. 7. 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

20
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
1
N
s

+ Số lượng hạt N quan sát được trên một đơn vị diện tích
+ Diện tích trung bình S(mm
2
) của một hạt trên bề mặt
- N và S có mối quan hệ có nghĩa là số lượng hạt N
càng nhiều, hạt có kích thước S càng bé.

21. 7. Độ hạt sau khi kết tinh
* Hình dạng hạt:
- Do tương quang về tốc độ phát triển mầm theo các
phương mà hạt được tạo thành có hình dạng khác nhau.
21
+ 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)
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG

22. 7. 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 chức 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.
- Người ta phân cỡ hạt thành 16 cấp hạt từ -3,-2,-1,0,…,11,
12 cấp nhỏ tương ứng hạt to và ngược lại.
- Cấp -3 đến 0 là hạt lớn có từ (2
o
-2
3
) hạt/1mm
2
-

Cấp 9 đến 12 là hạt nhỏ có từ (2
12
-2
15
) hạt/1mm
2
22
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG

23. 7. Độ hạt sau khi kết tinh
* Kích thước trung bình của hạt d(mm)
- Cấp 1 đến 8 là hạt trung bình thường gặp có từ (2
4
-2
11
)
hạt/1mm
2
Ví dụ: Cấp 1: N=16 hoặc S=(0.04-0.08) mm
2
23
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
Cấp độ hạt với phóng đạt 100 lần

24. 7. Độ hạt sau khi kết tinh
* Kích thước trung bình của hạt d(mm)
24
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
- 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:
X
n
N K
v
 

 
 
+ Đây là công thức thực nghiệm K và X là các hệ số
+ Thông thường chọn K=0.9;
1 3
2 4
X 

25. T
8. 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).
25
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
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.
- Trong thực tế để tăng độ quá nguội khi đúc phải làm
nguội nhanh, thường dùng các phương pháp sau đây:

26. 8. Các biện pháp làm nhỏ hạt
a. Tăng độ quá nguội ΔT
26
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
+ Tăng khả năng tỏa nhiệt của thành khuôn: Thay vật
liệu làm khuôn có tính dẫn nhiệt lớn (khuôn kim loại
thay khuôn cát).
+ Dùng nước, khí hay chất làm mát tăng cường làm
nguội cho khuôn.
* 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.

27. 8. Các biện pháp làm nhỏ hạt
a. Tăng độ quá nguội ΔT
27
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
* 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 dòn 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 (0.001-
0.1% trọng lượng kim loại lỏng).

28. 8. Các biện pháp làm nhỏ hạt
28
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
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, không tan giúp tạo mầm ký
sinh làm tăng N.
Ví dụ: Cho nhôm (Al) vào thép lỏng ( 20-25g/1tấn thép lỏng)
để tạo nên (Al
2O
3), 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 hòa 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.

29. 8. Các biện pháp làm nhỏ hạt
29
CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
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