Nghiên cưu cấu trúc chế khuếch tán vật liệu kim loại vô định hình Tổng quan Nghiên cứu vi cấu trúc, chuyển pha cấu trúc chế vật lý vật liệu kim loại chủ đề thu hút quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học giới Các vật liệu kim loại sắt, ni ken cô ban vật liệu có nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực khoa học ứng dụng khoa học công nghệ [1-5] Nhiều nghiên cứu vi cấu trúc biến đổi cấu trúc vật liệu thực thực nghiệm, lý thuyết lẫn mô máy tính [6-11] Sử dụng phương pháp như: tán xạ tia-X, nhiễu xạ nơtron, vi điện tử truyền qua…, nghiên cứu thực nghiệm cung cấp nhiều liệu quan trọng vi cấu trúc vật liệu kim loại thông qua việc phân tích hàm phân bố xuyên tâm thừa số cấu trúc [3, 5-8] Các kết nghiên cứu thực nghiệm rằng, trạng thái vô định hình (VĐH), hàm phân bố xuyên tâm thừa số cấu trúc có tách thành hai đỉnh nhỏ cực đại thứ hai Sự tách đỉnh cực đại thứ hai hàm phân bố xuyên tâm thường cho liên quan đến tồn khối đa diện 20 mặt (icosahedral) vật liệu VĐH [9-11] Bằng phương pháp mô động lực học phân tử (ĐLHPT), R S Liu cộng cho thấy, giảm nhiệt độ từ nhiệt độ nóng chảy 943 xuống tới 200 K hàm phân bố xuyên tâm kim loại nhôm bắt đầu có tách đỉnh cực đại thức hai nhiệt độ 500 K [6] S Ozgen E Duruk cho thấy trình làm lạnh từ từ (quá trình ủ nhiệt chậm) kim loại nhôm từ nhiệt độ 700 xuống 300 K xuất ba trạng thái lỏng, tinh thể yếu (weak-crystal) trạng thái VĐH [7] Tuy nhiên nghiên cứu chưa giải thích thỏa đáng chế chuyển pha lỏng-tinh thể, chuyển pha lỏng-VĐH… Như biết, vật liệu VĐH không tồn nút mạng nên khái niệm nút khuyết (vacancy), khuyết tật điểm trở nên khó định nghĩa cách tường minh Hơn nữa, trình khuếch tán vật vật liệu VĐH diễn chậm (Hệ số khuếch tán cỡ 10 -22 cm2/s), dịch chuyển nguyên tử môi trường VĐH lại xuất nhiều hiệu ứng đặc biệt như: hiệu ứng tương quan lượng, hiệu ứng tương quan hình học [1, 3, 4, 7, 9]… Những nghiên cứu chế khuếch tán vật liệu VĐH thường giải thích thông qua mô hình như: mô hình thể tích tự do, mô hình lý thuyết trạng thái hai mức, mô hình mô cầu lỗ trống Nhìn chung kết nhận giải thích phần tượng khuếch tán vật liệu kim loại VĐH [4, 9, 11] Một mô hình giải thích hiệu phù hợp chế khuếch tán vật liệu VĐH chế khuếch tán tập thể nhóm nguyên tử lân cận gần [9, 12] Chẳng hạn, Sietsma cộng nghiên cứu loại lỗ hổng mẫu hợp kim VĐH phương pháp mô phỏng, họ phát số lỗ hổng bao quanh 10 10 nguyên tử mẫu ủ nhiệt tốt Họ cho thấy vai trò quan trọng lỗ hổng kích thước lớn trình khuếch tán mẫu vật liệu VĐH [12] 10.2 Trong nước Ở Việt nam, theo hiểu biết chúng tôi, việc nghiên cứu vi cấu trúc, tính chất học trình khuếch tán vật liệu kim loại hợp kim chúng theo nhiệt độ, áp suất mức độ hồi phục thực nhóm nghiên cứu trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh nhóm nghiên cứu trường Đại học Bách khoa Hà Nội [13-20] Dựa mô hình thống kê hồi phục, nghiên cứu vi cấu trúc, chế khuếch tán vật liệu hợp kim sở Fe, Co VĐH theo mức độ hồi phục, nồng độ kim kích thước kim Kết cấu trúc hợp kim VĐH phụ thuộc mạnh vào mức độ hồi phục, nồng độ kim kích thước kim Chúng đề xuất chế khuếch tán thông qua bong bóng vi mô (vacancy tự nhiên) giải thích phụ thuộc hệ số khuếch tán theo mức độ hồi phục nồng độ kim Những kết nhận được công bố tạp chí chuyên ngành có uy tín chất lượng nước [13-16] Tuy nhiên, chưa thực phân tích vi cấu trúc, tính chất học trình khuếch tán cách dựa mô hình ĐLHPT Chúng chưa thực mô ảnh hưởng áp suất nhiệt độ lên cấu trúc, tính chất nhiệt động lực học trình khuếch tán vật kim loại VĐH, lỏng tinh thể Ngoài ra, chế chuyển pha cấu trúc như: chuyển pha lỏng-VĐH, chuyển pha lỏng-tinh thể quan tâm nghiên cứu Các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài [1] A Sarkar, P Barat and P Mukherjee (2008), “Molecular dynamics simulation of rapid solidification of Aluminum under pressure”, International Journal of Modern Physics B, 22, 2781-2785 [2] Cherne FJ, Deymier PA (2001), “Calculation of the transport properties of liquid aluminum with equilibrium and non-equilibrium molecular dynamics”, Scripta materialia, 45, 985-991 [3] Lopez JM and Silbert M (1989), “Structural diffusion model calculations of the pair distribution function of aluminum: From the liquid to the amorphous phase”, Solid State Communications, 69, 585-587 [4] Nayak SK, Khanna SN, Rao BK and Jena P (1998), “Thermodynamics of small nickel clusters”, Journal of Physics Condensed Matter, 10, 10853-10862 [5] J M Dubois, P Chieux, G Le Caer, J Schweitzer and J Bletry (1982), “Determination by polarized neutron diffraction of the three partial structure factors of a Co 81.5B18.5 glass”, Journal de physique, 923 [6] R S Liu, D W Qi and S Wang (1991), “Subpeaks of structure factors for rapidly quenched metals”, Physical Review B, 45, 451-456 [7] Ozgen S, Duruk E (2004), “Molecular dynamics simulation of solidification kinetics of aluminum using Sutton–Chen version of EAM”, Mater Lett , 58,1071-1075 [8] D K Belashchenko, M I Mendelev (1994), “Computer simulation of Ni65B35 amorphous alloy using diffraction data”, Sixth international conference on the structure of Non-Crystalline Materials, Praha, Aug [9] J M Delaye and Y Limoge (1993), “Simulation of vacancies in a Lennard-Jones glass”, Journal of Non-Crystalline Solids 156-158, 982-985 [10] G S Ghadra, M Sakata, N Cowlam, H A Davies (1981), “A diffraction study of Co81.5B18.5 binary metallic glass”, Phys Stat Sol A62, 625 [11] A Zhu, G J Shiflet, S J Poon (2008), “Diffusion in metallic glasses: Analysis from the atomic bond defect perspective”, Acta Materialia 56, 3550-3557 [12] J Sietsma and B J Thijsse (1995), “Characterization of free volume in atomic models of metallic glasses”, Physical Revew B 52, 3248-3255 [13] Pham Huu Kien, Le Thi Huong Dung and Nguyen Van Dang, ‘‘Structural and Diffusion Coefficient Changes in Amorphous Co-P Alloy’’, Journal of Materials Science and Engineering B (8) (2012) 482486 [14] P.H Kien, H.V Hue, and P.K Hung, “Study of Tracer Diffusion Mechanism in Amorphous Metal”, Hindawi Publishing Corporation, Journal of Metallurgy, Volume 2012, Article ID 517230, pages [15] P K Hung, H V Hue, L T Vinh (2006), “Simulation study of pores and pore cluster in amorphous alloys Co100-xBx and Fe100-yPy”, J Non-Cryst Sol 352, 3332-3338 [16] P K Hung, D K Belashchenko, V M Chieu, N T Duong, V V Hoang and T B Van (1999), “Local structure of amorphous canonical systems”, Journal of metastable and nanocrystalline materials 2-6, 393 [17] Vo Van Hoang, Nguyen Hung Cuong (2009), “Local icosahedral order and thermodynamics of simulated amorphous Fe”, Physica B 404, 340-346 [18] Vo Van Hoang (2004), “Computer simulation of the effects of B and P concentrations on microstructure in amorphous Fe-B and Fe-P alloys”, Physica B 348, 347-352 [19] Vo Van Hoang (2010), “Glass of monatomic Lennard-Jones system at nanoscale”, Physica B: Condensed Matter 405, 1908-1914 [20] Vo Van Hoang, Suhk Kun Oh (2005), “Annealing effects on structure in amorphous A12O3 models”, Physica B 364, 225-232 10.3 Danh mục công trình công bố thuộc lĩnh vực đề tài chủ nhiệm thành viên tham gia nghiên cứu (họ tên tác giả; báo; ấn phẩm; yếu tố xuất bản) [1] Pham Huu Kien, ‘‘Local Structural and Tracer Diffusion Mechanism in Amorphous Fe-based Alloys”, British Journal of Applied Science & Technology 3(4): 789-798, 2013 [2] P.H Kien and P.K Hung, “THE STRUCTURAL AND DYNAMIC PROPERTIES OF COBALT METAL UNDER TEMPERATURE”, Modern Physics Letters B 27(30): 1350223-10 pages, (2013) [3] T V Mung, P H Kien, T V Ha and H V Hue, “The Structural and Thermodynamic Properties of Amorphous and Liquid Aluminum”, International Journal of Engineering and Technology Research, Vol 1, No 10, November 2013, PP: 178 -185, ISSN: 2327-0349 (Online) [4] Pham Huu Kien, Le Thi Huong Dung and Nguyen Van Dang, ‘‘Structural and Diffusion Coefficient Changes in Amorphous Co-P Alloy’’, Journal of Materials Science and Engineering B (8) (2012) 482486 [6] P.K Hung, L.T Vinh, P.H Kien (2010), “About the diffusion mechanism in amorphous alloys”, Journal of Non-Crystalline Solids 356, 1213-1216 [7] Pham Huu Kien, Vu Van Hung and Pham Khac Hung (2010), “Simulating the role of microscopic bubbles in amorphous alloy Co81.5P18.5”, Journal of science & technology Technical Universities 78A, 75-79 [8] P.H Kien, P.K Hung and V.V Hung (2010), “The boron atom concentration dependence of the microscopic bubbles for amorphous alloy FexB100-x: Computer simulation”, Journal of science and technology of TNU 68(6), 50-55 Tính cấp thiết Vật liệu kim loại VĐH loại vật liệu tập trung nghiên cứu thực nghiệm lẫn mô mô hình hóa So với vật liệu tinh thể, tính chất hoá lý chúng khác biệt, chẳng hạn như: tính tốt, tính bền hoá học (độ bền độ cứng) cao, khả chịu ăn mòn tốt, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở thấp, tính chất từ tốt, độ dẫn từ cao, đặc biệt tính chất từ mền Vì vậy, hiểu biết cấu trúc vật liệu kim loại VĐH bước quan trọng để hoàn thiện công nghệ chế tạo vật liệu công nghệ ứng dụng Những nghiên cứu trước vật liệu kim loại VĐH cho thấy, hệ số khuếch tán mẫu hồi phục giảm so với mẫu không hồi phục Thông thường, hiệu ứng giải thích qua tồn chuẩn nút khuyết (quasi-vacancy) trạng thái siêu bão hoà (super-saturation) Trong qúa trình ủ nhiệt, nút khuyết lưu động trạng thái siêu bão hoà giảm biến chuẩn nút khuyết thể tích tự Do đó, hệ số khuếch tán vật liệu kim loại VĐH hồi phục giảm hàm thời gian tận hồi phục kết thúc hệ số khuếch tán đạt giá trị cuối Ngược lại, trạng thái hồi phục, trình khuếch tán trợ giúp chuẩn nút khuyết, khuếch tán thông qua dịch chuyển nhóm nguyên tử lân cận (Mater Sci Eng 97 (1988), 409; J Non-Cryst Solids 270 (2000), 128) Sự giải thích thường trái ngược với kết khảo sát thực nghiệm (như ảnh hưởng đồng vị, phụ thuộc vào áp suất ), đặc biệt định nghĩa chuẩn nút khuyết chưa rõ ràng Những phân tích số liệu hệ số đàn hồi hệ số khuếch tán cho thấy, sử dụng lỗ hổng loại nút khuyết để giải thích không thoả đáng với số liệu thực nghiệm Mặt khác, mô ĐLHPT biến nút khuyết đưa chúng vào mô hình, sau hồi phục 10 -10s (Mater Sci Eng A 226-228 (1997), 228) Điều có nghĩa là, nút khuyết vật liệu kim loại VĐH không bền vững Giải thích phù hợp mô hình ĐLHPT tìm thấy phổ liên tục lỗ trống cầu Tuy nhiên kích thước lỗ trống lại nhỏ kích thước nguyên tử (J Non-Cryst Solids 352 (2006), 3332) Theo lý thuyết thể tích tự (free volume) lý thuyết trạng thái hai mức (two-level states) (Acta Metall 36 (1988), 665; Mater Sci Eng A 226-228 (1997), 296), vài (khoảng 10 10) nguyên tử chuyển động đạt khoảng cách đủ lớn Áp dụng mô hình cho hệ Zr-Ti Ti-Ni, kết nhận ảnh hưởng kích thước nguyên tử khuếch tán phù hợp tốt với thực nghiệm Tuy nhiên, chưa có mô hình vật lý đưa giải thích hoàn hảo, thỏa đáng có hệ thống quan sát thực nghiệm khuếch tán Do đó, chế khuếch tán vật liệu kim loại VĐH chưa hiểu biết đầy đủ, nhiều tranh luận cần có thêm nghiên cứu Mục đích đề tài đặt nghiên cứu cấu trúc chuyển pha cấu trúc vật liệu kim loại Chỉ tồn nút khuyết tự nhiên khảo sát vai trò chúng khuếch tán để làm sáng tỏ chế khuếch tán vật liệu kim loại VĐH Ảnh hưởng mức độ hồi phục, mật độ, nhiệt độ đến cấu trúc hệ số khuếch tán vật liệu làm rõ Mục tiêu - Mô cấu trúc vật liệu kim loại Fe, Co, Fe-B, Fe-P Co-P có mật độ, mức độ hồi phục nồng độ khác thông qua việc phân tích hàm phân bố xuyên tâm, phân bố số phối trí phân bố số lượng đơn vị cấu trúc (simplex) - Xây dựng lý thuyết mô chế khuếch tán theo quan điểm hình học lẫn quan điểm lượng thông qua bong bóng vi mô (microscopic-bubbles) vật liệu kim loại VĐH Nội dung Nội dung nghiên cứu (trình bày dạng đề cương nghiên cứu chi tiết) - Nghiên cứu tổng quan cấu trúc lý thuyết chế khuếch tán vật liệu kim loại tinh thể, lỏng VĐH - Xây dựng phần mềm mô vật liệu ngôn ngữ lập trình C++ chạy chương trình hệ thống máy tính (30 máy PC) Bộ môn Vật lý tin học - Viện Vật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Dựng mô hình vật liệu kim loại VĐH phương pháp ĐLHPT với tương tác khác Mức độ tin cậy mô hình xây dựng kiểm tra cách so sánh hàm phân bố xuyên tâm, thừa số cấu trúc với dự liệu thực nghiệm kết mô số tác giả khác - Nghiên cứu cấu trúc vật liệu kim loại thông qua mô hình xây dựng theo mức độ hồi phục, mật độ, kích thước - Xây dựng lý thuyết mô tả chế khuếch tán xác định hệ số khuếch tán mô hình vật liệu - Bố cục nội dung báo cáo tổng kết đề tài dự kiến chương: Chương trình bày tổng quan lý thuyết liên quan đến đề tài Kỹ thuật mô phương pháp phân tích vi cấu trúc sử dụng để xác định thông số vật lý mô hình vật liệu trình bày chi tiết chương hai Chương ba, phân tích thảo luận vi cấu trúc mô hình xây dựng, số lượng đơn vị cấu trúc quan điểm khuếch tán nguyên tử ảnh hưởng mức độ hồi phục, nhiệt độ Tải file Nghiên cưu cấu trúc chế khuếch tán vật liệu kim loại vô định hình PP nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp mô thống kê hồi phục, phương pháp mô ĐLHPT phương pháp phân tích vi cấu trúc để xây dựng mẫu vật liệu, phân tích tính toán đặc trưng cấu trúc, tính chất động học, trình khuếch tán mẫu xây dựng Hiệu KTXH - Phương pháp mô máy tính phương pháp nghiên cứu mẻ Mô cung cấp số liệu thông tin dự đoán trước cấu trúc tính chất mẫu vật liệu cho nhà nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết Do đó, mô giảm bớt thời gian tiết kiệm kinh tế cho phương pháp nghiên cứu khác Đồng thời, kết mô cung cấp số liệu cấu trúc chế xảy mẫu vật liệu cho nhà nghiên cứu ứng dụng công nghệ - Cung cấp tranh đầy đủ vi cấu trúc chuyển pha cấu trúc vật liệu kim loại nhiệt độ thay đổi, mức độ ủ nhiệt khác Giải thích chế chuyển pha lỏng-tinh thể, tinh thể-VĐH Đưa quan điểm trình khuếch tán thông qua vacancy tự nhiên Kết này, góp phần làm sáng tỏ trình khuếch tán kim loại Nghiên cứu cung cấp số liệu tính toán hệ số khuếch tán vật liệu kim loại trạng thái có mức độ hồi phục, nhiệt khác ĐV sử dụng Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên