LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, đã nhận được sự giúp đỡ và chi bảo rất tận tình của các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp Trước hết, xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS-TSKH Phạm Khắc Hùng, trường ĐHBK Hà Nội, người trực tiếp chi dạy, hướng dẫn và cung cấp tài liệu nghiên cứu giúp hoàn thành luận văn này Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy cô giáo giảng dạy khóa cao học Vật lí K23 và phòng sau đại học trường Đại học sư phạm Hà Nội đã tận tình giảng dạy và giúp học tập, tìm tòi kiến thức năm vừa qua Tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp tại bộ môn Vật lý tin học, trường ĐHBK Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện về mọi mặt suốt quá trình thực hiện luận văn Luận văn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp và chi bảo của các thầy cô Hà Nội, tháng năm 2015 Tác giả MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Hệ số của tương tác cặp nguyên tử Pak-Doyama đối với vật liệu Fe-Fe, Fe-B, B-B vô định hình .21 Bảng 3.1 Đặc trưng cấu trúc của FeB ảnh hưởng của nhiệt độ: r và g(r) là vị trí và độ cao đinh thứ nhất của HPBXT; Zij là số phối trí trung bình 32 Bảng 3.2 So sánh kết quả tính toán mô độ cao và vị trí của đinh thứ nhất, thứ hai của HPBXT cặp hợp kim Fe-B với kết quả thực nghiệm của J M Delaye và Y Limoge (1993) 32 Bảng 3.3 Hệ số khuếch tán, tần suất chuyển đổi, tần suất thay đổi lân cận của hợp kim Fe-B trạng thái lỏng và trạng thái vô định hình .36 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi nhiệt của sắt Hình 1.2 Sơ đồ chuyển pha của sắt Hình 1.3 Hàm phân bố xuyên tâm của sắt lỏng và vô định hình (a), so sánh với liệu thực nghiệm của T Ichikawa (b) Hình 1.4 Sơ đồ chuyển pha của Bo Hình 1.5 Hàm phân bố xuyên tâm tổng thể của hợp kim Fe-B lỏng các nồng độ khác [32] Hình 1.6 Thừa số cấu trúc a(K) của một số hợp kim vô định hình Hình 1.7 Hàm phân bố xuyên tâm (HPBXT) của hợp kim Fe83B17 (A) HPBXT tổng thể: nét liền là số liệu nhiễu xạ tia X, nét đứt là số liệu nhiễu xạ neutron .9 (B) HPBXT thành phần xác định từ số liệu nhiễu xạ tia X và neutron, đường nét liền cho cặp Fe-Fe và nét đứt cho cặp Fe-B của tác giả Fujiwara (1980)[30] Hình 2.1 Minh họa sự thay đổi số phối trí của Fe theo thời gian 28 Hình 2.2 Minh họa sự thay đổi số lân cận theo thời gian của Fe 28 Hình 3.1 Hàm phân bố xuyên tâm của cặp Fe – Fe .33 Hình 3.2 Hàm phân bố xuyên tâm của cặp Fe – B 33 Hình 3.3 Hàm phân bố xuyên tâm của cặp B - B 34 Hình 3.4 Sự phụ thuộc của độ dịch chuyển bình phương trung bình vào số bước thời gian mô 300 K và 1800 K .35 Hình 3.5 Sự phụ thuộc của số chuyển đổi vào số bước thời gian mô 300 K và 1800 K 37 38 Hình 3.6 Sự phụ thuộc của số thay đổi lân cận vào số bước thời gian mô 300 K và 1800 K .38 Hình 3.7 Sự phụ thuộc của số thay đổi lân cận vào số chuyển đổi 39 300 K và 1800 K 39 Hình 3.8 Phân bố số chuyển đổi theo số nguyên tử Hình ứng với nhiệt độ 1800 K, hình ứng với nhiệt độ 300 K 41 Hình 3.9 Phân bố số thay đổi lân cận theo số nguyên tử Hình ứng với nhiệt độ 1800 K, hình ứng với nhiệt độ 300 K 41 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, kim loại và hợp kim được ứng dụng rất rộng rãi các lĩnh vực khác của đời sống Các tính chất hoá lý của chúng như: tính bền học, khả chịu ăn mòn, tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính chất từ, đã được nghiên cứu tương đối đầy đủ từ rất lâu Nhưng hiểu biết về cấu trúc vi mô của kim loại và hợp kim cũng chuyển động của các nguyên tử bên chúng vẫn hạn chế Vì vậy, để hoàn thiện công nghệ chế tạo và mở rộng ứng dụng các kim loại và hợp kim, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu cấu trúc vi mô và chế khuếch tán của chúng cả thực nghiệm lẫn mô mô hình hóa Trong thập ki gần đây, nghiên cứu vi cấu trúc, sự chuyển cấu trúc, sự khuếch tán,… của nguyên tử vật liệu rắn nói chung và hợp kim nói riêng là một chủ đề thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và ngoài nước Ở Việt nam, việc nghiên cứu về vi cấu trúc, các tính chất học và quá trình khuếch tán của nguyên tử các vật liệu kim loại và hợp kim theo nhiệt độ, áp suất,… được thực hiện các nhóm nghiên cứu của trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh và trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về sự khuếch tán hợp kim chưa nhiều Cơ chế khuếch tán, các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán cũng ứng dụng của hiện tượng khuếch tán khoa học, kĩ thuật của nhiều hợp kim chưa được làm bật Do đó, đề tài “Nghiên cứu chế khuếch tán tập thể hợp kim Fe-B” được lựa chọn Mục đích nghiên cứu đề tài - Tìm hiểu các kiến thức tổng quan về cấu trúc và lý tính của hợp kim Fe-B - Tìm hiểu chế khuếch tán tập thể của nguyên tử hợp kim Fe-B Đối tượng nghiên cứu đề tài - Hợp kim Fe-B - Kỹ thuật mô quá trình khuếch tán Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài - Xây dựng các chương trình mô cấu trúc vật liệu, chế khuếch tán vật liệu ngôn ngữ lập trình C và chạy chương trình này hệ thống máy tính tại Bộ môn Vật lý tin học - Viện Vật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Nghiên cứu cấu trúc của hợp kim Fe-B - Nghiên cứu chế khuếch tán hợp kim Fe-B Phương pháp nghiên cứu đề tài Đề tài sử dụng phương pháp mô động lực học phân tử và phương pháp phân tích vi cấu trúc để phân tích, tính toán các đặc trưng về cấu trúc, tính chất, đặc điểm và chế khuếch tán tập thể vật liệu Fe-B Những đóng góp đề tài - Cung cấp thông tin về vi cấu trúc của hợp kim Fe-B - Làm sáng tỏ chế khuếch tán tập thể vật liệu Fe-B Cấu trúc đề tài Gồm phần: Phần I: Mở đầu Phần II: Nội dung Chương 1: Tổng quan về khuếch tán hợp kim Fe-B Chương 2: Phương pháp mô Chương 3: Kết quả và thảo luận Phần III: Tài liệu tham khảo CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Hiện nay, vật lí nói chung và khoa học vật liệu nói riêng, mô được thừa nhận một công cụ quan trọng để nghiên cứu các hệ vi mô Đây là phương pháp đóng vai trò liên kết chặt chẽ hai phương pháp lí thuyết và thực nghiệm Một đối tượng được tập trung nghiên cứu phương pháp mô là hiện tượng khuếch tán Nội dung chương I đề cập đến vấn đề sau: 1/ Đặc tính vật lí của Fe, B và hợp kim Fe-B; 2/ Cơ chế khuếch tán hệ Fe-B; 3/ Các mô vi mô về hiện tượng khuếch tán chất lỏng và chất rắn vô định hình 1.1 Hệ Fe-B 1.1.1 Sắt Sắt là nguyên tố hóa học phổ biến nhất Trái Đất, đó là kim loại có ánh kim, dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt Dưới 1042 K (nhiệt độ Curie, T C), sắt nhiễm từ mạnh đặt từ trường ngoài Khối lượng riêng của sắt là 7,874 g/cm3 0C, áp suất atm và 6,98 g/cm3 nhiệt độ nóng chảy Trong tự nhiên, sắt có đồng vị: 54Fe (5,845%), 56Fe (91,754%), 57Fe (2,119%) và 58 Fe (0,282%) Về cấu trúc, sắt có các dạng thù hình là α, β, γ, δ Cụ thể, khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng tới 1042 K, sắt có dạng lập phương tâm khối (bcc), được gọi là α-Fe, nó là chất sắt từ Ở nhiệt độ Tc, sắt mất tính sắt từ và trở thành chất thuận từ, vẫn trì cấu trúc bcc, được gọi là β-Fe Khi nhiệt độ đạt đến giá trị khoảng 1183 K, sắt chuyển sang mạng lập phương tâm mặt (fcc), gọi là γ-Fe Ở nhiệt độ 1665 K, sắt trở lại mạng bcc, nó vẫn mang tính thuận từ và gọi là δ-Fe Sắt nóng chảy nhiệt độ T m = 1808 K Hình 1.1 và 1.2 mô tả sự biến đổi pha của sắt theo nhiệt độ [16, 17] Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi nhiệt sắt Hình 1.2 Sơ đồ chuyển pha sắt Trong một số điều kiện hình thành đặc biệt, sắt có thể tồn tại trạng thái vô định hình Trên hình 1.3 chi hàm phân bố xuyên tâm và so sánh kết quả mô với thực nghiệm của các mẫu lỏng và vô định hình Ở nhiệt độ 1200 K, đinh thứ của hàm phân bố xuyên tâm bị tách thành hai đinh nhỏ kề Sự tách của đinh thứ của hàm phân bố xuyên tâm được xem là đặc trưng cấu trúc của các vật liệu vô định hình Quá trình khuếch tán của các nguyên tử sắt phụ thuộc nhiều yếu tố nhiệt độ, nồng độ, vi cấu trúc, thời gian khuếch tán,… Các đại lượng vật lí quan trọng dùng để nghiên cứu quá trình khuếch tán là hệ số khuếch tán D, thừa số trước hàm mũ D0 và lượng kích hoạt E Với cấu trúc α-Fe, 5000C có D0 = 2,8 (cm2/s), D = 3,0.10-17 (cm2/s) và E = 251 (kJ/mol) [2] Hình 1.3 Hàm phân bố xuyên tâm sắt lỏng vô định hình (a), so sánh với liệu thực nghiệm T Ichikawa (b) 1.1.2 Bo Bo là một á kim dẫn điện nhiệt độ phòng dẫn điện tốt nhiệt độ cao, sức chịu kéo dãn cao, nóng chảy nhiệt độ 2076 0C; sôi nhiệt độ 3927 0C Khối lượng riêng của Bo là 2,34 g/cm3 0C, áp suất 1atm và 2,08 g/cm3 nhiệt độ nóng chảy Trong tự nhiên Bo có đồng vị là 11B (80,1%) và 10B (19,9%) Khi hình thành, Bo có thể tồn tại trạng thái vô định hình (chất bột màu nâu), hoặc tinh thể (màu đen) Ở dạng tinh thể, Bo có ba thù hình ổn định là α-B, β-B và γ-B Hình 1.4 chi quá trình chuyển pha của Bo Hình 1.4 Sơ đồ chuyển pha Bo 1.1.3 Hợp kim Fe-B Fe-B nằm nhóm hợp kim rất quan trọng, có nhiều ứng dụng khoa học công nghệ và đời sống hợp, đó là nhóm hợp kim hệ hai nguyên các kim loại chuyển tiếp Fe, Co và Ni với các á kim B, P và Si Nhóm này đã và được nghiên cứu rộng rãi về cấu trúc cũng các tính chất vật lý của chúng Cũng các hợp kim khác, mật độ hợp kim Fe-B phụ thuộc thành phần kim loại và á kim, chẳng hạn: Fe84B16 có mật độ 7,38 g/cm3, Fe80B20 có mật độ 7,31 g/cm3, Fe75B25 có mật độ 7,22 g/cm3,… [35, 36, 37] Tùy vào điều kiện hình thành, hợp kim Fe-B có thể có cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình Người ta dùng phương pháp thực nghiệm (nhiễu xạ tia-X, nhiễu xạ chùm neutron hay chùm electron) để nghiên cứu vi cấu trúc của vật liệu Việc phân tích hàm phân bố xuyên tâm g(r) và thừa số cấu trúc a(K) cung cấp cho ta thông tin chi tiết về vi cấu trúc của hệ các trạng thái khác Về bản, hàm phân bố xuyên tâm và thừa số cấu trúc của hệ trạng thái vô định hình và trạng thái lỏng gần giống Để tìm các hàm này cho hệ Fe-B cũng nhiều hệ khác, người ta dùng các phương pháp nhiễu xạ tia X, chùm neutron,… đã nói [4, 6, 11, 13, 14, 15, 22, 34] Nghiên cứu cho thấy, với hợp kim vô định hình Fe-B, các kết quả nghiên nhiễu xạ tia Rontgen cho hàm phân bố xuyên tâm và thừa số cấu trúc có dạng hình 1.5 và hình 1.6 Trên đồ thị ta thấy hiện tượng tách đinh cực đại thứ hai xảy cả hàm phân bố xuyên tâm và thừa số cấu trúc của Fe-B Hiện tượng tách đinh cực đại thứ hai cũng xảy các hợp kim vô định hình khác Fe-P, CoB, Co-P và Ni-B Đây có thể coi là đặc trưng quan trọng để nhận biết hợp kim trạng thái vô định hình Hình 1.7 cho thấy, sự tách đôi của đinh thứ hai các hàm phân bố xuyên tâm xảy hợp kim hệ hai nguyên Fe 83B17 Có thể nhận thấy hiện tượng tách đôi đinh thứ hai này quan sát rất rõ sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X và hầu không quan sát thấy sử dụng phương pháp nhiễu xạ neutron Về quá trình khuếch tán, hệ số khuếch tán của các nguyên tử hợp kim Fe-B có giá trị phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhiệt độ, áp suất, kích thước nguyên tử, thành phần hợp kim, Ví dụ, kết quả thực nghiệm các công trình [30, 31] của S K Sharma cho biết, hệ số khuếch tán của Fe hợp kim Fe80B20 có giá trị vào khoảng 2,2.10-23 – 5,2.10-21 (m2/s) nhiệt độ 570 – 640 K và 4,38.10-20 – 5,39.10-18 (m2/s) nhiệt độ 673 – 760 K Tuy nhiên, cũng hệ này, kích thước nguyên tử nhỏ nên hệ số khuếch tán của B thường lớn nhiều so với Fe Chẳng hạn, nhiệt độ 1273 K, hệ số khuếch tán của B là 23,86 × 10–12 (m2/s) a[1]=-0.22407;b[1]=-1.47709;c[1]=2.01855;d[1]=-2.15849;e[1]=0.23519; a[2]=-0.08772;b[2]=-2.17709;c[2]=0.79028;d[2]=-2.85849;e[2]=0.09208; aa[0]=3.44;cc[0]=aa[0]+0.5; aa[1]=3.09;cc[1]=aa[1]+0.5; aa[2]=3.79;cc[2]=aa[2]+0.5; rmin=1.e-5; } //************************ double F(double r,long k) { if(rl2)ry=l-ry; rz=fabs(z1-z2);if(rz>l2)rz=l-rz; r=sqrt(rx*rx+ry*ry+rz*rz); return r; } //*************************************************** void LanCan(long st) { long i,j,k,t;double rx,ry,rz,r; for(i=k=0;i[...]... hạt khuếch tán và dòng khuếch tán J, sau đó tính hệ số khuếch tán D) Thứ hai là dùng phương pháp mô phỏng vi mô Về cơ chế, khuếch tán diễn ra theo ba hình thức cơ bản là khuếch tán vacancy (còn gọi là khuếch tán nút khuyết hay chỗ trống), khuếch tán xen kẽ (khuếch tán qua khe hở) và khuếch tán tập thể Trong khuếch tán vacancy, các nguyên tử từ vị trí bình thường trong. .. lân cận đổi chỗ trực tiếp cho nhau hoặc nhiều nguyên tử đổi chỗ theo đường vòng Fe, B tinh thể khuếch tán theo cơ chế vacancy, còn ở thể lỏng hoặc vô định hình nó khuếch tán theo cơ chế tập thể Cơ chế khuếch tán xen kẽ bao giờ cũng xảy ra nhanh hơn nhiều so với cơ chế khuếch tán qua chỗ trống Nguyên nhân là do các nguyên tử ở vị trí xen kẽ có kích thước nhỏ hơn nên linh động hơn,... khi nhiệt độ thay đổi 1.2 Cơ chế khuếch tán Khuếch tán là sự di chuyển của các nguyên tử từ vị trí này đến vị trí khác trong vật liệu theo thời gian dẫn đến sự thay đổi nồng độ hạt trong vật liệu Khuếch tán là quá trình phụ thuộc thời gian Tốc độ khuếch tán được đánh giá qua khái niệm dòng khuếch tán Dòng khuếch tán J là lượng chất M khuếch tán qua một đơn vị... vacancy trong các hợp kim Fe-B Số lỗ hổng vacancy hầu như không thay đổi với nồng độ B Kết 16 quả này phù hợp tốt với các mô hình của Polk cho hợp Fe-B Tính toán của Vo Van Hoang chi ra khả năng khuếch tán nguyên tử theo cơ chế vacancy trong các hợp kim Fe-B Đối với khuếch tán xen kẽ, P.K Hùng và cộng sự đã nghiên cứu quá trình tự khuếch tán trong mô hình hợp kim vô... bền cơ học của hợp kim Fe-B phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hoá học cũng như ti lệ phần trăm các chất trong hợp kim nhưng nhìn chung, độ bền của hợp kim Fe-B hiện đang sử dụng trong các ngành công nghiệp lớn hơn nhiều so với kim loại Một tính chất quan trọng nữa là điện trở suất của hợp kim 9 Fe-B vô định hình lớn hơn nhiều so với hợp kim Fe-B tinh thể và... thực nghiệm Khuếch tán trong hợp kim Fe-B vô định hình theo cơ chế khuếch tán vacancy là sự trao đổi vị trí giữa các nguyên tử nằm tại nút mạng với các vacancy bên cạnh Năng lượng kích hoạt bằng tổng năng lượng tạo vacancy và năng lượng dịch chuyển vacancy Hệ số khuếch tán sẽ tỷ lệ với mật độ vacancy Một vacancy trong pha vô định hình giống như một lỗ trống có thể lặp lại... mật độ trong mô hình của các tác giả này nhỏ hơn giá trị thực của hợp kim khoảng 0,8 g/cm3 Nghiên cứu sự phụ thuộc nồng độ á kim B lên vi cấu trúc trong mô hình hợp kim Fe-B chứa 2000 nguyên tử trong khối lập phương điều kiện biên tuần hoàn, bằng phương pháp thống kê hồi phục với thế tương tác cặp Pak-Doyama được thực hiện bởi Vo Van Hoang Trong công trình nghiên. .. nhất và các sai hỏng của cấu trúc trong hợp kim Khi nghiên cứu mô hình hợp kim Ni 65B35 bằng phương pháp Monter Carlo đảo đã chứng tỏ rằng cấu trúc của Ni trong hợp kim Ni-B tương tự như cấu trúc của băng Fe vô định hình, ngoài ra không thấy sự tạo thành chuỗi thẳng - B - B - B - trong hợp kim vô định hình giống như trường hợp tinh thể Ni 2B Mặc dù phương pháp Monter... hệ cũng như các tính chất động học, trong đó có cơ chế khuếch tán được xác định 2.2 Xác định vi cấu trúc Trong mô phỏng vật liệu, để nghiên cứu cấu trúc của vật liệu ở mức nguyên tử, chúng tôi sử dụng hàm phân bố xuyên tâm Hàm này được xác định như sau: g( r) = ρ( r ) ρ0 (2.15) trong đó ρ0 là mật độ nguyên tử trung bình trong thể tích V của mẫu vật liệu, ρ ( r )... liệu được tăng lên đáng kể Hiện nay, mô phỏng vi mô có thể xây dựng được các mô hình với số lượng hạt lên tới hàng triệu nguyên tử Trong các công trình đã công bố, mô phỏng hợp kim đa số tập trung vào nghiên cứu hệ hai nguyên và chủ yếu cho hợp kim kiểu kim loại - á kim Công trình của Fujiwara và cộng sự trong [32] đã sử dụng thế More cho việc mô phỏng thống kê ... học, kĩ thuật của nhiều hợp kim chưa được làm bật Do đó, đề tài Nghiên cứu chế khuếch tán tập thể hợp kim Fe-B” được lựa chọn Mục đích nghiên cứu đề tài - Tìm hiểu các kiến thức... của hợp kim Fe-B - Tìm hiểu chế khuếch tán tập thể của nguyên tử hợp kim Fe-B Đối tượng nghiên cứu đề tài - Hợp kim Fe-B - Kỹ thuật mô quá trình khuếch tán Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài... các công trình nghiên cứu về sự khuếch tán hợp kim chưa nhiều Cơ chế khuếch tán, các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán cũng ứng dụng của hiện tượng khuếch tán khoa học,