KHOA V Ủ - 2014 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi L I CẢ Trong thời gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, chúng tơi nhận giúp đỡ thầy, cô giáo TổVật lí lí thuyết, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý tận tình giảng dạy tạo điều kiện giúp tơi hồn thành khóa học đóng góp nhiều ý kiến quý báu thời gian nghiên cứu khóa luận Đặc biệt tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Phan Thị Thanh Hồng quan tâm, động viên giúp đỡ tận tình, đóng góp nhiều ý kiến q báu thời gian nghiên cứu khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn đóng góp quý báu đó! Hà Nội, tháng 05 năm 2014 Sinh viên thực TRẦN THỊ NHÂM L O Khóa luận tốt nghiệp: “Lí thuyết khuếch tán hợp kim xen kẽ lập phương tâm khối lập phương tâm diện” hoàn thành hướng dẫn tận tình, chu đáo giáo Ti n sĩ ị Thanh Hồng Tôi xin cam đoan đề tài kết nghiên cứu tơi khơng trùng với kết nghiên cứu tác giả khác Hà Nội, tháng 05 năm 2014 Sinh viên thực TRẦN THỊ NHÂM Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi MỤC LỤC MỞ U 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn khóa luận Bố cục khóa luận 1: TỔNG QUAN VỀ H P KIM XEN K 1.1 Sơ lược hợp kim 1.1.1 Khái niệm hợp kim 1.1.2 Dung dịch rắn 1.1.2.1 Khái niệm phân loại 1.1.2.2 Dung dịch rắn thay 1.1.2.3 Dung dịch rắn xen kẽ - hợp kim xen kẽ 1.1.2.4 Các đặc tính dung dịch rắn 1.1.3 Pha trung gian 1.1.3.1 Khái niệm phân loại 1.1.3.2 Pha xen kẽ 1.1.3.3 Pha điện tử (Hun-Rozeri) 10 1.1.3.4 Pha Laves 10 1.1.4 Hỗn hợp học 10 1.2 Tính chất hợp kim 10 1.3 Cấu trúc tinh thể hợp kim 13 1.3.1 Lập phương tâm khối (BCC) 13 1.3.2 Lập phương tâm diện (FCC) 15 1.3.3 Lục phương (Hcp) 16 1.4 Ứng dụng hợp kim 17 T KHU CH TÁN CỦA H P KIM XEN K 20 2.1 Hiện tượng khuếch tán 20 2.2 Các chế khuếch tán chủ yếu hợp kim xen kẽ 22 2.2.1 Cơ chế khuếch tán 23 2.2.2 Cơ chế khuếch tán xen kẽ hợp kim xen kẽ 26 2.2.2.1 Mạng LPTK 26 2.2.2.2 Mạng LPTD 27 2.3 Một số phương pháp nghiên cứu tượng khuếch tántrong hợp kim xen kẽ 29 K t lu n 34 Tài liệu tham khảo 35 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi MỞ Lí ch U đề tài Cuộc sống ngày phát triển, nhu cầu người ngày cao đòi hỏi phải tìm thiết bị, dụng cụ tiến Để làm điều nhà khoa học tìm vật liệu để đáp ứng ngành công nghiệp chế tạo Một vật liệu có nhiều ưu điểm nhà khoa học ý nghiên cứu hợp kim Việc pha tạp dung dịch rắn nhiều kim loại nguyên tố kim loại với nguyên tố phi kim có đặc tính vượt trội so với kim loại nguyên chất hợp thành độ bền, tính điện, độ bền cắt, khả chống mòn, Việc nghiên cứu cấu trúc, chế hình thành mạng hợp kim thơng số vật lí bản, tính chất hợp kim phụ thuộc vào nồng độ, phương pháp pha tạp vấn đề phức tạp khác đặt cho nhà khoa học nhiều tốn hóc búa Khuếch tán tượng tự nhiên xảy tất mơi trường vật chất: Chất khí, chất lỏng, vũ trụ, động vật,… Do nghiên cứu để hiểu trình khuếch tán nghiên cứu quy luật tự nhiên Nó góp phần làm cho người hiểu rõ trình vận động vật chất tự nhiên, vận động giới vi mơ Chính mà tượng khuếch tán tự nhiên đề tài hấp dẫn ln có vấn đề đặt để nghiên cứu Đối với hợp kim nói chung hợp kim xen kẽ nói riêng có hai chế khuếch tán chế xen kẽ chế thay Cơ chế chiếm ưu phụ thuộc vào kim loại tạp chất pha tạp vào kim loại Hợp kim, đặc biệt hợp kim xen kẽ vật liệu có đóng góp khơng nhỏ phát triển khoa học vật liệu Do nghiên cứu hợp kim xen kẽ thu hút quan tâm nhiều nhà vật lí Xuất phát từ lí nêu trên, chúng tơi định chọn đề tài: “Lí thuyết khuếch tán hợp kim xen kẽ lập phương tâm diện lập phương tâm khối” để làm khóa luận tốt nghiệp Mụ đ ứu Tìm hiểu cấu trúc tinh thể hợp kim xen kẽ Các chế khuếch tán chủ yếu hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập phương tâm diện lập phương tâm khối ố ợng phạm vi nghiên cứu Các hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập phương tâm khối lập phương tâm diện p áp ứu Tìm, đọc tài liệu liên quan đến nội dung nghiên cứu Phân tích, đánh giá kiến thức thu lượm để hồn thành khóa luận ĩ c thực tiễn khóa lu n Các kết nhận góp phần làm sáng tỏ lí thuyết khuếch tán hợp kim xen kẽ có cấu trúc lập phương tâm khối lập phương tâm diện Bố cục khóa lu n Khóa luận chia làm chương:  Chương 1: Tổng quan hợp kim xen kẽ  Chương 2: Lí thuyết khuếch tán hợp kim xen kẽ Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi TỔNG QUAN VỀ H P KIM XEN K Trong lịch sử phát triển xã hội loài người sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính sử dụng chúng ngày cao Đầu tiên thời kì đồ đá, sau tiến đến thời kìđồ đồng, đồ sắt, Cho đến loạt loại vật liệu như: Composit, polyme, ceramit,… Các loại vật liệu (đặc biệt kim loại hợp kim) góp phần thúc đẩy phát triển xã hội lồi người cách nhanh chóng Ngày lĩnh vực cơng nghiệp, quốc phòng, đời sống, … đòi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có nhiều tính chất khác Tất tính chất đáp ứng vật liệu kim loại loại vật liệu đặc biệt hợp kim 1.1 ợc hợp kim [5] Trong kĩ thuật, đặc biệt chế tạo khí khơng dùng kim loại ngun chất mà thường dùng tổ hợp kim loại chất khác Tổ hợp chất chế tạo cách nấu chảy pha trộn với theo tỉ lệ định, sau đem đúc thành sản phẩm Tổ hợp gọi hợp kim Hợp kim có tính chất khác hẳn mà kim loại ngun chất khơng thể có 1.1.1 Khái niệmvề hợp kim  Định nghĩa Hợp kim vật thể nhiều nguyên tố mang tính kim loại (dẫn điện, dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim,…) Nguyên tố chủ yếu hợp kim nguyên tố kim loại Hợp kim tạo từ nhiều nguyên tố kim loại phi kim loại Ví dụ: - Thép bon hợp kim nguyên tố kim loại phi kim loại (Fe+C) - La tông hợp kim hai nguyên tố kim loại (Cu + Zn) Thành phần nguyên tố hợp kim biểu thị theo phần trăm khối lượng nguyên tố Tổng thành phần hợp kim luôn 100% Đôi người ta dùng tỉ lệ phần trăm nguyên tử  Một số khái niệm Khi nghiên cứu hợp kim ta có thêm số khái niệm so với kim loại nguyên chất - Cấu tử (còn gọi nguyên) nguyên tố (hay hợp chất hóa học bền vững) cấu tạo lên hợp kim Chúng thành phần độc lập - Hệ (đôi gọi hệ thống) tập hợp vật thể riêng biệt hợp kim điều kiện xác định - Pha tổ phần đông hệ (hợp kim) có cấu trúc tính chất cơ, lí, hóa xác định, pha có bề mặt phân cách Ví dụ: - Ta có hệ gồm nước đá nước Hệ có cấu tử hợp chất H20 có hai pha: Rắn (nước đá), lỏng (nước) - Một chi tiết la tơng pha: Hệ có hai cấu tử Cu Zn có pha  (dung dịch rắn hai cấu tử trên)  Các dạng cấu tạo hợp kim Trong thực tế hợp kim thường có dạng cấu tạo sau đây: a Hợp kim có cấu tạo pha dung dịch rắn b Hợp kim có cấu tạo nhiều pha hợp chất hóa học (hay pha trung gian) c Hợp kim có cấu tạo hai hay nhiều pha 1.1.2 Dung dịch rắn 1.1.2.1 Khái niệm phân loại Cũng giống dung dịch lỏng, dung dịch rắn ta không phân biệt cách học nguyên tử cấu tử, nguyên tử chúng Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi ta phân bố xen vào mạng tinh thể Cấu tử có số lượng nhiều hơn, giữ kiểu mạng gọi dung mơi Các cấu tử lại gọi chất hòa tan Dung dịch rắn pha đơng có cấu trúc mạng tinh thể cấu tử dung môi thành phần thay đổi phạm vi định mà không làm đồng Dung dịch rắn chia làm hai loại: Dung dịch rắn thay dung dịch rắn xen kẽ (hợp kim xen kẽ) 1.1.2.2 Dung dịch rắn thay th Dung dịch rắn thay loại dung dịch rắn mà cấu tử hòa tan thay vào vị trí nút mạng cấu tử dung môi (nguyên tố chủ) Như kiểu mạng số nguyên tử khối sở cấu tử dung môi Tuy nhiên thay đổi nhiều gây xơ lệch mạng, khơng thể có hai loại ngun tử hai cấu tử có kích thước hồn tồn giống Do thay xảy với cấu tử có kích thước ngun tử khác (với kim loại sai khác không 15%) Tùy thuộc vào mức độ hòa tan người ta chia dung dịch rắn hòa tan vơ hạn có hạn  Dung dịch rắn thay hòa tan vơ hạn: Là loại dung dịch rắn mà nồng độ chất hòa tan biến đổi liên tục, tức với nồng độ Trong loại dung dịch rắn phân biệt cấu tử dung mơi, cấu tử chất hòa tan, cấu tử có lượng chứa nhiều dung mơi, cấu tử lại chất hòa tan Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi định luật Fick Tiếp đến thực nghiệm tượng khuếch tán cổ điển Roberts Austin tiến hành lần vào năm 1896 Sau đến người ta bắt đầu ứng dụng đồng vị phóng xạ việc nghiên cứu tượng khuếch tán thực phát triển mạnh mẽ Hàng loạt phương pháp nghiên cứu đời:  Phương pháp nguyên tử đánh dấu  Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân, cộng hưởng gama hạt nhân, tán xạ noron nhiệt, … Có thể nói, lí thuyết khuếch tán bắt đầu đời sau kết A.Fick công bố vào năm 1885 [4] Fick coi trình khuếch tán giống trình truyền nhiệt chất rắn từ ơng phát biểu hai định luật khuếch tán gọi định luật Fick I Fick II sau: Định luật Fick I: Mật độ dòng khuếch tán tỉ lệ thuận với gradien nồng độ J  D C x (2.1) Suy thứ nguyên hệ số khuếch tán D cm2/s Dấu “ – “ biểu thị khuếch tán theo chiều giảm dần nồng độ Định luật Fick II: Tốc độ thay đổi nồng độ chất khuếch tán tỉ lệ thuận với đạo hàm bậc hai nồng độ theo tọa độ không gian C J  2C  D t x x (2.2) Định luật Fick I định luật Fick II mô tả khuếch tán sở tượng luận Chính thế, lí thuyết khuếch tán mơ tả hai định luật Fick lí thuyết khuếch tán đơn giản Trong vài trường hợp đặc biệt với điều kiện ban đầu cho, giải tốn để tìm phân bố nồng độ tạp chất 21 Các nghiên cứu mặt lí thuyết thực nghiệm sau thừa nhận rộng rãi phụ thuộc nhiệt độ hệ số khuếch tán mô tả định luật Arrhenius sau [3]:  Q  Di  D0 exp    k BT  (2.3) Trong đó: Q lượng kích hoạt hệ (nó bao gồm lượng hình thành dịch chuyển nguyên tử mạng tinh thể) D0 hệ số trước hàm mũ phụ thuộc vào tính chất hệ cho kB số Bolzman T nhiệt độ tuyệt đối Di hệ số khuếch tán không phụ thuộc vào nhiệt độ Khi khuếch tán với nồng độ pha tạp cao, hệ số khuếch tán lúc D khơng phải Di Ở nồng độ tạp cao, giá trị D0 giả thiết không phụ thuộc vào nồng độ tạp chất Giả thiết chấp nhận D0 tỉ lệ với tích tần số dao động mạng bình phương khoảng cách hai nguyên tử gốc mà đại lượng lại biến đổi 2.2 khu ch tán chủ y u hợp kim xen kẽ [2] Cơ chế khuếch tán cách thức di chuyển nguyên tử bên mạng tinh thể Cho đến nay, người ta chưa biết rõ tượng khuếch tán tương tác nguyên tử với trình khuếch tán Tuy nhiên, có điều chắn nguyên tử trình khuếch tán nhảy từ vị trí sang vị trí mạng tinh thể Dựa sở lí thuyết tính lượng hình thành lượng dịch chuyển dựa suy luận đưa chế khuếch tán nguyên tử tạp chất tinh thể rắn 22 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi 2.2.1 khu ch tán Tạp chất khuếch tán theo chế phụ thuộc vào q trình tương tác tạp chất mạng gốc, phụ thuộc vào bán kính tạp chất, nhiệt độ khuếch tán, Cơ chế khuếch tán nói chung bao gồm q trình khuếch tán tự khuếch tán Sự dịch chuyển nguyên tử thực cách lấp vào chỗ trống mạng tinh thể Sự dịch chuyển có tính chọn lọc, có nghĩa nguyên tử có xu hướng dịch theo hướng có ứng suất tiếp tuyến lớn Khi nhiệt độ tăng, dao động nhiệt, nguyên tử dời khỏi vị trí cân ban đầu đến vị trí cân Sự dịch chuyển nguyên tử chia làm hai chế bản:  Cơ chế xen kẽ Khi nguyên tử tạp chất A khuếch tán theo chế xen kẽ tinh thể, nguyên tử tạp A nhảy từ vị trí xen kẽ sang vị trí xen kẽ khác (Hình 2.1) Để bước nhảy thực cần có hai điều kiện sau: Thứ nguyên tử tạp A phải có lượng đủ để phá vỡ liên kết với nguyên tử bên cạnh, lượng lượng cần thiết để hình thành nguyên tử tạp A vị trí xen kẽ Thứ hai nguyên tử tạp A phải có lượng đủ để vượt qua hàng rào dịch chuyển sang vị trí khe hở liền kề A A Hình 2.1 Khuếch tán tạp chất theo chế xen kẽ 23 Cơ chế khuếch tán xảy với hợp chất loại nguyên tử có kích thước khác Các ngun tử có kích thước bé hơn, tác dụng nhiệt độ ứng suất dịch chuyển từ lỗ trống sang lỗ trống khác mạng tinh thể Đối với hợp kim xen kẽ đặc điểm ngun tử xen kẽ ngun tử có kích thước nhỏ nên chế khuếch tán chủ yếu hợp kim xen kẽ  Cơ chế thay Khi nguyên tử tạp (kí hiệu A) khuếch tán tinh thể theo chế nút khuyết (Hình 2.2), ngun tử tạp nhảy đến vị trí nút khuyết bên cạnh Để bước nhảy thực cần phải có hai điều kiện sau: Thứ phải có mặt nút khuyết vị trí gần kề ngun tử tạp A, tức hình thành cặp đôi tạp - nút khuyết Thứ hai nguyên tử tạp A phải có lượng đủ để vượt qua hàng rào dịch chuyển sang vị trí nút khuyết liền kề A V V A Hình 2.2 Khuếch tán tạp chất theo chế nút khuyết Cơ chế xảy với loại vật liệu Thông thường tinh thể thực tế khơng lí tưởng Trong mạng xuất nút khuyết (Vacancy) tác dụng nhiệt độ ứng suất nguyên tử 24 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi dịch chuyển cách thay Nếu mạng nồng độ nút khuyết (Vacancy) lớn trình khuếch tán theo chế cao Khi nhiệt độ cao tác dụng ứng suất ba chiều không đồng Các nguyên tử khuếch tán mạnh theo phương có ứng suất lớn Sự chuyển dời có hướng khơng thuận nghịch nguyên tố gây lên biến dạng phi tuyến vật thể Ngồi hai chế có chế khuếch tán khác sau: Cơ chế phục hồi Cơ chế trao đổi vòng Cơ chế trao đổi trực tiếp Cơ chế kéo cụm lại Cơ chế hỗn hợp Cơ chế tác động Hình 2.3.Một số chế khuếch tán khác tạp chất 25 2.2.2 khu ch tán xen kẽ hợp kim xen kẽ [1] Trong khóa luận nghiên cứu chế khuếch tán xen kẽ hợp kim xen kẽ cấu trúc mạng LPTK mạng LPTD 2.2.2.1 Mạng LPTK Từ mạng lập phương tâm khối kim loại A có kích thước lớn, cho xen kẽ vào tâm mặt ô mạng nguyên tử Bcó kích thước nhỏ  Ngun tử A nút mạng tâm ô mạng  Nguyên tử B tâm mặt mạng Có hai cách để nguyên tử B dịch chuyển sang mặt mạng bên cạnh Cách 1: Nguyên tử B tâm mặt mạng (vị trí 1) di chuyển qua cạnh mạng (vị trí 2) để sang tâm mặt mạng bên cạnh (theo cách có vị trí mà ngun tử B dịch chuyển vào) 1 Hình 2.4 Cơ chế khuếch tán mạng LPTK theo cách 26 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Cách 2: Nguyên tử B từ tâm mặt mạng (vị trí 1) di chuyển chéo (qua vị trí 3) để sang mặt chéo (theo cách có vị trí mà ngun tử B dịch chuyển vào) Hình 2.5 Cơ chế khuếch tán mạng LPTK theo cách Bằng nghiên cứu từ thực nghiệm lí thuyết nhà khoa học hợp kim xen kẽ cấu trúc lập LPTK khuếch tán theo cách hay cách phụ thuộc vào kim loại tạp chất pha tạp phụ thuộc vào: + Hằng số lực kB: Nếu số lực vị trí k2B