Chương 5 Su Phát Triển Của To Chuc Te Vi.pdf

Chương 5 Sự phát triển của tổ chức tế vi Chương 5 Sự phát triển của tổ chức tế vi 6/4/2023 duc nguyenvan@hust edu vn 1 5 1 Phân rã Spinodal 5 2 Sự phát triển tổ chức bằng tiết pha 5 3 Tiết pha trong h[.]

Trang 1

5.1 Phân rã Spinodal 5.2 Sự phát triển tổ chức bằng tiết pha 5.3 Tiết pha trong hợp kim hóa bền bằng hóa già 5.4 Chuyển pha cùng tích

5.5 Chuyển pha không khuếch tán – chuyển pha mactenxit

5.6 Các dạng chuyển pha khác

Chương 5

Sự phát triển của tổ chức tế vi

Chuyển pha trạng thái rắn Chuyển pha

khuếch tán

Chuyển pha không khuếch tán

Tiết pha, Ch.biến

cùng tích

Trật tự hóa, khối,

thù hình

Chuyển biến Mactenxit

[Khuếch tán xa] [Khuếch tán gần] [Không khuếch tán]

[TP không thay đổi]

Theo cơ chế hình thành và phát triển mầm:

5.0 Sự phát triển của tổ chức tế vi – phân loại chuyển pha

Sự hình thành tổ chức tế vi phụ thuộc vào dạng chuyển pha xảy ra trong vật liệu Có thể phân loại ch.pha R/R theo nhiều cách, ví dụ, theo cơ chế hình thành và phát triển mầm, hoặc theo thành phần và cấu trúc pha mới,

Theo thành phần và/hoặc cấu trúc pha mới:

[1a] [3a] [3b]

[3c]

[1b]

 +



+

M

T

0,8% C

[2]

• Chỉ thay đổi cấu trúc: chpha thù hình [1a],khối [1b], mactenxit [1c];

• Chỉ thay đổi thành phần: phân hủy spinodal [2]; trật tự hóa;

• Thay đổi cả thành phần & cấu trúc: tiết pha [3a, 3b], chpha cùng tích [3c].

5.0 Sự phát triển của tổ chức tế vi – phân loại chuyển pha

Tạo pha mới có thành phần khác với pha cũ (nền),

do đó xảy ra quá trình khuếch tán xa (long-range)

Sự phát triển của tổ chức tế vi 5.0 Sự phát triển của tổ chức tế vi – phân loại chuyển pha

Trang 2

Xảy ra trong các HK nào ?

=> DDR có xu hướng phân rã  → 1+ 2(các pha có cùng cấu trúc mạng, song khác biệt về TPHH)

5.1 Phân rã spinodal (tiết pha theo cơ chế spinodal)

❖H mix > 0: ( > 0 tức  AB lớn):Liên kết A-A, B-B sẽ làm giảm năng lượng của hệ, liên kết A-B làm tăng năng lượng của hệ

 → 1+ 2

Cơ chế tiết pha Spinodal

Vùng phân rã spinodal

• HK có thành phần trong vùng này sẽ bị phân rã theo cơ chế spinodal: X0từ từ bị phân rã thành X0+ X và X0- X do G0 như vậy giảm dần, cho đến khi đạt X1và X2.

• Ngoài vùng này HK phân rã theo cơ chế sinh mầm và phát triển mầm

7

Vùng phân

rã spinodal

Hợp kim X0được nung đến nhiệt

độ T1, sau đó cho nguội nhanh đến T2 Khi đó pha  phân rã thành 1(giàu A) và 2 (giàu B).

Tại nhiệt độ T2: HK có thành phần trong khoảng MN sẽ xảy ra phân rã spinodal

M K

N

5.1 Phân rã spinodal (tiết pha theo cơ chế spinodal)

• Khuếch tán ngược: D < 0: Nguyên tử B di chuyển từ nơi có nồng độ thấp Xo về về nơi

có nồng độ cao X2, ta nhận được 2 pha mới

có %B = X2và X1.

• Hình thành liên tục (không đòi hỏi kích thước mầm tới hạn, không có hàng rào năng lượng cho quá trình “tạo mầm”): vì làm giảm G của hệ

• Thời gian chuyển biến phụ thuộc vào hệ số kt

D và bước dao động thành phần λ

Đặc điểm của chuyển biến spinodal:

λ

8

2







= −

Cơ chế spinodal chỉ xảy ra trong một số hệ, ví dụ: Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co, Cu-Ni-Sn, Al-Zn-Mg,…

Còn đa số các hệ chuyển pha theo cơ chế sinh

và phát triển mầm.

Trang 3

Các giai đoạn của chuyển biến spinodal

 được gọi là bước dao động (thành phần).



Đã c/m được rằng, ở nhiệt độ nhất định – T2,  không thể nhỏ hơn 1 giá trị tới hạn [min] nào đó, và độ quá nguội càng lớn thì giá trị min càng nhỏ, tức tổ chức càng mịn.

5.2 Sự phát triển tổ chức bằng tiết pha

G* nhỏ nhất V* nhỏ nhất, NLBM thấp

• Biên pha Mầm/pha nền: liền mạng, bán liền mạng hoặc không liền mạng hoặc kết hợp cả ba

• Tốc độ dịch chuyển biên pha trong quá trình phát triến mầm quyết định đến hình thái của pha tiết trong tổ chức tế vi

• Mầm có biên pha kết hợp (như vẽ) có G* nhỏ nhất V* nhỏ nhất, NLBM thấp

• Bề mặt cong không liền mạng có tốc độ dịch chuyển nhanh hơn bề mặt phẳng liền mạng và bán liền mạng

Pha tiết thường có dạng kim, dạng đĩa

Sự dịch chuyển của biên pha

Sự phát triển của mầm không liền mạng với nền

Xét sự phát triển của mầm pha β trong nền pha α

• Tốc độ dịch chuyển biên pha là v = dx/dt.

• Lượng nguyên tố hòa tan B từ pha đã chuyển sang pha

 xét trên một đơn vị diện tích biên pha sẽ là: (C- Ce).dx;

• Dòng ngtử B đi qua đơn vị diện tích b/m trong thời gian này là D(dC/dx)dt, (D -hệ số khuếch tán)

• Từ điều kiện bảo toàn khối lượng ta có:

(C- Ce).dx = D(dC/dx)dt

v = ( 𝐷

𝐶𝛽−𝐶𝑒)𝑑𝐶

𝑑𝑥

Sự phát triển của mầm không liền mạng với nền

Tốc độ dịch chuyển biên pha và chiều dày của pha tiết phụ thuộc:

+ Hệ số khuếch tán + Độ chênh lệch nồng độ

X = CVm(Vm: thể tích của 1 mol chất)

∆C ≈ ∆X

Sự phụ thuộc của tốc độ phát triển mầm theo

độ quá nguội ∆T và độ chênh lệch nồng độ ∆𝑋0

Tốc độ phát triển mầm nhỏ khi độ quá nguội quá nhỏ, do độ quá bão hòa ∆𝑋0nhỏ Tốc độ phát triển mầm nhỏ khi độ quá nguội quá lớn, do khuếch tán nhỏ vì T nhỏ Tôc độ lớn nhất đạt max tại độ quá nguội trung bình

𝑥 = ∆𝑋0 2(𝑋𝛽− 𝑋𝑒) 𝐷𝑡

𝑣 = ∆𝑋0 2(𝑋𝛽− 𝑋𝑒)

𝐷 𝑡

Quá trình phát triển mầm dừng lại khi nồng độ Ceđạt được như nhau ở mọi nơi trong nền

Trang 4

Sự phát triển của mầm được tiết ra ở biên hạt

Pha tiết ở biên hạt thường không tiết ra ra ở dạng dải liên tục mà thành dạng hạt

Khuếch tán theo biên hạt lớn hơn khuếch tán thể tích

Mầm phát triển nhanh (dày lên) khuếch tán theo biên hạt và biên pha:

Khuếch tán thể tích đến biên hạt,

Khuếch tán theo biên hạt /

Khuếch tán theo biên pha /

Thường gặp trong khuếch tán theo nút trống

Hk Al-Zn-Mg-Cu Pha tiết MgZn2tại biên hạt và trong hạt

Giản đồ TTT (Temperature-Time-Transformation)

Tạo mầm Phát triển mầm

• Giản đồ T-T-T: giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt

• Cho biết thời gian bắt đầu và kết thúc của chuyển biến tại các nhiệt độ khác nhau

• Cho biết tỷ phần chuyển biến f tại các thời gian (time) và nhiệt độ (temperature) khác nhau

• Cho biết tốc độ quá trình chuyển pha

Giản đồ T-T-T

Nhận xét:

- Nhiệt độ quá nguội nhỏ: thời gian bắt đầu và kết thúc muộn, quá trình chuyển pha lâu;

- Nhiệt độ quá nguội lớn: thời gian bắt đầu và kết

thúc muộn, quá trình chuyển pha lâu;

- Tại T=T2: rất nhanh!

Tốc độ quá trình chuyển pha

➢ Tốc độ chuyển pha được đánh giá bằng lượng

pha mới (thể tích) hình thành trong đơn vị thời gian tại nhiệt độ (độ quá nguội) xảy ra quá trình chuyển pha

➢ Những yếu tố quyết định đến tốc độ tạo

thành lượng pha mới:

• Tốc độ sinh mầm,

• Tốc độ phát triển mầm,

• Mật độ và sự phân bố các vị trí sinh mầm

• Các vùng khuếch tán chồng lấn

• Ảnh hưởng giữa các vùng thể tích chuyển biến lân cận

Tạo mầm Phát triển mầm

• Khi ∆T càng lớn [do ∆G* 1/(∆T)2], tức T càng thấp thì N càng lớn

• Khi ∆T càng lớn (T thấp) hệ

số kh.tán D càng thấp, nên tốc độ phát triển mầm càng nhỏ

• Tốc độ quá trình chuyển pha v phụ thuộc chủ yếu 2 yếu tố: tốc độ sinh mầm N và tốc độ phát triển mầm

• Tốc độ tạo mầm và phát triển mầm phụ thuộc T, t

Ảnh hưởng của nhiệt độ T

Tốc độ quá trình chuyển pha

❑ v sẽ đạt cực đại ở giá trị ∆T trung bình nào đó.

❑ Tại đó thời gian bắt đầu và kết thúc ch.biến xảy ra nhanh nhất

→ động học có dạng đường cong chữ C.

Trang 5

✓ f là tỷ phần đã chuyển biến, còn k &

n là các hằng số không phụ thuộc thời gian;

✓ n 1 4 và không phụ thuộc nhiệt

độ,

✓ k phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ

Ảnh hưởng của thời gian t:

→Phương trình Avrami

(Johnson-Mehl-Avrami)

f = 1- exp(-ktn)

Thông thường:

f = 1- exp(-kt n)

t 0,5 = 0,9/(N1/4.v3/4) N: tốc độ tạo mầm

V: tốc độ phát triển mầm

1 Mầm được sinh ra liên tục trong quá trình chuyển pha với tốc độ không đổi

• Tổ chức: kích thước pha mới dao động trong một dải rộng

• Tốc độ chuyển pha phụ thuộc vào tốc

độ sinh mầm và tốc độ phát triển mầm

2 Mầm sinh ra tại toàn bộ các vị trí tiềm năng ngay từ đầu

• Tổ chức: kích thước pha mới đồng đều nhau

• Tốc độ chuyển pha phụ thuộc vào

số lượng vị trí tạo mầm và tốc độ phát triển mầm

Quá trình tiết pha ’ →  + 

➢Tỷ phần chuyển biến f được đánh giá bằng lượng (thể tích) của

pha  tại thời điểm t trên tổng lượng pha  tại lúc kết thúc quá trình

Giá trị của f thay đổi từ 0 đến 1

• Toàn bộ pha ban đầu được chuyển thành các pha sản phẩm.

• Mầm pha sản phẩm tạo ra liên tục với tốc độ không đổi trong quá trình chuyển pha.

• Tốc độ chuyển pha chịu ảnh hưởng lẫn nhau của các vùng chuyển biến lân cận.

• Tỷ phần chuyển biến f được đánh giá bằng lượng (thể tích) pha hay các pha sản phẩm tại thời điểm t trên tổng lượng pha hay các pha sản phẩm tại lúc kết thúc quá trình Giá trị của f cũng thay đổi

từ 0 đến 1

Dạng chuyển pha  →  hay  →  + 

Ví dụ: Chuyển biến peclit, quá trình kết tinh lại

Nguội chậm

Tôi + Hóa già

So sánh

5.3 Tiết pha trong hợp kim hóa bền bằng hóa già

Tôi

1

2

3

Hóa già Hóa già

Tôi

Nung

oC

%k.l Cu

m

n

Trạng thái Ủ Tôi Tôi+ hóa già Giới hạn bền

21

Trang 6

0→  + 

Pha : pha được tiết ra trên nền pha ’

Pha : dung dịch rắn bão hòa

HK Al (4%Cu) hóa già 200 o C Courtesy of MH Jacobs, The University of Birmingham

Hóa già nhân tạo

Hk Al-4%Cu

~520oC 100-200oC

Thời gian

T

Tôi

Hóa già

22

Biên hạt

Trong hạt

Cơ chế tiết pha

α 0 → α 1 + GP → α 2 + ’’ → α 3 + ’ → α 4 +  (CuAl 2 )

Vùng GP

Liền mạng Vùng giàu Cu Dạng đĩa Dày ~5nm

D ~ 10nm

Pha  Không liền mạng Cftk phức tạp CuAl2 Dạng que/đa cạnh

Ddr qbh

Hợp kim Al-4%Cu

Nguyên tử Al Nguyên tử Cu

Pha ’’

Liền mạng

KM chính phương Dạng đĩa Dày ~10nm

Đk ~ 100nm

Pha ’ Bán liền mạngKM chính phương

~ CuAl2

Dạng tấm

Đk < 1μm

Quá trình tiết pha xảy ra theo trình tự:

Pha tiết nhỏ, l/m, lớn dần và mất tính l/m, cuối cùng là pha tiết lớn

23

24

Cơ chế tiết pha Hợp kim Al-4%Cu

∆Gv(GP) < ∆Gv(θ’’) < ∆Gv(θ’) < ∆Gv(θ)

γ (lm) << γ (blm) << γ (klm)

∆G*(GP) < ∆G*(θ’’) < ∆G*(θ’) < ∆G*(θ)

Bằng việc tạo ra các pha trung gian giả ổn, NL của

hệ giảm dần, nhanh hơn (việc tạo ra pha cân bằng tốn nhiều năng lượng và thời gian hơn)

Cơ chế tiết pha

Tại sao tiết ra các pha trung gian giả ổn trước pha cân bằng??

∆Gs(GP) > ∆Gs(θ’’) > ∆Gs(θ’) > ∆Gs(θ)

25

Trang 7

θ -CuAl 2 (45phút, 450 0 C)

Các tổ chức điển hình

Cần chọn tổ chức nào?

Pha tiết có kích thước lớn hay nhỏ tăng độ bền cho vật liệu???

GP + θ ’’ (6h, 180 0 C) θ" + θ ’ + θ (2h, 200 0 C)

26

Cơ chế hóa bền tiết pha Hợp kim Al-4%Cu

Cắt ngang

Pha tiết:

+ Kích thước nhỏ + Cấu trúc tương tự nền – liền mạng

Ảnh hưởng của kích thước pha tiết đến ứng suất cần thiết để lệch cắt qua Nếu r càng lớn ????

Pha tiết

27

2

c

r bL



 =

γ: NLBM pha tiết/nền L: khoảng cách giữa các pha tiết b: vecto burger

Cơ chế hóa bền tiết pha Hợp kim Al-4%Cu

Đi vòng

Ảnh hưởng của kích thước pha tiết đến ứng suất cần thiết để lệch đi vòng qua

Cắt Vòng

28

τ

T=Gb2/2

𝜏𝑣=𝐺𝑏 𝐿

2

c r bL



 =

𝜏𝑣=𝐺𝑏 𝐿

2

* 2

Gb r



= G: modun trượt của nền

Pha tiết:

+ Kích thước lớn

+ Cấu trúc khác nền

Cần chọn tổ chức nào?

Giới hạn chảy

Ở nhiệt độ phòng, MPa

Dung dịch rắn quá bão hòa Vùng GP

Hóa bền dung dịch rắn

Ứs liền mạng

Ứs theo

cơ chế cắt qua

Ứs theo

cơ chế đi vòng Chưa đạt độ hóa già Độ bền max Quá (hóa) già

Thời gian hóa già, giờ ( ở 150 oC)

Hiệu ứng hóa bền max khi tổ chức có θ’’ và θ’

29

Trang 8

Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian hóa già đến tiết pha

Nhiệt độ và thời gian hóa già ảnh hưởng đến sự tiết pha trung gian giả ổn:

• Các pha giả ổn chỉ xuất hiện trong HK trong quá trình hóa già nếu nhiệt

độ hóa già thấp hơn nhiệt độ hòa tan và thời gian đủ dài để cắt đường bắt đầu tiết pha tương ứng của chúng

• Pha sản phẩm = f(T,t)

(T2, t2)???

Mỗi pha có đường cong chữ C riêng

Đường giới hạn

hòa tan của các

pha vào ddr α

Đường bắt đầu tiết pha

T GP

T θ’

T θ Hợp kim Al-4%Cu

Ví dụ: (T1, t1)??

t1

T1 T2

Thời gian T

30

Ảnh hưởng của thành phần HK đến cơ tính sau hóa già

Thời gian hóa già, ngày

Nhiệt độ hóa già 130 oC

31

Tự đọc Mục 1.1.6.3 Hóa già (Sách Vật liệu kim loại màu- GS Nguyễn Khắc Xương)

Bài tập: Nhận xét và dựa vào các kiến thức đã học, giải thích kết quả trên đồ thị của

hợp kim 2014 (Al-4.4%Cu-0.5%Mg)

Thời gian hóa già, giờ

1 phút 1 giờ 1 ngày 1 tháng 1 năm

32

Vùng GP ( Guinier – Preston) trong các Hk khác

Đĩa ┴ {100} Cầu

GP – giàu Ag, GP- giàu Zn

GP – giàu Cu

Nguyên tố Al Cu Ag Zn

Bán kính nguyên tử (Ao)

1.43 1.28 1.44 1.38 Sai khác % 10,4% 0,7% 3,5%

Giải thích tại sao vùng GP trong HK Al-Cu có hình đĩa; trong khi vùng GP trong các hợp kim Al-Ag và Al-Zn có hình cầu Cho biết bán kính nguyên tử của Al, Cu, Ag, Zn như bảng dưới

33

Trang 9

(so sánh tổ chức)

Sinh mầm và phát triển mầm

(HK Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Cu-Mg,…)

Spinodal

(HK Fe, Co, Cu-Ni-Sn,…)

Không có đặc điểm cấu trúc khác biệt nên nói chung khó phân biệt pha tiết ra theo cơ chế nào Nói chung theo cơ chế spinodal: pha tiết nhỏ mịn, phân bố đều

35

5.4 Chuyển biến cùng tích [tiết pha đồng thời]

- Mầm Xe hoặc F xuất hiện trên biên hạt A với 1 mặt bán liền mạng, mặt kia không liền mạng;

- Sự phát triển xảy ra về phía có mặt không liền mạng;

- Sự phát triển Xe kéo theo sự xuất hiện và phát triển F, đến lượt mình nó lại kéo theo sự xuất hiện

và phát triển của Xe,…

CƠ CHẾ CHUYỂN BiẾN

@ Xét HK cùng tích (ví dụ, thép 0,8%C)

A → F + Xe

V=

const

Tạo mầm và phát triển mầm

36

Tạo mầm và phát triển mầm

Đối với thép khác cùng tích

Ví dụ thép sau cùng tích

- Xementit thứ cấp hình thành ở biên hạt;

- Sự phát triển tổ chức peclit bằng cách tạo mầm đồng thời ferit và xementit trên nền xementit có sẵn

37

Tổ chức cùng tích

Khoảng cách giữa các tấm Xê

S*~ (T)-1

Tốc độ phát triển tấm

k: Hằng số

Trang 10

Động học quá trình chuyển biến

y = 1- exp(-ktn)

Phương trình Avrami

Bài tập:

• Có những pha nào

trong tổ chức cùng tích? Gọi tên tổ chức này

• Hãy tính thành phần

mỗi pha trong tổ chức

cùng tích

• Vẽ tổ chức thép cùng tích

Thành phần khác cùng tích

Khái niệm ‘Giả cùng tích’

Nguội tại vùng 1: với HK C0tổ chức nhận được là P giả cùng tích (C0 0,8%) Nguội tại vùng 2: HK C0cho tổ chức là F + P

1 2

C

0

Bài tập: vẽ tổ chức chứa tổ chức cùng tích và pha tiết ra trước cùng tích cho thép C thấp và thép C cao.

40

5.5 Chuyển pha mactenxit trong thép

Phải xảy ra chuyển biến A theo

cơ chế nào đó: trượt !

Đó là c/b A→M

✓ Lý do1 Nếu làm nguội thép với tốc độ v>vththì ch.biến A →P

không cắt chữ C)

✓ Lý do 2 A không bền vững ở T thấp hơn A1, đặc biệt ở T thấp:

chênh lệch G giữa -Fe và

-Fe là rất lớn.

✓ Lý do 3 Ở T thấp kh.tán không thể xảy ra.

41

Biến dạng Bain

Vị trí của C trong -Fe: dấu x Dd rắn quá bão hòa của C trong -Fe

(1 1 1)γ→ (0 1 1)α’

[1 0 1]γ → [11 1]α’

[ 1 12]γ→ [ 0 11]α’

[1 0 1]γ→ [11 1]α’

Quan hệ l/m giữa đĩa ’ và nền  :

5.5 Chuyển pha mactenxit trong thép

Tiêu đề	Sự Phát Triển Của Tổ Chức Tế Vi
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Khoa Học Vật Liệu
Thể loại	Luận văn
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	2,38 MB