Cơ chế khuếch tán khi nung nóng thép cùng tíchCơ chế khuếch tán giải thích trị số D0 và Q tìm hiểu qúa trình dịch chuyển nguyên tử ion, phân tử trong những vật liệu khác nhau.. Khuếch
Trang 1Bài tập: Hãy phân tích quá trình khuếch tán khi nung nóng thép cùng tích:
BÀI LÀM
1 Mô tả thí nghiệm nung nóng thép cùng tích
Sử dụng mẫu thí nghiệm là thép chứa 0,8% cacbon, có tổ chức là Peclit (P=[F+Xe]) làm hàng loạt mẫu có kích thước và hình dáng giống nhau và tiến hành nung tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Ac
1 Giữ các mẫu tại nhiệt độ nung với các thời gian khác nhau sau đó tiến hành làm nguội nhanh Đo lượng chuyển biến P thành As theo thời gian.
- Trên cơ sở đo lượng chuyển biến đó, ta xây dựng đường cong phần trăm lượng As theo thời gian t: % As = f(t)
- Đường cong trên chính là đường cong động học chuyển biến P thành As
+ OA: giai đoạn phôi thai, bắt đầu tạo các trung tâm sinh mầm
+ AB: giai đoạn bắt đầu chuyển biến P thành As, ở giai đoạn này có sự thay đổi năng lượng tự do
∆G = ∆Gthể tích + ∆Gbề mặt + ∆Gđàn hồi
Do vậy, ta thấy rằng quá trình tạo mầm ở trạng thái rắn là khó khăn và chậm hơn do biến thiên năng lượng cao hơn
+ BC: giai đoạn chuyển biến xảy ra nhanh do lượng mầm tạo ra nhiều và khả năng lớn lên mạnh
do ∆Gđàn hồi chưa quá lớn
+ CD: giai đoạn chuyển biến chậm lại do ∆Gđàn hồi lớn
As 0,8%C
¿Ac1
P
As 0,8%C
¿Ac3
[Fe3C + F]
Trang 22 Cơ chế khuếch tán khi nung nóng thép cùng tích
Cơ chế khuếch tán giải thích trị số D0 và Q tìm hiểu qúa trình dịch chuyển nguyên tử ( ion, phân
tử ) trong những vật liệu khác nhau
a Khuếch tán trong dung dich thay thế
Các nguyên tử khuếch tán theo cơ chế nút trống, tức nguyên tử dịch chuyển đến nút trống bên cạnh Để bước dịch chuyển như vậy được thực hiện được cần có hai điều kiện sau:
- Nguyên tử có hoạt năng Gv
m đủ để phá vỡ liên kết với những nguyên tử bên cạnh, nới rộng khoảng cách hai nguyên tử ở giữa nút trống và nguyên tử dịch chuyển ( nguyên tử 1 và 2 trên hình
vẽ bên dưới) Số lượng nguyên tử có hoạt năng như vậy tỷ lệ với exp(-ΔGv
m/kT)
- Có nút trống nằm cạnh nguyên tử: nồng độ nút trống tỷ lệ với exp(-ΔGv
f/kT) trong đó ΔGv
f là năng lượng tạo nút trống, tức năng lượng cần tách nguyên tử khỏi nút mạng trong hoàn chỉnh, năng lượng này tỷ lệ với nhiệt hoá năng
Như vậy khả năng khuếch tán phụ thuộc vào xác suất của hai quá trình trênvà hệ số khuếch tán có thể viết dưới dạng:
D = const.exp(-ΔGv
f/kT).exp(-ΔGv
m/kT) (1.4) Nếu tính đến quan hệ G = H – TS
Trong đó: H là entanpi
S là entropi Khi đó biểu thức (1.2) của D, có thể xác định Q và D0:
Q = ΔHmv + ΔHv
D0 = const.exp[(ΔS0
f + ΔS0
m)/k] (1.6) Bằng cách so sánh Q và tổng ΔHmv + ΔHv
f có thể dự đoán được sự có mặt của cơ chế nút trống trong vật liệu cụ thể Trong nhiều kim loại ΔHmv + ΔHv
f = 1 ÷ 3eV/nguyên tử và (ΔS0
f + ΔS0
m)/k = 2
từ đó D0 = 0,1 ÷ 10 cm2/s
Trang 3∆G v m
∆G i m
Hoạt năng khuếch tán Q liên quan đến năng lượng tách và dịch chuyển nguyên tử khỏi nút mạng
do đó:
Q ≈ Lnc ≈ Tnc Như vậy tại nhiệt đã cho, vật liệu có Tnc càng lớn thì Q càng lớn và D càng nhỏ Khả năng tạo nút trống cạnh nguyên tử khác loại và cạnh nguyên tử dung môi là khác nhau Do vậy hệ số khuếch tán của nguyên tử khác loại khác với hệ số khuếch tán của nguyên tử dung môi Tuy nhiên trong nhiều trường hợp sự khác nhau này không quá 15% đối với Q và gấp đôi với D0
A
Hình: Mô hình khuếch tán theo cơ chế nút trống (a) và cơ chế giữa nút mạng (b)
Bên dưới là thay đổi đường cong năng lượng phụ thuộc vào vị trí
b Khuếch tán trong dung dich xen kẽ
Các nguyên tử hoà tan theo nguyên lý xen kẽ thường có đường kính nhỏ có thể dịch chuyển từ vị trí lỗ hổng ( giữa các nút mạng) sang lỗ hổng khác Đó là khuếch tán theo cơ chế giữa nút mạng
Để chuyển đến lỗ hổng bên cạnh các nguyên tử xen kẽ phải vượt được thế năng ΔGi
m ( Hình 1.2b) Bên cạnh các nguyên tử xen kẽ luôn luôn có lỗ hổng và lượng các lỗ hổng trong mạng là xác định và nhiều hơn nguyên tử xen kẽ nên “ nồng độ” lỗ hổng không ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán Trong trường hợp này:
D = const.exp(ΔSi
m/k).exp(ΔHi
m/kT) (1.7) Như vậy:
D0 = const.exp(ΔSi
m/k) (1.8)
Q và D0 có trị số nhỏ hơn so với cơ chế nút trống Q phụ thuộc chủ yếu và kích thước nguyên tử xen kẽ và mật độ xếp chặt của kim loại nền
Ví dụ: D của cacbon trong α – Fe là 1,7.10-6 cm2/s ở 800 0C ; γ – Fe là 6,7.10-7 cm2/s ở 1000 0C
Trang 4Quá trình chuyển biến khuếch tán khi nung nóng thép cùng tích được thể hiện rõ trong quá trình chuyển biến pha khi nung nóng thép cùng tích
Khi ta nung thép ở nhiệt độ t n0
> Ac1 thì thép cùng tích đã chuyển biến hoàn toàn thành tổ chức là Austenit
3 Các chuyển biến Peclit thành Austenit khi nung nóng đẳng nhiệt thép cùng tích.
Hình: Biểu đồ nung nóng đẳng nhiệt khi nung nóng P Trong đó:
Vùng I: t0 < A1 là vùng tồn tại ổn định của P
Vùng II: t0 > A1 và bên trái đường 1 là vùng tồn tại P kém ổn định
Vùng III: là vùng đang chuyển biến
Vùng III: là vùng hoàn thành chuyển biến
- Đặc điểm:
+ Chuyển biến chỉ xảy ra ở nhiệt độ nung t n0> Ac1
+ Nhiệt độ càng cao thì thời gian chuyển biến P thành As càng ngắn
+ Chuyển biến hoàn toàn (100%P thành 100% As)
+ Là chuyển biến khuếch tán
- Cơ chế chuyển biến:
As 0,8%C
¿Ac1
P
Trang 5Hình: Sự hình thành mầm và phát triển mầm As
- Mầm As được sinh ra ở biên giới F và Xe, phát triển thành hạt As, các hạt As gặp nhau ta được hạt As ban đầu
Hình: Biểu đồ hình thành hạt As
- Hạt As ban đầu:
+ Nồng độ C trong hạt không đồng nhất
+ Hạt As có kích thước nhỏ và không điều nhau vì mầm As không được sinh ra cùng lúc
- Trong thời gian giữ nhiệt τ:
+ Có sự khuếch tán C trong hạt As để làm đồng điều hạt
+ Có sự sát nhập hạt As bé vào hạt As lớn
- Kích thước hạt As: cuối giai đoạn này nhận được hạt As thực tế
- Các yếu tố ảnh hưởng tới kích thước hạt As khi nung:
+ Kích thước tấm F và Xe: kích thước càng nhỏ thì mầm As sinh ra càng nhiều và kích thước hạt
As càng bé
Trang 6+ Nhiệt độ nung càng cao thì kích thước hạt As càng lớn (theo hàm số mũ)
Hình: Biểu đồ nhiệt nung + Thời gian giữ nhiệt càng dài thì kích thước hạt càng tăng theo hàm căn bậc hai
Hình: Biểu đồ thời gian giữ nhiệt
- Thép di truyền hạt bé:
+ Là loại thép nung khoảng A1 < t0 < (900 – 9500) với thời gian giữ nhiệt 3-8h nhưng hạt không
Trang 7+ Khi t0 > (900 – 9500) thì hạt lớn rất nhanh
4 Các chuyển biến Peclit thành Austenit khi nung liên tục thép cùng tích.
Hình: Đồ thị chuyển biến khi nung nóng liên tục
- Là quá trình nung mà nhiệt độ tăng theo thời gian
- Nhận xét quá trình nung nóng liên tục:
+ Tốc độ nung càng chậm thì nhiệt độ bắt đầu chuyển biến và kết thúc chuyển biến càng thấp, thời gian chuyển biến càng dài
+ Tốc độ nung càng cao thì nhiệt độ chuyển biến càng cao, thời gian chuyển biến càng ngắn
5 Tóm tắc lại cơ chế hình thành As khi nung thép cùng tích
Quá trình này chỉ xảy ra khi có sự ba đông về năng lượng mà ba đông về thành phần hoá học là nguyên nhân chủ yếu để tạo ra ba đông năng lượng Quá trình ba đông đó tạo ra những vùng có thành phần cacbon gần bằng 0,8% ở ranh giới giữa Xe và F luôn có hàm lượng cacbon cao nhất nên thuận lợi cho quá trình tạo mầm Do vậy, mầm As đầu tiên sẽ xuất hiện trên ranh giới 2 pha F và Xe Các mầm As phát triển, thực hiện quá trình chuyển biến P thành As
Trang 8Tốc độ phát triển của mầm As về 2 phía Xe và F là khác nhau
Nhận thấy C/FC/Xe nên v/F v/Xe vỡ vậy F bị hoà tan hết trước sau đó Xe mới bị hoà tan hết vào
Quá trình trên có thể mô tả bằng hình vẽ bên dưới:
6 Độ hạt của và biểu diễn độ hạt trên giản đồ trạng thái
Khi nung nóng trên nhiệt độ Ac1 trong thép xảy ra chuyển biến P Chuyển biến này cũng có
cơ chế như quá trình kết tinh Tạo mầm và phát triển mầm Các mầm được tạo ra trên bề mặt phân chia giữa 2 pha F và Xe Như vậy, biên giới giữa 2 pha F và Xe trong P rất nhiều nên nảy sinh nhiều mầm và khi kết thúc chuyển biến bao giờ cũng có nhỏ min Chuyển biến P bao giờ cũng làm nhỏ hạt Sau khi thu được nhỏ mịn ở nhiệt độ Ac1, nếu tiếp tục nâng cao nhiệt độ, hạt sẽ tiếp tục phát triển nhờ quá trình sát nhập các hạt với nhau Sự phát triển các hạt phụ thuộc vào nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt Nhiệt độ nung càng cao, thời gian giữ nhiệt càng dài thì hạt càng lớn