Bài giảng Công nghệ đúc - Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành vật đúc (Phần 2)

Bài giảng Công nghệ đúc - Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành vật đúc (Phần 2) cung cấp cho học viên những kiến thức về kết tinh của kim loại và hợp kim trong khuôn đúc, động học quá trình đông đặc,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Công nghệ đúc - Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành vật đúc (Phần 2) CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾTQUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VẬT ĐÚC PHẦN 2 PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1 4. KẾT TINH CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM TRONG KHUÔN ĐÚC• Từ khoá: Crystallization; Solidification PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2 4.1. CÁC PHƢƠNG THỨC ĐÔNG ĐẶC CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 4.1.1. Mở đầuKim loại nguyên chất:- Kết tinh ở T không đổi: đường lỏng (TL) và đường đặc (TS) trùng nhau- KL đông đặc có hướng: pha rắn từ bề mặt tiến dần vào tâm nhiệt của vật đúc 4.1.1. Mở đầuHợp kim: nói chung, kết tinh xảy ra trong một khoảng nhiệt độ: “khoảng đông đặc” (gọi tắt: “khoảng đông”)Trong khoảng đông, hai pha rắn và lỏng cùng tồn tại: “vùng 2 pha”Bề mặt phân cách rắn – lỏng: “bề mặt kết tinh” hay “sóng kết tinh” PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5 4.1.2. Đông đặc có hướngĐông đặc có hướng: vật đúc có 3 vùng rõ rệt: 1. Vùng rắn: T 4.1.3. Đông đặc thể tíchĐông đặc thể tích: vùng 2 pha choán hầu như toàn bộ chiều dày thành vật đúc: VĐ đông đặc gần như đồng thời trên toàn thể tích PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7 4.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM 4.2.1. Kết tinh (Crystallization)Kết tinh là quá trình hình thành VĐ ở trạng thái vi mô, bao gồm:- Quá trình hình thành tâm mầm- Sự phát triển của các tâm mầm- Sự hình thành và phát triển của nhánh câyNghiên cứu quá trình kết tinh là NC sự hình thành tổ chức của VĐ PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8 4.2.2. Đông đặc (Solidification)Đông đặc là quá trình KL chuyển từ trạng thái lỏng  rắn mà không xét đến cấu trúc tinh thểNC quá trình đông đặc bao gồm:- Quá trình hình thành và phát triển lớp KL rắn- Sự hình thành và dịch chuyển vùng 2 phaNC quá trình đông đặc nhằm xác định nguyên nhân các khuyết tật có liên quan PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 9 4.2.3. Hệ số phân bố cân bằng Trong quá trình đông đặc, thành phần pha rắn và pha lỏng thay đổi theo đường đặc và đường lỏng trên giản đồ trạng thái Hệ số phân bố k của hợp kim có thành phần C0: k= hàm lượng chất tan trong pha rắn / hàm lượng chất tan trong pha lỏng Trong quá trình kết tinh, k thay đổi liên tục PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 10 4.2.3. Hệ số phân bố cân bằngQuá trình kết tinh HK có thành phần C0- Khi T giảm đến T1: pha rắn xuất hiện có thành phần CS; pha lỏng-vẫn C0- Khi T giảm đến T2: pha rắn kết tinh có thành phần C1 ; pha lỏng-C2- Khi T đến T3: giọt KLL cuối cùng có thành phần CL trong quá trình kết tinh, pha rắn ngày càng giàu B  Thiên tích trong VĐ PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 11 4.2.4. Độ quá nguội KL nguyên chất ở trạng thái lỏng được làm nguội dù với tốc độ rất chậm thì T kết tinh thực tế vẫn thấp hơn T kết tinh lý thuyết  KLL có thể tồn tại ở T thấp hơn T kết tinh lý thuyết T0. KLL lúc này được gọi là KLL quá nguội T= T0-T: độ quá nguội PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 124.3.HÌNH THÀNH & PHÁT TRIỂN MẦM 4.3.1.Sự hình thành mầm nội sinh Làm nguội KLL với độ quá nguội T  năng lượng tự do của hệ giảm: đây là động lực thúc đẩy quá trình kết tinh PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 13 4.3.1.Sự hình thành mầm nội sinhGiả sử có 1 cụm nguyên tử với bán kính r, thể tích V, diện tích bề mặt F đang hình thành trong KLL quá nguội.Năng lượng tự do của hệ sẽ thay đổi một lượng G do 2 nguyên nhân: PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14 4.3.1.Sự hình thành mầm nội sinh1. Giảm năng lượng tự do thể tích GV - Pha rắn có năng lượng tự do nhỏ hơn pha lỏng  năng lượng tự do giảm: GV= - nGm n-số mol của mầm; n= V/Vmol = 4r3/3Vmol Gm- ứng với 1 mol KL Gm= Hm - TSm = Hm - T.H/To  Lnc - T.Lnc/T0= Lnc(1-T/T0)= Lnc T/T0 GV= -4r3Lnc T/(3T0Vm) PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 15 4.3.1.Sự hình thành mầm nội sinh2. Tăng năng lượng tự do bề mặt GF Xuất hiện pha mới (rắn) có diện tích bề mặt F làm năng lượng tự do tăng: GF= F  - scbm của mầm PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 16 4.3.1.Sự hình thành mầm nội sinh G= GV+GF = -4r3Lnc T/(3T0Vm) + 4r2 G= f(r, T) T càng lớn  G càng âm  càng dễ tạo mầm PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 17 Khi T= constĐường biểu diễn G=f(r) có cực đại Gmax tại rth- Những mầm có r< rth không thể phát triển lên được do khi r tăng thì G cũng tăng- Chỉ những mầm có r> rth mới có thể phát triển lên được PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 18 4.3.2.Sự hình thành mầm ký sinh (Ngoại sinh, ngoại nhập)Thực tế, quá trình kết tinh của KLL xảy ra với T nhỏ hơn rất nhiều so với độ quá nguội cần ch ...