1.2.3.Hai quâ trình của sự kết tinh : Khi hạ nhiệt độ kim loại lỏng xuống thấp hơn nhiệt độ kết tinh lý thuyết Ts, quâ trình kết tinh sẽ xảy ra. Sự kết tinh thực hiện được lă nhờ có hai quâ trình sau : -Trong kim loại lỏng xuất hiện những trung tđm kết tinh có kích thước rất nhỏ, gọi lă mầm kết tinh. Quâ trình năy gọi lă tạo mầm. -Câc mầm năy sẽ phât triển lín vă tạo thănh hạt tinh thể .Quâ trình năy gọi lă phât triển mầm. 1-Quâ trình tạo mầm (trung tđm kết tinh) : Tạo mầm lă quâ trình tạo nín câc phần tử rắn có cấu tạo tinh thể, có kích thước rất nhỏ trong lòng khối kim loại lỏng, chunïg lă những mầm mống đầu tiín để phât triển lín thănh hạt tinh thể. Theo đặc tính phât sinh mầm được chia lăm hai loại : mầm tự sinh (đồng pha) vă mầm không tự sinh (ký sinh) a-Mầm tự sinh (mầm đồng pha) : Lă mầm sinh ra trực tiếp từ kim loạíi lỏng không cần sự giúp đỡ của bề mặt câc hạt rắn có sẵn trong đó . Tại nhiệtđộ thấp hơn Ts câc nhóm nguyín tử sắp xếp có trật tự trong kim loại lỏng có kích thước lớn hơn một giâ trị xâc định ứng với mỗi nhiệt độ sẽ cố định lại, không tan đi nữa vă có điều kiện phât triển lín thănh hạt tinh thể. Ta xĩt điều kiện năng lượng của sự tạo mầm năy.Giả sử rằng tại nhiệt độ năo đó nhỏ hơn Ts trong kim loại lỏng xuất hiện n nhóm nguyín tử sắp xếp trật tự có thể tích v. Tại nhiệt độ năy ta có Fr < Fl .Gọi ∆Fv = Fl - Fr, lă hiệu số năng lượng tự do giữa kim loại lỏng vă kim loại rắn tính cho một đơn vị thể tích kim loại lỏng thì ∆Fv < 0 khi T < Ts. Khi tạo ra n nhóm nguyín tử trật tự nói trín thì năng lượng của hệ thống giảm đi một lượng lă nv∆Fv .Nhưng do tạo nín bề mặt tiếp xúc giữa rắn vă lỏng nín năng lượng tự do sẽ tăng thím một lượng lă nsσ. Trong đó : s lă diện tích tiếp xúc giữa nhóm nguyín tử với kim loại lỏng ,còn σ l sức căng bề mặt trín một đơn vị diện tích. Khi tạo ra n nhóm nguyín tử sắp xếp có trật tự trín thì năng lượng cả hệ thống biến đổi một lượng lă: ∆F = - nv∆Fv +nsσ Coi câc nhóm nguyín tử trật tự có dạng hình cầu bân kính r, ta có: ∆F = 4πr3n∆F + 4πr2nσ (1) 3 v Ở nhiệt độ nhất định nhỏ hơn T s thì ∆Fv vă σ lă hằng số nín ∆F = f(r). Bằng thực nghiệm người ta đê vẽ được đồ thị về sự phụ thuộc giữa năng lượng tự do vă bân kính r của nhóm nguyín tử trật tự. Từ đồ thị đó ta nhận thấy : -Nếu nhóúm nguyín tử trật tự có r1 < rth thì khi nó phât triển lín lăm cho năng lượng của hệ thống tăng lín, không phù hợp với tự nhiín nín sẽ tan đi. -Nếu nhóm nguyín tử trđtû tự có r2 > rth khi phât triển lín lăm giảm năng lượng của hệ thống vă nó trở thănh mầm thật sự. Kết luận : tại một nhiệt độ nhất định nhỏ hơn Ts trong kim loại lỏng có vô số nhóm nguyín tử sắp xếp trật tự có kích thước khâc nhau. Chỉ những nhóm năo có kích thước lớn hơn một giâ trị tới hạn năo đó mới trở thănh mầm thđtû sự, còn những nhóm khâc tan đi. Ta có thể tính bân kính tới hạn như sau : tìm giâ trị cực đại của biểu thức (1) vă tínhđược rth = 2 σ û(2) , giâ trị r = 0 không có ý nghĩa. Khi nhiệt độ kết tinh căng thấp ∆Fv ( ∆Fv lớn) thì rth căng nhỏ vă căng có nhiều nhóm nguyín tử trật tự có kích thước lớn hơn rth để trở thănh mầm. Do đó sự kết tinh xảy ra dễ dăng hơn. Tại T = Ts ta có rth = ∞,quâ trình sinh mầm không xảy ra . ∆F r1 rth r2 r Hình1.14 - Quan hệ giữa bân kính mầm vă ∆F b-Mầm không tự sinh (ký sinh) : Lă mầm kết tinh được tạo nín trín bề mặt của câc hạt rắn có sẵn trong kim loại lỏng. Trong kim loại lỏng không thể nguyín chất tuyệt đối được, nín bao giờ cũng có tạp chất. Đó lă câc chất lẫn lộn không tan như : bụi than, bụi tường lò,câc ôxyt,nitrit...Chúng giúp cho quâ trình sinh mầm trín bề mặt của chúng xảy ra dễ dăng hơn. Vai trò của mầm không tự sinh rất quan trọng trong thực tế vă dovậy quâ trình kết tinh xảy ra rất nhanh chóng. Mầm không tự sinh bao gồm : -Câc phần tử vật lẫn lộn không tan rất nhỏ như ôxyt, bụi tường lò, nitrit, hydrit...có kiểu mạng vă kích thước không sai khâc nhiều với kim loại kết tinh. -Câc hạt rất nhỏ có khả năng hấp thụ trín bề mặt của chúng những nguyín tử kim loại kết tinh. -Thănh khuôn đúc, đặc biệt lă câc vết nứt vă chỗ lồi lõm trín thănh khuôn. 2-Quâ trình phât triển mầm : Sau khi câc mầm được tạo ra chúng sẽ tiếp tục phât tiển lín thănh hạt tinh thể. Quâ trình năy lăm cho năng lượng tự do của hệ giảm đi phù hợp với tự nhiín (lă quâ trình tự phât)ì.Ta có thể minh họa qúa trình năy bằng cơ cấu mầm hai chiều (Cosen) vă cơ cấu mầm kết tinh có lệch xoắn. σαβ σαβ σβγ θ σγαβα r β σββ θα γ σαβ a) b) Hinh 1.15- Mầm ký sinh dạng chỏm cầu (a) vă dạng thấu kính (b).β

1.2.7. Cấu tạo của vật đúc : Kim loại lỏng sau khi nấu luyện xong được đúc thành sản phẩm hay bán thành phẩm. Các sản phẩm đúc rất đa dạng, nhiều vật đúc có hình dáng rất phức tạp. Vì vậy không thể có quy luật chung về cấu tạo tinh thể cúa chúng. Ở đây chúng ta nghiên cứu vật đúc đơn giản nhất, đó là các thỏi đúc thép trong khuôn kim loại. Từ đó suy rộng ra cho các vật đúc phức tạp và đúc trong các loại khuôn khác. 1-Cấu tạo tinh thể vật đúc : Thông thường vật đúc có ba vùng tinh thể sau đây : a-Vùng ngoài cùng : Vùng này có các hạt đẳng trục và kích thước nhỏ mịn (vùng 1). Do đầu tiên kim loại lỏng tiếp xúc với thành khuôn nguội lạnh nên bị nguội đột ngột và kết tinh với độ quá nguội ∆T lớn, cùng v ïi tác dụng tạo mầm của thành khuôn nên hạt tạo thành có kích thước nhỏ mịn. Mặt khác do sự lồi lõm của thành khuôn (chất sơn khuôn) nên mầm phát triển theo mọi phương và hạt có dạng đẳng trục. b-Vùng trung gian : Vùng này gồm các hạt hình trụ, tức là các hạt dài và vuông góc với thành khuôn (vùng 2). Sau khi đã tạo ra vùng 1 thìthành khuôn đã khá nóng, do vậy kim loại lỏng kết tinh với độ quá nguội ∆T nhỏ, vì vậy hạt nhận được có xu hướng lớn dần lên. Lúc này ảnh hưởng chủ yếu đến hình dáng hạt là phương thoát nhiệt. Phương thoát nhiệt vuông góc với thành khuôn nên hạt phát triển mạnh theo hướng ngược lại. Kết quả là tạo ra các hạt hình trụ vuông góc với thành khuôn. c-Vùng trung tâm : Vùng này có hạt lớn và đẳng trục (vùng 3). Khi vùng này kết tinh thì thành khuôn đã rất nóng nên kim loại kết tinh với độ quá nguội ∆T bé, do vậy có kích thước lớn. Sự thoát nhiệt theo mọi phương là như nhau nên hạt có dạng đẳng trục. Trong ba vùng tinh thể trên thì vùng ngoài cùng luôn luôn tồn tại và có chiều dày nhỏ. Còn hai vùng trong có thể tồn tại hay không phụ thuộc vào điều kiện làm nguội khuôn. Khi khuôn được làm nguội mãnh liệt thì vùng 2 lấn át hẳn vùng 3 và có thể làm mất vùng 3. Lúc này vùng 2 phát triển đến tâm của vật đúc. Cấu tạo của vật đúc như là chỉ gồm các hạt hình trụ vuông góc với thành khuôn và gọi là tổ chức xuyên tinh. Tổ chức xuyên tinh chỉ có lợi khi yêu cầuvật đúc có mật độ lớn và không qua biến dạng dẻo (cán, rèn). Nếu làm nguội khuôn rất chậm thì vùng 3 lấn át hẳn vùng 2, vật đúc có mật độ nhỏ và dễ dàng biến dạng dẻo.2-Các tật hỏng của vật đúc : Các tật hỏng làm xấu chất lượng của vật đúc. Vì vậy ta phải nghiên cứu để tìm biện pháp hạn chế hoặc loại bỏ chúng. Trong vật đúc thường gặp các tật hỏng sau đây : 1-Rỗ co (rỗ xốp, rỗ tế vi): Doquá trình kết tinh dạng nhánh cây nên dòng kim loại lỏng không thể điền đầy hết tất cả những khe hở giữa các nhánh cây đó. Khi kết tinh thể tích kim loại bị giảm đi sẽ tạo nên các lỗ hổng tại đó. Hiện tượng này gọi là rỗ co. Rỗ co phân bố khắp vật đúc và làm giảm mật độ của vật đúc nên làm xấu cơ tính của nó. Có thể khắc phục rỗ co bằng cách biến dạng nóng, lúc này rỗ co được hàn kín lại (bề mặt rỗ co chưa bị ô xy hóa). Rỗ co ảnh hưởng không đáng kể đến cơ tính của vật đúc. 2-Lõm co: Do khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn thể tích kim loại bị giảm đi nên ở trên cùng và tại phần dày nhất của vật đúc tạo ra một lỗ hổng gọi là lõm co. Lõm co làm mất sự lành lặn của vật đúc và phải cắt bỏ đi. Do vậy phần thể tích vật đúcsử dụng chỉ còn khoảng từ 85%-95%. Khắc phục lõm co bằng đậu ngót để đưa nó ra ngoài vật đúc. Rỗ co và lõm co đều có chung một nguyên nhân hình thành đó là sự giảm thể tích của kim loại khi kết tinh. Với một kim loại hay hợp kim thì tỷ lệ co khi kết tinh là hằng số. Vì vậy tăng lõm co sẽ làm giảm được rỗ co và ngược lại chứ không thể làm mất hai tật hổng này. 3-Rỗ khí : Trong điều kiện nấu luyện thông thường kim loại lỏng hòa tan khá nhiều các loại khí. Sau khi kết tinh độ hòa tan của khí trong kim loại giảm đi đột ngột, khí thoát ra bị kẹt lại và hình thành các bọt khí gọi là rỗ khí. Rỗ khí rất nguy hiểm vì nó làm mất tính liên tục của vật đúc và là nơi tập trung ứng suất làm giảm cơ tính. Nếu rỗ khí nằm ngay dưới lớp vỏ của vật đúc sẽ gây ra tróc và nứt cho chi tiết. Có thể khắc phục rỗ khí bằng cách biến dạng nóng, chúng sẽ bẹp đi.(Trừ trường hợp nằm sát ngoài, dưới vỏ vật đúc). Biện pháp khắc phục tốt nhất là khử khí triệt để trước khi rót khuôn hay đúc trong chân không. 4-Thiên tích : Thiên tích là sự không đồng nhất về thành phầnhóa học và tổ chức trong bản thân vật đúc. Do đố dẫn tới sự khác nhau về tính chất giữa các vùng của vật đúc. Thiên tích có nhiều loaüi : thiên tích theo trong lượng, thiên tích nhánh cây.