1.2.3.Hai quá trình của sự kết tinh : Khi hạ nhiệt độ kim loại lỏng xuống thấp hơn nhiệt độ kết tinh lý thuyết Ts, quá trình kết tinh sẽ xảy ra. Sự kết tinh thực hiện được là nhờ có hai quá trình sau : -Trong kim loại lỏng xuất hiện những trung tâm kết tinh có kích thước rất nhỏ, gọi là mầm kết tinh. Quá trình này gọi là tạo mầm. -Các mầm này sẽ phát triển lên và tạo thành hạt tinh thể .Quá trình này gọi là phát triển mầm. 1-Quá trình tạo mầm (trung tâm kết tinh) : Tạo mầm là quá trình tạo nên các phần tử rắn có cấu tạo tinh thể, có kích thước rất nhỏ trong lòng khối kim loại lỏng, chunïg là những mầm mống đầu tiên để phát triển lên thành hạt tinh thể. Theo đặc tính phát sinh mầm được chia làm hai loại : mầm tự sinh (đồng pha) và mầm không tự sinh (ký sinh) a-Mầm tự sinh (mầm đồng pha) : Là mầm sinh ra trực tiếp từ kim loạíi lỏng không cần sự giúp đỡ của bề mặt các hạt rắn có sẵn trong đó . Tại nhiệtđộ thấp hơn Ts các nhóm nguyên tử sắp xếp có trật tự trong kim loại lỏng có kích thước lớn hơn một giá trị xác định ứng với mỗi nhiệt độ sẽ cố định lại, không tan đi nữa và có điều kiện phát triển lên thành hạt tinh thể. Ta xét điều kiện năng lượng của sự tạo mầm này.Giả sử rằng tại nhiệt độ nào đó nhỏ hơn Ts trong kim loại lỏng xuất hiện n nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự có thể tích v. Tại nhiệt độ này ta có Fr < Fl .Gọi ∆Fv = Fl - Fr, là hiệu số năng lượng tự do giữa kim loại lỏng và kim loại rắn tính cho một đơn vị thể tích kim loại lỏng thì ∆Fv < 0 khi T < Ts. Khi tạo ra n nhóm nguyên tử trật tự nói trên thì năng lượng của hệ thống giảm đi một lượng là nv∆Fv .Nhưng do tạo nên bề mặt tiếp xúc giữa rắn và lỏng nên năng lượng tự do sẽ tăng thêm một lượng là nsσ. Trong đó : s là diện tích tiếp xúc giữa nhóm nguyên tử với kim loại lỏng ,còn σ l sức căng bề mặt trên một đơn vị diện tích. Khi tạo ra n nhóm nguyên tử sắp xếp có trật tự trên thì năng lượng cả hệ thống biến đổi một lượng là: ∆F = - nv∆Fv +nsσ Coi các nhóm nguyên tử trật tự có dạng hình cầu bán kính r, ta có: ∆F = 4πr3n∆F + 4πr2nσ (1) 3 v Ở nhiệt độ nhất định nhỏ hơn T s thì ∆Fv và σ là hằng số nên ∆F = f(r). Bằng thực nghiệm người ta đã vẽ được đồ thị về sự phụ thuộc giữa năng lượng tự do và bán kính r của nhóm nguyên tử trật tự. Từ đồ thị đó ta nhận thấy : -Nếu nhóúm nguyên tử trật tự có r1 < rth thì khi nó phát triển lên làm cho năng lượng của hệ thống tăng lên, không phù hợp với tự nhiên nên sẽ tan đi. -Nếu nhóm nguyên tử trâtû tự có r2 > rth khi phát triển lên làm giảm năng lượng của hệ thống và nó trở thành mầm thật sự. Kết luận : tại một nhiệt độ nhất định nhỏ hơn Ts trong kim loại lỏng có vô số nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự có kích thước khác nhau. Chỉ những nhóm nào có kích thước lớn hơn một giá trị tới hạn nào đó mới trở thành mầm thâtû sự, còn những nhóm khác tan đi. Ta có thể tính bán kính tới hạn như sau : tìm giá trị cực đại của biểu thức (1) và tínhđược rth = 2 σ û(2) , giá trị r = 0 không có ý nghĩa. Khi nhiệt độ kết tinh càng thấp ∆Fv ( ∆Fv lớn) thì rth càng nhỏ và càng có nhiều nhóm nguyên tử trật tự có kích thước lớn hơn rth để trở thành mầm. Do đó sự kết tinh xảy ra dễ dàng hơn. Tại T = Ts ta có rth = ∞,quá trình sinh mầm không xảy ra . ∆F r1 rth r2 r Hình1.14 - Quan hệ giữa bán kính mầm và ∆F b-Mầm không tự sinh (ký sinh) : Là mầm kết tinh được tạo nên trên bề mặt của các hạt rắn có sẵn trong kim loại lỏng. Trong kim loại lỏng không thể nguyên chất tuyệt đối được, nên bao giờ cũng có tạp chất. Đó là các chất lẫn lộn không tan như : bụi than, bụi tường lò,các ôxyt,nitrit...Chúng giúp cho quá trình sinh mầm trên bề mặt của chúng xảy ra dễ dàng hơn. Vai trò của mầm không tự sinh rất quan trọng trong thực tế và dovậy quá trình kết tinh xảy ra rất nhanh chóng. Mầm không tự sinh bao gồm : -Các phần tử vật lẫn lộn không tan rất nhỏ như ôxyt, bụi tường lò, nitrit, hydrit...có kiểu mạng và kích thước không sai khác nhiều với kim loại kết tinh. -Các hạt rất nhỏ có khả năng hấp thụ trên bề mặt của chúng những nguyên tử kim loại kết tinh. -Thành khuôn đúc, đặc biệt là các vết nứt và chỗ lồi lõm trên thành khuôn. 2-Quá trình phát triển mầm : Sau khi các mầm được tạo ra chúng sẽ tiếp tục phát tiển lên thành hạt tinh thể. Quá trình này làm cho năng lượng tự do của hệ giảm đi phù hợp với tự nhiên (là quá trình tự phát)ì.Ta có thể minh họa qúa trình này bằng cơ cấu mầm hai chiều (Cosen) và 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) và dạng thấu kính (b).β
