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
