CHỈÅNG 3 : KÃÚT TINH V KHÚCH TẠN
TRONG VÁÛT LIÃÛU

3.1.QUẠ TRÇNH KÃÚT TINH TỈÌ TRẢNG THẠI LNG :
Pháưn låïn cạc kim loải âỉåüc luûn bàòng phỉång phạp náúu chy lng sau âọ âem âục
thnh hçnh sn pháøm hay bạn thnh pháøm. Cháút lỉåüng ca váût âục phủ thüc pháưn låïn vo
quạ trçnh chuøn tỉì trảng thại lng sang trảng thại ràõn, âọ l quạ trçnh kãút tinh .
Âënh nghéa : kãút tinh l quạ trçnh hçnh thnh mảng tinh thãø tỉì trảng thại lng v thỉåìng gi
l kãút tinh láưn thỉï nháút .
3.1.1.Âiãưu kiãûn nàng lỉåüng ca quạ trçnh kãút tinh :
Trong tỉû nhiãn mi quạ trçnh tỉû
phạt âãưu xy ra theo chiãưu gim
nàng lỉåüng, tỉïc l theo chiãưu åí trảng
thại måïi cọ nàng lỉåüng dỉû trỉỵ nh
hån.Vê du û: mäüt hn bi âàût tải vë trê
A ln cọ xu hỉåïng làn xúng vi trê
B äøn âënh hån . Trong trỉåìng håüp
ny nàng lỉåüng dỉû trỉỵ chênh l thãú
nàng ca hn bi.
3
1
2
Hçnh 3.1- Så âäư biãøu thë vë trê äøn âënh
(1), khäng äøn âënh(2) v gi äøn âënh (3)

Trong hãû thäúng váût cháút gäưm chuøn âäüng ca cạc cháút âiãøm (ngun tỉí, phán tỉí) thç
nàng lỉåüng dỉû trỉỵ âỉåüc âàûc trỉng bàòng nàng lỉåüng tỉû do F.
F = U - TS
Trong âọ : -U l näüi nàng ca hãû thäúng
-S l enträpi

ta cọ F
r
< F
l
, do âọ
kim loải täưn tải åí trảng thại ràõn.
Nhỉ váûy khi lm ngüi kim loải lng xúng dỉåïi nhiãût âäü Ts s cọ quạ trçnh kãút
tinh xy ra . Tải nhiãût âäü T
s
ta cọ F
r
= F
l
, nàng lỉåüng tỉû do ca hai trảng thại bàòng nhau,
quạ trçnh kãút tinh chỉa xy ra,nghéa l giỉỵa kim loải ràõn v kim loải lng cọ cán bàòng âäüng
. Âiãưu âọ cọ nghi l : nãúu cọ mäüt lỉåüng kim loải lng kãút tinh thç cng cọ mäüt lỉåüng nhỉ
váûy kim loải ràõn nọng chy . Chè åí nhiãût âäü T < T
s
, F
r
< F
l
r rãût sỉû kãút tinh måïi xạy ra . T
s

âỉåüc gi l nhiãût âäü kãt tinh l thuút.

37
Nhổ vỏỷy nhióỷt õọỹ kóỳt tinh thổỷc tóỳ luọn thỏỳp hồn T
s

Taỷi nhióỷt õọỹ thỏỳp hồn Ts caùc nhoùm nguyón tổớ sừp xóỳp coù trỏỷt tổỷ trong kim loaỷi
loớng coù kờch thổồùc lồùn hồn mọỹt giaù trở xaùc õởnh ổùng vồùi mọựi nhióỷt õọỹ seợ cọỳ õởnh laỷi,khọng
tan õi nổợa vaỡ coù õióửu kióỷn phaùt trióứn lón thaỡnh haỷt tinh thóứ.
Ta xeùt õióửu kióỷn nng lổồỹng cuớa sổỷ taỷo mỏửm naỡy.Giaớ sổớ rũng taỷi nhióỷt õọỹ naỡo õoù
nhoớ hồn Ts trong kim loaỷi loớng xuỏỳt hióỷn n nhoùm nguyón tổớ sừp xóỳp trỏỷt tổỷ coù thóứ tờch v.
Taỷ
i nhióỷt õọỹ naỡy ta coù F
r
< F
l
.Goỹi F
v
= F
r
- F
l
,laỡ hióỷu sọỳ nng lổồỹng tổỷ do giổợa kim loaỷi
loớng vaỡ kim loaỷi rừn tờnh cho mọỹt õồn vở thóứ tờch kim loaỷi loớng thỗ

F
v
< 0 khi T < Ts. Khi
taỷo ra n nhoùm nguyón tổớ trỏỷt tổỷ noùi trón thỗ nng lổồỹng cuớa hóỷ thọỳng giaớm õi mọỹt lổồỹng laỡ
nv

F
v
.Nhổng do taỷo nón bóử mỷt tióỳp xuùc giổợa rừn vaỡ loớng nón nng lổồỹng tổỷ do seợ tng
thóm mọỹt lổồỹng laỡ ns. Trong õoù : s laỡ dióỷn tờch tióỳp xuùc giổợa nhoùm nguyón tổớ vồùi kim loaỷi
loớng,coỡn laỡ sổùc cng bóử mỷt trón mọỹt õồn vở dióỷn tờch. Khi taỷo ra n nhoùm nguyón tổớ sừp

-Nóỳu nhoùm nguyón tổớ trỏtỷ tổỷ coù r
2
> r
th
khi phaùt trióứn lón laỡm giaớm nng lổồỹng cuớa
hóỷ thọỳng vaỡ noù trồớ thaỡnh mỏửm thỏỷt sổỷ.
Kóỳt luỏỷn : taỷi mọỹt nhióỷt õọỹ nhỏỳt õởnh nho hồn Ts trong kim loaỷi loớng coù vọ sọỳ nhoùm nguyón
tổớ sừp xóỳp trỏỷt tổỷ coù kờch thổồùc khaùc nhau. Chố nhổợng nhoùm naỡo coù kờch thổồùc lồùn hồn mọỹt
giaù trở tồùi haỷn naỡo õoù mồùi trồớ thaỡnh mỏửm thỏtỷ sổỷ,coỡn nhổợng nhoùm khaùc tan õi.
Ta coù thóứ tờnh baùn kờnh tồùi haỷn nhổ sau : tỗm giaù trở cổỷc õaỷi cuớa bióứu thổùc (1) vaỡ tờnh
õổồỹc r
th
=
Fv

2
ỷ(2) , giaù trở r = 0 khọng coù yù nghộa. Khi nhióỷt õọỹ kóỳt tinh caỡng thỏỳp (F
v

lồùn) thỗ r
th
caỡng nhoớ vaỡ caỡng coù nhióửu nhoùm nguyón tổớ trỏỷt tổỷ coù kờch thổồùc lồùn hồn r
th
õóứ
trồớ thaỡnh mỏửm. Do õoù sổỷ kóỳt tinh xaớy ra dóự daỡng hồn. Taỷi T = T
s
ta coù r
th
= , quaù trỗnh
sinh mỏửm khọng xaớy ra .

u maỷng vaỡ kờch thổồùc khọng sai khaùc nhióửu vồùi kim loaỷi kóỳt tinh.
-Caùc haỷt rỏỳt nhoớ coù khaớ nng hỏỳp thuỷ trón bóử mỷt cuớa chuùng nhổợng nguyón tổớ kim
loaỷi kóỳt tinh.
-Thaỡnh khuọn õuùc, õỷc bióỷt laỡ caùc vóỳt nổùt vaỡ chọự lọửi loợm trón thaỡnh khuọn.
2-Quaù trỗnh phaùt trióứn mỏửm :
Sau khi caùc mỏửm õổồỹc taỷo ra chuùng seợ tióỳp tuỷc phaùt tióứn lón thaỡnh haỷt tinh thóứ.Quaù
trỗnh naỡy laỡm cho nng lổồỹng tổỷ do cuớa hóỷ giaớm õi phuỡ hồỹp vồùi tổỷ nhión (laỡ quaù trỗnh tổỷ

39
phạt)ì.Ta cọ thãø minh ha qụa trçnh ny bàòng cå cáúu máưm hai chiãưu (Cosen) v cå cáúu máưm
kãút tinh cọ lãûch xồõn. σ
αβ
σ
αβ

σ
βγ
γ
α
β
σ
γα
θ
r
σ
ββ
α

trong mäüt âån vë thåìi gian, k hiãûu n, âån vë 1/mm
3
.s.
- Täúc âäü phat triãøn máưm : l täúc âäü phạt triãøn vãư kêch thỉåïc di ca tám máưm
trong mäüt âån vë thåìi gian, k hiãûu v, âån vë mm/s.
Täúc âäü sinh máưm cng låïn thç kêch thỉåïc hảt cng nh v täúc âäü phạt triãøn máưm
cng tàng thç kêch thỉåïc hảt cng låïn. Bàòng thỉûc nghiãûm, ngỉåìi ta â tênh âỉåüc kêch thỉåïc
hảt A theo hai âải lỉåüng trãn nhỉ sau :

A = a
n
v
våïi a l hãû säú thỉûc nghiãûm.
Tỉì âọ ta tháúy ràòng : ngun l chung âãø tảo hảt nh l tàng täúc âäü sinh máưm v
hản chãú täúc âäü phạt triãøn máưm.
b-Cạc phỉång phạp lm nh hảt :
Trong thỉûc tãú ngỉåìi ta thỉåìng sỉí dủng cạc phỉång phạp lm nh hảt sau âáy :
- Tàng âäü quạ ngüi khi kãút tinh : Âäü quạ ngüi phủ thüc vo täúc âäü ngüi, täúc
âäü ngüi cng låïn thç âäü quạ ngüi cng tàng. Âãø tàng täúc âäü ngüi ngỉåìi ta dng khn

40
kim loải cọ tênh dáùn nhiãût cao thay cho khn cạt. Våïi cạc váût âục låïn ta cn dng nỉåïc
lảnh lm ngüi ngoi thnh khn kim loải.
- Phỉång phạp biãún tênh :
* Tàng säú lỉåüng tám máưm khäng tỉû sinh : ngỉåìi ta cäú cho vo kim loải
lng cạc cháút âàûc biãût âãø giụp cho sỉû tảo máưm khäng tỉû sinh. Vê dủ trỉåïc khi rọt thẹp ngỉåìi
ta cho mäüt lỉåüng nh nhäm vo thng thẹp lng (20g/táún thẹp lng). Nhäm s kãút håüp våïi
ä xy, ni tå ha tan trong thẹp tảo ra cạc pháưn tỉí Al
2
O

J =- D
dc
dx
= - D. grad c (3.1)
Trong âọ dáúu trỉì chè dng khúch tạn theo chiãưu gim näưng âäü.
D - l hãû säú khúch tạn, thỉåìng âo bàòng cm
2
/s. Trong nhiãưu trỉåìng håüp D
phủ thüc nhiãût âä theo quy lût :
D = D
o
exp (- Q/RT) (3.2)
Våïi D
o
- l hàòng säú, cm
2
/s
Q - hoảt nàng khúch tạn kcal/mol
T - nhiãût âäü khúch tạn,
o
K

41
R - hũng sọỳ khờ, R = 1,98 cal/mol
Tổỡ nhổợng trở sọỳ D
o
vaỡ Q coù thóứ xaùc õởnh hóỷ sọỳ khuóỳch taùn D ồớ nhióỷt õọỹ bỏỳt kyỡ vaỡ
õỷc õióứm cuớa quaù trỗnh khuóỳch taùn (cồ chóỳ khuóỳch taùn)
2-ởnh luỏỷt Fick 2 :
Nóỳu nọửng õọỹ C khọng nhổợng laỡ haỡm cuớa x maỡ coỡn phuỷ thuọỹc vaỡo thồỡi gian t thỗ õóứ

o
)erf (x/2 Dt ) (3.4)
Trong õoù erf (L) - laỡ haỡm sai cuớa õaỷi lổồỹng L õổồỹc tờnh sụn trong caùc sọứ tay toaùn
hoỹc. Tổỡ bióứu thổùc (3.4) ta thỏỳy rũng C(x,t) tyớ lóỷ vồùi (x/2
Dt ) nóỳu C
s
vaỡ C
o
laỡ hũng sọỳ, coù
nghộa laỡ chióửu sỏu x cuớa lồùp khuóỳch taùn vồùi nọửng õọỹ C naỡo õoù tyớ lóỷ thuỏỷn vồùi Dt .
3.2.2.Cồ chóỳ khuóỳch taùn :
Cồ chóỳ khuóỳch taùn giaới thờch trở sọỳ D
o
vaỡ Q, tỗm hióứu baớn chỏỳt cuớa nhổợng quaù trỗnh
dởch chuyóứn nguyón tổớ (ion, phỏn tổớ) trong nhổợng vỏỷt lióỷu khaùc nhau.
1-Trong dung dởch rừn thay thóỳ :
Trong vỏỷt lióỷu naỡy, caùc nguyón tổớ khuóỳch taùn theo cồ chóỳ nuùt trọỳng, tổùc laỡ nguyón
tổớ dởch chuyóứn õóỳn nuùt trọỳng bón caỷnh. óứ thổỷc hióỷn õổồỹc bổồùc dởch chuyóứn nhổ vỏỷy, cỏửn
phaới coù hai õióửu kióỷn :
-Nguyón tổớ coù hoaỷt nng G
v
m
õuớ õóứ phaù vồợ lión kóỳt vồùi nhổợng nguyón tổớ bón caỷnh,
nồùi rọỹng khoaớng caùch hai nguyón tổớ ồớ giổợa nuùt trọỳng vaỡ nguyón tổớ dởch chuyóứn (nguyón tổớ
1 vaỡ 2 hỗnh 3.2a.). Sọỳ lổồỹng nhổợng nguyón tổớ coù hoaỷt nng nhổ vỏỷy tyớ lóỷ vồùi exp(-

G
v
m
/kT).

H
v
m
+

H
v
f
(3.6)
D
o
= const . exp [(

S
v
f
+

S
v
m
)/k] (3.7)
Bũng caùch so saùnh Q vaỡ tọứng

H
v
m
+ [(

S

/s.
Hoaỷt nng khuóỳch taùn Q lión quan õóỳn nng lổồỹng taùch vaỡ dởch chuyóứn nguyón tổớ
khoới nuùt maỷng, do õoù ta coù :
Q L
nc
T
nc
(3.8)

42
Nhỉ váûy tải nhiãût âäü â cho, váût liãûu cọ T
nc
cng låïn thç Q cng låïn v D cng nh
2-Trong dung dëch ràõn xen k :
Trong dung dëch ràõn xen l, cạc ngun tỉí ho tan thỉåìng cọ âỉåìng kênh nh (H,
O,N, C...) cọ thãø chuøn tỉì vë trê läù häøng ny (giỉỵa cạc nụt mảng) sang cạc läù häøng khạc.
Âáy l hiãûn tỉåüng khúch tạn theo cå chãú giỉỵa cạc nụt mảng. Âãø chuøn âãún läù häøng bãn
cảnh, ngun tỉí xen k phi vỉåüt âỉåüc thãú nàng
∆
G
i
m
(hçnh 3.2b). Bãn cảnh cạc ngun tỉí
xen k ln ln cọ läù häøng v lỉåüng cạc läù häøng trong mảng l xạc âënh v nhiãưu hån
ngun tỉí xen k nãn "näưng âäü" läù häøng khäng nh hỉåíng âãún hãû säú khúch tạn. Trong
trỉåìng håüp ny ta cọ :
D = const.exp(
∆
S
i

khúch tạn nhanh hån anion (Cl
-
)
vç cation cọ kêch thỉåïc nh hån. Nãúu näưng âäü nụt träúng â låïn thç cạc nụt träúng s tảo càûp
(nụt träúng kẹp) âãø gim nàng lỉåüng ca hãû, khi âọ entanpi dëch chuøn cọ giạ trë nh dáùn
âãún D låïn v khäng cọ sỉû khạc nhau âạng kãø giỉỵa D ca cation v anion. Tỉång tỉû nhỉ
biãøu thỉïc (3.8) ta cọ mäúi quan hãû hoảt nàng khúch tạn trong tinh thãø ion nhỉ sau :
(Q
cation
+ Q
anion
) ∼ L
nc
∼ T
nc
Trong tinh thãø ion khi näưng âäü khuút táût Frenkel (nụt träúng v cation xen k) l
âạng kãø (vê dủ AgBr) cation xen k (Ag
+
) khúch tạn theo cå chãú giỉỵa nụt mảng khäng trỉûc
tiãúp (cå chãú âøi) : ngun tỉí xen k âøi ngun tỉí cảnh nọ tỉì vë trê nụt träúng nụt mảng
âãún läù häøng. Entanpi chuøn chäù nhỉ váûy nh hån entanpi chuøn chäù ca nụt träúng.
Trong cạc tinh thãø cọ liãn kãút âäưng hoạ trë (vê dủ SiO
2
, Si, Ge) quạ trçnh khúch tạn
ca cạc ngun tỉí thnh pháưn (vê dủ ca Si v O trong SiO
2
) v nhỉỵng ngun tỉí thay thãú
(Ag trong mảng SiO
2
) l ráút cháûm (khong 10

O... cọ thãø chuøn dëch trong polyme åí trảng
thại ràõn. Nhỉỵng phán tỉí nh ny chiãúm vë trê giỉỵa cạc phán tỉí. Nãúu mảch phán tỉí cọ vi
chuøn âäüng ngáùu nhiãn (thay âäøi hçnh dạng phán tỉí) thç nhỉỵng phán tỉí nh phêa ngoi cọ
thãø âäøi chäù våïi nhỉỵng nhạnh polyme âọ.
3.2.3.Cạc ỉïng dủng ca khúch tạn :
1-Trong k thût âục :
Trong quạ trçnh âục ngỉåìi ta thay âäøi täúc âäü ngüi âãø âiãưu chènh quạ trçnh kãút tinh
ca váût liãûu. Tu tỉìng trỉåìng håüp củ thãø ta cọ thãø gim täúc âäü ngüi âãø tàng quạ trçnh
khúch tạn hay tàng täúc âäü ngüi âãø gim quạ trçnh khúch tạn... âãø tảo ra täø chỉïc v tênh
chá
út theo u cáưu. Vê dủ :
-Khi náúu chy kim loải : âãø cọ thnh pháưn âäưng âãưu, khỉí âỉåüc tảp cháút cọ hải nàòm lå
lỉíng trong kim loải lng, cáưn thục âáøy quạ trçnh khúch tạn bàòng cạch khúy träün, tàng
nhiãût âäü...Âãø chäúng bay håi v ho tan khê vo kim loải lng ta dng låïp xè che ph bãư màût.
-Khi âục gang cáưn lm ngüi cháûm âãø cọ thåìi gian cho quạ trçnh graphêt hoạ xy ra,
tranh tảo thnh xãmentêt.
2- âäưng âãưu hoạ thnh pháưn :
Trong váût âục thỉåìng gàûp thiãn têch nhạnh cáy nháút l trong cạc håüp kim cọ
khong nhiãût âäü kãút tinh låïn näưng âäü cạc ngun täú håüp kim v tảp cháút phán bäú khäng
âãưu. Vç váû
y sau khi âục xong phi tiãún hnh âäưng âãưu thnh pháưn váût âục. Nãúu ta coi
phán bäú näưng âäü cọ dảng hçnh sin våïi chu k bàòng khong cạch giỉỵa cạc nhạnh cáy thç âãø
âảt âỉåüc hiãûu qu f (âỉåüc tênh bàòng âäü gim biãn âäü näưng âäü) nhỉ sau :
f = [c
m
(t) - c
o
] / [c
m
(0) - c

nhiãût âäü cao âãø tảo liãn kãút giỉỵa cạc pháưn tỉí váût liãûu. Quạ trçnh khúch tạn xy ra ngay bãn
trong hảt, trãn bãư màût hảt hay giỉỵa cạc hảt. Khäúng chãú âỉåüc läù xäúp (säú lỉåüng, hçnh dạng thãø
têch...) ta s nháûn âỉåüc cạc tênh cháút theo mún. Âäü co ngọt tỉång âäúi ca chi tiãút (
l∆
/l
o
)
l mäüt trong cạc chè tiãu quan trng, cọ thãø ỉåïc tênh theo biãøu thỉïc sau :
2/5
3
0
lDt
const
lrT
σ
∆
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
(3.14)
Trong âọ : -r : bạn kênh hảt
-
σ
: nàng lỉåüng bãư màût
-T v t : nhiãût âäü v thåìi gian thiãu kãút
5-Pha tảp bạn dáùn v thu tinh :
Trong bạn dáùn, táút c cạc quạ trçnh chãú tảo v âãưu liãn quan âãún quạ trçnh khúch
tạn. Vê dủ pha tảp P, Sb, B... vo Si v Ge âãø tảo låïp bạn dáùn p-n. Âãø tàng nhỉỵng chè tiãu
ca bạn dáùn (ch úu l âäü dáùn âiãûn), ngỉåìi ta tháúm bo thãø khê vo silic.

α
+ Fe
3
C]
0,80%C
→ Fe
γ
(C)
0,80%C
Khi nung nọng cao hån Ac
1
mäüt it ta âỉåüc täø chỉïc austenit âäưng nháút.
b-Thẹp trỉåïc cng têch :
-Khi nung nọng âãún Ac
1
s cọ chuøn biãún pẹc lit thnh austenit giäúng nhỉ trãn.
-Khi nung tỉì nhiãût âäü Ac
1
âãún Ac
3
s cọ quạ trçnh ha tan ca phe rêt vo austenit.

45