Chương 3
QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA
TRONG VẬT LIỆU
3.1 KHÁI NIỀM VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM.
3.1.1 Ðịnh nghĩa về kim loại.
Theo định nghĩa cổ điển thì kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn
điện và dẫn nhiệt cao. Ðịnh nghĩa này bao quát được những đặc điểm chính của đa số kim loại
và trên cơ sở này người ta phân biệt kim loại với á kim.
Ta thấy, hầu như kim loại ở bề mặt nhẵn bóng chưa bị ôxy hóa cũng đều có ánh kim,
phần lớn kim loại khá dẻo và có thể gia công bằng áp lực tức có thể rèn được, chúng có tính
dẫn điện, dẫn nhiệt cao (đặc biệt bạc, nhôm và đồng).
Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học, người ta đã tìm ra được nhiều nguyên tố kim
loại nhưng lại thiếu các tính chất trên. Cụ thể như ăngtimoan (Sb) dòn và không rèn được, còn
xêri (Ce) và Prazêôđim (Pr) lại có tính dẫn điện kém. Chính vì thế định nghĩa cũ cổ điển chưa
đúng cho mọi kim loại và chưa nêu lên được bản chất chung của chúng.
Ngày nay người ta lấy hệ số nhiệt độ của điện trở làm đặc điểm để phân biệt kim loại với
á kim. Theo tiêu chí mới này kim loại có hệ số nhiệt độ của điện trở dương, nghĩa là khi nhiệt
độ tăng thì điện trở cũng tăng; còn á kim thì ngược lại có hệ số nhiệt độ của điện trở âm, tức là
khi nhiệt độ tăng thì điện trở lại giảm. Cần lưu ý là không phải chỉ những nguyên tố kim loại
mới có tính chất trên mà cả hợp kim của chúng cũng có những tính chất đó.
Ðến nay người ta đã tìm ra hơn 100 nguyên tố hóa học, trong đó trên 3/4 là kim loại.
Ngoài hai loại nguyên tố cơ bản là kim loại và á kim còn có một số nguyên tố có vị trí trung
gian giữa chúng, đó là các nguyên tố bán dẫn như Giecmani (Ge), silíc (Si), v.v.
3.1.2 Phân loại kim loại.
Có nhiều cách phân loại khác nhau. Một số nước chia kim loại ra làm hai nhóm lớn là
kim loại đen và kim loại màu. Sắt thuộc kim loại đen; các kim loại mầu là các kim loại không
phải là sắt như đồng, nhôm, chì, kẽm, thiếc, titan v.v.
Sự phân chia kim loại đen và kim loại mầu trên rất thông dụng song lại mang tính chất
qui ước bởi vì nó không dựa trên một thực tế khách quan nào cả vì sắt không có mầu đen, còn
các kim loại khác không phải đều có mầu sắc.
Tuy kim loại mầu được sử dụng với khối lượng ít hơn so với kim loại đen nhưng chúng

Giản đồ trạng thái hay còn gọi là giản đồ pha hoặc giản đồ cân bằng của một hệ là công
cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng (hoặc tỉ lệ) các pha hay các tổ
chức của hệ đó ở trạng thái cân bằng.
Giản đồ trạng thái còn là sự biểu diễn quá trình kết tinh của hợp kim. Quá trình đó phụ
thuộc vào loại pha được tạo thành từ dung dịch lỏng, cụ thể là phụ thuộc vào nhiệt độ và hàm
lượng của các chất tạo thành. Giản đồ chỉ rõ các tổ chức của hợp kim trong các điều kiện cân
bằng.
Tóm lại, giản đồ pha là căn cứ không thể thiếu để nghiên cứu vật liệu, khi chúng ta hòa
trộn các cấu tử lại với nhau. Các hệ khác nhau có giản đồ pha khác nhau và chúng được xây
34
dựng chủ yếu bằng thực nghiệm. Trong thực tế không có hai giản đồ trạng thái nào giống nhau
hoàn toàn vì sự tương tác giữa các cấu tử xảy ra rất phức tạp từ kiểu pha, các phản ứng cho đến
nhiệt độ tạo thành.
 Pha.
Người ta định nghĩa pha là những tổ phần đồng nhất của hợp kim (còn được gọi là hệ),
chúng có thành phần đồng nhất ở điều kiện cân bằng, ở cùng một trạng thái (có thể là lỏng, rắn
hay khí) và ngăn cách với các phần còn lại (tức với các pha khác) bằng bề mặt phân chia. Nếu
ở trạng thái rắn các tổ phần phải có cùng kiểu mạng và thông số mạng.
 Nguyên.
Nguyên (hay còn gọi là cấu tử) là những chất độc lập có thành phần không biến đổi,
chúng tạo nên tất cả các pha của hệ.
Cấu tử thường là nguyên tố hóa học, là kim loại nguyên chất cấu tạo nên hợp kim hoặc
có thể là hợp chất hóa học ổn định. Các cấu tử không thể biến đổi lẫn cho nhau nhưng có thể
chuyển từ pha này sang pha khác.
 Hệ.
Hệ là từ dùng để chỉ một tập hợp vật thể riêng biệt của vật liệu trong điều kiện xác định
hoặc là một loạt hợp kim khác nhau với các cấu tử giống nhau. Nói cách khác, một tập hợp
nhiều pha ở trạng thái cân bằng được gọi là một hệ hay còn được gọi là hệ thống.
Ta hãy xét một số thí dụ để làm rõ các khái niệm trên.
Nước là hệ ở 0

i khụng ỏng k.
3.2.2 Gin pha ca cỏc h.
Ngy nay ngi ta ó xõy dng c hu ht cỏc h mt nguyờn, h hai nguyờn (gia
kim loi vi kim loi v gia kim loi vi phi kim loi) v cỏc h ba nguyờn.
3.2.2.1 Gin pha ca h mt cu t
Hỡnh 3.1 Gin pha ca st
3.2.2.2 Gin pha ca h hai cu t
Gin trng thỏi ca h hai cu t ó phc tp hn, nú gm hai trc, trong ú trc tung
biu th nhit cũn trc honh biu th thnh phn ca h vi nhng ng phõn chia cỏc khu
vc pha theo nguyờn tc xen gia cỏc khu vc mt pha l khu vc hai pha tng ng nh c
trỡnh by trờn hỡnh 3.2 .
1539
1392
911
L (loỷng)
- Fe (A
2
)
- Fe (A
1
)
- Fe (A
2
)
Nhieọt ủoọ
0
C
36
Hình 3.2 Các trục của giản đồ pha hệ hai cấu tử
Thành phần có thể tính theo phần trăm % nguyên tử nhưng thông thường nó được tính

Quá trình kết tinh này được thực hiện bởi hai quá trình cơ bản nối tiếp và song song với
nhau:
− Quá trình tạo mầm: Trong kim loại lỏng xuất hiện những trung tâm kết tinh có kích
thước rất nhỏ nhất định gọi là mầm. Có thể coi đây là những mầm mống đầu tiên của
kim loại rắn.
37
− Quá trình phát triển mầm: các mầm mống trên phát triển, lớn lên trở thành các hạt tinh
thể.
Trong khi các mầm cũ đang phát triển, lớn lên (quá trình phát triển mầm đang xảy ra) thì
trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm mống mới (quá trình tạo mầm cùng đồng thời
xảy ra). Ta sẽ đi sâu vào từng quá trình cụ thể.
3.3.2 Quá trình tạo mầm.
Quá trình tạo mầm còn được gọi là quá trình tạo thành trung tâm kết tinh hay đơn giản là
tạo mầm. Ðây là quá trình xuất hiện những phần tử rắn có cấu tạo tinh thể với thể tích nhất
định ở trong kim loại lỏng, chúng là những trung tâm (hay mầm) để từ đó phát triển, lớn lên
thành các hạt tinh thể. Căn cứ vào đặc tính phát sinh, người ta phân ra hai loại mầm: mầm tự
sinh (còn gọi mầm đồng pha) và mầm không tự sinh (còn gọi mầm ký sinh hay mầm có sẵn,
mầm không đồng pha).
Mầm tự sinh là mầm được trực tiếp sinh ra từ kim loại lỏng không cần tác dụng của các
phần tử (hạt) rắn có sẵn trong kim loại lỏng.
Mầm không tự sinh (còn gọi là mầm ký sinh) là loại mầm kết tinh tạo nên trên bề mặt của
các hạt rắn có sẵn trong kim loại lỏng.
Mầm không tự sinh có vai trò quan trọng trong kết tinh thực tế, nó có thể phát sinh từ các
nguồn sau:
− Một hàm lượng rất nhỏ các phần tử lẫn lộn không hòa tan như ôxýt, nítrít, buị tường lò
v.v có kiểu mạng và kích thước không khác nhiều so với kim loại kết tinh.
− Các hạt rất nhỏ có khả năng hấp thụ trên bề mặt của mình những nguyên tử của kim
loại kết tinh.
− Thành khuôn, đặc biệt các vết nứt, chỗ lồi lõm trên thành khuôn.
Ngoài ra, người ta cũng đưa vào kim loại lỏng một số nguyên tố để giúp cho quá trình

gặp nhau các hạt tinh thể chỉ có thể có dạng của hình đa diện mà thôi (tổ chức này thường gặp
khi các kim loại nguyên chất kết tinh được làm nguội đồng đều).
Khi kim loại lỏng kết tinh trong điều kiện làm nguội thật nhanh theo một phương nào đó
thì hạt tinh thể có dạng kéo dài hay hình trụ.
Trường hợp mầm phát triển mạnh theo mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất và chậm theo
các mặt còn lại thì hạt tinh thể sẽ có dạng hình tấm hoặc hình kim.
3.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt và các phương pháp làm nhỏ hạt.
3.3.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt.
Qua nghiên cứu có hai yếu tố quyết định kích thước hạt khi kết tinh là tốc độ tạo mầm và
tốc độ phát triển mầm.
Tốc độ tạo mầm càng lớn thì trong một đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian xuất
hiện càng nhiều mầm, nên số hạt tinh thể càng nhiều và hạt sẽ càng nhỏ.
Ngược lại, tốc độ phát triển mầm mà càng lớn, thì những mầm sinh ra trước sẽ phát triển
rất nhanh và tạo thành các hạt kim loại lớn lấn át các mầm ra sau và hạt sẽ có kích thước lớn.
Người ta đã đưa ra mối quan hệ giữa kích thước hạt (ký hiệu A) với tốc độ tạo mầm n và
tốc độ phát triển mầm  như sau:
n
aA
ν
⋅=
(trong đó a là hệ số).
Từ công thức trên dễ dàng thấy được nếu ta càng tăng tốc độ tạo mầm n và càng giảm tốc
độ phát triển mầm thì sẽ nhận được hạt tinh thể càng nhỏ. Như vậy, phương pháp làm nhỏ hạt
tinh thể sẽ dựa trên nguyên lý tăng số lượng mầm và giảm tốc độ phát triển của nó.
39
3.3.5.2 Các phương pháp làm nhỏ hạt.
Có nhiều cách để làm nhỏ hạt khi kết tinh nhưng trong cuốn sách này chỉ trình bày hai
phương pháp chính là phương pháp tăng độ quá nguội (tức tăng tốc độ nguội) và phương pháp
biến tính.
 Phương pháp tăng độ quá nguội

,
nítrít nhôm AlN rất nhỏ phân tán đều trong thép lỏng. Chính các phần tử này giúp cho sự tạo
40
n
ν
n
ν
∆T
1
∆T
2 ∆
T
Ðộ quá nguội T phụ thuộc tốc
độ nguội, tốc độ nguội càng lớn, độ
quá nguội T càng lớn.
Ðể làm được điều này trong kỹ
thuật đúc người ta dùng vật liệu làm
khuôn có tính dẫn nhiệt cao (khuôn
kim loại chẳng hạn), hoặc có thể dùng
nước làm nguội thành khuôn kim loại.
Có điều, tăng độ quá nguội là
biện pháp chỉ thích hợp cho vật đúc
nhỏ, với vật đúc lớn biện pháp này sẽ
gặp khó khăn vì: