Luận án: Tính chất Nhiệt động Hợp kim Xen kẽ Nhị, Tam nguyên có Khuyết tật (FCC, BCC)

Lí do chọn đề tài Hợp kim xen kẽ (IA) là một trong những vật liệu có vai trò chiến lược trong quân sự, khoa học kĩ thuật và công nghệ vật liệu như vật liệu siêu dẫn, điện và điện tử, hạt nhân, vũ trụ, luyện kim, trang sức và các thiết bị y tế [94] Những hợp kim nhẹ, bền, chịu được nhiệt độ và áp suất cao được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp chế tạo vũ khí khí tài, tên lửa, tàu vũ trụ, máy bay và ô tô [90]. Hợp kim có tính bền hóa học và cơ học cao dùng để chế tạo các thiết bị trong công nghiệp dầu mỏ và công nghiệp hóa chất [14, 15]. Hợp kim không gỉ dùng để chế tạo các dụng cụ y tế và dụng cụ làm bếp [118]. Hợp kim của vàng với bạc, đồng đẹp và cứng dùng để chế tác đồ trang sức[30].

Nghiên cứu về hợp kim nhiều thành phần có vai trò rất quan trọng trong dự đoán các tương tác giữa các nguyên tử, sức bền vật liệu, sự ổn định cơ học, các cơ chế chuyển pha, phản ứng động lực và ứng dụng vật liệu trong cuộc sống. Hợp kim xen kẽ nhị nguyên đã được các nhà khoa học nghiên cứu khá đầy đủ và đã có nhiều ứng dụng trong khoa học vật liệu, đời sống. Chẳng hạn, khi nghiên cứu các IA của Fe như FeSi, FeC và FeH cho ta biết thông tin về thành phần, cấu trúc, sự tiến hóa của Trái Đất và các thiên thể [95]. Việc bổ sung silic vào thép làm tăng điện trở suất, độ từ thẩm có ứng dụng tăng hiệu suất của máy biến áp, làm rôto và stato của động cơ, máy phát điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy [82].

FeC gọi là thép cacbon chiếm tỉ trọng lớn trong ngành công nghiệp thép. Hợp kim thay thế FeCr được ứng dụng rộng rãi trong các lò phản ứng hạt nhân và các vật liệu kĩ thuật không gỉ chống mài mòn [83, 118]. Hay, khi thêm Si vào Au, Cu ta được IA hai thành phần. Các hợp này đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong những năm gần đây vì chúng được ứng dụng nhiều trong công nghệ chế tạo dây siêu dẫn, trang sức, lắp ráp ổ trục, chấn lưu, đúc, hàn bước và che chắn bức xạ [94].

Nghiên cứu hợp kim TaSi, WSi tại P = 0 đã được xác định bởi tính toán giản đồ pha CALPHAD [23]. Việc biết giản đồ pha và các tính chất nhiệt động của các hệ TaSi, WSi có vai trò kĩ thuật quan trọng 5 đối với các tiếp xúc kim loại giữa Ta, W, SiC trong các thiết bị điện và điện tử. Hợp kim xen kẽ tam nguyên đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học nhưng kết quả nghiên cứu được công bố chưa nhiều, mới chỉ tập trung vào các hợp kim tam nguyên lí tưởng [14, 31, 118]. Các khuyết tật nói chung và nút khuyết nói riêng có ảnh hưởng rất quan trọng đến tính chất của kim loại và hợp kim ở vùng nhiệt độ cao.

Các nồng độ nút khuyết cân bằng tại điểm nóng chảy có bậc độ lớn khoảng 10-3 trong các kim loại có điểm nóng chảy thấp và có bậc độ lớn khoảng 10-2 trong các kim loại có điểm nóng chảy cao. Các ảnh hưởng phi tuyến mạnh trong nhiệt dung và sự dãn nở nhiệt ở các nhiệt độ cao có thể được giải thích bởi sự tạo thành các khuyết tật điểm [48]. Ở áp suất cao trên 100 GPa, một loại khuyết tật khác là lệch mạng có đóng góp đáng kể đến nhiệt độ nóng chảy của tinh thể [8]. Như vậy, nghiên cứu các kim loại, hợp kim thay thế (SA) có khuyết tật, IA lí tưởng đã được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước nghiên cứu khá đầy đủ và cho những ứng dụng cao.

Tuy nhiên, nghiên cứu ảnh hưởng của khuyết tật lên tính chất nhiệt động, nóng chảy và chuyển pha cấu trúc của IA nhị nguyên, IA tam nguyên với các cấu trúc FCC và BCC còn ít và nhỏ lẻ. Trong những năm 1960, Nguyễn Tăng đã đề xuất phương pháp thống kê mômen (SMM) [103]. Đây là một phương pháp vật lí hiện đại của vật lí thống kê, có thể áp dụng để nghiên cứu các tính chất nhiệt động, đàn hồi, khuếch tán, chuyển pha của các loại tinh thể với cấu trúc lập phương, lục giác trong khoảng nhiệt độ từ không độ tuyệt đối đến nhiệt độ nóng chảy của vật liệu và ở áp suất không hoặc dưới tác dụng của áp suất. SMM đã được áp dụng thành công để nghiên cứu các kim loại và hợp kim thay thế (SA) có khuyết tật.

Tuy nhiên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của khuyết tật lên tính chất nhiệt động, nóng chảy và chuyển pha cấu trúc của hợp kim xen kẽ nhị nguyên, hợp kim xen kẽ tam nguyên với các cấu trúc BCC và FCC bằng SMM là một vấn đề còn bỏ ngỏ. 6 Với những lí do trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tính chất nhiệt động của hợp kim xen kẽ nhị nguyên và tam nguyên có khuyết tật với các cấu trúc lập phương tâm diện và lập phương tâm khối”. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Áp dụng SMM để nghiên cứu các tính chất nhiệt động, nóng chảy và chuyển pha cấu trúc của các hợp kim xen kẽ nhị nguyên và hợp kim xen kẽ tam nguyên có khuyết tật với cấu trúc lập phương tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, nồng độ nguyên tử thay thế, nồng độ nguyên tử xen kẽ và nồng độ nút khuyết cân bằng. Đối tượng nghiên cứu là các tính chất nhiệt động nóng chảy và chuyển pha cấu trúc của các hợp kim xen kẽ TaSi, WSi, FeC, AuSi, PtSi, FeCrSi, VWSi, AuCuSi và PtCuSi.

Phạm vi nghiên cứu trong các khoảng nhiệt độ, áp suất, nồng độ nguyên tử thay thế, nồng độ nguyên tử xen kẽ và nồng độ nút khuyết cân bằng tương ứng với thực nghiệm. Thông thường khoảng nhiệt độ nghiên cứu từ 0 K đến nhiệt độ nóng chảy của kim loại chính của hợp kim, khoảng nồng độ nguyên tử thay thế nghiên cứu từ 0 đến 10%, khoảng nồng độ nguyên tử xen kẽ nghiên cứu từ 0 đến 5% và khoảng áp suất nghiên cứu dưới 100 GPa. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu là phương pháp thống kê mômen. Ngoài ra, trong tính số các kết quả giải tích thu được chúng tôi sử dụng phần mềm Maple và các phương pháp gần đúng như phép lặp gần đúng.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Các kết quả từ luận án cung cấp nhiều thông tin về các tính chất nhiệt động, nóng chảy và chuyển pha cấu trúc của IA như sự phụ thuộc nhiệt độ, áp suất, nồng độ thành phần và nồng độ nút khuyết cân bằng của hệ số dãn nở nhiệt, nhiệt dung đẳng áp, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chuyển pha cấu trúc. Góp phần phát triển SMM trong nghiên cứu tính chất của vật liệu IA cũng như cung cấp số liệu tham khảo cho các nghiên cứu tương lai. Một số kết quả tính số có thể dùng để dự báo, định hướng thực nghiệm. Những đóng góp mới của luận án Xây dựng biểu thức giải tích cho các đại lượng nhiệt động, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ chuyển pha cấu trúc của các IA AC và ABC có khuyết tật với các cấu trúc FCC và BCC bằng SMM.

Từ các kết quả giải tích thu được, áp dụng tính số đối với các đại lượng nhiệt động, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ chuyển pha cấu trúc của một số kim loại, IA AC và ABC có khuyết tật với các cấu trúc FCC và BCC. Kết quả tính số đối với vật liệu IA được so sánh với thực nghiệm và các kết quả tính toán bằng các phương pháp lý thuyết khác. Kết quả tính số của một số đại lượng nhiệt động, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ chuyển pha cấu trúc dưới tác dụng của áp suất cao, nồng độ thành phần và nồng độ nút khuyết cân bằng có thể dự đoán, định hướng các thí nghiệm trong tương lai đồng thời góp phần bổ sung và hoàn thiện lý thuyết về nút khuyết cân bằng và IA có cấu trúc lập phương. Cấu trúc của luận án Luận án được trình bày trong 141 trang với 25 bảng số, 71 hình vẽ và đồ thị cùng 129 tài liệu tham khảo.

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, phần nội dung của luận án gồm 4 chương, cụ thể như sau: - Chương 1: Tổng quan về đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu; - Chương 2: Tính chất nhiệt động của hợp kim xen kẽ nhị nguyên có khuyết tật với cấu trúc lập phương; - Chương 3: Tính chất nhiệt động của hợp kim xen kẽ tam nguyên có khuyết tật với cấu trúc lập phương; - Chương 4: Nóng chảy và chuyển pha cấu trúc của hợp kim xen kẽ nhị nguyên và tam nguyên có khuyết tật với cấu trúc lập phương. 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong chương này, chúng tôi giới thiệu về IA, lý thuyết nút khuyết và một số phương pháp lý thuyết trong nghiên cứu tính chất nhiệt động của kim loại và hợp kim. Các phương pháp đều có đánh giá ưu, nhược điểm khi áp dụng cho kim loại và hợp kim. Đặc biệt là chúng tôi trình bày phương pháp SMM và giải thích lí do tại sao lựa chọn phương pháp này làm phương pháp nghiên cứu của luận án.

Hợp kim xen kẽ Theo Goldschmidt [21], trong IA, kim loại là thành phần quan trọng nhất (thường chiếm nồng độ 90% hoặc hơn) được gọi là kim loại chính hay kim loại cơ sở. Ngoài ra, IA còn có các thành phần khác là phi kim. Đó là tác nhân tạo hợp kim và thường chỉ chiếm nồng độ dưới 1%. Các phi kim quan trọng nhất trong IA là H, C, Si,.

Cấu trúc tinh thể của IA do cấu trúc tinh thể của kim loại chính quyết định. Các kim loại thường có cấu trúc FCC, BCC và HCP. Trong 18 kim loại chuyển tiếp tạo thành các nhóm IV, V, VI của Bảng tuần hoàn chỉ có 4 hợp chất xen kẽ (chiếm 22%) được xếp chặt, 24 cacbua và nitrua xen kẽ “giàu kim loại nhất” của chúng có các mạng kim loại xếp chặt. Hợp kim xen kẽ nhị nguyên với cấu trúc lập phương Hợp kim xen kẽ nhị nguyên đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu khá đầy đủ và đã có nhiều ứng dụng trong khoa học vật liệu và đời sống.

Một ví dụ quan trọng về kim loại chính trong IA là Fe và các IA của nó như FeC.