LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu hoàn thiện quy trình xác định tỷ lệ pha cho vật liệu nhiều pha sử dụng nhiễu xạ X-Quang
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
TÓM TẮT Nghiên cứu hoàn thiện quy trình xác định tỷ lệ pha cho vật liệu nhiều pha sử dụng nhiễu xạ X-Quang
LỜI CẢM ƠN
Sau hai năm theo học chương trình đào tạo sau đại học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, em đã đúc kết được những kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình. Với đề tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sĩ, em đã vận dụng những kiến thức mà mình được trang bị để tiến hành giải quyết một bài toán thực tiễn. Vì đề tài nghiên cứu và giải quyết vấn đề khá mới mẻ dựa trên cơ sở tính toán lý thuyết về lĩnh vực vật liệu dùng kỹ thuật nhiễu xạ X– Quang, nên lúc đầu tiếp cận đã gặp khá nhiều bỡ ngỡ và khó khăn. Nhưng với sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn PGS.TS. Lê Chí Cương, cùng với sự hỗ trợ từ phía gia đình, bạn bè đồng nghiệp, cho đến nay luận văn đã đạt được những kết quả như mong muốn.
Đến đây, cho phép tác giả gởi lời cám ơn chân thành đến:
- Ban Giám Hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
- Thầy PGS.TS. Lê Chí Cương – Khoa Cơ khí máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
- Viện năng lượng nguyên tử Việt nam - Trung tâm hạt nhân Tp HCM. Số 217 Nguyễn Trãi, Q1, Tp HCM.
- Quý thầy cô khoa Cơ khí máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
- Phòng Đào tạo - Sau Đại học và các phòng khoa trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ, động viên quý báu của tất cả mọi người. Xin trân trọng cảm ơn!
TÓM TẮT
Phương pháp nhiễu xạ X-Quang là một trong các phương pháp kiểm tra không phá hủy được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Từ khi ra đời đến nay, phương pháp nhiễu xạ X-Quang đã được ứng dụng để phân tích cấu trúc vật liệu tinh thể, xác định thành phần hóa học, xác định tỷ lệ pha và phân tích ứng suất.
Bài nghiên cứu này trình bày phương pháp để xác định tỷ lệ pha của hợp kim cứng ba pha dùng nhiễu xạ X-Quang, trong đó tổng năng lượng nhiễu xạ của từng pha Wonfram Cacbit, Titan Cacbit và Côban tỷ lệ với thể tích từng pha trong vật liệu. Từ đó đề xuất hoàn thiện quy trình xác định tỷ lệ pha cho vật liệu nhiều pha sử dụng nhiễu xạ X-Quang.
ABSTRACTS
X-ray diffraction method, which is one of non-destructive testing method, is worldwide using. Since its appearance, the X-ray diffraction method has applied in analyzing the structure of crystal materials, identifying chemical component, determine the phase percentage and analyzing stress.
This paper presents method to determine the phase percentage of three- phase hard alloy using X-ray diffraction, based on the assumption that the measured phase diffraction energy is proportional to the phase volume in the material. Since then proposed to improve the process for determining the phase percentage of multi-phase materials using X-ray diffraction.
MỤC LỤC
Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Tóm tắt
Mục lục
Danh sách chữ viết tắt
Danh sách các hình
Danh sách các bảng
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
1.2. Mục tiêu của đề tài
1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài
1.3.2. Giới hạn đề tài
1.4. Phương pháp nghiên cứu
1.5. Điểm mới của luận văn
1.6. Giá trị khoa học và thực tiển của luận văn
1.7. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở cấu trúc mạng tinh thể của vật rắn
2.1.1. Mạng tinh thể
2.1.2. Ô cơ sở, chỉ số phương, chỉ số miller của mặt tinh thể.
2.1.3. Cấu trúc tinh thể điển hình của kim loại
2.1.3.1. Mạng lập phương tâm khối
2.1.3.2. Mạng lập phương tâm mặt
2.1.3.3. Mạng lục giác xếp chặt
2.2. Hợp kim cứng
2.2.1. Thành phần hóa học và các chế tạo
2.2.2. Phân loại và các mác hợp kim cứng
2.2.3. Cấu trúc tinh thể của các pha trong hợp kim cứng ba pha
2.2.3.1. Cấu trúc tinh thể của pha Co
2.2.3.2. Cấu trúc tinh thể của pha WC
2.2.3.3. Cấu trúc tinh thể của pha liên kết TiC
2.3. Các phương pháp xác định tỷ lệ pha
2.3.1. Phương pháp chụp ảnh hiển vi ( kim tương)- Tẩm thực màu .
2.3.2. Phương pháp đo từ tính .
2.3.3. Phương pháp xác định tỷ lệ pha dựa vào thành phần hóa học.
2.3.4. Phương pháp nhiễu xạ X-Quang (XRD).
2.3.4.1. Tia X
2.3.4.2. Định luật Bragg
2.4. Cách xác định mặt nhiễu xạ từ ảnh nhiễu xạ
2.4.1. Xác định mặt nhiễu xạ của cấu trúc lục giác.
2.4.2. Xác định mặt nhiễu xạ của cấu trúc lập phương.
2.5. Cơ sở tính toán tỷ lệ pha dựa vào năng lượng nhiễu xạ toàn phần của mỗi pha.
2.5.1. Công thức tính tỷ lệ pha dựa vào năng lượng nhiễu xạ.
2.5.2. Xác định năng lượng của mỗi pha.
2.5.3. Xác định năng lượng nhiễu xạ của mỗi pha có cùng mặt nhiễu xạ
2.6. Độ mở rộng đỉnh nhiễu xạ tia x…………………………………………… 23
2.7. Tính toán thông số góc nhiễu xạ
2.7.1. Tính toán góc nhiễu xạ cho pha WC
2.7.2. Tính toán góc nhiễu xạ cho pha TiC
2.7.3. Tính toán góc nhiễu xạ cho pha Co
CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH XÁC ĐỊNH TỶ LỆ PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ X-QUANG
3.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
3.1.1. Cắt mẫu
3.1.2. Đúc mẫu
3.2. Mài và đánh bóng mẫu thí nghiệm
3.2.1. Phương pháp đánh bóng cơ học
3.2.1.1. Mài mẫu
3.2.1.2. Đánh bóng mẫu
3.2.2. Phương pháp đánh bóng điện hóa
3.3. Chuẩn bị thiết bị và tiến hành đo đạt mẫu trên máy nhiễu xạ
3.3.1. Thiết bị nhiễu xạ tia X
3.3.2. Đo mẫu trên máy nhiễu xạ
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN KẾT QUẢ
4.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
4.2. Điều kiện thí nghiệm
4.3. Tính toán năng lượng nhiễu xạ từ kết quả đo đạt
4.3.1. Làm mịn dữ liệu ( xử lí nhiễu)
4.3.2. Nguyên lý xác định các mặt nhiễu xạ hkl
4.3.3. Hiệu chỉnh nền nhiễu xạ
4.3.4. Tính năng lượng nhiễu xạ
4.3.5. Tính năng lượng nhiễu xạ cho mẫu 1
4.3.6. Tính năng lượng nhiễu xạ cho mẫu 2
4.3.7. Tính năng lượng nhiễu xạ cho mẫu 3
4.3.8. Tính năng lượng nhiễu xạ cho mẫu 4
4.3.9. Tính năng lượng nhiễu xạ cho mẫu 5
4.4. Sai số của năng lượng nhiễu xạ và tỷ lệ pha
4.4.1. Dung sai của một hàm của các biến ngẫu nhiện
4.4.2. Dung sai của tỷ lệ pha đối với vật liệu hợp kim cứng ba pha
4.5. Xác định tỷ lệ pha bằng phương pháp phân tích thần phần hóa học
4.5.1. Thành phần hóa học của mẫu hợp kim cứng ba pha
4.5.2. Tính tỷ lệ pha
4.6. So sánh kết quả
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN
5.1. Tóm tắt và đánh giá kết quả đề tài
5.2. Kiến nghị hướng phát triển đề tài
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
Bước sóng tia X.
d Khoảng cách giữa các mặt phẳng phân tử (hkl).
n Bậc nhiễu xạ.
h,k,l Chỉ số Miller.
( hkl ) Mặt nhiễu xạ.
a Thông số mạng theo trục x.
b Thông số mạng theo trục y.
c Thông số mạng theo trục z.
2 Góc nhiễu xạ.
B Bề rộng trung bình đường nhiễu xạ.
xk Bước nhiễu xạ.
yi Cường độ nhiễu xạ x-quang tại góc nhiễu xạ 2 i .
WC Pha Vonfram Cacbit.
TiC Pha Titan Cacbit.
Co Pha Côban.
Tỷ lệ pha của pha Vonfram Cacbit ( WC ).
Tỷ lệ pha của pha Titan Cacbit ( TiC ).
Tỷ lệ pha của pha Côban (Co ).
Năng lượng nhiễu xạ của pha của các mặt nhiễu xạ ứng với bước sóng nhiễu xạ .
Năng lượng nhiễu xạ của pha của các mặt nhiễu xạ ứng với bước sóng nhiễu xạ .
Năng lượng nhiễu xạ của pha của các mặt nhiễu xạ ứng với bước sóng nhiễu xạ .
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Hình 2. 1: Mạng tinh thể của muối ăn (NaCl)
Hình 2. 2: Các bậc đối xứng của mạng tinh thể.
Hình 2. 3: Ô cơ sở (a), chỉ số phương (b) và chỉ số Miller của tinh thể (c).
Hình 2. 4: Ô cơ sở của kiểu mạng lập phương tâm khối.
Hình 2. 5: Ô cơ sở của kiểu mạng lập phương tâm mặt
Hình 2. 6: Ô cơ sở của kiểu mạng lục giác xếp chặt
Hình 2. 7: Cấu trúc tinh thể của pha Côban
Hình 2. 8: Cấu trúc tinh thể của pha WC
Hình 2. 9: Cấu trúc tinh thể của pha TiC
Hình 2. 10: Sơ đồ nguyên lý ống phát tia x
Hình 2. 11: Nguyên lý nhiễu xạ
Hình 2. 12: Tính năng lương nhiễu xạ tại mỗi đỉnh nhiễu xạ.
Hình 2. 13: Năng lượng nhiễu xạ của các pha trên toàn đường nhiễu xạ
Hình 3. 1: Ống phát tia X.........................................................................................
Hình 3. 2: Hệ giác kế của máy nhiễu xạ tia X X’Pert Pro
Hình 3. 3: Detector tỉ lệ
Hình 3. 4: Hệ thống thu nhận
Hình 3. 5: Hệ máy nhiễu xạ tia X X’Pert Pro
Hình 4. 1: Mẫu thí nghiệm…………………………………………………………
Hình 4. 2: Giản đồ nhiễu xạ mẫu 1
Hình 4. 3: Giản đồ nhiễu xạ mẫu 2
Hình 4. 4: Giản đồ nhiễu xạ mẫu 3
Hình 4. 5: Giản đồ nhiễu xạ mẫu 4
Hình 4. 6: Giản đồ nhiễu xạ mẫu 5
Hình 4. 7 : Dữ liệu nhiễu xạ thô
Hình 4. 8: Dữ liệu sau khi làm mịn với nL= nR=9.
Hình 4. 9: Đường thẳng tiếp tuyến với điểm dữ liệu
Hình 4. 10 : Đường thẳng tiếp tuyến tại điểm i
Hình 4. 11 : Xác định dữ liệu nhiễu xạ của mặt nhiễu xạ
Hình 4. 12: Hiệu chỉnh nền của đường nhiễu xạ
Hình 4. 13: Năng lượng nhiễu xạ tương đối tại một đỉnh nhiễu xạ (hkl)
Hình 4. 14: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [001], (Mẫu 1)
Hình 4. 15: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [100], (Mẫu 1)
Hình 4. 16: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [101], mẫu 1
Hình 4. 17: Đỉnh nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [220], mẫu 1
Hình 4. 18: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [110], mẫu 1
Hình 4. 19: Đỉnh nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [311], mẫu 1
Hình 4. 20: Đỉnh nhiễu xạ của pha Co tại mặt [110], mẫu 1
Hình 4. 21: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [102], mẫu 1
Hình 4. 22: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], mẫu 1
Hình 4. 23: Đỉnh nhiễu xạ của pha Co tại mặt [004], mẫu 1
Hình 4. 24: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [001], mẫu 2
Hình 4. 25: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [100], mẫu 2
Hình 4. 26: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [101], mẫu 2
Hình 4. 27: Đỉnh nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [220], mẫu 2
Hình 4. 28: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [110], mẫu 2
Hình 4. 29: Đỉnh nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [311], mẫu 2
Hình 4. 30: Đỉnh nhiễu xạ của pha Co tại mặt [110], mẫu 2
Hình 4. 31: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [102], mẫu 2
Hình 4. 32: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], mẫu 2
Hình 4. 33: Đỉnh nhiễu xạ của pha Co tại mặt [004], mẫu 2
Hình 4. 34: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [001], mẫu 3
Hình 4. 35: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [100], mẫu 3
Hình 4. 36: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [101], mẫu 3
Hình 4. 37: Đỉnh nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [220], mẫu 3
Hình 4. 38: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [110], mẫu 3
Hình 4. 39: Đỉnh nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [311], mẫu 3
Hình 4. 40: Đỉnh nhiễu xạ của pha Co tại mặt [110], mẫu 3
Hình 4. 41: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [102], mẫu 3
Hình 4. 42: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], mẫu 3
Hình 4. 43: Đỉnh nhiễu xạ của pha Co tại mặt [004], mẫu 3
Hình 4. 44: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [001], mẫu 4
Hình 4. 45: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [100], mẫu 4
Hình 4. 46: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [101], mẫu 4
Hình 4. 47: Đỉnh nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [220], mẫu 4
Hình 4. 48: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [110], mẫu 4
Hình 4. 49: Đỉnh nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [311], mẫu 4
Hình 4. 50: Đỉnh nhiễu xạ của pha Co tại mặt [102], mẫu 4
Hình 4. 51: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [102], mẫu 4
Hình 4. 52: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], mẫu 4
Hình 4. 53: Đỉnh nhiễu xạ của pha Co tại mặt [004], mẫu 4
Hình 4. 54: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [001], mẫu 5
Hình 4. 55: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [100], mẫu 5
Hình 4. 56: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [101], mẫu 5
Hình 4. 57: Đỉnh nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [220], mẫu 4
Hình 4. 58: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [110], mẫu 5
Hình 4. 59: Đỉnh nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [311], mẫu 5
Hình 4. 60: Đỉnh nhiễu xạ của pha Co tại mặt [110], mẫu 5
Hình 4. 61: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [102], mẫu 5
Hình 4. 62: Đỉnh nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], mẫu 5
Hình 4. 63: Đỉnh nhiễu xạ của pha Co tại mặt [004], mẫu 5
Hình 4. 64: Biểu đồ tỷ lệ pha của hai phương pháp đo
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG TRANG
Bảng 2. 1: Khoảng cách dhkl giữa các mặt mạng trong các hệ tinh thể đơn giản
Bảng 2. 2: Thành phần hóa học và tính chất một số hợp kim cứng thiêu kết
Bảng 2. 3: Tổng bình phương của chỉ số miller
Bảng 2.4: Hằng số Scherrer của một vài dạng tinh thể………………………… 24
Bảng 3. 1: Cấp độ nhẵn bóng bề mặt........................................................................
Bảng 3. 2: Thành phần hỗn hợp đánh bóng thông dụng...........................................
Bảng 3. 3: Thành phần dung dịch và thông số đánh bóng điện hóa một số loại vật liệu
Bảng 4. 1: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [001], (Mẫu 1)……………..
Bảng 4. 2: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [100], Mẫu 1
Bảng 4. 3: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [101], Mẫu 1
Bảng 4. 4: Năng lượng nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [220], Mẫu 1
Bảng 4. 5: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [110], Mẫu 1
Bảng 4. 6: Năng lượng nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [311], Mẫu 1
Bảng 4. 7: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [110], Mẫu 1
Bảng 4. 8: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [102], Mẫu 1
Bảng 4. 9: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], Mẫu 1
Bảng 4. 10: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [004], Mẫu 1
Bảng 4. 11: Bảng tính toán kết quả cho dữ liệu đo mẫu 1
Bảng 4. 12: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [001], Mẫu 2
Bảng 4. 13: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [100], Mẫu 2
Bảng 4. 14: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [101], Mẫu 2
Bảng 4. 15: Năng lượng nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [220], Mẫu 2
Bảng 4. 16: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [110], Mẫu 2
Bảng 4. 17: Năng lượng nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [311], Mẫu 2
Bảng 4. 18: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [110], Mẫu 2
Bảng 4. 19: Năng lượng nhiễu xạ của pha WCtại mặt [102], Mẫu 2
Bảng 4. 20: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], Mẫu 2
Bảng 4. 21: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [004], Mẫu 2
Bảng 4. 22: Bảng kết quả tính toán cho dữ liệu đo mẫu 2
Bảng 4. 23: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [001], Mẫu 3
Bảng 4. 24: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [100], Mẫu 3
Bảng 4. 25: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [101], Mẫu 3
Bảng 4. 26: Năng lượng nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [220], Mẫu 3
Bảng 4. 27: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [110], Mẫu 3
Bảng 4. 28: Năng lượng nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [311], Mẫu 3
Bảng 4. 29: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [110], Mẫu 3
Bảng 4. 30: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [102], Mẫu 3
Bảng 4. 31: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], Mẫu 3
Bảng 4. 32: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [004], Mẫu 3
Bảng 4. 33: Bảng kết quả tính toán cho dữ liệu đo mẫu 3
Bảng 4. 34: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], Mẫu 4
Bảng 4. 35: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], Mẫu 4
Bảng 4. 36: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [101], Mẫu 4
Bảng 4. 37: Năng lượng nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [220], Mẫu 4
Bảng 4. 38: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [110], Mẫu 4
Bảng 4. 39: Năng lượng nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [311], Mẫu 4
Bảng 4. 40: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [110], Mẫu 4
Bảng 4. 41: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [102], Mẫu 4
Bảng 4. 42: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], Mẫu 4
Bảng 4. 43: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [004], Mẫu 4
Bảng 4. 44: Bảng tính toán kết quả cho dữ liệu đo mẫu 4
Bảng 4. 45: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [001], Mẫu 5
Bảng 4. 46: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [100], Mẫu 5
Bảng 4. 47: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [101], Mẫu 5
Bảng 4. 48: Năng lượng nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [220], Mẫu 4
Bảng 4. 49: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [110], Mẫu 5
Bảng 4. 50: Năng lượng nhiễu xạ của pha TiC tại mặt [311], Mẫu 5
Bảng 4. 51: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [110], Mẫu 5
Bảng 4. 52: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [102], Mẫu 5
Bảng 4. 53: Năng lượng nhiễu xạ của pha WC tại mặt [201], Mẫu 5
Bảng 4. 54: Năng lượng nhiễu xạ của pha Co tại mặt [004], Mẫu 5
Bảng 4. 55: Bảng kết quả tính toán cho dữ liệu đo mẫu 5
Bảng 4. 56: Bảng kết quả xác định tỷ lệ thành phần pha của mẫu thí nghiệm hợp kim cứng ba pha
Bảng 4. 57: Năng lượng nhiễu xạ của các mẫu thí nghiệm
Bảng 4. 58: Sai số của tỷ lệ pha đối với các mẫu hợp kim cứng 3 pha
Bảng 4. 59: Thành phần hóa học của các nguyên tố trong mẫu hợp kim cứng ba pha
Bảng 4. 60 : Thành phần % các nguyên tố trong pha WC
Bảng 4. 61: Thành phần % các nguyên tố trong pha TiC
Bảng 4. 62: Kết quả xác định tỷ lệ pha bằng phương pháp phân tích thành phần hóa học của mẫu hợp kim cứng ba pha.
Bảng 4.63: Bảng kết quả hai phép đo……………………………………………135
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Nghiên cứu và phát triển vật liệu hiện nay đang là vấn đề quan trọng trong công nghệ và khoa học kỹ thuật. Khi con người phát hiện được một vật liệu mới nào đó, để hiểu rõ tính chất của nó, các nhà khoa học phải nghiên cứu, phân tích, xác định tính chất cơ, lý, hóa của nó để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Hay khi nghiên cứu chế tạo một sản phẩm, ta phải nghiên cứu sử dụng loại vật liệu nào phù hợp với yêu cầu, chịu được tải trọng nhất định, độ ăn mòn, nhiệt độ … Hiện nay có nhiều phương pháp phân tích vật liệu phổ biến như x-quang, kim tương, kính hiển vi điện tử, phân tích hóa học...
Trong số những phương pháp đó, phương pháp nhiễu xạ x-quang đem lại hiệu suất cao bởi vì nó là phương pháp không phá hủy và phân tích chính xác được nhiều vấn đề liên quan đến vật liệu như ứng suất, kích thước tinh thể, tỉ lệ pha của vật liệu, hệ số đàn hồi, chiều dày lớp mạ … và một trong những vấn đề quan trọng trong phân tích cấu trúc vật liệu là định lượng thành phần pha của vật liệu.
Phương pháp nhiễu xạ X-Quang có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp khác là xác định chính xác tỷ lệ pha khác, dễ dàng tự động hóa mà không cần phá hủy chi tiết mẫu vì vậy phương pháp nhiễu xạ X-Quang có thể được phát triển nhằm thay thế phương pháp kim tương đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Chính vì thế dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Lê Chí Cương, tác giả đã chọn lĩnh vực này để làm cơ sở nghiên cứu và thực hiện đề tài: Nghiên cứu hoàn thiện quy trình xác định tỷ lệ pha cho vật liệu nhiều pha sử dụng nhiễu xạ X-Quang.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là đề xuất quy trình xác định tỷ lệ pha của vật liệu nhiều pha bằng phương pháp nhiễu xạ X-Quang dựa vào năng lượng nhiễu xạ.
1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài
- Nghiên lý thuyết cách xác định tỷ lệ pha của vật liệu nhiều pha bằng phương pháp nhiễu xạ X-quang.
- Thực hiện đo đạc thí nghiệm trên máy nhiễu xạ và đề xuất hoàn thiện quy trình xác định tỷ lệ pha.
1.3.2. Giới hạn đề tài
- Do máy móc, thiết bị thí nghiệm còn phụ thuộc vào trung tâm hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh nên giới hạn đề tài chỉ thực hiện khảo sát đối với hợp kim cứng ba pha.
- Do ống phóng còn ít nên chỉ tiến hành nhiễu xạ trên 1 ống phống Cu, và đo đạc lập lại lần , trong tương lai để nâng cao độ chính xác phải thực hiện trên nhiều ống phóng khác nhau, như ống Cu, ống Cr, ống Ti..
- Do giác kế của máy đo bị hạn chế nên ta chỉ đo được góc từ 50-1600.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp các tài liệu hiện có ở Việt Nam và trên thế giới về nhiễu xạ X-Quang.
- Nghiên cứu lý thuyết cấu trúc tinh thể.
- Tiến hành thí nghiệm nhiễu xạ để thu thập số liệu thực nghiệm tại trung tâm hạt nhân thành phố hồ chí minh sau đó dựa vào lý thuyết về nhiễu xạ và xử lý số liệu nhiễu xạ để tính toán tỷ lệ pha của loại vật liệu khảo sát.
- Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã được công bố ở trong và ngoài nước, từ đó thiết lập hoàn thiện quy trình xác định tỷ lệ pha.
1.5. Điểm mới của luận văn
Phân tích, tổng hợp đưa ra công thức, quy trình xác định tỷ lệ pha cho vật liệu nhiều pha bằng phương pháp nhiễu xạ X-Quang dựa vào năng lượng nhiễu xạ.
1.6. Giá trị khoa học và thực tiển của luận văn
Trong các tài liệu về nhiễu xạ X-Quang, vấn đề xác định tỷ phần pha của vật liệu được trình bày rất chung chung, tất cả điều dựa vào cường độ nhiễu xạ để xác định tỷ phần pha. Đề tài này sẽ cho một công thức rõ ràng và chính xác để tính tỷ lệ pha cho vật liệu nhiều pha dựa vào năng lượng nhiễu xạ, từ đó thiết lập quy trình xác định tỷ lệ pha hoàn thiện và chính xác. Chính vì vậy kết quả của đề tài có thể áp dụng cho việc kiểm định, tính toán tỷ lệ pha của vật liệu nhiều pha.
1.7. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Pha là tổ phần đồng nhất của hệ ( hợp kim ) có cấu trúc và các tính chất cơ, lý, hóa xác định, giữa các pha có mặt phân cách. Ta biết rằng khi thay đổi thành phần và nhiệt độ thì cấu tạo pha của hệ hợp kim cũng thay đổi dẫn đến các cấu trúc mạng tinh thể cũng thay đổi, làm ảnh hưởng đến các tính chất cơ, lý, hóa của vật liệu.
Việc xác định tỷ lệ pha của vật liệu là vấn đề cần thiết vì tỷ lệ pha trong vật liệu khác nhau sẽ làm ảnh hưởng đến cơ tính, độ bền, tuổi thọ của các chi tiết máy, do mỗi pha của kim loại có một cơ tính khác nhau, ứng với các thành phần hóa học khác nhau.
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều phương pháp xác định thành phần pha của hợp kim dựa theo các tính chất khác nhau của từng pha như: Phương pháp chụp ảnh hiển vi (kim tương)-Tẩm thực màu, Phương pháp từ tính, Phương pháp phân tích thành phần hóa học, Phương pháp nhiễu xạ X-Quang.... Thông thường người ta xác định tỷ phần pha dựa vào cấu trúc kim tương (tỷ phần diện tích pha trên ảnh cấu trúc tế vi của vật liệu). Đây là cách đơn giản nhưng chỉ áp dụng được với các trường hợp các pha phân biệt nhau khá rõ về màu sắc, ranh giới 2 pha và phải phá hủy mẫu.
Một chất luôn luôn tạo ra một ảnh nhiễu xạ đặc trưng, cho dù chất đó là đồng nhất hay trong một hỗn hợp của các chất. Điều này chính là cơ sở cho phương pháp nhiễu xạ để phân tích thành phần hóa học, phân tích định lượng của một chất cụ thể được thực hiện bằng cách xác định cấu trúc tinh thể của chất đó. Phân tích định lượng là có thể thực hiện được, vì cường độ của các pha nhiễu xạ phụ thuộc vào tỷ lệ mà thành phần pha đó có trong mẫu.
Ưu điểm đặc biệt của phân tích nhiễu xạ là cho chúng ta biết sự hiện diện của một chất tồn tại trong mẫu. Ví dụ, nếu một mẫu có chứa các hợp chất AxBy, phương pháp nhiễu xạ sẽ cho chúng ta biết được sự hiện diện của AxBy, trong khi phương pháp phân tích hóa học thông thường chỉ xác định được sự có mặt của hợp các nguyên tố A và B. Hơn nữa nếu mẫu chứa cả AxBy và AxByz cả hai hợp chất này đều được xác định bởi các phương pháp nhiễu xạ, nhưng phương pháp phân tích hóa học một lần nửa cho thấy chỉ có thể cho biết sự hiện diện của A và B. Một ứng dụng khác của phương pháp nhiễu xạ là xác định cấu trúc tinh thể của một chất trong hợp kim. Phân tích nhiễu xạ là rất hữu ích khi cần phân tích các hợp chất hóa học của các nguyên tố có liên quan hoặc các pha cụ thể có trong hợp chất đó. Vì vậy các phương pháp phân tích nhiễu xạ được áp dụng rộng rãi để phân tích các vật liệu như quặng, đất sét, vật liệu chịu lửa, hợp kim…. So với phương pháp phân tích hóa học thông thường, phương pháp nhiễu xạ có nhiều ưu điểm khác là nhanh hơn, chỉ cần mẫu rất nhỏ và không phá hủy mẫu.
Ta biết rằng mỗi pha gồm một loại ô mạng nhất định và cho một hệ vạch nhiễu xạ tương ứng trên giản đồ nhiễu xạ. Nếu mẫu gồm nhiều pha ( hỗn hợp) nghĩa là gồm nhiều loại ô mạng thì trên giản đồ nhiễu xạ sẽ tồn tại đồng thời nhiều hệ vạch độc lập nhau. Phân tích các vạch ta có thể biết được các pha có mặt trong mẫu. Đó là cơ sở của phương pháp phân tích định tính.
Các pha chưa biết trong vật liệu có thể được xác định bằng cách so sánh số liệu nhận được từ giản đồ nhiễu xạ tia X thực nghiệm với số liệu chuẩn trong sách tra cứu hoặc trong file máy tính. Bởi vậy một thư viện ảnh nhiễu xạ về vị trí và cường độ vết nhiễu xạ để phân tích cấu trúc được thiết lập từ những năm 60 của thế kỷ XX và nó cho phép xác định hầu hết các hợp chất căn cứ vào vị trí và cường độ vết nhiễu xạ quan xác được. Ứng dụng của thành quả này ngày càng phát triển đầy đủ hơn.
- Các kết quả trong và ngoài nước đã công bố:
- Luận văn thạc sĩ của Văn Quốc Hữu - xác định tỷ lệ pha của thép không gỉ song pha ferrit và austenite có độ bền cao bằng nhiễu xạ x-quang, Trường đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM , năm 2011. Trong nghiên cứu này tác giả đã xác định được ứng xuất pha của hợp kim cứng ba pha WC-TiC-Co bằng phương pháp nhiễu xạ và kết quả này chỉ đúng trong trường hợp tỉ lệ thể tích pha của 1 trong 3 pha là rất nhỏ.
- Xác định sai lệch mật độ của vật liệu trong cấu trúc lục giác bằng nhiễu xạ x-Quang.(Determination of Dislocation Densities in HCP Metals from X-ray Diffraction Line-Broadening Analysis.). M. Griffiths, d. Sage, r.a. Holt, and c.n. Tome.
- Xác định pha bằng nhiễu xạ x-quang, ( Phase identification by X-ray diffraction), B.D Cullity and S.R. Stock. Nhiễu xạ x-quang là một phương pháp đo lường không tiếp xúc, có thể đo được cường độ nhiễu xạ cực đại I tại một đỉnh nhiễu xạ xác định của một pha cụ thể. Một số nhiên cứu trước đây cho rằng tỷ lệ của một pha phụ thuộc vào tỷ lệ I(hkl)/I0(hkl), trong đó I(hkl)0 và I(hkl) là cường độ nhiễu xạ chuẩn của mẫu một pha đồng nhất và của mẫu nhiều pha thực tế, được đo tại một đỉnh (hkl) nào đó. Ngoài ra bề rộng trung bình của đường nhiễu xạ B cũng phụ thuộc vào tỷ lệ các thành phần nguyên tố trong các pha. Tuy nhiên, đây là những giả thiết không chính xác vì cường độ nhiễu xạ cực đại hoặc bề rộng B không chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ pha mà còn thay đổi phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố của vật liệu như trạng thái biến dạng dẻo, chế độ nhiệt luyện, tình trạng mỏi, chiều sâu xuyên thấu của tia X (đặc tính của tia X), mặt nhiễu xạ… Hơn nữa, việc xác định cường độ nhiễu xạ chuẩn I0 hoặc bề rộng B chuẩn cho từng pha là tương đối khó khăn, phụ thuộc vào thành phần vật liệu.
- Tổng hợp, vi cấu trúc và cơ tính của gốm tổng hợp WC-TiC-Co ( Synthesis, microstructure, and mechanical properties of WC–TiC–Co ceramic composites). Dilek Duman, Hasan Gökce, Hüseyin Cimenoglu. Trong ngiên cứu này một hỗn hợp gồm 78%WC, 16%TiC và 6% đã được tạo ra bằng quá trình luyện kim bột, bằng cách sử dụng bột WC,Co có sẵn trên thị trường, bột TiC được sản xuất trong phòng thí nghiệm, theo dõi quá trình sản xuất bằng cách thay đổi các thông số gồm: Áp suất nén, chế độ thiêu kết ( nhiệt độ và thời gian), quá trình trộn, vật liệu tổng hợp được sản xuất từ bột TiC sản xuất thương mại và phòng thí nghiệm sử dụng các quy trình tương tự nhau về mật độ tương đối, độ cứng, và hiệu suất.
- Giới thiệu phương pháp định lượng pha bằng nhiễu xạ x-quang ( Introduction Quantitative X-Ray Diffraction Methods), James R. Connolly Spring, 2010.
- Chế tạo hợp kim cứng WC-TiC-Co và nghiên cứu về đặc tính của nó ( Making of hard alloy WC-TiC-Co and study of its Character). Zhang Si-Yu, Liang Bing-Quing And Zheng Ke-Quan.
- Định lượng pha tinh thể trong vật liệu : ứng dụng của phương pháp Rietveld ( The Quantification of Crystalline Phases in Materials: Applications of Rietveld Method ). Cláudia t. Kniess, joão cardoso de lima and patrícia b. Prates.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở cấu trúc mạng tinh thể của vật rắn
2.1.1. Mạng tinh thể
Cấu trúc của vật rắn thường bao gồm một số lượng rất lớn các nguyên tử chứa trong một thể tích nhỏ của vật rắn. Các nguyên tử này phân bố bên trong vật rắn tạo nên mạng tinh thể.
Mạng tinh thể là mô hình không gian biểu diễn quy luật hình học của sự sắp xếp mguyên tử trong vật rắn. Sự sắp xếp này được lặp lại một cách tuần hoàn trong không gian ba chiều gọi là mạng tinh thể.
Hình 2. 1: Mạng tinh thể của muối ăn (NaCl). [1]
Trong tinh thể ba chiều, ta chọn ba vectơ sao cho khi dịch chuyển tinh thể theo vectơ ( 2.1) .[1]
Với n1, n2, n3 là các số nguyên bất kỳ, thì tinh thể lại trùng với chính nó. Phép dịch chuyển gọi là phép tịnh tiến tinh thể, còn ba vectơ gọi là ba vectơ cơ sở của mạng tinh thể.
Mạng tinh thể mang tính đối xứng, là phép dịch chuyển tinh thể sang một vị trí mới mà hoàn toàn giống như vị trí cũ. Đây là một đặc điểm quan trọng thể hiện hình dáng bên ngoài, cấu trúc bên trong cũng như các tính chất của vật rắn tinh thể. Phép đối xứng quay bậc n là phép quay một góc quanh một trục nào đó. Trục này được gọi là trục quay bậc n. Người ta thấy rằng không tồn tại trục quay bậc 5, chỉ tồn tại các trục quay bậc 1,2,3,4 và 6 ứng với các phép quay các góc 2 , , , , và , hình 2.2 chỉ ra một số phép đối xứng cơ bản:
Hình 2. 2: Các bậc đối xứng của mạng tinh thể. [ 1]
Phép phản xạ gương qua một mặt phẳng nào đó, thí dụ qua mặt phẳng xoy là phép biến đổi điểm M(x,y,z) thành điểm M’(x,y,-z) mặt phản xạ gương được ký hiệu là m hoặc Cs.
Phép nghịch đảo đối với một điểm nào đó, chẳng hạn đối với gốc tọa độ O, là phép biến đổi điểm M(x,y,z) thành điểm M’(-x,-y,-z). Điểm O gọi là tâm nghịch đảo. Phép nghịch đảo được ký hiệu là hoặc Ci .
Phép quay đảo là tổ hợp phép quay bậc n quanh một trục và phép nghịch đảo tiếp theo qua một điểm trên một trục. Trục đó gọi là trục quay đảo và ký hiệu là hoặc Cmi.
Phép quay gương là tổ hợp của phép quay bậc n và phép phản xạ gương tiếp theo.
2.1.2. Ô cơ sở, chỉ số phương, chỉ số miller của mặt tinh thể.
Ô cơ sở là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp nguyên tử đại diện cho toàn bộ mạng tinh thể. Thông số mạng là kích thước ô cơ sở, là kích thước các cạch của ô cơ sở. Thể tích của ô cơ sở là ( 2.2) [1]
Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng nằm trong mạng tinh thể, chỉ số phương ký hiệu là [u v w]. Đây là ba số nguyên tỷ lệ thuận với tọa độ của nút mạng nằm trên phương đó, ở gần góc tọa độ nhất. Các phương có giá trị tuyệt đối u v w giống nhau, tương đương nhau về tính chất đối xứng tạo nên họ phương, ký hiệu là < u v w >.
Chỉ số Miller: Mặt tinh thể là tập hợp các mặt có cách sắp xếp nguyên tử giống hệt nhau, song song và cách đều nhau. Người ta kí hiệu mặt tinh thể bằng chỉ số Miller (h k l) và được xác định như sau:
- Tìm giao điểm của mặt phẳng trên ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz.
- Xác định tọa độ các giao điểm rồi sau đó lấy giá trị nghịch đảo.
- Quy đồng mẫu số, lấy các giá trị của tử số, đó chính là chỉ số h, k, l.
Các mặt có các chỉ số giá trị tuyệt đối h, k, l giống nhau tạo nên họ mặt Miller {hkl}. Các họ mặt {h k l} giống nhau về tính chất đối xứng. Đây là cơ sở cho nhiễu xạ tia X trên tinh thể. Chùm tia X phản xạ trên các mặt nguyên tử của tinh thể, giao thoa tăng cường với nhau và cho ta hình ảnh nhiễu xạ của tinh thể.
Hình 2. 3: Ô cơ sở (a), chỉ số phương (b) và chỉ số Miller của tinh thể (c). [1]
Nếu mặt phẳng song song với trục tọa độ nào thì xem như mặt phẳng cắt trục đó tại ∞, chỉ số Miller ứng với trục đó bằng 0. Nếu mặt phẳng cắt trục ở tọa độ âm thì dấu “-” được đặt phía trên đầu chỉ số đó.
Chỉ số Miller – Bravais trong hệ lục giác: Trong hệ lục giác, ngoài các trục x, y, z người ta thêm một trục u nằm trong mặt phẳng chứa trục x, y. Ba trục x, y, u, hợp nhau từng đôi một góc 1200, trục z vuông góc mặt chứa x, y, u. Chỉ số Miller cũng được xác định như trên nhưng có thêm chỉ số thứ tư là i. Khi đó, chỉ số mặt trong hệ lục giác là (h k i l). Trong đó i = - (h + k). Trong hệ lục giác, việc sử dụng chỉ số Miller – Bravais sẽ thuận tiện hơn chỉ số Miller. Nếu biết được chỉ số Millier (h k l) của các mặt mạng, người ta có thể tính được khoảng cách dhkl giữa hai mặt mạng song song kế tiếp nhau.
Bảng 2. 1: Khoảng cách dhkl giữa các mặt mạng trong các hệ tinh thể đơn giản. [8]
|
Hệ tinh thể |
Khoảng cách dhkl |
|
Lập phương |
|
|
Tứ giác |
|
|
Trực giao |
|
|
Lục giác |
2.1.3. Cấu trúc tinh thể điển hình của kim loại
Đặc điểm cấu trúc kim loại là nguyên tử luôn có xu hướng xếp xít chặt với kiểu mạng đơn giản như lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt và lục giác xếp chặt....
2.1.3.1. Mạng lập phương tâm khối
Trong kiểu mạng lập phương tâm khối các nguyên tử, ion nằm ở đỉnh và giữa các khối của hình lập phương ( hình 2.4 ). Ô cơ sở là hình lập phương cạnh bằng a. Thông số mạng là cạnh a của ô cơ sở. Khoảng cách giữa hai nguyên tử gần nhau nhất hay đường kính nguyên tử là [3].
Hình 2. 4: Ô cơ sở của kiểu mạng lập phương tâm khối. [3]
2.1.3.2. Mạng lập phương tâm mặt
Trong kiểu mạng lập phương tâm mặt các nguyên tử và ion nằm ở đỉnh và ở giữa các mặt bên của hình lập phương ( hình 2.5). Ô cơ sở là hình lập phương cạnh bằng a. Thông số mạng là cạnh a của ô cơ sở, khoảng cách giữa hai nguyên tử gần nhau nhất hay đường kính nguyên tử là [3].
Hình 2. 5: Ô cơ sở của kiểu mạng lập phương tâm mặt. [3]
2.1.3.3. Mạng lục giác xếp chặt
Trong kiểu mạng lục giác xếp chặt các nguyên tử nằm ở đỉnh, giửa các mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và giữa các khối lăng trụ tam giác xen kẽ nhau (hình 2.5). kiểu mạng này có hai thông số mạng là a : cạnh của đáy lục giác và c: chiều cao khối lăng trụ.
Hình 2. 6: Ô cơ sở của kiểu mạng lục giác xếp chặt. [3]
2.2. Hợp kim cứng
2.2.1. Thành phần hóa học và các chế tạo
Thành phần chủ yếu của mọi loại hợp kim cứng là Cacbit: Cacbit Vonfram (WC), Cacbit Titan (TiC), Cacbit Tatan (TaC) và Côban (Co).
Hợp kim cứng được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột, tức là không phải bằng cách nấu chảy và ở trạng thái rắn qua các bước: tạo bột trộn, ép và thiêu kết... Trộn bột Cacbit với Côban trong nhiều giờ cho thật đều rồi đem ép thành sản phẩm, thiêu kết nung ở nhiệt độ cao1450oC để Côban biến mềm, bắt đầu chảy để dính chặt các hạt Cacbit thành khối chắc.
2.2.2. Phân loại và các mác hợp kim cứng
v Có thể chia thành ba nhóm:
- Nhóm một Cacbit WC+Co, ký hiệu BK ( B chỉ WC, K chỉ Co)với số tiếp theo chỉ số phần trăm Côban.
- Nhóm hai Cacbit WC+TiC+Co, ký hiệu TK với số chỉ số phần trăm của TiC và Côban.
- Nhóm ba Cacbit WC+TiC+TaC+Co, ký hiệu TTK với số chỉ số phần trăm của ( TiC +TaC) và Côban.
v Một số mác hợp kim cứng thường gặp
Bảng 2. 2: Thành phần hóa học và tính chất một số hợp kim cứng thiêu kết
( ҐOCT 3882-74 ). [ 9]
|
Mác hợp kim cứng theo ( ҐOCT) |
Thành phần hóa học,% |
Cơ tính |
|||||
|
WC |
TiC |
TaC |
Co |
MPa |
HRA |
||
|
Một cacbit |
|||||||
|
BK3 |
97 |
- |
- |
3 |
1100 |
89.5 |
|
|
BK4 |
96 |
- |
- |
4 |
1400 |
89.5 |
|
|
BK6 |
94 |
- |
- |
6 |
1500 |
88.5 |
|
|
BK8 |
92 |
- |
- |
8 |
1600 |
87.5 |
|
|
BK10 |
90 |
- |
- |
10 |
1650 |
87.5 |
|
|
BK15 |
85 |
- |
- |
15 |
1800 |
86 |
|
|
BK20 |
80 |
- |
- |
20 |
1950 |
84 |
|
|
BK25 |
75 |
- |
- |
25 |
2000 |
82 |
|
|
Hai cacbit |
|||||||
|
T30K4 |
66 |
30 |
- |
4 |
950 |
92 |
|
|
T15k6 |
79 |
15 |
- |
6 |
1150 |
90 |
|
|
T5K10 |
85 |
5 |
- |
10 |
1400 |
88.5 |
|
|
Ba cacbit |
|||||||
|
TT7K12 |
81 |
4 |
3 |
12 |
1650 |
87 |
|
|
TT8K6 |
84 |
6 |
2 |
6 |
1250 |
87 |
|
2.2.3. Cấu trúc tinh thể của các pha trong hợp kim cứng ba pha
2.2.3.1. Cấu trúc tinh thể của pha Co [8]
- Có cấu trúc lục giác – hexagonal ( a= b c, ).
- Thông số mạng a = 0.2507 nm, c = 0.407 nm.
- Các mặt nhiễu xạ (hkl): 100, 002, 101, 102, 110, 103, 200, 112, 201, 004, 202, 104, 203, 210, 211, 114.
- Khoảng cách mặt nhiễu xạ : .
Hình 2. 7: Cấu trúc tinh thể của pha Côban
2.2.3.2. Cấu trúc tinh thể của pha WC
- Có cấu trúc lục giác- hexagonal ( a= b c, )
- Thông số mạng a = 0.2900 nm, c = 0.2831 nm. [4]
- Các mặt nhiễu xạ (hkl): 001, 100, 101, 110, 002, 111, 200, 102, 201, 112, 210, 202, 211, 103, 300, 301, 212. [8]
- Khoảng cách mặt nhiễu xạ d: . [8]
Hình 2. 8: Cấu trúc tinh thể của pha WC [ 8].
2.2.3.3. Cấu trúc tinh thể của pha liên kết TiC
- Có cấu trúc lập phương tâm mặt ( a = b c, )
- Thông số mạng a = 0.4313 nm. [4]
- Các mặt nhiễu xạ : 111, 200, 220, 311, 400, 221, 331, 420, 422
- Chỉ số h2+k2+l2 = 3,4,8,11,12,16,19,20,24………[8]
- Khoảng cách mặt nhiễu xạ: . [8]
Hình 2. 9: Cấu trúc tinh thể của pha TiC. [ 8 ]
2.3. Các phương pháp xác định tỷ lệ pha
2.3.1. Phương pháp chụp ảnh hiển vi ( kim tương)- Tẩm thực màu .
Phương pháp phân tích kim tương được định nghĩa và hiểu rất đơn giản là việc sử dụng kính hiển vi quang học với độ phóng đại khoảng 1000 2000 lần đổ lại để quan sát, đánh giá và phân tích cấu trúc tổ chức tế vi của kim loại và hợp kim (kim tương).
Một số các thông tin của tổ chức dưới kính hiển vi chúng ta có thể quan sát, lưu giữ và phân tích bao gồm: kích cỡ, hình dáng và sự phân bố của hạt, các pha trong tổ chức, chiều dày lớp phủ, xác định độ rỗng, độ cầu hóa trong gang, đo lường các tinh thể hình nhánh cây, các khuyết tật của đúc, của mối hàn hàn trong vật liệu và chi tiết. Từ đó, các nhà kim tương học có thể đánh giá được cơ tính của cấu trúc, các thông số công nghệ, rà soát quá trình sản xuất và phát triển công nghệ mới Phương pháp kim tương ngày nay đã được ứng dụng và mở rộng cho các nghành vật liệu khác như gốm sứ, thạch ngọc, vật liệu linh kiện, điện tử,.v..v....
Chất tẩm thực phải được chọn bao quát hoặc chọn lọc tùy vào công dụng (chỉ làm rõ pha hay thành phần cấu tử, hoặc ít nhất tạo ra tương phản và màu sắc khác nhau giữa hai hay nhiều pha), tùy thuộc vào mục đích khảo sát, và phải tạo ra các đường biên pha, hình ảnh pha hoặc đường biên hạt rõ ràng và cho độ tương phản cao. Kết hợp các đặc điểm trên sẽ cho phép ta quan sát cấu trúc tế vi thật sự và đưa ra kết luận đo đạc và lưu trữ.
Trình tự các bước tiến hành phương pháp kim tương:
- Chia cắt mẫu và lấy mẫu cần kiểm tra.
- Mài và đánh bóng.
- Tẩm thực.
- Kiểm tra dưới kính hiển vi.
Phương pháp xác định kim tương được tiến hành dựa vào tỷ phần diện tích pha trên ảnh cấu trúc tế vi của vật liệu. Phương pháp này đơn giản, cần phải phá hủy mẫu, được ra đời sớm và được sử dụng rộng rãi bằng cách tẩm thực màu sắc khác nhau cho các pha trên mặt cắt khác nhau của vật liệu, được giả thiết là vật liệu đẳng hướng ( tức là tủy lệ diện tích trên từng pha không phù thuộc vào vị trí của mặt cắt của vật liệu).
Dựa vào phương pháp tẩm thực màu, người ta có thể lựa chọn các chất tẩm thực khác nhau để nhuộm màu các pha khác nhau và do đó rất khó để phân biệt được Cacbit vonfram, Cacbit Titan và pha Coban.
Qua những phân tích trên thì ta không thể áp dụng phương chụp ảnh hiển vi để xác định tỉ lệ pha của hợp kim cứng ba pha WC-TiC-Co,vì những lý do sau:
- Vì đây là loại hợp kim có độ cứng cao nên việc mài nhẵn và đánh bóng bề mặt là rất khó khăn.
- Khó tẩm thực ( không thể phân biệt được các hạt cacbit).
2.3.2. Phương pháp đo từ tính .
Dựa vào tính chất từ tính của các pha trong vật liệu người ta có thể ứng dụng để đo tỷ phần các pha. Người ta chế tạo các mẫu nguyên chất của các pha trong vật liệu sau đó đo từ tính của chúng và lập thành thang đo từ 0-100%. Khi đó đo từ tính của vật liệu sẽ xác định được tỷ phần pha. Nhưng các pha WC, TiC, Co trong hợp kim cứng hoàn toàn không có từ tính nên không thể áp dụng phương pháp này để xác định tỷ phần pha cho hợp kim cứng.
2.3.3. Phương pháp xác định tỷ lệ pha dựa vào thành phần hóa học.
Khi biết được chính xác thành phần hóa học trong hợp kim và nhiệt độ của kim loại ta có thể tính được phần trăm khối lượng của các pha.
Từ % khối lượng của các pha ta có thể xác định chính xác tỷ lệ của các pha trong hợp kim.
2.3.4. Phương pháp nhiễu xạ X-Quang (XRD).
2.3.4.1. Tia X
Tia x là bức xạ điện từ năng lượng cao, có năng lượng trong khoảng từ 200eV đến 1MeV. Bước sóng từ 10 nm – 1 pm, bước sóng thuận tiện cho nghiên cứu nhiễu xạ tia x là từ 0.05 .
Tia X được tạo ra bằng cách bắn phá một chùm electron vào một bia kim loại.
Hình 2. 10: Sơ đồ nguyên lý ống phát tia x. [5]
2.3.4.2. Định luật Bragg
Khi chiếu tia X váo vật rắn tinh thể ta thấy xuất hiện các tia nhiễu xạ với cường độ và hướng khác nhau do bước sóng tia X có độ dài vào cở khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử trong vật rắn tinh thể. Các hướng này bị khống chế bởi bước sóng của bức xạ tới và bởi bản chất của mẫu tinh thể.
Hình 2. 11: Nguyên lý nhiễu xạ [5]
Công thức Bragg: ( 2.3) [5]
Trong đó:
- l : bước sóng chùm tia tới
- d : khoảng cách mặt nhiễu xạ
- : góc nhiễu xạ
- : là bậc nhiễu xạ
Qua phân tích về cấu trúc tia x và dựa vào định luật Bragg ta hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp nhiễu xạ X-Quang để xác định tỷ lệ pha của hợp kim cứng ba pha WC-TiC-Co.
Đây là phương pháp hiện đại có thể xác định chính xác tỷ phần pha dựa vào sự khác nhau về cấu tạo mạng tinh thể các pha . Các pha WC, TiC và Co có cấu trúc mạng với các hằng số mạng khác nhau. Pha WC, Co có kiểu mạng lục giác, còn pha TiC có kiểu mạng lập phương. Mà khả năng nhiễu xạ của các kiểu mạng tinh thể là khác nhau, sẽ cho các đỉnh nhiễu xạ ứng với các góc nhiễu xạ khác nhau.
Dựa vào vị trí góc nhiễu xạ của các đỉnh nhiễu xạ ta có thể xác định chính xác các pha trong vật liệu.
Dựa vào cường độ nhiễu xạ của các đỉnh nhiễu xạ hay năng lượng nhiễu xạ ta có thể xác định được tỷ phần pha trong vật liệu.
2.4. Cách xác định mặt nhiễu xạ từ ảnh nhiễu xạ
2.4.1. Xác định mặt nhiễu xạ của cấu trúc lục giác [ 8 ].
Khoảng cách giữa các mặt phẳng d, khoảng cách giữa các mặt lân cận trong mặt phẳng hkl, với các thông số mạng a của vật liệu có cấu trúc lục giác có thể được xác định từ phương trình:
Kết hợp với phương trình 2.3 ta có:
Trong đó:
- và là hằng số cho bất kỳ ảnh nhiễu xạ nào.
- 0, 1, 3, 4, 7, 9……….
- 0, 1, 4, 9, 16, 25, 36.........
v Các bước xác định chỉ số mặt nhiễu xạ:
- Bước 1: Xác định đỉnh nhiễu xạ và Tính giá trị cho mỗi đỉnh nhiễu xạ.
- Bước 2: Chia giá trị cho các số nguyên 3, 4, 7..........
- Bước 3: Tìm thương số chung nhỏ nhất ( LCQ).
- Bước 4: Lấy thương chung nhỏ nhất là A.
- Bước 5: Các đỉnh nhiễu xạ mà có thương nhỏ nhất đó chính là đỉnh hk0. Cho phép chúng ta xác định được chỉ số hk0 của các đỉnh nhiễu xạ.
- Bước 6: Trừ mỗi giá trị , ở đây
- Bước 7: Tìm giá trị thương số chung nhỏ nhất (LCQ), từ đây ta có thể xác định được đỉnh nhiễu xạ 00l. Trong hệ mạng lục giác thì đỉnh nhiễu xạ đầu là 002. Xác định từ phương trình:
khi h = 0, k=0 thì C=LCQ/l2=
- Bước 8: Tìm giá trị của mà có các hệ số 4,9…( bởi vì l = 1,2,3….
Và l2 = 1,4,9…..). những đặc điểm này nó sẽ biễu diễn cho đỉnh loại 00 l, có gán cho các chỉ số 004,009,……. Cũng lưu ý rằng các giá trị của 2 sẽ có một vài các giá trị được tìm thấy trong bước trên sẽ chỉ ra được chỉ số của đĩnh nhiễu xạ.
- Bước 9: Các đỉnh nhiễu xạ không phải là hk0, 00l có thể được xác định bằng cách sử dụng kết hợp hợp các giá trị A và C.
- Bước 10: Tính toán các thông số mạng từ các giá trị A và C.
2.4.2. Xác định mặt nhiễu xạ của cấu trúc lập phương. [ 8 ]
Khoảng cách giữa các mặt phẳng d, khoảng cách giữa các mặt lân cận trong mặt phẳng hkl với các thông số mạng a của vật liệu có cấu trúc lập phương có thể được xác định từ phương trrình:
Kết hợp phương trình 2.3 ta có:
Từ đó ta có:
Thừa số: là một hằng số cho bất kỳ ảnh nhiễu xạ nào và tỉ lệ với ( h2+k2+l2 ). Khi góc tăng, mặt phẳng với chỉ số Miller lớn hơn sẽ tham gia nhiễu xạ, có thể viết theo phương trình sau:
Trong hệ lập phương đối với mạng lập phương, phản xạ bậc nhất do phản xạ từ các mặt với chỉ số Miller kiểu: (100) cho lập phương đơn giản, (110) lập phương tâm khối, (111) lập phương tâm mặt. Tương ứng với tổng bình phương là 1, 2, 3.
Bằng cách chia các giá trị của các phản xạ khác nhau cho của các phản xạ bậc nhất và nhân các tỷ số thu được với số nguyên thích hợp thường là 2 hoặc 3 sẽ thu được các giá trị của hkl tương ứng. Sau đó đối chiếu với bảng tổng bình phương chỉ số Miller của hệ lập phương ( bảng 2.3) để tìm ra mặt nhiễu xạ thích hợp.
Bảng 2. 3: Tổng bình phương của chỉ số Miller [8]
|
Hệ lập phương tâm mặt |
Hệ lục giác |
||
|
h2+k2+l2 |
hkl |
h2+hk+k2 |
hk |
|
3 |
111 |
1 |
10 |
|
4 |
200 |
3 |
11 |
|
8 |
220 |
4 |
20 |
|
11 |
311 |
7 |
21 |
|
12 |
222 |
9 |
30 |
|
16 |
400 |
12 |
22 |
|
19 |
331 |
13 |
31 |
|
20 |
420 |
16 |
40 |
|
24 |
422 |
19 |
32 |
2.5. Cơ sở tính toán tỷ lệ pha dựa vào năng lượng nhiễu xạ toàn phần của mỗi pha.
2.5.1. Công thức tính tỷ lệ pha dựa vào năng lượng nhiễu xạ. [10]
Vì Năng lượng nhiễu xạ của mỗi pha tỷ lệ với số lượng tinh thể nhiễu xạ của mỗi pha tính cho toàn thể các mặt nhiễu xạ của mỗi pha, tức là nếu tỷ lệ một pha nào đó càng nhiều thì năng lượng nhiễu xạ ứng với pha đó càng lớn. Tỷ lệ pha tỷ lệ thuận với tỷ lệ tổng năng lượng nhiễu xạ từng pha ứng với các mặt nhiễu xạ và các bước sóng nhiễu xạ khác nhau. Tỷ lệ pha được xác định bằng:
( 2.4)
(2.5)
(2.6)
Trong đó:
- là tổng năng lượng nhiễu xạ của pha α của các mặt nhiễu xạ ứng với mỗi bước sóng nhiễu xạ .
- là tổng năng lượng nhiễu xạ của pha của các mặt nhiễu xạ ứng với mỗi bước sóng nhiễu xạ .
- là tổng năng lượng nhiễu xạ của pha của các mặt nhiễu xạ ứng với mỗi bước sóng nhiễu xạ .
- là năng lượng tán xạ hoặc nhiễu xạ tương đối của tạp chất.
2.5.2. Xác định năng lượng của mỗi pha. [ 10 ]
Năng lượng được tính bằng tổng tích phân tại mỗi đỉnh nhiễu xạ (hkl):
(2.7)
Trong đó: xk = 2( i - i-1) là bề rộng bước nhiễu xạ (step size).
yi : là cường độ nhiễu xạ x-quang tại góc nhiễu xạ 2i
n: là số điểm dữ liệu của đường nhiễu xạ, được lấy trong khoảng từ 4 đến 5 lần bề rộng trung bình của đường nhiễu xạ.
.......................................
CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN
5.1. Tóm tắt và đánh giá kết quả đề tài
Đề tài “Nghiên cứu hoàn thiện quy trình xác định tỷ lệ pha cho vật liệu nhiều pha sử dụng nhiễu xạ x-quang” đã đưa ra được một phương pháp tính toán trong việc xác định tỷ lệ pha của hợp kim cứng ba pha và quy trình xác định tỷ lệ pha cho vật liệu nhiều pha bằng phương pháp nhiễu xạ x-quang. Sau thời gian nghiên cứu các tài liệu về nhiễu xạ x-quang, các phương pháp xác định tỷ lệ pha và các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước. Đến nay tác giả đã hoàn thành đề tài với mục tiêu đề ra và đạt được những kết quả như sau:
- Phân tích, tổng hợp đưa ra công thức xác định tỷ lệ pha cho hợp kim cứng ba pha bằng phương pháp nhiễu xạ x-quang dựa vào năng lượng nhiễu xạ.
- Thiết lập được quy trình xác định tỷ lệ pha cho vật liệu nhiều pha sử dụng nhiễu xạ x-quang.
- Tính tỷ lệ pha của hợp kim cứng ba pha bằng phương pháp phân tích thành phần hóa học.
- Tính toán sai lệch chuẩn và dung sai trong phân tích định lượng pha sử dụng nhiễu xạ x-quang. Dung sai được xác định từ một lần đo ( 1 đường nhiễu xạ) mà không cần đo nhiều lần.
5.2. Kiến nghị hướng phát triển đề tài
Trong quá trình nghiên cứu về cách xác định tỷ lệ pha của vật liệu sử dụng nhiễu xạ x-quang em thấy cần phát triển đề tái theo các hướng sau:
- Tiến hành nhiều thí nghiệm hơn với nhiều loại ống phóng khác nhau để khảo xác sự thay đổi năng lượng nhiễu xạ và để năng cao hơn độ chính xác của phương pháp đo.
- Tiến hành đo với phạm vi quét rộng hơn ( ).
- Viết một phần mềm xác định tỷ lệ pha để tự động tính toán tỷ lệ pha sau khi đo đạt.
- Nghiên cứu mối quan hệ giữa tỷ lệ pha và cường độ từ tính.
- Sử dụng kết quả của đề tài để áp dụng cho việc kiểm định, xác định tỷ lệ pha cho vật liệu nhiều pha.
- Kết quả của đề tài mở ra một khả năng tận dụng các thiết bị nhiễu xạ X-quang tại những cơ sở không có điều kiện trang bị kính hiển vi để xác định tỷ lệ pha bằng phương pháp không tiếp xúc và không phá hủy, đồng thời có thể kết hợp xác định nhiều yếu tố cần đo đạc kiểm tra khác như kích thước hạt, ứng suất, thành phần hóa học, độ cứng….. hơn nữa phương pháp này dể dàng tự động hóa bằng máy tính và có khả năng tính toán sai lệch chuẩn và độ tin cậy của phép đo mà chỉ thông qua một lần đo duy nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Ngọc Long ( 2007). Vật lý chất rắn – Cấu trúc và các tính chất của vật rắn. NXB Đại học quốc gia Hà Nội.
[2]. Lê Công Dưỡng (1997). Vật liệu học. NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[3]. Nghiêm Hùng (1997). Giáo trình kim loại học và nhiệt luyện. Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh.
[4]. PGS.TS. Trần Văn Duy. Thép Hợp Kim, Hợp Kim, Quy Trình Công Nghệ Sản Xuất. NXB khoa học và kỹ thuật.
[5]. Phạm Ngọc Nguyên. Giáo trình Kỹ thuật phân tích Vật lý. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[6]. R.W. Cahn- Nguyễn Xuân Chánh- Vũ Đình Cự (1975), Kim loại học vật lý. NXB khoa học kỹ thuật.
[7]. Vũ Đình Cự (1997), Vật Lý Chất Rắn, NXB khoa học kỹ thuật , Hà Nội.
[8]. B. D. Cullity. Elements of X–ray Diffraction. Prentice Hall Upper Saddle River.
[9]. B.N. ARZAMAXOV. Vật Liệu Học. NXB Giáo dục, 2004.
[10]. Dr. Le Chi Cuong . A new method for phase quantitative determination for high strength doublex ferrite-austenite stainless steel using x-ray diffraction. The 2012 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2012).
[11]. Phan Thanh Vũ- Tính toán ứng suất pha của vật liệu hợp kim cứng ba pha WC-TiC-Co bằng nhiễu xạ X-Quang,Trường đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM, năm 2012.
[12]. Dilek Duman, Hasan Gökce, Hüseyin Cimenoglu. Synthesis, microstructure, and mechanical properties of WC–TiC–Co ceramic composites. Journal of the European Ceramic society 32 (2012) 1427-1433.
[13]. Y.F. Ivanov, V.P. Rotshtein, D.I. Proskurovsky . Pulsed electron-beam treatment of WC–TiC–Co hard-alloy cutting tools: wear resistance and microstructural evolution. Surface and Coatings Technology 125 (2000) 251-256.
[14]. M. Lee, R. S. Gilmore. Single crystal elastic constants of Tungsten monocarbide. Journal of Material Science 17 (1982) 2657-2660.
[15]. J.G. Berryman. Bounds and self-consistent estimates for elastic constants of random polycrystals with hexagonal, trigonal, and tetragonal symmetries. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2004.
[16]. Hughes. Method to determine the phase composion of Cement. United states paten.
[17]. Bob B. H., Two-dimensional x-ray diffraction, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2009.
[18]. John E. Bringas. Handbook of comparative world steel standards. ASTM International, Third Editor, 2004.
[19]. Standard X-ray diffraction powder patterns. U.S. Deparment of commerce/ National Bureau of Standards, Section 18.
[20]. James R. Connolly, Introduction Quantitative X-Ray Diffraction Methods, Spring, 2010.
[21]. Fujimura, Quantitative Measuring Method and Apparatus of Metal Phase Using Xray Diffraction Method and Method for Making Plated Steel Sheet Using Them, US Patent, 2004.
[22]. P. N. Kalu, Indexing Xray Diffraction, Nhà xuất bản Spring, 2005.
[23]. Mario Birkholz. Thin film analysis by x-ray scattering. Wiley – VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 2006.
[24]. Advances in X-ray Analysis. http://www.icdd.com/resources/axasearch/search_based_on_vol.asp.
[25]. Electropolishing, www.metallographic.com.
[26]. http://www.webqc.org/mmcalc.php.
