Tài liệu luận văn tốt nghiệp môn vật lý

Më ®Çu 1. Lý do chän ®Ò tµi Kü thuËt nguéi nhanh trùc tiÕp tõ thÓ láng víi tèc ®é nguéi cì 10 5 – 106 (K/s) ®· cho ra ®êi mét lo¹i tr¹ng th¸i míi cña kim lo¹i, hîp kim: tr¹ng th¸i v« ®Þnh h×nh (V§H). VÒ mÆt c«ng nghÖ, kü thuËt nguéi nhanh cho phÐp chÕ t¹o hîp kim díi d¹ng b¨ng máng, cã ®é dµy tõ 20 – 30  m, trùc tiÕp tõ hîp kim nãng ch¶y, kÕt hîp trong ®ã tÊt c¶ c¸c c«ng ®o¹n cña c«ng nghÖ luyÖn kim truyÒn thèng. VÒ mÆt cÊu tróc vi m«, hîp kim V§H kh¸c h¼n c¸c hîp kim truyÒn thèng: kh«ng tån t¹i trËt tù xa, c¸c kh¸i niÖm vÒ h¹t, biªn h¹t, c¸c sai háng ®Òu thay ®æi c¬ b¶n. NÕu sö dông ng«n ng÷ tinh thÓ häc th«ng thêng, cã thÓ quan niÖm: hîp kim V§H nh mét hÖ tinh thÓ víi mËt ®é sai háng rÊt cao vµ bao gåm c¸c h¹t tinh thÓ siªu nhá (1nm) ghÐp nèi víi nhau qua líp biªn h¹t lµ nÒn V§H. Do c¸c “h¹t” lµ siªu mÞn, nªn tØ phÇn biªn h¹t trë nªn rÊt lín. VÒ mÆt thµnh phÇn ho¸ häc, hîp kim nguéi nhanh cã thÓ cã thµnh phÇn gÇn víi thµnh phÇn hîp kim láng, tøc lµ: mét mÆt nã ®ång nhÊt vÒ mÆt ho¸ häc, mÆt kh¸c giíi h¹n thµnh phÇn ®îc më réng rÊt ®¸ng kÓ so víi gi¶n ®å tr¹ng th¸i c©n b»ng ®èi víi pha r¾n tinh thÓ. §Æc ®iÓm cuèi cïng nµy ®îc sö dông ®Ó t¹o ra c¸c dung dÞch r¾n chøa c¸c yÕu tè hÇu nh kh«ng cã kh¶ n¨ng hoµ tan vµo nhau trong tr¹ng th¸i tinh thÓ, ®ã lµ c¸c hîp kim V§H nÒn Fe (FeB, FeSiB - M, FeZrB - M, ...) vµ nÒn Co (CoB, CoSiB, CoBAl, ...). Sù kh«ng æn ®Þnh vÒ cÊu tróc vi m« vèn cã cña hîp kim V§H nãi chung ®· dÉn tíi sù vît qu¸ ranh giíi hoµ tan cña Cu, Nb, Zr, B, ... trong Fe, ®· t¹o ra kh¶ n¨ng ph©n bè l¹i thµnh phÇn hîp kim. KÕt qu¶ lµ xuÊt hiÖn c¸c vïng giµu Fe. Vïng nµy ®îc bao quanh bëi c¸c vïng giµu Cu, Nb, B, Zr, ... víi ®é æn ®Þnh cao, cã kh¶ n¨ng ng¨n c¶n sù ph¸t triÓn cña c¸c h¹t tinh thÓ Fe khi nhiÖt ®é tíi nhiÖt ®é kÕt tinh cña Fe. §©y chÝnh lµ c¬ chÕ chñ yÕu cña qu¸ tr×nh chuyÓn pha trong tr¹ng th¸i r¾n: tõ pha V§H sang pha nan« tinh thÓ. VËt liÖu cã cÊu tróc nan« ®îc quan t©m tríc hÕt lµ vËt liÖu tõ mÒm. C¸c vËt liÖu nµy cã cÊu tróc ®a pha s¾t tõ: c¸c h¹t   Fe kÝch thíc nan«mÐt ph©n bè ®Òu trªn nÒn V§H cßn d. C¸c h¹t s¾t tõ kÝch thíc (D) nhá h¬n ®é dµi t¬ng t¸c trao ®æi s¾t tõ (Lex) lµm cho dÞ híng tõ tinh thÓ (K) gi¶m dÇn tíi 0. Tuú 1 thuéc vµo thµnh phÇn hîp kim vµ chÕ ®é xö lý nhiÖt, tõ gi¶o (  ) cña pha   Fe vµ pha V§H tr¸i dÊu sÏ lµm cho tõ gi¶o hiÖu dông ( S ) cña c¶ hÖ b»ng 0, ®ã chÝnh lµ nguyªn nh©n dÉn tíi tÝnh tõ mÒm cao cña hä vËt liÖu nµy. Nång ®é cña c¸c ph©n tö Fe tõ 70 – 90% nguyªn tö (®îc ph©n lo¹i mét c¸ch íc lÖ thµnh nhãm c¸c nanoperm t¬ng øng) b¶o ®¶m cho tõ ®é b·o hoµ cña c¸c hîp kim nµy lín ®¸ng kÓ (tõ 1,5 – 1,7T). Trªn c¬ së c¸c nguyªn lý nªu trªn, ®Ó cã ®îc c¸c tÝnh chÊt tõ mÒm tèt, rÊt nhiÒu vÊn ®Ò thuéc vÒ c«ng nghÖ cÇn ®îc nghiªn cøu mét c¸ch chi tiÕt. Bªn c¹nh ®ã, ¶nh hëng cña thµnh phÇn hîp kim trong ®ã cã thµnh phÇn cña c¸c nguyªn tö tõ (Fe, Co), c¸c nguyªn tö kim lo¹i (Cu, Nb, W, Mo, Zr), c¸c nguyªn tè ¸ kim (B, Si)... lªn cÊu tróc vi m« (kÝch thíc h¹t, tØ phÇn pha tinh thÓ vµ pha V§H), lªn h»ng sè tõ gi¶o; ¶nh hëng cña chÕ ®é xö lý nhiÖt (nhiÖt ®é ñ, thêi gian ñ, m«i trêng ñ vµ tõ trêng) lªn thµnh phÇn pha, tè chøc tÕ vi vµ c¸c tÝnh chÊt tõ, lµ c¸c th«ng sè c¬ b¶n ®Ó ®¸nh gi¸ phÈm chÊt tõ cña c¸c vËt liÖu tõ còng cÇn ®îc nghiªn cøu mét c¸ch s©u s¾c. TÝnh chÊt tõ mÒm cña vËt liÖu nano tinh thÓ cÇn ®îc nghiªn cøu, ®¸nh gi¸ kh«ng nh÷ng trong trêng tõ ho¸ mét chiÒu mµ c¶ trong trêng xoay chiÒu (ë d¶i tÇn sè thÝch hîp). VÒ ph¬ng diÖn sö dông, viÖc ®Þnh lîng c¸c th«ng sè vÒ tæn hao s¾t tõ (bao gåm c¶ tæn hao tõ trÔ vµ tæn hao dßng xo¸y) lµ rÊt quan träng. C¸c gi¸ trÞ cña ®é tõ thÈm thùc, ®é tõ thÈm ¶o, sù phô thuéc cña ®é tõ thÈm vµo tÇn sè,... còng rÊt cã ý nghÜa trong viÖc thiÕt kÕ c¸c m¹ch tõ. VËt liÖu tõ nan« tinh thÓ (finemet vµ nanoperm) lµ vËt liÖu tõ tiªn tiÕn hiÖn nay, víi cÊu tróc ®a pha phøc t¹p vµ c¸c tÝnh chÊt tõ ®Æc biÖt ®ang thu hót rÊt m¹nh sù quan t©m cña giíi tõ häc. HiÖu øng tõ nhiÖt (MCE) lµ sù ®èt nãng hay lµm l¹nh vËt liÖu tõ díi t¸c dông cña tõ trêng tõ ho¸ ®o¹n nhiÖt. Muèn cã biÕn thiªn entropy tõ ( Sm ) lín vËt liÖu ph¶i ®¶m b¶o cã tõ ®é b·o hoµ lín lÉn chuyÓn pha s¾t tõ – thuËn tõ s¾c nÐt. §iÒu rÊt quan träng cã ý nghÜa trong thùc tiÔn lµ ®iÓm chuyÓn pha s¾t tõ – thuËn tõ ph¶i gÇn nhiÖt ®é phßng vµ b·o hoµ tõ x¶y trong trêng nhá. ViÖc nghiªn cøu vÒ hiÖu øng tõ nhiÖt, ®Æc biÖt lµ hiÖu øng tõ nhiÖt ë vËt liÖu tõ nguéi nhanh nÒn Fe lµ mét xu híng s«i næi vµ m¹nh mÏ ë trªn toµn thÕ giíi trong thêi ®iÓm hiÖn t¹i. ChÝnh v× nh÷ng lý do nªu trªn vµ víi lßng say mª nghiªn cøu khoa häc em ®· m¹nh d¹n ®i vµo ®Ò tµi kho¸ luËn lµ: 2 “T×m hiÓu hiÖu øng tõ nhiÖt ë vËt liÖu tõ nguéi nhanh nÒn Fe“. 2. Môc tiªu vµ nhiÖm vô nghiªn cøu 2.1. Môc tiªu - T×m hiÓu hiÖu øng tõ nhiÖt ë vËt liÖu tõ nguéi nhanh nÒn Fe. 2.2. NhiÖm vô - T×m hiÓu lý thuyÕt vÒ hiÖu øng tõ nhiÖt. 3. §èi tîng vµ ph¹m vi nghiªn cøu - §èi tîng: VËt liÖu tõ nguéi nhanh nÒn Fe. - Ph¹m vi: HiÖu øng tõ nhiÖt ë vËt liÖu tõ v« ®Þnh h×nh trªn c¬ së finemet. 4. Ph¬ng ph¸p nghiªn cøu - Tra cøu tµi liÖu kÕt hîp víi thùc nghiÖm, th¶o luËn vµ ®¸nh gi¸. 3 Néi dung Ch¬ng 1: VËt liÖu tõ nguéi nhanh nÒn Fe 1.1. VËt liÖu tõ v« ®Þnh h×nh (V§H) nÒn Fe 1.1.1. §¹i c¬ng vÒ tr¹ng th¸i cña vËt liÖu V§H Kim lo¹i vµ hîp kim cña chóng ®· ®îc con ngêi biÕt ®Õn vµ sö dông lµm c«ng cô lao ®éng tõ l©u. Trong thêi gian dµi ®ã cã rÊt nhiÒu kim lo¹i vµ hîp kim cã thµnh phÇn cÊu tróc vµ ®Æc tÝnh rÊt ®Æc biÖt nh tÝnh siªu bÒn, siªu cøng,tÝnh dÎo vµ nhÑ .v.v.. Ngoµi ra nã cßn cho c¸c tÝnh chÊt vÒ ®iÖn tõ nh ®iÖn trë suÊt thÊp, tÝnh tõ cøng, tõ mÒm ®· ®îc sö dông. Tuy nhiªn tÊt c¶ c¸c kim lo¹i vµ hîp kim ®ã cã cïng mét lo¹i cÊu tróc. §ã lµ cÊu tróc h¹t tinh thÓ. Cho ®Õn gi÷a thÕ kØ XX ngêi ta míi t×m thÊy vµ chÕ t¹o ra mét vËt liÖu hîp kim víi tr¹ng th¸i míi. §ã lµ vËt liÖu V§H. C¸c vËt liÖu V§H ®îc gäi lµ kim lo¹i vµ hîp kim trong ®ã kh«ng tån t¹i trËt tù xa trong sù ph©n bè c¸c nguyªn tö. Ngoµi ra, ngêi ta còng thêng gäi nh÷ng vËt liÖu ®ã lµ nh÷ng vËt liÖu thuû tinh hoÆc lµ nh÷ng kim lo¹i kh«ng tinh thÓ. Ngêi ta thÊy r»ng pha r¾n kh«ng tinh thÓ t¬ng ®¬ng víi tr¹ng th¸i r¾n gi¶ bÒn vµ cã thÓ nhËn b»ng nhiÒu ph¬ng ph¸p kh¸c nhau bao gåm c¶ viÖc lµm r¾n b»ng c¸ch ®«ng cøng tõ pha láng hoÆc pha h¬i b»ng sù ngng tô ho¸ häc tõ dung dÞch hoÆc tõ chÊt ®iÖn ly. ThËm chÝ cã thÓ b»ng ph¬ng ph¸p chiÕu vËt liÖu tinh thÓ b»ng c¸c ion hay lµ c¸c h¹t trung hoµ cã n¨ng lîng cao. VËt r¾n kh«ng tinh thÓ hay vËt liÖu V§H cã thÓ nhËn ®îc b»ng c¸ch nguéi nhanh tõ thÓ láng. Tr¹ng th¸i V§H ®ã ®ßi hái cÇn ph¶i lµm nguéi nhanh víi tèc ®é h¹ nhiÖt lín ®Ó cã thÓ vît qua qu¸ tr×nh h×nh thµnh tr¹ng th¸i tinh thÓ. KÕt qu¶ cuèi cïng lµ nhê qu¸ tr×nh nguéi nhanh mµ ph¸ vì ®îc trËt tù s¾p xÕp cña c¸c ph©n tö. VÊn ®Ò thuû tinh ho¸ mét chÊt dÔ dµng ®îc thùc hiÖn nh thÓ silic¸t polince h÷u c¬ chØ cÇn h¹ nhiÖt tõ tõ lµ ®îc. Nhng ®èi víi vËt liÖu V§H th× ph¶i cã tèc ®é h¹ nhiÖt nhanh. B×nh thêng tèc ®é h¹ nhiÖt vµo kho¶ng gÇn 106 K.s-1. Riªng ®èi víi vËt liÖu tõ V§H tån t¹i hai hoÆc ba d¹ng vËt liÖu kh¸c nhau, ®ã lµ hîp kim gåm kim lo¹i chuyÓn tiÕp _ ¸ kim (M _ M) , kim lo¹i ®Êt hiÕm víi kim lo¹i chuyÓn tiÕp (PzM _ M) vµ cã thÓ cña c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp víi muèi h¸pn¸t (Hf) hoÆc xiriconi (Zr). Sù cho vµo hîp kim mét sè thµnh phÇn lµ cÇn thiÕt cho c¸c viÖc sau: H¹ nhiÖt ®é nãng ch¶y vµ ®¶m b¶o 4 h¹ nhiÖt ®é ®ñ nhanh cña chÊt láng xuèng díi nhiÖt ®é thuû tinh ®Ó t¹o ®îc pha V§H. Do cÊu tróc trËt tù gÇn cña vËt liÖu V§H mµ nã cho chóng ta mét sè tÝnh chÊt kh¸c thêng vÒ c¬ häc nh chÞu ®îc lùc nÐn, lùc kÐo cao, c¸c tÝnh chÊt vÒ ®iÖn, tõ tÝnh cao vµ nã cho sù bÒn v÷ng trong viÖc chèng l¹i sù ¨n mßn kim lo¹i. ThËm chÝ trong nhiÒu trêng hîp th× ®é gi·n në nhiÖt gÇn b»ng kh«ng v.v.. ChÝnh v× thÕ mµ vËt liÖu V§H ngµy cµng ®îc mäi ngêi chó t©m nghiªn cøu nªn nã xuÊt hiÖn ngµy cµng nhiÒu. Chóng cã qui m« s¶n xuÊt còng nh øng dông ngµy cµng réng r·i h¬n trong cuéc sèng. 1.1.2. Hîp kim V§H Tõ c¸c tri thøc trªn vÒ tr¹ng th¸i V§H, ta thÊy nÕu ®i tõ tr¹ng th¸i tinh thÓ th× c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp cho chóng ta tõ tÝnh nh s¾t, coban, niken, m¨ngan... lµ nh÷ng chÊt s¾t tõ ®Çu tiªn mµ con ngêi ph¸t hiÖn ra cho ®Õn s¾t tõ kim lo¹i V§H - lµ nh÷ng hîp kim cã kim lo¹i chuyÓn tiÕp vµ thªm thµnh phÇn ¸ kim nh nh B, P, C... (lµ c¸c chÊt æn ®Þnh tr¹ng th¸i V§H). Hîp kim V§H lµ mét lo¹i vËt liÖu ®îc t¹o thµnh tõ c¸c chÊt cã cÊu tróc tõ c¸c h¹t v« cïng nhá, kÝch thíc c¸c h¹t vµo cì gÇn 10 -9 m. Ngêi ta dùa trªn c¸c m« h×nh sau ®Ó gi¶i thÝch c¸c tÝnh chÊt cña nã: a) M« h×nh ph«i thai tinh thÓ M« h×nh ph«i thai tinh thÓ cho hîp kim V§H lµ bao quanh mçi vïng ph«i thai lµ nh÷ng vïng biªn kh«ng cã trËt tù. C¸c tæ hîp ba chiÒu ®îc x©y dùng b»ng m¸y tÝnh víi ®iÒu kiÖn tuÇn hoµn. Sè nguyªn tö cho mçi ph«i thai lµ 50 vµ gi÷a c¸c ph«i thai cã sù ®Þnh híng kh«ng gian ngÉu nhiªn. b) M« h×nh c¸c qu¶ cÇu xÕp chÆt ngÉu nhiªn(M« h×nh Bernal) M« h×nh Bernal ®· ®îc nhiÒu t¸c gi¶ ph¸t triÓn ®Ó nghiªn cøu cÊu tróc V§H. C¸c kÕt qu¶ thu ®îc cho thÊy m« h×nh nµy lµ mét tiÕp cËn ®óng ®¾n so víi c¸c m« h×nh kh¸c. M« h×nh bernal m« t¶ mét chÊt láng ®¬n gi¶n trong ®ã c¸c cÊu tö lµ c¸c qu¶ cÇu r¾n nh nhau ®îc bã chÆt mét c¸ch nhÉu nhiªn sao cho hÖ cã mËt ®é cùc ®¹i. ViÖc bã chÆt nµy hoµn toµn kh¸c víi cÊu tróc lËp ph¬ng t©m mÆt vµ cÊu tróc lôc gi¸c xÕp chÆt v× cÊu tróc bªn ngoµi ®ßi hái cã mËt ®é cao cßn ph¶i cã m¹ng tinh thÓ nhÊt ®Þnh. Bøc tranh vÒ cÊu tróc Bernal ®îc vÏ trªn h×nh1.1. 5 Pd Si H×nh 1.1: M« h×nh Bernal. Sù s¾p xÕp c¸c viªn bi cho thÊy hoµn toµn kh«ng cã sù kÕt tinh nµo. Tuy nhiªn tõ viÖc ®o ®¹c to¹ ®é c¸c viªn bi ngêi ta kÕt luËn lµ trong sù hçn hîp c¸c viªn bi nµy còng tån t¹i mét cÊu tróc nhÊt ®Þnh. Do vËy c¸c tÝnh chÊt cña hîp kim V§H nh thÕ nµo lµ phô thuéc vµo thµnh phÇn hîp kim vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o ra nã. §Ó nhËn ®îc hîp kim V§H ta thÊy r»ng trong c¸c c«ng nghÖ cÇn ph¶i tu©n theo hai yÕu tè sau: + Thø nhÊt lµ ph¶i lµm sao gi¶m ®i sù di ®éng cña c¸c nguyªn tö, c¸c ion hoÆc ph©n tö cña c¸c chÊt t¹o thµnh hîp kim V§H. + Thø hai lµ do tr¹ng th¸i V§H lµ tr¹ng th¸i kh«ng c©n b»ng. Tr¹ng th¸i ®ã kh«ng t¬ng øng víi n¨ng lîng cùc tiÓu, v× vËy nã dÔ dµng chuyÓn sang tr¹ng th¸i tinh thÓ cã cÊu tróc æn ®Þnh h¬n. Do ®ã ta cÇn ph¶i khèng chÕ qu¸ tr×nh chuyÓn pha tõ tr¹ng th¸i V§H sang tr¹ng th¸i tinh thÓ. V× vËy ta cÇn ph¶i gi¶m ®îc hoÆc øc chÕ qu¸ tr×nh ph¸t triÓn kÝch thíc h¹t tinh thÓ. Cã nh vËy ngêi ta míi chÕ t¹o ®îc vËt liÖu cã cÊu tróc tõ nh÷ng h¹t v« cïng nhá. §Ó thùc hiÖn ®îc c¸c viÖc trªn, hiÖn nay ngêi ta nhËn thÊy tèt h¬n c¶ lµ dïng vËt liÖu V§H díi d¹ng d¸t máng hoÆc dïng díi d¹ng mµng máng kim lo¹i. Do vËy con ngêi ®· ¸p dông c«ng nghÖ sau ®Ó s¶n xuÊt ra vÊt liÖu V§H 1.1.3. C«ng nghÖ chÕ t¹o vËt liÖu V§H a) C«ng nghÖ t«i - ngng tô mét lîng nhá hîp kim vµ ¸p dông ph¬ng ph¸p phun nhanh m¹nh ra ngoµi kh«ng khÝ díi nhiÖt ®é b×nh thêng ®Ó nhiÖt ®é 6 cña hîp kim h¹ nhanh b»ng nhiÖt ®é cña m«i trêng. Ngêi ta ®· thùc hiÖn vµ ®¸nh gi¸ ph¬ng ph¸p nµy nh sau: kim lo¹i hay hîp kim cã thÓ h¹ nhanh nhiÖt ®é tõ thÓ láng tíi thÓ r¾n. Tèc ®é h¹ nhiÖt gÇn 106 K.s-1. b) C«ng nghÖ t«i - ngng tô ë pha h¬i kim lo¹i, hîp kim trong ch©n kh«ng hoÆc khÝ kÐm lµm cho hîp kim chuyÓn tõ d¹ng tinh thÓ tíi d¹ng V§H. Néi dung c¬ b¶n cña ph¬ng ph¸p nµy lµ l¾p ghÐp c¸c nguyªn tö lªn nhau trªn mét ®Õ (nÒn) trong m«i trêng ch©n kh«ng, khÝ kÐm. NÕu ®é linh ®éng cña c¸c nguyªn tö nhá th× kh¶ n¨ng nhËn ®îc cÊu tróc V§H lµ lín. Ph¬ng ph¸p chÕ t¹o nµy ph¶i dïng c¬ b¶n lµ kim lo¹i, hîp kim ®îc ®Æt trong ch©n kh«ng hoÆc khÝ kÐm. Khi cã dßng ®iÖn ch¹y qua sîi kim lo¹i ®Æt trong ®ã c¸c kim lo¹i thµnh phÇn bÞ nung nãng, ch¶y láng vµ bay h¬i b¸m lªn bÒ mÆt ®Õ (nÒn). Ph¬ng ph¸p nµy cho phÐp chÕ t¹o c¸c mµng kim lo¹i V§H máng cì 10 -2  10-4 m. c) Ph¬ng ph¸p lµm cho hîp kim kÕt tña b»ng tia löa ®iÖn: Ph¬ng ph¸p nµy còng gÇn gièng ph¬ng ph¸p t«i - ngng ë pha h¬n kim lo¹i trong ch©n kh«ng vµ khÝ kÐm v× néi dung cña nã còng lµ l¾p ghÐp c¸c nguyªn tö lªn nhau trong dung dÞch ®iÖn ly. Trong trêng hîp nµy c¸c líp hîp kim V§H cã thÓ dµy tíi vµi milimÐt. d) C«ng nghÖ b¾n ph¸ bÒ mÆt kim lo¹i b»ng c¸c tia n¨ng nîng vµ sãng xung kÝch: Khi bÞ b¾n ph¸ cÊu tróc tinh thÓ trªn líp bÒ mÆt kim lo¹i cã thÓ bÞ b¾n ph¸ b»ng c¸c tia n¨ng lîng cao (n¬tr«n, ion) hoÆc b»ng sãng xung kÝch. Tõ ®ã ph¸ bá trËt tù cÊu tróc tinh thÓ díi t¸c ®éng cña sãng xung kÝch. C¸c tia nµy lµm t¨ng mËt ®é sai háng trong tinh thÓ hoÆc cÊy vµo tinh thÓ c¸c ion míi. KÕt qu¶ lµ cÊu tróc trËt tù tinh thÓ bÞ mÊt ®i. Trªn bÒ mÆt xuÊt hiÖn líp V§H. e) C«ng nghÖ phun ph©n t¸n katèt. f) C«ng nghÖ thuû ph©n gi÷a pha phèi khÝ vµ dung dÞch níc. g) Ph¬ng ph¸p lµm sao cho dung dÞch h÷u c¬ kÕt tña (l¾ng ®äng). h) Ph¬ng ph¸p th¶ bom c¸c h¹t trung hoµ vµo tinh thÓ. B»ng ph¬ng ph¸p nµy cã thÓ cÊy ghÐp c¸c nguyªn tö vµo m¹ng tinh thÓ. i) KÕt hîp t¸c ®éng ¸p suÊt cao vµ ®iÖn ¸p ch¹y. HiÖn nay ngêi ta thêng sö dông hai c«ng nghÖ ®Çu tiªn ®Ó thu ®îc vËt liÖu V§H. Cßn c¸c c«ng nghÖ tiÕp theo th× tuú tõng vËt liÖu vµ ®iÒu kiÖn m«i trêng mµ ¸p dông. 7 + §èi víi c«ng nghÖ thø nhÊt th× ®©y lµ ph¬ng ph¸p chÕ t¹o hîp kim V§H quan träng nhÊt v× ph¬ng ph¸p nµy cã n¨ng suÊt cao, s¶n phÈm t¹o ra cã kÝch thíc lín, cã ý nghÜa øng dông thùc tÕ ngay. C«ng nghÖ nguéi nhanh trùc tiÕp tõ thÓ láng lµ mét c«ng nghÖ Ýt c«ng ®o¹n cña qu¸ tr×nh s¶n xuÊt v× c¸c qu¸ tr×nh nãng ch¶y, ®«ng cøng vµ t¹o thµnh s¶n phÈm ®Òu ®îc thùc hiÖn nèi tiÕp nhau liªn tôc hay nãi c¸ch kh¸c lµ qui tr×nh ®îc thùc hiÖn mét c¸ch liªn hoµn vµ hÇu nh ®ång thêi. C«ng nghÖ nµy cã n¨ng suÊt cao, mçi gi©y cã thÓ ®¹t ®îc 25 m b¨ng V§H. Mçi mÎ s¶n xuÊt cã thÓ lªn ®Õn tõ 50 - 100kg. Vµ cho phÐp chÕ t¹o c¸c b¨ng réng tíi 100mm. Nãi chung, c«ng nghÖ nguéi nhanh tõ thÓ láng lµ c«ng nghÖ cao nhng l¹i kh«ng qu¸ phøc t¹p. + §èi víi c«ng nghÖ thø hai: T«i - ngng tô ë pha h¬i trong ch©n kh«ng hoÆc khÝ kÐm. Nã ®îc lµm trong sù ngng kÕt cña khÝ ®¬n gi¶n hoÆc phøc t¹p tuú theo thµnh cña chÊt trªn gi¸ ®ì (®Öm). Víi tÝnh chÊt lµ cã nhiÖt ®é thÊp vµ ®é dÉn nhiÖt cao. C¶ hai yÕu tè trªn cÇn ph¶i cã ®Ó h¹n chÕ sù di ®éng cña chÊt ngng tô trªn nÒn ®Öm. V× pha h¬i kh«ng cã míi liªn kÕt h÷u c¬ trong viÖc hoµ tan c¸c thµnh phÇn hîp kim nªn b»ng ph¬ng ph¸p nµy cã thÓ t¹o ®îc sù ®ång nhÊt ho¸ häc cao, tÝnh gi¶ bÒn cao cña c¸c dung dÞch r¾n. Trong mét kho¶ng réng nång ®é c¸c thµnh phÇn kh«ng tån t¹i viÖc hoµ tan trong thÓ r¾n vµ thËm chÝ ë tr¹ng th¸i c©n b»ng láng. Nªn ph¬ng ph¸p nµy dïng ®Ó t¹o ra vËt liÖu V§H ,nã ®îc lµm tõ nh÷ng n¨m 40 cña thÕ kØ XX. Tãm l¹i, vËt liÖu V§H cã thÓ chÕ t¹o ®îc tõ thÓ láng, thÓ h¬i vµ thÓ r¾n b»ng c¸c ph¬ng ph¸p ®· nªu ë trªn. 1.1.4. CÊu tróc vi m« cña vËt liÖu V§H + Ta nhËn thÊy trong vËt liÖu V§H nã tån t¹i t¸c dông gÇn, trËt tù gÇn gi÷a c¸c nguyªn tö, ion hoÆc ph©n tö. TrËt tù gÇn gi÷a c¸c nguyªn tö, ion ë ®©y ta nªn hiÓu lµ t¸c dông gi÷a chóng chØ xuÊt hiÖn ë giíi h¹n kh«ng vît qu¸ kÝch thíc vµi nguyªn tö. Sù tån t¹i trËt tù gÇn cña c¸c nguyªn tö vÉn gi÷ ®îc tÝnh chÊt vËt lý cña nã, nhÊt lµ c¸c tÝnh chÊt tõ cña lo¹i vËt liÖu nµy . + Sù cã mÆt cña c¸c ®a diÖn 12 mÆt hoÆc cao h¬n lµm mÊt tÝnh ®èi xøng tÞnh tiÕn vµ kh«ng tån t¹i t¸c ®éng xa vµ trËt tù xa cña c¸c nguyªn tö, ion hoÆc ph©n tö trong lo¹i vËt liÖu nµy. V× vËy, vËt liÖu V§H lµ vËt liÖu siªu mÞn nhÊt . 8 + C¸c kh¸i niÖm h¹t tinh thÓ, biªn giíi h¹t, lÖch m¹ng, ...trong vËt liÖu V§H hÇu nh kh«ng cã . + Sè to¹ ®é gÇn 12 cho phÐp quan niÖm r»ng trong vËt liÖu V§H tån t¹i cÊu tróc xÕp chÆt nh÷ng qu¶ cÇu cøng l¹i víi nhau (®©y lµ m« h×nh Bernal). + ChÊt r¾n V§H ®îc h×nh thµnh khi ®é sÖt t¨ng tõ 10-1 Pa.s (tr¹ng th¸i láng) tíi 1012 Pa.s lµm gi¶m m¹nh kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña c¸c nguyªn tö vèn cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh kÕt tinh. §é sÖt trªn ®¹t ®îc t¹i nhiÖt ®é thuû tinh ho¸ Tg, t¹i ®©y c¸c ®¹i lîng nhiÖt ®éng nh thÓ tÝch riªng, entalpy kh«ng thay ®æi ®ét biÕn tøc lµ kh«ng t¬ng øng víi chuyÓn pha lo¹i mét. Tuy nhiªn ®©y kh«ng ph¶i lµ chuyÓn pha lo¹i hai v× Tg kh«ng ph¶i lµ h»ng sè mµ thay ®æi theo tèc ®é nguéi. + Khi tèc ®é nguéi ®¹t gÇn víi 10 6 K.s-1 gi¶n ®å pha kh«ng cßn n÷a, biªn giíi hoµ tan ®îc më réng ®¸ng kÓ, nhê ®ã b»ng ph¬ng ph¸p nguéi nhanh tõ thÓ láng cã thÓ t¹o ra ®îc c¸c hîp kim ®a nguyªn tè vµ cã thµnh phÇn dêng nh bÊt kú. ViÖc ®«ng cøng tõ thÓ láng lµm cho ®é ®ång nhÊt ho¸ häc cña c¸c vËt liÖu V§H rÊt cao t¬ng tù sù ®ång nhÊt ho¸ häc cã trong tr¹ng th¸i láng. + §é ®ång nhÊt lý tëng trong vËt liÖu V§H sÏ gi¶i thÝch tÝnh chèng gØ cao, c¸c t¬ng t¸c gi÷a c¸c nguyªn tö kim lo¹i vµ c¸c nguyªn tö ¸ kim trong hîp kim V§H ®a thµnh phÇn cã thÓ gi¶i thÝch ®é cøng cao cña c¸c vËt liÖu V§H. Cã thÓ nãi r»ng vËt liÖu V§H cã tæ hîp c¸c tÝnh lý - ho¸ cao. Riªng vÒ tÝnh chÊt tõ, vËt liÖu tõ mÒm nan« tinh thÓ lµ vËt liÖu tõ mÒm tèt nhÊt mµ c¸c vËt liÖu tõ luyÖn b»ng c¸c ph¬ng ph¸p kinh ®iÓn kh«ng thÓ ®¹t ®îc . + Tõ n¨m 1998 xuÊt hiÖn c¸c hîp kim nan« tinh thÓ tõ mÒm vµ tõ cøng víi tæ hîp c¸c tÝnh chÊt tõ rÊt tèt, vît xa c¸c hîp kim tõ V§H vµ nhiÒu vËt liÖu tõ kinh ®iÓn kh¸c. C¸c hîp kim nano tinh thÓ nhËn ®îc chñ yÕu b»ng c¸ch kÕt tinh c¸c hîp kim V§H trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh. C¸c ®iÒu kiÖn ®ã lµ: - T¹o nhiÒu mÇm kÕt tinh vµ h¹n chÕ tèc ®é ph¸t triÓn c¸c mÇm kÕt tinh ®ã. - C¸c hîp kim V§H tõ mÒm ®iÓn h×nh lµ FeBSi ®îc bæ sung mét lîng nhá c¸c nguyªn tè kim lo¹i. C¸c nguyªn tè nµy ph¶i tu©n theo hai yªu cÇu sau: 1- RÊt Ýt hoµ tan trong  -Fe. 2- Cã nhiÖt ®é kÕt tinh (nhiÖt ®é nãng ch¶y) cao. TÊt c¶ c¸c nguyªn tè trªn buéc ph¶i hoµ tan trong Fe trong qu¸ tr×nh nguéi nhanh, tuy nhiªn khi t¨ng nhiÖt ®é ñ, c¸c nguyªn tè bæ xung ®ã nh Cu, 9 Nb vèn kh«ng tan trong Fe cã thÓ cã c¬ héi t¸ch khái Fe. KÕt qu¶ lµ trong hîp kim V§H xuÊt hiÖn c¸c vïng giµu Fe cã nhiÖt ®é kÕt tinh T' thÊp vµ vïng giµu Cu vµ Nb cã nhiÖt ®é kÕt tinh T'' cao. NÕu nhiÖt ®é ñ Ta b»ng T' < Ta < T'', vïng giµu Fe sÏ kÕt tinh t¹o thµnh c¸c tinh thÓ  _Fe bÞ bao bäc bëi vïng giµu Cu, Nb kh«ng kÕt tinh vµ gi÷ nguyªn cÊu tróc V§H. Nh vËy c¸c h¹t tinh thÓ Fe kh«ng thÓ ph¸t triÓn ®îc, kÝch thíc cña chóng bÞ h¹n chÕ trong kho¶ng 10 – 30 nm vµ ph©n bè ®Òu trªn nÒn pha v« ®Þnh h×nh d giµu Cu vµ Nb. Nh vËy ta thÊy r»ng b»ng c¸ch bæ sung kim lo¹i vµ cã nhiÖt ®é ñ thÝch hîp , hîp kim V§H sÏ chuyÓn thµnh hîp kim nan« tinh thÓ vµ khi xö lý nhiÖt hîp lý ta cã thÓ sÏ thu ®îc nan« tinh thÓ cho tÝnh chÊt tõ mÒm vµ tõ cøng víi tæ hîp c¸c tÝnh chÊt tõ rÊt tèt. 1.1.5. TÝnh chÊt tõ mÒm cña vËt liÖu V§H Hîp kim tõ mÒm V§H lµ nh÷ng hîp kim gåm s¾t, c«ban hoÆc nikel cïng víi c¸c kim lo¹i kh¸c hoÆc ¸ kim. Trong hîp kim V§H cã thÓ quan s¸t thÊy tÊt c¶ c¸c hiÖn tîng s¾t tõ nh trong vËt liÖu s¾t tõ tinh thÓ nh: - Khi bÞ tõ ho¸ tõ ®é tiÖm cËn ®¹t gi¸ trÞ b·o hoµ . - Quan s¸t thÊy tæ chøc ®«men lµ hiÖn tîng tõ trÔ. - Tån t¹i nhiÖt ®é Curie. Trong phÇn nµy ta xem vµi tÝnh chÊt tõ cña vËt liÖu. Tõ tÝnh m¹nh cña vËt liÖu tõ mÒm ®îc ®Æc trng bëi tõ ®é b·o hoµ vµ m«men tõ lín còng nh nhiÖt ®é Curie cao. Cô thÓ: + M«men tõ: tõ ®é ë 0 K liªn quan ®Õn m«men tõ trung b×nh cña nguyªn tö. Trong c¸c hîp kim V§H c¸c nguyªn tö cã tõ tÝnh lµ c¸c nguyªn tö kim lo¹i chuyÓn tiÕp (nh: Fe, Co, Ni, ...), cßn c¸c nguyªn tö lµm nhiÖm vô æn ®Þnh tr¹ng th¸i V§H lµ c¸c nguyªn tö ¸ kim (nh:P, B, C, Si, ...) kh«ng cã tõ tÝnh. V× vËy m«men tõ trung b×nh chØ ®îc x¸c ®Þnh b»ng ®é lín cña m«men tõ f cña c¸c nguyªn tö cã tõ tÝnh vµ nång ®é C cña chóng trong hîp kim:  = C. f + (1- C).n = C. f (1.1) Trong ®ã n lµ gi¸ trÞ m«men tõ cña nguyªn tö ¸ kim. Nh vËy c¸c hîp kim V§H lµ c¸c s¾t tõ bÞ pha lo·ng. Khi so s¸nh gi÷a m«men tõ cña nguyªn tö s¾t vµ m«men tõ cña nguyªn tö c«ban trong hîp kim 10 V§H (B»ng ®å thÞ mf - mËt ®é tÝnh b»ng % nguyªn tö ) ta thÊy trong hîp kim s¾t mf cã gi¸ trÞ lín h¬n nhiÒu, do vËy nh÷ng hîp kim nµy còng nh c¸c vËt liÖu tõ cã s¾t nã ®Æc biÖt quan träng vµ ®îc chó ý nghiªn cøu . Hîp kim (FeBSi) cã chç ®øng trong t¬ng lai cho viÖc sö dông chóng vµo môc ®Ých lµm lâi biÕn thÕ bëi v× nh÷ng hîp kim nµy cã gi¸ trÞ m«men tõ nguyªn tö mf vµ nhiÖt ®é Curie cao còng nh ®é c¶m øng tõ b·o hoµ lín (1,7T). + NhiÖt ®é Curie: Ngoµi ®¹i lîng m«men tõ cßn ®¹i lîng kh¸c kh¸ quan träng khi xem xÐt hîp kim tõ V§H - ®ã lµ nhiÖt ®é Curie, lµ nhiÖt ®é cña s¾t tõ mµ díi nhiÖt ®é Curie tÝnh tõ d mÊt h¼n. NÕu qua nhiÖt ®é Curie s¾t tõ mÊt hÕt tÝnh chÊt cña s¾t tõ vµ trë thµnh thuËn tõ. NhiÖt ®é Curie nh×n tõ mét híng nã phô thuéc vµo nhiÖt ®é c¸c nguyªn tö ¸ kim trong hîp kim.NÕu nh×n tõ híng kh¸c nã phô thuéc vµo hµm lîng cña s¾t, coban vµ nikel trong hîp kim díi sù thay ®æi mËt ®é c¸cnguyªn tö ¸ kim. NhiÖt ®é Curie TC cña hîp kim V§H trªn nÒn c¬ b¶n lµ s¾t kh¸c h¼n víi TC trong tr¹ng th¸i tinh thÓ. §Æc biÖt qua nghiªn cøu ta thÊy nhiÖt ®é Curie bÞ gi¶m víi sù gia t¨ng mËt ®é c¸c nguyªn tö s¾t trong hîp kim. Dùa vµo ®å thÞ biÕn ®æi cña ®¹i lîng TC phô thuéc vµo hµn lîng s¾t, coban vµ nikel trong c¸c hîp kim díi sù cè ®Þnh mËt ®é nguyªn tö ¸ kim ta thÊy nhiÖt ®é Curie cña hîp kim Fe - Co t¬ng ®èi cao. §iÒu ®ã ph¶n ¸nh lªn ®Æc tÝnh cña nh÷ng t¬ng t¸c trao ®æi gi÷a c¸c m«men tõ nguyªn tö m¹nh h¬n gi÷a c¸c nguyªn tö lo¹i kh¸c. Lín h¬n c¶ lµ tong t¸c trao ®æi gi÷a nguyªn tö s¾t vµ c«ban. Nãi tãm l¹i vÒ nhiÖt ®é Curie nh sau: 1. Hîp kim Fe - Co cã nhiÖt ®é Curie cao. 2. Díi mét hµm lîng Ýt c«ban trong hîp kim Ni - Co ®¹i lîng TC n»m trong kho¶ng nhiÖt ®é b×nh thêng. 3. Díi hµm lîng lín s¾t trong hîp kim Fe - Co song song víi sù t¨ng m«men tõ cßn quan s¸t thÊy sù gi¶m nhiÖt ®é Curie. + Sù phô thuéc nhiÖt ®é cña ®êng cong tõ ®é ngêi ta thÊy r»ng trong vËt liÖu s¾t tõ ®êng cong cong tõ ®é gi¶m víi sù t¨ng nhiÖt ®é. Sù gi¶m nµy cña tõ ®é lµ nhá khi ë nhiÖt ®é thÊp vµ gi¶m m¹nh khi gÇn tíi nhiÖt ®é Curie. Sù biÕn ®æi theo nhiÖt ®é cña tõ ®é dÉn tíi c¸i gäi lµ hiÖu øng tËp thÓ. Ngêi ta ph¸t hiÖn ra lµ sù biÕn ®æi nhiÖt ®é cña tõ ®é phô thuéc vµo thµnh phÇn ho¸ häc, cã thÓ x¶y ra nh÷ng trêng hîp sau: 11 1- Sù tõ ho¸ cao víi nhiÖt ®é thÊp cã thÓ cã nhiÖt ®é Curie thÊp. 2- Díi nh÷ng gi¸ trÞ nhá cña tõ ®é víi nhiÖt ®é thÊp, th× ngîc l¹i, nhiÖt ®é Curie sÏ cao. 3- Díi tõ ®é lín víi nhiÖt ®é b×nh thêng cã thÓ quan s¸t nhiÖt ®é Curie cao. Ngêi ta chøng minh r»ng b»ng tõ lín díi nhiÖt ®é phßng kh«ng ph¶i lµ hîp kim s¾t mµ lµ hîp kim cña s¾t víi c«ban. 1.2. VËt liÖu tõ nan« tinh thÓ nÒn Fe C¸c vËt liÖu nan« tinh thÓ hoÆc ®¬n pha hoÆc ®a pha cã kÝch thíc ®¹t cì nan«: 5 ÷ 30 nm. Chóng cã thÓ ®îc chÕ t¹o b»ng ph¬ng ph¸p Ðp c¸c bét kÝch thíc nanomet, b»ng kÜ thuËt l¾ng phñ, hoÆc b»ng ph¬ng ph¸p kÕt tinh tõ tr¹ng th¸i V§H. L©u nay sù c¶i thiÖn c¸c tÝnh chÊt tõ cña hÖ c¸c h¹t mÞn thêng g¸n cho c¸c vËt liÖu tõ cøng. ViÖc gi¶m kÝch thíc h¹t ë vËt liÖu ®îc minh ho¹ b»ng m« h×nh vËt liÖu tõ “®¬n m« men” víi viÖc t¨ng lùc kh¸ng tõ H 0, dÉn tíi dÞ híng tõ cùc ®¹i. NÕu t¨ng kÝch thíc h¹t lín h¬n n÷a, H0 l¹i gi¶m xuèng. Tuy vËy trong kÜ thuËt vËt liÖu ngêi ta thêng cè t×m c¸ch t¹o ra vËt liÖu tõ mÒm cã kÝch thíc h¹t lín h¬n cho ®Õn khi ®¹t ®îc H0 nhá vµ ®é tõ thÈm cao. H×nh 1.2: Lùc kh¸ng tõ HC phô thuéc vµo kÝch thíc h¹t D cña c¸c vËt liÖu tõ V§H, nan« tinh thÓ, FeSi6,5; permalloy vµ 50NiFe. Trªn h×nh 1.2 biÓu diÔn sù phô thuéc H 0 vµo kÝch thíc h¹t cña mét sè vËt liÖu tõ: sù phô thuéc 1/D dµnh cho c¸c vËt liÖu tõ mÒm truyÒn thèng cã c¸c kÝch thíc h¹t lín (D>100  m). Sù phô thuéc D6 t¬ng øng víi c¸c vËt liÖu tõ mÒm, trong ®ã cã vËt liÖu tõ nan« tinh thÓ nÒn Fe, kÝch thíc h¹t nhá (D cì vµi chôc nm). ViÖc ph¸t hiÖn ra vËt liÖu tõ nano tinh thÓ ®· lµm d¶i kÝch thíc h¹t vi m« cña vËt liÖu tõ ®îc ®iÒn ®Çy (h×nh vÏ 1.3). 12 V« ®Þnh h×nh Finemet Vi tinh thÓ Permaloy ThÐp KT ®iÖn 10-9m 10-8m 10-6m 10-3m H×nh 1.3: S¬ ®å d¶i kÝch thíc h¹t vi m« cña c¸c vËt liÖu tõ. Tõ hîp kim V§H nÒn (FeSiB) víi c¸c nguyªn tè “cÊy” thªm: Cu, Nb, ..., mÉu nan« tinh thÓ cã thÓ ®îc cÊu t¹o ë d¹ng b¨ng máng b»ng ph¬ng ph¸p nguéi nhanh tõ thÓ láng. Tr¹ng th¸i nan« tinh thÓ ®îc h×nh thµnh nhê qu¸ tr×nh xö lý nhiÖt ë kho¶ng nhiÖt ®é gi÷a 5000C vµ 6000C. Tr¹ng th¸i nµy ®îc ®Æc trng bëi tÝnh ®ång nhÊt, vµ kÕt tinh ®Þnh híng ngÉu nhiªn cña c¸c h¹t tinh thÓ rÊt mÞn cã kÝch thíc tõ 10 ®Õn 15 nm trªn nÒn V§H cßn d. ChÝnh c¬ chÕ nµy ®· dÉn ®Õn nh÷ng tÝnh chÊt tõ mÒm dÆc biÖt cña hä vËt liÖu nµy: e cao, HC thÊp. CÊu tróc tÕ vi cña chóng phô thuéc vµo nhiÖt ®é ñ T a. NÕu n©ng nhiÖt ®é ñ lªn cao h¬n 6000C sÏ h×nh thµnh pha s¾t - bo: pha borit. KÝch thíc h¹t th« cña pha nµy lµm xÊu ®i tÝnh chÊt tõ mÒm cña hîp kim. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cho thÊy cã thÓ h×nh dung qu¸ tr×nh h×nh thµnh tr¹ng th¸i nano tinh thÓ ë hîp kim ( FeSiB) – M (M= Cu, Nb, ...) theo s¬ ®å h×nh 1.4. - Fe(Si)(lptk) Hîp kim V§H (Amorphous state) Vïng giµu Fe Vïng giµu Cu, Nb, ... NÒn V§H d FexBy H×nh 1.4: S¬ ®å h×nh thµnh tr¹ng th¸i nan« tinh thÓ ë hîp kim (FeSiB) - M (M= Cu, Nb, ...) 1.2.1. Mét sè yÕu tè ¶nh hëng ®Õn cÊu tróc tÕ vi cña vËt liÖu tõ nan« tinh thÓ nÒn Fe 1.2.1.1. Vai trß cña c¸c nguyªn tè kim lo¹i (Cu, Nb, Cr, Mo, ...) trong viÖc h×nh thµnh cÊu tróc h¹t nanomet VËt liÖu tõ nan« tinh thÓ vÒ mÆt c«ng nghÖ ®îc coi lµ vËt liÖu tõ nguéi nhanh (R0  105  106 Ks-1), theo thµnh phÇn lµ vËt liÖu tõ nÒn Fe, ë d¹ng 13 b¨ng máng (T = 18  25  m ) ®îc ñ kÕt tinh, sau qu¸ tr×nh chuyÓn pha h×nh thµnh hai pha: pha v« ®Þnh h×nh vµ pha tinh thÓ (víi c¸c h¹t  - Fe(Si) cã D  10  20 nm), chóng cã c¸c tÝnh chÊt tõ mÒm ®Æc biÖt: H c cì 1 A/m, Bs cì 1,3  1,7 T, m cì (2,5  3,0 ).105. MÆt kh¸c, vËt liÖu tõ nan« tinh thÓ vÒ cÊu tróc tÕ vi cã thÓ h×nh dung nh sau: ë tr¹ng th¸i V§H (sau khi ®îc chÕ t¹o díi d¹ng b¨ng máng liªn tôc b»ng ph¬ng ph¸p nguéi nhanh), gåm c¸c cÊu tö: Fe, Si, B, M (M = Cu, Nb, Mo, W, ...) ®îc ph©n bè ®Òu do hoµ tan cìng bøc. ë tr¹ng th¸i ñ nhiÖt kÕt tinh, trong cÊu tróc cña vËt liÖu tõ x¶y ra qu¸ tr×nh håi phôc cÊu tróc t¹o thµnh vïng giµu Fe víi Tx thÊp vµ vïng giµu Cu, Nb, ...víi Tx cao. §ång thêi víi qu¸ tr×nh håi phôc cÊu tróc lµ qu¸ tr×nh t¹o thµnh dung dÞch r¾n cña c¸c tinh thÓ lËp ph¬ng t©m khèi   Fe(Si) . NÕu tiÕp tôc t¨ng Ta (Ta>Tc  - Fe ) sÏ xuÊt hiÖn c¸c pha F xBy lµm tÝnh chÊt tõ mÒm xÊu ®i. ë ®©y liªn quan ®Õn vai trß kÝch thíc h¹t, tØ phÇn thÓ tÝch V TT/VV§H. Ngoµi ra c¸c yÕu tè kim lo¹i ®a vµo hîp kim nh Cu, Nb, ...còng ®ãng vai trß quan träng trong viÖc ph¸t triÓn vµ h¹n chÕ qu¸ tr×nh t¨ng kÝch thíc h¹t trong hîp kim. ViÖc h×nh thµnh cÊu tróc nan« tinh thÓ chÝnh lµ kÕt qu¶ t¸c ®éng ®ång thêi cña hai nguyªn tè Cu, Nb (hoÆc c¸c nguyªn tè nhãm V hay nhãm VI nh Mo, Ta,W, ...). Nguyªn tè Cu t¹o mÇm kÕt tinh c¸c h¹t lËp ph¬ng t©m khèi (1ptk) kh«ng g©y nªn trËt tù t«p« ®Þa ph¬ng. Nguyªn tè Nb (hay c¸c nguyªn tè kim lo¹i kh¸c ®· kÓ trªn) lµm t¨ng trËt tù gÇn ho¸ häc, vµ còng gãp phÇn (cïng víi nguyªn tè Bo) lµm æn ®Þnh nÒn V§H. PhÇn Bo cßn sãt l¹i sau ®ã lµm t¨ng kÝch thíc h¹t lptk vµ lµm xuÊt hiÖn c¸c pha borit (nÕu tiÕp tôc t¨ng nhiÖt ®é ñ kÕt tinh). Nh vËy, c¸c nguyªn tè ®îc ®a vµo hîp kim (FeSiB) ph¶i cã kh¶ n¨ng hoµ tan kÐm hoÆc kh«ng hoµ tan {Cu, Nb chØ hoµ tan 1  2 % nguyªn tö trong (FeSiB)}. NhiÖt ®é kÕt tinh cña chóng ph¶i cao lµm t¨ng nhiÖt ®é kÕt tinh cña nÒn V§H dÉn ®Õn viÖc h¹n chÕ qu¸ tr×nh kÕt tinh ë kÝch thíc h¹t mong muèn. Vµ nhiÒu nghiªn cøu cho thÊy: nhiÖt ®é kÕt tinh vµ thµnh phÇn ¶nh hëng trùc tiÕp tíi qu¸ tr×nh kÕt tinh. C¸c nguyªn tè Cu (m¹ng tinh thÓ kiÓu lptm), W, Mo, Nb (m¹ng tinh thÓ kiÓu lptk) ®Òu cã b¸n kÝnh nguyªn tö vµ nhiÖt ®é nãng ch¶y kh¸c vµ lín h¬n ë 14 Fe, nªn chóng Ýt hoµ tan trong Fe. Tr¹ng th¸i hoµ tan cìng bøc (nhê c«ng nghÖ nguéi nhanh tõ thÓ láng) lµ tr¹ng th¸i kh«ng bÒn. V× thÕ khi ñ nhiÖt, sau qu¸ tr×nh håi phôc cÊu tróc, trong hîp kim xuÊt hiÖn c¸c vïng giµu Fe vµ giµu Cu, Nb, ... C¸c vïng giµu Fe ë nhiÖt ®é T a thÊp chuyÓn sang pha   Fe , c¸c vïng giµu Cu bÞ lÊn ¸t dÇn, nhêng chç cho c¸c h¹t   Fe . NÕu tiÕp tôc t¨ng Ta, vïng c¸c tinh thÓ   Fe kh«ng thÓ ph¸t triÓn ®îc do bÞ ng¨n c¶n bëi c¸c vïng giµu Nb, W, Mo, ... (cã nhiÖt ®é kÕt tinh cao h¬n). Nh vËy, trong hîp kim nan« tinh thÓ (FeSiB) - M, nguyªn tè Cu ®ãng vai trß t¸c nh©n t¹o mÇm kÕt tinh, cßn c¸c nguyªn tè Nb, Mo, W, ...®ãng vai trß h¹n chÕ ph¸t triÓn kÝch thíc h¹t. Tr¹ng th¸i nan« tinh thÓ chØ cã thÓ ®¹t ®îc nhê viÖc ñ nhiÖt ë nhiÖt Ta (Tx1 < Ta < Tx2) ®Ó chØ mét pha ®îc h×nh thµnh ë nhiÖt ®é lín h¬n Tx1, vµ bëi t¸c dông ®ång thêi cña c¸c cÆp nguyªn tè kim lo¹i Cu - Nb, Cu - Mo, Cu - W, v.v.. Bªn c¹nh ®ã hµm lîng cña c¸c nguyªn tè kim lo¹i còng ®ãng vai trß quan träng trong viÖc h×nh thµnh cÊu tróc nan« tinh thÓ ë hîp kim (FeSiB)- M. 1.2.1.2. ¶nh hëng cña tØ phÇn (Si/B) lªn thµnh phÇn pha vµ tÝnh chÊt tõ Trong c«ng nghÖ chÕ t¹o, tr¹ng th¸i V§H cña hîp kim (FeSiB) - M dÔ dµng nhËn ®îc khi nång ®é B  5% nguyªn tö. Vµ G.Herzerr cßn cho r»ng cïng víi Nb, B cã vai trß lµm æn ®Þnh pha V§H trong hîp kim. Khi ta t¨ng % nguyªn tö B, tØ phÇn pha tinh thÓ   Fe( Si ) sÏ gi¶m vµ tØ phÇn thÓ tÝch pha V§H t¨ng lªn. §iÒu nµy dÉn tíi viÖc thay ®æi t¬ng quan gi÷a h»ng sè tõ gi¶o cña hai pha V§H vµ pha tinh thÓ lµm hÖ sè tõ gi¶o cña c¶ hÖ t¨ng lªn, tÝnh chÊt tõ mÒm cña hîp kim gi¶m ®i. Trong hÖ hîp kim (FeSiB) - M, viÖc thay ®æi nång ®é Si tíi nång ®é thÝch hîp còng dÉn ®Õn lµm t¨ng tÝnh tõ mÒm th«ng qua viÖc thay ®æi dÞ híng tõ tinh thÓ vµ tõ gi¶o. Ngoµi ra, viÖc thay ®æi lîng Si cßn dÉn ®Õn c¸c pha tinh thÓ víi cÊu tróc phøc t¹p:   Fe( Si ) , Fe2B, Fe23B0, Fe3Si (lptk vµ lptm). Nh vËy, viÖc thay ®æi hµm lîng c¸c nguyªn tö ¸ kim dÉn ®Õn cÊu tróc vi m« thay ®æi, vµ thay ®æi tÝnh chÊt tõ mÒm ë hä hîp kim (FeSiB) - M khi ñ nhiÖt kÕt tinh. KÕt qu¶ nghiªn cøu ¶nh hëng cña B vµ Si lªn tØ phÇn pha V§H vµ pha tinh thÓ   Fe( Si ) trong hîp kim (FeSiB) - M ®îc tr×nh bµy ë b¶ng 1.1 15 B¶ng 1.1: ¶nh hëng cña B vµ Si lªn tØ phÇn pha V§H vµ pha tinh thÓ trong hÖ hîp kim Fe73.5Cu1Nb3BxSi22.5-x (x= 6; 9; 12,5% nguyªn tö) xö lý ë nhiÖt ®é 5400C. 16 ST T 1 2 3 X (%nguyªntö VV§H (%) ) 6 10 9 25 12,5 40 V  Fe ( Si ) ( HC S (106 ) (A/m) m (104) %) 90 75 60 -1,9 1,15 4,50 4,8 4,0 5,6 4,2 7,0 2,4 1.2.1.3. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é ñ lªn tØ phÇn cña c¸c pha tõ TÝnh chÊt tõ mÒm cña hîp kim (FeSiB) - M rÊt phô thuéc vµo nhiÖt ®é ñ kÕt tinh. §ã lµ tØ phÇn pha tõ vµ kÝch thíc h¹t phô thuéc vµo Ta (Ta >Tk). Trªn c¸c ®êng tõ nhiÖt h×nh 1.5 ta thÊy b¾t ®Çu tõ 500 oC ®êng tõ nhiÖt M(T) cã xu híng n©ng cao. KÕt hîp c¸c phæ r¬nghen cho mÉu Fe 73.5Cu1Nb3Si13.6B9 ë c¸c nhiÖt ®é t¬ng øng, ngêi ta ®· tÝnh ®¬c tØ phÇn pha tinh thÓ   Fe( Si ) trong hîp kim nµy khi t¨ng nhiÖt ®é ñ. Tõ b¶ng 1.2 ta thÊy r»ng khi nhiÖt ®é ñ thay ®æi tõ 500 ®Õn 600 0C tØ phÇn pha tinh thÓ t¨ng tõ 10 – 90%. B¶ng 1.2: Tû phÇn pha   Fe( Si ) phô thuéc vµo nhiÖt ®é ñ. T (0C) V  Fe ( Si ) (%) 5 00 1 0 540 560 580 600 74 79 78 92 17 H×nh 1.5: §êng tõ nhiÖt cña mÉu Fe73,5Si13,5B9Nb3Cu1 xö lý nhiÖt ë c¸c nhiÖt ®é 5000C, 5400C, 5600C, 5800C, 6000C, thêi gian ñ 10 phót. Tõ gi¶o b·o hoµ cña vËt liÖu nan« tinh thÓ ®îc x¸c ®Þnh nh sau: S  V  Fe ( Si )  s  Fe ( Si ) + VV§H s V§H (1.2) s - Tõ gi¶o b·o hoµ hiÖu dông cña hîp kim, s V§H - Tõ gi¶o cña pha V§H, s  Fe ( Si ) - Tõ gi¶o cña pha   Fe( Si ) . Trªn h×nh 1.6 ta thÊy ë nhiÖt ®é ñ kÕt tinh trªn 550 0C, s tiÕn tíi 0. Tõ b¶ng 1.2 ta thÊy ë nhiÖt ®é nµy V  Fe ( Si )  80% . ViÖc nghiªn cøu sù phô thuéc cña s vµo nhiÖt ®é ñ vµ tØ phÇn pha ®· ®a ra kÕt qu¶: s VDH  20,8.10 6  0,  s   Fe ( Si )  3,9.10 6  0. Nh vËy, ®iÒu chØnh tû phÇn pha V  Fe ( Si ) VVDH nhê thay ®æi nhiÖt ®é ñ kÕt tinh, ta cã thÓ lµm cho  S tiÕn tíi 0, t¨ng tÝnh tõ mÒm cña hîp kim. T.Kulik [54] vµ c¸c céng sù còng ®· ®a ra sù thay ®æi cÊu tróc pha trong hîp kim nµy khi thay ®æi nhiÖt ®é ñ ( xem b¶ng 1.3). 18 H×nh 1.6: Sù phô thuéc Ta cña HC, MT, vµ  S cña hîp kim Fe73,5Si13,5B9Nb3Cu1. B¶ng 1.3: Quy tr×nh tiÕt pha theo chiÒu t¨ng Ta ë hîp kim Fe73,5Si13,5B9Nb3Cu1. T oC 400 450 - 450 - 530 530 - 580 580 - 650 Thµnh phÇn pha V§H V§H/ +   Fe(Si ) V§H/ +   Fe(Si ) + Fe3Si + (FeNb)B   Fe(Si ) + Fe3Si + Fe2B 1.2.2. C¸c th«ng sè cÊu tróc vi m« Tr¹ng th¸i nan« tinh thÓ chñ yÕu gåm hai pha ®îc m« t¶ trªn h×nh 1.7: - Pha c¸c h¹t lËp ph¬ng t©m khèi Fe(Si). - Pha hçn hîp nÒn V§H d. 19 H×nh 1.7: S¬ ®å cÊu tróc vi m« ë hîp kim nan« tinh thÓ FeSiBNbCu. Thªm vµo ®ã Cu ®îc t¹o thµnh d¹ng ®¸m - (cluster) ë c¸c vïng biªn h¹t - t¹o mÇm kÕt tinh. C¸c h¹t   Fe(Si ) tiÕp tôc thu hót c¸c nguyªn tè Si cßn l¹i ®Ó t¹o ra c¸c pha Fe3Si. KÕt qu¶ lµ trªn phæ nhiÔu x¹ r¬nghen quan s¸t thÊy siªu cÊu tróc DO3. NÒn V§H chøa Fe, Nb vµ B: (Fe 1-aNba) 2B. KÝch thíc h¹t vµ nång ®é nguyªn tö ®Þnh xø phô thuéc vµo hµm läng ban ®Çu cña hîp kim. H×nh 1.7 tr×nh bµy sù phô thuéc cña tû phÇn thÓ tÝch pha tinh thÓ V TT vµ hµm lîng Si trong   Fe(Si ) vµo hµm lîng B ë hÖ mÉu Fe74,5Cu1Nb2Si22,5-xBx ñ 1 giê ë nhiÖt ®é 540oC. PhÇn Bo cßn d l¹i lµm nhiªm vô æn dÞnh nÒn V§H: (Fe1-aNba)2B víi: a= 0,5XNb / XB (1.3) ë ®©y, XNb vµ XB lµ hµm lîng cña Nb, B trong nÒn V§H d (Fe1-aNba)2B. Tû phÇn VTT chñ yÕu ®îc x¸c ®Þnh bëi Bo vµ gi¶m dÇn khi t¨ng hµm lîng Bo, ®ång thêi kÌm theo sù gi¶m kÝch thíc h¹t nh ®· nãi ë trªn. §ã lµ biÓu hiÖn vÒ vai trß lµm æn ®Þnh nÒn V§H cña nguyªn tè B trong hîp kim. Cã thÓ coi: VTT  Fe ( Si )  1  3 D (1.4) ë ®©y,  lµ chiÒu dµy vïng pha V§H n»m gi÷a c¸c h¹t vµ cã gi¸ trÞ cì 1nm (kho¶ng 4-5 líp nguyªn tö). 20