Hợp kim eutectic là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa hợp kim eutectic

Hợp kim eutectic là hỗn hợp đồng nhất của hai hay nhiều thành phần kim loại hoặc hợp kim, có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất trong hệ và đông đặc đồng thời tại một nhiệt độ xác định gọi là điểm eutectic. Ở nhiệt độ này, pha lỏng sẽ biến đổi trực tiếp thành hai (hoặc nhiều) pha rắn cùng lúc, mà không tồn tại pha bán rắn trung gian.

Khái niệm eutectic bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “eu-” nghĩa là “tốt” và “-tectos” nghĩa là “nhiệt độ nóng chảy”, nhấn mạnh đặc tính dễ hóa lỏng và đông đặc ở nhiệt độ cố định. Trong công nghiệp, hợp kim eutectic thường được dùng làm vật liệu hàn, mối nối, lớp phủ hay vật liệu chịu nhiệt thấp.

Tính chất eutectic giúp tối ưu hóa điều kiện gia công: pha lỏng hóa ở nhiệt độ thấp nhất làm giảm biến dạng nhiệt cho vật nền; trong khi đông đặc nhanh và đồng đều tạo nên vi cấu trúc mịn, nâng cao độ bền và tính dẫn nhiệt. Đây cũng là tiền đề để thiết kế hợp kim chức năng với bước sóng nhiệt độ hẹp, như vật liệu hàn chì–thiếc, hợp kim nhiệt điện Bi–Te.

Pha eutectic và thành phần eutectic

Điểm eutectic (T_e) là nhiệt độ tại đó hỗn hợp các thành phần chuyển từ trạng thái lỏng hoàn toàn sang hai pha rắn α và β đồng thời. Thành phần eutectic (C_e) là tỉ lệ phần trăm khối lượng của các thành phần tại điểm này, cố định cho mỗi hệ nhiệt động cụ thể.

• Thành phần eutectic: chỉ có một tỷ lệ riêng đem lại nhiệt độ nóng chảy thấp nhất.
• Pha α và β: hai pha rắn hình thành đồng thời với thành phần cân bằng từ C_e.
• Đồng thể tạp eutectic: có thể có nhiều pha rắn trong hệ đa thành phần, ví dụ hợp kim ba kim loại tạo ba pha rắn độc lập.

Vai trò của pha eutectic và thành phần eutectic không chỉ nằm ở việc xác định nhiệt độ chuyển pha, mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng, độ dẻo, tính dẫn điện và dẫn nhiệt. Việc điều chỉnh C_e qua pha tinh luyện hoặc pha nhiệt luyện cho phép tối ưu hóa các tính chất cơ lý của sản phẩm sau đông đặc.

Sơ đồ pha và miền eutectic

Sơ đồ pha nhị nguyên (A–B) minh họa quá trình đông đặc và nóng chảy của hợp kim eutectic. Trên đồ thị, đường lỏng (liquidus) đánh dấu giới hạn dưới của vùng pha lỏng, trong khi đường rắn (solidus) xác định giới hạn trên của vùng pha rắn. Giao điểm của đường liquidus với solidus chính là điểm eutectic.

$\text{Liquid} \xrightarrow[T_e]{} \alpha + \beta$

Miền eutectic nằm tại giao điểm, thể hiện sự chuyển pha đồng thời của toàn bộ lượng lỏng thành hai pha rắn. Ngoài ra, hai đường pha phụ (α + lỏng và β + lỏng) tạo thành hai vùng lân cận, cho biết hỗn hợp hai pha xuất hiện khi làm nguội chậm qua điểm eutectic.

Việc phân tích sơ đồ pha giúp kỹ sư vật liệu xác định quy trình làm nguội phù hợp: làm nguội nhanh cho vi cấu trúc mịn, làm nguội chậm tạo ra pha α hay β lớn hơn, ảnh hưởng đến độ bền và độ dẫn của hợp kim.

Đặc điểm vi cấu trúc

Vi cấu trúc eutectic thường có hình thái vân song song, cây nhánh (dendritic eutectic) hoặc cấu trúc ống dọc (rod eutectic), phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ làm nguội và gradient nhiệt độ. Cấu trúc mịn giúp tăng độ bền và đồng nhất cơ tính, trong khi cấu trúc thô thường dẫn đến khuyết tật khe hở giữa các pha.

Tốc độ làm nguội	Vi cấu trúc	Đặc điểm
Chậm (<1 °C/s)	Vân song song to	Độ bền kéo cao, dẻo lớn nhưng dễ phân lớp
Vừa (1–100 °C/s)	Cây nhánh mảnh	Độ bền và độ cứng cân bằng, khả năng chống mỏi tốt
Nhanh (>100 °C/s)	Vi dendrite siêu mịn	Độ cứng cao, giòn hơn, phù hợp ứng dụng chịu mài mòn

Các yếu tố như năng lượng bề mặt, tạp chất và rung động cơ học trong lúc đông đặc cũng ảnh hưởng đến hình thái vi cấu trúc. Việc kiểm soát nhiệt độ nền và sử dụng phụ gia hạt nhân (inoculants) giúp điều chỉnh hạt mầm eutectic, tạo vi cấu trúc đồng đều, giảm khuyết tật và tăng tính ổn định cơ học.

Cơ chế hình thành

Khi hỗn hợp kim loại lỏng hạ nhiệt đến dưới điểm eutectic $T_e$, các hạt mầm của hai pha rắn α và β xuất hiện đồng thời trên bề mặt nucleation sites. Sự tạo hạt này chịu ảnh hưởng bởi năng lượng bề mặt, độ siêu làm lạnh và nồng độ tạp chất.

Quá trình lan truyền ranh giới pha tuân theo cân bằng khối lượng và cân bằng nhiệt động, được mô tả bởi quy tắc đòn bẩy (lever rule):

$f_\alpha = \frac{C_\beta - C_0}{C_\beta - C_\alpha}, \quad f_\beta = \frac{C_0 - C_\alpha}{C_\beta - C_\alpha}$

trong đó $C_0$ là thành phần tổng, $C_\alpha$ và $C_\beta$ là thành phần tại ranh giới hai pha. Tốc độ hình thành và tăng trưởng pha eutectic phụ thuộc vào gradient nhiệt độ và khả năng khuếch tán của nguyên tố hợp kim.

Các hệ hợp kim eutectic điển hình

• Sn–Pb (thiếc–chì): điểm eutectic ở 183 °C với 61,9 % Sn, sử dụng rộng rãi trong hàn điện tử và ống dẫn nhiệt ASM International.
• Al–Si (nhôm–silicon): điểm eutectic ở 577 °C với 12,6 % Si, chủ yếu trong đúc áp lực và động cơ ô tô nhờ khả năng chảy tốt và độ mài mòn thấp.
• Bi–Te (bismuth–tellurium): điểm eutectic ở 124 °C với 38 % Bi, sử dụng trong module Peltier làm lạnh thermoelectric NIST.
• Fe–C (sắt–cacbon): điểm eutectic ở 1147 °C (được gọi là eutectoid trong thép), tạo cấu trúc perlite trong thép carbon thấp.

Mỗi hệ có bảng pha riêng, cho phép tùy chỉnh thành phần để điều chỉnh nhiệt độ nóng chảy, độ bền và độ giòn phù hợp ứng dụng.

Ứng dụng công nghiệp

Hợp kim eutectic được ứng dụng đa dạng trong các ngành công nghiệp nhờ tính chất kết tinh nhanh, nhiệt độ chuyển pha cố định và vi cấu trúc mịn. Ví dụ trong điện tử, Sn–Pb eutectic làm vật liệu hàn mềm, đảm bảo độ dẫn điện và độ bền cơ học tối ưu.

Trong đúc áp lực, Al–Si eutectic giúp đúc chi tiết có tường mỏng, bề mặt mịn, giảm thiểu rỗ khí. Hợp kim Bi–Te eutectic được ứng dụng trong thermoelectric cooler (TEC) để làm lạnh linh kiện bán dẫn và máy ảnh hồng ngoại.

• Vật liệu hàn: Sn–Pb, Sn–Ag–Cu thay thế chì;
• Đúc khuôn áp lực: Al–Si, Mg–Al;
• Tấm phủ chịu nhiệt: Co–Cr eutectic dùng trong hàng không;
• Thiết bị làm lạnh Peltier: Bi–Te, Pb–Te tăng hiệu suất chuyển đổi nhiệt–điện.

Phương pháp sản xuất và điều khiển vi cấu trúc

Các phương pháp đúc bao gồm đúc truyền thống, đúc ly tâm và đúc dưới áp lực, kết hợp với điều chỉnh tốc độ làm nguội để kiểm soát kích thước pha eutectic. Đúc nhanh bằng laser (laser melting) hoặc đúc nhanh(liquid metal cooling) tạo vi cấu trúc siêu mịn.

In kim loại 3D (Selective Laser Melting – SLM) cho phép xây dựng lớp eutectic với kiểm soát gradient nhiệt cục bộ. Tốc độ quét laser, bước layer và công suất điều chỉnh kích thước pha, độ đồng nhất và mật độ vân dendrite.

Phương pháp	Ưu điểm	Nhược điểm
Đúc truyền thống	Đơn giản, chi phí thấp	Vi cấu trúc thô, thiếu đồng nhất
Đúc nhanh (laser)	Vi mịn, cơ tính cao	Chi phí đầu tư cao
SLM (3D)	Kiểm soát chính xác hình học	Thời gian sản xuất dài

Tính chất cơ lý và nhiệt

Hợp kim eutectic thường có độ cứng và độ bền cao nhờ vi cấu trúc mịn, đồng thời giữ được độ dẻo vừa phải so với pha đơn tinh. Độ dẫn nhiệt và dẫn điện thường phụ thuộc vào tỷ lệ pha dẫn điện và khoảng cách pha cách điện.

Nhiệt dung riêng và hệ số giãn nở nhiệt của eutectic được tính theo hỗn của các pha, với công thức đơn giản:

$C_p = f_\alpha C_{p,\alpha} + f_\beta C_{p,\beta}, \quad \alpha_T = f_\alpha \alpha_{T,\alpha} + f_\beta \alpha_{T,\beta}$

Trong thực tế, các yếu tố như nội ứng suất và tạp chất cũng ảnh hưởng đến tính bền nhiệt và chống mỏi nhiệt. Hợp kim eutectic thường chịu được số chu kỳ nhiệt lớn, phù hợp cho ứng dụng truyền nhiệt và môi trường nhiệt độ thay đổi.

Tài liệu tham khảo

1. Porter D. A., Easterling K. E. Phase Transformations in Metals and Alloys. 3rd ed., CRC Press; 2009.
2. Callister W. D., Rethwisch D. G. Materials Science and Engineering: An Introduction. 10th ed., Wiley; 2018.
3. Gaskell D. R. Introduction to the Thermodynamics of Materials. 5th ed., CRC Press; 2003.
4. ASM International. “Eutectic Systems.” asminternational.org.
5. National Institute of Standards and Technology. “Thermophysical Properties of Materials Database.” nist.gov.