Bài giảng Vật liệu học: Chương 1 – Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại

Bài giảng Vật liệu học: Chương 1 – Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại trình bày nội dung về cấu tạo nguyên tử, liên kết kim loại, cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại, khuyết tật cấu trúc, sự hình thành tổ chức vật liệu kim loại. Mời các bạn tham khảo nội dung chi tiết.

Trang 1

MSE2228 (2-0-1-4) - Vật liệu học

GV: Nguyễn Thị Vân Thanh

Bộ môn: C5-301A email: thanh.nguyenthivan@hust.edu.vn

Bài giảng: share qua gmail

Khối lượng: 30 (lý thuyết) + 15 (6 bài thí nghiệm)

Đánh giá kết quả: (đề cương môn học)

Điểm quá trình (0.4) = Thi giữa kỳ + KT+ điểm chuyên cần Điểm cuối kỳ (0.6)

Điều kiện thi cuối kỳ: hoàn thành tất cả các bài thí nghiệm

Nội dung: sv xem đề cương môn học

Tài liệu môn học:

 1  Nghiêm Hùng Vật liệu học cơ sở, NXB Khoa họa kỹ thuật, Hà nội 2002

2 Lê Công Dưỡng (chủ biên) Vật liệu học, NXB Khoa họa kỹ thuật, Hà nội 2000;

3 Bài giảng : Phùng Thị Tố Hằng, Nguyễn Văn Đức; Vật liệu kim loại, 2011

Sách tham khảo:

4 William D Callister, Jr., Materials Science and Engineering; , John Wiley & Sons, Inc USA, 2007

5 Armazov Vật liệu học NXB Giáo dục 2000; 1

cuu duong than cong com

Trang 3

Dẫn điện, nhiệt kém Dẻo, nhẹ

Kém bền nhiệt Bền hóa học @RT

Dẫn điện, nhiệt rất kém Nặng, Cứng, giòn

Bền nhiệt Bền hóa học

Fe, Al, Cu, Zn, Ti

…và Hợp kim

VL vô cơ, h/c KL, silic với á kim: ôxit, nitrit, cacbit (đất,

đá, ximăng, thủy tinh…)

VL hữu cơ, TPHH chính C,

H, các á kim, có cấu trúc cao phân tử

Trang 4

- Tạo hình khí động học cho xe như thế nào?

Trang 5

Thép C

thông thường

Gang xám

Ví dụ: Sự phụ thuộc của tính chất vào tổ chức của vật liệu

Trang 6

Chương 1: Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại

Chương 2: Cơ tính của vật liệu kim loại

Chương 3: Hợp kim và giản đồ pha

Chương 4: Nhiệt luyện thép

Chương 5: Vật liệu kỹ thuật

Hợp kim trên cơ sở sắt (thép, gang)

Kim loại và hợp kim phi sắt (nhôm, đồng)

Nội dung môn học Vật liệu học – sv cơ khí

- Cấu trúc tinh thể

- Tổ chức tế vi

Trang 7

Chương 1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại

1.1 Cấu tạo nguyên tử Liên kết kim loại

1.2 Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại

1.3 Khuyết tật cấu trúc

1.4 Sự hình thành tổ chức vật liệu kim loại

Trang 8

1.1 Cấu tạo nguyên tử

Cấu tạo nguyên tử : Nguyên tử = Hạt nhân (p+n) + điện tử (Ze-)

Nguyên tử: cấu hình ổn định, cấu hình có số điện tử hóa trị bằng 0

Điện tử hóa trị: Những electron ngoài cùng chưa ghép đôi, tham gia vào tính chất

hóa, lý của nguyên tố.

Trang 9

VD: Cu (Z=29) • Liên kết là lực tĩnh điện giữa

mạng tinh thể của ion dương và các e tự do bao quanh

• Liên kết chính trong vật liệu KL

• Tính kim loại :

+ Ánh kim + Dẫn điện, dẫn nhiệt + Tính dẻo cao

9

Liên kết kim loại

Trang 10

Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật rắn tinh thể

Chất khí: các nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn

Chất rắn tinh thể: các nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định (có trật

Trang 11

Chất rắn vô định hình: cấu trúc giống chất

lỏng trước khi đông đặc

Chất rắn không có cấu trúc tinh thể

Có trật tự gần,

Không có trật tự xa

VD: Thủy tinh thường ,SiO 2

11

Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật rắn tinh thể

Trang 12

1.2.1 Khái niệm mạng tinh thể

1.2.2 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại

Mạng lập phương tâm mặt Mạng lập phương tâm khối Mạng sáu phương xếp chặt

Trang 13

1.2 Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại

Ô cơ sở:

L à hình không gian thể tích nhỏ nhất nhỏ nhất

đặc trưng cho tính đối xứng của mạng tinh thể

 Tịnh tiến ô cơ sở theo ba chiều không gian sẽ

xây dựng được toàn bộ mạng tinh thể

Đường thẳng tưởng tượng Quả cầu rắn (Nguyên tử, ion,…)

Trang 14

Ô cơ sở và cách biểu diễn

 ,  ,  : góc tạo bởi các véc tơ đơn vị

Ba nghiêng (tam tà) a  b  c 

Một nghiêng (đơn tà) a  b  c  =  =90 0 

Trực thoi a  b  c  =  =  =90 0

Ba phương (mặt thoi) a=b=c  =  =  90 0

Sáu phương (lục giác) a=b  c  =  =90 0 ,  =120 0

Chính phương (bốn phương) a=b  c  =  =  =90 0

Trang 15

Nút mạng [x,y,z]: biểu thị toạ độ của các nguyên tử

VD: A [1,0,1]

B [1,1,1]

C [0,1,1]

Chỉ số Miller của phương mạng [uvw]:

 Phương: đường thẳng đi qua hai nút

Quy tắc: + Qua gốc tọa độ kẻ véc-tơ OM song song với phương cần xác định

+ Xác định chỉ số Miller của M[[x,y,z]]

+ Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất: x= 𝑢

𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁 ; y =

𝑣 𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁 ; z =

𝑤 𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁

+ [uvw] là chỉ số Miller của phương cần tìm 15

O

A

B

C D

E F

H

x

y z

K M

Trang 16

VD:DFH (111), EFAB (100), ABCH(010)

Chỉ số Miller của mặt nguyên tử (hkl)

Quy tắc:

+ Rời mặt phẳng khỏi gốc tọa độ

+ Xác định giao điểm của MF với 3 trục Ox, Oy, Oz:

+ (hkl) là chỉ số Miller của MF cần tìm.

16

Trang 17

Họ phương , ký hiệu <uvw>

Các phương có giá trị tuyệt đối u,v,w giống nhau không kể thứ tự có cùng quy luật sắp xếp nguyên tử.

Họ mặt , ký hiệu {hkl}:

Các mặt có giá trị tuyệt đối h, k, l giống nhau không kể thứ tự có cùng

quy luật sắp xếp nguyên tử.

Họ phương, họ mặt

Hệ lập phương, có tính đối xứng cao: sự sắp xếp nguyên tử trên Ox, Oy, Oz là

như nhau → có thể giao hoán các trục cho nhau mà không làm thay đổi bản chất của mạng tinh thể

17

Trang 18

Chỉ số mặt (chỉ số Miller-Bravais) (hkil) cho hệ tinh thể sáu phương

i = - (h+k)

18

Trang 19

Mạng tinh thể lập phương như hình 1, D là gốc tọa độ:

1, Xác định chỉ số miller cho các phương sau: KL; PE 2,Xác định chỉ số miller cho các mặt: APF, KLNX, AEGC

3, Vẽ phương [221], [123] trên ô cơ sở

4, Vẽ mặt (312), (310) trên ô cơ sở

Bài tập 1.1

Trang 20

a. Lập phương tâm mặt (A1)

1.2.2 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại

21

Trang 22

Kim loại có kiểu mạng A1: Fe γ , Au, Ag, Al, Cu, Ni,…

23

Trang 23

b. Lập phương tâm khối (A2)

Trang 24

Vị trí: tâm các mặt bên và giữa các cạnh

Trang 25

Kim loại có kiểu mạng A2: Fe  , Cr, Ti β , Mo, W, V……

26

Trang 26

3 ngtử nằm ở tâm khối 3 lăng trụ

tam giác không kề nhau

c. Sáu phương xếp chặt (A3)

Trang 27

Kim loại có kiểu mạng A3: Ti α Zn, Mg, Mg, Be, Cd, Zr ,…

28

Trang 28

Trang 29

1.2.2 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại

Trang 30

1.3 Khuyết tật cấu trúc

Phân loại: Sai lệch điểm, Sai lệch đường, Sai lệch mặt

Khuyết tật điểm : kích thước rất nhỏ (nguyên tử) theo 3 chiều không gian

Khái niệm : các nguyên tử nằm sai vị trí quy định → a/h tính chất

Nguyên tử tạp chất

Nút trống và nguyên tử xen kẽ

nén kéo

Trang 31

Khuyết tật điểm ảnh hưởng đến tính chất vật liệu

Si tinh khiết: độ dẫn điện: 4.10 -4 [Ωm] -1

N type (V): P

P type (III): B, Al

Thêm 1,4 10 -5 %P: 150 [Ωm] -1

Độ dẫn điện của Cu tinh khiết: 6.10 7 [Ωm] -1

Độ dẫn điện của Cu + 1,12%Ag: 3,5.10 7 [Ωm] -1

Trang 32

Kích thước rất nhỏ (nguyên tử) theo 2 chiều và lớn theo chiều thứ ba.

Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa trên của mạng tinh thể lý tưởng.

Trang 33

Lệch biên và chuyển động

Khuyết tật đường – lệch :

Lệch biên có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng dẻo

Trang 34

AB: trục lệch

trục lệch

Lệch xoắn: hai phần của mạng tinh thể trượt tương đối so với nhau một hằng số mạng Các nguyên tử trong vùng lệch sắp xếp theo hình xoắn ốc

35

Lệch hỗn hợp

Kết hợp của lệch biên và lệch xoắn

Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh

khi kết tinh

Khuyết tật đường – lệch :

Trang 36

Mật độ lệch ρ :

Đặc trưng về hình thái lệch

  2 3

l lêch

+ Phụ thuộc độ sạch và trạng thái gia công

- Kim loại sạch ở trạng thái ủ ρ = 10 8 cm -2

- Hợp kim và kim loại sau biến dạng nguội : ρ = 10 10 - 10 12 cm -2

37

Khuyết đường – lệch :

Trang 37

- VL dễ bị phá hủy theo biên hạt

- Cản trở lệch chuyển động

- Dễ hòa tan các nguyên tố khác

Trang 38

1.2.2 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại 1.3 Khuyết tật cấu trúc

Trang 39

1.4 Sự hình thành tổ chức vật liệu kim loại

1.4.1 Điều kiện kết tinh

Biến đổi năng lượng khi kết tinh

Điều kiện kết tinh : ΔT > 0 ( ΔG>0)

Trang 40

1.4.1 Điều kiện kết tinh

Năng lượng bề mặt tăng thêm khi xuất hiện pha rắn trong lòng pha lỏng:

Mầm tan

Kết tinh: theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm

γ: năng lượng bề mặt/1đơn vị diện tích bề mặt

g v : sai khác năng lượng tự do, khi một mầm

có thể tích V, bán kính r được tạo ra trong long pha lỏng

Mầm : phần tử rắn có cấu trúc tinh thể, kích thước đủ lớn phát triển lên thành hạt tinh thể.

Trang 41

1.4.2 Hai quá trình của sự kết tinh

3 4

1 Lỏng hoàn toàn 2 Bắt đầu kết tinh

Trang 42

Quá trình kết tinh

gồm 2 quá trình:

b) Phát triển mầm:

Tạo mầm Phát triển mầm

Nhấp nhô bề mặt khuôn đúc.

Nguyên tử chất lỏng bám lên bề mặt mầm và lớn lên, đặc biệt

ở những bậc lệch xoắn (quá trình tự nhiên để giảm năng

lượng tự do của hệ)

Song song và nối tiếp nhau

Trang 43

+ Mỗi mầm phát triển thành 1 hạt, hạt phát triển trước to hơn

+ Các hạt có cấu trúc tinh thể giống nhau, định hướng ngẫu nhiên, không đồng hướng

+ Biên giới giữa các hạt là vô định hình (nguyên tử sắp xếp ngẫu nhiên → sai lệch mặt)

+ Hình dạng hạt tinh thể: phụ thuộc tốc độ phát triển mầm theo các phương

44

1.5.3 Sự hình thành hạt tinh thể

Trang 44

Ba vùng tinh thể của thỏi đúc

Trang 45

• Đa tinh thể ≈ ∑n(đơn tinh thể)

1.4.4 Đơn tinh thể, Đa tinh thể

Trang 46

Vật liệu bán dẫn Vật liệu kết cấu

1.4.4 Đơn tinh thể, Đa tinh thể

Trang 47

Kích thước hạt A phụ thuộc tốc độ sinh mầm (n) và phát triển mầm (v)

VD : Đúc khuôn cát vs khuôn kim loại

Làm nhỏ hạt: Tăng tốc độ nguội (tăng độ quá nguội)

Trang 48

Biến tính: thêm vào kim loại lỏng lượng ít chất biến tính làm nhỏ hạt, thay đổi hình dạng hạt.

Tác động vật lý : rung, siêu âm, đúc ly tâm,…

• Tạo mầm ngoại lai: Kim loại có kiểu mạng tương tự (Ti),

hoặc chất tạo oxyt, nitrit Al 2 O 3 , AlN, khi đúc thép.

• Hấp phụ: Na (0,01%) cho hợp kim nhôm đúc

• Cầu hóa: Mg, Ce, các nguyên tố đất hiếm

1.4.5 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

Trang 49

Nội dung cần nắm chắc

Đặc điểm của liên kết kim loại

Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn tinh thể: A1, A2, A3

Sai lệch mạng tinh thể: điểm, đường, mặt

Điều kiện kết tinh

02 Quá trình của kết tinh: tạo mầm và phát triển mầm

Sự hình thành hạt, kích thước hạt, phương pháp tạo hạt nhỏ

Đơn tinh thể, Đa tinh thể

Tiêu đề	Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại
Tác giả	Nghiêm Hùng, Lê Công Dưỡng, Phùng Thị Tố Hằng, Nguyễn Văn Đức
Người hướng dẫn	GV: Nguyễn Thị Vân Thanh
Trường học	Hust
Chuyên ngành	Vật liệu học
Thể loại	Bài giảng
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	49
Dung lượng	3,03 MB