Chương 2_Cấu trúc và liên kết nguyên tử trong chất rắn và kim loại

Slide 1 1 VẬT LIỆU KỸ THUẬT Giảng viên TS Nguyễn Thị Hằng Nga Email nthngatlu edu vn TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ môn Công nghệ cơ khí CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ TRONG CHẤT RẮN VÀ KIM LOẠI NỘI DUNG 2 1 Cấu trúc và liên kết nguyên tử trong chất rắn 2 2 Cấu trúc tinh thể kim loại 2 3 Khuyết tật trong chất rắn 2 4 Sự kết tinh và sự hình thành hạt kim loại 2 5 Hiện tượng khuếch tán trong chất rắn TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ môn Công nghệ cơ khí 2 1 1 Cấu trúc n.

Trang 1

VẬT LIỆU KỸ THUẬT

Giảng viên: TS Nguyễn Thị Hằng Nga Email: nthnga@tlu.edu.vn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ môn Công nghệ cơ khí

CHƯƠNG 2

CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ TRONG CHẤT RẮN VÀ KIM LOẠI

NỘI DUNG

2.1 Cấu trúc và liên kết nguyên tử trong chất rắn 2.2 Cấu trúc tinh thể kim loại

2.3 Khuyết tật trong chất rắn 2.4 Sự kết tinh và sự hình thành hạt kim loại 2.5 Hiện tượng khuếch tán trong chất rắn

Khoa Cơ khí – Bộ môn Công nghệ cơ khí

2.1.1 Cấu trúc nguyên tử

❖Thànhphần nguyên tử

- Hạt nhân = proton + neutron

- Cácđiện tử chuyển động xung

quanhhạt nhân

❖Thuyết về cấu tạo nguyên tử

- Mô hình nguyêntử Bo

- Mô hìnhcơ học sóng

2.1 CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ TRONG CHẤT RẮN

3

Wave mechanical Model

2.1.2 Lực liên kết và năng lượng liên kết

2 nguyêntử khi đưa lại gần nhau:

-Lực hút giữa các ion trái dấu FA

- Lực đẩy giữa các ion cùng dấu FR

-Vị trí CB: FA(ro)– FR(ro)=0 Năng lượng liên kết tương ứng với thế năng tương tác:

Emin= E(ro)

4

2.1.3 Liên kết nguyên tử (cơ bản)

a Liên kết Ion

Làloại liên kết thường gặp giữa kim loại

và á kim:

- Kimloại nhường e ion dương

- Á kimnhận e ion âm

-Lực liên kết là lực hút giữa ion (+) và

ion (-)

Đặc điểm:Liênkết mạnh

Chủ yếu ở vật liệu gốm:

Cứng, độ giòn cao

5

Là liênkết tạo thành khi 2 hoặc nhiều nguyên tử dùng chung để

số điện tử lớp ngoài cùng bằng 8

Đặc điểm:

+ Liênkết mạnh +Cường độ phụ thuộc vào đặc tính liênkết giữa điện tử hoá trị với hạt nhân

6

Tỷ số về số điện tử lớp ngoài cùng/tổng số điện tử càng lớnLiên kết càng mạnh.

b Liên kết cộng hoá trị (đồng hoá trị)

Trang 2

c Liên kết kim loại

Là liênkết xảy ra trong kim loại hoặc hợp kim khi sự cân bằng giữ lực

hút vàlực đẩy giữa các ion dương sắp xếp thành mạng và các điện

tử tự do dùng chung

7

-Đặc điểm:

+ Ánh kim: e-nhận photon kích thích

 mức năng lượng cao  Mức cũ + Photon

+Dẫn điện tốt: các e- chuyển động có

hướng khi đặt KL trong từ trường

+Dẫn nhiệt tốt: e- giúp choviệc truyền

động năng giữa các ion dương tốt hơn

+ Tínhdẻo cao: sự dịch chuyển các ion

dương không phá vỡ mối liên kết kim loại

d Liên kết Van der Vaals (thứ cấp)

Là liênkết giữa 2 nguyên tử phân cực (phântử HF, HCl hoặc polyme…) Đặc điểm:

+ Liênkết thường yếu hơn liên kết cơ bản

+Thường gặp đối với các phân tử

bị phân cực (dương, âm) và gây ra lực hút tĩnh điện

8

2.2.1 Một số khái niệm cơ bản

a Vật rắn tinh thể và vật rắn vô định hình

- Vật rắn tinh thể:là cácvật rắn mà các

nguyêntửsắp xếp theo một trật tự hình học

nhiệt độ nóng chảy nhất định, tính chất dị

hướng (có tính chất khác nhau theo phương

khác nhau)…

- Vật rắn vô định hình:làchất rắn có các

nguyên tửkhông có trật tự (polyme, thuỷ

tinh) Không có Tncxácđịnh, tính chất đẳng

hướng…

2.2 CẤU TRÚC TINH THỂ KIM LOẠI

9

❖ Ô cơ sở (ô cơ bản)

Làphần nhỏ nhất đặc trưng đầy đủ cho các tínhchất cơ bản của mạng tinhthể

b Mạng tinh thể và các đặc trưng

Làmạng không gian được tạo nên bởi các ion, nguyên tử sắp xếp theo một quy luật chặt chẽ, tạo thành một dạng hình học nhất định

10

❖ Thông số mạng tinh thể

- Là kíchthước cơ bản của mạng tinh thể

11

+ Thôngsố mạng được xác định theo kích thước các cạnh của

ôcơ sở: a, b,c

+Đơn vị đo là Ăng-strôn (Å) (1Å = 10-8cm = 10-10m)

Phụ thuộc vào thông số của mạng tinh thể

=> chia ra làm 7 hệ tinh thể và 14 kiểu mạng tinh thể

12

Tam tà

Đơn tà

Đơn giản Tâm đáy

Trực giao

Đơn giản Tâm đáy Tâm khối Tâm mặt

Trang 3

13

Lục giác

Tam giác

Tứ giác

Đơn giản Tâm khối

Lập phương

Đơn giản Tâm khối Tâm mặt

14

❖ Mặt tinh thể

Làmặt tạo nên bởi các nút mạng (các mặt song song và cách

đều nhau trong mạng tinh thể)

+ Dùngchỉ số Miller (hkl) biểu diễn một mặt tinh thể

15

Cách tính chỉ số Miller

- Gắn toạ độ Đề Các vào ô cơ sở;

- Tìm giao điểm của mặt cần tìm với 3 trục toạ độ Ox, Oy, Oz;

- Nghịch đảo các giá trị toạ độ vừa tìm được;

- Quy đồng và lấy giá trị của tử số  h, k, l

(là các số nguyên).

16

Vì mặt phẳng đi qua gốc tọa độ đã chọn O nên CHỌN một điểm gốc mới ở góc của ô đơn vị liền kề:

Ví dụ

17

Nghịch đảo 3/2 -1 2

Mặt A

Mặt B

Chỉ số Miller (221)

❖Phương tinh thể

-Biểu diễn vị trí và hướng của mặt tinh thể nào đó

18

+ Dùng ký hiệu [uvw] để biểu diễn phương tinh thể.

+ uvw là các số nguyên nhỏ nhất, ứng với giá trị toạ độ một chất điểm.

Trang 4

❖Lỗ hổng trong mạng tinh thể

Nếu coi các nguyên tử là các quả cầu Lỗ hổng

Có hailoại lỗ hổng: + Tạo bởi khối 8 mặt

+Tạo bởi khối 4 mặt

-Mạng LPTK:

+Tạo bởi khối 8 mặt:(nằm ở trung điểm các cạnh và tâm của các mặt

bên): Gồm 6 lỗ (d8mặt= 0,154dnguyêntử)

+Tạo bởi khối 4 mặt:(nằm ở 1/4 đoạn thẳng nối điểm giữa các cạnh

đối diện của các mặt bên): Gồm 12 lỗ (d4mặt= 0,291dnguyêntử)

-Mạng LPTM:

+Tạo bởi khối 8 mặt: (nằm ở trung điểm các cạnh và tâm của khối)

Gồm 4 lỗ (d8mặt= 0,41dnguyêntử) +Tạo bởi khối 4 mặt: (nằm ở tâm của 8 khối nhỏ)

Gồm 8 lỗ (d4mặt= 0,225dnguyêntử)

❖Mật độ nguyên tử trong mạng tinh thể

- Làđại lượng đánh giá mức độ sắp xếp xít chặt của các chất điểm đối với mỗi kiểu mạng Bao gồm: mật độ theo phương, mật độ mặt và mật độ khối

- Làmức độ xít chặt của các nguyên tử theo một phương nhất định Phương nào có khoảng cách giữa các nguyên

tử nhỏ hơn thì phương đó có mật độ lớn hơn

20

- Làmức độ xít chặt của các nguyên tử theo một mặt nào

đó và được tính theo công thức sau:

2 s s

n r

S





Trongđó:

M s : Là mật độ mặt;

n s : Là số nguyên tử thuộc diện tích của

mặt

r : Là bán kính nguyên tử

S : Là diện tích của mặt tinh thể.

21

một ô cơ sở và được tính theo công thức sau:

3 4

v 3 v

n r

V





Trongđó:

M v : Là mật độ khối

n v : Là số nguyên tử thuộc thể tích V

r : Là bán kính nguyên tử

V : Là thể tích của ô cơ sở

22

2.2.2 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại.

Trong kimloại thường gặp 4 kiểu mạng:

+ Lập phương tâm mặt (FCC)

+ Lập phương tâm khối (BCC)

+ Lục giác xếp chặt (HCP)

+ Tứ giác tâm khối

23

a Lập phương tâm mặt (FCC) – A1

- Quy luật sắp xếp:Các nguyêntử nằm ở đỉnh và tâm các mặt của khối lập phương

- Đặc điểm:Các nguyêntử nằmsátnhau theođường chéo của các mặt vàcáchnhau theođường chéo khối và các cạnh

24

+ Các kimloại có kiểu mạng này là: Fe,

Cu, Al, Ni… ; +Số nguyên tử trong một ô cơ sở:

n = 8.1/8 + 6.1/2 = 4;

+Số phối vị: K = 12 (số các nguyên tử cáchđều gần nhất 1 nguyên tử bất kỳ);

+Mật độ mặt (111): Ms= 91%;

+Mật độ khối: Mv= 74%;

+ a 3,64×10-7mm

Trang 5

b Lập phương tâm khối (BCC) – A2

- Quy luật sắp xếp:Các nguyêntử nằm

đỉnh và tâm khối Lập phương

- Đặc điểm:

+ Các nguyêntử nằmsátnhau theođường

chéokhối vàcáchnhau theođường chéo mặt

+ Các kimloại có kiểu mạng này là: Fe, Cr,

W, Mo,…;

+Số nguyên tử trong một ô cơ sở:

n = 8.1/8 +1 = 2;

+Số phối vị: K = 8;

+ a 2,87×10-7mm

25

c Lục giác xếp chặt (HCP) – A3

- Quy luật sắp xếp:12 nguyêntử nằm ở đỉnh và 2 nguyên tử nằm ở tâm của 2 mặt đáy, 3 nguyên tử nằm ở tâm của 3 lăng trụ tam giác cách nhau

- Đặc điểm:Gồm 3 lớp nguyên tử nằm sát nhau, lớp giữa nằm vàochỗ lõm của 2 lớp đáy

+ Các kimloại có kiểu mạng này là: Be, Zn, Mg, Cd, Cr, Mo, Ti, Co-…;

26

+Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 12.1/6 +2.1/2 + 3 = 6;

+Số phối vị: K = 12;

+ a 3,2×10-7mm;

+ c 5,2×10-7mm

d Tứ giác tâm khối

-Giống mạng BCC song kéo dài một chiều theo cạnh khối

- Mactenxit (tổ chức của thép sau khi tôi) có kiểu mạng trực giao

tâmkhối

27

28

- Thể tích của cơ sở, VC= a3(FCC và BCC)

Với R: Là bán kính nguyên tử

❖ Vìvậy, công thức đối với khối lượng riêng là:

a (FCC) ; a (BCC)

C A

nA

V N

 

29

Trong đó:

-A: nguyên tử lượng

-n: các nguyên tử trong ô cơ sở

- VC : thể tích

- NA: số Avogadro

2.2.4 Tính thù hình của kim loại

- Córất nhiều kim loại có đặc tính là:ở những khoảng nhiệt độ và

áp suất khác nhau có các kiểu mạng tinh thể khác nhautính thù hình.

VD: Fe +Ở nhiệt độ dưới 910C gọi là Fe-  mạng A2;

+Từ 1392 – 1539C gọi là Fe-  mạng A2;

+Từ 910 – 1392C gọi là Fe-  mạng A1

30

Trang 6

- Khichuyển biến thù hình các tính chất cơ, lý, của vật liệu có

thể thay đổi đột ngột

+ Thay đổi về thể tích:

- Khi nung nóngđến 910C thì có chuyển biến từ Fe

-mạng A2 (Mv= 68%) sang Fe- - mạng A1 (Mv= 74%)thể tích

của kim loại bị giảm đi (do tăng mật độ xếp) và khi làm nguội

thìngược lại

+ Thay đổi về tính chất:

Carbon có 2dạng thù hình là Graphit và Kim cương có tính

chất khác nhau

Graphit– A3 là vật liệu rất mềm, Kim cương là vật liệu rất

cứng

Chế tạo Kim cương từ Graphit: nén Graphit ở áp suất

100.000 atm vàở nhiệt độ 2000C

31

2.2.5 Đơn tinh thể- Đa tinh thể

Đơn tinh thể: là một khối chất rắn có mạng thống nhất và phương không đổi trong toànbộ thể tích (chỉ gồm 1 tinh thể)

- Đặc điểm:

+ Kimloại đơn tinh thể có độ nguyên chất rất cao, sai lệch mạng ít nhất;

32

+Cóthể tồn tại các đơn tinh thể tự nhiên, hầu như để có được đơn tinhthể kim loại người ta phải nuôi;

+Chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và VL điện;

+ Có tínhdị hướng (là sự khác nhau về tính chất cơ, lý, hoá theo các phương khác nhau), vì theo các hướng khác nhau độ xếp chặt nguyên

tử khác nhau

Đa tinh thể:làmột khối chất rắn dù rất nhỏ cũng bao gồm nhiều

tinhthể có phương mạng khác nhau…(mỗi tinh thể là 1 hạt)

- Đặc điểm của đa tinh thể:

+ Phương mạng giữa các hạt:

Lệch nhau 1 góc nào đó

+ Vùng biêngiới giữa các hạt:

Mạng tinh thể thường bị xô lệch,

các nguyêntử sắp xếp không có

trật tự

+Đa tinh thể có tính đẳng hướng

giả

33

2.3.1 Sai lệch điểm

Là dạng sai lệch có kích thước nhỏ theo cả ba chiều đo: nút trống, nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất…

a Nút trống và nguyên tử xen kẽ:

Do sự dao động năng lượng, một số nguyên tử dao động mạnh, bứt ra khỏi nút mạng tạo ra nút trống và đi vào vị trí xen giữa các nút mạng tạo ra một nguyên tử xen kẽ.

b Nguyên tử tạp chất:

Trong kim loại luôn tồn tại 1 lượng các nguyên tố tạp chất nằm ở các nút mạng hoặc xen giữa các nút mạng tạo thành các sai lệch điểm.

2.3 CÁC KHUYẾT TẬT TRONG CHẤT RẮN

34

2.3.2 Sai lệch đường

35

Làloại sai lệch mạng tinh thể có

kích thước nhỏ theo hai chiều và

lớn theo chiều đo còn lại

Làdạng sai lệch có hình dạng

hìnhhọc nhất định và tính ổn

định cao

Vai trò của lệch trong tinh thể kim loại:

-Lệch có ảnh hưởng quan trọng đến cơ tính kim loại

-Lệch có ảnh hưởng đến quá trình kết tinh và chuyển biến pha Lệch biên

a Lệch thẳng (lệch biên)

- Môtả: giả sử có một mạng tinh thể lý tưởng, ta cắm vào phần trên 1 bán mặt ABCD vùng xung quanh trục AD sẽ bị

xôlệch tạo ra 1 lệch thẳng

+ ABCDnằm trên là lệch (+) và ngược lại

+Vectơ Burgers là đặc trưng cho mức độ sai lệch (năng lượng sailệch)

36

Trang 7

b Lệch xoắn

- Môtả: giả sử có một mạng tinh

thể lý tưởng, ta cắt tưởng tượng bằng 1 bán mặt ABCD sau đó

dịch chuyển hai phần sao cho mép D dịch chuyển đi 1 thông số

mạng, ta được một lệch xoắn quanh trục AB

c Lệch hỗn hợp

Trung gian giữa lệch thẳng và lệch xoắn

37

2.3.3 Sai lệch mặt

Làdạng sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều đo còn lại

a Biên giới hạt:Trongđa tinh thể, vùng biên giới giữa các hạt các nguyên tử sắp xếp không có trật tự tạo thành sai lệch mặt

b Biên giới siêu hạt:Trong tinhthể, giữa các phần có sự sailệch nhỏ nào đó gây ra do các “bức tường lệch”

c Mặt ngoài tinh thể:Mặt ngoài tinh thể thường có cấu tạo không trật tự do lực liên kết không cân bằng

38

39

2.4.1 Sự kết tinh

a Cấu tạo kim loại lỏng và điều kiện xảy ra kết tinh

-Cấu tạo kim loại lỏng:

+ Các nguyêntử có xu hướng sắp xếp có trật tự (gần), luôn

cómột số nguyên tử nhất định bao quanh

+ Xu hướng có trật tự đó luôn bị phá vỡ và hình thành nhóm trật tự mới

+ Trong kimloại lỏng tồn tại etự do (liên kết kim loại yếu)

2.4 SỰ KẾT TINH VÀ SỰ HÌNH THÀNH HẠT KIM LOẠI

40

b Điều kiện năng lượng của sự kết tinh

Năng lượng tự do của vật chất: G = H  T.S = f(T)

Nhận xét:

- T0 : nhiệt độ kết tinh lý thuyết -T < T o  G r < G l  kết tinh xảy ra -T = T o => G r = G l => tồn tại cả pha lỏng và rắn -T > To=> Gr> Gl=> không kết tinh

- T = T 0 – T Độ quá nguội

41

Đồ thị thay đổi năng lượng tự do của kim

loại lỏng và rắn theo nhiệt độ

G: Năng lượng tự do đẳng áp của hệ T: Nhiệt độ ( 0 K)

H: Entanpi (nhiệt hàm) của hệ S: Entropi của hệ

2.4.2 Hạt kim loại

a Sự tạo thành hạt kim loại

Quá trìnhkết tinh bao gồm 2 giai đoạn:tạo mầmvàpháttriển mầm Cácmầm cũ phát triển, các mầm mới hình thành cho đến khi hết KL lỏng:

+Mỗi mầm một hạt;

+ Cáchạt không đồng đều và định hướng khác nhau;

+ Cáchạt hình thành theo cơ chế kết tinh nhánh cây

42

Trang 8

b Sự tạo mầm

Là quá trìnhtạo ra các phần tử rắn có cấu trúc tinh thể có kích

thước đủ lớn trong kim loại lỏng và phát triển thành hạt tinh thể:

sẵn có trong kim loại lỏng

43

-Sự tạo mầm ký sinh có lợi về năng lượng hơn mầm tự sinh

c Sự phát triển mầm

Bề mặt của mầm có chứa các lệch xoắn, tạo ra các bậc thang để gắn các nhóm nguyên tử mới vào và tạo ra bậc mới Cứ thế mầm phát triển thành hạt kim loại

d Hình dạng hạt

Hìnhdạng hạt phụ thuộc vào 2 yếu tố +Bản chất kim loại (kiểu mạng TT, độ sạch…) +Điều kiện kết tinh (độ quá nguội, và phương tản nhiệt)

nguyêntử lớn

44

e Kích thước hạt

Kích thước hạt là chỉ tiêu đánh giá chất lượng vật liệu: hạt nhỏ

độ bền, độ dẻo cao và được xác định bởi:

+Diện tích trung bình Stb

+Đường kính trung bình Dtb

Có 16cấp hạt; 00, 0 13, 14

+ 00 2 : rất to;

+ 3  6 : to;

+ 7  10 : nhỏ;

+ 11 14 : rất nhỏ

45

f Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt

Có 2yếu tố ảnh hưởng tới kích thước hạt:

+Tốc độ tạo mầm : ntmtăng Dtbgiảm +Tốc độ phát triển mầm: vpttăng Dtbtăng Thực nghiệm:

Phương pháp làm nhỏ hạt:

-Tăng độ quá nguội (Vnguộităng) ntmtăng >> Vpttăng

-Biến tính: cho vào kim loại lỏng một lượng nhỏ chất biến tính (0,001-0,1%) cókhả năng:

+Tạo nên các hợp chất không tan thúc đẩy tạo mầm ký sinh

+ Hoà tan vào kimloại lỏng làm giảm tốc độ phát triển mầm

46

3 pt 4 tb

tm

v

D 1,1

n

  

2.4.3 Đường nguội

Làđường biểu diễn quá trình kết tinh của kim loại lỏng thông qua

sự thay đổi của nhiệt độ theo thời gian (T)

Dựa vào đường nguội có thể xác định nhiệt độ kết tinh, nhiệt độ

chuyển biến thù hình, xây dựng giản đồ pha

+Kết tinh vớiT nhỏ (nguội chậm)

+Kết tinh vớiT lớn (nguội nhanh)

+Đường nguội của vật liệu vô định hình

47

a

T

, s

T

b

T

, s T

c

, s T

Định dạng
Số trang	8
Dung lượng	1,2 MB