Vật liệu kim loại ( Hoàng Văn Vương ) - Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành pot

0.1 Khái niệm khoa học vật liệu• Khoa học vật liệu là một khoa học liên ngành nghiên cứu về mối quan hệ giữa thành phần, cấu trúc, các công nghệ chế tạo, xử lý và tính chất của các vậ

Trang 1

Vật liệu kim loại

Giảng viên: Hoàng Văn Vương

Trang 2

0.1 Khái niệm khoa học vật liệu

• Khoa học vật liệu là một khoa học liên ngành

nghiên cứu về mối quan hệ giữa thành phần,

cấu trúc, các công nghệ chế tạo, xử lý và tính

chất của các vật liệu:

- Liên ngành nghiên cứu:

+ Vật lý, Hóa học, Toán học

- Nghiên cứu về:

+ Cấu trúc; tính chất điện, từ, nhiệt, quang, cơ

→ Tạo ra vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc

0.2 Vật liệu là gì

• Vật liệu là các vật rắn có thể sử dụng để

chế tạo các dụng cụ, máy móc, thiết bị,

xây dựng các công trình…

Trang 3

0.3 Phân loại vật liệu

• Vật liệu kim loại

- VD: + Thép: C20; C45; 40Cr;18CrMnTi; SKD61, SKD11

+ Đồng thau (Latông): LCuZn30

+ Dura: AlCu4Mg1,2

- Các tính chất điển hình của vật liệu kim loại:

+ Dẫn nhiệt, dẫn điện cao,

+ Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua

+ Dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép),

+ Có độ bền cơ học, nhưng kém bền hóa học.

• Ceramic (vật liệu vô cơ)

- Vật liệu này có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim (ôxit, nitrit,

cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh

- Các tính chất điển hình của vật liệu vô cơ - ceramic:

+ Rẻ và khá rẻ;

+ Khá nặng;

+ Dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện);

+ Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ.

Trang 4

0.3 Phân loại vật liệu

• Polyme (vật liệu hữu cơ)

- Vật liệu này phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà thành phần hóa học chủ yếu là

cacbon, hyđrô và các á kim, có cấu trúc đại phân tử Liên kết giữa các cao phân tử là

+ Khối lượng riêng nhỏ,

+ Dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao,

+ Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy, phân hủy ở

nhiệt độ tương đối thấp.

• Vật liệu compozit.

- Là sự kết hợp của hai hay cả ba loại vật liệu kể trên, mang hầu như các đặc tính tốt

của các vật liệu thành phần.

- Ví dụ bêtông cốt thép (vô cơ - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao

(như bêtông) Hiện dùng phổ biến các compozit hệ kép: kim loại polyme, kim loại

-ceramic, polyme - ceramic với những tính chất mới lạ, rất hấp dẫn.

0.4 Lịch sử phát triển vật liệu

• Thời kỳ đồ đá: 2triệu năm trước

• Thời kỳ đồ đồng: 3300-1200 TCN

• Thời kỳ đồ sắt: Từ 1200 TCN

Trang 5

Chương 1 Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong vật rắn

1.2 Khái niệm về mạng tinh thể

1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn

1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong

vật rắn

Cấu tạo nguyên tử:gồm các electron

chuyển động xung quanh hạt nhân (p,

Trang 6

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong kim loại

b) Liên kết ion: Hình thành do lực hút tĩnh điện

giữa các nguyên tử, nguyên tử dễ nhường e

hóa trị (ion dương), nguyên dễ nhân e hóa trị

(ion âm)

- Liên kết không có tính định hướng

Clo Z = 17: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Natri Z = 11: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

Trang 7

Các dạng liên kết trong vật rắn

c) Liên kết kim loại: Hình thành do tương tác tĩnh

điện giữa các điện tử tự do và các ion dương

d) Liên kết hỗn hợp: hình thành do trong vật liệu

có nhiều nguyên tố tham gia liên kết

- Liên kết ion - đồng hóa trị: hợp chất muối NaCl;

NaF

- Liên kết kim loại - đồng hóa trị: trong kim loại

chuyển tiếp: W; Cr

- Liên kết kim loại – Ion : NaZn13

- Fe5Zn12 – liên kết thuần kim loại

Trang 8

Các dạng liên kết trong vật rắn

e) Liên kết yếu (Van De Waals): hình thành do

sự tương tác giữa các phân tử bi phân cực

Trang 9

Ô cơ sở:là hình không gian có thể tích

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 toàn bộ mạng tinh thể

Biểu diễn ô cơ sở trong không gian

- Ba véc tơ đơn vị (hằng số mạng):

- Các góc α, β, γ hợp bởi các vectơ đơn vị

→ 6 thông số gọi là hằng số cấu trúc mạng

Trang 10

Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng và mặt

- Đường thẳng đi qua các nút mạng

- Hai phương song song có cùng chỉ số

+ Tử số của các phân số sau quy đồng là u, v,

w là chỉ số Miller [u v w] của phương đã cho.

Chỉ số Miller các phương:

OE [101]

OB [111]

OH [010]

Trang 11

Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng

+ Tìm toạ độ giao điểm [[na,0,0]]; [[0,nb,0]];

[[0,0,nc]] của P trên ba trục Ox, Oy, Oz;

+ Lấy các giá trị nghịch đảo na, nb, nc, quy đồng

Chỉ số Miller – Bravais trong mạng sáu

) 0 11 ( ) 110 ( ) 0 1 (

) 0 10 ( ) 001 (

) 00 1 (

) 0001 (

) 0 01 (

Trang 12

- l, s, v: chiểu dài, diện tích, thể tích nguyên tử chiếm chỗ

- L, S, V: chiểu dài, diện tích, thể tích đem xét

1.3.1 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại

Trang 13

Kim loại có kiểu mạng A 1 : Feγ, Au, Ag, Al, Ni, Cu…

b) Mạng lập phương tâm khối A 2

Trang 14

b) Mạng lập phương tâm khối A 2

- Lỗ hổng 4m:

+ Vị trí: ¼ đường nối trung

điểm cạnh đối diện của các mặt bên

Kim loại có kiểu mạng A 2 : Fe α, Cr, Mo, W, V,…

c) Sáu phương xếp chặt A 3

- Ô cơ sở khối lăng trụ lục giác cạnh a, chiều cao c

- Số nguyên tử trong một ô cơ sở nv = 6

Trang 15

1.3.2 Một số mạng tinh thể điển hình của vật liệu phi kim

a) Chất rắn có liên kết cộng hóa trị

- Tinh thể kim cương A 4 : Ô cơ sở mạng A1, và 4 nt bên trong

- Kiểu mạng graphit A 3 :

- Cấu trúc sợi, ống cacbon và fullerene

1.3.2 Một số mạng tinh thể điển hình của vật liệu phi kim

b) Chất rắn có liên kết ion

- Ion NaCl

C) Cấu trúc polymer

Trang 16

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

a) Sai lệch đường – Lệch (Dislocation)

Có kích thước rất nhỏ theo 2 chiều và lớn theo chiều thứ 3: Lệch biên

và lệch xoắn

Lệch biên (edge dislocation, line dislocation): Chèn thêm nửa bản

mặt vào một nửa của tinh thể lý tưởng

- Véc tơ Burger: đóng kín vòng burger được vẽ trên mặt phẳng của

trục lệch, khi chuyển từ tinh thể không có lệch sang tinh thể có lệch

AB

b⊥

→

Trang 17

1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể

b) Sai lệch đường – Lệch (Dislocation)

Lệch xoắn (screw dislocation):

- Hai phần mạng tinh thể trượt tương đối với nhau một

Trong đó: l chiều dài trục lệch, V thể tích khối xem xét

- Phụ thuộc vào độ sạch và trạng thái gia công:

+ Đơn tinh thể siêu sạch: ρ < 10 -3

+ Sợi đơn tinh thể có đượng kính vài micromet: chỉ chứa vài lệch

+ Đơn tinh thể ở trạng thái ủ: ρ < 10 4 - 10 6

+ Đa tinh thể ở trạng thái ủ: ρ < 10 8

+ Kim loại sau biến dạng mạnh: ρ < 10 11 – 10 12

- Dịch chuyển lệch: theo các phương, các mặt thường là phương và

mặt trượt

- Ý nghĩa của lệch:

+ Lệch biên ảnh hưởng lớn đến biến dạng dẻo (dễ trượt, tăng bền)

+ Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh

Trang 18

c) Sai lệch mặt:

Đơn tinh thể và đa tinh thể

Đơn tinh thể:

- Khối vật liệu đồng nhất có cùng kiểu số mạng và hằng

số mạng, có phương không đổi trong toàn bộ thể tích

của vật liệu

- Bề mặt ngoài nhẵn, hình dáng xác định

- Các đơn tinh thể kim loại trong tự nhiên không tồn tại,

cần nuôi đơn tinh thể: Zôranxki và Flux

- Có tính dị hướng, theo các hướng khác nhau, mật độ

xếp và tính chất khác nhau

- Sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và kỹ thuật điện

Đa tinh thể:

- Tập hợp nhiều đơn tinh thể (hạt tinh thể) liên kết với

nhau bằng ranh giới gọi là biên hạt

- Do sự định hướng ngẫu nhiên của mỗi hạt nên phương

mạng giữa các hạt luôn lệch với nhau một góc nào đó;

- Tại vùng biên giới hạt mạng tinh thể bị xô lệch

- Đa tinh thể có tính đẳng hướng

Trang 19

Đa tinh thể:

- Xác định độ hạt

+ Xác định tiết diện ngang của các hạt

+ Xác định đường kính trung bình của các hạt

+ So sánh với số hạt trên một đơn vị diện tích

trên ảnh tổ chức với bản mẫu chuẩn x100

- Siêu hạt: trong mỗi hạt có phương mạng

lệch nhau góc nhỏ (< 1-20), gọi là biên giới

siêu hạt

- Biên giới hạt: vùng giữa các hạt đa tinh thể một pha

- Biên giới pha: vùng giữa các pha giữa đa tinh thể đa pha

- Bề mặt tinh thể

Trang 20

1.4.1 Điều kiện kết tinh

a) Cấu trúc ở trạng thái lỏng: Vô định hình

- Có trật tự gần, cân bằng động

- Cấu trúc gần trạng thái rắn

- Các đám nguyên tử là tâm mầm kết tinh

1.4.1 Điều kiện kết tinh

b) Biến đổi năng lượng khi kết tinh:

+ T > T0: GL< GR

+ T < T0: GL> GR

+ T = T0: quá trình kết tinh chưa xảy ra

+ T0: nhiệt độ kết tinh (đông đặc)

c) Độ quá nguội:

ΔT = T – T0

Điều kiện kết tinh: ΔT < 0, ΔG < 0

Trang 21

1.4.2 Hai quá trình của sự kết tinh

- Các hạt định hướng ngẫu nhiên, không đẳng hướng

- Vùng biên hạt mạng tinh thể bị xô lệch (sai lệch mặt)

Trang 22

1.4.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

- Kích thước hạt (A) phụ thuộc vào tốc độ sinh mầm (n) và

1.4.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

Biến tính: Thêm vào kim loại lỏng lượng nhỏ chất biến tính

làm nhỏ hạt, thay đổi hình dạng hạt

- Tạo mầm ngoại lai: kim loại có cùng kiểu mạng, hoặc

gần giống nhau: FeSi (gang) Chất tạo oxit, nitrit: Al2O3,

AlN khi đúc thép

- Hấp thụ Na cho hợp kim nhôm đúc (silumin)

- Cầu hóa graphit: Mg, Ce, nguyên tố đất hiếm

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

Trang 23

1.4.5 Cấu tạo thỏi đúc

a) Ba vùng tinh thể của thỏi đúc

- Lớp vỏ ngoài hạt nhỏ mịn

- Lớp tiếp theo, hạt tương đối lớn hình trụ

vuông góc với thành khuôn

Định dạng
Số trang	23
Dung lượng	1,3 MB