Bài giảng Vật liệu học: Chương 1 - ThS. Hoàng Văn Vương

Bài giảng Vật liệu học: Chương 1 được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Khái niệm khoa học vật liệu; Vật liệu là gì; Phân loại vật liệu; Lịch sử phát triển vật liệu. Mời các bạn cùng tham khảo!

Trang 1

Giảng viên: ThS Hoàng Văn Vương

Vật liệu học

20-June-12

Mở đầu

0.1 Khái niệm khoa học vật liệu

0.2 Vật liệu là gì

0.3 Phân loại vật liệu

0.4 Lịch sử phát triển vật liệu

20-June-12

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:

+ 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

20-June-12

Trang 2

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…

20-June-12

 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.

20-June-12

Trang 3

 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

liên kết yếu.

- Ví dụ: - PE

- PVC

- Các tính chất điển hình của vật liệu hữu cơ - polyme:

+ Rẻ và khá rẻ,

+ Dẫn nhiệt, dẫn điện kém,

+ 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.

20-June-12

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

20-June-12

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

20-June-12

Trang 4

thành

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,

n):

- Số lượng tử chính: n = 1, 2, 3, 4, K, L,

M, N…

- Số lượng tử quỹ đạo l = 0, 1, 2, (n-1)

- Số lượng tử từ ml= 0, 1, 2, 3…l

- Số lượng tử spin ms= 1/2

Ví dụ: Cu có Z = 29: 1s22s22p63s23p63d104s1

20-June-12

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong kim loại

Các dạng liên kết trong vật rắn

a) Liên kết đồng hóa trị (LKĐHT): Hình thành do

các nguyên tử góp chung điện tử hóa trị

Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hoá trị a) Phân tử Clo, b) Metan c) NH4+

Clo Z = 17: 1s22s22p63s23p5

Cacbon: Z = 6: 1s22s22p2

Nitơ: Z = 7: 1s22s22p3

20-June-12

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: 1s22s22p63s23p5

Natri Z = 11: 1s22s22p63s1

20-June-12

Trang 5

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

điện giữa các điện tử tự do và các ion dương

trong mạng tinh thể

Đặc trưng cho kim loại:

20-June-12

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

có nhiều nguyên tố tham gia liên kết

NaF

chuyển tiếp: W; Cr

20-June-12

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

tương tác giữa các phân tử bi phân cực

20-June-12

Trang 6

thành

Mạng tinh thể gồm các nhóm nguyên tử sắp xếp có

trật tự ở các vị trí xác định

Tính đối xứng của mạng tinh thể:

- Tâm đối xứng

- Mặt đối xứng

- Trục đối xứng, n = 2/  là bậc của trục đối xứng: 1, 2, 3, 4, 6

20-June-12

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 , ,  hợp bởi các vectơ đơn vị

 6 thông số gọi là hằng số cấu trúc mạng



a



b



c

20-June-12

Ô cơ sở:

Trong 3D có bảy hệ tinh thể khác nhau

Ba nghiêng (tam tà) a  b  c     

Một nghiêng (đơn tà) a  b  c  =  = 900  

Ba phương (mặt thoi) a = b = c  =  =   900

Sáu phương (lục giác) a = b  c  =  = 900,  = 1200

Chính phương (bốn phương) a = b  c  =  =  = 900

20-June-12

Trang 7

Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng và mặt

nguyên tử

Nút mạng: để biểu thị tọa độ các nguyên tử

[[na, nb, nc]] là chỉ số Miller nút mạng M

- Trị số âm được biểu thị bởi dấu “-” ở trên đầu





 a b n c

Chỉ số nút mạng:

A [[0,0,1]]

B [[1,0,0]]

C [[1,1,1]]

D [[0,1/2,0]]

20-June-12

Chỉ số Miller của nút mạng, phương

mạng và mặt nguyên tử

Phương mạng:

- Đường thẳng đi qua các nút mạng

- Hai phương song song có cùng chỉ số

nút mạng (cùng cách sắp xếp NT)

- Kí hiệu [uvw]

- Họ phương <uvw>

- Quy tắc xác định chỉ số phương:

+ Qua gốc O kẻ phương OM song song với

phương cần xác định;

+ Xác định chí số nút mạng của M[[na, nb, nc]];

+ Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất (nếu cần)

cho 3 toạ độ: na, nb, nc;

+ 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]

20-June-12

Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng

và mặt nguyên tử

Mặt tinh thể:

- Mặt phẳng chứa các nút mạng không đi qua

gốc tọa độ

- Hai mặt song song có cùng chỉ số Miller

- Kí hiệu (hkl)

- Họ mặt {hkl}

- Quy tắc xác định chỉ số mặt (h k l):

+ Xây dựng mặt phẳng P song song với mặt cần

xác định;

+ 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

mẫu số chung;

+ Các giá trị của tử số, đó chính là các chỉ số h,

k, l tương ứng cần tìm

Chỉ số Miller các mặt:

ABEF (100) ABCH (010) EBCD (001) DFH (111)

20-June-12

Trang 8

Chỉ số Miller – Bravais trong mạng sáu

phương

- Trong hệ tọa độ có bốn trục Ox, Oy, Oz, Ou

- Kí hiệu (hkil)

i = - (h + k)

Chỉ số Miller các mặt:

ABHG

BCIH

GHIKLM

AGMF

ACIH

) 100

(

) 010

(

) 0 11 ( ) 110

(

) 0

(

) 0 10 (

) 001

(

) 00 1 ( ) 0001 ( ) 0 01 (

20-June-12

Mật độ nguyên tử

- Mật độ xếp theo phương: Ml= l/L

- Mật độ xếp theo mặt Ms= s/S

- Mật độ xếp theo thể tích Mv= v/V

Trong đó:

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

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

Số sắp xếp (số phối trí)

- Số lượng các nguyên tử cách đều gần nhất nguyên tử đã

cho

Lỗ hổng

- Không gian trống bị giới hạn bởi các nguyên tử trong mạng

tinh thể

- Lỗ hỏng tám mặt 8m và lỗ hổng bốn mặt 4m

20-June-12

thành

1.3.1 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại

a) Mạng lập phương tâm mặt A 1

- Ô cơ sở hình lập phương cạnh a

- Số nguyên tử trong một ô cơ sở nv= 4

- Phương xếp sít nhất <110>

- Mặt xếp xít nhất {111}

- Bán kính nguyên tử rnt= a√2/4

- Mật độ Mv= v/V = 74% (Ml, Ms= ?)

20-June-12

Trang 9

a) Mạng lập phương tâm mặt A 1

- Lỗ hổng 4m:

+ Vị trí: ¼ đường chéo khối

+ n4m= 8

+ d4m= 0,225dnt

- Lỗ hổng 8m:

+ Vị trí: tâm khối và trung điểm

các cạnh bên

+ n8m= 4

+ d8m= 0,414dnt

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

20-June-12

b) Mạng lập phương tâm khối A 2

- Ô cơ sở hình lập phương cạnh a

- Phương xếp sít nhất <111>

- Mặt xếp xít nhất {110}

- Bán kính nguyên tử rnt= a√3/4

- Mật độ Mv= v/V = 68% (Ml, Ms= ?)

20-June-12

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

+ n4m= 12

+ d4m= 0,291dnt

- Lỗ hổng 8m:

+ Vị trí: tâm mặt và trung điểm

các cạnh bên

+ n8m= 6

+ d8m= 0,154dnt

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

20-June-12

Trang 10

c) Sáu phương xếp chặt A 3

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

- Phương xếp sít nhất

- Mặt xếp xít nhất (0001)

- Bán kính nguyên tử rnt= a/2, c/a = 1,633

- Mật độ Mv= v/V = 74%

Kim loại có kiểu mạng A 3 : Ti, Zn, Mg, Be, Cd, Zr,…



 11 0

20-June-12

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

20-June-12

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

20-June-12

Trang 11

1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể

K/N: Các nguyên tử nằm sai vị trí quy định  a/h đến tính chất

của vật liệu

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

a) Sai lệch điểm

- Có kích thước rất nhỏ theo 3 chiều không gian, gồm: nút trống,

nguyên tử xen kẽ, tạp chất

Nút trống

20-June-12

K/N: Các nguyên tử nằm sai vị trí quy định  a/h đến tính chất

của vật liệu

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 



20-June-12

b) Sai lệch đường – Lệch (Dislocation)

Lệch xoắn (screw dislocation):

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

hằng số mạng

- Các nguyên tử ở vùng giữa AD và BC sắp xếp có dạng

đường xoắn ốc

- Véc tơ Burger: b// AD



20-June-12

Trang 12

b) Sai lệch đường – Lệch

Các đặc trưng hình thái của lệch:

- Mật độ lệch :

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

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

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

+ Đơn tinh thể ở trạng thái ủ:  < 104- 106

+ Đa tinh thể ở trạng thái ủ:  < 108

+ Kim loại sau biến dạng mạnh:  < 1011– 1012

- 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 tinh20-June-12

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

20-June-12

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

20-June-12

Trang 13

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

20-June-12

- 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

20-June-12

Chương 1 Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

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

20-June-12

Trang 14

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:

T = T – T0

Điều kiện kết tinh: T < 0, G < 0

20-June-12

1.4.2 Hai quá trình của sự kết tinh

a) Tạo mầm

thước đủ lớn phát triển lên thành hạt tinh thể

nhô thành khuôn đúc

b) Phát triển mầm: nguyên tử chất lỏng bám trên

bề mặt mềm, đặc biệt ở bậc lệch xoắn

20-June-12

1.4.3 Sự hình thành hạt tinh thể

- Mỗi mầm phát triển tạo thành một hạt, hạt phát triển

trước to hơn

- Các hạt định hướng ngẫu nhiên, không đẳng hướng

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

20-June-12

Trang 15

1.4.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

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

phát triển mầm (v)

- T < T1(103 0C/s): T tăng n và v tăng

 Kích thước hạt nhỏ

- T1< T < T2: T tăng, n tăng, v giảm

 Vật liệu nano

- T > T2: T tăng, n giảm, v tăng

Vật liệu vô định hình

Tăng tốc độ nguội làm nhỏ hạt (Đúc trong khuôn kim

loại và khuôn cát)

4

3

1

,

1  



n

v

A

20-June-12

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

20-June-12

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

- Vùng ở giữa các hạt lớn đẳng trục

b) Khuyết tật thỏi đúc

- Rỗ co, lõm co do kim loại kết tinh co lại không

được bù

- Rỗ khí, do khí hòa tan không kịp thoát ra

- Thiên tích, sự không đồng nhất về thành phần

và tổ chức do tích tụ tạp chất

20-June-12

Tiêu đề	Chương 1 - ThS. Hoàng Văn Vương
Tác giả	ThS. Hoàng Văn Vương
Người hướng dẫn	PGS. TS. Hoàng Văn Vương
Trường học	Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Vật liệu học
Thể loại	Bài giảng
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	1,11 MB