Bài giảng Vật liệu học: Chương 1 - Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

Bài giảng Vật liệu học: Chương 1- Cấu trúc tinh thể và sự hình thành được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Cấu tạo và liên kết nguyên tử; Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật chất; Khái niệm về mạng tinh thể. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng dưới đây để nắm được nội dung chi tiết nhé!

Kim loại

Composite 4

1 2

3

4 nhóm vật liệu chính: VL kim loại,

Ceramic, Polymer và Composite

1- VL bán dẫn

2- VL siêu dẫn

3- VL silicon

4- VL polymer dẫn điện

Mở đầu

(tiếp theo)

Vai trò của vật liệu:

Đối tượng của vật liệu học cho chuyên ngành cơ khí:

 nghiên cứu mối quan hệ giữa tính chất và cấu trúc của vật liệu Tính chất: - cơ học (cơ tính)

- vật lý (lý tính)

- hóa học (hoá tính)

- công nghệ và sử dụng Cấu trúc: - nghiên cứu tổ chức tế vi

- cấu tạo tinh thể

Các tiêu chuẩn vật liệu: TCVN, Nga, Mỹ, Nhật, Châu Âu

Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:

Cấu tạo nguyên tử : các e chuyển động bao quanh hat nhân (p+n)

Các dạng liên kết trong chất rắn:

* Liên kết đồng hoá trị : hình thành do các nguyên tử góp chung điện

tử hoá trị  liên kết (H 2 , Cl 2 , CH 4 ….) Liên kết có tính định hướng

* Liên kết ion: hình thành do lực hút giữa các nguyên tố dễ nhường e hoá trị (tạo ion dương) với các nguyên tố dễ nhận e hoá trị (tạo ion âm)

 liên kết (LiF….) Liên kết không có tính định hướng

* Liên kết kim loại: hình thành do sự tương tác giữa các e tự do chuyển động trong mạng tinh thể là các ion dương

* Liên kết hỗn hợp: hình thành do trong vật liệu tồn tại nhiều loại liên kết khi có sự góp mặt của nhiều loại nguyên tố

* Liên kết yếu: do có sự tương tác giữa các phần tử bị phân cực

1.2 Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật chất

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 tự gần và trật tự xa)

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể

Vì sao cần nghiên cứu về mạng tinh thể

Tính chất vật liệu bị quyết đinh bởi cấu trúc của mạng tinh thể

Tính đối xứng: - tâm đối xứng

- trục đối xứng

- mặt đối xứng

Ô cơ sở:

 là phần không gian nhỏ nhất đặc trưng cho toàn

bộ các quy luật sắp xếp trong toàn bộ mạng tinh thể

Ô cơ sở và cách biểu diễn

tạo bởi các véc tơ đơn vị

Một nghiêng (đơn tà) abc ==900

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

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

Các hệ tinh thể khác nhau phụ thuộc vào mối quan hệ giữa cạnh và góc

Nút mạng [x,x,x]: dùng để biểu thị toạ độ của các nguyên tử

O

A

B

C D

 biểu diễn phương của đường thẳng

đi qua hai nút mạng

Một số cấu trúc tinh thể điển

hình của vật rắn

Lập phương tâm khối (A2)

Số nguyên tử: n=2 Bán kính nguyên tử: r=a.3 1/2 /4 Mặt xếp dày nhất họ {110}

Lỗ hổng 8 mặt: tâm các mặt bên + giữa các cạnh, d=0,154dng.t

Lỗ hổng 4 mặt: ¼ trên cạnh nối điểm giữa 2 cạnh đối diện, d=0,291dng.t

Mv = 68% Ms {110} = ?????

Fe, Cr, Mo, W……

Một số cấu trúc tinh thể điển hình của vật rắn (tiếp theo)

Lập phương tâm mặt (A1)

Số nguyên tử: n=4 Bán kính nguyên tử: r=a.2 1/2 /4 Mặt xếp dày nhất họ {111}

Lỗ hổng 8 mặt: tâm khối + giữa các cạnh, d=0,414dng.t

Lỗ hổng 4 mặt: ¼ trên các đường chéo khối tính từ đỉnh, d=0,225dng.t

Mv = 74% Ms {111} = ?????

Fe, Ni, Cu, Al….

Một số cấu trúc tinh thể điển hình của vật rắn (tiếp theo)

Sáu phương xếp chặt (A3)

Các sai lệch trong mạng tinh thể

* Sai lệch điểm: do có sự xuất hiện của các nút trống hay nguyên tử xen kẽ

Khuyết tật điểm

Lệch biên và chuyển động của nó

Sai lệch đường: hình thành do một dãy các sai lệch điểm tạo nên

Sai lệch mặt: hình thành tại biên giới hạt và siêu hạt hoặc trên bề mặt tinh thể

Đơn tinh thể và đa tinh thể

Đơn tinh thể:  là một khối đồng nhất có cùng kiểu mạng và hằng số mạng, có phương không đổi trong toàn bộ thể tích

 có tính dị hướng

Đa tinh thể:  là tập hợp của nhiều đơn tinh thể có cùng cấu trúc

thông số mạng nhưng định hướng khác nhau

Đặc điểm của đa tinh thể:

- các đơn tinh thể (hạt) ngăn cách nhau bởi các biên giới hạt

- các hạt là các đơn tinh thể đồng nhất

- biên hạt luôn bị xô lệch không tuân theo quy luật sắp xếp như trong tinh thể

- Quan sát được cấu trúc qua tổ chức tế vi

Độ hạt: ASTM có 16 cấp, số càng lớn  hạt càng nhỏ

Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại

Điều kiện xảy ra kết tinh

Hai quá trình kết tinh

a) Tiến trình kết tinh

- Các mầm sinh ra không đạt rth sẽ bị tan đi vào kim loại lỏng

- Các mầm mới vẫn tiếp tục sinh ra trong khi các mầm đạt r th đang phát triển đến khi hết kim loại lỏng

- Mầm sinh ra trong kim loại lỏng một cách ngẫu nhiên

Kết luận:

- Mỗi mầm tạo nên một hạt

- Hạt sinh ra trước sẽ phát triển nhanh hơn hạt sau  kích thước các hạt không đồng nhất

- Các mầm định hướng ngẫu nhiên  biên giới hạt bị xô lệch

b) Hình dạng của hạt (phụ thuộc vào)

* Cấu trúc tinh thể:

* Phương tản nhiệt:

- tản nhiệt đều theo 3 phương  hạt dạng cầu

- tản nhiệt theo 2 phương  dạng tấm

- tản nhiệt theo 1 phương  dạng trụ

c) Kích thước hạt

* Ảnh hưởng của kích thước hạt đến cơ tính:

* Đánh giá cấp hạt?

- Hạt nhỏ  cơ tính tăng (tăng mạnh độ bền  và độ dai va đập a k )

- Soi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng  đem so sánh với bảng chuẩn

- Ngoài ra còn có thể: tính diện tích trung bình, đường kính trung bình  so sánh với bảng chuẩn

d) Các phương pháp làm nhỏ hạt

* Nguyên lý:

- Số mần càng nhiều  Hạt càng nhỏ (quá trình tạo mầm)

- Tốc độ phát triển mầm càng chậm  Hạt càng nhỏ (quá trình phát triển mầm)

d) Các phương pháp làm nhỏ hạt (tiếp theo)

* Biến tính

- Làm tăng số lượng mầm ký sinh bằng việc sư dụng các chất biến tính

Bột Al + O 2  Al 2 O 3

e) Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc