Slide Vật Liệu Học 1.Pdf

Slide 1 Mở đầu * Khoa học vật liệu nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu Vật liệu là gì?  là các vật rắn có thể sử dụng để chế tạo các dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng cá[.]

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 (H2, Cl2, CH4….) 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

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

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

kích thước lỗ hổng được xác định bằng quả cầu lớn

nhất có thể lọt vào không gian trống đó

Mật độ xếp theo phương Ml=l/L Mật độ xếp theo mặt Ms=s/S Mật độ xếp theo mạng Mv=v/V

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.31/2 /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.21/2 /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:

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

Chương 2: Biến dạng dẻo và cơ tính

2.1 Biến dạng dẻo và phá huỷ

Sơ đồ biểu diễn tải trọng-biến dạng điển hình của KL

Sự biến đổi mạng tinh thể ở các giai đoạn khác

nhau trong quá trình biến dạng

Khái niệm về biến dạng dẻo

Là biến dạng không bị mất đi sau khi bỏ tải trọng tác dụng

Giai đoạn ban đầu: các nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân

bằng

Giai đoạn biến dạng đàn hồi: các nguyên tử xê dịch phạm vi hẹp so với

thông số mạng nên nó vẫn trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải trọng

Giai đoạn biến dạng dẻo: các nguyên tử xê dịch phạm vi lớn hơn so với

thông số mạng nên nó không trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải trọng

Giai đoạn phá huỷ: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời

Phá huỷ dẻo Phá huỷ giòn

(không có biến dạng dẻo)

Một số hình ảnh quan sát được tại vết

gãy của mấu thử (điểm c)

Trượt đơn tinh thể

Phương trượt :

mà tại đó xảy ra hiện tượng trượt

2 điều kiện của mặt trượt:

-Phải là mặt xếp xít chặt nhất (liên kết giữa các nguyên tử lớn

 bền vững)-Khoảng cách giữa 2 mặt xít chặt phải là lớn nhất (dễ cắt đứt liên kết giữa 2 mặt  dễ xê dịch)

Là phương có mật độ nguyên tử lớn nhất

Hệ trượt trong mạng A2

Họ mặt trượt: {110} Số lượng: 6

Họ phương trượt <111>: 2

 số hệ trượt = số mặt x số phương = 12

Hệ trượt trong mạng A1

Họ mặt trượt: {111} Số lượng: 4

Họ phương trượt <110>: 3

 số hệ trượt = số mặt x số phương = 12

Hệ trượt trong mạng A3

Họ mặt xếp chặt nhất: {0001} Số lượng: 2

Họ phương xếp chặt nhất <1120>: 3

 số hệ trượt = số mặt x số phương = 6

Nhận xét

Kim loại có số hệ trượt càng cao thì càng dễ biến dạng

 Nhôm (Al), đồng (Cu)… dễ biến dạng hơn Manhê (Mg), Kẽm (Zn)

Trong cùng một hệ tinh thể (lập phương): kim loại nào

có số phương trượt nhiều hơn thì dễ biến dạng dẻo hơn

 Nikel (Ni), Nhôm (Al), đồng (Cu) ( A2 )… dễ biến

dạng hơn Crôm (Cr), Vonfram (V) ( A1 )

Phân tích các tính toàn cho ứng suất tiếp trên mặt trượt từ mô hình trượt của đơn tinh thể

Ứng suất tiếp gây ra trượt

Diện tích mặt trượt: S=S0/cos f

Ứng suất tiếp trên phương trượt:

t = (F/S)cos l =(F/S0)cos f cos l

 t = s0 cos f cos l

Cơ chế trượt

Lý thuyết: tth~ G/2Thực tế: tth~ G/(8.1038.104)

Trượt trong đa tinh thể

Tổ chức và tính chất sau biến

dạng dẻo

 Các hạt có xu hướng dài ra theo phương kéo

Độ biến dạng từ 40-50% các hạt sẽ bị phân nhỏ, tạp chất và pha thứ hai bị chia nhỏ phân tán và kéo dài  tạo thớ

Độ biến dạng từ 70-90% các hạt sẽ bị quay, các hạt và phương mạng cùng chỉ số đạt tới mức gần như song song  tổ chức textua biến dạng

 Sau biến dạng dẻo thì trong kim loại tồn tại ứng suất dư lớn do xô lệch mạng tinh thể

 Sau biến dạng dẻo thì cơ tính thay đổi: độ cứng, độ bền tăng Độ dẻo và độ dai giảm Làm tăng điện trở và giảm mạnh khả năng chống

ăn mòn của kim loại

a) phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh:

Phá huỷ dẻo: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo đáng kể  tiết

diện mặt gãy thay đổi

Phá huỷ giòn: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo không đáng kể

 tiết diện mặt gãy gần như không thay đổi

 Cách nhận biết phá huỷ giòn và phá huỷ dẻo ( quan sát vết phá huỷ )

Phá hủy dẻo (tiết diện thay đổi)

Phá huỷ giòn (tiết diện hầu như không đổi)

a) phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh (tiếp theo):

Phá huỷ dẻo phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều năng lượng

a) phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh (tiếp theo):

Sự phụ thuộc của hình thức phá huỷ vào một số yếu tố:

Nhiệt độ giảm, tốc độ đặt tải tăng  phá huỷ có xu hướng chuyển từ phá huỷ dẻo sang phá huỷ giòn

Tiết diện thay đổi đột ngột, bề mặt bị tập trung ứng suất lớn

 xu hướng tiến đến trang thái phá huỷ giòn

Bề mặt của mẫu phá huỷ giòn

Cơ chế phá huỷ

1 Xuất hiện các vết nứt tế vi

2 Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước tới hạn

3 Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước lớn hơn giá

trị tới hạn

4 Các vết nứt tế vi phát triển nhanh

5 Phá huỷ vật liệu

Sự xuất hiện các vết nứt tế vi

- Theo con đường tự nhiện (nguội nhanh  nứt chi tiết)

- Từ các rỗ khí, bọt khí

- Từ các pha mềm trong vật liệu

- Sinh ra trong quá trình biến dạng do có tập hợp nhiều

lệch cùng dấu chuyển động trên cùng một mặt trượt và gặp vật cản (pha thứ hai)

Chú ý: lực tác dụng lên vật mà vuông góc với vết nứt

càng lớn  vết nứt phát triển càng nhanh  phá huỷ

nhanh chóng

b) phá huỷ trong điều kiện tải trọng thay đổi theo

chu kỳ

Đặc điểm: vật liệu chịu tải trọng không lớn, thay đổi theo chu kỳ  có thể bị phá hủy sau một thời gian làm việc ( phá huỷ mỏi )

Bề mặt phá hủy mỏi được chia làm 3 vùng:

b) phá huỷ trong điều kiện tải trọng thay đổi theo

chu kỳ

Cơ chế của phá huỷ mỏi:

- Hình thành các vết nứt tế vi trên bề mặt chi tiết (vết nứt sẵn có trong quá trình chế tạo, lõm co, vết xước…… )

- Nửa chu kỳ đầu: giả sử lệch đang chuyển động thoát ra ngoài

bề mặt chi tiết  nửa chu kỳ sau lệch sẽ chuyển động ngược lại

vị trí cũ (do chu kỳ tải trọng đổi dấu)

Nửa chu kỳ đầu Nửa chu kỳ sauChuyển động lặp lại nhiều lần  lệch không trở về đúng vị

trí cân bằng ban đầu  sinh ra vết lõm  vết nứt tế vi

2.2 Các đặc trưng cơ tính

Cơ tính là gì? là tập hợp các đặc trưng cơ học biểu thị cho

khă năng chịu tải

 là cơ sở để so sánh các vật liệu với nhau

Cách xác đinh cơ tính? kiểm tra các mẫu thử

Chú ý: - Mẫu thử lớn thường có cơ tính thấp hơn (do xác

suất xuất hiện của khuyết tật cao hơn)

- điều kiện thí nghiệm và làm việc khác nhau 

cần có các hệ số an toàn để bảo đảm chi tiết làm việc chịu lực và tuổi thọ cao…

a) Độ bền tĩnh ( s )

Giới hạn đàn hồi ( sđh):

 là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu và làm cho mẫu không

bị biến dạng khi tải trọng mất đi

) (

0

2 , 0 2

F đh : lực kéo lớn nhất không gây biến dạng mẫu sau khi bỏ tải (N)

S o : tiết diện mẫu thử (mm 2 )

0

MPa S

Fdh

dh 

s

F 0,2 : lực kéo tạo ra biến dạng dư 0,2% (N)

S o : tiết diện mẫu thử (mm 2 )

MPa S

3

4

1 Độ bền theo lý thuyết

2 Độ bền của đơn tinh thể

3 Các kim loại nguyên chất sau ủ

4 Kim loại sau biến dạng, hoá bền……

108/cm2

1010-1012/cm2

Các biện pháp hoá bền vật liệu

 tạo các chướng ngại cản trở chuyển động của lệch

tạo dung dịch rắn quá bão hoà

 tăng chướng ngại cản trở chuyển động của lệch, ngoài

ra làm tăng các chỉ tiêu khác rất tốt như độ dẻo, độ dai

b) Độ dẻo (  %,  %)

Độ dẻo là gì? Hiện tượng đối với mẫu thử kéo:

Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo

phá huỷ dưới tải trọng tĩnh

Các chỉ tiêu:

% 100

x S

S

S 





Tính siêu dẻo

Nếu  đạt từ 100-1000%  Vật liệu được gọi là siêu dẻo

Ưu điểm:

- Tiết kiệm được năng lượng

- Dễ chế tạo các sản phẩm rỗng, dài, tiết diện không đều….

Một số biện pháp để VL đạt được hiệu ứng siêu dẻo:

- Làm cho hạt nhỏ mịn, đẳng trục, đồng đều và ổn định

- Biến dạng ở nhiệt độ cao (0,6-0,8)Ts

- Tốc độ biến dạng cỡ 10-3-10-4s-1

S A

ak  k Nm/cm2, kJ/m2 và kGm/cm2

Ý nghĩa của độ dai va đập:

 Có thể phán đoán về khả năng chịu tải trọng va đập của chi tiết

Đối với vật liệu thường: ak>200kJ/m2

Đối với vật liệu chịu va đập cao: ak>1000kJ/m2

Mối tương quan giữa ak và ( s0,2x  )

- Biểu thị cho khả năng chống mài mòn của vật liệu

- Khi vật liệu đồng nhất (ủ)  độ cứng cao  khó gia công cắt

- Quá trình xác định độ cứng đơn giản hơn nhiều so với các chỉ tiêu cơ tính khác

- Độ cứng thô đại (tải trọng và mũi đâm lớn): phản ánh khả

năng chống biến dạng dẻo của nhiều hạt, pha > xác định độ cứng chung cho VL

Ưu điểm: có mối quan hệ bậc nhất

với sb  biết HB  xác định tương

đối sb mà không cần thử kéo

Nhược điểm của loại độ cứng HB

- Không thể đo được vật liệu có độ cứng cao hơn 450 HB

- không ứng dụng đo độ cứng cho thép thôi, hợp kim

cứng….

- Mẫu phải phẳng, dày do vết đâm lớn  không đo được

độ cứng trực tiếp trên sản phẩm

- Thời gian do chậm hơn các phương pháp khác, phải có

sự trợ giúp của các thiết bị quang học để xác định

đướng kính vết lõm

Cách xác định độ cứng rockwell: HR = k-(h/0,002)

k = 100 với thang đo A, C với mũi đâm kim cương góc ở đỉnh 1200

k = 130 với thang đo B dùng cho mũi bi thép

Chú ý: là loại độ cứng quy ước, không có thứ nguyên

Ưu điểm của loại độ cứng rockwell

Thang đo HR có thể đo được các vật liệu cứng cao: thép tôi, lớp

Kết quả có thể được hiện ngay trên máy đo

Thời gian để xác định được giá trị độ cứng nhanh

Ưu điểm: xác định được độ cứng cho

mọi loại vật liệu

Bảng chuyển đổi giữa các thang đo độ cứng

2.3 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo

Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo:

Mức độ xô lệch trong mạng tinh thể lớn, mật độ lệch cao  kim loại bị hoá bền, biến cứng  có xu hướng chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái trước biến dạng dẻo)

Tại sao cần phải nung kim loại đã qua biến dạng dẻo?

- Để có thể tiếp tục biến dạng dẻo nhiều hơn nữa

- Để có thể gia công cắt được dễ dàng

- Khử bỏ ứng suất bên trong để tránh phá hủy giòn

Ảnh tổ chức của kim loại sau biến dạng dẻo

Trước khi biến dạng Sau khi biến dạng

Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

Giai đoạn hồi phục

Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

(tiếp theo)

Giai đoạn kết tinh lại

- Xảy ra ở nhiệt độ T > Tktl

thường xuất hiện tại các vùng bị xô lệch mạnh nhất (mặt trượt,

Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh lại

Nhiệt độ kết tinh lại Tktl:

a = 0,4 với kim loại nguyên chất kỹ thuật

a = 0,2-0,3 với kim loại hầu như nguyên chất

a = 0,5-0,8 với các dung dịch rắn

Tổ chức hạt nhận được sau kết tinh lại

Hạt sau KTL thì có dạng đa cạnh, đẳng trục

Kích thước hạt phụ thuộc:

- Mức độ biến dạng

- Nhiệt độ ủ

- Thời gian giữ nhiệt

- Độ bền, độ cứng giảm

- Độ dẻo, độ dai tăng

Biến dạng nóng

Thế nào là biến dạng nóng?

 Là biến dạng dẻo ở trên nhiệt độ kết tinh lại

T ~ (0,7-0,75)Ts

Các quá trình xảy ra:

- Biến dạng dẻo gây hoá bền vật liệu

- Xảy ra quá trình kết tinh lại

 Tính chất sau biến dạng nóng phụ thuộc vào quá trình nào mạnh hơn

- Khó khống chế chính xác hình dạng, kích thước chi tiết

- Chất lượng bề mặt không cao do dễ bị oxy hoá bề mặt

Biến dạng nóng

(tiếp theo)

Chương 3: HỢP KIM & GIẢN ĐỒ PHA

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

Hợp kim là gì?

 là vật thể gồm nhiều nguyên tố và mang tính kim loại

Nhiều nguyên tố: nguyên tố chính là kim loại, các nguyên tố còn

lại có thể là kim loại hoặc phi kim

Mang tính kim loại: tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo, dễ biến dạng

và có anh kim

Thành phần nguyên tố tính trong hợp kim

- Thành phần về phần trăm khối lượng (thường dùng)

- Thành phần về phần trăm nguyên tử