NHỮNG TÍNH CHẤT VẬT LÝ THÔNG THƯỜNG CỦA TINH THỂ VÀ MỐI LIÊN QUAN GIỮA CHÚNG VỚI TÍNH CHẤT ĐỐI XỨNG HOẶC CẤU TRÚC CỦA TINH THỂ

- Là phương pháp dùng để xác định độ cứng của các vật liệu dạng khoáng, trên cơ sở dựa vào bảng thang độ cứng Morh bao gồm 10 khoáng vật mẫu được sắp xếp theo mức độ cứng tăng dần.Muốn t

CHƯƠNG 4

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN THỰC HIỆN:

PGS.TS TRƯƠNG MINH ĐỨC TRẦN THỊ THANH BÌNH

NGUYỄN CAO TRÚC GIANG HOÀNG THỊ HUYỀN

LÊ THỊ DIỄM MY CHÂU THỊ BÍCH NGỌC NGUYỄN THỊ NỤ

NGUYỄN THỊ MINH TRÂM

Chương 4

Những tính chất vật lý thông thường của tinh thể và mối liên quan giữa chúng với tính chất đối xứng hoặc cấu trúc của tinh thể.

4.4 Tính áp điện, hỏa điện, sắt điện 4.3 Tính dẫn nhiệt

- Cát khai rất hoàn toàn: ví dụ như mica, clorite.

- Cát khai hoàn toàn: ví dụ như galen, canxit

- Cát khai trung bình: ví dụ như pyroxen, amphibon

- Cát khai không hoàn toàn: ví dụ như Ôlivin

- Không cát khai: ví dụ như thạch anh, granat

tách ra theo các mặt của nó dưới tác dụng của 1 lực cơ học

Phân loại: Tùy theo mức độ dễ tách người ta phân ra làm 5 loại:

trong đá magma nhiệt độ cao Nguyên tử oxy trong nesosilicat xếp chặt theo luật sáu phương …ABABAB… theo hướng [100]; khiến cho olivin có tỉ trọng và độ cứng tương đối cao, và có cát khai (010) và (100).

Cấu trúc tinh thể ôlivin Hình ảnh thực tế

silicat lớp bao gồm các loại vật liệu có mối liên kết chặt chẽ, có tính cát  khai cơ bản hoàn toàn. Tất cả chúng đều có cấu trúc tinh thể thuộc hệ  một phương có xu hướng tinh thể giả hệ sáu phương và có thành phần  hóa  học  tương  tự.  Tính  cát  khai  cao  là  tính  chất  đặc  trưng  nhất  của  mica, điều này được giải thích là do sự sắp xếp của các nguyên tử dạng  tấm lục giác chồng lên nhau.

thành phần chính của nhiều loại đá được tạo thành ở nhiệt độ cao Ðó là các silicat có thành phần khác nhau đáng kể như điôpsit, enstatit

Cát khai hoàn hảo theo 3 hướng với góc 74° 55'

Đặc điểm:

1 Tinh thể 1 chất có thể chỉ bị tách ra theo 1 mặt như mica , thạch cao; theo 2 mặt như amfibol, pyrôxen; theo 3 mặt như halit, canxit

Mức độ cát khai theo những mặt khác nhau có thể khác nhau.

2 Khả năng cát khai có quan hệ chặt chẽ với đặc điểm của cấu trúc tinh thể.

Bravais là người đầu tiên cắt nghĩa hiện tượng này Phát triển lý thuyết về mạng tinh thể, ông đã giả thiết rằng mặt cát khai thường song song với các mặt mạng có mật độ hạt lớn nhất, vì các mặt mạng này thường cách nhau những khoảng lớn nhất

dụ đối với graphit.

Tinh thể graphit cát khai theo mặt đáy (001)

các nguyên tử magnesi phân bố theo các nút của mạng, thì theo như giả thuyết của Bravais ta sẽ có cát khai theo mặt đáy Tuy nhiên, magnesi kim loại không có cát khai

Nguyên tử của nó xắp xếp theo cách chồng khít các quả cầu kiểu sáu phương với tỉ lệ rất gần với tỉ số lí tưởng c/a bằng 1,633 Điều đó có nghĩa là không có bất kì một dị thường nào về khoảng cách giữa các nguyên tử trong cấu trúc magnesi kim loại và do đó không có khả năng cát khai theo mặt đáy

Đặc điểm:

3 Lực liên kết hóa học trong tinh thể ảnh hưởng đến tính cát khai của tinh thể

Vulf là người đầu tiên nhận thấy điều này Ông

đã lấy Sfalerit và kim cương làm ví dụ.

Kim cương và sfalerit có cấu trúc mạng lập phương tương tự nhưng chúng cát khai theo những mặt khác nhau.

hoặc S cho nên tuy những mặt mạng này cách xa nhau nhưng chúng gắn với nhau bằng lực hút những điện tích trái dấu Trong khi đó theo {110} mỗi mặt mạng đều chứa đồng thời cả 2 loại ion nên trung hòa điện tích Các mặt của họ mặt mạng này gắn kết với nhau bằng lực yếu hơn nên cát khai tốt hơn

Ý nghĩa:

Nhờ lý thuyết của Bravais và Vulf mà đôi khi chỉ dựa vào tính cát khai - một hiện tượng cơ học đơn thuần - người ta có thể rút ra những kết luận nhất định về cấu trúc bên trong của một tinh thể.

phương a=b≠c α=β=γ=90° andalusit

4.2.2.2.2 Một số phương pháp đo độ cứng chính

xác hiện nay

4.2.1 Đặc điểm của độ cứng

Ðộ cứng của tinh thể là mức độ đề kháng của nó đối với các tác dụng cơ học Ðộ cứng của một chất liên quan với khả năng bề mặt của nó chống lại tác động mài; chất bị mài mòn khi lực liên kết bị phá huỷ

- Ðộ bền vững của lực liên kết trong mạng tinh thể trước tác động cơ học bên ngoài lại liên quan đến đặc điểm đối xứng của quỹ đạo electron tham gia tạo mối liên kết.

- Độ cứng phụ thuộc vào khoảng giữa các mặt mạng Khoảng cách nhỏ thì độ cứng lớn.

Ví dụ: Tinh thể kim cương có độ cứng rất cao

Trong cấu trúc tinh thể, sự sắp xếp nguyên tử theo các hướng khác nhau thường không giống nhau; vì thế độ cứng cũng thay đổi theo hướng (dị hướng), nhưng thường không nhiều

Ví dụ: khoáng vật disten Al2SiO5 có độ cứng trên mặt (100) thay đổi từ 4 dến 7 tuỳ thuộc vào hướng.

4.2.1 Đặc điểm của độ cứng

- Độ cứng của tinh thể còn phụ thuộc vào độ chặt sít nguyên tử trong tinh thể

- Là phương pháp dùng để xác định độ cứng của các vật liệu dạng khoáng, trên cơ sở dựa vào bảng thang độ cứng Morh bao gồm 10 khoáng vật mẫu được sắp xếp theo mức độ cứng tăng dần.

Muốn tìm độ cứng của một loại vật liệu dạng khoáng nào

đó ta đem những khoáng vật chuẩn rạch lên vật liệu cần thử

Độ cứng của vật liệu sẽ tương ứng với độ cứng của khoáng vật mà khoáng vật đứng ngay trước nó không rạch được vật liệu, còn khoáng vật đứng ngay sau nó lại dễ dàng rạch được vật liệu

Độ cứng của các khoáng vật xếp trong bảng chỉ nêu ra chúng hơn kém nhau mà thôi, không có ý nghĩa định lượng chính xác

 Khi xác định, người ta dùng vật này cào lên vật kia Nếu trên bề mặt mẫu nào có vết cào, chứng tỏ vật này mềm hơn vật kia và ngược lại Thang độ cứng Mohs không chỉ

rõ độ cứng tuyệt đối

Ví dụ:

Không phải độ cứng 9 là cứng gấp 3 lần độ cứng 3 Nó chỉ có nghĩa là 1 khoáng nào đó có thể vạch được tất cả các khoáng vật xếp dưới nó trong thang độ cứng và ngược lại,

sẽ bị các khoáng vật xếp trên nó vạch được Hai khoáng vật

có cùng độ cứng sẽ vạch được lẫn nhau

 Ví dụ:

Thạch anh vạch được tinh thể X nhưng ortocla không vạch nổi, thì tinh thể X có độ cứng nhỏ hơn 7 và lớn hơn 6 theo thang Mohs Kết quả thu được không chính xác nhưng đơn giản

Ðể cho tiện, một số vật quen thuộc dùng giúp người ta xác định độ cứng 1 cách nhanh chóng như sau :

Móng tay có độ cứng : 2,5

Ðồng xu bằng đồng : 3 ; Lưỡi dao hoặc kính : 5,5

Dây thép : 6,5

4.2.2.1 Phương pháp xác định gần đúng theo thang Mohs

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

4.2.2.2.1 Nguyên tắc chung để đo độ cứng

• Nguyên tắc chung của phương pháp đo độ cứng: dưới áp lực P xác định, một mũi thử bằng vật liệu chọn trước, có hình dáng và kích thước nhất định có thể thâm nhập vào bề mặt của vật liệu thử một chiều sâu là h có giá trị tùy thuộc vào độ cứng của vật liệu

• Như vậy thức chất của việc đo độ cứng vật liệu là đo chuyển vị thẳng của mũi thử khi ấn nó vào vật liệu thử dưới

áp lực cho trước

4.2.2.2.2 Một số phương pháp đo độ cứng hiện nay

- Phương pháp đo độ cứng Brinell

- Phương pháp đo độ cứng Vicker

- Phương pháp đo độ cứng Knoop

- Phương pháp đo độ cứng Rockwell

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

4.2.2.2.2.1 Phương pháp đo độ cứng BRINELL

Ðược xác định khi ép

1 viên bi tiêu chuẩn đường kính D dưới một áp lực P xác định của tải trọng lên bề mặt vật liệu, sau khi

bỏ tải trọng bi sẽ để lại 1 vết lõm có đường kính d và diện tích mặt lõm S

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

Trong phương pháp này, trị số độ cứng gọi là HB đươc xác định bằng áp lực trung bình, biểu thị bằng Newton trên 1 mm2 diện tích mặt cầu do vết lõm để lại, độ cứng được tính theo công thức:

) /

( ) (

2

2 kG mm

d D

D D

P S

( ) (

2

2 kG mm

d D

D D

P S

b Ứng dụng

Phương pháp này chỉ dùng khi độ cứng vật liệu dưới 450HB, với vật liệu cứng hơn sai số sẽ lớn hơn So với các phương pháp thử độ cứng khác, bi thử Brinell tạo ra vết lõm sâu và rộng nhất, do đó phép thử sẽ bình quân được độ cứng trên một phạm vi rộng hơn của vật đo Đây là phương pháp tối ưu để đo độ cứng khối hoặc hoặc độ cứng tổng thể của một loại vật liệu, đặc biệt là vật liệu có cấu trúc không đồng đều Các vết xướt và độ nhám bề mặt hầu như không ảnh hưởng tới phép thử Brinell Tuy nhiên phương pháp thử này không phù hợp với đo các vật thể nhỏ.

4.2.2.2.2.1 Phương pháp đo độ cứng BRINELL

c Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

+ Thử đơn giản, nhanh chóng.

+ Vết lõm khi thử nhỏ, vì vậy không làm hư hỏng chi tiết sau khi thử.

+ Giá thành mũi thử tương đối rẻ

Máy đo độ cứng BRINELL

4.2.2.2.2.1 Phương pháp đo độ cứng BRINELL

Phép thử sử dụng một mũi thử mạ kim cương hình chóp 4 cạnh có kích thước tiêu chuẩn, góc giữa các mặt phẳng đối diện là 136o(±3o).

Mũi thử được ấn vào vật liệu dưới tác dụng của các tải trọng 50N, 100N, 200N, 300N, 500N, 1000N

Ðộ lớn của đường chéo d của dấu ấn xác định bằng kính hiển vi

4.2.2.2.2.2 Phương pháp đo độ cứng VICKER

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

4.2.2.2.2.2 Phương pháp đo độ cứng VICKER

d : đường kính vết lõm (mm)

=1360 là góc hợp bởi hai mặt đối diện



- Đo độ cứng các chi tiết nhỏ, chính xác.

Ưu điểm:

- Có thể so sánh với nhiều tải trọng

- Một phương pháp cho tất cả vật liệu

- Có thể kiểm tra diện tích nhỏ và pha riêng lẻ

Nhược điểm:

Yêu cầu phải chuẩn bị mẫu kỹ

c Ưu điểm và nhược điểm

4.2.2.2.2.2 Phương pháp đo độ cứng VICKER 4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

Các dòng máy đo độ cứng Vickers của hãng Wilson Hardness 4.2.2.2.2.2 Phương pháp đo độ cứng VICKER

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

- Phương pháp đo độ cứng Knoop được ra đời vào năm

1939, bởi nhà khoa học Frederick Knoop và đồng nghiệp, tại cục tiêu chuẩn quốc gia (NIST) Mỹ và được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D1474

- Bằng cách sử dụng những sức ép lõm vào thấp hơn

so với phương pháp Vickers, mà đã được thiết kế cho những kim loại đo lường, phương pháp đo độ cứng Knoop cho phép đo những vật liệu cứng rắn và giòn

4.2.2.2.2.3 Phương pháp đo độ cứng KNOOP

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

   Đây là phương pháp đo độ cứng điểm của vật liệu, được xác định bằng phương pháp kiểm tra vết lõm theo Knoop.

Trong phương pháp này, một mũi

đo hình kim tự tháp bằng kim cương có góc ở đỉnh là 130 độ và

172 độ 30’ được ấn vào bề mặt vật liệu tạo ra một vết có đường chéo dài

Độ cứng được xác định bằng độ sâu mà mũi đo xuyên qua và độ dài đường chéo dài nhất

4.2.2.2.2.3 Phương pháp đo độ cứng KNOOP

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

Hình dạng mũi đo Knoop

D (mm): đường chéo dài

4.2.2.2.2.3 Phương pháp đo độ cứng KNOOP

a Biểu thức xác định độ cứng

- Đo độ cứng các chi tiết nhỏ, chính xác.

-Vật liệu tấm mỏng

- Độ cứng bề mặt vật liệu mạ phủ

b Ứng dụng 4.2.2.2.2.3 Phương pháp đo độ cứng KNOOP

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

Ưu điểm:

- Một phương pháp đo cho tất cả vật liệu

- Có thể kiểm tra diện tích nhỏ và pha riêng lẻ

- Vật liệu mạ phủ và đo gần cạnh của mẫu

- Đặc tính có hướng của vật liệu

Nhược điểm:

- Không thể so sánh giữa các tải trọng

- Phải chuẩn bị mẫu kỹ

4.2.2.2.2.3 Phương pháp đo độ cứng KNOOP

c Ưu điểm và nhược điểm

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

Các dòng máy đo độ cứng KNOOP của hãng Wilson Hardness 4.2.2.2.2.3 Phương pháp đo độ cứng KNOOP

Trên các dòng máy đo độ cứng Rockwell, ta dùng mũi đo kim cương có góc ở đỉnh là 120

độ và bán kính cong R=0.2mm hay mũi đo viên bi thép được tôi cứng có đường kính 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 Inch để ấn lên bề mặt mẫu thử

Độ sâu của vết lõm còn lại được sử dụng để tính toán độ cứng Rockwell

4.2.2.2.2.4 Phương pháp đo độ cứng ROCKWELL

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

- Độ cứng Rockwell được biểu diễn bởi một đại lượng quy ước

phụ thuộc vào chiều sâu h của vết lõm và xác định theo công thức:

HR = k - h/e

Trong đó:

+ k: là hằng số (dùng bi k = 130, dùng mũi kim cương thì k = 100)+ e: là giá trị một độ chia của e Đối với độ cứng e = 0.002mm Đối với đo mềm hay còn gọi là độ cứng bề mặt e = 0.001mm

+ 0.002 hay 0.001 là giá trị của vạch chia đồng hồ hay khi ấn mũi

đo sâu thêm 0.002mm hay 0.001mm thì kim đồng hồ dịch chuyển một vạch

+ h: là hiệu độ sâu hai lần ấn (mm)

h = h 2 – h 1

4.2.2.2.2.4 Phương pháp đo độ cứng ROCKWELL

a Biểu thức xác định độ cứng

Mũi đo Rockwell hãng Wilson Hardness

Các loại mũi đo Rockwell

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

4.2.2.2.2.4 Phương pháp đo độ cứng ROCKWELL

- Phương pháp đo độ cứng Rockwell được ứng dụng rộng rãi cho nhiều chi tiết với vật liệu, kích thước và hình dạng khác nhau.

- Trên các dòng máy đo độ cứng hiện nay đều có hệ thống chuyển đổi sang các thang đo khác nhau Ví dụ trên các dòng máy đo độ cứng Rockwell hãng Wilson Hardness có

hệ thống chuyển đổi thang đo tự động từ thang đo Rockwell sang thang đo Vickers, Knoop, Brinell với độ chính xác rất cao

b Ứng dụng

4.2.2.2.2.4 Phương pháp đo độ cứng ROCKWELL

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

c Ưu và nhược điểm

4.2.2.2.2.4 Phương pháp đo độ cứng ROCKWELL

4.2.2.2 Một số phương pháp xác định độ cứng chính xác

Các dòng máy đo độ cứng ROCKWELL của hãng Wilson Hardness 4.2.2.2.2.4 Phương pháp đo độ cứng ROCKWELL

Ðể tìm hiểu tính dẫn nhiệt của tinh thể người ta làm nhiều thí nghiệm đơn giản Lấy 1 tinh thể lập phương, ví

dụ như Cu, phủ sáp ong lên một mặt của nó rồi châm 1 đầu kim đã được nung nóng (tạo điểm nhiệt) trên mặt tinh thể, thấy lớp sáp ong xung quanh đầu kim nóng chảy tạo thành 1 vòng tròn.

Hình 3.1: Cấu trúc tinh thể Cu

Làm thí nghiệm tương tự với tinh thể các hệ khác, ngoài vòng tròn ra ta còn nhận được những đường elip Những đường này cho ta khái niệm về tốc độ truyền nhiệt trên bề mặt tinh thể.

Tương tự có 1 nguồn nhiệt nằm trong tinh thể, từ điểm đó, nhiệt sẽ truyền ra xung quanh theo mọi hướng Nếu biểu diễn tốc độ dẫn nhiệt của tinh thể bằng các vectơ, gốc của chúng trùng với điểm nhiệt, thì đầu của chúng làm thành 1 mặt đẳng nhiệt

hình có mặt đẳng nhiệt dạng hình cầu, có nghĩa là tinh thể hệ lập phương đẳng hướng về tính dẫn nhiệt: Nhiệt truyền trong tinh thể mọi hướng đều như nhau

tròn xoay Trục chính C (hay trục xoay) trùng trục đối xứng bậc cao trong tinh thể Hình elipxoit tròn xoay được xác định bằng độ lớn của 2 bán trục: Bán trục C và bán trục ứng với bán kính của tiết diện tròn lớn nhất vuông góc với trục C Nếu tốc độ dẫn nhiệt của tinh thể lớn nhất theo hướng trục C thì mặt đẳng nhiệt elipxoit tròn xoay có dạng kéo dài theo hướng C và ngược lại.

-Tinh thể hạng thấp có mặt đẳng nhiệt hình elipxoit

3 trục không bằng nhau, có 3 bán trục vuông góc với nhau và có độ dài khác nhau.

+ Tinh thể hệ 3 nghiêng: Vị trí của mặt đẳng nhiệt không xác định Mỗi tinh thể có 1 cách định hướng riêng của mặt elipxoit.

+ Tinh thể hệ 1 nghiêng: Có 1 bán trục trùng với L2 , còn 2 bán trục kia nằm trong mặt phẳng vuông góc với bán trục thứ nhất.

+ Tinh thể hệ trực thoi: Mặt elipxoit này hoàn toàn được định hướng 3 bán trục của nó trùng với 3 phương đơn (tức 3 trục đối xứng bậc 2 của tinh thể) của tinh thể.