Microsoft powerpoint 1presentation chuong 1 cau tao cua vat lieu (9t)

Mạng tinh thể và ô cơ bảnLà một mô hình hình học mô tả quy luật phân bố các nguyên tử của tinh thể: mỗi nguyên tử, nhóm nguyên tử, iôn hoặc phân tử như một chất điểm được nối liền với nh

Chương 1 Cấu tạo vật liệu

- Vật thể ở trạng thái rắn có hình dáng hoàn

toàn xác định

- Tuỳ theo điều kiện hình thành mà một

chất rắn lại có thể tồn tại ở trạng thái tinh thể

hoặc vô định hình

- Các tinh thể có hình dáng tương đối ổn

định và có tính đối xứng

Tinh thể là những vật rắn trong đó các

phần tử tạo nên chúng sắp xếp với nhau

theo những quy luật nhất định có chu kỳ

I Mạng tinh thể và ô cơ bản

Là một mô hình hình học mô tả quy luật

phân bố các nguyên tử của tinh thể: mỗi

nguyên tử, nhóm nguyên tử, iôn hoặc phân

tử như một chất điểm được nối liền với

nhau bằng một hệ thống đường thẳng song

song trên ba phương không gian Nơi giao

nhau của các đường thẳng
nút mạng

(cũng chính là vị trí của hạt (nguyên tử )

1.1 Mạng tinh thể:

Mô hình mạng tinh thể

- Ô cơ bản là đơn vị thể tích nhỏ nhất đặc

trưng cho sự sắp xếp các chất điểm trong

toàn mạng

- Đặc trưng của một ô cơ bản bao gồm:

+ Các cạnh của ô cơ bản, tức là các thông

Bảy hệ tinh thể

14 kiểu mạng tinh thể Bravais

(1) tam tà đơn giản, (2) đơn tà đơn giản, (3) đơn tà

tâm đáy, (4) trực giao đơn giản, (5) trực giao tâm đáy,

(6) trực giao thể tâm, (7) trực giao diện tâm,

(8) lục giác, (9) mặt thoi, (10) chính phương đơn

giản, (11) chính phương thể tâm, (12) lập phương

đơn giản, (13) lập phương thể tâm, (14) lập phương

diện tâm.

1.3 Ký hiệu mặt và phương tinh thể

a Chọn hệ tọa độ và đơn vị đo

b Chỉ số Miller cho hệ trực giao

Ký hiệu phương:

- Phương t bất kỳ, dựng qua O đường t’//t,

trên t’ tìm tọa độ gần O nhất Nếu toạ độ đó là

các số nguyên
dùng làm ký hiệu cho

phương t đã cho: ký hiệu [uvw] theo thứ tự

trục toạ độ Ox, Oy, Oz Tọa độ âm: [ u v w ]

- Hệ phương: tập hợp các phương không

song song nhưng có cùng cách sắp xếp

nguyên tử: <uvw>

Ký hiệu một số phương trong mạng

LP đơn giản

Ký hiệu mặt tinh thể

- Mặt phẳng P: ký hiệu bằng bộ 3 chữ số: (hkl)

+ Tìm giao điểm (P) với 3 trục Ox, Oy, Oz

+ Xác định độ dài từ gốc O đến giao điểm

s, v: diện tích, thể tích nguyên tử chiếm chỗ

Smặt, Vocb: diện tích, thể tích đem xét

CB O

3 V CB

.

O

t ng V

V

V

rN

4V

NS

S.NM

2 S t

ng S S

π

=

=

c Lỗ hổng: không gian trống bị giới hạn

bởi hình khối nhiều mặt mà mỗi đỉnh là

tâm các nguyên tử (ion) tại nút mạng

b Số phối trí K: số lượng nguyên tử

cách đều gần nhất một nguyên tử đã cho

K càng lớn
mạng tinh thể càng dày

đặc

1.5 Các kiểu mạng tinh thể lý tưởng

thường gặp của kim loại và hợp kim

Số phối trí mạng tinh thể LPDT – K12

Một ô cơ bản có 8 lỗ d4.

Lỗ hổng 8 mặt (A1)

- Lỗ hổng 4 mặt nằm ở 1/4 đường nối điểm giữa của hai cạnh đối diện mặt đáy (hay mặt bên) của ô cơ bản

- d4= 0,291dA

- Có 12 lỗ hổng 4 mặt

- Lỗ hổng 8 mặt nằm ở

tâm của các mặt bên và

đáy của ô cơ bản

- d8= 0,154dA

- Có 6 lỗ hổng 8 mặt

Mạng LP đơn giản, LPTT, LPDT

1.5.3 Mạng LGXC (A3, L12)

- Ô cơ bản là lăng trụ lục giác đều (coi là 6

lăng trụ tam giác đều), nguyên tử nằm ở

12 đỉnh, tâm của 2 mặt đáy và tâm của 3

lăng trụ tam giác đều cách đều nhau

- Kiểu mạng LGXC hay gặp: Be, Mg, α-Ti,

Zr, Zn, Cd

- Số nguyên tử trong 1 ô cơ bản:

- Thông số mạng: cạnh đáy a, chiều cao c:

Mạng LGXC

Giản đồ pha dưới áp suất thấp của sắt nguyên chất

ở các dạng cấu trúc tinh thể khác nhau, trong

các điều kiện khác nhau

- Dưới 911oC sắt có kiểu mạng LPTT, gọi là

0,4945 0,2664

LGXC (A3) Zn

0,5210 0,3209

LGXC (A3) Mg

0,4679 0,2951

LGXC (A3) α-Ti

0,3306 LPTT (A2)

β-Ti

0,2866 LPTT (A2)

W

0,3147 LPTT (A2)

Mo

0,2884 LPTT (A2)

Cr

0,3165 LPTT (A2)

α-Fe

0,3656 LPDT (A1)

γ-Fe (950 o C)

0,3524 LPDT (A1)

Ni

0,3615 LPDT (A1)

Cu

0,4049 LPDT (A1)

Al

c a

Thông số mạng A o

Kiểu mạng Kim loại

Kiểu mạng của một số kim loại thường gặp

1.7 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn

Trong chất rắn, tồn tại 4 kiểu liên kết cơ bản Các

vật liệu khác nhau có các liên kết khác nhau
tạo

nên cơ tính khác nhau của vật liệu.

1.7.1 Liên kết đồng hóa trị

Liên kết đồng hóa trị

- 2 hoặc nhiều nguyên tử

góp chung điện tử hoá trị

tạo ra lớp ngoài cùng đầy

đủ 8 điện tử thì dạng liên

kết giữa chúng được gọi

là liên kết đồng hoá trị

Liên kết đồng hóa trịtrong phân tử metan CH4

- Nguyên tử cho nhận điện tử hoá trị
iôn +

và ion -
liên kết giữa hai iôn khác dấu

- Đây là dạng liên kết

mạnh

1.7.3 Liên kết kim loại

Mô hình liên kếtkim loại

- Liên kết kim loại: tương

ion + và điện tử tự do) và

lực đẩy (giữa các ion +)

ion kim loại luôn có vị trí cân

bằng

1.7.4 Liên kết Van der Waals

- Liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các

nguyên tử hay phân tử bị phân cực ở trạng

thái rắn

- Liên kết rất yếu, dễ bị các dạng liên kết

khác che lấp, dễ bị phá vỡ khi tăng nhiệt độ

- Liên kết thường chỉ thấy rõ trong liên kết

giữa các nguyên tử nhóm khí trơ

1.7.5 Liên kết hỗn hợp

Thực tế, không có liên kết thuần tuý đồng

hoá trị, ion hay kim loại mà tồn tại dạng liên

kết hỗn hợp

Ví dụ liên kết trong NaCl có khoảng 52%

liên kết iôn và 48% liên kết đồng hoá trị

1.8 Đơn tinh thể và đa tinh thể

nên biên giới hạt còn

được gọi là biên giới góc

- Trong từng hạt vật rắn đa tinh thể gồm nhiều

thể tích nhỏ hơn, phương mạng lệch nhau

góc nhỏ 1-2o

siêu hạt

- Mẫu kim loại đã qua tẩm thực dưới kính

hiển vi quang học có thể thấy rõ các hạt tinh

thể và ranh giới giữa chúng

Tổ chức tế vi kim loại

đa tinh thể

Cấu trúc siêu

hạt

- Khuyết tật mạng là nơi các nguyên tử của

tinh thể nằm không đúng vị trí cân bằng của

mình

- a/h rất lớn đến tính chất cũng như quá

trình gia công của vật liệu
cần nghiên

cứu, phân loại các loại sai lệch mạng và sự

tồn tại của chúng đóng vai trò ra sao trong

ứng xử của vật liệu

II Khuyết tật mạng tinh thể

Các dạng tồn tại của sai lệch mạng:

- Khuyết tật điểm: Sai lệch ở các nguyên tử

riêng lẻ (Point defects)

- Khuyết tật đường: Sai lệch ở các dãy

nguyên tử (Linear defects)

- Khuyết tật mặt Sai lệch ở các mặt nguyên

tử (Interfacial defects)

- Khuyết tật thể tích Sai lệch ở các cụm

nguyên tử (Volume defects)

Nguyên tử có xu thế bứt ra khỏi vị trí cân

bằng và để lại những nút trống:

- các nguyên tử có thể xen kẽ giữa các nút

mạng (tạo nút trống và nguyên tử xen kẽ theo

cơ chế sai hỏng Frenkel); hoặc

- nguyên tử di chuyển ra biên giới tinh thể

(thoát ra ngoài) và chỉ tạo ra các nút trống (tạo

2.1 Khuyết tật điểm (Point defects)

1 Nút trống, nguyên tử xen kẽ (Vacancies,

Interstitials)

Khuyết tật điểm: khuyết tật có kích thước nhỏ,

cỡ vài thông số mạng theo cả 3 chiều đo

- Các nút trống và nguyên tử xen kẽ trao đổi vị

trí với các nguyên tử bên cạnh theo các cơ

chế khuếch tán

2 Nguyên tử tạp chất

Các nguyên tử tạp chất có thể thay thế

nguyên tử chính ở các nút mạng hoặc xen kẽ

giữa các nút mạng

- Phân bố năng lượng không đều: tồn tại

nguyên tử có năng lượng đủ lớn bứt ra khỏi

vị trí cân bằng, tạo thành nút trống

- Năng lượng hình thành nút trống Evf là

năng lượng tối thiểu để nguyên tử bứt ra

khỏi vị trí cân bằng

- Bất cứ nguyên nhân nào làm tăng năng

lượng nguyên tử cũng đều tạo ra nút trống

Nguyên nhân hình thành nút trống

) /

Evf: năng lượng hình thành nút trống (= năng

lượng để đẩy nguyên tử ra khỏi vị trí cân

bằng của nó) (eV/ ng.tử)

Số nút trống

Sự phụ thuộc nồng độ nút trống vào nhiệt độ

) /

1273 10

62 , 8

9 , 0 exp[

) /

10 0 , 8

Ni = T − i f

) /

2.2 Khuyết tật đường (Lệch - dislocation)

- Khuyết tật đường là sai lệch có kích thước

lớn (hàng trăm, hàng ngàn thông số mạng)

theo một chiều đo và bé (khoảng vài thông số

mạng) theo hai chiều còn lại, có dạng của một

a Mô hình theo cơ chế trượt ép

- Cắt tinh thể bằng mặt phẳng P, phía trái

giữ nguyên, ép phía phải của phần trên đi

một đoạn thẳng bằng một thông số mạng b)

- Mặt phẳng P: mặt trượt

b Mô hình chèn nửa mặt nguyên tử thừa

Chèn một nửa mặt nguyên tử ABCD

Các mặt nguyên tử ở phần trên AD bị ép lại

do có thêm mặt nguyên tử
ứng suất nén

Hai bên ở phần dưới AD các mặt nguyên tử

bị giãn ra
ứng suất kéo

Trườngứng suấtnén

Trườngứng suấtkéo

- Mép nửa mặt nguyên tử AD rất dài, xung

quanh nó các nguyên tử bị xô lệch cỡ vài

thông số mạng
dạng sai lệch này có dạng

của một đường mà AD là trục lệch
lệch

biên hay lệch thẳng

- Nếu nửa mặt nguyên tử nằm ở phía trên:

lệch biên dương và ký hiệu ⊥⊥⊥,

- Nếu nửa mặt nguyên tử nằm phía dưới:

lệch biên âm và ký hiệu ┬

Mô hình không gian của lệch biên

- Lệch biên xảy ra xung quanh một đường

biên vuông góc với mặt phẳng của tờ giấy và

được gọi là trục của lệch biên

- Quanh trục lệch biên xảy ra sự biến dạng

cục bộ của mạng tinh thể:

+ Phía trên trục lệch, các nguyên tử bị nén

+ Phía dưới trục lệch nguyên tử bị kéo

+ Càng xa trục lệch, mạng ít bị biến dạng

- Mặt phẳng chứa đường lệch và trên đó xảy

ra trượt nên gọi là mặt trượt

Đặc điểm của lệch biên

Vectơ Burgers b của lệch

- Đặc trưng cho lệch: biểu thị độ lớn và

phương di chuyển của nguyên tử

- Cách xác định vectơ b:

+ vẽ vòng Burgers là vòng vectơ kín bao

quanh trung tâm lệch theo chiều kim đồng

hồ trên bề mặt tinh thể lý tưởng

+ lặp lại trên tinh thể có chứa lệch thì

vòng này sẽ không kín Vectơ b là vectơ

nối từ điểm cuối đến điểm đầu

- b vuông góc với đường lệch

- mỗi lệch biên chỉ tìm thấy một mặt trượt

(luôn chứa trục lệch và b)

Cách xác định vectơ b của lệch biên

Mô hình lệch xoắn theo cơ chế trượt ép

2 Lệch xoắn

- Cắt tinh thể bởi mặt phẳng ABCD rồi xê

dịch 2 mép cắt ngoài CD đối với nhau 1

thông số mạng Các nguyên tử bị xô lệch

quanh trục AB theo kiểu xoắn ốc tạo thành

lệch xoắn

- Vectơ Burger b song song trục lệch

- AB gọi là trục lệch Bất kỳ mặt phẳng nào

đi qua trục lệch AB đều là mặt trượt, do đó

lệch xoắn có nhiều mặt trượt

Mô hình lệch xoắn: trượt ép

Cách xác định vectơ b của lệch xoắn

Mô hình lệch hỗn hợp

- Cắt tinh thể bằng mặt phẳng ABCD, chỉ

ép tinh thể đi 1 thông số mạng ở một góc

theo chiều vectơ b làm cho các nguyên tử

bị xô lệch dọc theo AB Vectơ b tạo với

trục lệch 1 góc nằm trong khoảng 0-90o và

có thể phân tích thành 2 thành phần:

- lệch xoắn (song song vectơ b)

- lệch biên (vuông góc vectơ b)

2.3 Khuyết tật mặt (Interfacial defects)

Khuyết tật mặt: là dạng khuyết tật có kích

thước lớn theo 2 chiều đo và nhỏ theo

chiều đo thứ ba và có dạng của một mặt

bất kỳ

Các dạng khuyết tật mặt:

- Biên giới hạt và siêu hạt

- Mặt ngoài tinh thể

- Biên giới pha

- Biên giới song tinh…

1 Biên giới hạt

- Biên giới hạt: vùng tiếp giáp giữa các tinh

thể (hạt) trong đa tinh thể Các nguyên tử ở

vùng này thường đã rời khỏi vị trí cân bằng

và có số sắp xếp khác với các nguyên tử

phía trong nên sẽ có năng lượng cao hơn,

tạo thành một dạng khuyết tật mặt

- Dễ xảy ra phản ứng hóa học và thay đổi

cấu trúc
đóng vai trò quan trọng trong

việc xác định tính chất vật liệu

- Biên giới hạt góc lớn: phương mạng tinh thể

của các hạt khác nhau nhiều, làm với nhau 1

góc lớn hơn 10o

biên giới hạt góc lớn

- Biên giới hạt góc nhỏ: trong mỗi hạt tinh thể

phương mạng cũng không đồng nhất, mỗi hạt

gồm nhiều phần nhỏ mà mỗi phần có 1

phương mạng hoàn toàn đồng nhất, tạo

thành siêu hạt có phương mạng lệch nhau 1

góc nhỏ dưới 10o

biên giới hạt góc nhỏ

góc lớn

góc nhỏ

Biên gới siêu hạt:

- Biên giới siêu hạt gồm

b: độ dài vectơ Burgers;

θ: góc giữa hai siêu hạt

2 Mặt ngoài tinh thể

Sơ đồ sắp xếpnguyên từ ở mặt

hơn trị số quy định của

mỗi loại cấu trúc

luôn có năng lượng cao

hơn
dễ xảy ra các

phản ứng hóa học

khuyết tật mặt

- Biên giới pha tồn tại trong hệ nhiều pha

(ngoài các biên giới hạt)

- Đóng vai trò quan trọng trong chuyển pha

và hóa bền ở nhiều hệ hợp kim

Có 3 loại biên giới pha:

+ biên giới pha liền mạng hoàn toàn

+ biên giới pha không liền mạng

+ biên giới pha liền mạng 1 phần

3 Biên giới pha

4 Biên giới song tinh

- Biên giới song tinh: biên giới đặc biệt qua

đó có sự đối xứng gương mạng tinh thể

- Song tinh chỉ xảy ra trên mặt tinh thể xác

định và theo phương đặc biệt, cả 2 đều phụ

thuộc vào cấu trúc tinh thể

Ví dụ hệ LPTT, song tinh xảy ratrên hệ mặt(112) vàphương [111]

2.4 Cơ chế tăng bền trong kim loại

Biến dạng dẻo trong tinh thể xảy ra là do sự

dịch chuyển các lệch
Nguyên lý của cơ

chế tăng bền kim loại là loại bỏ lệch hoặc

a Hợp kim hóa để tăng độ bền

- Nguyên tử tạp chất (khi hợp kim hóa) dù ở vị

trí thay thế hoặc xen kẽ đều làm giảm khả

năng di chuyển của lệch

- Xét trường hợp nguyên tử tạp chất sẽ làm

các nguyên tử trong mạng lệch khỏi vị trí cân

bằng, tăng năng lượng biến dạng của tinh thể

trường biến dạng

- Khi có lệch: năng lượng của hệ tăng lên

- Lệch muốn di chuyển: năng lượng của hệ

phải tăng: tăng ứng suất đặt vào
độ bền

vật liệu tăng lên

b Hóa cứng biến dạng

2,V

τ = 0 + k

- Trong BDD, số lượng lệch tăng đột ngột

ứng suất tạo ra biến dạng dẻo càng cao Sự

tăng ứng suất đó gọi là sự hóa cứng biến

dạng

Mật độ lệch, ρ tính theo công thức:

τo và k là các hằng số vật liệu

Với đa số kim loại, ưs để lệch di chuyển τ:

c Giảm dịch chuyển lệch nhờ biên giới hạt

- Biên giới hạt cản trở sự di chuyển của

lệch
tăng ứng suất cần thiết để di chuyển

lệch (tạo ra biến dạng dẻo)

- hạt nhỏ
mật độ biên giới hạt trên một

đơn vị thể tích sẽ cao hơn
ứng suất bắt

đầu gây ra biến dạng dẻo sẽ tăng

- Hiệu quả tăng bền do biên giới hạt là lớn

nhất so với các p.pháp tăng bền khác

Giảm dịch chuyển lệch nhờ biên giới hạt

- Kết hợp các tạp chất kết tủa vào tinh

thể cũng là một cách để tăng bền: sự di

chuyển lệch bị cản trở bởi sự biến dạng

mạng xung quanh kết tủa
ứng suất để

di chuyển lệch sẽ lớn hơn khi không có

kết tủa

d Hóa cứng nhờ kết tủa

III Nguồn Frank-Read

Cơ chế Orowan - Orowan mechanism