BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KHOA KỸ THUẬT

Cấu tạo tinh thể lý tưởng của kim loại nguyên chất: 3.1 Các khái niệm về mạng tinh thể: Mô tả cấu tạo tinh thể dựa trên khái niệm mạng không gian.. Mọi kim loại từ trạng thái lỏng đông

I Cấu trúc tinh thể của kim loại

1 Khái niệm chung:

- Kim loại là vật thể sáng, có ánh kim, dẻo, có thể

rèn được, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, có hệ số

nhiệt điện trở dương.

VD: Fe, Cu, Al, Ag, Au, , Ce(xêri) dẫn điện kém

- Số điện tử hoá trị của lớp điện tử ngoài cùng rất ít, thường chỉ có 1-2 điện tử Chúng liên kết yếu với hạt nhân, nên dễ bị bứt ra thành điện tử tư do, còn nguyên

tử trở thành ion dương

- Sự tồn tại của các điện tử tự do quyết định nhiều tính chất quan trọng của kim loại như: vẻ sáng (ánh kim); tính dẻo; tính dẫn điện và dẫn nhiệt

2

+ Vẻ sáng: Bức xạ tạo ra ánh sáng gọi là ánh kim

(Các điện tử tự do bị kích động và đạt mức năng lượng

cao nhưng không ổn định khi bị ánh sáng chiếu vào).

+ Tính dẻo: Mây điện tử có tác dụng như một lớp đệm

để các ion dương có thể trượt đi với nhau khi bị biến dạng

(phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể).

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

2

3

+ Tính dẫn điện: Khi đặt kim loại vào một hiệu điện thế, các điện tử tự do sẽ chuyển động theo một hướng

nhất định tạo nên dòng điện.

+ Tính dẫn nhiệt: Khi nhiệt độ tăng thì các ion dương

và mây điện tử dao động mạnh và truyền động năng cho

nhau.

3

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

2 Liên kết kim loại:

- Là liên kết giữa mạng ion dương xác định với các điện tử tự do Năng lượng liên kết là tổng hợp lực đẩy và lực hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây điện tử tự do

3 Cấu tạo tinh thể lý tưởng của kim loại nguyên chất:

3.1 Các khái niệm về mạng tinh thể:

Mô tả cấu tạo tinh thể dựa trên khái niệm mạng không gian Mọi kim loại từ trạng thái lỏng đông đặc lại thành vật thể rắn đều có cấu tạo tinh thể, các nguyên tử của nó luôn ở những vị trí nhất định, có qui luật, theo những dạng hình học nhất định khác hẳn các chất vô định hình

a, Mạng tinh thể

- Là mạng không gian được

tạo nên bởi các ion, nguyên tử

sắp xếp theo một quy luật chặt

chẽ, tạo thành một dạng hình học

nhất định

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

b Ô cơ sở (ô cơ bản)

- Mạng tinh thể gồm vô số các ô nhỏ xếp liên tiếp nhau theo ba chiều trong không gian Các ô nhỏ đó gọi là ô cơ sở (ô cơ bản).

+ Ô cơ sở là phần nhỏ nhất đặc trưng đầy đủ cho các tính chất cơ bản của mạng tinh thể.

6CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

6

c Thông số mạng tinh thể

- Là kích thước cơ bản của mạng tinh thể.

+ Từ thông số mạng có thể tính ra được các khoảng cách bất kỳ trong mạng;

+ Thông số mạng được xác định theo kích thước các cạnh của ô cơ sở;

+ Đơn vị đo là Ăng-strôn (Å) 1Å = 10-8 cm

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

+ Phương đường chéo khối

+ Phương đường chéo mặt

+ Các mặt tinh thể song song nhau

có tính chất hoàn toàn như nhau

Các mặt này có thể thẳnh góc (dọc,

ngang) hoặc chéo.

g, Mật độ nguyên tử trong mạng tinh thể:

- Là đại lượng đánh giá mức độ sắp xếp xít chặt của các

chất điểm đối với mỗi kiểu mạng Bao gồm: mật độ theo

+ Mật độ mặt:

- Là mức độ xít chặt của các nguyên tử theo một mặt nào

đó và được tính theo công thức sau:

.100%

S

πr

n M

2 s

1.2.1 Các khái niệm về mạng tinh thể

+ Mật độ khối: là mức độ xít chặt của các nguyên tử trong

một ô cơ sở và được tính theo công thức sau:

.100%

V

πr n

M

3 3

4 v

3.2 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại:

- Kim loại nguyên chất thường tồn tại 3 kiểu mạng chính:

+ Lập phương thể tâm;

+ Lập phương diện tâm;

+ Lục giác xếp chặt.

- Ngoài ra còn có mạng kim cương và mạng grafit là hai

dạng tồn tại của cacbon Mạng chính phương thể tâm là

mạng lập phương thể tâm bị kéo dài theo một trục.

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

14

Mạng tinh thể kim cương

a) Mạng tinh thể grafit

b) Sợi Cacbon

a, Lập phương diện tâm:

- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe, Cu, Ni, Al,… ;

- Số nguyên tử trong một ô cơ sở n = 8.1/8 + 6.1/2 = 4;

- Số sắp xếp của mạng K = 12 (số các nguyên tử cách đều gần nhất 1 nguyên tử bất kỳ);

- Mật độ mặt Ms = 91%, mật độ khối Mv = 74%;

- a  3,64.10-7mm

- Các nguyên tử xếp sít nhau theo phương đường chéo mặt a√2

b, Lập phương thể tâm:

- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe, Cr, W, Mo,…;

- Số nguyên tử trong một ô cơ sở n = 8.1/8 +1 = 2;

- Số sắp xếp của mạng K = 8;

- Mật độ khối Mv = 68%;

- a  2,87.10-7mm

- Nguyên tử xếp sít nhau theo phương đường chéo khối a√3

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

c, Lục giác xếp chặt:

- Các kim loại có kiểu mạng này là: Zn, Mg, Cd, Cr, Mo, Co …;

- Số nguyên tử trong một ô cơ sở n = 12.1/6 +2.1/2 + 3 = 6;

- Số sắp xếp của mạng K = 12;

- Mật độ khối Mv = 74%;

- a  3,2.10-7mm; c  5,2.10-7mm

3.3 Tính thù hình của kim loại:

- Có rất nhiều kim loại có đặc tính là: ở những khoảng nhiệt độ và áp suất khác nhau có các kiểu mạng tinh thể khác nhau – tính thù hình.

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

- Khi chuyển biến thù hình các tính chất cơ, lý, của vật liệu

có thể thay đổi đột ngột

+ Thay đổi về thể tích.

+ Thay đổi về tính chất.

về hình học)

- Đặc điểm:

+ Kim loại đơn tinh thể có độ nguyên chất rất cao, sai lệch mạng ít nhất;

+ Khó có thể tồn tại các đơn tinh thể tự nhiên, hầu như để

có được đơn tinh thể kim loại người ta phải nuôi;

+ Chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và vật liệu điện;

+ Có tính dị hướng (là sự khác nhau về tính chất cơ, lý, hoá theo các phương khác nhau), vì theo các hướng khác nhau độ xếp chặt nguyên tử khác nhau

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

b, Đa tinh thể:

+ Khái niệm:

Tập hợp của vô số các hạt tinh thể liên kết với nhau gọi

là đa tinh thể Mỗi hạt tinh thể gồm nhiều tinh thể nhỏ có cùng cấu trúc mạng với định hướng khác nhau mang tính ngẫu nhiên.

4 Các dạng sai lệch trong mạng tinh thể:

4.1 Sai lệch điểm:

- Là loại khuyết tật mà kích thước của chúng rất nhỏ theo cả

3 chiều trong không gian, các dạng khuyết tật điểm bao gồm:

+ Nút trống;

+ Nguyên tử xen kẽ;

+ Nguyên tử lạ thay thế;

+ Nguyên tử lạ xen kẽ.

4.2 Sai lệch đường– lệch (khuyết tật đường)

- Là dạng khuyết tật có khích thước phát triển dài theo một hướng nhất định, bao gồm:

+ Lệch biên;

+ Lệch xoắn;

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

Lệch biên

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 27

+ Biên giới pha;

+ Khuyết tật xếp và song tinh.

 Lệch có vai trò rất lớn trong tinh thể, nó ảnh hưởng nhiều đến quá trình chuyển biến pha, quá trình trượt của kim loại Sự có mặt của lệch làm cho kl dễ trượt, làm độ bền thực tế của nó giảm đi rất nhiều so với tính toán.

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

II Giản đồ pha của hợp kim hai nguyên

1 Khái niệm về hợp kim:

a) Định nghĩa: Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và

mang tính kim loại, được tạo thành trên cơ sở kim loại

kết hợp với kim loại hay á kim.

Ví dụ: - Hợp kim đơn giản: Latông gồm Cu + Zn

- Hợp kim phức tạp: thép, gang gồm Fe + Si + Mn + C

+ P + S

Nguyên tố chứa nhiều nhất (>50%) được gọi là nền hay

nguyên tố chủ

b) Ưu việt của hợp kim so với kim loại:

- Hợp kim: độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn cao hơn,

tính công nghệ tốt hơn (đúc, cắt gọt…), nhiệt luyện để hóa bền tốt hơn, rẻ hơn.

- Kim loại nguyên chất: dẫn nhiệt, dẫn điện tốt

c) Một số khái niệm:

- Pha: là những phần đồng nhất của hợp kim (hệ) có cấu trúc

và các tính chất cơ-lý-hóa xác định, giữa các pha có bề mặt phân cách Các đơn chất, dung dịch lỏng, dung dich rắn,

chất khí, các dạng thù hình là các pha khác nhau.

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

- Cấu tử ( nguyên của hệ ): là các nguyên tố hay hợp chất

hóa học bền vững mà ở những điều kiện nhất định chúng tạo ra các pha của hệ

- Hệ: tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng cho ta một hệ

hợp kim.

- Số bậc tự do: là các yếu tố bên trong (thành phần) và bên

ngoài (nhiệt độ và áp suất) có thể thay đổi độc lập mà không làm thay đổi số pha của hệ.

- Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim: là biểu đồ chỉ rõ trạng

thái, tổ chức pha của một hệ hợp kim trên trục tọa độ “ nhiệt độ-thành phần” ở áp suất nhất định Dựa vào giản đồ để xác định t0 chảy, cấu trúc, chuyển biến pha → nấu luyện và sử lý nhiệt, gia công ( biến dạng, rèn, cán, kéo…).

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

32

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

32

d) Phân loại các tương tác:

Chế tạo hợp kim bằng cách nấu chảy các cấu tử rồi làm

nguội Từ pha lỏng đồng nhất khi làm nguội có hai trường hợp xảy ra:

- Khi hai cấu tử A và B không tương tác với nhau các ntử, ion

không đan xen vào nhau, chúng giữ lại cả hai kiểu mạng

của các cấu tử thành phần dưới dạng các hạt riêng rẽ của hai pha nằm cạnh nhau với tổ chức tế vi là hỗn hợp cơ học

A + B.

- Khi hai ctử A và B có tương tác với nhau có hai trường hợp:

+ Hòa tan thành dung dịch rắn, hơp kim giữ lại một trong hai

kiểu mạng ban đầu làm nền, có tổ chức một pha như kim loại nguyên chất.

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

34

+ Phản ứng hóa học với nhau thành hợp chất hóa học,

không còn hai kiểu mạng ban đầu mà tạo nên kiểu mạng

mới khác hẳn.

Hỗn hợp cơ học (a) và dung dịch rắn (b)

2 Dung dịch rắn:

a) Khái niệm: Trong dung dịch rắn cấu tử nào có số lượng nhiều

hơn và giữ được kiểu mạng gọi là dung môi, các cấu tử còn lại gọi là chất hòa tan Dung dịch rắn là pha đồng nhất có cấu trúc mạng như của dung môi nhưng thành phần có thể thay

đổi trong một phạm vi nhất định Ký hiệu: A(B)

Có hai kiểu dung dịch rắn: thay thế và xen kẽ

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

b) Dung dịch rắn thay thế: là nguyên tử chất tan thay thế vị trí

nguyên tử dung môi

 Đk: sai khác dnguyên tử không quá 15%, tính chất lý hóa tương

d) Đặc tính của dd rắn:

- Mạng tinh thể có kiểu đơn giản và xít chặt của KL với liên

kết KL

- Có cơ tính như KL cơ sở:

+ tính dẻo tuy có giảm xong vẫn đủ cao, dễ biến dạng dẻo

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

e) Pha trung gian: các hợp chất hóa học có trong hk thường

được gọi là pha trung gian vì trên giản đồ pha nó có vị trí giữa trung gian giữa các dung dịch rắn có hạn ở hai đầu mút

Giản đồ loại I: Hai cấu tử không tương tác.

Hệ chì (Pb) – Antimon (Sb)

1 2

3

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞGiản đồ loại II: Hệ hai cấu tử có tương tác tạo thành dung dịch

rắn của A và B

Giản đồ loại III: hai cấu tử với tương tác hòa tan có hạn vào

nhau

Hệ chì (Pb) – thiếc (Sn)

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

III Sự kết tinh của kim loại:

1 Khái niệm về sự kết tinh: sự kết tinh thực chất là quá trình kl

lỏng chuyển thành kl rắn, trong đó xảy ra sự sắp xếp các

nguyên tử từ chỗ khá mất trật tự đến chỗ có qui luật của

mạng tinh thể và kèm theo sự giảm năng lượng của hệ thống

2 Đặc trưng năng lượng của hệ thống:

Sự biến đổi năng lượng quyết định chiều hướng của mọi

chuyển biến ( phản ứng hóa học, chuyển pha, kết tinh…)

Quá trình kết tinh trong kl diễn ra theo hướng giảm năng

lượng của hệ thống ( đặc trưng bằng đại lượng gọi là năng

lượng tự do F): F = U – TS

U: nội năng của hệ thống T: nhiệt độ của hệ thống

S: entropi của hệ thống

 Năng lượng tự do của các trạng thái phụ thuộc nhiều vào t o

-Ở nhiệt độ T > To vật thể tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lượng tự do

ở trạng thái lỏng nhỏ hơn trạng thái rắn Fl < Fr sự kết tinh chưa xảy ra.

- Ở nhiệt độ T < To vật thể ở trạng thái rắn vì Fr < Fl

- To được gọi là nhiệt độ kết tinh (hay nóng chảy) lý thuyết.

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

 Độ qúa nguội: hiệu số giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết To

và nhiệt độ kết tinh thực tế Tkt gọi là độ quá nguội ∆t

∆t = To – Tkt

 Sự kết tinh chỉ xảy ra với độ quá nguội.

Phần lớn các kl kết tinh với độ quá nguội ∆t nhỏ, khoảng

2÷5 oC ( Stibi có ∆t = 41oC)

 Cũng tương tự cho sự nóng chảy thực tế sẽ xảy ra ở to:

Tnc>To, độ chênh lệch giữa chúng gọi là độ quá nung.

3 Cơ cấu của quá trình kết tinh:

- Ở to Tkt < To sự kt xảy ra được là nhờ hai quá trình cơ bản

nối tiếp nhau là: sinh mầm và mầm phát triển thành tinh thể

thực tế

- Tốc độ của quá trình kt phụ thuộc vào tốc độ của hai quá

trình:

+ Tốc độ sinh mầm là số mầm sinh ra trong một đơn vị thời gian

ở trong một đơn vị thể tích, ký hiệu n

+ Tốc độ phát triển mầm là sự lớn lên của các mầm tinh thể

trong một đơn vị thời gian, ký hiệu v ( mm/s)

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

a Sự sinh mầm tinh thể: là quá trình sinh ra các phần tử rắn có

cấu trúc tinh thể, với kích thước đủ lớn, được cố định lại,

không bị tan đi mà phát triển lên thành trung tâm của tinh thể (hạt) Có hai loại mầm: tự sinh và mầm có sẵn

 Mầm tự sinh: là sự tạo mầm từ kl lỏng đồng nhất (không có

sự trợ giúp của các phần tử rắn có sẵn trong nó) Giả thiết

 Mầm ký sinh (mầm có sẵn): trong kl lỏng thường có nhiều

tạp chất lẫn vào như bụi tường lò, bụi than, các hạt oxyt, nitrit khó chảy Những hạt nào có sức căng bề mặt giữa nó với kl

lỏng nhỏ hơn giữa kl lỏng với hạt rắn mới hình thành thì

những hạt tạp chất đó mới được gọi là mầm có sẵn.

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

b Phát triển mầm: khi các mầm sinh ra trước phát triển lên thì

trong kl lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm mới, quá trình cứ

xảy ra như vậy cho đến khi các mầm đi đến gặp nhau và kl

lỏng hết  cuối cùng được tổ chức đa tinh thể gồm các hạt

Quá trình tạo và phát triển mầm theo thời gian (a, b, c)

và kết thúc

ở giây thứ n (d)

Các hạt sinh ra trước có nhiều thời gian và kl lỏng bao quanh, có

đk phát triển nên hạt sẽ to hơn, các hạt sinh ra sau nhỏ hơn  các hạt có kích thước và hình dáng ngẫu nhiên (hạt có dạng cầu, đa cạnh, tấm, lá, dũa hay hình trụ)

4 Các biện pháp làm nhỏ hạt trong quá trình kết tinh:

Sau khi kết tinh kl có hạt nhỏ mịn cho cơ tính (độ bền, dẻo dai) tốt hơn So sánh độ to nhỏ của hạt căn cứ vào giá trị Z ( là số

lượng hạt sinh ra trong 1 đơn vị thể tích ), Z càng lớn thì kích

thước hạt càng nhỏ: Z = k √n/v

k: hệ số tỷ lệ

 Vậy nguyên lý tạo hạt nhỏ khi đúc là tăng tốc độ sinh mầm n

và giảm tốc độ phát triển mầm v

5 Sự kết tinh của thỏi đúc:

Ba vùng tinh thể của thỏi đúc:

- Vỏ ngoài cùng là lớp hạt nhỏ đẳng

trục

thành khuôn

- Vùng tiếp theo là lớp hạt tương đối

lớn hình trụ 2 kéo dài vuông góc với

- Vùng ở giữa là vùng hạt lớn đẳng trục: kim loại lỏng

kết tinh với ∆T nhỏ hơn nên hạt trở nên lớn.Phương tản

nhiệt qua thành khuôn không rõ ràng nên hạt lại phát

triển theo mọi phương

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

Các dạng khuyết tật của vật đúc: rỗ co, lõm co, rỗ khí, thiên tích.-Rỗ co nằm ở biên hạt tạo nên do sự co của kl lỏng, phân bố rải rác trên khắp vật đúc làm giảm mật độ kl, xấu cơ tính vật đúc

-Lõm co là phần kết tinh sau cùng do thiếu kl lỏng tạo nên lỗ

hổng, phải cắt bỏ

-Rỗ khí: do kl lỏng hòa tan một lượng khí, khi kết tinh thoát ra

không kịp tạo nên các túi rỗng nhỏ làm vật đúc bị nứt khi sử

dụng

IV Biến dạng dẻo và sự kết tinh lại:

Biến dạng là sự thay đổi hình dáng và kích thước của vật thể

do tải trọng,phản ứng hóa học, chuyển pha hay giản nở nhiệt

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ

Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi tăng tải trọng

a) Ban đầu, b) biến dạng đàn hồi, c) biến dạng dẻo, c) phá hủy