Chuong 1 - Cau Truc tinh the

Môn học: Vật liệu kim loại+ Cấu tạo tinh thể Biến đổi, xử lý: Các phương pháp xử lý vật liệu kim loại để đạt được cơ tính mong muốn Đặc điểm các vật liệu kim loại điển hình trong cơ khí.

MSE3210 - Vật liệu kim loại

GV: Nguyễn Thị Vân Thanh

Bộ môn: C5-301A email: thanh.nguyenthivan@hust.edu.vn

Link down bài giảng: https://sites.google.com/site/nguyenthivanthanhhust/

Khối lượng: 30 (lý thuyết) + 15 (6 bài thí nghiệm)

Đánh giá kết quả:

Điểm quá trình (0.3) = (BT,KT giữa kỳ) + điểm chuyên cần

Điểm cuối kỳ (0.7)

Điều kiện thi cuối kỳ: hoàn thành tất cả các bài thí nghiệm

Nội dung: (đề cương môn học)

Tài liệu môn học:

1 Nghiêm Hùng Vật liệu học cơ sở, NXB Khoa họa kỹ thuật, Hà nội 2002

2 Lê Công Dưỡng (chủ biên) Vật liệu học, NXB Khoa họa kỹ thuật, Hà nội 2000;

3 Bài giảng : Phùng Thị Tố Hằng, Nguyễn Văn Đức; Vật liệu kim loại, 2011

Mở đầu

Vật liệu là gì?

Vật rắn, sử dụng để chế tạo các dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng các công trình…….

Mở đầu

KS cơ khí

Tổ chức – Tính chất Biến đổi, xử lý vật liệu → tính chất mong muốn

Tính toán thiết kếtGia công chế tạoLắp ráp, vận hành

…

Lựa chọn

Sử dụng vật liệu Cơ tínhTính công nghệ

Khoa học và kỹ thuật vật liệu(Materials Science and Engineering)

Khoa học Vật liệu Kỹ thuật Vật liệu

Biến đổi, xử lý -> Tổ chức, cấu trúc -> tính chất -> Khả năng làm việc

(Processing -> Structure -> Properties -> Performance)

Môn học: Vật liệu kim loại

+ Cấu tạo tinh thể

Biến đổi, xử lý: Các phương pháp xử lý vật liệu kim loại để đạt được cơ tính mong muốn

Đặc điểm các vật liệu kim loại điển hình trong cơ khí

Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành Chương 2: Biến dạng dẻo và cơ tính

Chương 3 :Hợp kim và giản đồ pha Chương 4: Nhiệt luyện thép

Chương 5: Thép và Gang Chương 6: Hợp kim màu và bột Môn học: Vật liệu kim loại

Mở đầu

Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử

1.2 Khái niệm về mạng tinh thể

1.3 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại

1.3.1 Mạng lập phương tâm mặt1.3.2 Mạng lập phương tâm khối1.3.3 Mạng sáu phương xếp chặt1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại

1.4.1 Điều kiện kết tinh1.4.2 Hai quá trình của sự kết tinh1.4.3 Sự hình thành hạt

1.4.4 Đơn tinh thể, đa tinh thể1.4.5 Các phương pháp làm nhỏ hạt khi kết tinh1.4.6 Cấu tạo thỏi đúc

1.5 Sai lệch mạng tinh thể

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:

Cấu tạo nguyên tử: Nguyên tử = Hạt nhân (p+n) + điện tử (Ze-)

8

VD: Phân tử CH4 [C (Z=6); H(Z=1)]

• Là liên kết mạnh

→ thể hiện tính giòn cao

→ thể hiện tính không dẫn điện

• Thường gặp trong hợp chấtgiữa KL(dễ cho e-) và á kim (dễnhận e-): oxit, các muối

halogen…

* Liên kết kim loại:

* Liên kết hỗn hợp: Trong VL thường tổ hợp nhiều loại liên kết, nhưng

Vật liệu kim loại: LK chính là LK kim loại

Vật liệu Ceramic: LK chính là ion và Cộng hóa trị

Vật liệu polymer: LK chính là Van der Waals

Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật rắn tinh thể

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

Chất rắn vô định hình: cấu trúc giống chất

lỏng trước khi đông đặc

Chất rắn không có cấu trúc tinh thể

Có trật tự gần,

không có trật tự xa

VD: Thủy tinh thường ,SiO2

1.2 Khái niệm về mạng tinh thể

Ô cơ sở:

l à hình không gian thể tích nhỏ nhất nhỏ nhất đặc

trưng cho tính đối xứng của mạng tinh thể

 Tịnh tiến ô cơ sở theo ba chiều không gian sẽ

xây dựng được toàn bộ mạng tinh thể

Đường thẳng tưởng tượngQuả cầu rắn (Nguyên tử, ion,…)

Mạng tinh thể

1.2.1 Mạng tinh thể

Ô cơ sở và cách biểu diễn

, ,  : góc tạo bởi các véc tơ đơn vị

Một nghiêng (đơn tà) a  b  c  =  =900

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

Nút mạng [[x,y,z]]: biểu thị toạ độ của các nguyên tử

VD: A [[1,0,1]]

B [[1,1,1]]

C [[0,1,1]]

Chỉ số Miller của phương mạng [uvw]:

Phương: đường thẳng đi qua hai nút

E F

H

x

y z

K M

Quy tắc: + Qua gốc tọa độ kẻ véc-tơ OM song song với phương cần xác định

+ Xác định chỉ số Miller của M[[x,y,z]]

+ Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất: x= 𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁𝑢 ; y = 𝑣

𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁; z =

𝑤

VD:DFH (111), EFAB (100), ABCH(010)

Chỉ số Miller của mặt nguyên tử [hkl]:

Quy tắc:

+ Rời MF khỏi gốc tọa độ

+ Xác định giao điểm của MF với 3 trục Ox, Oy, Oz:

𝑙 𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁

+ [hkl] là chỉ số Miller của MFcần tìm.

Họ phương , ký hiệu <uvw>

các phương có giá trị tuyệt đối u,v,w giống nhau không kể thứ tự có cùng quy luật sắp xếp nguyên tử.

Họ mặt , ký hiệu {hkl}:

các mặt có giá trị tuyệt đối u,v,w giống nhau không kể thứ tự có cùng

quy luật sắp xếp nguyên tử.

Họ phương, họ mặt

Hệ lập phương, có tính đối xứng cao: sự sắp xếp nguyên tử trên Ox, Oy, Oz là

như nhau → có thể giao hoán các trục cho nhau mà không làm thay đổi bản chất của mạng tinh thể

Chỉ số mặt (chỉ số Miller-Bravais) (hkil) cho hệ tinh thể sáu phương

i = - (h+k)

Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô = 4

1.3 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại

Lỗ hổng : Không gian trống giữa các nguyên tử;

Kích thước lỗ hổng = đường kính quả cầu lớn

nhất đặt lọt trong lỗ hổng

Kim loại có kiểu mạng A1: Feγ, Au, Ag, Al, Cu, Ni,…

Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô = 2

Vị trí: tâm các mặt bên và giữa các cạnh

Kim loại có kiểu mạng A2: Fe, Cr, Tiβ, Mo, W, V……

3 ngtử nằm ở tâm khối 3 lăng trụ

tam giác không kề nhau

Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô = 6

Bán kính nguyên tử: rnt = a/2; c/a = 1,633

Kim loại có kiểu mạng A3: Tiα Zn, Mg, Mg, Be, Cd, Zr ,…

1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại

1.4.1 Điều kiện kết tinh

Biến đổi năng lượng khi kết tinh

1.4.2 Hai quá trình của sự kết tinh

34

1 Lỏng hoàn toàn 2 Bắt đầu kết tinh

Biên giới hạt

Hạt

Quá trình kết tinh gồm 2 quá trình:

b) Phát triển mầm:

Tạo mầmPhát triển mầm

Nguyên tử chất lỏng bám lên bề mặt mầm và lớn lên (quá trình tự

nhiên để giảm năng lượng tự do của hệ)

Song song và nối tiếp nhau

+ Mỗi mầm phát triển thành 1 hạt, hạt phát

triển trước to hơn

+ Các hạt có cấu trúc tinh thể giống nhau,

định hướng ngẫu nhiên, không đồng hướng

+ Biên giới giữa các hạt là vô định hình

(nguyên tử sắp xếp ngẫu nhiên → sai lệch

mặt)

Hình dạng hạt tinh thể: phụ thuộc tốc độ phát triển mầm theo các phương

+ Hạt đa cạnh + Dạng tấm, phiến, lá

+ Dạng cột, trụ + Dạng hình kim

1.4.4 Đơn tinh thể, Đa tinh thể

Đa tinh thể ≈ ∑n(đơn tinh thể)

Kích thước hạt A phụ thuộc tốc độ sinh mầm (n) và phát triển mầm (v)

1.4.5 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

Hai phương pháp chính:

• Tăng tốc độ nguội (tăng độ quá nguội)

VD : Đúc khuôn cát vs khuôn kim loại

• Biến tính (Tăng số lượng mầm, giảm v)

1.4.6 Cấu tạo thỏi đúc

a) Ba vùng tinh thể của thỏi đúc

+ Rỗ co và lõm co do khi kết tinh kim loại

co lại, không được bù

+ Rỗ khí do khí hòa tan không kịp thoát ra

+ Thiên tích : sự không đồng nhất về

thành phần và tổ chức do tạp chất

tích tụ.

2 1

3

1.5 Các sai lệch trong mạng tinh thể

Phân loại: Sai lệch điểm, Sai lệch đường, Sai lệch mặt

Sai lệch điểm: kích thước rất nhỏ (nguyên tử) theo 3 chiều không gian K/n: các nguyên tử nằm sai vị trí quy định → a/h tính chất

Nguyên tử tạp chất

Nút trống và nguyên tử xen kẽ: nguyên tử chuyển động bứt khỏi nút mạng

Khuyết tật điểm ảnh hưởng đến tính chất vật liệu

Ví dụ:

Độ dẫn điện của Cu tinh khiết: 6.107 [Ωm]-1

Độ dẫn điện của Cu + 1,12%Ag: 3,5.107 [Ωm]-1

Si tinh khiết: độ dẫn điện: 4.10-4 [Ωm]-1

N type (V): P

P type (III): B, Al

Thêm 1,4 10-5 %P: 150 [Ωm]-1

Sai lệch đường – lệch: kích thước rất nhỏ (nguyên tử) theo 2

chiều và lớn theo chiều thứ ba.

Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa trên của mạng tinh thể lý tưởng.

Trục lệch

Véctơ Burger: đóng kín vòng tròn vẽ trên mặt phẳng vuông góc với trục lệch khi chuyển từ tinh thể không lệch sang

có lệch b trục lệch.

Mật độ lệch ρ :

Ý nghĩa của lệch:

+ Lệch biên có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng dẻo

+ Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh

Đặc trưng về hình thái lệch

 23

llêch

+ Phụ thuộc độ sạch và trạng thái gia công

- Kim loại sạch ở trạng thái ủ ρ = 108 cm-2

- Hợp kim và kim loại sau biến dạng nguội : ρ = 1010- 1012 cm-2

Mô hình bong bóng xà phòng

Lệch trong thực tế

Hợp kim Titan

50000 lần

Sai lệch mặt : kích thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ

ba, tức có dạng của một mặt

biên giới hạt và siêu hạt

bề mặt tinh thể.

Nội dung cần nắm chắc

Đặc điểm của liên kết kim loại

Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn tinh thể: A1, A2, A3

Sai lệch mạng tinh thể: điểm, đường, mặt

Điều kiện kết tinh

02 Quá trình của kết tinh: tạo mầm và phát triển mầm

Sự hình thành hạt, kích thước hạt, phương pháp tạo hạt nhỏ

Đơn tinh thể, Đa tinh thể