KHVLCK chuong 1 cấu tạo MẠNG t THỂ của KL NGUYÊN CHẤT

Khảo sát các mạng tinh thể thường gặp trong kim loại a... Khảo sát các mạng tinh thể thường gặp trong kim loại a.. Khảo sát các mạng tinh thể thường gặp trong kim loại a...

Trang 1

1 Tên môn học: Khoa học vật liệu cơ khí

2 Thời lượng:

- Chính qui: 60 tiết

+ 45 lý thuyết+ 15 thảo luận

3 Sách và tài liệu tham khảo:

- Vật liệu học (tập 1+2):

Vũ Minh Bằng + Nguyễn

Đức Văn (ĐHGTVT)

Trang 2

- Vật liệu học

Nghiêm Hùng (NXB KHKT)

Lê Công Dưỡng (NXB KHKT)

Trang 3

Lê Văn Cương (ĐHHH)

Trần Thế San

Nguyễn Ngọc Phương

- Các sách và tài liệu trên

mạng về vật liệu học

Trang 4

4 Mục đích môn học:

- Giúp sinh viên hiểu được cấu tạo tế vi, cấu tạo mạng tinh thể của vật liệu cơ khí như thế nào

- Giúp sinh viên hiểu được kim loại nóng chảy và đông đặc như thế nào, giải thích nguyên lý nóng chảy đông đặc trên cơ sở khoa học

- Giúp sinh viên hiểu được đặc tính một số vật liệu hay sử dụng trong ngành kỹ thuật (gang, thép…)

- Giúp sinh viên nắm được một số ký hiệu và tên gọi các loại vật liệu …

Trang 5

5 Phương pháp học tập:

- Lên lớp nghe giảng + ghi chép

- Về nhà nghiên cứu tài liệu (đọc sách +lên mạng tìm hiểu)

6 Hình thức thi cử:

- Đề thi tự luận

- Đề đóng (2 câu - 90 phút )

- Không được sử dụng tài liệu

7 Điểm thành phần:

- Điểm danh

- Kiểm tra

- Phát biểu

Trang 6

8 CHÚ Ý:

- Môn học rất khó hiểu

- Có thể đọc tài liệu vẫn không hiểu

- Dài và khó nhớ

Trang 7

???

Trang 8

a Định nghĩa kim loại:

- kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao

b Các tính chất của kim loại:

Kim loại được sử dụng rộng rãi vì nó có nhiều tính chất quí

* Có cơ tính tốt như Độ bền, Độ cứng cao, Độ dẻo tốt

* Có lý tính tốt như dẫn điện, dẫn nhiệt tốt

* Có hóa tính ổn định

* Có tính công nghệ cao: đúc, hàn, nhiệt luyện, gia công áp lực: rèn rập, kéo, cán, gia công bằng cắt gọt: tiện,

1 Khái niệm chung về kim loại

Trang 9

- Mạng tinh thể lý tưởng là mô

hình không gian, mô tả qui luật

sắp xếp các nguyên tử (chất

điểm) trong vật thể tinh thể

- Mạng tinh thể không bị hạn

chế về mặt kích thước nó bao

hàm cả khoảng không gian vô

tận

2 Cấu tạo mạng tinh thể lý tưởng của kim loại

a Cấu tạo mạng tinh thể lý tưởng

* Định nghĩa mạng tinh thể

Trang 10

- Mạng tinh thể có tính chu kỳ

nghĩa là qua hai chất điểm bất

kỳ ta vẽ một đường thẳng thì tất

cả các chất điểm nằm trên nó

đều cách nhau

b Đặc điểm mạng tinh thể lý tưởng

- Khoảng cách giữa hai chất

điểm gần nhất được gọi là chu kỳ

tịnh tiến

Trang 11

- Mỗi chất điểm bất kỳ đều

được bao quanh bởi một số

các chất điểm bằng nhau

- Số lượng các chất điểm

bao quanh gần nhất được

gọi là số sắp xếp của mạng

Trang 12

- Toàn bộ mạng được xem như được tạo thành từ những hình khối đơn giản, giống nhau mà cách sắp xếp các chất điểm trong khối đó xem như đại diện cho toàn mạng gọi là ô cơ sở (ô cơ bản).

Trang 13

46

c Một số khái niệm

* Mặt tinh thể

- Định nghĩa: là mặt phẳng đi qua một số các chất điểm

trong mạng tinh thể

+ Trong mạng tinh thể có vô số mặt tinh thể

- Đặc điểm: các mặt tinh thể song song nhau thì có tính

chất giống nhau

Trang 14

c Một số khái niệm

* Phương tinh thể

- Định nghĩa: là đường thẳng đi qua một số chất điểm

trong mạng tinh thể

Ví dụ: phương AB, AD, DC, BC là phương tinh thể

- Đặc điểm: phương tinh thể song song với nhau thì có

các tính chất giống nhau

phương tinh thể

Trang 15

- Do kim loại cấu tạo bởi các nguyên tử hình cầu vì vậy

giữa các quả cầu luôn có những khoảng trống

- Hình dạng điểm trống được tạo bởi các đa diện cong

- Để dễ nghiên cứu người ta coi kích thước điểm trống là một quả cầu tròn nội tiếp trong khoảng trống đó

Trang 16

3 Cách xây dựng mạng tinh thể lý tưởng

- Trong không gian dựng hệ tọa độ Oxyz có gốc O, và các góc: α là góc hợp bởi (oy và oz), β là góc hợp bởi (ox và oz), γ là góc hợp bởi (ox và oy)

- Lần lượt đặt cùng gốc O ba véc tơ: lên 3 trục tọa độ ox, oy, oz

- Xây dựng khối hộp 6 mặt gốc

tại O trùng với gốc trục tọa độ

- Ba cạnh là

- Ba góc: α, β, γ

- Gắn các nguyên tử (chất điểm)

vào ô cơ bản

Trang 17

46

3 Cách xây dựng mạng tinh thể lý tưởng:

- Thể tích ô cơ bản chứa 1 nguyên tử gọi là ô cơ bản đơn giản

- Thể tích ô cơ bản chứa hơn 1 nguyên tử gọi là ô cơ bản phức tạp

Trang 18

3 Cách xây dựng mạng tinh thể lý tưởng

- Một số qui định trong mạng tinh thể:

Nút mạng Phương mạng

+ Vị trí nguyên tử chiếm chỗ

được gọi là nút mạng

+ Đường nối tâm của 2

nguyên tử gọi là phương mạng

+ Mặt phẳng qua tâm của ba

nguyên tử không thẳng hàng

gọi là mặt mạng

Trang 19

4 Khảo sát các mạng tinh thể thường gặp trong kim loại

a Khảo sát mạng lập phương thể tâm (tâm khối-A2, K8)

- Ô cơ sở là hình lập phương có chiều dài cạnh là a

- Vị trí các nguyên tử trong ô cơ sở ở 8 góc và có một

nguyên tử nằm ở tâm của khối cơ sở

- Số nguyên tử (n) thuộc một khối cơ sở là: 2 nguyên tử

Trang 20

- Mỗi nguyên tử bất kỳ của mạng đều được bao quanh bởi

8 nguyên tử cách đều gần nhất nên số sắp xếp (số phối vị) có ký hiệu K8

- Ta thấy không phải toàn bộ thể tích mạng được điền kín bởi các nguyên tử do theo các phương khác nhau bố trí nguyên tử khác nhau Theo phương đường chéo các nguyên tử xít nhau, nhưng theo phương của cạnh khối các nguyên tử không xít nhau

Trang 21

46

- Đánh giá mức độ sắp xếp các nguyên tử trong mạng

người ta đưa ra khái niệm mật độ nguyên tử

* Mật độ xếp chặt của mặt (M s ): Là tỷ số diện tích của

tất cả các nguyên tử trên vùng chọn trước chia cho diện tích của vùng đó

diện tích S của mặt tinh thể đã cho

2

.100%

s s

n r M

s





Trang 22

* Mật độ xếp chặt của mặt (M s ):

Đối với mạng lập phương thể tâm thì

mặ€t chứa hai đường chéo của khối là

mặt chặt nhất, nên ta xét mặt này

Ta có:

Vậy:

4

3 2

3

r

a d

d a

2 2

Trang 23

46

* Mật độ xếp chặt toàn mạng (M v ):

Là tỷ số thể tích của tất cả các nguyên tử trong ô cơ sở trên

thể tích của ô cơ sở V

Thay r và v vào ta có:

Công thức:

3

4

v

n r M

Trang 24

* Lỗ hổng khối 8 mặt:

- Vị trí tâm lỗ hổng ở điểm giữa các cạnh và tâm của các

mặt của khối cơ sở, mỗi lỗ hổng được bao bọc bởi 6 nguyên tử tạo thành khối 8 mặt

- Kích thước lỗ hổng được xác định bằng đường kính tối

đa của một hình cầu nằm lọt trong lỗ hổng đó

(d là đường kính nguyên tử kim loại)

8m 0.154

lh

Trang 25

46

- Số lượng lỗ hổng:

m lh

n  canh mat 

Trang 26

*Lỗ hổng khối 4 mặt:

- Vị trí lỗ hổng nằm ở 1/4 đoạn nối điểm giữa các cạnh đối diện của các mặt bên

- Mỗi lỗ hổng được bao bọc bởi 4 nguyên tử tạo thành

khối 4 mặt nên gọi là lỗ hổng 4 mặt

- Đường kính điểm trống: d lh4m  0.221d

Trang 27

46

*Lỗ hổng khối 4 mặt:

- Số lượng lỗ hổng 4 mặt:

1 2.2.6 12 2

Trang 28

4 Khảo sát các mạng tinh thể thường gặp

b Khảo sát mạng lp tâm mặt (diện tâm-A1, K12)

- Ô cơ sở là hình lập phương với hằng số mạng là a

- Vị trí các nguyên tử nằm ở 8 đỉnh và ở trung tâm các mặt bên của khối cơ sở

- Số nguyên tử thuộc một khối cơ sở được tính như sau:

Trang 29

- Mỗi nguyên tử bất kỳ được bao quanh bởi 12 nguyên tử cách đều gần nhất với khoảng cách do đó có số sắp

xếp là K=12

- Bán kính nguyên tử là:

2 2

a

2 4

a

r 

Trang 30

* Mật độ xếp chặt của mặt (M s ):

- Các nguyên tử xếp xít nhau trên mặt ABC như hình

Ta có công thức chung:

Trang 31

* Mật độ xếp chặt toàn mạch (M v ):

Ta có công thức chung:

Trang 32

- Vị trí lỗ hổng nằm ở trung tâm khối và ở trung điểm các

cạnh của khối

- Số lượng lỗ hổng:

- Kích thước lỗ hổng :

Trang 33

- Vị trí tâm lỗ hổng 4 mặt nằm ở 1/4 đường chéo của khối

- Số lượng:

- Kích thước lỗ hổng 4 mặt :

Trang 34

c Khảo sát mạng lục giác xếp chặt (A 3 -S12).

- Ô cơ sở là hình lăng trụ đứng sáu cạnh với các hằng số a và c

- Các nguyên tử nằm ở 12 góc của khối, trung tâm của hai mặt đáy và trung tâm của ba khối lăng trụ đứng tam

Trang 35

- Số nguyên tử trong ô cơ sở

- Giả thuyết 3 nguyên tử là tâm của 3 khối lăng trụ tam

giác đều cách nhau sẽ tiếp xúc với các nguyên tử của hai đáy nên quan hệ a và c như sau

6 3

2

1 12

6

Trang 36

- Mỗi nguyên tử được bao quanh bởi 12

nguyên tử xung quanh, đường kính

nguyên tử a, nên số sắp xếp là K12 mà

mạng lục giác nên gọi là S12

- Bán kính nguyên tử:

- Mật độ mặt:

Trang 37

46

- Mật độ khối:

- Lỗ hổng khối 8 mặt và 4 mặt

3

4 6

  

Trang 39

46

5 Tính chất của mạng tinh thể

a Tính dị hướng của tinh thể

- Tính dị hướng của tinh thể là sự thay đổi tính chất phụ thuộc vào phương tinh thể

- Nguyên nhân là do sự sắp xếp của các nguyên tử trong không gian theo các phương là không giống nhau nên ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý hóa của các tinh thể

- Ví dụ: Tinh thể đồng thử bền theo các phương trị số bền dao động từ 140 -350 MN/m2

Trang 40

b Tính thù hình

- Nhiều chất rắn không những chỉ tồn tại với một cấu trúc mạng tinh thể mà tồn tại với nhiều cấu trúc mạng khác nhau trong những điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định

- Những cấu trúc mạng khác nhau của cùng một chất rắn gọi là các dạng thù hình

- Sự thay đổi từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác gọi là chuyển biến thù hình

- Các dạng thù hình thường được ký hiệu bằng các chữ cái

hy lạp: α, β, γ, δ, ε…

Trang 41

46

b Tính thù hình

- Ví dụ 1: C tồn tại ở 2 dạng thù hình:

+ Kim cương (lp phức tạp), Kim cương rất cứng không dẫn điện

+ Graphit là kiểu mạng lục giác xếp lớp, graphit rất mềm tăng khả năng bôi trơn giảm ma sát và dẫn điện

- Ví dụ 2: Sắt là loại có tính thù hình

+ Khi nhiệt độ to<911oC-Feα (lập

phương thể tâm)

+ Khi nhiệt độ 911< to<1392oC-Feγ

(lập phương diện tâm)

+ Khi nhiệt độ 1392< to<1539oC-Feδ

(lập phương thể tâm)

Trang 42

6 Cấu tạo mạng tinh thể thực của kloại nguyên chất

a Đơn tinh thể, đa tinh thể, hạt, siêu hạt

* Đơn tinh thể

- Đơn tinh thể là mạng tinh thể thống

nhất , phương mạng không đổi trong toàn

bộ thể tích của nó

- Đơn tinh thể rất ít gặp trong thực tế, có thể chế tạo đơn tinh thể bằng các phương pháp đặc biệt

- Đơn tinh thể mang tính dị hướng giống tính chất của kl lý tưởng

- Khi đơn tinh thể lớn lên không bị các vật thể xung

Trang 43

* Đa tinh thể

- Đa tinh thể là mạng tinh thể không thống

nhất, phương mạng thay đổi bất kỳ…

- Khi quanh sát chỗ gãy vỡ của kim loại ta thấy nó gồm

vô số các phần tử nhỏ đó là các tinh thể, mỗi tinh thể trong đó được gọi là hạt

- Đặc tính của đa tinh thể

+ Phương mạng của đa tinh thể thường lệch nhau một góc nào đó (vài độ đến vài chục đô)€

Trang 44

* Đa tinh thể

+ Đa tinh thể không có tính dị hướng (do trung bình thống kê giữa các nguyên tử theo các phương khác nhau đều bằng nhau)

+ Đa tinh thể có tính đẳng hướng giả

Trang 45

* Đa tinh thể

+ Ở vùng biên giới giữa các hạt, các

nguyên tử chịu qui luật định hướng

của tất cả các hạt xung quanh nên có

sắp xếp không trật tự, hay nói khác là

mạng tinh thể bị xô lệch

+ Trong mỗi hạt phương mạng không tuyệt đối ổn định, còn nhiều bộ phận nhỏ mà phương mạng giữa chúng lệch nhau một góc rất nhỏ những bộ phận này gọi là siêu hạt

Trang 46

7 Các sai lệch trong mạng tinh thể

a Sai lệch điểm

- Là sai lệch của mạng tinh thể có kích thước nhỏ theo cả

ba chiều đo, tức có dạng bao quanh một điểm

- Nó có 2 dạng:

+ Nút trống và nguyên tử xen kẽ

+ Nguyên tử tạp chất

Trang 47

7 Các sai lệch trong mạng tinh thể

a Sai lệch điểm

* Nút trống và nguyên tử xen kẽ:

- Trong mạng tinh thể các nguyên tử luôn luôn dao động quanh vị trí cân bằng của nó nếu nguyên tử nào dao động mạnh sẽ bứt ra khỏi vị trí cân bằng và di chuyển đến vị trí khác để lại những nút trống đó là sai lệch điểm

- Các nguyên bị bứt ra này lại đi vào xen kẽ giữa các nút mạng cũng gây thêm sai lệch điểm

Định dạng
Số trang	62
Dung lượng	4,84 MB