Giáo Trình Vật Liệu Kim Loại (BKHN) CHương 1,2,3 Giản đồ Pha

Giáo trình sử dụng trong giảng dạy ở trường ĐHBK Hà Nội . Kiến thức đầy đủ , giáo trình dễ đọc dễ hiểu . Phục vụ các các bạn tự học tại nhà . Tài liệu quan trọng cho các bạn ngành kỹ thuật ( công nghệ chế tạo máy )

2 Vai trò của vật liệu

1

Mở đầu – Giới thiệu chung

1 Vật liệu là gì?

à là các vật rắn có thể sử dụng để chế tạo các dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng các công trình…….

Mở đầu – Giới thiệu chung

2 Vai trò của vật liệu

Mở đầu – Giới thiệu chung

•Khoa học vật liệu nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính

Kim loại

Composite 4

1 2

Vật liệu kim loại: các nguyên tố KL, cấu trúc mạng tinh

thể

Đặc điểm:

- dẫn nhiệt, dẫn điện cao,

- có ánh kim, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng

- dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép),

- bền cơ học, nhưng kém bền hóa học

Mở đầu – Giới thiệu chung

5

Ceramic (VL vô cơ): nguồn gốc vô cơ, hợp chất giữa KL, silic với á kim: ôxit, nitrit, cacbit (khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh…)

Đặc điểm:

- dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện)

- cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao

- bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ

Mở đầu – Giới thiệu chung

Polyme (VL hữu cơ): nguồn gốc

hữu cơ, thành phần hóa học chủ

yếu là cacbon, hyđrô và các á kim,

có cấu trúc đại phân tử

Đặc điểm:

- khá rẻ

- dẫn nhiệt, dẫn điện kém,

- khối lượng riêng nhỏ,

- nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt ở

nhiệt độ cao,

- bền vững hóa học ở nhiệt độ

thường và trong khí quyển;

- nóng chảy, phân hủy ở nhiệt độ

tương đối thấp

7

Mở đầu – Giới thiệu chung

Compozit: tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả ba loạivật liệu kể trên, mang hầu như các đặc tính tốt của các vậtliệu thành phần

Ví dụ: bê tông cốt thép (vô cơ - kim loại)

Mở đầu – Giới thiệu chung

Nội dung của môn học:

à nghiên cứu mối quan hệ giữa tính chất và cấu trúc của

vật liệu (chủ yếu là vật liệu kim loại)

Cấu trúc vĩ mô (tổ chức thô đại;

macrostructure): hình thái sắp

xếp của các phần tử lớn với kích

thước quan sát được bằng mắt

thường (giới hạn 0,3mm) hoặc

bằng kính lúp (0,01mm).

Cấu trúc vi mô (tổ chức tế vi;

microstructure): hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân tử với

kích thước cỡ micromet hay ở cỡ các

hạt tinh thể với sự hỗ trợ của kính hiển

vi quang học (cỡ 0,15 µm) hay kính hiển vi điện tử (cỡ 10nm)

Mở đầu – Giới thiệu chung

1 Vật liệu học cơ sở, Nghiêm Hùng.

2 Materials Science and Engineering, W Callister

Chương 1:

Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

12

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 với liên kết kim loại

1.4 Sai lệch mạng tinh thể

1.5 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại

Chương 1:

Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:

Cấu tạo nguyên tử:

-Các e chuyển động bao quanh

hat nhân ® trung hòa về điện

-Hạt nhân gồm các proton (mang

điện tích +) và nơtron ( không

mang điện)

-Các e bao quanh hạt nhân tuân

theo các mức năng lượng từ thấp

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:

2 dạng liên kết trong chất rắn:

- Liên kết mạnh: Liên kết ion, liên kết cộng hoá trị, liên kết kim loại

- Liên kết yếu: liên kết Van der Waals

Liên kết ion: Lực hút tĩnh điện giữa hai ion mang lực hút trái dấu

Liên kết cộng hoá trị: liên kết hoá học hình thành bởi việc dùng chung một hay nhiều cặp electron giữa các nguyên tử

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể

Vì sao cần nghiên cứu về mạng tinh thể

The image part with relationship ID rId3 was not

found in the file.

Tính chất vật liệu được quyết đinh bởi cấu trúc của mạng tinh thể

Đ/n: Mạng không gian tạo bởi ng.tử (ion), sắp

xếp theo qui luật chặt chẽ, biểu diễn dưới dạng hình học nhất định→mạng tinh thể

Tính đối xứng: ® thể hiện hình dạng bên ngoài, cấu trúc bên trong và tính chất

- tâm đối xứng

- trục đối xứng

1.3.1 Ô cơ sở và cách biểu diễn

- Xây dựng ô cơ sở: trên 3 véc tơ a, b và c (trên

các trục Ox, Oy và Oz )à 3 véc tơ đơn vị

1.3.2 Nút mạng [[x x x]]: biểu thị toạ độ của các nguyên tử

- Đơn vị đo: Chiều dài hằng số mạng trên các trục đó

A [[1 1 0]] ; B [[1 1 1]] ; C [[0 1 1]]

1.3.3.Chỉ số phương [uvw]:

àđường thẳng đi qua hai nút

mạng

àbiểu diễn phương

à Các phương song song →t/c

giống nhau→cùng chỉ số với

phương đi qua gốc tọa độ →tỷ lệ

21

- Các phương không song song với nhau

nhưng có trị tuyệt đối các chỉ số giống

nhau ® có tính chất giống nhau ® tạo nên họ phương

-Họ phương, ký hiệu <uvw>

-VD: họ <100 > ® có bao nhiêu phương?

1.3.3.Chỉ số phương [uvw]:

1.3.4 Chỉ số mặt (chỉ số Miller) (hkl):

Cách xác định:

-Giao của mặt phẳng với các trục tọa độ ( mặt phẳng không

đi qua gốc tọa độ)

-Viết tọa độ của các điểm

-Lấy nghịch đảo, qui đồng mẫu số

→ giá trị tử số tương ứng với h,k,l

23

1.3.4 Chỉ số mặt

Chỉ số mặt (chỉ số Miller-Bravais) (hkil):

•Dùng cho hệ sáu phương:

•Thêm trục ou: ox,oy,ou ( góc 120o)

•i là chỉ số trên trục ou i = - (h+k)

àkích thước lỗ hổng được xác định bằng quả cầu lớn nhất

có thể lọt vào không gian trống đó

Mật độ xếp theo phương M l =l/L

Mật độ xếp theo mặt M s =s/S

Mật độ xếp theo mạng M v =v/V

25

1.4 Mạng tinh thể của vật rắn với liên kết kim loại

1 Lập phương tâm khối (A2)

Mạng tinh thể của vật rắn với liên kết kim loại (tiếp)

2 Lập phương tâm mặt (A1)

Mạng tinh thể của vật rắn với liên kết kim loại (tiếp theo)

3 Sáu phương xếp chặt (A3)

1.5 Dạng thù hình

- Là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học

- Theo chiều T tăng ký hiệu lần lượt bằng các chữ cái Hylap a, b, g

- Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng này sang dạng khác → chuyển biến thù hình.

VD: nung nóng Fe > 911oC → co lại đột ngột : Feα

→ Feγ; Mv thay đổi (từ 68 lên 74%)

1.6 Các sai lệch trong mạng tinh thể

1.Sai lệch điểm:

• Sai lêch có kích thước nhỏ cỡ

nguyên tử ( theo 3 chiều trong khong gian)

• Do có sự xuất hiện của các

nút trống hay nguyên tử xen kẽ

• Mạng TT xung quanh sai lệch

điểm bị xô lệch ® tạo trường ứng suất

• Số lượng sai lệch điểm phụ

thuộc: T, độ sạch KL

Khuyết tật điểm

2 Sai lệch đường: có dạng đường ; có 2 loại

• Hình thành do một dãy các sai lệch điểm tạo nên

•Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa trên của mạng tinh thể lý tưởng ®xô lệch có kích thước vài thông số mạng và kéo dài hàng ngàn thông sô mạng; có tác dụng lớn trong quá trình trượt

Trục

lệch

Ứng suất gây ra khi có lệch

Lệch biên và chuyển động

Lệch xoắn

Lệch xoắn có ý nghĩa trong quá trình kết tính

Lệch trong thực tế

Hợp kim Titan, đường

đen là lệch TEMX50000

1.7 Đơn tinh thể và đa tinh thể

Đơn tinh thể: à là một khối đồng nhất có cùng kiểu mạng và hằng số mạng, có phương không đổi trong toàn bộ thể tích

-có tính dị hướng

Đa tinh thể: à là tập hợp của nhiều đơn tinh thể có cùng cấu trúc thông số mạng nhưng định hướng khác nhau, gắn bó với nhau qua biên giới hạt

công nghệ "nuôi" đơn tinh thể.

• Đặc điểm của đa tinh thể:

- Trong một hạt phương mạng đồng nhất, giữa các hạt

+ Như lớp vỏ cứng cản trở hạt biến dạng

+ Dễ bị ăn mòn hóa học

Độ hạt: ASTM có 16 cấp, số càng lớn à hạt càng nhỏ :

00; 0; ….14

• Thường dùng các cấp : 1-8

1.8 Sự kết tinh và hình thành tổ chức của KL

1 Điều kiện xảy ra kết tinh

a Cấu trúc kim loại lỏng

- Trong KL lỏng ® nhóm ng.tử sắp xếp trật tự (trật tự

gần) →tồn tại trong thời gian rất ngắn, nhanh chóng tan

ra rồi tạo thành ở nơi khác

- Có liên kết KL →kết tinh dễ

b Biến đổi năng lượng khi kết tinh

- Động lực thúc đẩy là năng lượng dự trữ: Chuyển

động của nguyên tử, phân tử, ion → năng lượng tự do

G : ΔG < 0

c Độ quá nguội

-Hiệu số giữa Ts và T kết tinh thực tế (Tkt ):

ΔT= Ts - Tkt

- Kết tinh chỉ xảy ra với độ quá nguội

- Đa số KL nguyên chất kỹ thuật có thể kết tinh với

ΔT nhỏ (chỉ 1 -2oC) đến rất lớn (hàng chục, trăm đến nghìn oC) tùy theo V nguội chậm hay nhanh

- Tương tự khi nung nóng: nóng chảy thực tế sẽ xảy ra với Tch > Ts (độ quá nung)

lỏng) với kích thước đủ lớn, được cố định lại, không

bị tan đi →phát triển lên như là trung tâm của tinh

thể (hạt)

- có 2 loại mầm : tự sinh và ký sinh

Mầm tự sinh

- Là mầm tạo thành từ KL lỏng đồng nhất, không có sự trợ giúp của các phần từ rắn có sẵn ở trong nó

-Coi mầm là những hình cầu, bán kính r ® mầm có kích thước lớn hơn rth (mầm tới hạn) ® trở thành mầm:

Mầm ký sinh

- Là sự tạo mầm ở trên bề mặt phân tử rắn có sẵn ở trong

kim loại lỏng

-là dạng tạo mầm thực tế và đơn giản hơn:

+ thực tế là: KL lỏng dù nguyên chất luôn có tạp chất (bụi tường lò, bụi than, bụi chất sơn khuôn và thành khuôn) +Mầm sẽ gắn lên các bề mặt có sẵn theo những mặt

tương thích (cấu trúc gần giống nhau) σR-R<< σR-L→ rth

® cố ý tạo ra và đưa các phần tử rắn vào để giúp kết tinh dễ

- Từ mỗi mầm tạo nên một hạt

- Do các mầm sinh ra ngẫu nhiên→ các hạt có phương mạng lệch nhau →tạo thành biên hạt với mạng tinh thể bị xô lệch

-Khi đạt đến rth, sự phát triển lên về kích thước của mầm

là quá trình tự nhiên ® giảm năng lượng tự do

Tiến trình kết tinh

b Hình dạng hạt

-Phụ thuộc vào bản chất KL và điều kiện tản nhiệt→ hạt có hình dạng khác nhau:

+ Khi tốc độ phát triển đều theo mọi phương → hạt có dạng

đa cạnh hay cầu

+ Khi tốc độ phát triển mạnh theo hai phương (theo một

4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

a Nguyên lý

- Số mầm được tạo ra càng nhiều → hạt càng nhỏ

- Mầm lớn lên (phát triển) càng nhanh →hạt càng lớn

→ nguyên lý : tăng tốc độ sinh mầm n và giảm tốc độ phát triển dài v của mầm.

b Các phương pháp làm hạt nhỏ khi đúc

Tăng độ quá nguội

- Khi tăng độ quá nguội ΔT, n và v đều tăng , nhưng n tăng nhanh

hơn→vẫn làm hạt nhỏ đi

- Để tăng độ quá nguội khi đúc →nguội nhanh

Khuôn cát → nguội nhanh?

Khuôn KL → nguội nhanh?

Nguội nhanh hơn ???

Hạn chế ??

Biến tính (modification)

- Là phương pháp cho vào KL lỏng (trước khi rót khuôn) một lượng rất nhỏ (< 0,1% KL lỏng) chất đặc biệt →có tác dụng làm nhỏ hạt, thậm chí đôi khi thay đổi cả hình dạng hạt.

VD:

- Cho bột Al vào thép lỏng → kết hợp với ôxy, nitơ (

ôxyt (Al2O3), nitrit (AlN→mầm ký sinh nhiều→hạt nhỏ

Cấu tạo 3 vùng tinh thể của thỏi đúc

1.Hạt nhỏ đẳng trục

2 Hạt hình trụ hướng tâm

3 Hạt lớn đẳng trục

Khuyết tật của thỏi đúc

1 Lõm co- rỗ co

2 Rỗ khí

3 Thiên tích

Các vấn đề cần nắm chắc

• Khái niệm ô cơ sở

• 3 kiểu mạng chính: lptk(A2); lptm(A1); spxc(A3): + sắp xếp, số nguyên tử thuộc về một ô mạng, mặt

xc, phương xc, Mvô

+ khuyết tật : điểm, đường ( lệch), mặt

• kết tinh: điều kiện kết tinh, mầm, quá trình kết tinh.

phương pháp làm nhỏ hạt khi kết tinh-ý nghĩa

• hoàn thành các bài tập kèm theo

Chương 2: Biến dạng dẻo và cơ tính

Biểu đồ tải trọng-biến dạng điển hình của KL

2.1.1.Khái niệm về biến dạng dẻo

Khi không chịu lực tác dụng : các nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng

Giai đoạn biến dạng đàn hồi: các nguyên tử xê dịch nhỏ hơn một thông số mạng → trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải trọng

Giai đoạn biến dạng dẻo: các nguyên tử xê dịch lớn hơn một thông số mạng → trở về vị trí cân bằng mới khi bỏ tải trọng

Giai đoạn phá huỷ: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời

Sự biến đổi mạng tinh thể trong quá trình biến dạng

2.1 Biến dạng dẻo

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

Mặt trượt : mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt nguyên

tử dày đặc nhất mà tại đó xảy ra hiện tượng trượt

Phương trượt: phương có mật độ nguyên tử lớn nhất

Hệ trượt: Là sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặt trượt

a) Các mặt và phương trượt

Mặt dày đặc nhất?

• 2 điều kiện của mặt trượt:

- Mặt xếp chặt nhất à liên kết giữa các nguyên tử lớn nhất

- Do Mv không đổi à khoảng cách giữa 2 mặt xít chặt là lớn

nhất à liên kết giữa chúng yếu nhất

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1 Biến dạng dẻo

Hệ trượt trong mạng A2

Họ mặt trượt {110} : 6 mặt trượt

Họ phương trượt <111>: 2 phương trượt

à Số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 hệ trượt

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1 Biến dạng dẻo

Hệ trượt trong mạng A1

Họ mặt trượt: {111} Số lượng: 4 mặt trượt

Họ phương trượt <110> : 3 phương trượt

à Số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 hệ trượt

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1 Biến dạng dẻo

à Số hệ trượt = số mặt x số phương = 3 hệ trượt

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1 Biến dạng dẻo

2.1 Biến dạng dẻo

Nhận xét

- Kim loại có số hệ trượt càng cao thì càng dễ biến dạng

à Nhôm (Al), đồng (Cu)… dễ biến dạng hơn Magiê (Mg), Kẽm (Zn)

- Trong cùng một hệ tinh thể (lập phương): kim loại nào có số phương trượt nhiều hơn thì dễ biến dạng dẻo hơn

à Nikel (Ni), Nhôm (Al), đồng (Cu) ( A2 )… dễ biến dạng hơn Crôm (Cr), Vonfram (V) ( A1 )

- Ngoài các hệ trượt chính, KL còn có thể trượt theo các hệ khác có mật độ xếp chặt thấp hơn

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1 Biến dạng dẻo

Phân tích các tính toán cho ứng suất tiếp trên mặt

trượt từ mô hình trượt của đơn tinh thể

(F là lực kéo đơn tinh thể theo chiều trục)

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1 Biến dạng dẻo

Ứng suất tiếp gây ra trượt

F So

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1 Biến dạng dẻo

Cơ chế trượt

a Cơ chế trượt cứng:

• Mạng tinh thể lý tưởng ® khi trượt tất cả các

nguyên tử ở hai bên mặt trượt trượt đồng

thời®ứng suất tiếp lớn

® tth~ G/2π (G là mô đun trượt) ® độ bền lý thuyết

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1 Biến dạng dẻo

b Cơ chế trượt nối tiếp

Thực tế: tth~ G/(8.10 3 ÷ 8.10 4 ) →nhỏ

VD: tth của Al ~ 1MPA→liên quan đến mạng tinh thể và mức

độ hoàn thiện của mạng tinh thể

® số lượng hạn chế các nguyên tử tham gia chuyển động® (1

thời điểm) ® chạy tiếp sức

- σ lý thuyêt > σ thực tế 100-1000 lần ®tiềm năng của VL

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1 Biến dạng dẻo

2.1 Biến dạng dẻo

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1.3 Trượt trong đa tinh thể

giống nhau)

à Có độ bền cao hơn ( do biên giới có

xô lệch mạng, khó tạo mặt trượt và

phương trượt→vỏ cứng cản trượt)

à Hạt càng nhỏ thì độ bền và độ dẻo càng cao ( Nhiều hạt định hướng thuận lợi với phương lực tác dụng, BD dễ

Nhiều hạt →biên giới nhiều→bền tăng)

Thực tế, BD dẻo của KL luôn là trượt của đa tinh thể

2.1 Biến dạng dẻo

Trước khi biến dạng Sau khi biến dạng

2.1.4 Tổ chức và tính chất sau biến dạng dẻo

à Sau biến dạng dẻo trong kim loại tồn tại ứng suất dư lớn do xô lệch mạng tinh thể

à Sau biến dạng dẻo cơ tính thay đổi: độ

cứng, độ bền tăng; độ dẻo và độ dai giảm à

Biến cứng, hóa bền: Hóa bền biến dạng

à Tăng điện trở và giảm mạnh khả năng

chống ăn mòn của kim loại

75

2.1.4 Tổ chức và tính chất sau biến dạng dẻo

Sự biến đổi Cơ tính sau biến dạng dẻo:

độ cứng, độ bền tăng, độ dẻo và độ dai giảm

2.2 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo

2.2.1.Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo:

Kim loại bị hoá bền biến cứng ( năng lượng dự trữ cao)

à có xu hướng chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái trước biến dạng dẻo)

Tại sao cần phải nung kim loại đã qua biến dạng dẻo?

- Khử bỏ ứng suất bên trong để tránh phá hủy giòn

- Để có thể tiếp tục biến dạng dẻo tiếp theo

- Để có thể gia công cắt được dễ dàng

2.2.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

1 Giai đoạn hồi phục

2 Giai đoạn kết tinh lại

- Xảy ra ở nhiệt độ T > T ktl

-Hình thành các hạt mới không có chứa sai lệch do BD dẻo

gây ra theo cơ chế tao mầm và phát triển mầm giống qt kết tinh

- Mầm là những vùng không chứa sai lệch do biến dạng

và thường xuất hiện tại các vùng bị xô lệch mạnh nhất

(mặt trượt, biên hạt)à biến dạng dẻo càng mạnh à số lượng mầm càng nhiều à hạt cạng nhỏ mịnàphát triển lên

- Kết thúc KTL: các hạt hoàn toàn mới, đa cạnh, mạng tinh

thể ít sai lệch nhất

àCơ tính trở về trạng thái trước khi biến dạng dẻoàthải bền : Độ bền, cứng giảm, dẻo tăng

2.2.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

2.2 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo