Chương 2: MẠNG TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

Chia sẻ: Nguyễn Trọng Tuấn | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:14

0
279
lượt xem
100
download

Chương 2: MẠNG TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thành phần nhỏ nhất của vật chất là nguyên tử. Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm hạt nhân mang điện dương và các điện tử (electron) mang điện âm chuyển động bao quanh. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi những prôton và nơtron. Prôton mang điện dương có điện tích đúng bằng điện tích của điện tử còn hạt nơtron lại không mang điện.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chương 2: MẠNG TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

  1. Chương 2 MẠNG TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU 2.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TINH THỂ. 2.1.1 Vật rắn vô định hình, vật rắn tinh thể, mạng tinh thể, mặt tinh thể, khối cơ bản. Thành phần nhỏ nhất của vật chất là nguyên tử. Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm hạt nhân mang điện dương và các điện tử (electron) mang điện âm chuyển động bao quanh. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi những prôton và nơtron. Prôton mang điện dương có điện tích đúng bằng điện tích của điện tử còn hạt nơtron lại không mang điện. Ở trạng thái bình thường, nguyên tử trung hòa điện vì số lượng prôton bằng số lượng điện tử đặc trưng bằng số thứ tự nguyên tử (Z) ở trong bảng hệ thống tuần hoàn Menđêlêev. Trong những điều kiện nhất định một số nguyên tử có thể nhận thêm điện tử để trở thành ion âm và cũng có thể mất đi điện tử để trở thành ion dương. Tùy theo sự sắp xếp của các nguyên tử, ion hay phân tử (gọi tắt là chất điểm) trong không gian người ta chia các vật rắn ra làm hai nhóm lớn: Vật vô định hình và vật tinh thể. Trong vật rắn vô định hình các nguyên tử không sắp xếp theo một qui luật trật tự nhất định mà chúng sắp xếp hỗn loạn. Khi bị nung nóng, chúng bị mềm ra từ từ trong một khoảng rộng nhiệt độ, nhão và sau đó chuyển thành trạng thái lỏng, nghĩa là ta không thấy có một ranh giới phân biệt rõ ràng giữa hai trạng thái lỏng và rắn bởi vì ở cả hai trạng thái lỏng và rắn này các nguyên tử của chúng đều sắp xếp hỗn loạn vô trật tự. Ðại diện cho nhóm này là thủy tinh và một số nhựa. Vật rắn vô định hình giống chất lỏng ở chỗ nó có tính đẳng hướng nhưng khác với ở chất lỏng ở chỗ các hạt trong các chất vô định hình có độ linh động thấp. Trạng thái vô định hình có thể đạt được trong nhiều chất hữu cơ và vô cơ bằng cách làm nguội nhanh từ trạng thái lỏng. Tuy nhiên, khi nung nóng trở lại, giữ lâu ở nhiệt độ 20 ÷ 250C, và trong trường hợp biến dạng, tính không ổn định của vật thể vô định hình thể hiện ở chỗ nó chuyển dần một phần hay toàn bộ thành trạng thái tinh thể. Trạng thái tinh thể của chất rắn ổn định hơn trạng thái vô định hình. Trong vật rắn tinh thể, các chất điểm được sắp xếp theo một qui luật trật tự hình học xác định. Khi bị nung nóng chúng có sự chuyển biến rõ rệt từ trạng thái nguyên tử sắp xếp trật tự (thể rắn) sang trạng thái nguyên tử sắp xếp không trật tự (thể lỏng) và ngược 19
  2. lại. Nói khác đi chúng có nhiệt độ nóng chảy (khi nung nóng) và nhiệt độ kết tinh (khi đông đặc) xác định. Các kim loại và hầu hết các hợp kim của chúng ở thể rắn đều là vật tinh thể tức chúng có cấu tạo tinh thể. Ðể nghiên cứu các qui luật sắp xếp các chất điểm trong vật có cấu taọ tinh thể người ta đưa ra khái niệm về mạng tinh thể, mặt tinh thể và các khối cơ bản (còn được gọi là các ô cơ bản) như được mô tả trên hình 2.1. [ b. c. a. Hình 2.1 Sơ đồ sắp xếp các chất điểm của tinh thể. Mạng tinh thể (hình 2.1a) được hiểu là một mô hình không gian mô tả qui luật hình học sắp xếp các chất điểm ở thể rắn trong vật tinh thể. Hiểu theo cách khác, trong một đơn vị tinh thể xét ở trạng thái rắn, các nguyên tử (chất điểm) của vật chất phân bố theo một qui luật hình học nhất định. Tùy thuộc vào loại vật liệu và các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, áp suất, mỗi đơn vị tinh thể đặc trưng cho vật liệu đó có các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự riêng dưới dạng hình học xác định. Mạng tinh thể như bao gồm các mặt phẳng song song cách đều nhau đi qua các nguyên tử (chất điểm). Các mặt phẳng này được gọi là các mặt tinh thể (hình 2.1b). Mỗi mạng tinh thể có đặc trưng riêng. Ðể dễ nghiên cứu, người ta lấy ra phần không gian nhỏ nhất, đặc trưng cho sự sắp xếp của các nguyên tử (chất điểm) của mạng tinh thể. Phần không gian này nếu được xếp liên tiếp theo ba chiều đo trong không gian ta sẽ có được mạng tinh thể và nó được gọi là khối cơ bản hay ô cơ sở (hình 2.1c). 2.1.2 Mười bốn kiểu mạng khác nhau của Bravais Biểu diễn mạng tinh thể rất phức tạp và phiền phức vì chúng có quá nhiều nguyên tử (chất điểm) nên để đơn giản chỉ cần b phỏng bằng khối cơ bản là đủ. Khối cơ bản mô  c được xây dựng trên ba véc tơ đơn vị a , b và c tương ứng với ba trục toạ độ Ox, Oy, Oz. Tâm các nguyên tử (ion hay phân tử) ở đỉnh ô cơ bản là các nút mạng.  b Mô đun của ba véc tơ a=/ a / , b= / b / và z c c= / c / là kích thước của khối cơ bản và còn được gọi là hằng số mạng hay thông số mạng (hình 2.2). c Tùy theo loại ô cơ bản người ta xác β α b định thông số mạng – kích thước cơ bản của a γ y mạng tinh thể. x Trên khối lập phương chỉ có một thông số 20
  3. mạng a là giá trị đo theo chiều cạnh của khối, còn trong khối lục giác có hai thông số Hình 2.2 Các chỉ số của ô cơ sở mạng là a và c. Ðơn vị của thông số mạng thường dùng là Ă ngstrong ký hiệu là A0. Ðơn vị này được aa tính là 1A0 = 10-8cm. Các góc tạo bởi ba véc tơ a , b , c khi hợp lại từng đôi một được ký b c  c  hiệu là α, β, γ . Trong đó α là góc giữa b và c ; β là góc giữa a và c ; còn γ là góc giữa a b và b (hình 2.2).  b c Phụ thuộc vào tương quan giữa ba véc tơ a , b và c cùng với ba góc α, β, γ người ta phân ra bảy hệ tinh thể với mười bốn (14) kiểu mạng tinh thể khác nhau. Ðó là mười bốn kiểu mạng Bravais. Tất cả các mạng tinh thể của chất rắn đều biểu diễn bằng một trong mười bốn kiểu mạng Braivais như trong bảng 2.1. Bảng 2.1 Bảy hệ tinh thể và mười bốn kiểu mạng của Bravais. Hệ Quan hệ Quan hệ Các kiểu mạng tinh thể tinh giữa các giữa các của Bravais thể trục góc Ðơn giản Tâm đáy Tâm Tâm mặt khối Ba α≠ β≠ γ nghiêng a≠ b≠ c ≠ 900 α = γ = 900 Một nghiêng a≠ b≠ c ≠ β Trực α=β =γ thoi a≠ b≠ c = 900 Ba α=β =γ phương (thoi) a=b=c ≠ 900 α =β = 900 Sáu phương a=b≠ c γ = 1200 α=β =γ Bốn phương a=b≠ c = 900 21
  4. Lập α=β =γ a=b=c Phương = 900 2.2 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA KIM LOẠI. 2.2.1. Các kiểu mạng tinh thể kim loại thường gặp. Các nguyên tử của các kim loại khác nhau có sự sắp xếp theo một qui luật trật tự xác định khác nhau tạo nên các kiểu mạng tinh thể khác nhau. Ở phần trên chúng ta đã thấy, theo Bravais có tất cả 14 kiểu mạng tinh thể khác nhau thuộc 7 hệ. Trong các kim loại thường dùng chúng ta hay gặp ba kiểu mạng tinh thể của hai hệ đó là lập phương thể tâm (còn được gọi là lập phương tâm khối), lập phương diện tâm (còn được gọi là lập phương tâm mặt) và lục giác xếp chặt (còn được gọi la sáu phương xếp chặt). Ngoài ra còn có kiểu mạng chính phương thể tâm, một kiểu mạng lập phương thể tâm biến dạng.  Kiểu mạng lập phương diện tâm (A1). Trong khối cơ bản của mạng A1 có tám nguyên tử nằm ở các đỉnh còn có sáu nguyên tử nằm ở tâm của mặt bên của hình lập phương. Hình 2.3 trình bày cách sắp xếp các nguyên tử trong mạng A1. Hình 2.3 Cách sắp xếp các nguyên tử trong mạng A1. Các nguyên tử nằm ở các đỉnh của mỗi mặt bên không tiếp xúc nhau nhưng lại cùng tiếp xúc với nguyên tử nằm ở giữa mặt. Nói cách khác, theo các cạnh và theo đường chéo khối của hình lập phương các nguyên tử nằm cách rời nhau còn theo đường chéo mặt các nguyên tử lại nằm xít nhau. Các kim loại Feγ , Cu, Ni, Al, Pb ... có kiểu mạng này.  Kiểu mạng lập phương thể tâm (A2). Trong khối cơ bản của mạng A2 ngoài tám nguyên tử nằm ở các đỉnh còn có một nguyên tử nằm ở tâm của khối hình lập phương (Hình 2.4) 22
  5. Hình 2.4 Cách sắp xếp của các nguyên tử trong mạng A2. Các nguyên tử nằm ở các đỉnh của hình lập phương không tiếp xúc trực tiếp với nhau nhưng lại cùng tiếp xúc với nguyên tử nằm ở giữa của khối. Nói cách khác, theo các cạnh và theo đường chéo của mặt của hình lập phương các nguyên tử nằm cách rời nhau còn theo đường chéo khối lập phương các nguyên tử lại nằm xít nhau. Các kim loại Feα, Cr, Mo, W ... có kiểu mạng này.  Kiểu mạng lục giác xếp chặt (A3). Hình vẽ 2.5 trình bày cách sắp xếp các nguyên tử của kiểu mạng A3. Hình 2.5 Cách sắp xếp của các nguyên tử trong mạng A3. Khối cơ bản của mạng này là khối lăng trụ lục giác với hằng số mạng là a và c. Các nguyên tử nằm ở 12 đỉnh, nằm ở tâm của hai mặt đáy và nằm ở tâm của ba khối lăng trụ tam giác đều cách nhau. Khối cơ bản này như gồm bởi ba lớp nguyên tử xếp sít nhau. Các nguyên tử nằm trên mặt của đáy dưới xếp sít nhau, rồi đến 3 nguyên tử ở giữa xếp vào các khe lõm của lớp đáy do đó chúng cũng xếp sít nhau. Các nguyên tử ở lớp đáy trên lại xếp vào khe lõm của lớp ở giữa như trùng với vị trí của lớp đáy dưới. Các kim loại Coα, Be, Mg, Tiα ... có kiểu mạng này.  Kiểu mạng chính phương thể tâm. Khối cơ bản của kiều mạng này giống hệt kiểu mạng lập phương thể tâm kéo dài ra theo một chiều cạnh của khối. Ðây là kiểu mạng của máctenxít, một tổ chức của thép tôi sẽ được trình bày rõ hơn trong phần tổ chức máctenxít. 2.2.2. Cách ký hiệu mặt và phương tinh thể. 23
  6. Như trên đã nêu, mặt phẳng tinh thể là mặt phẳng trong không gian mạng tinh thể được tạo nên bởi những nút mạng sắp xếp theo một trật tự nhất định, còn phương tinh thể là đường thẳng đi qua các nút mạng tinh thể, cách nhau những khoảng cách theo qui luật xác định. Ðể xác định vị trí mặt và phương trong mạng tinh thể, người ta dùng cách ký hiệu bằng các số theo từng bước sau đây:  Xác định hệ tọa độ. Ðối với hệ lập phương dùng hệ tọa độ có ba trục vuông góc với nhau Ox, Oy, Oz hướng theo ba cạnh của khối cơ bản. Trên mỗi trục chọn một đơn vị đo (thường lấy theo chiều dài của cạnh khối cơ bản theo trục đã cho như trình bày trên hình 2.6).  Xác định ký hiệu mặt. Thường lấy ký hiệu mặt theo z chỉ số Miler. B I C Chỉ số Miler của mặt tinh thể được ký hiệu bằng (hkl). Trong đó h, k, l là ba số nguyên không chia A D lẫn được cho nhau tìm được tương ứng trên các trục Ox, Oy, Oz bằng K G y cách xác định giao điểm của mặt O với ba trục Ox, Oy, Oz. Sau đó lấy giá trị nghịch đảo E của chúng, cuối cùng ta qui đồng H x mẫu số. Tử số sẽ là ba số h, k, l cần tìm. Hình 2.6 Các mặt tinh thể trong hệ lập phương  Xác định ký hiệu phương. Trên hình vẽ 2.7 trên phương OD được ký hiệu bởi tọa độ z nguyên tử ở điểm D và nó có ký B C hiệu là [111], phương GH chuyển qua gốc tọa độ O là OE có ký hiệu là [100]. Cần chú ý một số điểm D A quan trọng sau: − Các mặt song song với nhau có cùng ký hiệu (hkl), các phương y O G song song với nhau cũng có cùng ký hiệu [uvw] và chúng có đặc tính giống nhau. Các mặt và phương có cùng ký x E H hiệu thì vuông góc với nhau. Ta có thể thấy phương [111] vuông góc Hình 2.7 Các phương tinh thể trong hệ lập với mặt (111). phương Phương của mạng tinh thể được ký hiệu bằng [uvw] trong đó u, v và w là ba số nguyên nhỏ nhất ứng với tọa độ nguyên tử đầu tiên trên phương đi qua gốc tọa độ O song song với phương đã cho. 24
  7. 2.2.3. Lỗ hổng mạng tinh thể và mật độ nguyên tử . Mạng tinh thể là do các nguyên tử tạo nên, mà các nguyên tử được xem như những quả cầu nên trong mạng luôn có những khoảng trống còn gọi là lỗ hổng. Do các nguyên tử trong các mạng vừa tiếp xúc trực tiếp với nhau và vừa không tiếp xúc trực tiếp với nhau nên hình dạng các lỗ hổng này rất phức tạp. Ðể đơn giản người ta xác định kích thước của lỗ hổng bằng đường kính lớn nhất của hình cầu nằm lọt trong lỗ hổng đó. Trong mạng lập phương thể tâm có hai loại lỗ hổng: − Lỗ hổng nằm trong khối tám mặt tạo nên bởi sáu nguyên tử (hình vẽ 2.11) có tâm nằm ở giữa các cạnh và trung tâm các mặt bên. Kích thước của lỗ hổng này là 0,154d với d là đường kính nguyên tử. Hình 2.8 Lỗ hổng trong mạng lập phương thể tâm. − Lỗ hổng nằm trong khối bốn mặt tạo nên bởi bốn nguyên tử (nằm bên trái hình vẽ 2.8) có tâm nằm ở trên một phần tư đoạn thẳng nối điểm giữa các cạnh đối diện của các mặt bên. Kích thước của lỗ hổng loại này lớn hơn loại lỗ hổng tám mặt và nó bằng 0,221d cũng với d là đường kính nguyên tử. Trong mạng lập phương thể tâm có nhiều lỗ hổng (6 lỗ hổng trong khối tám mặt và 12 lỗ hổng trong khối bốn mặt) nhưng chúng có kích thước bé. Trong mạng tinh thể lập phương diện tâm cũng có hai loại lỗ hổng: − Lỗ hổng trong khối tám mặt (hình vẽ 2.9a) nằm ở trung tâm khối cơ bản và điểm giữa các cạnh bên. Lỗ hổng này có kích thước lớn nhất và bằng 0,41d. Một khối cơ bản mạng lập phương diện tâm có 4 lỗ hổng như vậy. − Lỗ hổng trong khối bốn mặt (hình vẽ 2.9b) có kích thước nhỏ hơn khoảng 1 0,225d nằm trên các đường chéo khối <111>. Một khối cơ bản có 8 lỗ hổng loại này. 4 Hình 2.9 Lỗ hổng trong mạng lập phương diện mặt 25
  8. Chú ý rằng số lỗ hổng trong mạng lập phương diện tâm ít hơn so với số lỗ hổng trong mạng lập phương thể tâm nhưng kích thước lỗ hổng của mạng lập phương diện tâm lớn hơn kích thước lỗ hổng trong mạng lập phương thể tâm. Thể tích của các lỗ hổng quyết định khả năng hòa tan xen kẽ của các nguyên tử khác vào nó (Chúng ta sẽ gặp lại trong phần nói về các nguyên tử của các bon hòa tan xen kẽ vào các lỗ hổng của mạng tinh thể sắt để tạo nên dung dịch rắn xen kẽ). Ðể đánh giá mức độ sít chặt trong các mạng tinh thể người ta dùng khái niệm mật độ nguyên tử hay còn được gọi mật độ xếp. Có hai loại mật độ nguyên tử trong mạng tinh thể đó là mật độ nguyên tử mặt (xét trên mặt tinh thể) ký hiệu Ms và mật độ nguyên tử mạng (xét về không gian toàn mạng) được ký hiệu Mv. Cách tính mật độ nguyên tử như sau: ns .π .r 2 − Mật độ nguyên tử mặt: Ms = .100% , (%). S 4 n. .π .r 3 − Mật độ nguyên tử của mạng: , (%). Ms = 3 .100% V Trong đó: − ns là số nguyên tử thuộc diện tích S của mặt tinh thể đã cho. − n là số nguyên tử thuộc khối cơ bản. − r là bán kính nguyên tử. − S và V là diện tích mặt và thể tích của khối cơ bản. Theo tính toán: Mật độ nguyên tử mạng của mạng lập phương thể tâm là M v = 68%, còn mạng lập phương diện tâm và lục giác xếp chặt có mật độ nguyên tử mạng bằng nhau và có trị số Mv = 74%. Mặt (110) của kiểu mạng lập phương thể tâm có mật độ nguyên tử mặt Ms = 83%, còn mặt (100) cũng của chính mạng lập phương thể tâm lại có trị số mật độ nguyên tử mặt Ms = 58,8%. Như vậy, các mạng tinh thể khác nhau có mật độ nguyên tử mạng M v khác nhau. Các mặt tinh thể của các mạng tinh thể khác nhau có mật độ nguyên tử mặt khác nhau. Nhưng trong cùng một kiểu mạng tinh thể các mặt tinh thể có ký hiệu khác nhau (tức chúng không song song với nhau) cũng có mật độ nguyên tử mặt khác nhau. Mật độ nguyên tử có liên quan đến một số tính chất của kim loại. Cụ thể ở các mặt và phương có mật độ nguyên tử lớn thì lực liên kết giữa chúng cũng lớn và ngược lại. Ðiều này quyết định cơ chế biến dạng dẻo (sẽ được nhắc đến trong phần biến dạng dẻo). 2.2.4. Các sai lệch mạng tinh thể. 26
  9. Nếu các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể nằm đúng vị trí qui định của kiểu mạng tinh thể đã cho chúng tạo nên mạng tinh thể lý tưởng. Tiếc thay trong thực tế trật tự sắp xếp các nguyên tử trong một số bộ phận của mạng tinh thể do dao động nhiệt không được giữ đúng vị trí sắp xếp của mình đã gây nên các sai lệch về mạng tinh thể. Theo kích thước và dạng hình học có thể chia các sai lệch trong mạng tinh thể thành mấy loại: sai lệch điểm, sai lệch đường, sai lệch mặt và sai lệch khối. 2. 2. 4. 1 Sai lệch điểm. Sai lệch điểm là loại sai lệch mạng có kích thước nhỏ theo cả ba chiều đo (chỉ độ vài thông số mạng), nó có dạng bao quanh một điểm và bao gồm hai dạng: dạng nút trống và nguyên tử xen kẽ và dạng nguyên tử tạp chất.  Dạng nút trống và nguyên tử xen kẽ. Các nguyên tử (ion) trong mạng tinh thể luôn luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng của mình, mà năng lượng dao động này phân bố không đều trên các nguyên tử. Hơn nữa, nó lại phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì lẽ đó, tại một thời điểm bất kỳ ở một nhiệt độ đã cho luôn có những nguyên tử có năng lượng lớn hơn hoặc bé hơn giá trị trung bình. Một số nguyên tử nào đó có năng lượng đủ lớn sẽ dao động với biên độ lớn và chúng có thể bứt khỏi vị trí cân bằng của mình, để lại ở đó các nút trống không có nguyên tử. Có thể xảy ra hai trường hợp: − Các nguyên tử này sau khi rời vị trí cân bằng có thể chuyển sang vị trí xen kẽ giữa các nút mạng (hình 2.10a trang sau) tạo ra sai lệch điểm dạng nguyên tử xen kẽ và được gọi là cơ chế nút trống Frenkel. − Các nguyên tử này di chuyển ra ngoài bề mặt của tinh thể (hình 2.10b trang sau). Cơ chế này được gọi là cơ chế nút trống Schottky. Bản thân sự có mặt của các nguyên tử "thừa" xen kẽ và các nút trống giữa các nút mạng tạo ra sai lệch điểm trong mạng tinh thể làm cho các nguyên tử lân cận xê dịch ít nhiều khỏi vị trí cân bằng với kích thước nhỏ. + + + a. Nút trống Frenkel. b. Nút trống Schottky. Hình 2.10 Sai lệch điểm trong mạng tinh thể. Trong mạng tinh thể các nút trống không đứng yên mà luôn trao đổi vị trí với các nguyên tử lân cận, đây chính là phương thức khuyếch tán nguyên tử. 27
  10.  Dạng nguyên tử tạp chất. Trong thực tế không có kim loại sạch tuyệt đối, tức là không thể có được một kim loạiù chỉ gồm có một nguyên tố mà thường nó chứa thêm một lượng nhất định nguyên tử của nguyên tố khác. Các nguyên tử của các nguyên tố khác đó được gọi là các tạp chất. Các nguyên tử tạp chất này có thể thay thế vị trí các nguyên tử của nguyên tố kim loại cơ sở ở các nút mạng (hình 2.11a) hoặc nằm xen kẽ giữa các nút mạng (hình 2.11b). Bản thân các nguyên tử tạp chất đã là sai lệch điểm trong mạng tinh thể. Ngoài ra, tùy theo kích thước của chúng mà chúng còn làm các nguyên tử ở xung quanh bị xê dịch đi ít hay nhiều tạo ra vùng hình cầu đường kính vài thông số mạng với các nguyên tử nằm lệch vị trí cân bằng của mình. Nói cách khác, tùy theo kích thước của các nguyên tử tạp chất mà dạng mạng tinh thể sẽ biến dạng. a. b. Hình 2.11 Các nguyên tử tạp chất (lạ). Trong tinh thể đồng hóa trị, nguyên tử tạp chất ảnh hưởng đến tính chất điện. Ví dụ, trong mạng của Ge, bốn điện tử hóa trị tạo liên kết giữa các nút. Nếu nguyên tử tạp chất As (có năm điện tử hóa trị) thay thế nguyên tử Ge, điện tử hóa trị thứ năm (thừa) của As sẽ được tự do chuyển động dưới tác dụng của điện trường ngoài. Ngược lại, nếu nguyên tử tạp chất là Ga (có ba điện tử hóa trị) thì sẽ thiếu một điện tử cho liên kết. Ðó chính là cơ sở để người ta chế tạo các chất bán dẫn (dạng p hoặc n) từ hai nguyên tố Ge hoặc Si. Sai lệch điểm trong mạng ion luôn mang tính phức hợp. Cấu trúc mạng ion luôn phải đảm bảo trung hòa điện tích, vì vậy một nút trống cation luôn tồn tại song song với nút trống anion bên cạnh, đó là sai lệch điểm Schottky (hình vẽ 2.12a) hoặc một cation xen kẽ sẽ ở cạnh nút trống cation tạo sai lệch điểm Frenkel (hình vẽ 2.12). _ _ _ _ _ _ + + + + + + + _ + + _ + __ + + _ _ _ _ _ _ + + _ + _ + __ + _ + + + + + a. b. 28
  11. Hình 2.12 Sai lệch điểm Schottky (a) và Frenkel trong mạng ion (b) Nồng độ sai lệch điểm trong mạng ion ảnh hưởng đến độ dẫn điện của vật rắn ion. 2.2.4.2 Sai lệch đường – lệch. Các sai lệch điểm nói trên nằm liền nhau trên một đường (có thể là đường thẳng hoặc đường cong) tạo ra sai lệch đường. Nói khác đi, sai lệch đường là loại sai lệch mạng có kích thước lớn theo một chiều đo và nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo hai chiều đo còn lại. Dạng điển hình nhất của sai sai lệch đường là Lệch – Dislocation, chúng có dạng hình học nhất định và có tính ổn định cao. Có 3 dạng lệch chủ yếu là lệch thẳng (hay còn được gọi là lệch biên), lệch xoắn và lệch hỗn hợp. Ðể đặc trưng cho mức độ sai lệch của mạng tinh thể người ta dùng khái niệm mật độ lệch. Mật độ lệch là tổng chiều dài của các đường (trục) lệch có trong một đơn vị thể tích, nó phụ thuộc vào trạng thái vật tinh thể và phụ thuộc vào phương pháp gia công. 2.2.4.3 Sai lệch mặt. Sai lệch mặt là loại sai lệch mạng có có kích thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo một chiều đo còn lại. Nó có thể là dạng mặt phẳng hoặc mặt cong và bao gồm biên giới hạt, biên giới block, các mặt ngoài của tinh thể.  Biên giới hạt và siêu hạt Biên giới hạt là vùng tiếp giáp giữa các hạt trong đa tinh thể (hình vẽ 2.13). Các nguyên tử ở biên giới hạt sắp xếp không theo trật tự mạng tạo nên sai lệch mặt. Có thể coi biên giới hạt là vùng cấu trúc vô định hình. Chiều dày của lớp biên giới hạt có độ lớn từ vài đến vài trăm thông số mạng tùy thuộc độ sạch của tinh thể. Ðộ sạch của tinh thể càng cao thì chiều dày của lớp biên giới hạt càng nhỏ. Biên giới hạt có một số tinh chất khác với cấu trúc tinh thể như sau: − Biên giới hạt có năng Bieân giôùi haït lượng tự do cao hơn bên trong hạt nên là nơi dễ tạo ra mầm khi chuyển biến pha, là nơi có hoạt tính hóa học cao nên dễ bị ăn mòn. − Biên giới hạt không có mặt tinh hể xác định nên cản trở mạnh quá trình biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường, tuy nhiên do có hoạt tính hóa học cao ở nhiệt độ cao nên biên giới hạt lại bị chảy Hình 2.13 Mô hình biên giới hạt dẻo. − Biên giới hạt có cầu tạo không trật tự (cấu tạo xốp) nên là nơi dễ chứa các nguyên tử lạ (tạp chất) và dễ khuyếch tán.  Mặt ngoài tinh thể. 29
  12. Mặt ngoài tinh thể có hình thái tồn tại khác so với những mặt phẳng tinh thể ở bên trong. Có thể tưởng tượng dễ dàng rằng đối với các nguyên tử ở mặt ngoài (mặt giới hạn của tinh thể) không có đủ số sắp xếp như các nguyên tử ở bên trong của mạng nên ở mặt ngoài chúng không sắp xếp theo trật tự "qui định" của tinh thể (hình vẽ 2.14) và tạo thành vùng sai lệch. Hình 2.14 Mô hình sắp xếp nguyên tử (vòng tròn đen) ở mặt ngoài tinh thể. Do đặc điểm cấu trúc sai lệch mà lớp mặt ngoài tinh thể cũng có những tương tác đặc biệt với các loại sai lệch khác. 2.2.4.4 Sai lệch khối. Sai lệch khối là những sai lệch có kích thước lớn theo cả ba chiều đo trong mạng tinh thể. Sai lệch khối vĩ mô là những sai hỏng xảy ra khi nấu luyện, khi đúc các hợp kim chẳng hạn như những rỗ co, những nơi tập trung tạp chất, hay xỉ v.v. Sai lệch khối vi mô có thể kể đến là những pha thứ hai tồn tại trong nền của hợp kim như graphít tồn tại trong gang v.v. 2.3 ÐƠN TINH THỂ VÀ ÐA TINH THỂ 2.3.1 Ðơn tinh thể. Nếu khối vật liệu tinh thể mang dùng có kiểu mạng thống nhất và có các phương không đổi trong toàn bộ thể tích được gọi là đơn tinh thể, hoặc hạt tinh thể (hình 2.15). Ðiều này có nghĩa là khối vật liệu chỉ có mộït tinh thể mà thôi. Trong thực tế trường hợp này rất ít gặp. Tính chất tiêu biểu của đơn tinh thể là tính dị hướng vì theo các hướng khác nhau độ xếp chặt của các nguyên tử khác nhau. Ðơn tinh thể chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và vật liệu kỹ thuật điện. Trong thực tế đối với một số khoáng vật có thể tồn tại những đơn tinh thể tự nhiên. Hình 2.15 Mô hình đơn tinh thể Ðể có được đơn tinh thể kim loại phải áp dụng những công nghệ đặc biệt "nuôi" đơn tinh thể. 30
  13. 2.3.2 Ða tinh thể. Các vật liệu tinh thể ta sử dụng hàng ngày, dù là rất nhỏ cũng bao gồm rất nhiều tinh thể (trong 1mm3 có thể có tới hàng nghìn, hàng vạn các đơn tinh thể) có cùng cấu trúc mạng nhưng với định hướng khác nhau mang tính ngẫu nhiên liên kết với nhau bằng biên giới hạt. Vật liệu tinh thể có cấu tạo như vậy được gọi là đa tinh thể (hình 2.16). Hình 2.16 Mô hình đa tinh thể Có thể nói kim loại hay vật rắn tinh thể thực tế thường gặp là đa tinh thể. Ða tinh thể có các đặc tinh sau đây: − Sự định hướng mạng tinh thể của mỗi hạt là ngẫu nhiên, nên phương mạng giữa các hạt lệch nhau một góc nào đó, thường từ vài độ đến vài chục độ. − Mỗi hạt là một tinh thể nên có tính dị hướng, song do phương mạng giữa các hạt lệch nhau nên khoảng cách trung bình thống kê giữa các nguyên tử theo tất cả các phương thử đều bằng nhau làm cho tính dị hướng không còn nữa. Ða tinh thể có tính dị hướng giả, tức là theo các phương tính chất đều giống nhau. Tính chất thể hiện ở đa tinh thể như là trung bình cộng của những tính chất theo các phương khác nhau. − Ở vùng biên giới giữa các hạt, các nguyên tử chịu qui luật định hướng của tất cả các hạt xung quanh nên có sự sắp xếp không trật tự. Nói cách khác, mạng tinh thể tại đây đã bị xô lệch. Nếu đi sâu nghiên cứu tỉ mỉ hơn nữa về cấu tạo mạng tinh thể, ta thấy ngay trong mỗi hạt thì phương mạng cũng không tuyệt đối ổn định, trong đó vẫn còn bao gồm những bộ phận nhỏ hơn với kích thước khoảng 102 tới 104nm mà phương mạng giữa chúng cũng lệch nhau một góc rất nhỏ khoảng vài phút đến 1 0. Những bộ phận nhỏ bé này được gọi là blốc hay siêu hạt. Như vậy, biên giới giữa các blốc cũng có mạng tinh thể bị xô lệch nhưng với mức độ thấp hơn so với vùng biên giới hạt. Trong nghiên cứu kim loại người ta thường dùng khái niệm về độ hạt, biểu diễn kích thước trung bình của các hạt tinh thể.  Xác định độ hạt tinh thể. 31
  14. Hạt lớn hay nhỏ có ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu về cơ tính, đặc biệt là độ dai. Ðộ hạt được xác định qua hai thông số là đường kính trung bình của hạt tinh thể hay diện tích trung bình của hạt tinh thể, nhưng thường người ta xác định độ hạt theo atlat chuẩn đã định sẵn. Trong atlat chuẩn có các cỡ hạt khác nhau từ to đến nhỏ theo các cấp ở độ phóng đại cố định thường là 100 lần. Tổ chức cần nghiên cứu cũng được quan sát ở độ phóng đại như của atlat chuẩn để so sánh. Về cơ bản mọi nước đều dùng chuẩn cấp hạt của ASTM. Các hạt có độ lớn khác nhau được phân thành 16 cấp chính từ 00, 0, 1, 2, ... cho đến 14 theo trật tự hạt nhỏ dần. Gọi Z là số hạt có trong hình vuông có cạnh dài 2,5 cm tương ứng với diện tích 1 inch2 = 6,25 cm2 . Gọi N là cấp hạt người ta đưa ra mối quan hệ Z = 2N-1. − Ðộ cấp hạt 1 là hạt có diện tích là 1 inch2 hay nói cách khác trong 1 inch2 có một hạt trên tổ chức tế vi phóng đại 100 lần. − Ðộ cấp hạt 4 là hạt có diện tích 0,125 inch2 tương ứng với 80,6mm2 hay trong 1 inch2 có 8 hạt trên tổ chức tế vi phóng đại 100 lần. Hình 2.17 trình bày thí dụ của sáu cỡ hạt theo ASTM ứng với độ phóng đại 100 lần. Hình 2.17 Thí dụ về cấp hạt theo ASTM ứng với độ phóng đại 100 lần 32
Đồng bộ tài khoản