Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Sai sót trong cấu trúc chất rắn - Cao Xuân Việt

Chia sẻ: Thiên Lăng Sở | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Sai sót trong cấu trúc chất rắn - Cao Xuân Việt cung cấp cho học viên những kiến thức về tinh thể thực, sai sót điểm trong kim loại, sai sót điểm trong ceramic, cân bằng nồng độ sai sót điểm,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Sai sót trong cấu trúc chất rắn - Cao Xuân Việt

SAI SÓT TRONG CẤU TRÚC CHẤT RẮN
TINH THỂ THỰC 1. Thực tế hay tinh thể thực: 2. Không có tinh thể hoàn thiện 3. Nhiều vật liệu có những tính chất được ứng dụng nhờ tạp chất (hợp kim, bán dẫn, lazer…) 2
CÁC LOẠI SAI LỆCH HAY SAI SÓT • Ô (NÚT) trống nguyên tử • Nguyên tử xen kẽ Sai sót điểm • Nguyên tử thay thế 1-2 atoms • Lệch mạng Sai sót đường 1-dimensional • Biên hạt Sai sót mặt 2-dimensional Sai sót khối 3
SAI SÓT ĐIỂM TRONG KIM LOẠI • Ô TRỐNG: Vacancy distortion of planes • XEN GIỮA MẠNG: self-interstitial distortion of planes 4
XEN GIỮA MẠNG  In metals, a self interstitial introduces relatively large distortions (strain) in the surrounding lattice since the atom is substantially larger than the interstitial site.
SAI SÓT ĐIỂM TRONG CERAMIC • Ô trống có thể ở vị trí cation và anion Cation Interstitial Cation Vacancy Adapted from Fig. 5.2, Callister & Rethwisch 3e. (Fig. 5.2 is from W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, and J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. 1, Structure, John Wiley and 6 Anion Vacancy Inc., p. 78.) Sons,
SAI SÓT FRENKEL VÀ SCHOTTKY • Frenkel Defect To maintain the charge neutrality, a cation vacancy-cation interstitial pair occur together. The cation leaves its normal position and moves to the interstitial site. • Schottky Defect To maintain the charge neutrality, remove 1 cation and 1 anion; this creates 2 vacancies. Schottky Defect Adapted from Fig. 5.3, Callister & Rethwisch 3e. (Fig. 5.3 is from W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, and J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. 1, Structure, John Wiley and Sons, Inc., p. 78.) Frenkel 7 Defect
CÂN BẰNG NỒNG ĐỘ SAI SÓT ĐIỂM • Nồng độ lỗ trống biến đổi theo nhiệt độ khi T≠0 . Năng lượng hoạt hóa– energy required for formation of vacancy Số lỗ trống  Q  = exp   Nv  v  Số nút mạng N  k T  Nhiệt độ Hằng số Boltzmann -23 (1.38 x 10 J/atom-K) -5 (8.62 x 10 eV/atom-K) Each lattice site is a potential 8 vacancy site T≠0K NV ≠ 0
XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG HOẠT HÓA • Qv từ thực nghiệm Q  Nv = exp   v   N  k T  • Đo T và Nv. • Replot it... Nv Nv Độ nghiêng ln N N -Qv /k Số mũ T 1/ T Nồng độ sai sót 9
TÍNH NỒNG ĐỘ SAI SÓT • Ex 5.1: xác định nồng độ sai sót trong 1 m3 Cu ở 1000C. • Biết: r = 8.4 g /cm 3 A Cu = 63.5 g/mol Qv = 0.9 eV/atom NA = 6.02 x 1023 atoms/mol 0.9 eV/atom Q  exp   v  Nv =  -4 N  k T = 2.7 x 10 1273 K 8.62 x 10-5 eV/atom-K NA For 1 m3 , N= r x x 1 m3 = 8.0 x 1028 sites A Cu • Đáp số: 10 Nv = (2.7 x 10-4)(8.0 x 1028) sites = 2.2 x 1025 vacancies
Adapted from Fig. 5.7, SAI SÓT TRONG POLYMER Callister & Rethwisch 3e.  Sai sót trong từng phần chuỗi và tạp chất ở đầu và một phía của chuỗi 11
HỢP KIM  Kim loại nguyên chất tinh khiết tới 99.9999%, vẫn có 1022 to 1023 nguyên tử tạp chất trong 1 m3 vật liệu.  Phần lớn kim loại là hợp kim. Hợp kim làm tăng độ bền, bền hóa, tính dẻo, giảm Tnc.  Vídụ, sterling bạc 92.5% Ag, 7.5% Cu.Tác dụng của đồng làm tăng cường độ và chống ăn mòn. 12
DUNG DỊCH RẮN  Các ng.tử tạp chất tạo d.d. rắn trong kim loại (hợp kim).  Chất tan là ng.tố có lượng ít, dung môi là ng.tố có lượng nhiều.  D.d. rắn hình thành khi thêm Cu (ch.tan) vào Al (d.môi). Không có sự thay đổi cấu trúc, nhưng tham số mạng có thể thay đổi (định lý Varne)..  D.d. rắn là hệ chất rắn đồng nhất.  Ng.tử tạp chất (Cu) phân bố ngẫu nhiên trong ch.rắn.  Sai sót tạp chất trong d.d. rắn có thể là sai sót thế hoặc sai sót lẫn. 13
SAI LỆCH TRONG KIM LOẠI Điều gì xảy ra khi tạp chất (B) được đưa vào vật chủ (A)? • Solid solution of B in A (random distribution of point defects) OR Dung dịch rắn thế. Dung dịch rắn xen kẽ. (e.g., Cu in Ni) (e.g., C in Fe) • Dung dịch rắn B trong A có thêm hạt pha mới, thường giàu B Pha thứ hai -- khác biệt thành phần -- có thể khác cấu trúc 14
QUI TẮC HUME - ROTHERY Qui tắc Hume-Rothery: những điều kiện cơ bản cho một nguyên tố hòa tan vào kim loại, tạo dung dịch rắn thế. Bán kính nguyên tử của dung môi và chất tan khác nhau không quá 15% (r < 15%). 1. Dung môi và chất tan có độ âm điện tương đương electronegativities. 2. Có cấu trúc tinh thể tương tự 3. Cùng hóa trị. Kim loại hóa trị thấp có xu hưóng hòa tan trong kim loại hóa trị cao, 15
DUNG DỊCH RẮN THẾ Cu và Ni Element Atomic Crystal Electro- Valence Radius Structure nega- (nm) tivity Cu 0.1278 FCC 1.9 +2 C 0.071 2.5 H 0.046 O 0.060 Ag 0.1445 FCC 1.9 +1 Al 0.1431 FCC 1.5 +3 Co 0.1253 HCP 1.8 +2 Cr 0.1249 BCC 1.6 +3 Fe 0.1241 BCC 1.8 +2 Ni 0.1246 FCC 1.8 +2 Pd 0.1376 FCC 2.2 +2 Zn 0.1332 HCP 1.6 +2
DUNG DỊCH RẮN XEN KẼ (LẪN)  Carbon tạo dd rắn xen kẽ với sắt (Fe). Nồng độ maximum 2%.  RC
SAI SÓT ĐƯỜNG TRONG CHẤT RẮN Lệch mạng: • là dạng sai sót đường, • sự trượt giữa các mặt tinh thể khi lệch mạng • biến dạng vĩnh viễn (dẻo). Zn (HCP): • trước biến dạng • sau khi tác dụng lực Bước trượt 18
LỆCH BIÊN Sai sót đường (lệch mạng) một chiều do sắp xếp lại các ng.tử liền kề. Sai sót đường liên quan tới biến dạng cơ. Điển hình: Biên, xoắn, hỗn hợp.. Lệch biên:  Chèn nửa mặt phẳng vào mạng lệch;  Trục lệch: Biên của mặt kết thúc trong tinh thể. ()  Xung quanh biên, mạng bị biến dạng ..  Vector Burger b vuông góc () với đường lệch (mức sai lệch). 19 Vector Burger, b: mức độ sai lệch
SỰ DỊCH CHUYỂN BIÊN • Dịch chuyển lệch cần tiếp xúc được với một nửa mặt nguyên tử (từ trái sang phải). • Liên kết qua mặt trượt bị bẻ gãy và tái tạo lại. Biến dạng đàn hồi của phần lớn tinh thể có được nhờ sự dịch chuyển biên. • Phần lớn lệch mạng thể hiện khi đóng rắn, biến dạng đàn hồi và làm nguội nhanh (ứng suất nhiệt). • Biến dạng đàn hồi có nghĩa là các mặt nguyên tử trượt qua nhau. Các ng.tử lệch trượt từ trái qua phải theo mặt trượt 20