1
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG
BÀI GIẢNG HỌC PHẦN
VẬT LIỆU CƠ KHÍ
(Lưu hành nội bộ)
Người biên soạn: Hoàng Việt Nam
Hoàng Minh Thuận
Uông Bí, năm 2010
2
CHƯƠNG I. CẤU TẠO TINH THỂCỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI
1.1. Khái niệm và đặc điểm của kim loại
1.1.1. Định nghĩa kim loại
Kim loại là do một nguyên tố hoá học tạo nên với tính chất đặc trưng là
dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có ánh kim. Hiện nay có trên 85 nguyên tố kim
loại (VD: Sắt Fe; Đồng Cu; Nhôm AL; Kẽm Zn;...)
1.1.2. Đặc điểm cấu tạo nguyên tửcủa kim loại
* Chất kết tinh và chất vô định hình:
+ Chất kết tinh (chất tinh thể): là những chất kết cấu rắn có dạng hình học
xác định và có những đặc điểm:
- Các nguyên tử sắp xếp có hệ thống;
- Khi nung lên nhiệt độ cao thì chuyển từ thể rắn sang thể lỏng.
+ Chất vô định hình: là những chất có hình dạng không xá định như thuỷ
tinh, keo, sáp, nhựa thông, hắctín, thuỷ ngân,... và có những đặc điểm sau:
- Các nguyên tử sắp xếp không có hệ thống;
- Khi nung lên nhiệt độ cao thì chuyển từ thể rắn sang thể nhão rồi sang
thể lỏng;
- Bề mặt gẫy nhẵn không có dạng hạt.
* Cấu tạo tinh thể của kim loại:
a) b)
Hình 1.1. Ô cơ sở và thông số mạng của mạng vật rắn tinh thể
Tất cả các kim loại ở trạng thái rắn đều là những chất có cấu tạo tinh thể.
Trong các chất có cấu tạo tinh thể, các nguyên tử, ion chiếm những vị trí nhất
định trong không gian hay nói cách khác, chúng sắp xếp theo một trật tự, quy
luật nhất định tạo nên mạng tinh thể.Trong mạng tinh thể, các nguyên tử dao
động xung quanh các nút mạng tinh thể như dao động quanh vị trí cân bằng.
Hình 1.1a biểu diễn một phần của mạng tinh thể (mạng tinh thể lập
phương đơn giản) trong đó các iôn kim loại được biểu diễn bằng những vòng
tròn nhỏ nằm ở các nút của hình lập phương gọi là nút mạng.
Phần nhỏ nhất và đặc trưng cho một loại mạng tinh thể nào đó được gọi
Z
Y
X
b
c
a
3
là ô cơ bản (hình 1.1b). nếu xếp liên tiếp các ô cơ bản ta được mạng tinh thể.
Khi nghiên cứu một mạng tinh thể nào đó, ta chỉ cần nghiên cứu một ô cơ
bản là đủ.
Mạng tinh thể thường gặp của kim loại có các kiểu sau:
- Mạng lập phương thể tâm: Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các ion nằm
ở các nút (đỉnh) vàở tâm của hình lập phương; số nguyên tử có trong ô cơ bản là 2.
Hình 1.2. Mạng lập phương thể tâm
- Mạng lập phương diện tâm: Trong ô cơ bản, các ion nằm ở các nút
(đỉnh) của hình lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương; số
nguyên tử trong ô cơ bản là 4.
Hình 1.3. Mạng lập phương diện tâm
- Mạng lục giác xếp chặt: Cấu trúc như một lăng trụ lục giác. Hai đáy là
hai tiết diện lục giác đều, trên mỗi đáy có 6 nguyên tử ở 6 đỉnh và một nguyên tử
nằm ở tâm đáy; ngoài ra còn có 3 nguyên tử nằm cách đều nhau và cách đều 2
đáy; số nguyên tử trong ô cơ bản là 6.
Hình 1.4. Mạng lục giác xếp chặt
4
1.1.3. Liên kết kim loại
Trong kim loại phần lớn các
nguyên tử nhường bớt điện tử để trở
thành ion dương còn các điện tử trở
thành điện tử tự do. Các điện tử này
không bị chi phối bởi một nguyên tử
nào cả. Giữa các ion dương với nhau
và các điện tử với nhau sẽ tồn tại lực
đẩy, giữa ion và điện tử sinh ra lưc
hút. Sự cân bằng giữa các lực này là
cơ sở của liên kết kim loại. Đây là
dạng liên kết quan trọng của kim
loại, nhờ mối liên kết này mà kim
loại có tính dẻo rất cao
1.2. Cấu tạo mạng tinh thểcủa kim loại nguyên chất
1.2.1. Các khái niệm vềmạng tinh thể
Trong kim loại thực tế các nguyên tử không hoàn toàn nằm ở các vị trí một
cách trật tự như đã nói ở trên mà luôn luôn có một số ít nguyên tử nằm sai vị trí
gây nên sai lệch mạng. Trong thực tế không có kim loại nguyên chất tuyệt đối.
Do vậy trong kim loại bao giờ cũng có các tạp chất. Kích thước các nguyên tử lạ
này luôn khác nguyên tử kim loại nên gây ra sai lệch trong mạng tinh thể. Sai
lệch mạng tinh thể chiếm số lượng rất thấp (1-2% thể tích mạng) nhưng ảnh
hưởng rất lớn đến cơ tính của kim loại.
1.2.2. Các kiểu mạng tinh thểthường gặp của kim loại
Trong các kim loại thông dụng thường gặp ba kiểu mạng tinh thể sau đây:
1.5
1.6
5
a) Lập phương tâm khối (thể tâm A2): Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và ở
trung tâm của khối lập phương . Nếu coi các nguyên tử là hình cầu và biểu diễn gần
như thật thì các nguyên tử nằm ở các đỉnh chéo nhau của khối lập phương tiếp xúc
với nhau qua nguyên tử ở trung tâm. Các nguyên tử còn lại không tiếp xúc với
nhau. Kiểu mạng này có trong các kim loại Fea, Cr, Mo,V. Khoảng cách gần
Kiểu mạng này có một thông số mạng là a.
b) Lập phương tâm mặt (diện tâm A1) : Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và
tâm của các mặt bên khối lập phương. Nếu coi các n guyên tử là hình cầu và biểu
diễn gần nhưthật thì nguyên tử nằm ở đỉnh và tâm của các mặt bên thì tiếp xúc
với nhau.Các nguyên tử còn lại không tiếp xúc với nhau. Khoảng cách gần nhất
giữa hai nguyên tử là
2
2a
d
và
4
2a
r
kiểu mạng này chỉ có một thông số mạng là a. Thường gặp trong các kim loại
Feg, Cu, Ni, Al, Pb...
c) Sáu phương xếp chặt (lục giác xếp chặt A3): Các nguyên tử nằm ở các
đỉnh và ở tâm hai mặt đáy của hình lăng trụ lục giác đều .Ba nguyên tử nằm ở
trung tâm ba lăng trụ tam giác cách nhau.Mạng sáu phương xếp chặt có hai
thông số mạng là a và c, tỷ số c/a gọi là hệ số xếp chặt.
Hình 1.7. Mô hình và cách
sắp xấp nguyên tử trong khối
cơ sở
a) Lập phương tâm mặt
b) Lập phương tâm khối
c) Sáu phương xếp chặt