Bài giảng Vật liệu học ngành Hóa: Cấu trúc và tính chất của vật liệu (Chương 1)

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

CƠ SỞ ĐÀO TẠO MIỀN TRUNG

KHOA CÔNG NGHỆ

VẬT LIỆU HỌC NGÀNH HÓA

2206041140 2 (2, 0, 4)

Tài liệu tham khảo:

1, Vật liệu học cơ sở, Nghiêm Hùng, NXB KH & KT – 2002. 2, Vật liệu học , B.N. Arzamaxov, NXB Giáo dục – 2000. 3, Vật liệu cơ khí, KS Nguyễn Thị Yên, NXB Hà Nội - 2004 4, Bài giảng Vật liệu học, TS. Hà Văn Hồng 5, Giáo trình Vật liệu cơ khí, ThS. Châu Minh Quang

Phần I: CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LiỆU

Chương 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT LiỆU

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử

1.1.1. Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử

- Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố hóa

học không thể bị phân chia về mặt hóa học.

+ Hạt nhân ở tâm: (+) + Các e bao quanh hạt nhân: (-) + Ở trạng thái bình thường: trung hòa điện tích

• Ở mức độ thông thường người ta thừa nhận nguyên tử được cấu tạo từ ba loại hạt cơ bản là electron (e), proton (p) và nơtron (n).

KHOÁI LÖÔÏNG (m) ÑIEÄN TÍCH (a)

LOAÏI HAÏT

Electron Proton Nôtron

Quy öôùc

-1 +1 0,0

kg 9,109 .10-31 1,672. 10-27 1,675. 10-27 u 5,55 . 10-4 1,007 1,009 Culong - 1,6021.10-19 + 1,6021.10-19 0,0

• Hạt nhân: Hạt proton: (+)

Hạt nơtron: không mang điện

Cấu tạo nguyên tử Cacbon

Lớp điện tử: Gồm các điện tử cùng số

lượng tử chính n

1 2 3 4 5 6 7

K L M N O P Q

Số lượng tử chính n: Ký hiệu lớp lượng tử:

Phân lớp điện tử: Gồm các điện tử cùng số

lượng tử chính n và số lượng tử phụ l

Số lượng tử orbitan l: Ký hiệu phân lớp lượng 0 s 1 p 2 d 3 f 4 g 5 h

tử:

Hình dạng các đám mây

Đám mây s

Sơ đồ đám mây điện tửcủa điện tử 1s

Sơ đồ đám mây điện tử của điện tử 2s

Hình cầu

Hình dạng các đám mây

Đám mây s

Hình dạng các đám mây

Đám mây s

Đám mây 2p

Hình dạng đám mây điện tử 2px

Hình dạng đám mây điện tử 2py

Hình dạng đám mây điện tử 2pz

Hình dạng

8 Đám mây 2p

Hình dạng các đám mây

Đám mây 3d

Hình dạng các đám mây

Đám mây 3d

Tổng kết Tổng kết

1.1.2. Liên kết nguyên tử -Liên kết cộng hóa trị -Liên kết ion -Liên kết kim loại

1.2. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất

Khí Lỏng

Rắn

Hình dạng

Thể tích

Khí

Không xác định

Lỏng

Không xác định

Xác định

Rắn

Xác định

Quá trình chuyển trạng thái

Khí

Liberates Energy

Hóa hơi

Ngưng tụ

Lỏng

Hóa rắn

Nóng chảy

Rắn

Requires Energy

Trạng thái rắn

hình

 Chất rắn tinh thể và chất rắn vô định - Chất rắn tinh thể + Có khả năng tự kết tinh thành các hạt nhiều mặt, nhiều

cạnh, nhiều chóp.

+ Góc tạo bởi hai mặt tương ứng của tinh thể luôn luôn có

giá trị không đổi.

+ Bên trong tinh thể các nguyên tử, phân tử, ion được phân bố một cách tuần hòan theo những quy luật nhất định tạo thành mạng lưới không gian đều đặn.

+ Nhiệt độ nóng chảy của tinh thể xác định và không thay

đổi trong suốt quá trình nóng chảy.

+ Không có tính đẳng hướng.

Trạng thái rắn Trạng thái rắn

- Chất rắn vơ định hình + Khơng cĩ khả năng kết tinh thành tinh thể cĩ hình

dạng xác định.

+ Các cấu tử sắp xếp hỗn độn. + Khơng cĩ nhiệt độ nĩng chảy nhất định. + Cĩ tính đẳng hướng.

Trạng thái rắn

Cộng hoá trị

 Các kiểu mạng lưới tinh thể

 Mạng lưới cộng hóa trị

Được

tạo thành từ những

nguyên tử liên kết với nhau

bằng lực liên kết cộng hóa trị

Dùng chung Electron

Trạng thái rắn Trạng thái rắn

 Các kiểu mạng lưới tinh thể

 Mạng lưới phân tử

Các tiểu phân cấu trúc là

những phân tử (trừ khí hiếm),

chúng hút nhau bằng lực hút

yếu Van der Waals, đôi khi cả

liên kết hydro. Vì vậy, cấu

trúc mạng lưới phân tử dễ

nóng chảy, dễ hóa hơi, tương

đối mềm.

Trạng thái rắn

 Các kiểu mạng lưới tinh thể

 Mạng lưới tinh thể ion

Được tạo thành từ những ion ngược dấu luân phiên nằm tại nút mạng và liên kết vớI nhau bằng lực hút tĩnh điện.

NaCl:

Trạng thái rắn

 Các kiểu mạng lưới tinh thể

 Mạng kim lọai

Được đặc trưng bằng các ion dương nằm tại nút mạng và liên kết giữa chúng là liên kết kim lọai

1.3. Khái niệm về mạng tinh thể

Ô cơ sở và thông số mạng tinh thể

Thông số mạng

z

c





b

a



 Mỗi ô mạng cơ sở tương ứng với một hình hộp có 6 thông số mạng gồm 3 độ dài a, b, c và 3 độ lớn của các góc , , .

x

y

Dựa vào các cạnh và các góc trên ô mạng cơ sở, chia ra 7 hệ tinh thể nguyên thuỷ gọi là 7 mạng lưới Brave đơn giản.

Tọa độ và chỉ số Miller

z (c)

• Vị trí 1đv cấu trúc trong ô mạng cơ sở được xđ bởi 3 tọa độ (x,y,z) hay (a,b,c). Qui ước:

y(b)

x (a)

• a= 1 trên trục x hay a • b =1 trên trục y hay b • c =1 trên trục z hay c Tọa độ điểm P (1,1,1), N(½,½,1) Trong tinh thể học, thường dùng chỉ số Miller để kí hiệu tọa độ của 1 mặt lưới của ô mạng cơ sở.

Mặt lưới của ô mạng cơ sở là một mp bất kỳ có trong ô mạng đó.

Chỉ số Miller

• Mặt lưới cắt trục x tại điểm (100), trục y tại (010) và z tại (002).

• Có 3 giá trị ứng với 3 chữ

số khác 0 là 1, 1, 2.

- Lấy nghịch đảo 3 giá trị này ta được 1/1, 1/1, 1/2. - Qui đồng mẫu 3 phân số

ta có: 2/2, 2/2, ½.

- Bộ 3 giá trị của 3 tử số là chỉ số Miller (hkl) của mặt lưới. Vậy (hkl) =(221)

- Nếu giá trị âm, đặt dấu gạch ngang (-) trên kí hiệu chữ hay số.

Töông quan giöõa caùc thoâng soá maïng

Heä tinh theå

Caùc caïnh

Laäp phöông

Khoái laäp phöông

Caùc goùc  =  =  = 900

a = b = c

Boán phöông

Laêng truï thaúng, ñaùy vuoâng

 =  =  = 900

a = b, c

Tröïc thoi

Laêng truï thaúng, ñaùy chöõ nhaät

 =  =  = 900

a, b, c

Laêng truï nghieâng, ñaùy chöõ nhaät

a, b, c

Moät nghieâng (Ñôn taø)

 =  = 900,   900

Maët thoi

Caùc maët ñeàu laø hình thoi

 =  =   900

a = b = c

Saùu phöông

a = b, c

Laêng truï thaúng, ñaùy hình thoi (2 goùc ôû ñænh ñeàu 600)

 =  = 900  = 1200

Ba nghieâng

Khoái hoäp baát kì

      900

a  b  c

Ñaëc ñieåm hình daïng

Hệ tinh thể

Mạng tinh thể

Ba nghiêng

đơn giản tâm đáy

Một nghiêng

đơn giản tâm đáy tâm khối tâm mặt

Trực thoi

Hệ tinh thể Mạng tinh thể

Sáu phương

Ba phương

Hệ tinh thể Mạng tinh thể

đơn giản tâm khối

Bốn phương

đơn giản tâm khối tâm mặt

Lập phương

• Lập phương đơn giản: là một hình lập phương, mỗi nút mạng là một nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương có cạnh là hằng số mạng. Cấu trúc lập phương đơn giản chỉ chứa 1 nguyên tử trong một ô nguyên tố.

• Lập phương tâm mặt (hay lập phương diện tâm): là cấu trúc lập phương với các nguyên tử nằm ở các đỉnh hình lập phương (8 nguyên tử) và 6 nguyên tử khác nằm ở tâm của các mặt của hình lập phương. Cấu trúc này chứa 4 nguyên tử trong một ô nguyên tố. Trong tinh thể học, cấu trúc lập phương tâm mặt được ký hiệu là fcc (Face-centered cubic). Các chất điển hình có cấu trúc fcc là nhôm, đồng...

• Lập phương tâm khối: là cấu trúc lập phương với 8 nguyên tử ở các đỉnh hình lập phương và 1 nguyên tử ở tâm của hình lập phương. Cấu trúc này chứa 2 nguyên tử trong một ô nguyên tố, và thường được ký hiệu là bcc (Body-centered cubic).

Hệ số xếp chặt

• Cấu trúc lập phương đơn giản có hệ số

xếp chặt chỉ là 52%.

• Cấu trúc lập phương tâm mặt có hệ số

xếp chặt là 74%.

• Cấu trúc lập phương tâm khối có hệ số

xếp chặt 68%.

Các chất có cấu trúc lập phương • Cấu trúc đơn nguyên tử: Cấu trúc lập phương đơn nguyên tử tồn tại khá nhiều trong các kim loại (điển hình là kim loại chuyển tiếp). Cấu trúc lập phương đơn giản có hệ số xếp chặt rất thấp nên kém bền hơn, chất điển hình mang cấu trúc này là Polonium (Po). Cấu trúc fcc và bcc tồn tại phổ biến ở các kim loại, ví dụ như đồng, nhôm... mang cấu trúc fcc, sắt, crôm... mang cấu trúc bcc.

• Cấu trúc đa nguyên tử: Cấu trúc lập phương cũng tồn tại trong các chất có nhiều loại nguyên tử, ví dụ trong các hợp kim, hợp chất... Muối ăn (NaCl) là hợp chất điển hình với cấu trúc fcc, hợp kim Fe(Si) là hợp kim điển hình mang cấu trúc bcc...