GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU
VẬT LIỆU LÀ GÌ? VÌ SAO PHẢI HỌC VẬT LIỆU?
GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU
Kỹ thuật vật liệu
Thiết kế, chế tạo vật liệu có cấu trúc phù hợp với tính chất vật liệu theo yêu cầu sử dụng
Gia công, chế tạo
Tổ chức, Cấu trúc
Khoa học vật liệu
Tính chất
Nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất vật liệu
Yêu cầu sử dụng
PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
4 nhóm vật liệu chính:
Kim loại
+ VL kim loại:
1
+ Ceramic:
4
2
+ Polymer:
Composite
+ Composite:
Ceramic
Polymer
3
1- VL bán dẫn
2- VL siêu dẫn
3- VL silicon
4- VL polymer dẫn điện
Vai trò của vật liệu
Đối tượng của vật liệu học:
Mối quan hệ giữa tính chất, cấu trúc & gia công vật liệu
Thiết kế, lựa chọn, gia công vật liệu phù hợp yêu cầu sử dụng
Tính chất:
- cơ học (cơ tính) - vật lý (lý tính) - hóa học (hoá tính) - công nghệ và sử dụng
Cấu trúc: - cấu trúc tinh thể của vật liệu
- Tổ chức pha của vật liệu
Vật liệu kỹ thuật:
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 (p+n)
K L M N 1s2 2s2 2p6 3s23p63d6 4s2
Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử của vật liệu kim loại
Liên kết kim loại:
Tính kim loại :
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử của vật liệu kim loại
Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật chất
Chất khí: các nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn Chất rắn tinh thể: các nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định (có trật tự gần và trật tự xa)
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử của vật liệu kim loại
Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật chất
Chất lỏng: có trật tự gần, không có trật tự xa
Chất rắn vô định hình: cấu trúc giống chất lỏng trước khi đông đặc
Chất rắn giả tinh thể: có cấu trúc giả tinh thể với trục đối xứng bậc 5, bậc 10.
Chất lỏng tinh thể: LCD
1.2. Khái niệm về mạng tinh thể
Nối tâm các nguyên tử sắp xếp trật tự bằng các đường thẳng tưởng tượng -> Mạng tinh thể
Ô cơ sở:
Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim lọai
Ô cơ sở
c
b
a
==900 ===900 ==900 ==900, =1200 ===900 ===900
abc Ba nghiêng (tam tà) abc Một nghiêng (đơn tà) abc Trực thoi a=b=c Ba phương (mặt thoi) a=b c Sáu phương (lục giác) Chính phương (bốn phương) a=b c a=b=c Lập phương
7 hệ tinh thể ( 7 Crystal system)
14 KIỂU MẠNG BRAVAIS
MỘT SỐ CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU
CaTiO3 – Calcium Titanate
K3C60 is an interesting material because of its superconducting properties (Tc = 20 K) and metal fullerides are the subject of much current research.
Sodium Chloride ( NaCl) Structure observed as Cubes
CHỈ SỐ MILLER CỦA PHƯƠNG MẠNG VÀ MẶT NGUYÊN TỬ
dùng để biểu thị toạ độ của các nguyên tử Nút mạng [[x,x,x]]:
A [[1,1,0]]
H, E ???
B [[1,1,1]]
z
C [[0,1,1]]
D
C
Chỉ số phương [uvw]:
E
biểu diễn phương của đường thẳng đi qua hai nút mạng
Hai phương // có cùng chỉ số
O
H
OH [010]
A
y
OB [111]
F
OE [101]
B
x
Họ phương, ký hiệu ?
z
Chỉ số mặt (hkl):
D
C
- Mặt tinh thể :
E
B
- Hai mặt tinh thể // có cùng chỉ số
Cách xác định chỉ số mặt:???
H
O
y
F
A
x
DFH (111), EFAB (100), ABCH(010)
Họ mặt, ký hiệu {hkl}:???
Chỉ số mặt (chỉ số Miller-Bravais) (hkil):
i = - (h+k)
BÀI TẬP…
1.3. Một số cấu trúc tinh thể điển hình của vật rắn kim loại
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô =
Bán kính nguyên tử: rnt =
Mặt xếp chặt nhất:
Phương xếp chặt nhất:
Mv = vnt /Vô =
a) Lập phương tâm khối (A2): Cr; W; Mo; Feα Ô cơ sở : Khối lập phương cạnh bằng a.
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
Lỗ hổng : ………………………………………………………………………..
Kích thước lỗ hổng: ……………………………………………………………
a) Lập phương tâm khối (A2)
Lỗ hổng 4 mặt: ¼ trên cạnh nối điểm giữa 2 cạnh đối diện, dlh = 0,291dng.t
Lỗ hổng 8 mặt: tâm các mặt bên + giữa các cạnh, dlh = 0,154dng.t
Kim loại có kiểu mạng A2: Fe, Cr, Mo, W……
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
Ô cơ sở : Khối lập phương cạnh bằng a.
Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô =
Bán kính nguyên tử: rnt =
Mặt xếp chặt nhất:
Phương xếp chặt nhất:
Mv = vnt /Vô =
b) Lập phương tâm mặt (A1): Au; Ag; Cu; Al; Ni; Feγ
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
Lập phương tâm mặt (A1)
Lỗ hổng 8 mặt:
Lỗ hổng 4 mặt:
tâm khối + giữa các cạnh, d=0,414dng.t
¼ trên các đường chéo khối tính từ đỉnh, d=0,225dng.t
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
Ô cơ sở : Khối lục lăng cạnh đáy a, chiều cao c.
c) Sáu phương xếp chặt (A3): Zn; Mg; Tiα, Be, Cd, Zr
c
a
Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô =
Bán kính nguyên tử: rnt = a/2; c/a =
Mặt xếp chặt nhất:
Phương xếp chặt nhất:
Mv = vnt /Vô =
Dạng thù hình
c
a
1.3.2. Sai lệch trong mạng tinh thể
K/n: các nguyên tử nằm sai vị trí quy định → a/h tính chất Phân loại: Sai lệch điểm, Sai lệch đường, Sai lệch mặt
a) Sai lệch điểm: kích thước nhỏ (cỡ vài nguyên tử) theo 3 chiều
Nút trống và nguyên tử xen kẽ: nguyên tử chuyển động bứt khỏi nút mạng
thay thế
xen kẽ
Nguyên tử tạp chất
1.3.2. Sai lệch trong mạng tinh thể
b) Sai lệch đường – lệch: kích thước nhỏ cỡ vài nguyên tử theo 2 chiều và lớn theo chiều thứ ba.
Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa trên của mạng tinh thể lý tưởng.
Véctơ Burger: đóng kín vòng vẽ trên mặt phẳng vuông góc với trục lệch
Trục lệch
1.3.2. Sai lệch trong mạng tinh thể
Lệch xoắn: hai phần của mạng tinh thể trượt tương đối so với nhau một hằng số mạng. Các nguyên tử trong vùng lệch sắp xếp theo hình xoắn ốc.
trục lệch
b // trục lệch.
1.3.2. Sai lệch trong mạng tinh thể
Đặc trưng về lệch
Mật độ lệch ρ:
cm
2
llêch V
cm 3 cm
+ Yếu tố ảnh hưởng:
- Kim loại sạch ở trạng thái ủ ρ= 108cm-2
- Hợp kim và kim loại sau biến dạng nguội : ρ= 1010-1012cm-2
Ý nghĩa của lệch:
+ Lệch biên:
+ Lệch xoắn:
1.3.2. Sai lệch trong mạng tinh thể
biên giới hạt và siêu hạt
bề mặt ngoài tinh thể.
c) Sai lệch mặt : kích thước lớn theo hai chiều và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng của một mặt.
1.4. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.4.1. Điều kiện kết tinh
Biến đổi năng lượng khi kết tinh
G
ΔG
,
o d ự
GR
t g n ợ ư
l
Độquánguội:
GL
g n ă N
T
T0 Nhiệt độ, T
1.4.2. Hai quá trình của sự kết tinh
1.4.2. Hai quá trình của sự kết tinh
a) Tạo mầm
Mầm : ………………………………………………………………….
Mầm tự sinh: r > rth = 2σ/ΔGv (ΔTtăng → ΔGv tăng → rth giảm) .
Mầmkýsinh:………………………………………………………….............
……………………………………………………………………………………………
b)Pháttriểnmầm:nguyêntửchấtlỏngbámlênbềmặtmầm, đặcbiệtởnhữngbậclệchxoắn
1.4. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.4.3. Sự hình thành hạt tinh thể
+ Mỗi mầm phát triển thành 1 hạt, hạt phát triển trước to hơn
+ Đặc điểm các hạt: …………………………………………………..
+ Vùng biên hạt ………………………….→ sai lệch mặt
1.4.3. Sự hình thành hạt tinh thể Hình dạng hạt tinh thể phụ thuộc phương thức làm nguội
+ Nguội đều theo mọi phương + Nguội nhanh theo hai phương
+ Nguội nhanh theo một phương + Nguội nhanh khi nhiệt luyện
1.4. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại 1.4.4. Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc
Kích thước hạt A phụ thuộc:………………
……………………………………………….
1.4. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.4.4. Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc
Biến tính:……………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………
Tạo mầm ngoại lai: Kim loại có kiểu mạng tương tự (Ti), hoặc chất tạo oxyt, nitrit Al2O3, AlN, khi đúc thép.
Hấp phụ: Na (0,01%) cho hợp kim nhôm đúc Cầu hóa: Mg, Ce, các nguyên tố đất hiếm
Tác động vật lý : rung, siêu âm, đúc ly tâm,…
1.4. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.4.5. Cấu tạo thỏi đúc
a) Ba vùng tinh thể của thỏi đúc
+ Lớp vỏ ngoài:……………………………..
+ Vùng tiếp theo:……………………………
………………………………………………..
2
1
+ Vùng ở giữa:………………………………
b) Khuyết tật của vật đúc:
+ Rỗ co và lõm co:
3
+ Rỗ khí :
+ Thiên tích:
1.4.5. Đơn tinh thể và đa tinh thể
Đơn tinh thể: 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 + Chế tạo: công nghệ "nuôi" đơn tinh thể.
1.4.5. Đơn tinh thể và đa tinh thể
Đa tinh thể: là tập hợp của nhiều đơn tinh thể có cùng cấu trúc
thông số mạng nhưng định hướng khác nhau
Đặc điểm của đa tinh thể:
- các hạt: …………………………………….
- biên hạt: ……………………………………………………………………………...
……………………………………………………………………………………….....
- đẳng hướng:
1.4.5. Đơn tinh thể và đa tinh thể
Tổ chức đa tinh thể (tổ chức tế vi)
quan sát bằng kính hiển vi
