Bài giảng Vật liệu tinh thể học: Khuyết tật trong chất rắn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật liệu tinh thể học - Khuyết tật trong chất rắn, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Các vật liệu đa tinh thể; Quá trình đóng rắn; Khuyết tật dạng điểm; Đo năng lượng hoạt hóa; Khuyết tật dạng điểm trong hợp kim; Di chuyển của lệch vị loại cạnh;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật liệu tinh thể học: Khuyết tật trong chất rắn

KHUYẾT TẬT TRONG CHẤT RẮN tranhaiung@gmail.com
Các tinh thể sắp xếp theo một trật tự hoàn hảo theo lý thuyết!!! Trong các vật liệu thực tế: Khuyết tật tinh thể hoặc mất trật tự mạng tinh thể Hầu hết vật liệu thực tế có một hoặc nhiều “lỗi khuyết tật” với kích thước từ đường kính nguyên tử đến nhiều ô cơ sở Khuyết tật được phân loại: 1. Theo hình học (điểm, đường hoặc mặt) 2. Kích thước khuyết tật
Các vấn đề quan tâm… • Cơ chế đóng rắn của vật liệu là gì? • Các loại khuyết tật sinh ra trong chất rắn là gì? • Có thể kiểm soát loại khuyết tật và số lượng khuyết tật trong chất rắn? • Cách thức khuyết tật ảnh hưởng đến tính chất vật liệu? • Các khuyết tật có phải đều là không mong muốn?
Khuyết tật trong chất rắn • Sự đóng rắn- sự hóa rắn của vật liệu nóng chảy – 2 bước • Tạo nhân rắn • Nhân lớn dần tạo tinh thể – cấu trúc hạt • Bắt đầu từ kim loại nóng chảy – tất cả là chất lỏng Nhân Tinh thể lớn lên Cấu trúc hạt Lỏng Adapted from Fig.4.14 (b), Callister 7e. • Các tinh thể lớn lên cho đến khi tiếp xúc lẫn nhau
Các vật liệu đa tinh thể Các biên giới hạt • Là các miền giữa các tinh thể • Chuyển từ mạng của một miền này đến miền khác • Mất trật tự ‘một cách nhẹ nhàng’ • Ở biên giới hạt tỷ trong nhỏ – Độ linh động cao – Tính khuếch tán cao – Khả năng phản ứng cao Adapted from Fig. 4.7, Callister 7e.
Quá trình đóng rắn Các hạt có thể - đẳng trục (kích thước gần bằng nhau theo mọi hướng) - dạng trụ (hạt kéo dài) ~ 8 cm heat flow Shell of Columnar in equiaxed grains area with less due to rapid undercooling cooling (greater T) near wall Adapted from Fig. 4.12, Callister 7e. Grain Refiner - added to make smaller, more uniform, equiaxed grains.
Khuyết tật dạng điểm • Lỗ trống: -Lỗ trống nguyên tử trong cấu trúc. Vacancy distortion of planes • Tự xen kẽ: -"extra" atoms positioned between atomic sites. self- interstitial distortion of planes
Tự xen kẽ: rất hiếm khi xảy ra! • Loại khuyết tật này xảy ra khi một nguyên tử trong mạng tinh thể chiếm khoảng trống nhỏ (khoảng xen kẽ) mà dưới điều kiện bình thường điều này không xảy ra. • Trong kim loại, tự xen kẽ gây ra sự biến dạng tương đối lớn (rất lớn) trong mạng tinh thể xung quanh nó.
Khuyết tật dạng điểm • Khuyết tật dạng điểm đơn giản nhất là lỗ trống, hoặc vị trí mạng trống. • Tất cả chất rắn tinh thể đều chứa các lỗ trống! •Các cơ sở nhiệt động lực học được sử dụng để giải thích sự hiện diện tất yếu của các lỗ trống trong chất rắn tinh thể. • Sự hiện diện của các lỗ trống làm tăng entropy (tính ngẫu nhiên) của tinh thể. • Số lượng lỗ trống cân bằng với một lượng vật liệu nhất định phụ thuộc và tăng theo nhiệt độ như sau Total no. of atomic sites Energy required to form vacancy Equilibrium no. of vacancies T = absolute temperature in Kelvin Nv= N exp(-Qv/kT) k = gas or Boltzmann’s constant
Đo năng lượng hoạt hóa • Có thể đo Qv bằng -Q  exp  v  Nv =   thí nghiệm. N  kT note: N A  El • Đo tỷ số…. • Vẽ lại... N AEl Nv Nv slope ln N N -Qv /k exponential dependence! T 1/T defect concentration
Bài tập ví dụ 1 Tính số lượng lỗ trống cân bằng mỗi m3 với đồng ở 1000°C. Năng lượng hình thành lỗ trống là 0.9 eV/nguyên tử; Khối lượng nguyên tử và tỷ trọng (ở 1000 ° C) của đồng là 63.5 g/mol and 8.4 g/cm3. Lời giải. Trước hết xác định N, số nguyên tử đồng trong 1m3, từ nguyên tử khối Acu, tỷ trọng, và số Avogadro NA. N A  (6.023x1023 atoms / mol )(8.4 g / cm3 )(106 cm3 / m 3 ) N  ACu 63.5 g / mol  8.0x10 28 atoms / m 3 Thus, the number of vacancies at 1000 C (1273K ) ie equal to
 Qv  N v  N exp -   kT   (0.9eV   (8.0x10 atoms / m ) exp 28 3   (8.62 x10-5 eV / K )(1273K )     2.2x10 25 vacancies/m3 Chú ý: Với hầu hết vật liệu khi T dưới Tm  Nv/N = 10-4 Ví dụ ở trên: 0.0022/8 = .000275 = 2.75*10-4
Khuyết tật dạng điểm trong hợp kim Hai kết quả khi tạp chất (B) thêm vào chất (A): • Dung dịch rắn của B trong A (phân bố ngẫu nhiên khuyết tật trong A) Hoặc Substitutional solid soln. Interstitial solid soln. Dd rắn thay thế (Vd, Cu in Ni) Dd rắn xen kẽ (Vd, C in Fe) • Dung dịch rắn của B trong A thêm các phần từ của pha mới (thường khi có lượng lớn B) Pha phần tử mới --thành phần khác nhau --thường cấu trúc khác nhau.
Khuyết tật trong chất rắn Điều kiện hình thành dung dịch rắn thay thế (S.S.) • Hume – Rothery rules – 1. r (bán kính nguyên tử) < 15% – 2. Gần nhau trong bảng tuần hoàn • Có nghĩa là độ âm điện gần nhau – 3. Có cấu trúc tinh thể giống nhau khi nguyên chất – 4. Có hóa trị bằng nhau • Khi các điều kiện khác đã thỏa mãn, một kim loại có khuynh hướng hòa tan tốt hơn kim loại có hóa trị cao hơn so với kim loại hóa trị thấp (do cung cấp nhiều điện tự hơn cho “đám mây”)
Khuyết tật trong chất rắn Áp dụng quy luật Hume–Rothery – Dung dịch rắn Element Atomic Crystal Electro- Valence Radius Structure nega- 1. Dự đoán Al hoặc Ag (nm) tivity hòa tan trong Zn? Cu 0.1278 FCC 1.9 +2 C 0.071 Al tan nhiều hơn do có kích thước và hóa trị H 0.046 gần hơn. Hơn không nhiều vì – FCC trong HCP O 0.060 Ag 0.1445 FCC 1.9 +1 Al 0.1431 FCC 1.5 +3 2. Dự đoán Zn hoặc Al Co 0.1253 HCP 1.8 +2 Cr 0.1249 BCC 1.6 +3 hòa tan trong Cu? Fe Ni 0.1241 0.1246 BCC FCC 1.8 1.8 +2 +2 Zn tan nhiều hơn do kích thước gần hơn Pd 0.1376 FCC 2.2 +2 gây ra biến dạng thấp hơn (4% so với Zn 0.1332 HCP 1.6 +2 12%) Table on p. 106, Callister 7e.
Khuyết tật trong chất rắn • Chỉ tiêu thành phần m1 – Phần trăm khối lượng C1  x 100 m1  m2 m1 = mass of component 1 nm1 – Phần trăm nguyên tử C  ' x 100 nm1  nm 2 1 nm1 = số mol cấu tử 1
Ví dụ chuyển đổi % khối lượng và % nguyên tử Typically we work with a basis of 100g or 1000g given: by weight -- 60% Cu, 40% Ni alloy 600 g nCu   9.44m 63.55 g / m 400 g nNi   6.82m 58.69 g / m 9.44 CCu  '  .581 or 58.1% 9.44  6.82 6.82 CNi  '  .419 or 41.9% 9.44  6.82
Chuyển đổi giữa: (Wt% and At%) C1  A2 C  ' 100 C1  A2  C2  A1 1 Converts from C2  A1 wt% to At% (Ai is C  ' 100 atomic weight) C1  A2  C2  A1 2 C  A1 ' C1  ' 1 100 C1  A1  C2  A2 ' Converts from at% to wt% (Ai is C2  A2 ' atomic weight) C2  ' 100 C1  A1  C2  A2 '
Xác định khối lượng phần tử trên thể tích   • i là khối lượng riêng  C  nguyên chất (g/cm3) C1"   1   103  C1  C2  • Tính toán theo công    thức này cho nồng độ  1 2    phần tử theo kg/m3 của  C  hỗn hợp lương lớn (hợp C2   " 2   103 kim)  C1  C2      1 2 
Khuyết tật dạng đường Được gọi là sự lệch vị Và: • khi các lệch vị di chuyển gây ra trượt giữa các mặt tinh thể • chuyển động này gây ra biến dạng vĩnh viễn (dẻo) Cấu trúc của kẽm (HCP): • Trước biến dạng • sau khi bị kéo dài Các bậc trượt do lượng lớn lệch vị trượt dọc mặt phẳng xếp chặt {0001} Adapted from Fig. 7.8, Callister 7e.