Chương 1 : Cấu trúc tinh thể

Chia sẻ: Kha Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

786
lượt xem 237
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tinh thể là những vật thể có tính chất vật lý không đối xứng theo các hướng trong không gian, trong đó các nguyên tử, ion, hoặc những phân tử của nó nằm trong một sắp xếp liên tục có chu kỳ trong không gian 3 chiều ( Mạng tinh thể) ( Ví dụ: Muối ăn, đường, tuyết và một số kim loại) Cấu trúc tinh thể là cấu trúc có tính tuần hoàn, gọi là cấu trúc trật tự kéo dài (tiếng Anh: Long-range ordered) Các vật thể rắn trong thiên nhiên hầu hết đều có cấu trúc tinh thế....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Chương 1 : Cấu trúc tinh thể

4 Ch−¬ng 1 CÊu tróc tinh thÓ vµ sù h×nh thµnh 1.1. CÊ u t¹ o vµ liª n kÕ t nguyª n tö nguyª n tö = h¹ t nh© n + electron = (proton + n¬tron) + electron n¬tron kh«ng mang ®iÖ n proton mang ®iÖ n d− ¬ ng = ®iÖ n tÝ ch cña electron → ng/tö trung hoµ Kh¸ i niÖ m c¬ b¶ n vÒ cÊ u t¹ o nguyª n tö CÊ u h× nh electron (electron configuration) chØ râ: sè l−îng tö chÝ nh (1, 2, 3...), ký hiÖ u ph© n líp (s, p, d...), sè l− îng electron thuéc ph© n líp (sè mò trª n ký hiÖ u ph© n lí p). VÝ dô : Cu cã Z = 29 cã cÊ u h× nh electron lµ 1s22s22p6 3s23p63d104s1 qua ®ã biÕ t ® − îc sè electron ngoµ i cïng (ë ®© y lµ 1, hãa trÞ 1). C¸ c kim lo¹ i chuyÓ n tiÕ p: Fe cã Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2 1.1.2. C¸ c d¹ng liª n kÕ t nguyª n tö trong chÊt r¾n C¸ c lo¹ i vË t liÖ u kh¸ c nhau cã thÓ tån t¹ i c¸ c d¹ ng liª n kÕ t riª ng. Sù kh¸ c nhau cña c¸ c d¹ ng liª n kÕ t ®ã còng lµ nguyª n nh© n t¹ o nª n c¸ c tÝ nh chÊ t kh¸ c nhau. a. Liª n kÕ t ®å ng hã a trÞ ®ång hãa Lµ liª n kÕ t cña hai (hoÆ c nhiÒ u) nguyª n tö gãp chung nhau mét sè electron hãa trÞ ® Ó cã ® ñ t¸ m electron ë lí p ngoµ i cïng. Cã thÓ lÊ y ba vÝ dô nh− sau (h× nh 1.1). • Clo cã Z=17 (1s22s22p63s23p5), cã 7e ë líp ngoµ i cïng, 2 nguyª n tö Cl mçi nguyª n tö gã p chung 1 electron ®Ó líp ngoµ i cïng 8e (h× nh 1.1a). Cl H + Cl Cl Cl Ge H C H Ge Ge Ge a) b) c) H Ge H× nh 1.1. S¬ ®å biÓu diÔn liªn kÕt ®ång hãa trÞ a. ph©n tö clo, b. giecmani (Ge), c. mªtan (CH4) • Giecmani (Ge, z=32) cã 4e líp ngoµ i cïng (4s2, 4p2), 4 nguyª n tö gãp chung (h× nh 1.1b). Liª n kÕ t gi÷ a c¸ c nguyª n tö cïng lo¹ i (tõ IVB VIIB nh− Cl, Ge) lµ lo¹ i ® å ng cùc, cß n gi÷ a c¸ c nguyª n tè kh¸ c lo¹ i nh− CH4 lµ lo¹ i dÞ cùc. • Mª tan (CH4). Cacbon (z=6), cã 4e líp ngoµ i cïng vµ 4 nguyª n tö H ®Ó mçi nguyª n tö nµ y gã p cho nã 1 electron lµ m cho líp electron ngoµ i cïng ®ñ 8 (h× nh 1.1c). b. Liª n kÕ t ion KL nhã m IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e c¸ c nguyª n tè : VIB (O, S...), VIIB (H, F, Cl, Br, I). C¸ c « xit kim lo¹ i nh− Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO... cã xu thÕ m¹ nh ví i t¹ o liª n kÕ t ion. • Liª n kÕ t ion cµ ng m¹ nh khi líp ngoµ i cïng (cho) chøa Ý t e, nhË n n» m cµ ng gÇ n h¹ t nh© n. • Liª n kÕ t kh« ng ®Þ nh h− íng (®Þ nh h−íng th× x¸ c suÊ t liª n kÕ t lín nhÊ t theo ph− ¬ ng nèi t© m c¸ c nguyª n tö), vË t liÖ u cã liª n kÕ t ion th× tÝ nh gißn cao.
5 Ion d−¬ng Me+ Me+ Me+ Me+ M© y Electron Me+ Me+ Me+ Me+ Li+ F- Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ H× nh 1.2. S¬ ®å biÓu diÔn liªn kÕt ion trong ph©n tö LiF H× nh 1.3. S¬ ®å liªn kÕt kim lo¹i c. Liª n kÕ t kim lo¹i ( nh 1.3) (h× o §/n: lµ liª n kÕ t trong ®ã c¸ c cation kim lo¹ i nhÊ n ch× m trong ®¸ m m© y electron tù do. o N¨ ng l− î ng liª n kÕ t lµ tæ ng hîp (c© n b» ng) → c¸ c ion kim lo¹ i cã vÞ trÝ x¸ c ®Þ nh. C¸ c nguyª n tè nhã m Ia cã tÝ nh kim lo¹ i ®iÓ n h× nh, cµ ng dÞ ch sang bª n ph¶ i tÝ nh chÊ t kim lo¹ i cµ ng gi¶ m, tÝ nh ®ång hãa trÞ trong liª n kÕ t cµ ng t¨ ng. o TÝ nh chÊ t cña kim lo¹ i : liª n kÕ t nµ y t¹ o cho kim lo¹ i c¸ c tÝ nh chÊ t ®iÓ n h× nh: ¸nh kim hay vÎ s¸ ng, dÉ n nhiÖ t vµ dÉ n ®iÖ n tèt vµ tÝ nh dÎ o, dai cao d. Liª n kÕ t hçn hîp - Thù c ra c¸ c liª n kÕ t trong c¸ c chÊ t, vË t liÖ u th«ng dông th−êng mang tÝ nh hçn hî p cña nhiÒ u lo¹ i. VÝ dô : Na vµ Cl cã tÝ nh © m ®iÖ n lÇ n l− ît lµ 0,9 vµ 3,0. V× thÕ liª n kÕ t gi÷ a Na vµ Cl trong NaCl gåm kho¶ ng 52% liª n kÕ t ion vµ 48% liª n kÕ t ®ång hã a trÞ . der e. Liª n kÕ t yÕ u (Van der Waals) Do sù kh¸ c nhau vÒ tÝ nh © m ®iÖ n t¹ o thµ nh vµ ph© n tö ph© n cùc. C¸ c cù c tr¸ i dÊ u hó t nhau t¹ o ra liª n kÕ t Van der Waals. Liª n kÕ t nµ y yÕ u, rÊ t dÔ bÞ ph¸ vì khi t¨ ng nhiÖ t ®é. 1.2. S¾p xÕ p nguyª n tö trong vËt chÊt 1.2.1. ChÊ t khÝ Trong chÊ t khÝ cã sù s¾ p xÕ p nguyª n tö mét c¸ ch hçn lo¹ n → kh«ng cã h× nh d¹ ng, kÝ ch th−íc x¸ c ®Þ nh. 1.2.2. ChÊ t r¾n tinh thÓ ChÊ t r¾ n tinh thÓ : - TrËt tù gÇn, mµ cßn cã c¶ trËt tù xa. - C¸ c kiÓ u m¹ ng tinh thÓ x¸ c ® Þ nh: lË p ph− ¬ng, lô c gi¸ c,... (h× nh 1.4) H× nh 1.4. S¬ ® å m¹ ng tinh thÓ
6 1.2.3. ChÊt láng, chÊt r¾n v« ®Þ nh h× nh vµ vi tinh thÓ a. ChÊt láng Trong ph¹ m vi hÑ p (kho¶ ng 0,25nm) c¸ c nguyª n tö chÊ t láng cã xu thÕ tiÕ p xó c (xÝ t) nhau t¹ o thµ nh c¸ c ® ¸ m nhá, do vË y kh«ng co l¹ i khi nÐ n nh− chÊ t khÝ , c¸ c ® ¸ m nguyª n tö nµ y lu« n h× nh thµ nh vµ tan r· . ChÊ t láng chØ cã trË t tù gÇ n, kh« ng cã trË t tù xa. Gi÷a c¸ c ® ¸ m cã kho¶ ng trè ng do ®ã mË t ®é xÕ p cña chÊ t láng thÊ p, khi ®«ng ®Æ c th− ê ng kÌ m theo gi¶ m thÓ tÝ ch (co ngãt). b. ChÊ t r¾n v« ®Þ nh h× nh ë mé t sè chÊ t, tr¹ ng th¸ i láng cã ®é sÖ t cao, c¸ c nguyª n tö kh«ng ®ñ ® é linh ho¹ t ® Ó s¾ p xÕ p l¹ i khi ® « ng ® Æ c; chÊ t r¾ n t¹ o thµ nh cã cÊ u tróc gièng nh− chÊ t lá ng tr−íc ®ã gäi lµ chÊ t r¾ n v« ®Þ nh h× nh. Thñy tinh (mµ cÊ u t¹ o c¬ b¶ n lµ SiO2) lµ chÊ t r¾ n v« ®Þ nh h× nh Nh− vË y vÒ mÆ t cÊ u tró c, c¸ c chÊ t r¾ n gåm 2 lo¹ i: tinh thÓ vµ v« ®Þ nh h× nh. Kim lo¹ i, hî p kim vµ phÇ n lín c¸ c chÊ t v« c¬, rÊ t nhiÒ u polyme - tinh thÓ Tuú theo b¶ n chÊ t cña vË t liÖ u vµ tèc ®é lµ m nguéi khi ®«ng ®Æ c → tinh thÓ hoÆ c v« ® Þ nh h× nh. Thñ y tinh nã ng ch¶ y, c¸ c ph© n tö SiO2 [trong ®ã ion O2- ë c¸ c ®Ø nh khèi tø diÖ n (bèn mÆ t) tam gi¸ c ®Ò u, t© m cña khèi lµ ion Si4+ nh− biÓ u thÞ ë h× nh 1.5a] lµ m ngué i b× nh th− ê ng → v« ® Þ nh h× nh (h× nh 1.5b); lµ m nguéi v« cïng chË m c¸ c ph© n tö SiO2 cã ®ñ thêi gian s¾ p xÕ p l¹ i theo trË t tù xa sÏ ®−îc thñy tinh (cã cÊ u tróc) tinh thÓ (h× nh 1.5c). - Oxy a) - Si (b) c) H× nh 1.5. CÊu tróc khèi tø diÖn [ SiO4]4- (a), thñy tinh th−êng SiO2 (b) thñy tinh tinh thÓ SiO2 (c) c. ChÊ t r¾n vi tinh thÓ Còng víi vË t liÖ u tinh thÓ kÓ trª n khi lµ m nguéi tõ tr¹ ng th¸ i láng rÊ t nhanh (trª n d− í i 104® é /s) sÏ nhË n ® −îc cÊ u tróc tinh thÓ nh−ng víi kÝ ch th−íc h¹ t rÊ t nhá (cì nm), ®ã lµ vË t liÖ u cã tª n gä i lµ vi tinh thÓ (cßn gäi lµ finemet hay nanomet). Tã m l¹ i c¸ c vË t liÖ u cã ba kiÓ u cÊ u tróc: tinh thÓ (th−êng gÆ p nhÊ t), v« ®Þ nh h× nh vµ vi tinh thÓ (Ý t gÆ p). 1.3. Kh¸i niÖ m vÒ m¹ng tinh thÓ §/n: m¹ ng tinh thÓ lµ m« h× nh kh«ng gian biÓ u diÔ n quy luË t h× nh häc cña sù s¾ p xÕ p nguyª n tö . PhÇ n lín vË t liÖ u cã cÊ u tró c tinh thÓ , tÝ nh chÊ t rÊ t ®a d¹ ng phô thuéc vµ o kiÓ u m¹ ng. 1.3.1. TÝ nh ®è i xøng • M¹ ng tinh thÓ mang tÝ nh ® èi xøng, lµ mét trong nh÷ng ®Æ c ®iÓ m quan träng, thÓ hiÖ n c¶ ë h× nh d¸ ng bª n ngoµ i, cÊ u tróc bª n trong còng nh− c¸ c tÝ nh chÊ t cña vË t r¾ n tinh thÓ .
7 • TÝ nh ® è i xøng lµ tÝ nh chÊ t h× nh häc khi quay mét ®iÓ m hay mét phÇ n tö xung quanh 1 ® iÓ m hay mét ®−êng víi mét gãc α chóng sÏ trïng lÆ p nhau. §iÓ m hay ® − êng ® −îc quay xung quanh ®ã ® −îc gäi lµ t© m hay trôc ®èi xøng. §èi xø ng qua mÆ t ph¼ ng ®−îc gäi lµ ®èi xøng g−¬ng. Gäi n = 2π/ α lµ bË c ®èi xøng, chØ cã n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hiÖ u L1, L2, L3, L4, L6. L n=2 (L2) n=3 (L3) n=4 (L4) n=6 (L6) 1.3.2. ¤ c¬ së - ký hiÖ u ph−¬ng, mÆt tinh thÓ a. ¤ c¬ së • §/n: lµ h× nh khè i nhá nhÊ t cã c¸ ch s¾ p xÕ p nguyª n tö ®¹ i diÖ n cho toµ n bé m¹ ng tinh thÓ . • Do tÝ nh ®èi xøng b» ng ph−¬ng ph¸ p xoay vµ tÞ nh tiÕ n ta sÏ suy ra toµ n bé m¹ ng tinh thÓ a • Th« ng sè m¹ ng (h» ng sè m¹ ng) lµ kÝ ch th−íc cña « c¬ së, th− ê ng lµ kÝ ch th− íc c¸ c c¹ nh cña « c¬ së tõ ®ã cã thÓ H× nh 1.6. ¤ c¬ së vµ hÖ täa ®é x¸ c ®Þ nh toµ n bé kÝ ch th− íc cña « c¬ së (h× nh 1.6) b. Nót m¹ng Nó t m¹ ng t−¬ng øng víi vÞ trÝ c¸ c nguyª n tö trong m¹ ng tinh thÓ . c. ChØ sè ph−¬ng Ph− ¬ng lµ ®− êng th¼ ng ®i qua c¸ c nót m¹ ng, ®−îc ký hiÖ u b» ng [u v w]; Ba chØ sè u, v, w lµ ba sè nguyª n tû lÖ thuË n víi täa ®é cña nót m¹ ng n» m trª n ph−¬ng ® ã ë gÇ n gèc täa ®é nhÊ t (h× nh 1.7). z [001] 4 5 3 [111] 2 y [010] [100] 1 x a [110] H× nh 1.7. C¸c ph−¬ng ®iÓn h× nh H× nh 1.8. C¸c mÆt ®iÓn h× nh cña hÖ cña lËp ph−¬ng hÖ lËp ph−¬ng Chó ý: Ph− ¬ng vµ mÆ t tinh thÓ cã kÝ ch th−íc v« h¹ n Trª n h× nh 1.7 gií i thiÖ u ba ph−¬ng ®iÓ n h× nh trong m¹ ng tinh thÓ cña hÖ lË p ph− ¬ ng: - ®− ê ng chÐ o khèi [111], ®− êng chÐ o mÆ t [110], c¹ nh [100]. C¸ c ph− ¬ng cã c¸ c gi¸ trÞ tuyÖ t ®èi u, v, w gièng nhau, t¹ o nª n hä ph−¬ng . VÝ dô hä gå m c¸ c ph− ¬ng sau ®© y chóng cã cïng quy luË t s¾ p xÕ p nguyª n tö:
8 [110], [011], [101], [1 1 0], [01 1 ], [ 1 01], [ 1 10], [0 1 1], [10 1], [ 110], [0 11 ], [ 1 0 1 ] (c¸ c ® − êng chÐ o) d. ChØ sè Miller cña mÆt tinh thÓ MÆ t tinh thÓ lµ tË p hî p c¸ c mÆ t cã c¸ ch s¾ p xÕ p nguyª n tö gièng hÖ t nhau, song song vµ c¸ ch ® Ò u nhau, chó ng cã cïng mét ký hiÖ u. Ng−êi ta ký hiÖ u mÆ t b» ng chØ sè Miller (h k l). C¸ c chØ sè h, k, l ®−îc x¸ c ®Þ nh theo c¸ c b−íc nh− sau: . t× m giao ®iÓ m cña mÆ t ph¼ ng trª n ba trôc theo thø tù Ox, Oy, Oz, . x¸ c ® Þ nh tä a ® é c¸ c giao ® iÓ m, råi lÊ y c¸ c gi¸ trÞ nghÞ ch ®¶ o, . quy ®å ng mÉ u sè, lÊ y c¸ c gi¸ trÞ cña tö sè, ®ã chÝ nh lµ c¸ c chØ sè h, k, l . VÝ dô , x¸ c ® Þ nh c¸ c chØ sè Miller cho c¸ c mÆ t 4 3 mÆ t ®iÓ m c¾ t c¸ c trôc nghÞ ch ®¶ o chØ sè 1 1, 1, 1/2 1, 1, 2 (112) 2 1, 1, 1 1, 1, 1 (111) 3 1, 1, ∞ 1, 1, 0 (110) 2 5 4 1, ∞, ∞ 1, 0, 0 (100) 1 5 1, 1, 2 1, 1, 1/2 (221) H× nh 1.8 S¬ ®å ký hiÖ u mÆ t tinh thÓ theo chØ sè Miller C¸ c mÆ t cã c¸ c chØ sè gi¸ trÞ tuyÖ t ®èi h, k, l gièng nhau t¹ o nª n hä mÆ t {h k l}. VÝ dô , c¸ c mÆ t hé p t¹ o nª n hä {100} gåm (100), (010), (001), (100), (010), (001). e. ChØ sè Miller - Bravais trong hÖ lôc gi¸c ChØ sè Miller - Bravais ví i hÖ cã bèn trôc täa ®é Ox, Oy, Ou, Oz (h× nh 1.9). ChØ sè Miller - Bravais ® − îc ký hiÖ u b» ng (h k i l), trong ®ã chØ sè thø ba i (cña trôc Ou) cã quan hÖ : i = - (h + k) H· y thö so s¸ nh hai chØ sè nµ y cho c¸ c mÆ t trong hÖ lôc gi¸ c ®−îc tr× nh bµ y ë h× nh 1.9: z K J mÆ t chØ sè Miller chØ sè Miller - Bravais ABHG (100) (10 10) L I BCIH (010) (01 10) G H AGLF (110) (1 1 00) u ABCDEF (001) (0001) E D ACIG (1120) C F y H× nh 1.9. HÖ täa ®é trong hÖ lôc gi¸ c A B x vµ c¸c mÆt C¸ ch ký hiÖ u theo Miller - Bravais thÓ hiÖ n ®−îc c¸ c mÆ t bª n cïng hä vµ cïng c¸ ch s¾ p nguyª n tö. 1.3.3. MËt ®é nguyª n tö a. MË t ®é xÕ p Lµ mø c ® é dµ y ®Æ c cñ a nguyª n tö trong m¹ ng tinh thÓ . MË t ®é xÕ p theo ph−¬ng (chiÒ u dµ i) Ml, theo mÆ t Ms hay trong toµ n bé thÓ tÝ ch m¹ ng Mv ®−îc x¸ c ®Þ nh theo c¸ c c« ng thøc: Ml = l / L, Ms = s / S, Mv = v / V
9 trong ® ã : • l, s, v lÇ n l− ît lµ chiÒ u dµ i, diÖ n tÝ ch, thÓ tÝ ch bÞ nguyª n tö (ion) chiÕ m chç , • L, S, V lÇ n l− ît lµ tæng chiÒ u dµ i, diÖ n tÝ ch, thÓ tÝ ch xem xÐ t. p): b. Sè phèi trÝ (sè s¾p xÕ p) lµ sè l− îng nguyª n tö c¸ ch ®Ò u gÇ n nhÊ t mét nguyª n tö ®· cho. Sè s¾ p xÕ p cµ ng lín chøng tá m¹ ng tinh thÓ cµ ng dµ y ®Æ c. c. Lç hæng Lµ kh«ng gian trè ng gi÷ a c¸ c nguyª n tö (coi nguyª n tö lµ h× nh cÇ u ®Æ c). KÝ ch th− íc lç hæng ® −îc ®¸ nh gi¸ b» ng ® −êng kÝ nh hay b¸ n kÝ nh qu¶ cÇ u lín nhÊ t cã thÓ ®Æ t lät vµ o. 1.4. CÊ u tróc tinh thÓ ®iÓ n h× nh cña chÊt r¾n 1.4.1. 1.4.1 ChÊ t r¾n cã liª n kÕ t kim lo¹i (kim lo¹i nguyª n chÊt) §Æ c tÝ nh cÊ u tróc cña kim lo¹ i lµ : nguyª n tö (ion) lu«n cã xu h− íng xÕ p xÝ t chÆ t ví i kiÓ u m¹ ng ® ¬ n gi¶ n (nh− lË p ph−¬ng t© m mÆ t, lË p ph−¬ng t© m khèi, lô c gi¸ c xÕ p chÆ t). a. LËp ph−¬ng t©m khèi A2 ¤ c¬ së lµ h× nh lË p ph− ¬ ng, c¹ nh b» ng a, c¸ c nguyª n tö (ion) n» m ë c¸ c ®Ø nh vµ t© m khè i (h× nh 1.10a, b vµ c). Sè l− îng nguyª n tö cho mçi «: nv = 8 ®Ø nh. 1/8 + 1 gi÷ a = 2 nguyª n tö lç hæ ng 8 lç hæ ng 4 mÆ t a a (a) (b) (c) a {100} {110} H× nh 1.10. ¤ c¬ së m¹ng lËp ph−¬ng t©m khèi (a, b), c¸c lç hæng (c) vµ c¸ch xÕp c¸c mÆt tinh thÓ {100} vµ {110} (d) d) Th− êng dï ng c¸ ch vÏ t−îng tr−ng (h× nh c). Nguyª n tö n» m xÝ t nhau theo ph− ¬ ng , do ®ã: 3 - ®− ê ng kÝ nh nguyª n tö dng.t = a , sè s¾ p xÕ p lµ 8. 2 C¸ c mÆ t tinh thÓ xÕ p dµ y ®Æ c nhÊ t lµ hä {110}. MË t ®é xÕ p thÓ tÝ ch Mv = 68%. Cã hai lo¹ i lç hæ ng: h× nh 4 mÆ t vµ h× nh 8 mÆ t nh− tr× nh bµ y ë h× nh d. Lo¹ i 8 mÆ t cã kÝ ch th− íc b» ng 0,154 dng.t n» m ë t© m c¸ c mÆ t bª n {100} vµ gi÷a c¸ c c¹ nh a. Lo¹ i 4 1 mÆ t cã kÝ ch th−íc lín h¬n mét chót, b» ng 0,291 dng.t n» m ë trª n c¹ nh nèi ®iÓ m 4 gi÷ a c¸ c c¹ nh ®èi diÖ n cña c¸ c mÆ t bª n. Nh− vË y trong m¹ ng A2 cã nhiÒ u lç hæng
10 nh− ng kÝ ch th− íc ®Ò u nhá, lín nhÊ t còng kh«ng qu¸ 30% kÝ ch th−íc (®−êng kÝ nh) nguyª n tö . C¸ c kim lo¹ i cã kiÓ u m¹ ng A1 th−êng gÆ p lµ : Feα, Cr, Mo, W. M¹ ng chÝ nh ph−¬ ng t© m khè i chØ kh¸ c m¹ ng A2 ë a = b ≠ c b. LËp ph−¬ng t©m mÆt A1 o Kh¸ c víi kiÓ u m¹ ng A2 lµ thay cho nguyª n tö n» m ë trung t© m khèi lµ nguyª n tö n» m ë trung t© m c¸ c mÆ t bª n, nh− biÓ u thÞ ë c¸ c h× nh 1.11a, b vµ c. 4 1 3 2 a a) b) c) {100} {111} H× nh 1.11. ¤ c¬ së m¹ng lËp ph−¬ng t©m mÆt (a, b), c¸c lç hæng (c) vµ c¸ch xÕp c¸c mÆt tinh thÓ {100} vµ {111} (d) B A A B C d) o Sè nguyª n tö trong 1 « lµ : nv = 8 ®Ø nh. 1/8 + 6 mÆ t. 1/2 = 4 nguyª n tö. o Trong m¹ ng A1, c¸ c nguyª n tö xÕ p xÝ t nhau theo ph−¬ng ®−êng chÐ o mÆ t , do ® ã : 2 ®− êng kÝ nh dng.t = a , sè s¾ p xÕ p lµ 12. 2 o C¸ c mÆ t tinh thÓ dµ y ®Æ c nhÊ t lµ hä {111}. MË t ®é xÕ p thÓ tÝ ch Mv =74%, m¹ ng A1 nµ y lµ kiÓ u xÕ p dµ y ®Æ c h¬n A2 vµ lµ mét trong hai kiÓ u xÕ p dµ y ®Æ c nhÊ t. Cã 2 lo¹ i lç hæng h× nh 4 mÆ t vµ h× nh 8 mÆ t nh− tr× nh bµ y ë c¸ c h× nh 1.11c. Lo¹ i bè n mÆ t cã kÝ ch th− íc 0,225 dng.t (®Ø nh1 vµ t© m ba mÆ t 2,3,4). §¸ ng chó ý lµ lo¹ i lç hæng h× nh t¸ m mÆ t, nã cã kÝ ch th−íc lín h¬n c¶ , b» ng 0,414dng.t, n» m ë trung t© m khèi vµ gi÷a c¸ c c¹ nh a. So víi m¹ ng A2, m¹ ng A1 tuy dµ y ®Æ c h¬n song sè l− î ng lç hæng l¹ i Ý t h¬n mµ kÝ ch th−íc lç hæng l¹ i lín h¬n h¼ n (0,225 vµ 0,41 so víi 0,154 vµ 0,291). ChÝ nh ®iÒ u nµ y (kÝ ch th−íc lç hæng) míi lµ yÕ u tè quyÕ t ®Þ nh cho sù hß a tan d− í i d¹ ng xen kÏ . Kh¸ nhiÒ u kim lo¹ i ® iÓ n h× nh cã kiÓ u m¹ ng nµ y: s¾ t (Feγ), Ni, Cu, Al víi h» ng sè a m¹ ng lÇ n l− ît b» ng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoµ i ra cßn cã Pb, Ag, Au.
11 gi¸c chÆt c. Lôc gi¸ c xÕ p chÆ t A3 C¸ c nguyª n tö n» m trª n 12 ®Ø nh, t© m cña 2 mÆ t ®¸ y vµ t© m cña ba khèi l¨ ng trô tam gi¸ c c¸ ch ®Ò u nhau (h× nh 1.12a, b vµ c). B A a) b) c) d) H× nh 1.12. ¤ c¬ së m¹ng lôc gi¸c xÕp chÆt (a,b,c) vµ c¸ch xÕp c¸c mÆt tinh thÓ {0001} (d) Sè l− îng nguyª n tö trong 1 «: nv = 12 ®Ø nh/6 + 2 gi÷a mÆ t/2 + 3 t© m = 6 nguyª n tö Nguyª n tö xÕ p xÝ t nhau theo c¸ c mÆ t ®¸ y (0001). 3 nguyª n tö ë gi÷a song song ví i mÆ t ®¸ y s¾ p xÕ p nguyª n tö gièng nh− 2 mÆ t ®¸ y, nh−ng n» m ë c¸ c hâm c¸ ch ®Ò u nhau (h× nh 1.12d). M¹ ng lô c gi¸ c xÕ p chÆ t th× c/a = 8 3 hay 1,633. Tuy nhiª n trong thù c tÕ c/a cã xª dÞ ch nª n quy −íc: c/a = 1,57 ÷ 1,64 th× m¹ ng ®−îc coi lµ xÕ p chÆ t, 1,57 < c/a < 1,64 kh«ng xÕ p chÆ t. C¸ c kim lo¹ i cã kiÓ u m¹ ng nµ y Ý t th«ng dông h¬n lµ : Tiα ví i a = 0,2951nm, c = 0,4679nm, c/a = 1,5855 (xÕ p chÆ t), Mg víi a = 0,3209nm, c = 0,5210nm, c/a = 1,6235 (xÕ p chÆ t), Zn ví i a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, c/a = 1,8590 (kh«ng xÕ p chÆ t). 1.4.2. ChÊt r¾n cã liª n kÕ t ®ång hãa trÞ a. Kim c−¬ng A4 Kim c− ¬ng lµ mét d¹ ng tån t¹ i (thï h× nh) cña cacbon víi cÊ u h× nh electron lµ 2 1s 2s2 2p2, vË y sè e líp tham gia liª n kÕ t lµ N = 4, sè s¾ p xÕ p sÏ lµ 4 tøc lµ mçi mét nguyª n tö cacbon cã 4 nguyª n tö bao quanh gÇ n nhÊ t. H× nh 1.14. « c¬ së cña m¹ng tinh thÓ kim c−¬ng (a), vÞ trÝ c¸c nguyªn tö (b) vµ liªn kÕt (c) ¤ c¬ së m¹ ng kim c−¬ng (h× nh 1.14a), ®−îc t¹ o thµ nh trª n c¬ së cña « c¬ së A1 cã thª m bèn nguyª n tö bª n trong víi c¸ c täa ®é (xem h× nh 1.14b): 1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2); 1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4). n» m ë t© m cña bèn khèi 1/8 c¸ ch ®Ò u nhau. C¸ c nguyª n tö cacbon ®Ò u cã liª n kÕ t ®ång hãa trÞ víi n¨ ng l− îng lín nª n kim c−¬ng cã ®é cø ng rÊ t cao (cao nhÊ t trong thang ®é cøng).
12 b. M¹ ng grafit Cã m¹ ng lôc gi¸ c líp (h× nh 1.15a), trong mét líp kho¶ ng c¸ ch gi÷a c¸ c nguyª n tö a = 0,246nm, liª n kÕ t ® å ng ho¸ trÞ . Kho¶ ng c¸ ch gi÷a c¸ c líp c = 0,671nm, t−¬ng øng víi liª n kÕ t yÕ u Van der Waals, grafit rÊ t dÔ bÞ t¸ ch líp , rÊ t mÒ m, nã ®−îc coi nh− lµ mét trong nh÷ng chÊ t r¾ n cã ®é cøng thÊ p nhÊ t. c. CÊ u tróc cña sîi cacbon vµ fullerene Ph© n tö cacbon C60 gäi lµ fullerene do hai nhµ khoa häc H. Kroto (Anh) vµ R. Smalley (Mü ) t¹ o ra 1985 (Nobel n¨ m 1995) (h× nh 1.15c): 60 nguyª n tö C n» m trª n mÆ t cÇ u gå m 12 ngò gi¸ c vµ 20 lôc gi¸ c ®Ò u, n» m xen kÏ nhau t¹ o ®èi xøng trßn, øng víi ®é bÒ n vµ ®é cøng rÊ t cao cña nã ch¾ c ch¾ n høa hÑ n sÏ cã nh÷ng øng dông kú l¹ trong kü thuË t. Sîi cacbon ®−îc tr× nh bµ y ë h× nh 1.15b H× nh 1.15. CÊu tróc m¹ng cña grafit (a), sîi cacbon (b) vµ fullerene (c). d. CÊ u tróc cña SiO2 H× nh 1.5a, lµ m« h× nh s¾ p xÕ p kh«ng cña c¸ c khèi tø diÖ n tam gi¸ c ®Ò u SiO44- cñ a SiO2. Th¹ ch anh víi cÊ u tróc lôc gi¸ c (h× nh 1.16a), cristobalit β víi cÊ u tróc lË p ph− ¬ ng (h× nh 1.16b). Trong ®iÒ u kiÖ n nguéi nhanh sÏ nhË n ®− îc thñy tinh (v« ®Þ nh h× nh) nh− ë h× nh 1.5b. H× nh 1.15. S¾p xÕp khèi tø diÖn (SiO4)4- trong th¹ch anh (a), cristobalit β (b). 1.4.3. ChÊt r¾n cã liª n kÕ t ion CÊ u tró c tinh thÓ cñ a hî p chÊ t hãa häc cã liª n kÕ t ion phô thuéc vµ o hai yÕ u tè:
13 • Tû sè cñ a ion © m vµ ion d−¬ng ®¶ m b¶ o trung hßa vÒ ®iÖ n. • T−¬ ng quan kÝ ch th−íc gi÷a ion © m vµ ion d− ¬ng: trong tinh thÓ ion, c¸ c ion lu« n cã xu h−íng s¾ p xÕ p ®Ó ®é xÕ p chÆ t vµ tÝ nh ®èi xøng cao nhÊ t. M¹ ng tinh thÓ cñ a hî p chÊ t víi liª n kÕ t ion vÉ n cã c¸ c kiÓ u m¹ ng ®¬n gi¶ n (A1, A2) nh−ng sù ph© n bè c¸ c ion trong ®ã kh¸ phøc t¹ p nª n vÉ n ® −îc coi lµ cã m¹ ng phø c t¹ p. Cã thÓ h× nh dung m¹ ng tinh thÓ c¸ c hîp chÊ t hãa häc víi liª n kÕ t ion ®−îc t¹ o thµ nh trª n c¬ së cña « c¬ së cña ion © m, c¸ c ion d− ¬ng cßn l¹ i chiÕ m mét phÇ n hay toµ n bé c¸ c lç hæng. TØ mØ vÒ cÊ u tró c cñ a chÊ t r¾ n cã liª n kÕ t ion ®−îc tr× nh bµ y ë ch−¬ng 7. 1.4.4. CÊu tróc cña polyme Kh¸ c víi kim lo¹ i vµ c¸ c chÊ t v« c¬, « c¬ së chØ t¹ o nª n bëi sè l−îng h¹ n chÕ (tõ vµ i ®Õ n vµ i chôc) nguyª n tö (ion), mçi ph© n tö polyme cã thÓ gåm hµ ng triÖ u nguyª n tö. VÝ dô PE (C2H4)n: H H H H H H H H         C = C → C C → C CCC          H H H H H H H H m¹ ch kÝ n bÎ liª n kÕ t kÐ p t¹ o m¹ ch th¼ ng C¸ c ph© n tö (m¹ ch) polyme ®−îc liª n kÕ t Van der Waals víi nhau (liª n kÕ t yÕ u). Mét sè vï ng c¸ c m¹ ch s¾ p xÕ p cã trË t tù t¹ o nª n cÊ u tróc tinh thÓ , phÇ n cßn l¹ i lµ v« ® Þ nh h× nh. 1.4.5. D¹ng thï h× nh Thï h× nh hay ® a h× nh lµ sù tån t¹ i hai hay nhiÒ u cÊ u tróc m¹ ng tinh thÓ kh¸ c nhau cñ a cï ng mé t nguyª n tè hay mét hîp chÊ t hãa häc, mçi cÊ u tróc kh¸ c biÖ t ®ã ®−îc gä i lµ d¹ ng thï h× nh: ký hiÖ u α, β, γ, δ, ε.... Qu¸ tr× nh thay ®æi tõ d¹ ng thï h× nh nµ y sang d¹ ng thï h× nh kh¸ c ® −îc gäi lµ chuyÓ n biÕ n thï h× nh. C¸ c yÕ u tè dÉ n ® Õ n chuyÓ n biÕ n thï h× nh th−êng gÆ p h¬n c¶ lµ nhiÖ t ®é, sau ®ã lµ ¸ p suÊ t. Cacbon ngoµ i d¹ ng v« ® Þ nh h× nh cßn tån t¹ i: c¸ c d¹ ng thï h× nh (c¸ c h× nh 1.13, 1.14): kim c−¬ ng (A4), grafit (A9). sîi cacbon (cÊ u tróc líp cuén), fullerene (cÊ u tró c mÆ t cÇ u C60) trong ®ã . grafit lµ d¹ ng th−êng gÆ p vµ æn ®Þ nh nhÊ t. S¾ t (Fe) cã hai kiÓ u m¹ ng lµ : Feα-A2, T < 911oC, Feγ-A1, T= 911 ÷ 1392oC, Feδ T> 1392oC -1539oC; → tÝ nh chÊ t ≠. ChuyÓ n biÕ n thï h× nh bao giê còng ®i kÌ m víi sù thay ®æi vÒ thÓ tÝ ch (në hay co) vµ c¬ tÝ nh. VÝ dô: khi nung nãng s¾ t qua 911oC s¾ t l¹ i co l¹ i ®ét ngét (do t¨ ng mË t ® é xÕ p tõ 68 lª n 74% khi chuyÓ n tõ Feα → Feγ) vµ hoµ n toµ n ng−îc l¹ i khi lµ m ngué i (®iÒ u nµ y h¬ i tr¸ i ví i quan niÖ m th−êng gÆ p lµ nung nãng th× në ra, cßn lµ m ngué i th× co l¹ i) → rÌ n khu« n?. 1.5. Sai lÖ ch m¹ng tinh thÓ Trong thùc tÕ kh«ng ph¶ i 100% nguyª n tö ®Ò u n» m ®óng vÞ trÝ quy ®Þ nh, g© y nª n nh÷ ng sai lÖ ch ®−î c gä i lµ sai lÖ ch m¹ ng tinh thÓ hay khuyÕ t tË t m¹ ng. Tuy sè nguyª n tö n» m lÖ ch vÞ trÝ quy ®Þ nh chiÕ m tû lÖ rÊ t thÊ p (chØ 1 ÷ 2%) song ¶ nh h− ë ng lín ® Õ n c¬ tÝ nh: kh¶ n¨ ng biÕ n d¹ ng dÎ o, biÕ n cøng...). Phô thuéc vµ o kÝ ch th−í c theo ba chiÒ u trong kh«ng gian, sai lÖ ch m¹ ng chia thµ nh: ® iÓ m, ®−êng vµ mÆ t.
14 1.5.1. Sai lÖ ch ®iÓ m §ã lµ lo¹ i sai lÖ ch cã kÝ ch th−íc rÊ t nhá (cì kÝ ch th−íc nguyª n tö) theo ba chiÒ u kh«ng gian, cã d¹ ng bao quanh mét ®iÓ m. H× nh 1.17 tr× nh bµ y tæng qu¸ t c¸ c d¹ ng sai lÖ ch ® iÓ m nµ y. trè ng a. Nót trèng vµ nguyª n tö tù xen kÏ (H× nh 1.17a) Do dao ® é ng nhiÖ t quanh vÞ trÝ c© n b» ng, ë møc ph© n bè n¨ ng l−îng kh«ng ® Ò u, mét sè nguyª n tö bøt khái nót m¹ ng ®Ó l¹ i nót trèng vµ t¹ o nguyª n tö xen kÏ gi÷ a. H× nh 1.17. C¸c d¹ng sai lÖch ®iÓm: nót trèng vµ nguyªn tö tù xen kÏ (a) vµ c¸c nguyªn tö t¹p chÊt (b). Q − MË t ®é cña nót trèng t¨ ng nhanh theo nhiÖ t ®é (n= e KT ), khi s¾ p ch¶ y lá ng nmax . Nó t trè ng cã ¶ nh h− ëng lín ®Õ n c¬ chÕ vµ tèc ®é khuÕ ch t¸ n cña kim lo¹ i vµ hî p kim ë tr¹ ng th¸ i r¾ n. b. Nguyª n tö t¹p chÊt Trong thùc tÕ vË t liÖ u hoÆ c kim lo¹ i th−êng cã t¹ p chÊ t: xen kÏ (h× nh 1.17b). Do sù sai kh¸ c vÒ ®−ê ng kÝ nh nguyª n tö gi÷a c¸ c nguyª n tè nÒ n vµ t¹ p chÊ t → sai lÖ ch 1.5.2. Sai lÖ ch ®−ê ng - LÖ ch Sai lÖ ch ®− êng lµ lo¹ i cã kÝ ch th−íc nhá (cì kÝ ch th−íc nguyª n tö) theo hai chiÒ u vµ lín theo chiÒ u thø ba, tøc cã d¹ ng cña mét ®−êng (cã thÓ lµ th¼ ng, cong, xo¸ y tr« n èc). Sai lÖ ch ®− êng cã thÓ lµ mét d· y c¸ c sai lÖ ch ®iÓ m kÓ trª n. Chóng gå m: hai d¹ ng lµ biª n vµ xo¾ n. a. LÖ ch biª n (edge dislocation hay dislocation line) (h× nh 1.18a) Cã thÓ h× nh dung lÖ ch biª n ®−îc t¹ o thµ nh nhê chÌ n thª m b¸ n mÆ t ABCD vµ o nö a phÇ n trª n cñ a m¹ ng tinh thÓ lý t−ëng (h× nh 1.18a), khi ®ã, c¸ c mÆ t nguyª n tö kh¸ c ë hai phÝ a trë nª n kh«ng cßn song song víi nhau n÷a. C 2 3 2 3 B D A 1 ┴ 4 5 1 4 ┴ vÐ c t¬ (a) (b) (c) H× nh 1.18. LÖch biªn: tinh thÓ kh«ng lÖch (a), m« h× nh t¹o thµnh (b), sù s¾p xÕp nguyªn tö trong vïng lÖch (c)
15 Nh− thÊ y râ ë h× nh 1.18b: ®− êng AD ® −îc gäi lµ trôc lÖ ch, nã chÝ nh lµ biª n cña b¸ n mÆ t nª n cã tª n lµ lÖ ch biª n. Víi sù ph© n bè nh− vË y nöa tinh thÓ cã chøa b¸ n mÆ t sÏ chÞ u ø ng suÊ t nÐ n, nö a cß n l¹ i chÞ u øng suÊ t kÐ o. VÐ c t¬ Burgers: lµ vÐ c t¬ ®ãng kÝ n vßng trßn Burgers vÏ trª n mf vu«ng gãc ví i trôc r lÖ ch khi chuyÓ n tõ tinh thÓ kh« ng lÖ ch sang tinh thÓ cã lÖ ch. LÖ ch th¼ ng b ⊥ ADL vÐ c t¬ xo¾ n c. LÖ ch xo¾n (screw dislocation) (h× nh 1.19a) A A A B B B D D D C C C a) b) c) H× nh 1.19. LÖch xo¾n: tinh thÓ kh«ng lÖch (a), m« h× nh t¹o thµnh (a), ®Æc ®iÓm s¾p xÕp nguyªn tö trong vïng lÖch (c). C¸ c nguyª n tö trong vï ng hÑ p gi÷a hai ® −êng AD vµ BC s¾ p xÕ p l¹ i cã d¹ ng ®−êng xo¾ n èc gièng nh− mÆ t vÝ t nª n lÖ ch cã tª n lµ lÖ ch xo¾ n nh− thÊ y râ ë h× nh 1.19c. VÐ c t¬ Burgers song song víi trôc lÖ c AD=L c. §Æ c tr−ng vÒ h× nh th¸i cña lÖ ch MË t ® é lÖ ch (ký hiÖ u lµ ρ) lµ tæng chiÒ u dµ i trôc lÖ ch trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝ ch cñ a tinh thÓ , cã thø nguyª n lµ cm/cm3 hay cm-2. MË t ®é lÖ ch phô thuéc rÊ t m¹ nh vµ o ® é s¹ ch vµ tr¹ ng th¸ i gia c« ng. VÝ dô, ®èi víi kim lo¹ i ρ cã gi¸ trÞ nhá nhÊ t (~ 108 cm-2) øng ví i ® é s¹ ch cao vµ tr¹ ng th¸ i ñ; hîp kim vµ kim lo¹ i sau biÕ n d¹ ng nguéi, t« i... ρ tí i 1010 ÷ 1012 cm-2) (cã thÓ coi mË t ®é lÖ ch lµ trôc lÖ ch ch¹ y qua/1 cm2). ý nghÜ a: lÖ ch biª n gióp cho dÔ biÕ n d¹ ng (tr−ît), khi mË t ®é qu¸ lín l¹ i g© y c¶ n tr− î t (t¨ ng bÒ n). Ngoµ i ra, lÖ ch xo¾ n gióp cho mÇ m ph¸ t triÓ n nhanh khi kÕ t tinh. 1.5.3. Sai lÖ ch mÆt Sai lÖ ch mÆ t lµ lo¹ i sai lÖ ch cã kÝ ch th−íc lín theo hai chiÒ u ®o vµ nhá theo chiÒ u thø ba, tø c cã d¹ ng cñ a mét mÆ t (cã thÓ lµ ph¼ ng, cong hay uèn l−în). C¸ c d¹ ng ® iÓ n h× nh cña sai lÖ ch mÆ t lµ : - biª n gií i h¹ t vµ siª u h¹ t (sÏ tr× nh bµ y ë môc sau) vµ bÒ mÆ t tinh thÓ . 1.6. §¬ n tinh thÓ vµ ®a tinh thÓ 1.6.1. §¬ n tinh thÓ §¬ n tinh thÓ (h× nh 1.20a): lµ mét khèi chÊ t r¾ n cã m¹ ng ®ång nhÊ t (cïng kiÓ u vµ h» ng sè m¹ ng), cã ph−¬ ng m¹ ng kh«ng ®æi trong toµ n bé thÓ tÝ ch. Trong thiª n nhiª n: mét sè kho¸ ng vË t cã thÓ tån t¹ i d−íi d¹ ng ®¬n tinh thÓ . Chóng cã bÒ mÆ t ngoµ i nh½ n, h× nh d¸ ng x¸ c ®Þ nh, ®ã lµ nh÷ng mÆ t ph¼ ng nguyª n tö giíi h¹ n (th−êng lµ c¸ c mÆ t xÕ p chÆ t nhÊ t). C¸ c ®¬n tinh thÓ kim lo¹ i kh«ng tån t¹ i trong tù nhiª n, muè n cã ph¶ i dïng c«ng nghÖ "nu«i" ®¬n tinh thÓ . §Æ c ® iÓ m: cã tÝ nh chÊ t rÊ t ®Æ c thï lµ dÞ h−íng v× theo c¸ c ph−¬ng mË t ®é xÕ p chÆ t nguyª n tö kh¸ c nhau. §¬n tinh thÓ chØ ® −îc dïng trong b¸ n dÉ n. 1.6.2. §a tinh thÓ a. H¹t Trong thù c tÕ hÇ u nh− chØ gÆ p c¸ c vË t liÖ u ®a tinh thÓ . §a tinh thÓ gåm rÊ t nhiÒ u (®¬ n) tinh thÓ nhá (cì µm) ®−îc gäi lµ h¹ t tinh thÓ , c¸ c h¹ t cã cïng cÊ u tró c vµ
16 th«ng sè m¹ ng song ph− ¬ng l¹ i ®Þ nh h−íng kh¸ c nhau (mang tÝ nh ngÉ u nhiª n) vµ liª n kÕ t ví i nhau qua vï ng ranh giíi ®−îc gäi lµ biª n h¹ t (hay biª n giíi h¹ t) nh− tr× nh bµ y ë h× nh 1.20b. Tõ m« h× nh ®ã thÊ y râ: - Mçi h¹ t lµ mét khèi tinh thÓ hoµ n toµ n ®ång nhÊ t, thÓ hiÖ n tÝ nh dÞ h−íng. - C¸ c h¹ t ® Þ nh h− í ng ngÉ u nhiª n víi sè l−îng rÊ t lín nª n thÓ hiÖ n tÝ nh ®¼ ng h−íng - Biª n h¹ t chÞ u ¶ nh h−ëng cña c¸ c h¹ t xung quanh nª n cã cÊ u tróc “trung gian” vµ v× vË y s¾ p xÕ p kh« ng trË t tù (x« lÖ ch) nh− lµ v« ®Þ nh h× nh , kÐ m xÝ t chÆ t víi tÝ nh chÊ t kh¸ c víi b¶ n th© n h¹ t. - Cã thÓ quan s¸ t cÊ u tróc h¹ t ®a tinh thÓ hay c¸ c h¹ t nhê kÝ nh hiÓ n vi quang häc (h× nh 1.20c). H× nh 1.20. M« h× nh ®¬n tinh thÓ (a), ®a tinh thÓ (b), tæ chøc tÕ vi kim lo¹i ®a tinh thÓ (c), cÊu tróc cña siªu h¹t (d). b. §é h¹ t §é h¹ t cã thÓ quan s¸ t ® Þ nh tÝ nh qua mÆ t g· y, ®Ó chÝ nh x¸ c ph¶ i x¸ c ®Þ nh trª n tæ chø c tÕ vi. CÊ p h¹ t theo tiª u chuÈ n ASTM: ph© n thµ nh 16 cÊ p chÝ nh ®¸ nh sè tõ 00, 0, 1, 2...., 14 theo trË t tù h¹ t nhá dÇ n, trong ®ã tõ 1 ®Õ n 8 lµ th«ng dông. CÊ p h¹ t N=3,322lgZ+1, víi Z lµ sè h¹ t cã trong 1inch2 (2,542≈ 6,45cm2) d−íi ®é phã ng ® ¹ i 100 lÇ n. Ng− êi ta th− ê ng x¸ c ® Þ nh cÊ p h¹ t b» ng c¸ ch so s¸ nh víi b¶ ng chuÈ n ë ®é phã ng ® ¹ i (th− êng lµ x100) hoÆ c x¸ c ®Þ nh trª n tæ chøc tÕ vi. C¸ c sè liÖ u ph© n cÊ p h¹ t xem trong b¶ ng 1.2. B¶ ng 1.2. C¸c cÊp h¹t chuÈn chÝ nh theo ASTM CÊ p h¹ t 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 2 Z(x100)/inch 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 128 2 Z thù c/mm 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 2 S h¹ t, mm 0,258 0,129 0,0645 0,032 0,016 0,008 0,004 0,002 0,001 0,0005 CÊ p h¹ t 9 10 11 12 13 14 Z(x100)/inch2 256 512 1024 2048 4096 8200 Z thù c/mm2 4096 8200 16400 32800 65600 131200 S h¹ t, mm2 2.10-4 1.10-4 6.10-5 3.10-5 1,6.10-5 7,88.10-6
17 H× nh 1.21. Thang ¶nh cÊp h¹t chuÈn øng víi ®é phãng ®¹i x100 c. Siª u h¹ t NÕ u nh− khèi ®a tinh thÓ gåm c¸ c h¹ t (kÝ ch th−íc hµ ng chôc - hµ ng tr¨ m µm) ví i ph− ¬ ng m¹ ng lÖ ch nhau mét gãc ®¸ ng kÓ (hµ ng chôc ®é), ®Õ n l−ît mç i h¹ t nã cò ng gå m nhiÒ u thÓ tÝ ch nhá h¬n (kÝ ch th−íc cì 0,1 ÷ 10µm) víi ph−¬ng m¹ ng lÖ ch nhau mé t gãc rÊ t nhá (≤ 1-2o) gäi lµ siª u h¹ t hay block (h× nh 1.20d). Biª n gií i siª u h¹ t còng bÞ x« lÖ ch nh−ng víi møc ®é rÊ t thÊ p. 1.6.3. Textua H× nh 1.22. M« h× nh textua trong d©y nh«m sau khi kÐo sîi (vect¬ V biÓu thÞ h−íng kÐo, trôc textua lµ [111]). Do biÕ n d¹ ng dÎ o lµ m ph− ¬ng m¹ ng ®Þ nh h−íng t¹ o nª n textua. VÝ dô, khi kÐ o sîi nh«m (h× nh 1.22), tinh thÓ h× nh trô khi ®óc, khi phñ. CÊ u tró c ® a tinh thÓ cã textua → vË t liÖ u cã tÝ nh dÞ h−íng. øng dông cho thÐ p biÕ n thÕ , t/c tõ cùc ®¹ i theo chiÒ u textua, cùc tiÓ u theo ph−¬ng vu«ng gãc → gi¶ m tæ n thÊ t.
18 1.7. Sù kÕ t tinh vµ h× nh thµ nh tæ chøc cña kim lo¹i PhÇ n lín kim lo¹ i hîp kim ®−îc chÕ t¹ o (luyÖ n) ra → ®óc, tøc qua kÕ t tinh, sau ® ã → c¸ n → b¸ n thµ nh phÈ m vµ s¶ n phÈ m. KÕ t tinh lµ b−íc khëi t¹ o h× nh thµ nh tæ chøc h¹ t, tinh thÓ . → ®é h¹ t, tæ chøc mong muèn. 1.7.1. §iÒ u kiÖ n x¶ y ra kÕ t tinh a. CÊ u tróc ë tr¹ng th¸i láng ChÊ t lá ng chØ cã trË t tù gÇ n, trong ®ã cã nh÷ng nhãm nguyª n tö s¾ p xÕ p trË t tù, chó ng ë tr¹ ng th¸ i c© n b» ng ® éng. VÒ mÆ t cÊ u tróc tr¹ ng th¸ i láng gÇ n tr¹ ng th¸ i tinh thÓ h¬ n, c¸ c ® ¸ m nguyª n tö → lµ t© m mÇ m gióp cho kÕ t tinh. b. BiÕ n ®æ i n¨ ng l−î ng khi kÕ t tinh H× nh 1.23 biÓ u thÞ sù biÕ n ®æi n¨ ng l−îng ∆G cña c¸ c tr¹ ng th¸ i láng (∆GL) vµ r¾ n (∆GR) (tinh thÓ ) theo nhiÖ t ®é: - ë nhiÖ t ®é T > TO vË t thÓ tån t¹ i ë tr¹ ng th¸ i ∆G láng ∆GL
19 Khi ®é qu¸ ngué i ∆T cµ ng lín th× ∆GV còng cµ ng lín, rth cµ ng nhá → sè l−îng mÇ m cµ ng lín → h¹ t nhá . MÇ m ký sinh Lµ c¸ c hË t r¾ n n» m l¬ löng trong kim lo¹ i láng, thµ nh khu«n ®óc → mÇ m ngo¹ i lai. Thù c tÕ lµ trong nhiÒ u tr−êng hîp ng− êi ta cßn cè ý t¹ o ra vµ ®− a c¸ c phÇ n tö r¾ n vµ o ® Ó gióp kÕ t tinh, sÏ ®− îc nãi tíi ë môc sau. b. Ph¸ t triÓ n mÇ m MÇ m ph¸ t triÓ n lµ nhê c¸ c ®¸ m nguyª n tö b¸ m lª n bÒ mÆ t mÇ m ®Æ c biÖ t lµ trª n c¸ c bË c lÖ ch xo¾ n. Khi ®−îc lµ m nguéi t−¬ng ®èi nhanh, tho¹ t tiª n sù ph¸ t triÓ n mÇ m mang tÝ nh dÞ h−íng tøc lµ ph¸ t triÓ n rÊ t nhanh theo mét sè ph− ¬ng t¹ o nª n nh¸ nh c© y, trôc bË c I (A) (h× nh 1.24), råi tõ trô c chÝ nh nµ y t¹ o nª n trôc bË c II (B) vu«ng gãc ví i trôc bË c I, råi tõ trôc bË c II ph© n nh¸ nh tiÕ p t¹ o nª n trôc bË c III (C)... cø nh− vË y nh¸ nh c© y ®−îc h× nh thµ nh. Sau ®ã kim lo¹ i gi÷a c¸ c nh¸ nh c© y míi kÕ t tinh t¹ o nª n h¹ t (tinh thÓ ) ®Æ c kÝ n, kh«ng thÊ y trùc tiÕ p ®−îc nh¸ nh c© y n÷a. Nh¸ nh c© y chØ ®−îc ph¸ t hiÖ n thái ®óc lín, phÇ n kÕ t tinh tr− íc lµ m tr¬ H× nh 1.24. KÕt tinh nh¸nh ra nh¸ nh c© y mµ kh«ng cßn kim lo¹ i láng ®iÒ n c©y (a), tinh thÓ nh¸nh c©y (b) ®Ç y. Còng cã thÓ tÈ m thùc hîp kim ®Ó thÊ y ®−îc nh¸ nh c© y. 1.7.3. Sù h× nh thµ nh h¹t a. TiÕ n tr× nh kÕ t tinh Ta thÊ y: tõ mçi mÇ m t¹ o nª n mét h¹ t, c¸ c h¹ t ph¸ t triÓ n tr−íc → to h¬n; h¹ t sau sÏ nhá h¬n → kÝ ch th− íc h¹ t ≠ (chª nh lÖ ch Ý t) - do c¸ c mÇ m ®Þ nh h−íng ngÉ u nhiª n → h¹ t kh«ng ®ång h−íng, lÖ ch nhau mét c¸ ch ®¸ ng kÓ → vïng biª n h¹ t víi m¹ ng tinh thÓ bÞ x« lÖ ch. H× nh 1.25. Qu¸ tr× nh t¹o vµ ph¸t triÓn mÇm theo thêi gian (c¸c h× nh a,b,c) vµ kÕt thóc ë gi©y thø n (d). b. H× nh d¹ ng h¹t H× nh d¹ ng h¹ t phô thuéc vµ o ph−¬ng thøc lµ m nguéi: - Ngué i ® Ò u theo mä i ph− ¬ng → h¹ t cã d¹ ng ®a c¹ nh hay cÇ u (h× nh 1.25). - Ngué i nhanh theo hai ph− ¬ng (tøc theo mét mÆ t) → h¹ t cã d¹ ng tÊ m, l¸ , phiÕ n nh− grafit trong gang x¸ m.
20 - Ngué i nhanh theo mét ph−¬ng nµ o ®ã, h¹ t sÏ cã d¹ ng ®òa, cét hay h× nh trô. - D¹ ng tinh thÓ h× nh kim (® Ç u nhän) → chØ khi nhiÖ t luyÖ n. 1.7.4. C¸c ph−¬ ng ph¸ p t¹o h¹t nhá khi ®óc H¹ t nhá → c¬ tÝ nh cao h¬ n (bÒ n vµ dÎ o h¬n = ®é dai cao h¬n) → ? h¹ t nhá. a. Nguyª n lý KÝ ch th−íc h¹ t còng phô thuéc vµ o t−¬ng quan cña hai qu¸ tr× nh: t¹ o mÇ m vµ ph¸ t triÓ n mÇ m. Sè mÇ m ®− î c t¹ o ra cµ ng nhiÒ u th× h¹ t cµ ng nhá, mÇ m lín lª n (ph¸ t triÓ n) cµ ng nhanh th× h¹ t cµ ng lín. KÝ ch th−íc h¹ t A phô thuéc vµ o tèc ®é sinh mÇ m 3 v n vµ tèc ®é ph¸ t triÓ n v (mm/s) theo c«ng thøc thùc nghiÖ m: A = 1,1 4     , ® Ó t¹ o n h¹ t nhá → t¨ ng n vµ gi¶ m v b. C¸ c ph−¬ng ph¸p lµm h¹t nhá khi ®óc T¨ ng tèc ®é nguéi Khi t¨ ng ® é qu¸ ngué i ∆To, tèc ®é sinh mÇ m n vµ tèc ®é ph¸ t triÓ n dµ i cña mÇ m v ®Ò u t¨ ng (h× nh 1.26) n,v n . ∆T < ∆T1(~103 ®é/s): ∆T ↑ → c¶ n&v ®Ò u ↑ . ∆T1 ∆T2: ∆T ↑ → v« ®Þ nh h× nh . §óc khu«n c¸ t → khu«n kim lo¹ i → h¹ t nhá BiÕ n tÝ nh: . T¹ o mÇ m ngo¹ i lai : 2 lo¹ i: - kim lo¹ i cã cï ng kiÓ u m¹ ng hoÆ c gÇ n gièng nhau: ∆T1 ∆T2 ∆T FeSi, FeSiCa (gang), Ti (thÐ p) H× nh 1.26. ¶nh h−ëng cña ∆T ®Õn n vµ v - cho chÊ t t¹ o oxit, nitrit : Al2O3, AlN khi ®óc thÐ p . HÊ p phô : Na cho Silumin (AlSi) . CÇ u ho¸ graphit : Mg, Ce, §h T¸ c ® éng vË t lý: Rung, siª u © m → bÎ gÉ y tinh thÓ → h¹ t nhá §ó c ly t© m → h¹ t nhá 1.7.5. CÊ u t¹ o tinh thÓ cña thá i ®óc a. Ba vïng tinh thÓ cña thái ®óc C¸ c thá i (thÐ p) ®óc th−êng cã tiÕ t diÖ n trßn hoÆ c vu« ng, chóng ®−îc ® ó c trong khu«n kim lo¹ i, ®« i khi khu«n cßn ®−îc lµ m nguéi b» ng n− í c chóng th− êng cã cÊ u tróc 3 vïng ®iÓ n h× nh (h× nh 1.27): H× nh 1.27. CÊ u tróc 3 vï ng cñ a thá i ®óc
21 Vá ngoµ i cï ng lµ lí p h¹ t nhá ® ¼ ng trôc 1: do ∆T lín, mÇ m ngo¹ i lai nhiÒ u → h¹ t nhá mÞ n. Do thµ nh khu«n cã ® é nhÊ p nh« → c¸ c mÇ m ph¸ t triÓ n theo c¸ c ph−¬ng ngÉ u nhiª n c¾ t nhau, chÌ n Ð p nhau → h¹ t ph¸ t triÓ n ®Ò u theo mäi phÝ a. Vïng tiÕ p theo lµ líp h¹ t t−¬ ng ®èi lín h× nh trô 2: vu«ng gãc víi thµ nh khu«n, do thµ nh khu«n míi b¾ t ®Ç u nãng lª n → ∆To ↓, h¹ t lín h¬n vµ ph¸ t triÓ n m¹ nh theo ph− ¬ ng ph¸ p tuyÕ n víi thµ nh khu«n lµ ph−¬ng truyÒ n nhiÖ t → h¹ t h× nh trô. Vïng ë gi÷a lµ vïng c¸ c h¹ t lín ®¼ ng trôc 3. Kim lo¹ i lá ng ë gi÷ a kÕ t tinh sau cïng, thµ nh khu«n ®· nãng lª n nhiÒ u do ®ã: - ∆T ↓ → h¹ t lín, - nhiÖ t t¶ n ® Ò u theo mä i ph−¬ng → h¹ t ®¼ ng trôc. . Vïng ngoµ i cï ng lu« n lu« n lµ líp vá máng, 2 vïng sau phô thuéc vµ o ®iÒ u kiÖ n lµ m ngué i khu« n: + nguéi m· nh liÖ t th× vïng 2 sÏ lÊ n ¸ t vïng 3, thË m chÝ mÊ t vïng 3 → xuyª n tinh → khã biÕ n d¹ ng dÎ o, kh«ng phï hîp víi thái c¸ n + nguéi chË m th× vïng 3 l¹ i lÊ n ¸ t vïng 2, thái trë nª n dÔ c¸ n h¬n. b. C¸ c khuyÕ t tËt cña vËt ®óc Rç co vµ lâm co: Do khi kÕ t tinh kim lo¹ i co l¹ i kh«ng ®−îc bï → co: rç co n» m ph© n t¸ n, r¶ i r¸ c gi÷a c¸ c nh¸ nh c© y trª n kh¾ p vË t ®óc ®−îc gäi lµ rç co→ gia c«ng ¸ p lù c ë nhiÖ t ®é cao th× chóng ®−îc hµ n kÝ n kh«ng ¶ nh h−ëng ®¸ ng kÓ ®Õ n c¬ tÝ nh. co tË p trung → lâm co th− êng n» m ë n¬i kÕ t tinh sau cïng: chç dµ y, phÝ a trª n. PhÇ n thá i cã lâm co ph¶ i ® −îc c¾ t bá → tû lÖ sö dông chØ cßn kho¶ ng 85 ®Õ n 95%. §ó c liª n tôc o cã lâm co §è i víi chi tiÕ t ®óc ph¶ i ®Ó phÇ n lâm co ë ®Ë u ngãt → c¾ t bá ®i. Rç khÝ KhÝ hoµ tan tho¸ t ra kh«ng kÞ p → rç khÝ hay bät khÝ . Khi c¸ n kh«ng thÓ hµ n kÝ n ®− îc (líp «xyt ng¨ n c¶ n khuÕ ch t¸ n lµ m liÒ n chç bÑ p), g© y ra trãc vá hoÆ c nø t khi sö dô ng → khö khÝ tèt tr−íc khi rãt khu«n, sÊ y kh« khu«n c¸ t hoÆ c ®óc trong ch© n kh« ng. Thiª n tÝ ch (segregation) Lµ sù kh«ng ® å ng nhÊ t vÒ thµ nh phÇ n vµ tæ chøc cña s¶ n phÈ m ®óc, c¶ ví i hî p kim (khi thµ nh phÇ n phø c t¹ p) vµ kim lo¹ i do tÝ ch tô t¹ p chÊ t. Cã nhiÒ u d¹ ng thiª n tÝ ch: theo träng l−îng, trong b¶ n th© n h¹ t, cña P, S trong thÐ p.