Giáo trình Vật liệu công nghiệp (Nghề: Cơ điện tử - Trung cấp) - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

Chia sẻ: Hoababytrang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Vật liệu công nghiệp với mục tiêu giúp các bạn có thể trình bày được đặc điểm, tính chất cơ lý, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí như: gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung dịch trơn nguội,...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu công nghiệp (Nghề: Cơ điện tử - Trung cấp) - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI NGUYỄN ANH DŨNG (Chủ biên) BÙI VĂN CÔNG - TRƯƠNG VĂN HỢI GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU CÔNG NGHIỆP Nghề: Cơ điện tử Trình độ: Trung cấp (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019
LỜI NÓI ĐẦU Để cung cấp tài liệu học tập cho học sinh-sinh viên và tài liệu cho giảng viên khi giảng dạy. Khoa cơ khí trường Cao đẳng nghề Việt Nam-Hàn Quốc thành phố Hà Nội đã chỉnh sửa, biên soạn giáo trình ‘’VẬT LIỆU CƠ KHÍ’’ dành riêng cho học sinh-sinh viên nghề Hàn. Đây là môn học chuyên môn nghề trong chương trình đào tạo nghề Hàn trình độ Cao đẳng. Nhóm biên soạn đã tham khảo nhiều tài liệu về công tác ‘’tổ chức quản lý sản xuất’’ của các doanh nghiệp trong và ngoài nước, kết hợp với kinh nghiệm trong thực tế về quản lý sản xuất. Mặc dù nhóm biên soạn đã có rất nhiều cố gắng, nhưng không tránh khỏi được những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của đồng nghiệp, độc giả để giáo trình được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2019 Chủ biên: Nguyễn Anh Dũng 1
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 1 MỤC LỤC ............................................................................................................ 2 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC ............................................................................. 3 Chương 1: Cấu trúc và cơ tính của vật liệu Kim loại .................................. 5 1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử.................................................................. 5 1.2 Sắp xếp nguyên tử trong vật chất ............................................................ 7 1.3 Khái niệm về mạng tinh thể .................................................................... 9 1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình của vật rắn ................................................ 15 1.5 Đơn tinh thể và đa tinh thể ................................................................... 23 1.6 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại .......................................... 25 Chương 2: Hợp kim và biến đổi tổ chức ..................................................... 28 2.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim ............................................................... 28 2.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử ............................................................... 34 2.3 Giản đồ pha Fe - C(Fe – Fe3C) ............................................................. 47 Chương 3: Nhiệt luyện .................................................................................. 52 3.1 Khái niệm cơ bản về nhiệt luyện .......................................................... 52 3.2 Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép....................... 54 3.3 Ủ và thường hóa thép ............................................................................ 60 3.4 Tôi thép ................................................................................................. 63 3.5 Ram thép .............................................................................................. 68 3.6 Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện .................................................... 69 Chương 4: Vật liệu kim loại ......................................................................... 74 4.1 Thép cacbon ......................................................................................... 74 4.2 Thép hợp kim ........................................................................................ 80 4.3. Gang ................................................................................................... 102 Chương 5: Hợp kim màu và phi kim ........................................................ 112 5.1 Hợp kim màu ....................................................................................... 112 5.2 Gỗ ........................................................................................................ 123 5.3 Chất dẻo .............................................................................................. 126 5.4 Vật liệu compozit ................................................................................ 132 2
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Vật liệu công nghiệp Mã số của môn học: MH 08 Thời gian của môn học: 30 giờ. (LT: 26 giờ; TH: 2giờ; KT: 2giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MÔN HỌC - Vị trí: + Môn học có thể được bố trí trước, đồng thời hoặc sau khi sinh viên học xong các môn học chung bắt buộc. + Môn học được bố trí trước các môn học, mô-đun đào tạo chuyên môn nghề. - Tính chất: + Là môn học kỹ thuật cơ sở thuộc các môn học, mô đun đào tạo nghề bắt buộc. II. MỤC TIÊU MÔN HỌC - Kiến thức: + Trình bày được đặc điểm, tính chất cơ lý, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí như: gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung dịch trơn nguội ... + Giải thích được một số khái niệm về nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. + Nhận biết được vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm thanh khi gõ, đập búa, xem tia lửa khi mài. + Xác định được tính chất, công dụng các loại vật liệu thường dùng cho nghề. - Kỹ năng: + Có khả năng tự mua các loại vật liệu theo đúng yêu cầu của sản xuất. + Đo được độ cứng HB, HRC + Nhiệt luyện được một số dụng cụ của nghề như dao tiện thép gió, đục... - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. 3
III. NỘI DUNG MÔN HỌC: 1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: Thời gian Thực hành, Kiểm Tên chương, mục Tổng Lý thảo TT tra* số thuyết luận, thí nghiệm, bài tập I Chương 1: Cấu trúc và cơ tính vật liệu 4 4 0 0 Cấu tạo và liên kết nguyên tử. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất Khái niệm về mạng tinh thể Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn Đơn tinh thể và đa tinh thể Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại II Chương 2: Hợp kim và biến đổi tổ chức 4 3 0 1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim Giản đồ pha của hệ hai cấu tử Giản đồ pha Fe - C (Fe- Fe3C) III Chương 3: Nhiệt luyện 10 8 2 0 Khái niệm về nhiệt luyện thép Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép Ủ và thường hoá thép Tôi thép Ram thép Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép. IV Chương 4: Vật liệu kim loại 6 6 0 0 Thép Cácbon Thép hợp kim Gang V Chương 5: Hợp kim màu và phi kim 6 5 0 1 Hợp kim màu Gỗ Chất dẻo Vật liệu Compozit Cộng 30 26 2 2 2. Nội dung chi tiết 4
Chương 1: Cấu trúc và cơ tính của vật liệu Kim loại Giới thiệu chương Phụ thuộc vào điều kiện tạo thành ( nhiệt độ, áp suất,…) và tương tác giữa các phần tử cấu thành (lực liên kết giữa các phân tử, nguyên tử), vật chất có thể tồn tại ở trạng thái rắn, lỏng, hoặc khí (hơi). Tính chất của vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào các cách sắp xếp của các phần tử cấu thành và lực liên kết giữa chúng. Trong chương này các khái niệm cơ bản sẽ được đề cập lại: cấu tạo nguyên tử, các dạng liên kết và cấu trúc tinh thể, không tinh thể (vô định hình) của vật rắn. Mục tiêu - Trình bày được các đặc điểm, cấu tạo của kim loại và hợp kim. - Phân biệt được các kim loại và hợp kim thường dùng trong ngành cơ khí chế tạo. - Trình bày được các tính chất cơ lý hoá, tính công nghệ của kim loại và hợp kim. - Mô tả được các phương pháp đo độ cứng đơn giản, có khả năng đo trực tiếp sản phẩm mà không phá hỏng chúng. - Đo được độ cứng HB, HRC của vật liệu. - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. Nội dung 1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử 1.1.1 Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử Nguyên tử là một hệ thống bao gồm hạt nhân mang điện dương và các điện tử (electron) mang điện âm chuyển động xung quanh. Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ những proton và nơtron. Hạt nơtron không mang điện còn hạt proton mang điện dương, có điện tích bằng điện tích của nguyên tử. Ở trạng thái thường, nguyên tử chung hòa điện vì số lượng proton bằng số lượng điện tử. Số đó được đặc trưng bằng số thứ tự nguyên tử(Z) trong bảng tuần hoàn Menđeleev. Vì khối lượng của proton và nơtron lớn hơn rất nhiều so với điện tử (khoảng 1830 lần) cho nên khối lượng nguyên tử được xác định bằng khối lượng hạt nhân của nó. Với cùng khối lượng điện tử và proton, hạt nhân có thể chứa số lượng nơtron khác nhau và tạo thành những đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học. 5
1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn 1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết này tạo ra khi hai(hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau một số điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử ở lớp ngoài cùng. Hình 1.1 Liên kết cộng hoá trị trong phân tử khí CH4 Hình 1.1 Liên kết cộng hoá trị trong phân tử khí CH4 1.1.2.2 Liên kết ion Đây là loại liên kết mạnh và rất dễ xẩy ra giữa nguyên tử có ít điện tử hóa trị dễ cho bớt điện tử đi để tạo thành ion dương như các nguyên tố nhóm IB(Cu, Ag, Au), IIB(Zn, Cd, Hg) với nguyên tử có nhiều điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện tử để tạo thành ion âm như các nguyên tố nhóm VIB (O, S...). Hình 1.2 biểu diễn liên kết ion trong phân tử LiF Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết trong phân tử LiF Hình 1.3 Sơ đồ liên kết kim loại 1.1.2.3 Liên kết kim loại Đây là loại liên kết đặc trưng cho các vật liệu kim loại, quyết định các tính chất rất đặc trưng của loại vật liệu này. Hình 1.3 biểu diễn sơ đồ liên kết kim loại. Có thể hình dung liên kết này như sau: các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt trong không gian điện tử tự do "chung". Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) của lực hút (giữa ion dương và điện tử tự do bao quanh) và lực đẩy (giữa các ion dương). Chính nhờ sự cân bằng này các nguyên tử, ion kim loại luôn luôn có vị trí cân bằng xác định trong đám mây điện tử. Liên kết kim loại thường được tạo ra trong kim loại là các nguyên tố có í t điện tử hóa trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt ra khỏi nguyên tử trở nên tự do (không bị ràng buộc bởi nguyên tử nào) và tạo nên "mây" hay "biển" điện tử. 6
1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp Thực ra, liên kết đồng hóa trị thuần túy chỉ có được trong trường hợp liên kết đồng cực (giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học). Trong trường hợp liên kết dị cực (giữa các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau). Điện hóa trị tham gia liên kết chịu hai ảnh hưởng trái ngược : - Bị hút bởi hạt nhân “của mình” - Bị hút bởi hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo nguyên tử “chung” Khả năng của hạt nhân hút điện tử hóa trị được gọi là tính âm điện của nguyên tử. Sự khác nhau về tính âm điện giữa các nguyên tử trong liên kết đồng hóa trị làm cho đám mây điện tử “chung” bị biến dạng và tạo thành ngẫu cực điện, tiền tố của liên kết ion. Tính ion của liên kết sẽ càng lớn nếu sự khác nhau về tính âm điện của các nguyên tử càng lớn. Ví dụ Na có tính âm điện bằng 0,9 còn Cl bằng 3,0. Do vậy liên kết giữa Na và Cl trong hợp chất NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị. Tất cả những liên kết dị cực đều mang tính chất hỗn hợp giữa liên kết ion và đồng hóa trị. 1.1.2.5 Liên kết yếu (liên kết Van der Waals) Liên kết đồng hóa trị cho phép lý giải sự tạo thành những phân tử như nước ( O) hoặc polyetylen ( )n. Nhưng không cho phép lý giải sự tạo thành một số vật rắn từ những phân tử trung hòa như nước đá polyme… Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do sự khác nhau về tính âm điện của các nguyên tử, trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực điện sẽ tạo thành, phân tử bị phân cực. Liên kết van der waals là liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực ở trạng thái rắn. Liên kết này là loại liên kết yếu, rất rễ bị phá vỡ do ba động nhiệt (khi tăng nhiệt độ). Vì vậy những chất rắn trên cơ sở liên kết van der waals có nhiệt độ nóng chảy thấp. 1.2 Sắp xếp nguyên tử trong vật chất 1.2.1 Không trật tự hoàn toàn, chất khí Chất khí chiếm toàn bộ thể tích chứa nó có thể nén được. Các nguyên tử (phân tử) trong chất khí luôn luôn chuyển động do ba động nhiệt số nguyên tử (phân tử) trên 1 đơn vị thể tích thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Vị trí tương ứng giữa chúng luôn thay đổi theo quy luật ngẫu nhiên. Trung bình mỗi nguyên tử (phân tử) chiếm 1 thể tích tương ứng hình cầu. Đường kính trung bình 4 nm. 7
1.2.2 Chất rắn tinh thể Trong vật rắn tinh thể mỗi nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định không chỉ so với những nguyên tử gần nhất mà cả những nguyên tử khác bất kỳ xa hơn. Không gian xung quanh các nguyên tử có cấu tạo hoàn toàn đồng nhất. Nói cách khác tinh thể có trật tự xa. Hình 1.4 là cấu trúc tinh thể của muối ăn, hình 1.5 là cấu trúc tinh thể của kim cương. Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể của kim cương Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể muối ăn 1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể Một cách gần đúng, thể tích của một khối lượng chất lỏng là đại lượng không đổi. Giống như trong vật rắn các nguyên tử có xu thế tiếp xúc với nhau và chiếm một không gian hình cầu kích thước khoảng 0,25 mm. Nên chất lỏng không có tính chịu nén. - Chất rắn vô định hình và vi tinh thể: Theo sự sắp xếp có trật tự trong không gian của các nguyên tử, ion hay phân tử(gọi tắt là các chất điểm) người ta chia các chất rắn ra làm hai nhóm vật tinh thể và vật vô định hình. Trong vật rắn tinh thể các chất điểm sắp xếp theo một quy luật(trật tự) hình học nhất định, còn trong các vật vô định hình thì các chất điểm sắp xếp hỗn loạn. Tất cả các kim loại và hợp chất của chúng ở trạng thái rắn đều là vật tinh thể hay nói khác đi có cấu tạo tinh thể. Điển hình của vật vô định hình là thủy tinh, nhựa, cả hai trạng thái lỏng và rắn các chất điểm đều sắp xếp không trật tự. Sự khác nhau giữa chất lỏng và vật rắn thể hiện như sau: Các nguyên tử luôn luôn chuyển động do ba động nhiệt. Nhận thấy rằng, trong một vùng không gian nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử), một số nguyên tử sắp xếp có trật tự, nhưng không ổn định luôn luôn bị phá vỡ do ba động nhiệt. Như vậy chất lỏng có trật tự gần. Ngược với tính dị hướng trong chất rắn của vật rắn, chất lỏng có tính đẳng hướng vì trong chất lỏng số lượng nguyên tử, phân tử 8
trung bình trên một đơn vị chiều dài và lực liên kết giữa chúng như nhau. Theo một hướng trong không gian; Độ sắp xếp chặt (tỷ lệ giữa thể tích do các nguyên tử chiếm chỗ trên tổng thể tích) của chất lỏng kém hơn so với vật rắn (quá trình kết tinh hoặc đông rắn thường kèm theo sự giảm thể tích. Một cách gần đúng có thể minh họa chất khí, chất lỏng, chất rắn bằng hình ảnh tương ứng: hội trường hòa nhạc trật khán giả khi còi báo động (khí) khi kết thúc buổi hòa nhạc (lỏng) và hàng ngũ bộ đội chuẩn bị duyệt binh trên một quảng trường (rắn ). Giống như chất lỏng, vật rắn vô định hình có tính đẳng hướng. Cần lưu ý rằng, nếu làm nguội kim loại hoặc hợp kim lỏng với tốc độ lớn lớn hơn (104 - 109 )oC/s, vật rắn nhận được sẽ có cấu trúc vô định hình hoặc cấu trúc tinh thể với kích thước rất nhỏ (khoảng nanomet), gọi là vật rắn vô định hình hoặc vi tinh thể. 1.3 Khái niệm về mạng tinh thể 1.3.1 Ô cơ sở Để có những khái niệm đầu tiên về mạng tinh thể, y hãy xuất phát từ khái niệm đơn z giản về ô cơ sở. x Ô cơ sở là mô a hình không gian mô tả quy luật a b hình học của sự )Hình 1.6 a) Mô hình ô cơ sở ) sắp xếp các chất b) Mô hình không gian biểu diễn mạng tinh điểm trong vậtthể tinh thể, hình 1.6a biểu diễn ô cơ sở của mạng lập phương đơn giản trong đó các vòng tròn nhỏ biểu thị các chất điểm (nguyên tử, ion, phân tử) và các đường thẳng nối giữa các đường là tưởng tượng. Thấy rằng, do tính đối xứng của tinh thể từ một ô cơ sở, bằng thao tác đối xứng, tịnh tiến theo 3 chiều trong không gian sẽ nhận được toàn bộ mạng tinh thể (hình 1.6b). Ô cơ sở được xây dựng trên 3 vectơ đơn vị , , tương ứng 3 trục tọa độ Ox, Oy và Oz. Tâm của các nguyên tử (ion hoặc phân tử) ở đỉnh ô là các nút 9
mạng Môdun của 3 vectơ a = ,b= ,c= là kích thước ô cơ sở, còn gọi là hằng số mạng hay chu kỳ tuần hoàn (chu kỳ tịnh tiến) của mạng tinh thể theo ba chiều tương ứng. Các góc tạo bởi 3 vectơ , , , khi hợp từng đôi một ký hiệu là ( là góc giữa và , giữa và , giữa và ) Thấy rằng trong cùng mạng tinh thể có thể chọn được nhiều kiểu ô cơ sở khác nhau.Tuy nhiên, vì ô cơ sở là đơn vị tuần hoàn nhỏ nhất của mạng tinh thể cho nên việc lựa chọn phải thỏa mãn nguyên tắc sao cho nó đại diện đầy đủ cho tính chất và cấu trúc của toàn bộ tinh thể. Các nguyên tắc đó là: - Tính đối xứng của ô cơ sở phải là tính đối xứng của tinh thể (về hình dáng bên ngoài và các tính chất); - Số cạnh bằng nhau và số góc (giữa các cạnh) bằng nhau của ô phải nhiều nhất; - Nếu có các góc vuông giữa các cạnh thì số góc đó phải nhiều nhất; - Có thể tích nhỏ nhất hoặc các cạnh bên ngắn nhất. Bằng cách tịnh tiến, đưa các phần tử (nguyên tử,ion hay phân tử) lên tâm các mặt bên, tâm đáy hoặc tâm các ô cơ sở đơn giản. Dựa vào mối tương quan (a, b,c và các góc α, ß, γ ) mà người ta chia ra 7 hệ tinh thể. Khi tịnh tiến các ion (Phân tử, nguyên tử) về tâm của mặt, tâm khối ta được 14 kiểu mạng Bravais. Tất cả các mạng tinh thể của chất rắn đều biểu diễn bằng một trong mười bốn kiểu mạng Bravais (bảng 11). Bảng 1.1 Các kiểu mạng Bravais Quan hệ Quan hệ Các kiểu mạng Bravais Hệ tinh giữa các giữa các thể Đơn giản Tâm đáy Tâm Khối Tâm mặt trục góc Ba α # ß # a # b #c nghiêng γ # 90º Một α = γ = a # b #c Nghiêng 90º # ß 10
Trực α = ß = a # b #c Thoi γ = 90º Ba a = b = α = ß = Phương c γ # 90º (thoi) α = ß = Sáu a = b # 90º = γ Phương c = 120º Bốn a = b # α = ß = Phương c γ = 90º Lập a = b =c α = ß = Phương γ = 90º 1.3.2 Thông số mạng Thông số mạng hay hằng số mạng là kích thước cơ bản của mạng tinh thể, từ đó có thể tính ra các khoảng cách bất kỳ trong mạng. Người ta thường xác định thông số mạng theo kích thước các cạnh của khối cơ bản (hình 1.7). Đơn vị đo chiều dài thông số mạng trong tinh thể là ăngstrôm (Ao), 1 Ao = 10-8cm. Từ thông số mạng có thể tính được khoảng cách giữa 2 nguyên tử bất kỳ trong mạng. a 1.3.3 Nút mạng và cách xác định Hình1.7 Thông số mạng (a) Coi các nguyên tử là những quả cầu rắn giống nhau, xếp xít nhau liên tiếp theo ba trục vuông góc x, y, z trong không gian. Nối các tâm của quả cầu nguyên tử sẽ được hình ảnh của 1 mạng tinh thể lập phương đơn giản. Hình lập phương nhỏ nhất với 8 đỉnh là tâm của 8 nguyên tử được gọi là ô cơ sở. Mỗi nguyên tử là đỉnh chung của 8 ô cơ sở gọi là nút mạng (hình 1.7). Vị trí nút mạng được ký hiệu bằng ba số,tương ứng tọa độ của nút mạng trong hệ trục tọa độ đã chọn, đặt trong ngoặc vuông kép ([[..]]), giá trị âm của các tọa độ được ký hiệu bằng dấu (-) trên tọa độ tương ứng, ví dụ nút A trên 11
hình 1.8 được ký hiệu [[111]]. Do tính đối xứng của mạng tinh thể nên tọa độ của mọi nút mạng có thể suy ra bằng phép tịnh tiến các nút trong ô cơ sở với các bước bằng số nguyên lần hằng số mạng a,b,c. Ví dụ, nếu tọa độ của một nút trong ô cơ sở là x0, y0, z0 thì tọa độ của một nút khác sẽ là : x1 = x0 + n1a y1 = y0 + n2b z1 = z0 + n3c trong đó n1 ,n2 ,n3 - các số nguyên Tọa độ còn có thể biểu diễn dưới dạng vectơ : = + n1 + n2 + n3 1.3.4 Chỉ số của phương tinh thể Phương tinh thể là đường thẳng đi qua các nút trong mạng tinh thể. Cách nhau những khoảng cách theo quy luật xác định và được ký hiệu bằng ba số nguyên u, v,w tỷ lệ thuận với tọa độ của một nút gần gốc tọa độ nhất, nằm trên phương đó. Hình 1.8 Chỉ số đường và điểm trong mạng tinh thể Chỉ số âm có ký hiệu (-) ở trên. Trên hình 1.8 nêu một số phương [111]. [110]. [221]… Vectơ đơn vị của phương sẽ là: =u +v +w Do tính đối xứng, muốn tìm chỉ của một phương nào đó. Chỉ cần tìm chỉ số của phương song song với nó. Đi qua gốc tọa độ. Những phương song song nhưng có tính chất giống nhau tạo thành hệ phương, ký hiệu [uvw], Những phương không song song nhưng có tính chất giống nhau tạo thành họ phương. Ký hiệu . Các phương trong một họ có trị số tuyệt đối u, v, w giống nhau, ví dụ (hình 1.8) họ phương gồm sáu phương : [010], [001], [100], [0 ī 0], [00 ī] và [ī 00]. 12
1.3.5 Chỉ số Miller của mặt tinh thể Mặt phẳng tinh thể là mặt phẳng trong không gian mạng tinh thể được tạo nên bởi những nút mạng, sắp sếp theo một trật tự xác định. Chỉ số Miller của mặt phẳng tinh thể được ký hiệu bằng ba số nguyên h, k, l tỷ lệ nghịch với những đoạn thẳng, kể từ gốc tọa độ đến giao điểm mặt phẳng đó với các trục tọa độ tương ứng Ox. Oy, Oz. Có thể xác định những chỉ số h, k, l của một mặt phẳng tinh thể theo các bước (ví dụ mặt phẳng P trên hình 1.9) như sau : - Tìm giao điểm của mặt phẳng với ba trục tọa độ Ox, Oy, Oz; - Xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ đến các giao điểm tương ứng nói trên (1; ½; 1/3 trên hình 1.9). Lấy giá trị nghịch đảo của chúng (1;2;3). - Quy đồng mẫu số chung các số nghịch đảo tìm được, ba số nguyên h, k .l, trên phần tử số sẽ là chỉ số Miller của mặt phẳng đang xét. Mặt phẳng P trên Hình 1.9 có chỉ số (1.2.3) Phương trình của mặt phẳng trong không gian là: Hình 1.9 Cách xác định chỉ số Miller của mặt phẳng P Nếu mặt phẳng song song với trục tọa độ, chỉ số Miller tương ứng sẽ tỉ lệ với 1/∞ nghĩa là nó bằng (ví dụ, mặt (001) là mặt của ô cơ sở song song trục Ox và Oy). Giá trị âm được kí hiệu bằng (-) trên chỉ số tương ứng. Hệ mặt phẳng tinh thể ký hiệu(h, k, l) là những mặt song song, có tính chất giống nhau, vì vậy muốn xác định chỉ số của một mặt bất kỳ chỉ cần xác định chỉ số của mặt phẳng song song với nó, nằm ở ô cơ sở chứa trục độ. Các mặt phẳng tuy không song song nhưng có tính chất giống nhau tạo một họ mặt phẳng. Chỉ số Miller của các mặt phẳng trong họ được ký hiệu dưới dạng {hkl}. Giá trị tuyệt đối h,k,l của chúng là như nhau, chỉ đổi vị trí cho nhau, ví dụ {100} trong mạng tinh thể có ô cơ sở là hình lập phương gồm : (100), (101), (001), ( ī 00). (0ī 0) và (00 ī) tức là các mặt bên và đáy của ô cơ sở. 13
1.3.6 Chỉ số Miller-Bravais trong hệ sáu phương Các chỉ số Miller trong hệ tọa độ ba trục tỏ ra không thích hợp đối với hệ tinh thể sáu phương, vì các phương hoặc mặt cùng họ có chỉ số khác nhau. Để biểu diễn phương và mặt tinh thể trong hệ trong hệ sáu phương, phải dùng chỉ số Miller- Bravais, tương ứng với hệ tọa độ gồm bốn trục : Ox, Oy, Oz và Ou (hình 1.10), Ba trục Ox, Oy, Ou nằm trên cùng mặt phẳng đáy của ô cơ sở, từng cặp hợp với nhau một góc 120º vuông góc với trục Oz. Gốc tọa độ O là tâm của mặt đáy. Cách xác định chỉ số Miller-Bravais hoàn toàn giống như trường hợp chỉ số Miller. Để ký hiệu mặt tinh thể, các chỉ số được viết trong ngoặc đơn có dạng (hkil). Có thể chứng minh được quan hệ: i = - (h +k) Trên hình 1.10 chỉ số của các mặt BCH, ABHG và AGLF tương ứng là (01ī0). (10ī 0) và (1ī 00). Những mặt phẳng này thuộc cùng một họ, với tập hợp các giá trị số tuyệt đối của các chỉ số là như nhau {01 10}. Nếu dùng chỉ số Miller ký hiệu các mặt phẳng đó tương ứng là (010), (100) và (1 ī0). Rõ ràng chỉ số Miller-Bravais thể hiện đúng hơn tính đối xứng của tinh thể sáu phương. Hình1.10. Chỉ số Miller-Bravais trong hệ sáu phương 1.3.7 Các kiểu mạng tinh thể trong kim loại nguyên chất 1.3.7.1 Mạng tinh thể lập phương tâm khối(lập phương thể tâm) Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, vì vậy mạng này chỉ có một hằng số mạng. Các nguyên tử nằm ở đỉnh và trung tâm(hình 1.11b) số nguyên tử n của ô cơ sở được tính như sau: mỗi nguyên tử ở đỉnh đồng thời là của 8 ô cơ sở nên thuộc về một ô chỉ có 1/8 nguyên tử, nguyên tử ở tâm hoàn toàn thuộc ô cơ sở. Các kim loại có kiểu mạng này là: Feα , Cr, W, Mo… 1.3.7.2 Mạng tinh thể lập phương tâm mặt (diện tâm) 14
Các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập phương. Hình 1a trình bày khối cơ bản của kiểu mạng này(hình 1.11a). Các kim loại có kiểu mạng này là: Feγ, Cu, Al, Ni, Pb… 1.3.7.3 Mạng tinh thể sáu phương xếp chặt (lục giác xếp chặt) Các nguyên tử nằm trên 12 đỉnh, tâm của 2 mặt đáy và tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách đều nhau(hình 1.11c). Các kim loại có kiểu mạng này: Be, Mg, Ti, Co... Hình 1.11 Cách sắp xếp nguyên tử trong ô cơ sở a) lập phương diện tâm b) lập phương thể tâm c) Lục giác xếp chặt 1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình của vật rắn 1.4.1 Chất rắn có liên kết kim loại Đặc tính cấu trúc của kim loại là: nguyên tử (ion) luôn có xu hướng xếp xít chặt với kiểu mạng đơn giản (như lập phương tâm mặt, lập phương tâm khối, sáu phương xếp chặt) và các liên kết ngắn, mạnh. do vậy trong lim loại thường không gặp các kiểu mạng không xếp chặt như lập phương đơn giản(hình 1.11). 15
1.4.1.1 Lập phương tâm khối A2 Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và các trung tâm khối như biểu diễn ở các hình 1.12a, b và c. Tuy phải vẽ tới chân nguyên tử để biểu thị cho ô, song thuộc về ô này chỉ là: nv = 8 đỉnh. 1/8 + 1 giữa = 2 nguyên tử (mỗi nguyên tử ở đỉnh thuộc về tám ô bao quanh nên thuộc về ô đang xét chỉ là 1/8, nguyên tử ở trung tâm khối thuộc hoàn toàn ô đang xét). Hình 1.12 Ô cơ sở mạng lập phương tâm khối (a,b); Các lỗ hổng(c) và cách xếp các mặt tinh thể. Thực ra trong mạng tinh thể các nguyên tử luôn xếp sát nhau (của hình a, b) song cách vẽ như ở hình c được thông dụng hơn. Trong mạng A2 này các nguyên tử xếp xít nhau theo phương đường chéo khối , như vậy về mặt hình học dễ dàng nhận thấy rằng: - Đường kính dng.t và bán hình nguyên tử rng.t lần lượt bằng a. 3 và a. 3 2 4 - Mỗi nguyên tử trong mạng A2 này luôn được bao quanh bằng tám nguyên tử gần nhất với khoảng cách ngắn nhất là a 3 (và sáu nguyên tử tương 2 đối gần với khoảng cách là a, nên có số sắp xếp là tám (hay đôi khi cũng biểu hiện thị bằng 8+6). 16
Các mặt tinh thể xếp dày đặc nhất là họ(110). mật độ xếp thể tích mv là 0,68 hay 68%. Có hai loại lỗ hổng: hình bốn mặt và hình tám mặt như trình bày ở hình d. Loại tám mặt có kích thước bằng 0,154 dng.t nằm ở tâm các mặt bên (100) và giữa các cạnh a. Loại bốn mặt có kích thước lớn hơn một chút, bằng 1 0,291 dng.t nằm ở trên cạnh nối điểm giữa các cạnh đối diện của các mặt bên. 4 Như vậy trong mạng A2 có nhiều lỗ hổng như kích thước đều nhỏ, lớn nhất cũng không quá 30% kích thước(đường kính) nguyên tử. Mạng chính phương tâm khối chỉ khác mạng A2 có nhhiều ở a = b  c, hay nói khác đi có hai thông a số mạng a và c, tức  1, kiểu mạng của mactenxit thường gặp khi nhiệt c luyện (tôi) . 1.4.1.2 Lập phương tám mặt A1 Khác với kiểu mạng A2 là thay cho nguyên tử nằm ở trung tâm khối là nguyên tử nằm ở trung tâm các mặt bên, như biểu thhị ở các hình 1.13a, b và c. tuy phải dựng tới mười bốn nguyên tử để biểu thị cho một ô, song thực chất thuộc về ô này chỉ là: d) e) Hình 1.13 Ô cơ sở mạng lập phương tâm mặt (a,b); Các lỗ hổng(c) và cách xếp các mặt tinh thể. nv = 8 đỉnh. 1/8 + 6 mặt. 1/2 = 4 nguyên tử. Thực ra trong mạng tinh thể các nguyên tử xếp xát nhau (các hình a, b), song cách vẽ như ở hình c được thông dụng hơn. Trong mạch A1 này các 17
nguyên tử xếp xít nhau theo phương đường chéo mặt , như vậy về mặt hình học dễ dàng nhận thấy rằng: - Đường kính dng.t và bán kính nguyên tử rng.t lần lượt bằng a. 2 và a. 2 2 4 - Mỗi nguyên tử luôn luôn được bao quanh bởi mười hai nguyên tử gần nhất với khoảng cách là a. 2 , nên có số sắp xếp là mười hai. Các mặt tinh thể 2 dày đặc nhất là họ (111). mật độ xếp thể tích mv là 0,74 hay 74%. có thể thấy kiểu mạng A1 này là kiểu xếp dày đặc hơn A2 và là một trong hai kiểu xếp dày đặc nhất (kiểu kia là A3). Cũng giống như mạng A2, mạng A1 cũng có hai loại lỗ hổng hình bốn mặt và hình tám mặt như trình bày ở các hình 1.13d và e, song với số lượng và kích thước hơi khác. loại bốn mặt có kích thước 0,225dng.t nằm ở 1 các đường chéo khối tính từ đỉnh. Đáng chú ý là loại lỗ hổng hình tám mặt, 4 nó có kích thước lớn hơn cả, bằng 0,414dng.t, nằm ở trung tâm khối và giữa các cạnh a. So sánh thấy rằng so với mạng A2, mạng A1 tuy dày đặc hơn song số lượng lỗ hổng lại ít hơn mà kích thước lỗ hổng lại lớn hơn hẳn(0,225 và 0,41 so với 0,154 và 0,291). Chính điều này (kích thước lỗ hổng) mới là yếu tố quyết định cho sự hoà tan dưới dạng xen kẽ. Khá nhiều lim loại điển hình có kiểu mạng này: sắt (Fe), niken, đồng, nhôm với hằng số a mạng lần lượt bằng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049mm; ngoài ra còn có chì, bạc, vàng. 1.4.1.3 Sáu phương xếp chặt A3 Ô cơ sở là khối lăng trụ lục giác (gồm sáu lăng trụ tam giác đều), các nguyên tử nằm trên mười hai đỉnh, tâm của hai mặt đáy và tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách nhau như biểu thị ở hình 1.14a, b và c. để biểu thị một ô cần tới 17 nguyên tử, song thực tế thuộc về ô này chỉ là Hình 1.14 Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt (a,b,c) và cách xếp các mặt tinh thể(d). nv = 12 đỉnh. 1/6 + 2 giữa mặt. 1/2 + 3 = 6 nguyên tử Trong kiểu mạng này các nguyên tử xếp xít nhau theo các mặt đáy (0001) phải hiểu là mặt gồm ba nguyên tử ở giữa song song với mặt đáy cũng là mặt 18
đáy (0001) này. Và đáy nọ lại chồng khít vào khe hở do mặt đáy trước tạo nên. Nếu mặt đáy có vị trí như a sẽ tạo nên các khe hở b và c (hình 1.14). Nếu thứ tự xếp chồng chồng chất luân phiên nhau chỉ là hai trong số ba vị trí như ABABA…, ACACA…, BCBCB… như hình 1.14b sẽ hình thành mạng sáu phương xếp chặt và chiều cao c của ô phụ thuộc vào cạnh a của lục giác đáy mà c 8 luôn bằng hay 1,633. Tuy nhiên trong thực tế c/a của kiểu mạng này thay a 3 đổi rất nhiều và không bao giờ đạt được đúng giá trị lý tưởng trên. Vì thế người ta quy ước: c - Nếu tỷ số nằm trong khoảng 1,57 và 1,64 thì mạng được coi là xếp chặt. a c - Nếu tỷ số nằm ngoài khoảng trên thì mạng được coi là không xếp chặt. a Bằng các tính toán tương tự cũng thấy mặt đáy (0001) và cả thể tích của mạng A3 cũng có mật độ giống như mặt (111) và cả thể tích như mạng A1 (cũng là 92 và 74%). Rõ ràng là cách sắp xếp nguyên tử trên hai mặt dày đặc này là hoàn toàn như nhau chút ít: thứ tự xếp chồng các lớp của mạng A1 là cả ba vị trí trên ABCABCA…như biểu thị ở hình 1.14c. Trong trường hợp sắp xếp xít chặt mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử bao quanh gần nhất với khoảng cách a, nên có số sắp xếp là 12. Cũng trong trường hợp không xếp chặt có số sắp xếp là 6+6. Trong mạng A3 cũng có các lỗ hổng bốn mặt và tám mặt. Các kim loại có kiểu mạng này ít thông dụng hơn là: c - Titan (tiỏ) với a = 0,2951nm, c = 0,4679nm,  1,5855(xếp chặt), a c - Magiê với a = 0,3209nm, c = 0,5210nm,  1,6235(xếp chặt), a c - Kẽm với a = 0,2664nm, c = 0,4945nm,  1,8590(khụng xếp chặt). a 1.4.2 Chất rắn có liên kết đồng trị hoá Như đã nói mỗi nguyên tử tham gia liên kết đồng hoá trị dều góp chung một điện tử hoá trị sao cho lớp điện tử cùng đủ tám. Như vậy nếu số điện tử ngoài cùng (hoá trị) tham gia liên kết của nguyên tố là N thì mỗi nguyên tử của nó phải liên kết với 8-n nguyên tử khác để tạo nên liên kết đồng trị hoá, tức có 8-n nguyên tử cách đều gần nhất, hay nói khác đi có số sắp xếp là 8-n. 1.4.2.1 Kim cương A4 19