Nghiên cứu khoa học vật liệu: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:378

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn sách "Nghiên cứu khoa học vật liệu" trình bày các nội dung: Cấu trúc tinh thể của vật liệu, giản đồ pha, khuếch tán và chuyển pha trong vật liệu, biến dạng và cơ tính của vật liệu, lý tính của vật liệu, ăn mòn và bảo vệ vật liệu, thép và gang. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu khoa học vật liệu: Phần 1

Chủ biên LÊ CÒNG DƯỠNG NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2000 https://tieulun.hopto.org
Tập thề tác giả Ts. NGUYỄN VĂN CHI (chưong 3) Ts. NGUYỂN KHÁC CƯỜNG (chương 7 và 10) Ts.K.H. TRÁN VÍNH DIỆU (chương 1 và 12) 1 Ts.K.H. NGUYỄN ANH DŨNG (chương 9) Ts.K.H. LÊ CÔNG DƯỠNG (chương mỏ đầu và 13) Ks. NGHIÊM HÙNG (chương 2 và phụ lục) Ts. TRƯƠNG NGỌC LIÊN (chương 6) Ts. ĐỔ MINH NGHIỆP (chưong 4) Ts. LÊ THỊ PHÁI (chương 1 ) 1 Ts.K.H. NGUYỄN VĂN THÁI (chương 7) Ts. TRÁN QUỐC THÁNG (chưổng 1) Ts. TẠ VĂN THẤT (chưong 3) Ts. NGUYỄN VĂN Tư (chưdng 3) Ts.K.H. NGUYỄN VĂN TRỊ (Chương 5) Ts. NGUYỄN KHÁC XƯƠNG (chuơng 8 và 12) Ban biên tập LÊ CÔNG DƯỠNG Đỏ MINH NGHIỆP NGHIẾM HÙNG NGUYỄN KHÂC XƯƠNG TRÁN QUỐC THÂNG NGUYỄN VĂN Tư 6.604 KHKT -2000 https://tieulun.hopto.org
Lời tựa 9 Ngày nay, sư phát triển của tất cả các ngànk kỹ thuật như chế tạo cơ khí, xây dưng, công nghiệp hóa học, luyện kim, kỹ thuật điện và điện tử, ffiao thông vận tải, công nghiệp thực phăm, ... đều gắn liền với vật liệu, dâu củng cần đến các vật liệu với tính năng ngày càng đa dạng và chất ỉượng ngày càng cao. Phát triển vật liệu đã trở thành một troìiỊĩ những hướng mùi nh.ọn của cac nước. Trong chiến lược phát triển kin h tế chung của đất nước, phát triển vật liệu là một trong những vấn đề then chốt đccông nghiệp hóa và hiện đại. hóa nền kinh tê. Do đó, trong chương trin h đào tạo đại học, kiến thức về vật liệu đã trơ thành yêii cầu quan trọng đối với các ngành kỹ thuật: Cần trang bị cho người kỳ sư tương lai nliữỉig hiểu biết cơ bản về vật ỉiậu nói. chuTiẼ, các tín h n ă n g và p h ạ m v i ứng d u n g của từ n g n h ó m v ậ t liệ u riê n g b iệt, từ dó có tk ể lự a chọn một cách hợp Lý loại vật liệu rần thiết cho một mục đích cụ thể, đáp ứng các yêu cầu kỹ thụât và kinh tế mong muốn cũng như tự ìninh có thể tham fíia trực tiếp vào quá trin h chế tạo và sử dụng chúng. Ba nhóm vật liệu, dùng p h ổ biến trong công nghiệp là vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ-ceramic và vật liệu hữu cơ-polyme. Trọng tâm kiến, thức trong lĩn h vực vật liệu là sự h iâ u b iế t bao q u á t rnôì q u a n hệ g iữ a cấu trú c và tín h ch ấ t, đ ố i v ớ i v ậ t liệ u kế t cấu th ì chủ yếu là cơ tính, còn đôi. với các vật liệu chuyên dùng th i có thê. là điện tính, từ tính, tính chổng ăn mòn... Dù là vật liệu kim loại, vô cơ hoặc hữu cơ thì chúng đều được khảo sát trên cơ sở các nguyên lý chung của vật liệu học, một môn khoa học sử dụng các thành tựu cùa hóa học, vật lý, hóa lý và nhiều ngành khoa học khác đâ'nghiên cứu các đổi tượìig vật. liệu rắn. Nhẳw đáp ứng các chươììịỉ trinh đào tạo mới theo ìiỊỉành rộng, một tập the cún bộ khoa học nhiều ngành khác nhau của Trường đạì học bách khoa Hà Nội soạn thảo cuôn sác/ì Vât liê u hoc dò. phục vụ ^iâng dạy và học tập cho các ngành kỹ thuật, ở các trường đại học. Cuốn sách gom hai phầìi chính sau đây: 1 . Các kiến thức cơ sở về cấu trúc và tính chất của vật liệu gồm các chương: • Cău trúc tinh thê : khảo sát sắp xếp nguyên tử trong vật chât nói chunịĩ và vật liệu rắn nói riêng, các trạng thái tinh thểcũnịí như p h i tinh thể (vô định /linh), các dạn^ sai lệch mạng tinh thể, đặc điẽm sắp xở]} nguyên tử trong vật liệu kim loại, vô cơ cũng như hữu cơ; • Giản đồ pha : kháo sát khả năng hình thành các pha hoặc tổ chức khác nhau phụ thìiộc vào thành, phần hóa học, nhiêt độ và áp suất; • Khuếch tán và chuyển pha : cung cấp các kiến thức cơ bản về quá trin h khuếch tán, chuyến pha lòng-rắn, tiêu biểu là quá trin h kết tin h từ thể lỏng, các quá trin h chuyển pha ờ thể rắn, là cơ sở của các phương pháp xử. lý nhiệt khác nhau; • Biến dạng và cơ tính của vật liệu : nêu khái quát bản chất của các quá trin h biến dạng đàn hổi, biển dạng dẻo và phú hủy, là cơ sở để kiểu môi quan kệ giữa câu trúc và cơ tính, nhóm tính chảt phô biến nhất của nhiều vật liệu thông dụng, củng như nắm được xu thê chế tạo vật liệu có độ bền cao; https://tieulun.hopto.org
4________________________________________________________________________LÒI TỰA • L ý tính : trin h bày bản chất của các tinh chất vật lý thông dụng như điện, n h iệ t, từ vá q u a n g ; • Ă n m ò n và bảo uệ v ậ t liệ u : nêu b ả n c h ấ t q u á tr ì n h ă n m ò n hó a học và điện hóa cũng như các biện pháp bảo vệ chông ăn mòn. 2. Cấu trúc và tính chất của các nhóm vật liệu cụ thê sử dụng phô biến trong công nghiệp, gồm các chương: • Thép và gang : loại vật liệu quan trọng nhất trong công nghiệp; • K im loại và hợj) kim mầu : gồm nhôm, đồng, magiê, titan, thiếc, kẽm, nỉken, coban và các hỢp k im của c h ú n g ; • Vật liệu vô cơ - ceramic : gồm các ceramic kỹ thuật, thủy tinh, bêtông và các vật liệu kết dính; • Vật liệu bột : loại vật liệu hiện nay có xu thê phát triển nhanh cho các đôi tượng kết cấu như chi tiết máy, dụng cụ, • Vật liệu hữu cơ - polyrne : gồm các loại polyme, caosu, sơn, kco và gỗ; • Vật liệu kết hợp (compozit) : một nhóm vật liệu mới nhiều tiềm năng, gồm c o m p o z it nền k im lo ạ i, nền c h ấ t dẻo hoặc c e ra m ic v ớ i các c h ấ t g ia c ố d ạ n g sỢi. hoặc hạt. Ngoài ra, chương cuối cùng "Xu th ế p h át triển, lựa chọn và sử dụng vật liệu" đế cập đến các nguyên tắc lựa chọn và sử dụng vật liệu có chú ý đến các yếu tố công nghệ chẽ tạo, hiệu quả kinh tè (giá thành) củng như yêu cầu bảo vệ môi trường uả xu th ế phát triển vật liệu trên th ế giới hiện nay. Phần phụ lục gồm các phương pháp thử cơ tính (độ bền, độ cứng, độ dẻo), phương pháp kiểm tra tô chức tế vi, nguyên tắc ký hiệu vật liệu củng như bảng đôi chiếu một sô'loại thép thông dụng của các nước. Sách này nhằm thay thếCUỐTÌ "Kim loại học và nhiệt ỉuyện" trước đây cỉùrìỊĩ clìQ các ngành khác nhau của Trường đại học bách khoa Hà N ội và có th ể sử dụng đế' giảng dạy hoặc tham khảo tạ i các trường đạ i học kỹ thuật khác trong nước. Trong quá trin h soạn thảo, các tác giả đã cố gắng sử dụng những hiểu biết và kinh nghiệm củng như thực tế Việt Nam tích lũy được trong hàng chục năm công tác giảng dạy và thực tiễn, đồng thời tham khảo chương trin h giảng dạy củng như các sách giáo khoa về vật liệu học ở các trường đại học của nhiều nước tiên tiến xuất bản trong những năm gần đây. Tập thể tác giả xin chân thành cám ơn Bộ giáo dạc và đào tạo, Ban giám, hiệu Trường đại. học bách khoa Hà N ội củng như nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đ ã h ồ trỢ n h iề u m ặ t đ ể x u ấ t b ả n cu ố n sách này. Nhằm ngày càng hoàn thiện chương trin h giảng dạy củng như các nội dung cụ th ể của m ô n học, c h ú n g tô i m o n g n h ậ n đxỉỢc n h iề u gó p ý củ a độc g iả , x in g ử i. theo địa chỉ: Bộ môn vật liệu học và nhiệt luyện, Trường đại học bách, khoa Hà Nội. Chủ biên Gs, Ts LẺ CÔNG DƯỠNG https://tieulun.hopto.org
ĐẼ’ TƯỎNG NHỚ GIẢO sư, TIẾN SỸ, NHÀ GIẢO ưu TÚ J l ê G ế H íị, '^ iỉ& n c ỷ Sự hình thành cuốn sách này là bước di đầu tiên nhằm thực hiện ý tưởng xày dựng một ngành đào tạo rộng và mói ở nước ta - ngành Khoa học vật liệu vá cóng nghệ mà Giáo sư Lé Cóng Dưỡng là môt trong những người khởi xướng và có nhiều tàm huyết. Tiếc rằng sau một tai nan hiểm nghèo Anh dả ra đi để không bao giờ có cơ hội được chúng kiến sự ra đời của cuốn sách nữa. Trong khi hoàn thành những công việc biên tập cuối cùng do Anh để lại, chúng tôi đã cố gắng giữ đúng những nguyên tắc mà Anh đâ đưa ra ban đầu vè nội dung và bổ cục của cuốn sách. Chúng tôi củng xem việc hoàn thành cuốn Vật liệu học là một kỷ niệm sâu sắc và không thê quén về môt thời gian cộng tác rất hiệu quả giữa Ban biên tập \/à tập thể tác giả cùng Giáo sư Lé Cóng Dưỡng VỚ tư cách là người Chủ biên I đầu tiên của cuốn sách. Hà nội, Mùa hè năm 1996 Thay mặt Ban bién tập và tập th ế tác giá ĐỔ MiNH NGHIỆP https://tieulun.hopto.org
https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC CHƯƠNG MỞ Đíỉu 0.1. KHÁI NIỆM VÉ VẬT LIỆU • • • Theo cach hiếu pliổ biên nhất t.hì vạt liệu là nhữiis vật. rắn Iiìà con Iigiíòi sií clụiig đe chê tạo dụne: rụ. lìiãy inoc. thiòt bị. xây dựng công trình, nhà cửa. thay thế c:no bộ phạn cơ ĩhe hoạc cle thể hièii c;u' ý do u.shệ tiuiạt nói chung. Dựa theo các tính chất đặc tru ìiịi. co tho pháii biột, bn Iihóiìi vậ t liệu chính sau clày; vạt. liộ\i k im loại, vật liệu vó cơ-revamú' và vạt liệii hữu cơ -polynie. V ật liệu k iiu loại ià Iihữiig vật the (lan diệu tôt. J)liàii xạ ánh sang với màn sác đậc triíiig , có khả uăiig bièn clạiig dẻo tôt ngay cả ở nhiệt độ thấp và thưòng là kém ben vững hóa học. Đặc điểm cau trúc của vạt liệu kim loại là sự sắp xếp trậ t tự của cac; nguyên tử. tạo t.hành mạiig tiiih thò vc'n độ xép chạt cao. liêu kết với nhau nhò k h í điện tiV tự do, Trong mạng tm l\ tlie luôn hiôn tổn tại cac khuyết tật. trong một sô (ỉiè\i kiện có the chuyển hoàn toàn suiiíi ỉ rạng thái kliỏng trật, tự (vô định liĩiih ). Vạt liệ ii k im loại t.liónK cliniR lìi tlìó\) và gang, đồng. Iihôỉii, tita u , Iiike ii. ... và cac hớp kim ciia cl)úiig. Vật, liệ ii vô cci-ceraiìúc là cac chiVt dần (tiện kóin. thướng là t.roiiK siiôt. không liiòn dạng dẻo, rã i giòn, rát bf*ii vững hóii liọc và noiiK chĩiy ố nhiệt độ rát cao. T lià n li phần câ\i tạo d ìii cliiíng là c;ir hỢ|) c:luVt giữu kim loại (Mg. Al, Si, Ti, Zr, ...) và phi kiin loại (iiíới clạiiịỊ các oxvt. Ciichit. n itrit. ... vdi liên kêt bền vửiig kiểu ioii hoặc đồng hóa trị. cỏ sắi) xèp trá t tự (t;u) tliành niạiiíí tinh thể) hoặc khôiig trậ t tit (trạ iig thá i th ủ v t.inli. vô cỉịnli hinli). T ('^1 ^fọi ceraiiiic có Uííiiồn gôc từ tiẻ iiíí Hy Lạp 1 "keraiiìikos" với Iigliĩa "vạt. innig" hdi khi cliê tạo t,lní(iiiK pHải qua niuig thiê\i kẻt.. Cac ceramic truyền t.hôìi^f là thủy tin li. gốni, sứ. t.hiíờiig và gạch chịu lửa. Ngày nay ceraniic cl\íỢc hiểxi vói nghĩa klia rộng, bao gổni toàn bộ các vạt, liệ\i vô cd như các ceramic truyền thống, ceraniií' công nghiệp và cerainic đặc biệt, sử cỉụiig trong côiig nghiệp ctiộn. điện tử. hàng không vũ trvi. v.v. V ậ t liệ ii hử ii cơ - polyine là n liữ iig chất dẫn cìiộn kéni. giòn ỏ nhiệt độ thấp và có khả năng bièn clạiifĩ cỉèo ở nhiệt độ cao. bền vừiiíí lióa học ở nhiệt độ phòng và trong không khí. Iióiig cliảy hoặc phán liủy nhiệt (tộ t\fơng đôl tháp. Hai nguyên tô thà nh pliần chù yêu của nhóm vật liẹu Iiày là cacbon và hyđro. có thể chứa thêm oxy. clo. nitơ, ... liên kèt với nhau trong các mạch phàn tử kích tlntớc lớn sắp xpp trậ t tií (trạng th á i tinh thể) hoặc không trật tự (trạng thái vô định hình). Ngoài các vật liệu hữu co’ tự nhiêii như caosu. xenliilo. ... phnn lớii v ậ t liệ\i hữu cơ sử dụng rộng rã i hiện nav là cáf polvnie tổng hỢp; chúng là sản phẩm của qua trìn h trùng hỢp (polynie hóa) cac phâii tử đơn (iiioiionie) và (1 (tó. tù y tlieo ngiiồii gôr cluVt (» https://tieulun.hopto.org
8 CHƯƠNG Mỏ ĐẨU trùng hỢp, chiíiis có cã(’ tén gọi khác nhau uhư polyetyleii (PE). polyỊ)ropylen (PP). polystyreii (PS). v.v. Ngoòi ha nhóm ('ó bản trên, ró thể bổ R\uig thêm một Iihónì q iia ii trọng thứ tii : vặt liệu cunipozit. (vật. liệxi kèt. hợp). Dây lủ sit kèt. hỢi) giữa hai hoạc Iihiểu loại vạt liệii vói oac tính ch
VẬT LIỆU HỌC 9 dỡi củ;i vật liệ\i h;iii troiiL’ Iiluni;.' n MII I.ini inư n a y k h ô i i o t h ê t a c h i'o i S IÍ t i i ( ’ i) C.IC v ạ t li ' i ( tạ c h i ẹ t k è c ả v ạ t . l i ệ u c : o m p o z i t . Troiiíỉ' tai c;i cac vạt liọii llii kiin loụi (•(• v;ii 1ró (|uyò't (ỉịiih (íp'n sự phat t.riển xõ hội và kỹ íhuặt. 'l'ừ Uhi thríi (hn (!ũ (1;| cliuvon -íaiiK' tluíi dni đồ đổiiíĩ. cac k iiiì loụi (tõ plu.u: vu (iríc lực cho 1’011 u^ưòi. UIIÌỊ) 1 iiỉ.'U'ii x:'iy clựuu' và saiìỊỊ tạo. klia in pliã các -(111 l)í n iiịt của tliiôn Iihión. i'hẽ tac ra nliừuỊ^ re, r;m. may mõr và nhữiiíĩ CÔIIR trình tuyẹt (liệu. Như nlià l):ic hoe l.oinonoxoN’ (l;ì irii:" Khũiụ4 mộl lĩnh vực ký thuột nào. k liô iis mọt lĩiili vtíc nghệ tluuìl liao, khôn.i; Iiiụt iiỵiiP lliíi cồng (tòn giản nào lại c-() thè tra n h ct\íỢr viẹr sứ (lụuỉ: kim Idíii" Car iòuơ Trinh Iiohệ thnặt. lìổi t.ièiig nlní fh a |) E ^ i l í c l ('i P a n s . t i r ọ H í ; ' ( t à i N ử t l u i i i ! i í (lu ('( N ( n v Y o r k . ... l ì i n l u ì i i í ; ' CÔIIK t r ì n h Iniiio kiin loại. Sự phát triòn khôiií; uuũii.tí < ia Iiia> (lọii.L- lự«‘. CÕII^ vụ cua mọi công' cụ. gắn liồn '(’ vd i sự p h a t triẽ n v ; Ị l l i ẹ u k i i i ) l o ạ i V(ii i i l ) ữ i i Ị : ‘ t í n h I i í í à v c à i i ị i c a o : n è u S IÍ r u (ì('li của ítọn.íi cci '.lòl li’on,ia d ì i i h , l i ’j n . n t r í n ộ i l l i i i l VÌI c o t ỷ l ệ n ^ à y cà u ịX t n n g t r o ì i ị ĩ các thièt bị. may nioc. Iilm t lò ỉi'0 iifi Iiliữii
10 CHƯƠNG Mỏ ĐẤU Thời kỳ sử (ÌỤÌÌỊĨ các vật Ìiậìi có sẩn trong tự nkicìì ; Dây là tliồ i tiển sử của loùt n^iíòi. hàng chục nghìn (tếii hàng nghìn Iiăni tntốc công nguyên (TCN). Cí\c vạt li(Mi Ííủ (liiiiíỊ I)hố bièn thời hny ííici là: - Vạt liẹu liiìii cơ : (la. gồ. sdi tiiực vạt. ... : - Vật liệu vô ccj ; (íat spt. đá. coc loại khoáng vật; - Ivim Inại ; vàng, bạr và đồug t ự nhiêu, sắt thiên thạch. Phaii lớn (-:u’ vật liệu được sử dụuíĩ ở (lạng nguyên thủy, không (pui (-'hê hiôn. C;ic vạt clụntỊ dước' h ìiili thành bhng cách cắt. đậi). inài. nghiền..... đục hiệl Iigưòi cỗ Ai (^.ạp. Babylon. La Mã. T rung Quốc đả biêt I)hơi đat sét. ngoài nắng để làni gạch xây. Thời kỳ chốlạo và sừ dung rậ t liệu theo hinh ìighiệin : Con Iigưòi phải niảt một thời giaii kha (lài nliiếvi Iig h ìii Iiãni đế tích lũ y các qiiuu sat Iigả\i nhiên và kinh Iighiệin. thực hiẹn cac thử Iifíhiệni ròi rạc cũng Iih\í có hệ thông Iih a iii tạo ra các vạt liệu caii tliièt. kliòiig có sàn tro iig tự nliién. Những sự kiện qviaii trọng của tliổi ký Iiày là: - Từ (i 000 đến 2 000 Iiăni TCN con Iigưối đã biết, chế tạo cac VIÌ khí vn vặt (lụiiR bằng {tồng t.ìi q\iặng. N luìug cục xỉ đồng vối uiên clại klioảng 8 000 nủin pliat hiện ở Tliố Nlũ Kỳ nói lên sự xuát hiện rã l sớni Iighè luyện đồng từ ti\iạng tréu hành tinh, ('ac trôns (tồng, cổ ở Iiưóc ta cỏ Iiiê ii đại từ .'- 000 ciến 4 000 lìăiii. 5 - Con Iigưòi íỉan (láii đã Iih ậ ii thức (híỢc rằng cãc dụiiịí cụ bang sắt có tính iiăiiK sử dụug t.ỏ’t h(in so vỏi đồng. N lníng "sắt tròi" (sắt thiên thạch) khôiig the (táp ứiiịỊ cac Iiin i rau thưổiig xiiyên, Vì vậy. COII người phải tìm cách lấy sắt. ra từ quạiiK- Những lò hivện sắt đầu tiên xuũt hiệu ỏ T n m g Qiiôc và Ai Cập hớn 3 000 Iiàni TC-N. Car (lụiiíí í'ụ haiiK thép (sắt chứa cíicboii) xuất hiện vào khoảng thè kỷ XV T (’ N và hôn tliè kỷ SÍHI Iiguòi Hy Lại» và La Mã đã biêt tôi théị) để tang độ cửiig. kỹ Miuậl này (ỉạt đỉnh cao vào thòi trving cố vỏi cac tlu iiih kiêm Đainascus (Syri) IIÔ) li^ iií; Iiià cho đốii ugày hôi\) uav vảii CÒII là một bí au công' nghệ. Người Ảii Dụ co (lụi C hí (Ịuyèì chẻ tạo sắt không bị oxy hóa để dựng cột tưởng uiệni ỏ New Dehli 'ó Iiậiis G.õ tấu vào thế kỷ thử năm snii rông uguyên (SCN) nià cho đến ngày nay ván khôiip, bị gỉ niặc dủ không có lójp SƠII bảo vệ uào. Kỹ th u ậ t chế tạo thép q\iy mô lớn xiuVt hiện vào
VẬT LIỆU HỌC 11 IIỊLM Ì (tà C kliii nnna (l;inli líiii (lịiili Iinli (1 ) '11 lntc.im phai t.riổn vạl ÍÒ O liệii, (íịiili l i ií c íiiiíi' c : i c OÔUỊÌ IIÍIÌH,' ( i i ( ' l ạ o VIÍI t í u l i ( i i í i i I l o i ụ ’, I i m o i i . .Sự x u a t h i ộ n c ủ n iiR liệ c h è Tạo h ụ ]) k i i t ì n l i o i t i c ứ i i v ; '1>i v ; i ì ; ì i l i/ỈO i i i I kì ( | u :i I i ì n l i l i õ a íỊÌà I n è i i c ứ n g , công Ii^hẹ chò tạo chat (ÌP(I ixdvmi' tilxi (|U:I tn iil) liííp (1940). công Iiíĩhệ chè’ tạo l);:n ( la n (ìíỉõ õ ) l):n iíỉ k y th ii;n tin li Itiv iM i v n - ; 1(I ln'|) c h u y ê n tiẽ p . ... l à những sự kiẹn nôi l)ạt. 'ri-('u (■> s v ;it I k n i o o i n p o x i t S(ỊÌ (U lH ỉì). hợp kim Iilui h iiili (lílTÕ) V;'i kiin hn.ii tliiiv 1ỊIIỈ1 (1'.IS0) Oii là chưa kò' rat n liiề ii loại vạt iiíMi dang t i‘oiiíĩ’ (Ịun Iriiih uu;luoi) CIÍU (|11V I lũ plioni'. thí n^liiệin. cỏ Iihiểii t.rÌPii vong sử J 11R rãi trou^ Iiln íiiíĩ ’Ọ ' !\,\' Iiìi Str l.rien nlianh của tin học và ky th iu it vi tin li trdii.u iilnìuỊ; nam (l;iv Iạ
]'2 CHƯƠNG Mỏ ĐẤU khi yêu cnu rci han l;i (lù 1)(M1 có học, ('ne (’(» tiiili thòiiy dụiiíĩ ịíốiii ; độ rứ iiịí. mòfhiii (làii liồi, ^i(íi hạii cháy, ^idi liạii l)ẽn, liạ ii mói. dọ (lai va (lạp. ('ac lý và hoa tnih ĩln íò iiẹ lỊuan tn iìi hì diộii tín li (dộ (laii (tiệu. (liọii t.n'i s\uVt). Iiliiộ t tính (độ dãn Iihiọt. uliiệ t (lung, rlộ ííiàn nliiọT). tữ tíiili (dộ tứ tli.ỉiu. (ỉọ từ hóa, lực khử từ), lióa t.iiih ((tiệii thè (liệu {'ực. kh:i IKIIIK l ỉiòiis :1I1 I I I Ó I I , . . . ). Vạt liệ u ( tu Ợ c s ử d ụ i i ” (lư
P hẩn / VẬT LIỆU HỌC cơ sỏ https://tieulun.hopto.org
1\ Chư,i„Ịĩ I CẤU TRÚC TINH THE CỦA VẬT LIỆU Chương ỉ CRU TRÚC TINH TH€ CỦA VẬT LI€U Phụ tluiộc vào diếu kiện tạo thà nli (iihiệt (tạ. a|) stiấl. ...) và t\tơng tác giữa oác phán tử cấu thành (li.ír liên kèt yiữa các Ị)liân tử, uguyẽii l ừ), vạt chất có thể tồn tại ớ trạng thai rán. lỏns hoạc kh í (liối). T íiih chất, của vạt rán (vạt liệu) phụ thuộc chủ yẻ\i vào cach sap xẽp củn các piian tử cau t.hàiili vò lựi: liêii kè l giữa chúng. Trong chưdng này uhữug k lu ii niệm C bàn sô chrợc (tề cạp là ; cãii tạo nguyên tử, các dạng ờ liẻii kốt và cấ\i trúc: tin li t.lu\ khôuii' tiiih thồ (vô (tụih liiiih ) ciui vạt X'ắn. 1.1. CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ Trong niục này sẽ trình bày mọt sô khái niệm rcỉ bản VP CÍIU t.ạo iigẦiyên lử vn CiJC t l ọ n g l i ê n k ẻ t , c i ữ a c l i ú n í í . n l i ữ u ỉ ĩ y è u v a i t r ò ( | i i n n trọ iiẸ i' d ô ì v ớ i c ; ĩu t.rũ c vò tíiili i-luVt củu vại rnn vii vạt liộii. 1.1.1. K H Á I N IỆ M C ơ ÍỈẢ N VẾ ('Ấ U TẠO NGUYÊN TỦ 4 N^uvôn tiV là lìiọt hò thôn.í h;i
VÁT LIÊU HOC 10 l.ạo l.hàiili những plià ii lớp t ư ơ U R ứiig. fỉ\í(íc ký liic\i lan lượt, là .S p. d, f, ... ứng vói -, / 0. 1. li. 3. - S ố ìư ợ ii^ tứ iừ ÌIÌ/ : xao định kha naiííí (tịiih lníóMíí cho phẽp của vectn inônien XUIIÍỈ lượiig quỹ đạo dôi với chiều của tn' trưóní;' Ii^nài, có t r ị sô bằiiK 0. J .l. ±2. .... 7: - Sỏ'ỉì/'Ợìifĩ tử sj)in : xac dịnli khTi u:in,u (lịìih Iníííiig Iigiíợc chiều nluni của vectơ niônien xung híỢng spiii của (tiện tử. //í^ ~ + 1/2. Ngoài ra. SI.Í phàn bô điện tử theo cac mức t.rạiis thãi (khả năng có mặt tại một Ị)liâi) lớp nào đó vói một trạ n ií thái Iiaiití luọnỵ x;u' (lỊiih) ròn pliải tuân lỉ)eo ìiíịuyrìi /y P a i/li : niồi trạ iig thái với ha liíọiiíí từ II, L //// xac định chỉ có tliể ('hửa hai íliệii t.ử voi .spiii iigiíỢt' cliiểii Iihaii. Dựa vào Iiịíiiyẽn lý này. có tliè (lự (toáii sò (tiẹn tử cho phép trẻ ii cac bậc năiitĩ luỢiiK (ứníí V('ỉi C lóp và phân lốp) khac nhan IIC (bảiiịí 1. 1). Bảng 1.1. Số lượng điện tứ (số trạng thái năng lượng) trẽn một sỏ' lớp và phân lớp Số lượng Ký hiệu Ký hièu phân Số lương trạng Sỏ' lượng điện tử cỏ thể tử chính lớp điện tử lớp điện từ thai có thể trèn trên lớp phân lớp K M 18 d 10 N 32 10 1 14 Ví dụ. nguyên tử (tồng (Cu) vỏi .sô thữ lự nguvên tử z - 29, có phân bô điệii t.ử như sau; ĩs - 2s-2p' 4s' K L M N T ro iiíĩ sổ dồ phân bô điện tử này (còn íỉ,ọi là cáii hình (tiện tử) ctà cliỉ rn ; sô lơợiig tử chíuli (cac sô Iigiiyêii 1.2.3...). ký hiộii pliâ ii lớp (các chữ N }), (/), sô đièu lử . thuộc phân lớp (sô imì trên ký liiệu |)h;in lo|)) và ký hiệu lớp điện t.ử (hàiiíí chữ lioii K, L. M, N p h in diíỏi ). c ầ n hni ý theiii rnug, rt mọt (ĩiểii kiện xác địiih. điện t.ử có thế’ chuyển từ trạng t.liai Iiày santỉ í.rạiiỊ;’ thcú kh;u' (thay đổi Ịỉliâ ii lớp lioộc lớp), khi do n ó sẽ p liá t. r a lio ạ c lia j) t h ụ I i á i i y h ĩ Ợ i i í ỉ A E d i í í i i ( l ạ n g c a c h í Ợ i i g t ử á i i l i s a i i í ĩ C(J tan sô V ; /í.V. ( 1. 1 ) 'i - hằiiíí sô Planck (/í (i.(i27,10 ■' ec-.-í). https://tieulun.hopto.org
16 Chưiiug i. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU 1.1.2. CÁC DẠNG L IÊ N K Ế T N G U YÊN T Ử TRONG C H ÂT RẮN 1.1.2.1. Liên kết đổng hóa trị Liên kèt này tạo ra khi hai hoộc nlúều nfí\iyén tử gó|) olniiií;' nliau lìiột sò (ỉiệii t.ử để có dủ lam điẹn t.ữ ố ]ỏp ngoài CÙUÍĨ (ctiện tử hóíi trị), Vi (lụ. tifí\iyên t.ử rủa cnc Iisiiyêii tô hóa học tro iiị; Iihóni V II R (l)ảiiíi tiu in hoàn Meiiđeleev. bnns 1.2) ró C u iV trúc điện tử lớp nfỊoài củiiịí là s p ' (bảy ctiẹn tứ). Dè có clủ tam (tiện tử. cẩn kết liỢp hai Iig\iyêii tử lại bàiiịỊ cacli ‘ÍÕỊ) clnuiR' hai điện tử ỏ lớp ngoài, do vạy tạo r;i mọt liên kèt đồiiíĩ hóa trị. Liên kèt (lồng hoa tvỊ íỊĨữa luii Iie\iyẽii t.i’í clo (Cl) trong phãii tử Cl„ (ỉiídc mô tả tré ii hình 1.1 ;i . Liên kêt hóa tr ị troiiR vột rổ ii đitợc lliực hiệu Iih(i sự tập thế hóa ctiện ti'í giữa niột nhóii) cac Iigiiyên tử lân cạii. Trêu hìuli l. lb Iiẻ\i niô hìnli liên kết đồiiỊi' hóa trị dạ]) tỉiP lióa điện tử của bốn điện tử 1('
VÁT LIẺU HỌC 17 ug\iyên tử Li cho niột điện tử để trở l l i ò i i l i uguyén tứ F nhận niột điện tử để trỏ tlià iih F~ ; kết qiiả là tạo thành hrỉỊ) ('hát IjiF. Liên kết ioii thường tạo thành giữa các nguyên tô có uhiêvi điện tử lióa trị (nhóm V IB. V IIB ) vối cãc Iig\iyên tô'có ít í ỉ i ệ n t ử h ó a t r ị ( i i h ó n i I B . I I B ) . C a r o x y t k n i i loại ( A l . , 0 M g O . C a O . F e . P ( , N i O , có liên kẻt chủ yến là liên kết ion. Cũng giôiig liên kết đồng lióa trị, liên kết. ion càiig mạnh (bền vững), khi cãc npiivén tứ chứa càng ít điệu tử. tức là cac (ìiệii tử cho hoặc nhận nằm gần hạt nhàn. Ví dụ. hyđro (H) tạo V(3i F. Cl. Br. 1 cac: liỢp chát. HF. HCl. HBr. H I bằng nà iis lié ii kết ioii tưdiig ứng là Õ.81; 4.44; 3.7Õ; và 3.06 eV/mol. cần lưu ý ràng, liêu kèt. ioii là loại liên kết khóìì^ diììh hưàĩiíĩ. Hình 1.2. Lién kết lon của L|F 1.1.2.3. Liên kết kim loại Cac ion cỉưđiig. tạo th à iih inột. niạiiK x:ỉc (tịnh, đặt trong không gian điện tử tự clo "cluiiiK". Dó là hình ảiih liên kèt. kim loại. Năiig liíổiig liên kết là tổng hỢp lực ctây và hút t ĩiili điện giữa cac ioii (htríuịí và niáy (ỉiện tử tự do (hình 1.3). Liên kết kiin loại thường chíỢc tạo nén l.ừ những nguyên tử có ít điện tử hóa trị. (^-dc nguyên tử ở Iilióin lA trong bảii^ tunn hoàn Meiirỉeleev. với một điện tử hóa trị. có tính k in i loại điển hình. Còng dịch sung phải hảng tiiầ ii hoàn, tín h chất đổng hón tr ị tro iig lién kốt của các Iigiivên tô tưdníí ứng càng tăng và đến b ism iit (Bi) đã xuất hiện liên kèt hỗn liỢp " kim loại-đồiig hóa t r ị” . Câ\i trúc tin h thể của các chất với liên kết kin i loại có tính ctôi xứng rất cao. 1.1.2.4. Liên kết hỗn hợp Thực ra. liên kết. đồng hóa trị t.ný chỉ có được trong trường liỢp liên kết đồng cực (giữa các Iiguvén tít của cùn.íĩ một Iiguvẽn tô THONG Í 1N>THƯ v iệ ^ 2 - VLH https://tieulun.hopto.org
Bảng 1.2. Bảng tuẩn hoàn các nguyên tố hóa học và mạng tinh thể của chúng ^ \^ ó m lA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIII 1B II B III B IV B V B VI B VII B 0 Chu (H) H 1 H* 2 1 KÝ HIỆU MANG TINH THỂ : l.O B O ũ 4,003 Ký hiêu ss 1 nu lư B Lập phương tâm khối □ Chính phương đơn giản nguyèn lố ỵ nguyên t ứ L ‘ 3 B« 4 H Lập phưcVig tâm mặt g Chính phương tâm khối ^ B 5 c 6 N 7 o 8 F 9 N* 10 >• 26 II 6,94 (3 9,02 0 B Lập phưcỉng phức tạp 3 g Chính phương tâm mặt 10,82 < * 12,01 O 1 ,0 o 16 5 41 a 19 20,18 H Các 55,85 D o ạ © Sáu phưong ABAB_ ỔI Trực thoi ^ 8 . kiíu ffi □ mang o A Na 1 Mg 1 12 o Sáu phương ABAC.. o Mật thoi Nguyên linh thị AI 13 Sí 14 p 15 s 16 Cl 17 A r 18 III 22.99 0 2^,32 Q A Kiểu kim cưđng Một nghiêng 26,98 B 28,09 A 10.98 ffi 32,06 g 3,4 c> 56 39.94 BI 0 © o K 19 Ca 20 Sc 21 Ti 22 V 23 Cr 24 Mn 25 Fa 26 Co 27 Ni 28 Cu 29 Zn 30 Ga 31 Qm 32 As 33 s * 34 Br 35 Kr 36 IV 39.10 0 40,08 B 44.96 ^ 47,90 0 50,95 a 52.01 0 54,94 1 55,85 Q se.94 B 58.71 3 H 63,54 a 63.38 0 69,72 3 72,60 A 74,92 o 78,96 o 79,92 o 83.80 a B s ® ■8 & 0 s 0 Rb 37 Sr 38 Y 39 2r 40 Nb 41 Mo 42 Tc 43 Ru 44 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cd 48 In 43 Sn 50 Sb 51 T« 52 1 53 x « 54 V 85,48 0 87,63 0 88,91 0 91,22 tE 92,91 0 95,95 0 99 © 101,1 © ^02,91 B 106.4 B 107,87 B 112,41 © 114,82 g 118,70 Q 121,76 o 127,60 o 126,90 o 131,30 H © © © A Ci 55 Ba 56 57-71 Hf 72 T« 73 w 74 R * 75 Os 76 Ir 77 P t 78 Au 79 Hg SO TI 81 Pb 82 Bi 83 Po 84 A t 85 R n 86 VI 132,91 0 137,35 0 xem ỏ 178,50 0 180,95 0 183,85 0 186,22 © 190,2 © 192,2 H 195,09 B 197 B 200,61 gi 204.39 0 207,31 B 209 o 210.0 o 210 222 ơưói © s Q ũ Fr 87 Ra 88 89-103 Ku 104 VH 223 226 xem ỏ 260 dưối La 57 c « 58 Pr 59 Nd 60 Pm 61 Sm 62 Eu 63 Qd 64 Tb 65 Dy 66 Mo 67 Er 68 Tm 69 Yb 70 Lu 71 L a n ta n it ( đ ấ t h iể m ) 139,92 0 140,13 0 140,92 H 144,27 0 1«I7 150,35 o 152 0 157,26 © 158,93 0 162,51 o 184.94 o 167,27 o 168,94 © 173,04 3 174,99 o a i B o o o o Ae 69 Th 90 Pa 91 u 92 Np 93 Pu 94 Am 95 Cfn 96 Bk 97 C l 98 E b 99 Fm 100 Md 101 No 102 Lw 103 A e tin it 227 B 232,05 B 234 Q 238,07 B 237 0 242 (5 B 243 o 247 249 251 254 253 256 254 257 B D D Ú □ 0 ỡ u la https://tieulun.hopto.org
VÀT LIÊU HỌC 19 liêii kết dị cực (giữa các Iigiiyê ii tử của cãc uíỊuyén tô khác nhau), điện tử hóa t r ị tham gia liên kết chịu lia i ảnh hưởiiír trái ; - bị h ú t bởi hạt Iiliâ ii "của mình"; - bị h ú t bởi liạ t nhân nguyên tử tliứ hai dể tạo (tiện tử "chuiig". năng của hạt. Iiliầ n h ú t điện tử hóa trị đirợc gọi là tính ảm. điện của nguyên tử. Sự khac Iilia ii về tín h âin (tiện íĩiữa cóc nguyên tử trong liên kết đồng hóa t r ị làni cho đãni mây điện tử "chung" bị biến dạiig vò tạo thành ugẫ\i cực điện, tiề ii tô của liên kết 1011. "Tính ion" của liên kèt «ẽ càng lớn Iièii sự khác nhau về tính âm (tiệii của cãc Iiguyên tử càng lớn. Ví dụ. Na có tính âm điện bằng 0.9 còn C1 bằng 8 .0 . Do vậy liên kết giữa Na và C1 trong hợp clint NaCl gồni khoảng 52% liên kêt ion và 48% liên kết đồng hóa trị. Tất cá nlìững lirn hết d ị cực đều mang tính chất hỗn kợ p g iữ a liê n k ố t ion và đ o n g hóa tr i. 1.1.2.5. Lièn kết yếu (liên kết Van der VVaals) Liên kết đồng hóa t r ị cho phép lý giải tạo thành nhừiig phân tử như nước (H;;0) hoặc polyetylen (C^Hi),,. nhitng không cho phép lý gi
20 Chiùing I. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU 1.2. SẮP XẾP NGUYÊN TỬ TRONG VẬT CHẤT 1.2.1. KHÔ NG TR Ậ T T ự HOÀN TO ÀN , CHAT K H Í Chai klii chièin toàii bộ thè tích ('hứa 110. oó the Iiéu (tiíỢc. C-ac Iigiiyẻii t,ử (phaii tử) trong c h a i khí Iviôn luôn chuyên (tộiiíỊ (lo ha dộng Iihiệl.. Sô Iiy\iyêii tử (phân từ) trên niỏt đơn vị tích Muiy đối. phụ thuọc vào Iihiọt (lộ và ap suất. vỊ tr i t.iídug' ứng giữa chiiiig hiôii t h a y đổi tlieo qiiy hiạt Iigầu Iiliiõn. Tnu itĩ bình inỗi nguyên tử (pliân tử) chiêm một t h ể tich tưdiig ứng hình cổii. clưòns; kiiih trung' bình 4nin. Láy t.ỏni nguvèii tử (phân tử) ('ùa mọt t hát k lií uào dó làni ịỊÒc tọa độ. vê dưdng cong xac suất tìm tliá y một Iiííuyẽii tử (phân tử) khnc. tại khoíiiiR cách cỉ kể từ gôc tọa độ (hình l.n). T h á y r à n g vỏi 0 < í/ < (ỉ„ (tưdiiịí ứng (híoiig kính nguyên tử, phán tử) xá(; siuVt dỏ bang' k h ô n g . T ừ ịíiíi t r ị (ỉ "■('/„ xnc siuVt P ((i) sẽ t á n g liê n tụ c . báiis' một tại gia trị (i tiíổiiíí '"íiiịí cíưònM kính tr \iiiíĩ hìiih nìn khôiig gian hình cầ\i bị ugiiyéii t ử (phán tử) cliièni chồ. 1.2.2. TR Ậ T TỤ LÝ TƯỞNG, V Ậ T RẮN t i n h TH Ể Tron^ vạt rắ ii tin h tliể, mồi n