intTypePromotion=1

Vật liệu kim loại ( Hoàng Văn Vương ) - Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

Chia sẻ: Nguyễn Thành Chung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

0
182
lượt xem
53
download

Vật liệu kim loại ( Hoàng Văn Vương ) - Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khái niệm khoa học vật liệu • Khoa học vật liệu là một khoa học liên ngành nghiên cứu về mối quan hệ giữa thành phần, cấu trúc, các công nghệ chế tạo, xử lý và tính chất của các vật liệu: - Liên ngành nghiên cứu: + Vật lý, Hóa học, Toán học - Nghiên cứu về: + Cấu trúc; tính chất điện, từ, nhiệt, quang, cơ → Tạo ra vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc 0.2 Vật liệu là gì • Vật liệu là các vật rắn có thể sử dụng để chế tạo các dụng cụ, máy...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Vật liệu kim loại ( Hoàng Văn Vương ) - Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

  1. 08/2010 Vật liệu kim loại Giảng viên: Hoàng Văn Vương Mở đầu 0.1 Khái niệm khoa học vật liệu 0.2 Vật liệu là gì 0.3 Phân loại vật liệu 0.4 Lịch sử phát triển vật liệu
  2. 08/2010 0.1 Khái niệm khoa học vật liệu • Khoa học vật liệu là một khoa học liên ngành nghiên cứu về mối quan hệ giữa thành phần, cấu trúc, các công nghệ chế tạo, xử lý và tính chất của các vật liệu: - Liên ngành nghiên cứu: + Vật lý, Hóa học, Toán học - Nghiên cứu về: + Cấu trúc; tính chất điện, từ, nhiệt, quang, cơ → Tạo ra vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc 0.2 Vật liệu là gì • Vật liệu là các vật rắn có thể sử dụng để chế tạo các dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng các công trình…
  3. 08/2010 0.3 Phân loại vật liệu • Có bốn nhóm vật liệu chính: - Vật liệu kim loại - Vật liệu ceramic - Vật liệu Polyme - Vật liệu Composit • 1. VL bán dẫn • 2. VL siêu dẫn • 3. Silicon • 4. VL polyme dẫn điện 0.3 Phân loại vật liệu • Vật liệu kim loại - VD: + Thép: C20; C45; 40Cr;18CrMnTi; SKD61, SKD11 + Đồng thau (Latông): LCuZn30 + Dura: AlCu4Mg1,2 - Các tính chất điển hình của vật liệu kim loại: + Dẫn nhiệt, dẫn điện cao, + Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua + Dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép), + Có độ bền cơ học, nhưng kém bền hóa học. • Ceramic (vật liệu vô cơ) - Vật liệu này có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim (ôxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh. - Các tính chất điển hình của vật liệu vô cơ - ceramic: + Rẻ và khá rẻ; + Khá nặng; + Dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện); + Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ.
  4. 08/2010 0.3 Phân loại vật liệu • Polyme (vật liệu hữu cơ) - Vật liệu này phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà thành phần hóa học chủ yếu là cacbon, hyđrô và các á kim, có cấu trúc đại phân tử. Liên kết giữa các cao phân tử là liên kết yếu. - Ví dụ: - PE - PVC - Các tính chất điển hình của vật liệu hữu cơ - polyme: + Rẻ và khá rẻ, + Dẫn nhiệt, dẫn điện kém, + Khối lượng riêng nhỏ, + Dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao, + Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy, phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp. • Vật liệu compozit. - Là sự kết hợp của hai hay cả ba loại vật liệu kể trên, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần. - Ví dụ bêtông cốt thép (vô cơ - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao (như bêtông). Hiện dùng phổ biến các compozit hệ kép: kim loại - polyme, kim loại - ceramic, polyme - ceramic với những tính chất mới lạ, rất hấp dẫn. 0.4 Lịch sử phát triển vật liệu • Thời kỳ đồ đá: 2triệu năm trước • Thời kỳ đồ đồng: 3300-1200 TCN • Thời kỳ đồ sắt: Từ 1200 TCN
  5. 08/2010 Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành 1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong vật rắn 1.2 Khái niệm về mạng tinh thể 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành 1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong vật rắn Cấu tạo nguyên tử: gồm các electron chuyển động xung quanh hạt nhân (p, n): - Số lượng tử chính: n = 1, 2, 3, 4,.. K, L, M, N… - Số lượng tử quỹ đạo l = 0, 1, 2, ..(n-1) - Số lượng tử từ ml = 0, ±1, ±2, ±3…±l - Số lượng tử spin ms = ±1/2 Ví dụ: Cu có Z = 29: 1s22s22p63s23p63d104s1
  6. 08/2010 1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong kim loại Các dạng liên kết trong vật rắn a) Liên kết đồng hóa trị (LKĐHT): Hình thành do các nguyên tử góp chung điện tử hóa trị - Liên kết có tính định hướng - LKĐHT phân cực - LKĐHT không phân cực Clo Z = 17: 1s22s22p63s23p5 Cacbon: Z = 6: 1s22s22p2 Nitơ: Z = 7: 1s22s22p3 Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hoá trị a) Phân tử Clo, b) Metan. c) NH4+ 1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong kim loại Các dạng liên kết trong vật rắn b) Liên kết ion: Hình thành do lực hút tĩnh điện giữa các nguyên tử, nguyên tử dễ nhường e hóa trị (ion dương), nguyên dễ nhân e hóa trị (ion âm) - Liên kết không có tính định hướng Clo Z = 17: 1s22s22p63s23p5 Natri Z = 11: 1s22s22p63s1
  7. 08/2010 1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong kim loại Các dạng liên kết trong vật rắn c) Liên kết kim loại: Hình thành do tương tác tĩnh điện giữa các điện tử tự do và các ion dương trong mạng tinh thể Đặc trưng cho kim loại: - Tính ánh kim - Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt - Tính dẻo cao 1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong kim loại Các dạng liên kết trong vật rắn d) Liên kết hỗn hợp: hình thành do trong vật liệu có nhiều nguyên tố tham gia liên kết - Liên kết ion - đồng hóa trị: hợp chất muối NaCl; NaF - Liên kết kim loại - đồng hóa trị: trong kim loại chuyển tiếp: W; Cr - Liên kết kim loại – Ion : NaZn13 - Fe5Zn12 – liên kết thuần kim loại
  8. 08/2010 1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong kim loại Các dạng liên kết trong vật rắn e) Liên kết yếu (Van De Waals): hình thành do sự tương tác giữa các phân tử bi phân cực Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành 1.2 Khái niệm về mạng tinh thể Mạng tinh thể gồm các nhóm nguyên tử sắp xếp có trật tự ở các vị trí xác định Tính đối xứng của mạng tinh thể: - Tâm đối xứng - Mặt đối xứng - Trục đối xứng, n = 2π/ α là bậc của trục đối xứng: 1, 2, 3, 4, 6
  9. 08/2010 1.2 Khái niệm về mạng tinh thể Ô cơ sở: là hình không gian có thể tích nhỏ nhất đặc trưng cho tính đối xứng của mạng tinh thể - Tịnh tiến ô cơ sở theo ba chiều không gian sẽ xây dựng toàn bộ mạng tinh thể Biểu diễn ô cơ sở trong không gian → → → - Ba véc tơ đơn vị (hằng số mạng): a b c - Các góc α, β, γ hợp bởi các vectơ đơn vị → 6 thông số gọi là hằng số cấu trúc mạng 1.2 Khái niệm về mạng tinh thể Ô cơ sở: Trong 3D có bảy hệ tinh thể khác nhau Ba nghiêng (tam tà) a≠b≠c α≠β≠γ Một nghiêng (đơn tà) a≠b≠c α = β = 900 ≠ γ Trực thoi a≠b≠c α = β = γ = 900 Ba phương (mặt thoi) a=b=c α = β = γ ≠ 900 Sáu phương (lục giác) a=b≠c α = β = 900, γ = 1200 Chính phương (bốn phương) a=b≠c α = β = γ = 900 Lập phương a=b=c α = β = γ = 900
  10. 08/2010 1.2 Khái niệm về mạng tinh thể Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng và mặt nguyên tử Nút mạng: để biểu thị tọa độ các nguyên tử → → → → OM = na a + nb b + nc c [[na, nb, nc]] là chỉ số Miller nút mạng M - Trị số âm được biểu thị bởi dấu “-” ở trên đầu Chỉ số nút mạng: A [[0,0,1]] B [[1,0,0]] C [[1,1,1]] D [[0,1/2,0]] 1.2 Khái niệm về mạng tinh thể Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng và mặt nguyên tử Phương mạng: - Đường thẳng đi qua các nút mạng - Hai phương song song có cùng chỉ số nút mạng (cùng cách sắp xếp NT) - Kí hiệu [uvw] - Họ phương - Quy tắc xác định chỉ số phương: + Qua gốc O kẻ phương OM song song với phương cần xác định; + Xác định chí số nút mạng của M[[na, nb, nc]]; Chỉ số Miller các phương: + Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất (nếu cần) OE [101] cho 3 toạ độ: na, nb, nc; + Tử số của các phân số sau quy đồng là u, v, OB [111] w là chỉ số Miller [u v w] của phương đã cho. OH [010]
  11. 08/2010 1.2 Khái niệm về mạng tinh thể Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng và mặt nguyên tử Mặt tinh thể: - Mặt phẳng chứa các nút mạng không đi qua gốc tọa độ - Hai mặt song song có cùng chỉ số Miller - Kí hiệu (hkl) - Họ mặt {hkl} - Quy tắc xác định chỉ số mặt (h k l): + Xây dựng mặt phẳng P song song với mặt cần xác định; + Tìm toạ độ giao điểm [[na,0,0]]; [[0,nb,0]]; Chỉ số Miller các mặt: [[0,0,nc]] của P trên ba trục Ox, Oy, Oz; ABEF (100) + Lấy các giá trị nghịch đảo na, nb, nc, quy đồng mẫu số chung; ABCH (010) + Các giá trị của tử số, đó chính là các chỉ số h, EBCD (001) k, l tương ứng cần tìm. DFH (111) 1.2 Khái niệm về mạng tinh thể Chỉ số Miller – Bravais trong mạng sáu phương - Trong hệ tọa độ có bốn trục Ox, Oy, Oz, Ou - Kí hiệu (hkil) i = - (h + k) Chỉ số Miller các mặt: ABHG (100) (1010) BCIH (010) (0110) GHIKLM (001) (0001) AGMF (110 ) (1100) ACIH (110) (1120)
  12. 08/2010 1.2 Khái niệm về mạng tinh thể Mật độ nguyên tử - Mật độ xếp theo phương: Ml = l/L - Mật độ xếp theo mặt Ms = s/S - Mật độ xếp theo thể tích Mv = v/V Trong đó: - l, s, v: chiểu dài, diện tích, thể tích nguyên tử chiếm chỗ - L, S, V: chiểu dài, diện tích, thể tích đem xét Số sắp xếp (số phối trí) - Số lượng các nguyên tử cách đều gần nhất nguyên tử đã cho Lỗ hổng - Không gian trống bị giới hạn bởi các nguyên tử trong mạng tinh thể - Lỗ hỏng tám mặt 8m và lỗ hổng bốn mặt 4m Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại a) Mạng lập phương tâm mặt A1 - Ô cơ sở hình lập phương cạnh a - Số nguyên tử trong một ô cơ sở nv = 4 - Phương xếp sít nhất - Mặt xếp xít nhất {111} - Bán kính nguyên tử rnt = a√2/4 - Mật độ Mv = v/V = 74% (Ml, Ms = ?)
  13. 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại a) Mạng lập phương tâm mặt A1 - Lỗ hổng 4m: + Vị trí: ¼ đường chéo khối + n4m = 8 + d4m = 0,225dnt - Lỗ hổng 8m: + Vị trí: tâm khối và trung điểm các cạnh bên + n8m = 4 + d8m = 0,414dnt Kim loại có kiểu mạng A1: Feγ, Au, Ag, Al, Ni, Cu… 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại b) Mạng lập phương tâm khối A2 - Ô cơ sở hình lập phương cạnh a - Số nguyên tử trong một ô cơ sở nv = 2 - Phương xếp sít nhất - Mặt xếp xít nhất {110} - Bán kính nguyên tử rnt = a√3/4 - Mật độ Mv = v/V = 68% (Ml, Ms = ?)
  14. 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại b) Mạng lập phương tâm khối A2 - Lỗ hổng 4m: + Vị trí: ¼ đường nối trung điểm cạnh đối diện của các mặt bên + n4m = 12 + d4m = 0,291dnt - Lỗ hổng 8m: + Vị trí: tâm mặt và trung điểm các cạnh bên + n8m = 6 + d8m = 0,154dnt Kim loại có kiểu mạng A2: Fe α, Cr, Mo, W, V,… 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại c) Sáu phương xếp chặt A3 - Ô cơ sở khối lăng trụ lục giác cạnh a, chiều cao c - Số nguyên tử trong một ô cơ sở nv = 6 - Phương xếp sít nhất < 1120 > - Mặt xếp xít nhất (0001) - Bán kính nguyên tử rnt = a/2, c/a = 1,633 - Mật độ Mv = v/V = 74% Kim loại có kiểu mạng A3: Ti α, Zn, Mg, Be, Cd, Zr,…
  15. 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.2 Một số mạng tinh thể điển hình của vật liệu phi kim a) Chất rắn có liên kết cộng hóa trị - Tinh thể kim cương A4: Ô cơ sở mạng A1, và 4 nt bên trong - Kiểu mạng graphit A3: - Cấu trúc sợi, ống cacbon và fullerene 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.2 Một số mạng tinh thể điển hình của vật liệu phi kim b) Chất rắn có liên kết ion - Ion NaCl C) Cấu trúc polymer
  16. 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể K/N: Các nguyên tử nằm sai vị trí quy định → a/h đến tính chất của vật liệu Phân loại: sai lệch điểm, sai lệch đường, sai lệch mặt a) Sai lệch điểm - Có kích thước rất nhỏ theo 3 chiều không gian, gồm: nút trống, nguyên tử xen kẽ, tạp chất. Nút trống Xen kẽ Tạp chất 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể K/N: Các nguyên tử nằm sai vị trí quy định → a/h đến tính chất của vật liệu Phân loại: sai lệch điểm, sai lệch đường, sai lệch mặt a) Sai lệch đường – Lệch (Dislocation) Có kích thước rất nhỏ theo 2 chiều và lớn theo chiều thứ 3: Lệch biên và lệch xoắn Lệch biên (edge dislocation, line dislocation): Chèn thêm nửa bản mặt vào một nửa của tinh thể lý tưởng - Véc tơ Burger: đóng kín vòng burger được vẽ trên mặt phẳng của trục lệch, khi chuyển từ tinh thể không có lệch sang tinh thể có lệch → b ⊥ AB
  17. 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể b) Sai lệch đường – Lệch (Dislocation) Lệch xoắn (screw dislocation): - Hai phần mạng tinh thể trượt tương đối với nhau một hằng số mạng - Các nguyên tử ở vùng giữa AD và BC sắp xếp có dạng đường xoắn ốc → - Véc tơ Burger: b// AD 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể b) Sai lệch đường – Lệch Các đặc trưng hình thái của lệch: - Mật độ lệch ρ: Trong đó: l chiều dài trục lệch, V thể tích khối xem xét - Phụ thuộc vào độ sạch và trạng thái gia công: + Đơn tinh thể siêu sạch: ρ < 10-3 + Sợi đơn tinh thể có đượng kính vài micromet: chỉ chứa vài lệch + Đơn tinh thể ở trạng thái ủ: ρ < 104 - 106 + Đa tinh thể ở trạng thái ủ: ρ < 108 + Kim loại sau biến dạng mạnh: ρ < 1011 – 1012 - Dịch chuyển lệch: theo các phương, các mặt thường là phương và mặt trượt - Ý nghĩa của lệch: + Lệch biên ảnh hưởng lớn đến biến dạng dẻo (dễ trượt, tăng bền) + Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh
  18. 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể c) Sai lệch mặt: Đơn tinh thể và đa tinh thể Đơn tinh thể: - Khối vật liệu đồng nhất có cùng kiểu số mạng và hằng số mạng, có phương không đổi trong toàn bộ thể tích của vật liệu - Bề mặt ngoài nhẵn, hình dáng xác định - Các đơn tinh thể kim loại trong tự nhiên không tồn tại, cần nuôi đơn tinh thể: Zôranxki và Flux - Có tính dị hướng, theo các hướng khác nhau, mật độ xếp và tính chất khác nhau - Sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và kỹ thuật điện 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể c) Sai lệch mặt: Đa tinh thể: - Tập hợp nhiều đơn tinh thể (hạt tinh thể) liên kết với nhau bằng ranh giới gọi là biên hạt - Do sự định hướng ngẫu nhiên của mỗi hạt nên phương mạng giữa các hạt luôn lệch với nhau một góc nào đó; - Tại vùng biên giới hạt mạng tinh thể bị xô lệch - Đa tinh thể có tính đẳng hướng
  19. 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể c) Sai lệch mặt: Đa tinh thể: - Xác định độ hạt + Xác định tiết diện ngang của các hạt + Xác định đường kính trung bình của các hạt + So sánh với số hạt trên một đơn vị diện tích trên ảnh tổ chức với bản mẫu chuẩn x100 - Siêu hạt: trong mỗi hạt có phương mạng lệch nhau góc nhỏ (< 1-20), gọi là biên giới siêu hạt 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể c) Sai lệch mặt: - Biên giới hạt: vùng giữa các hạt đa tinh thể một pha - Biên giới pha: vùng giữa các pha giữa đa tinh thể đa pha - Bề mặt tinh thể
  20. 08/2010 Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành 1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại 1.4.1 Điều kiện kết tinh a) Cấu trúc ở trạng thái lỏng: Vô định hình - Có trật tự gần, cân bằng động - Cấu trúc gần trạng thái rắn - Các đám nguyên tử là tâm mầm kết tinh 1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại 1.4.1 Điều kiện kết tinh b) Biến đổi năng lượng khi kết tinh: + T > T0: GL < GR + T < T0: GL > GR + T = T0: quá trình kết tinh chưa xảy ra + T0: nhiệt độ kết tinh (đông đặc) c) Độ quá nguội: ΔT = T – T0 Điều kiện kết tinh: ΔT < 0, ΔG < 0
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2