Vật liệu học

Trang 1

VU MINH BANG (Chủ biên) NGUYÊN ĐỨC VĂN

Th JONG ĐẠI H: Cea THO: C VAN TALCO S 2

“sụ ny we THR BS as SH =.====.— ===.- Te re ar a

VAT LIEU HOC

TAP 1

Trang 2

MUC LUC

Loi noi dau

PHAN I: VAT LIEU KIM LOAI

A - Vật lý kim loại

Chương 1 Cấu tạo mạng tỉnh thể của kừm loại nguyên chất

1.1-

12

1.3

Khai niém chung vé kim loai 1.1.1 Dinh nghia kim loai

1.1.2 Các tính chất của kim loại

1.1.3 Các mối liên kết nguyên tử trong tỉnh thể 1.1.4 Cấu tạo của vật rắn

Cấu tạo mạng tỉnh thể lý tưởng của kim loại 1.9.1 Cấu tạo mạng tỉnh thể lý tưởng

1.2.2 Khảo sát các kiểu mạng tỉnh thể thường gặp

trong kim loại

1.2.3 Ký hiệu nút mạng, phương mạng mặt mạng trong: tinh thé

1.9.4 Các tính chất của mạng tỉnh thể

Cấu tạo mạng tỉnh thể thực của kim loại nguyên chất 1.3.1 Đơn tỉnh thể, đa tỉnh thể, hạt và siêu hạt

1.3.2 Các sai lệch mạng trong tình thể

Chương 2 Sự kết tỉnh của kừn loại lỏng

2.1 Cấu tạo của kim loại lỏng và điều kiện năng lượng để có q trình kết tỉnh xảy ra

2:1.1 Cấu tạo của kim loại lỏng

2.1.2 Điều kiện năng lượng để có quá trình kết tỉnh xảy ra

Trang 3

2.2

2.3 2.4

2.5

Cơ chế của quá trình kết tỉnh 2.9.1 Tạo mầm

2.2.2 Sự phát triển mầm

2.2.3 Tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển của tỉnh thể Động học của qúa trình kết tỉnh

Đặc điểm của quá trình kết tỉnh trong các điều kiện cụ thể 2.4.1 Kết tỉnh khi làm nguội liên tục

2.4.2 Cơ chế kết tỉnh theo kiểu nhánh cây -

2.4.3 Kết tỉnh trong khuôn đúc, tổ chức của thỏi đúc Độ hạt sau khi kết tỉnh và các biện pháp làm nhỏ hạt 2.5.1 Độ hạt sau khi kết tinh

2.5.2 Các biện pháp làm nhỏ hạt

Chương 3 Biến dạng dẻo uò hết tỉnh lại của kim loại 3.1

3.2

3.3

Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá huỷ

Biến dạng dẻo đơn tỉnh thể

3.2.1 Biến dạng đơn tỉnh thể theo cơ chế trượt

3.2.2 Biến dạng dẻo đơn tỉnh thể theo cơ chế song tỉnh Nguồn phát sinh lệnh Frank - Read và các yếu tố hãm lệch - 3.8.1 Nguồn phát sinh lệch Frank - Read

ỏ.4 3.5

3.6

3.7,

3.3.2 Các yếu tố hãm lệch

Đặc điểm biến dạng dẻơ trong đa tỉnh thể

Sự thay đổi tổ chức và tỉnh chất của kim loại sau biến

dạng dẻo -

3.5.1 Sự thay đổi tổ chức tế vi sau biến dạng dẻo

3.5.2 Sự thay đổi tổ chức và tính chất sau biến dạng dẻo Phương hướng nâng cao độ bền của kim loại

3.6.1 Giảm mật độ lệch

3.6.2 Tăng mật độ lệch

Hồi phục và kết tỉnh lại của kim loại sau biến dạng dẻo

- 8.7.1 Hồi phục

3.8

3.7.2 Két tinh lai Biến dạng nóng 3.8.1, Khái niệm

Trang 4

Chuong 4 Céu tao hop kim

4.1

4.2

4.3,

3.9.1 Sự phá huỷ dẻo và phá huỷ đòn 98

3.9.2 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng chu kỳ (phá huỷ mỏi)102 3.9.3 Phá huỷ ở nhiệt độ cao

-

Khái niệm về hợp kim

4.1.1 Định nghĩa

4.1.2 Ưu nhược điểm của hợp kim

4.1.3 Một số khái niệm cơ bản để nghiên cứu hop | kim

4.1.4 Phân loại các tương tác

Dung dịch rắn s

4.2.1 Khái niệm và phân loại : 4.2.2 Dung dich ran thay thé 4.2.3 Dung dịch rắn xen kẽ

4.2.4 Các tính chất của dung dịch ran’

Cac pha trung gian

- 4.3.1 Hợp chất hoá học hoá trị thường

4.4,

4.3.2 Cac loai pha trung gian khac

Hén hợp cơ học

Chương õ Giảm đồ trạng thái hệ hợp kim hai nguyên

5.1

5.2

'B.3, 5.4

Giảm đồ pha

5.1.1 Quy tac pha và ứng dụng

5.1.2 Giảm đồ pha và công dụng của nó

Các loại giảm đồ pha cơ bản của hệ hợp kim hai nguyên _ 5.2.1 Giảm đồ trạng thái loại Ï

5.2.9 Giảm đồ trạng thái loại II 5.2.3 Giảm đồ trạng thai loai III 5.2.4 Giảm đồ trạng thai loai IV

Một số giảm đề trạng thái hai nguyên cơ bản khác

Giảm đồ trạng thái Fe- C 5.4.1 Hình dạng của giảm đồ

5.4.2 Các pha và tổ chức _

5.4.3 Quá trình kết tỉnh của hợp kim FẹC_ _ 5.4.4 Phan loại hợp kim trên giảm đồ Ee- C | 5.4.5 Các đường điểm giới hạn, quy ước

Trang 5

B - Nhiét luyén thép

_ Chương 6 Các chuyển biến cơ bản của quá trình nhiệt luyện thép

6.1 Chuyển biến nung nóng Péc lít thành Ơstênt _ 152 6.1.1 Định nghĩa các pha và tổ chức

6.1.2 Các đặc điểm nhiệt động học của chuyển biến c

6.1.3 Cơ chế của chuyển biến 153

6.1.4, Dong hoc cua chuyén bién 154 6.1.5 Hat Osténit oe | — 157 6.2 Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt - 160

6.3 Các chuyển biến của Ôstênit khi làm nguội chậm -

6.3.1 Chuyển biến Ôstênit thành Péc lít - - 161

6.3.9 Chuyển biến Ôstênit thành Bainit 164

6.3.3 Giảm đồ chuyển biến đẳng nhiệt của Ôstênit quá nguội 167

6.3.4 Sự phân hóa của Osténit khi lam nguội liên tục “169

3.5 Giảm đồ chữ “C” của các loại thép khác cùng tích 170 6.4 Chuyển biến của Ôstênit khi làm nguội nhanh — 179

6.4.1 Định nghĩa các phạ

6.4.2 Các đặc điểm nhiệt động học của chuyển biến 178

:6.4.3 Cơ chế của chuyển biến 174

6.4.4 Động học của chuyển biến _ 175

6.5 Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (chuyển biến Ram) 176 — 6,5,1 Đặt vấn đề -

6.5.2 Các chuyển biến xảy ra khi Ram 177 6.5.3 Ảnh hưởng của tơi và.Ram đến cơ tính của thép, ~ 180

Chương 7 Công nghệ nhiệt luyện thép _ — 181

7.1 Công nghệ nung nóng 182

7.1.1 Tốc độ nung nóng ` 183 |

7.1.2 Anh hưởng của môi trường nung nóng đến thép 185

7.2 và thườnghoá — - | | 190 ˆ

7.2.1.0 | | oẹ

7.2.2 Thudng hoa | cà 193

7.3 Tôi thép - 195

7.3.1 Định nghĩa, mục đích và phương pháp tôi thép

Trang 6

7.3.2 Chon nhiệt độ tôi 195 7.3.3 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 197 7.3.4 Các môi trưởng tôi và cách chọn môi trường tôi thép 200

7.3.5 Các phương pháp tơi thể tích 203

7.4 Ram thép : 205

7.4.1 Định nghĩa và mục đích của Ram -

1.4.2 Các phương pháp Ram." 206

7.5 Co nhiét luyén thép 207

7.5.1 Co nhiét luyén nhiét d6 thap a 208

7.5.2 Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao 209

Chương 8 Hoá bên bề mặt 211

8.1 Tôi bề mặt |

8.1.1 Téi bé mặt bằng ngọn lửa đèn xì ơxy- axêtylen 213 8.1.2 Tơi bề mặt bằng dịng điện có tần số cao 214

8.2 Hoá nhiệt luyện 218

3.2.1 Khái niệm chung +

8.2.2 Thấmcácbọn /ˆ 222

.8.2.3 Một số phương pháp thấm khác s 228

8.3 Bién cting bé mat | 229

8.3.1 Nguyên lý ¬

8.3.2 Các phương pháp biến cứng bề mặt | _ 930

Trang 7

LOI NOI DAU,

Vat liéu hoc la khoa hoc nghiền cửu mối quan hệ giữa cấu trúc vd: tinh chất của uật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cởi thiện tính chất để sử dụng thích hop va ngày một tôt hơn uật liệụ _

Vật liệu ở đây dùng để chỉ những uật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, xây dựng cơng trùnh Theo cấu trúc uà tính chất có bốn nhóm uật liệu đặc trưng la:

Vật liêu kim loai: thường là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố kim loại,

có nhiều đặc tính như: tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt, có ánh kim, phan xa ánh sáng, dẻo, dễ biến dạng, có độ bên cơ học, có nhiệt độ nóng chảy biến đổi trong pham vi tw thap dén cao, dé bên hoá học kém Nó đáp ứng được yêu cầu da dang trong kỹ thuật

Vat liêu uô cơ: có nguồn gốc từ uộ cơ, lờ hợp chất giữu các hịm nạp Silie uới á kim bao gom các khoáng vat, đất sét, xỉ măng, thuy tinh các tính chất điển hình: nặng, dẫn điện, dẫn nhiệt kém, giòn, cứng, bin 3 nhiệt độ cœo, bên hoá học

Vật liệu hữu cơ: uật liệu : này phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà thành phan chu yéu la cac bon, hydré va các á kim có cấu trúc dai phân tử có các

tính chất điển hình: dẫn điện, dẫn nhiệt bém, khối lượng riêng nhỏ rễ uốn đẻo, bền uững hoá học ở nhiệt độ thuong, | bị phân huỷ ở nhiệt độ tương đối

thấp

Vật liệu kết hop: được tao thanh do sự hết hợp của a hai hay ca ba loại vat liéu kể trên, mang hầu như các đặc tính tốt của các uật liệu thành

phần Ud có các tính chất 1 mot hap dan ma r Uậi liệu thành phan khong có được

Ngồi ra cịn có những nhóm uậi ' liệu phụ kho ghép vao mét trong bốn loai trén: vat liệu bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao (nằm trung gian giữa kim loại 0à uô co), vat liéu Silicon (nằm trung gian

giữa uật liệụ cơ hữu cơ) ) hay Polyme dan dién (năm trung gian giữa vat liéu kim loat ud hitu cd)

Vai tro ctia vat liéu rat quan trọng uì muon thực hiện được các giá trị

0uật chất đều phải thông qua sử dung vat liéu cu thé Noi céch khac la can

phdi có kiến thức nhất định uề uật liệu để sử dụng chúng đúng mục đích

hiệu quạ la rat cần thiết

Giáo tr inh Vật liệu học này phúc u vu cac hiến thúc cơ bản uề vat liệu

cho sinh Uiên nghành cơ khí Uờ cũng, có thể sử dung làm tài liệu tham

Trang 8

khao cho cdc k¥ su co khí nắm được mối quan hệ tổ chức- tính chất hay sự phụ thuộc tính chết của uật liệu uào cấu trúc- đây chính là nội dung cơ

bản của giáo trình

_ Giáo trình Vật liệu học gôm hai phân chính:

_ Phân I: I: Vat liệu bữứm loại, đây là nội đựng lớn trong chương trinh vat liệu học đốt tương la nghanh co khi, hién nay vat liéu kim loai thuc su co vai trod quan trong, chiém vi tri chủ đạo trong nghành công nghiệp chế tạo máy, giao thông uận tỏi, công nghiệp điện, cơng nghiệp hố học, qn sự, yiế, xây dựng gôm 13 chương chia thành 3 phần chủ yếu:

A: Vat ly kim logi

Vật lý kim loai la khoa học nghiên cứu uê cấu tạo bên trong, các tính chất cua kim loai va hop kim, su phụ thuộc của các tính chất uào cấu tao | bền trong cua ching Vat ly kim loại đã giải thích rõ bản chất uà các tính chất bằng cấu tạo bên trong, dựu trên mối quan hệ đó người ta tìm tịi các hợp bùn mới có tính chất mong muốn phương pháp gia cơđg để cởi thiện các tính chất của chúng Kiến thức uật ly kim loại tập trung uào ð ` chương:

Cau tao mang tinh thé cua kim loai nguyên chất _ Su két tỉnh của kim loai long

Bién dang déo va két tinh lai của kim loại Céu tao hop kim

Giam dé pha cua hé hop kim hai céu tụ B Nhiệt luyện thép

Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng bim loại uò hợp bim đến nhiệt độ

xúc định, giữ nhiệt uà làm nguội uới tốc độ nhất định để làm biến đổi cấu

tạo bên trong của chúng, do đó làm thay đổi tính chất theo ý muốn Nhiệt luyện chính là ứng dụng trực tiếp cua vat ly kim loại, nó được dp dung rong rai vdi muc đích làm tăng độ cúng, độ bên củo các chỉ tiết máy, tăng : tuổi thọ của thiết bị máy móc Tuổi thọ của máy móc, thiết bị phụ thuộc chủ yếu uào uật liệu chế tạo ra nó uà phương pháp nhiệt luyện chúng

Trong phân, này sẽ trinh bày công nghệ nhiệt luyện thép các bon - loại

Uuột liệu tiêu biểụ Nắm chắc biến thức nhiệt luyện thép các bon, chung ta

hoàn toàn có biến thức để áp dụng các công nghệ nhiệt luyện cho thép hợp

kim, gang, hop kim maụ Noi dung nhiét luyện thép các bon, gom 8 - (hương:

Trang 9

C Vat liệu kim loai: Day la cdc loai vat liéu thường dùng trong chế tao co khi la gang, thép va hop kim maụ Nghién citu vat liéu kim loai cén nam chắc các đặc tính vé tổ chức té vi thành phần hoá học, cơ tính, phương pháp nhiệt luyện để đạt được cơ tính cần thiết theo yêu cầu thiết -

hế Cong dung va ky hiéu cdc vat liéu thường dung la khéng thé thiếu được khi chon vat liéu phù hợp uà hữu ích

Vật liệu him Ïoqi quy ước chia thanh hai nhóm lớn la vat liéu kim loai

den va vat liéu kim loai maụ

Cac loại uật liệu kim loai den được sử dụng uới khối lượng lớn chiếm đến 90 % là sắt uà hợp bữn của nó đó là gang uà thép, chiếm 4 chương trong phần này:

- Gang

- Thép cac bon

- Nguyén ly hop kim hoa - Cac loai thép hop kim

Vat liéu kim loại màu la nhém kim loai va hop kim cua ching khong phải là sắt: nhơm, đồng, chì, kém, titan tuy sỉ dung khéng nhiêu bằng vat liéu kim loai đen nhưng nó có những công dụng riêng biệt va trong ky thuật không thể thiếu chúng được Vật liệu bưn loại màu là biến thúc: chương thứ õ của phần C

Phần TT: Vật liệu phi kim loai va vat liéu bết hợp

'Vật liệu phi kim loại gồm hai nhém la vat liéu vé co va vat liệu hữu cơ Vat liệu uô cơ còn gọi la Ceramic cé lich st lau doi hon ca (ti thoi ky dé đ) vat liệu uô cơ được sử dụng rộng rãi uà phổ biến trong xây dung va dvi sống hàng ngùy như gốm, sứ, xi măng, bê tơng, thuy tính bà ngày càng tìm ra nhiều loại uật liệu có giá trị như sợi bo, sợi các buosilic, thuỷ tỉnh siêu sạch Trong nghành cơ hhí hiện nay da va đang sử dụng rất nhiều

nhóm uật liệu nàỵ

Vật liệu hữu cơ còn gọi là Polyme được phát triển uào những năm hai mươi của thế bỷ hai mươi uà trong uòng ðO0 năm trở lại nó đã trở thành

nhóm uật liệu mới chiếm vi tri quan trong trong nghành cơ khí nói chung

Uò các nghành kinh tế quốc dân nói riêng nó thuy thế một số chỉ tiết bằng kim loai dam bdo chat lượng mò lại giảm giá thành san phẩm Một số ' ứng dụng của uật liệu hữu cơ cho thấy chúng có uị trí quan trọng trong ho hòng uật liệu: chất dẻo, cao su, sợi tơ tổng hợp

Vật liệu két hop con gọi là Compozit được phát triển mạnh trong

những năm gần đây đáp ứng được yêu cầu rất cao của chế tạo máy, đó là nhẹ lại bên, cứng lại dẻọ Sự ra đời của nó tạo ra những thay đối quan trọng cho nghùnh cơ hhí

Trang 10

Nội dung phần II chính là 3 chương đã nêu ở trên: Vật liệu uô cơ

Vật liệu hitu co _ Vật liệu bết hợp

Với chương trình Vật liệu bọc cho các nghành Co khi cua Trường dai học Giao thông Vận tải là 105 tiết, giáo trình Vat liéu hoc chia thanh hai

tập:

Tap I: Nội dung 60 diết chia thành 8 chương từ chương 1 1 đến chương 8, tức là phần Ï mục A va B

Tập II: Nội dung 4ð tiết gồm 8 chương từ chương 9 đến chương 16, tức la phan I muc C va phan IỊ

Cuốn giáo trình Vật liệu học trình bày các biến thức cơ ban vé vat liéu thường dùng trong sản xuất cơ hhí Dé làm tốt các công uiệc hỹ thuật can tham bhỏủo thêm các sách uò tài liệu chuyên sâu hơn uề từng tinh vuc da đề cập

Do sự phát triển không ngừng của khoa học - tơng nghệ nói chung uà Uột liệu nói riêng, nên tác giả không thể đề cập hết được các biến thức uật liệu hoàn chỉnh, mặt bhác do hình nghiệm uà thời gian có hạn nên cuốn sách khó tránh khỏi những hạn chế, rất mong được bạn đọc trao đổi, góp

ý, | | | :

Xin chân thanh cam on!

‘Thang 3 nam 2003 Cac tac gia

Trang 11

PHAN I

VAT LIEU KIM LOAI

_ A- VAT LY KIM LOAI

Trang 12

Chuong 1

CAU TAO MANG TINH THE

CUA KIM LOAI NGUYEN CHAT

Trong chế tạo cơ khí kim loại nguyên chất ít sử dung, chủ.yếu sử dụng là hợp kim Sử dụng có hiệu quả hợp kim cần phải nắm vững cấu tạo bên trong của kim loại nguyên chất là nguyên cơ bản cấu tạo nên hợp kim

1.1- KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KIM LOAI

1 1 1 Định nghĩa kim loại

Theo định nghĩa cổ điển: kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn - được, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt caọ

Định nghĩa này đã bao quát được các đặc điểm chính của đa số kim - loại, trên cơ sở định nghĩa này có thể phân biệt kim loại với á kim

Hạn chế của định nghĩa: Không phải mọi kim loại có các tính chất trén chang hạn ăng timoan (Sb) dịn khơng rèn được hoặc xêr1 (Ce) và prazé6dim (Pr) cé tinh chất dẫn điện kém -

Định nghĩa cổ điển chưa đúng cho mọi kim loại, chưa nêu được bản chất chung cho tất cả kim loạị

Sự phát triển cuả vật lý chất rắn chờ ta phan biệt được giữa kim loại và á kim là hệ số nhiệt độ của điện trở: ở kim loại hệ số nhiệt độ của điện trở là dương (khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng) ở á kim hệ số nhiệt độ của điện trở là âm (khi nhiệt độ tăng điện trở giảm)

Nghiên cứu hợp kim thì chúng cũng có những tính chất như kim loại, có hệ số nhiệt độ của điện trở là dương

Hiện nay khoa học đã tìm ra hơn 100 nguyên tố hoá học trong đó 3/4 số chúng là kim loại, ngồi ra cịn có một số nguyên tố%ó vị trí trung gian

giữa kim loại và á kim đó là các nguyên tế bán dẫn nhu Giecmani (Ge), Silic (Si)

Trang 13

1.1.2 Các tính chất của kim loại

im loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi vì nó có nhiều tính chất

đáng quí

1.1.9.1 Cơ tính: Cơ tính của kim loại uà hợp bim được đánh giá bằng

các chỶ tiêu sau:

- Độ bền: được đo bằng giới hạn bền gồm có: + Giới hạn bền kéo ơy, ©

+ Giới hạn bển nén ơ„ + Giới hạn bền uốn o,, + Giới hạn bền mỏi ơ¡

+ Giới hạn chảy ơ,(giới han chay qui ude Go»)

- # Giới hạn đàn hồi ơạy,

Đơn vị đo của độ bền thường dùng N/mm? hay daN/em” - Độ cứng: được đo bằng các loại độ eứng

+ Brinen HB

+ Réc oen HRA, HRB, HRC + So, HSh

+ Vicke HV

- Độ dẻo được xác định bằng: + Độ dãn dài tương đối õ (%) + Độ co thắt tỷ đối (%)

- Độ đai xác định bằng độ dai va đập a, đơn vị là kj/cm” hoặc kj/m” Dac điểm quan trọng của kim loại và hợp kim là có cơ tính tổng hợp

cao, nghĩa là có độ bền và độ cứng cao › nhưng vẫn đảm bảo độ dẻo, độ dai trong phạm vịyêu cầụ

1.1.2.2 Ly tinh

Các tính chất điện, từ là các tính chất khơng thể thay thế của kim

loại, đừửợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp điện Ngoài ra người ta

còn quan tâm đến các lý tính khác c của kim loại: như tính dãn nở vì nhiệt, tính chịu nhiệt độ caọ

1.1.2.3 Hod tinh

Các kim loại thường có tác dụng mạnh với á kim như (ôxy hoặc Cloy do đó thường khơng ổn định về mặt hoá học Hiện tượng kim loại bị gỉ

Trang 14

trong khơng 'kbí và trọng các môi trường khác được gol là hiện tượng ăn

mòn kim loạị ~- :

Một số kim loại và hợp kim đặc: biệt có tính ổn định rất cao trong khí quyển, trong axit, trong bazơ, trong các dung dịch muối là các kim loại đáng quý trong các nhà máy và ( các ; thiết bị hoá chất

1.1.2 4 Tính cơng nghệ

Tính cơng nghệ là khả năng chịu được c các dạng gia công khác nhau:

Đúc, hàn, nhiệt luyện, gia công bằng áp lực: rèn, rập, kéo, cán; gia công

bằng cắt gọt: Tiện, phay, bào, khoan, khoét, doa, mài, đánh bóng

Kim loại và hợp kim rất đáng q nhưng tính cơng nghệ kém thì hạn chế được sử: dụng do khó chế tạo thành sản phẩm Nói chung một:số kim

loại hay hợp kim-không thể đạt được đồng: thời các tính cơng nghệ kể trên nên việc sử dụng kim loại hợp kim phụ thuộc rất nhiều vào tính cơng nghệ

1.1 3 Các mối ¡ liên kết nguyên tử i trong tinh thể

Kim loại học vật “lý nghiên cứu: liên kết trong hệ thống gồm hai

nguyên tử: khi xê dịch hai nguyên tử lại gần nhau, đồng loại hay khác loại giữa chúng có thể sinh ra các dạng liên kết sau:

Lién két Varderr waals: -Liên kết: này sinh ra do tương tác › giữa những

điện tử ngoài cùng của các nguyên tử trên những khoảng cách lớn, khi các mây điện tử chưa tiếp xúc nhaụ

Liên bết ion: Liên kết này - sinh ra giữa ‹ các 10n dương và các ion 4m dưới tác dụng của lực hút Coulomb :

Liên bết trao đổi: được tạo thành bằng cách t trao đổi điện tử để nhận

-được tầng điện tử ngoài cùng hoàn chỉnh nS”nP? trong hệ thống hai

nguyên tử, số lượng điện tử cần thiết” để trao đổi bằng số trạng thái cho phép trừ đi số điện tử hiện có của a lop 1 ngoài cùng trong nguyên tử tự dọ

Trong trường hợp tỉnh thể nói chung và kim loại nóị riêng là hệ thống gồm nhiều nguyên tử đồng loại liên kết tiêu biểu nhất của nó là liên kết trao đổi và liên kết kim loạị `

1.1.3.1 Liên kết trao đổi `

- Trong tỉnh thể, mỗi nguyên tử được nhiều nguyên tử khác bao quanh

nên sự trao đổi điện tử không chỉ: xây: rạ giữa hai nguyên tử Giả sử nguyên tử được bao quanh bởi Z nguyên tử trên khoảng cách bằng nhau thì sự trao đổi phải được tiến hành với Zn ử đó, uy nhiên số ong

nguyên tử traọ đổi không thể lớn hơn tổng ếtr ạngRHfN6iaAI4tAäng hoà

Trang 15

chỉnh n8”nP° trừ đi số điện tử hiện có trên các tầng đó (tức là 8 ~ N) nên số lượng nguyên tử bao quanh gần nhất (số sắp xếp Z) phải bằng (8-N) Quy tắc (8-N) là qui tắc tìm số sắp xếp trong các tinh thể có liên kết trao

đổị

Tinh thể tiêu biểụ có liên kết trao đổi thuần tuý là kim cương (dạng thù hình của Cacbon) Các bon trong kim cương có phân bố điện tử 18ˆ2S”2P? từ là lớp L bên ngoài chứa 4 điện tử Muốn có các tầng 2§?2PẺ hồn chỉnh mỗi nguyên tử các bon cần có thêm 4 điện tử nữa bằng cách trao đổi với các nguyên tử lân cận Quá trình trao đổi điện tử bình đẳng

như nhau đối với tất cả các nguyên tử: các bon trong tinh thể vì vậy các: nguyên tử phải sắp xếp thế nào để mỗi nguyên tử bất ky đều được bao

quanh cách đều bởi 4 nguyên tử khác, hình 1-1 chính là cấu tạo của mạng

tình thể kim cương

Or CO +O)

-Hình 1-1: Cấu tạo mạng Hình 1 -9; Sự tạo thành mây

tinh thé kim Cương quỹ đạo Lai hoá S — P

Liên kết trao đổi sinh ra khi có sự chắp nối các mây điện tử, tuy nhiên

trong các bon hai điện tử nằm trên mây quỹ đạo 2S và hai điện tử khác nằm trong mây quỹ đạo 2P Mây quỹ đạo § có tính đối xứng cầu, cịn mây quỹ đạo P:có dạng số.8 định hướng trực giao nhaụ Sự chắp nối để tạo ra 4

liên kết định hướng cách đều nhau trong không gian được thể hiện bằng q trình lai hố Đó là sự qui hợp các hàm sóng của những trạng thái gần nhau của các điện tử ngoài cùng để tạo rạ trạng thái mớị Đối với nguyên tử các bon, lai hoá xẩy ra bằng cách mây quỹ đạo S đối xứng cầu - qui hợp với mây quỹ đạo P đối xứng trục cho ta các mây quỹ đạo khác

hình 1-2 định hướng theo chiều nhất định Mây quỹ đạo nhận được gọi là mây quỹ đạo lai hoá 8 — P Mối liên kết bộ bốn trong kim cương được giải

thích do quá trình lai hố các trạng thái 5, P để nhận được 4 mây quỹ đạo

mới định hướng theo 4 góc của hình tứ điện đều và được chap liền với các mây quỹ đạo lai hoá của nguyên tử lân cận

1.1.3.9 Liên kết kim loại

_ trong tình thể kim loại có những điện tử chuyển động tự do tạo thành khí điện tử, gia thiết rằng tất cả các nguyện tử trong kim loại đều góp

Trang 16

-® @ @ @ @ phần tạo ra khí điện tử thì chúng sẽ trở _ thành những lon dương được bao quanh

@ @ Œ@ ® Œ@ bởi khí điện tử đó mơ hình liên kết kim loại

®@@@@ chỉ ra hình 1-3

Như vậy liên kết kim loại là liên kết @ @ @ @ @ giữa tập thể các ion dương và khí điện tử

@® @@@@ bao quanh

Nếu bỏ qua phần năng lượng liên kết Wander - Waals năng lương liên kết kim

Hình 13 Mê hình loại Ù có thể viết dưới dạng gần đúng

liên hết kim loaị yer Aer Bẹ Ce

1/3 + 2/3

M vo Vv

Trong do:

v: Thé tich nguyén tu biéu kién (thé tich tinh thé tinh cho 1

nguyén tu)

A, B, C: Các hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các hằng số vật lý Đại lượng thứ nhất của biểu

thức thể hiện thế năng của khí điện tử trong điện trường các lon

dương

A

Đại lượng thứ 2 biểu thị động

năng của khí điện tử

u

r, |

2 , mA 2 > A 4 Ì - |

nang của các điện tử nắm trên các : |

tang năng lượng bên trong của 5 |

Đại lượng thứ 3 biểu thị động >

nguyên tử Trị số v'? tỷ lệ với khoảng cách nguyên tử r trong `

tỉnh thể do đó U = f(r) thé hién Hình 1-4: Quan hệ U = f(r)

hình 1-4 của liên két kim loaị

Tri sd r, tuong ting vdi nang lugng thap nhat cua hé.théng vi vay no

là khoảng cách ổn định giữa các nguyện tử Nếu r # r„ đón hơn hoặc kém hơn) thì hệ thống có năng lượng cao hơn do đó khơng ổn định Sau khi khử các nguyên nhân tang năng lượng bên ngoài sẽ đưa hệ thống về trạng

thái ổn định.:

Trang 17

F=— dr s - _, Áe” Be’? Ce F T 2 r r 4 — F=F hút + F day

F.„: lực hút giữa các ion dương với các điện tử tự dọ

Euy: LỰC đẩy giữa các lon dương với nhau hoặc đẩy giữa các điện tử với nhaụ

1.1.4 Cấu tạo của vật rắn

Nghiên cứu cấu trúc các vật rắn là điều rất phức tạp, bằng cảm tính '

trước đây khi nhìn các hạt muối ăn kích thước lớn thấy rõ ràng chúng có

dạng các khối hộp với các bề mặt vuông góc nhau hoặc các nhà địa chất tìm ra mẫu đá quặng hình dáng đẹp, bề mặt đều đặn, phẳng lì, sáng bóng Khái niệm về tỉnh thể ra đời: tỉnh thể muối ăn hay tỉnh thể của các quặng đá Vào thế kỷ 17 các nhà bác học đã dự đoán: hình dáng bề ngồi của

tỉnh thể liên quan chặt chẽ đến cấu truc bên trong nó .Dự đốn này đã được chứng tỏ nhờ thí nghiệm anh nhiéu xa tia Ronghen cua Laue (1912) khang dinh rang: tỉnh thể được cấu tạo từ những phần tử (nguyên tu, ion, phan tử) có sắp xếp trật tự trong không gian

- Bản chất cấu tạo của tỉnh thể được lấy làm chỉ tiêu phân chia tất cả

các vật rắn thành hai nhóm: Vat tinh thé va vat v6 dinh hinh

Trong vat ran tinh thể, các nguyên tử (lon, phân tử) sắp xếp theo một trật tự nhất định, lặp di lặp lại tuần hồn trong khơng gian

Trong vật rắn vơ định hình các nguyên tử (ion, phân tử) sắp xếp một cách hỗn loạn

Có thể nói, hầu hết các nguyên tố hoá học và những hợp chất của chúng, trong những điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định, đều có khả năng tổn tại ở trạng thái tỉnh thể Tất cả các kim loại rắn: Đồng, chì, kẽm,

nhơm là vật tính thể trong tự nhiên không mấy khi các kim loại này nằm dưới dạng tinh khiết (trừ một vài kim loại: vàng, bạc ) do đó cũng

không mấy khi thấy các tỉnh thể kim loại có sẵn Hầu hết các kim loại được chế tạo ra bằng những phương pháp luyện kim khác nhau qua

những quy trình cơng nghệ phức tạp và chúng nằm dưới dạng đa tỉnh thể Bằng những phương pháp đặc biệt cũng có thể chế tạo ra các tỉnh thể riêng biệt gọi là đơn tỉnh thể

Khác với vật rắn tỉnh thể, chất rắn vơ định hình (thuỷ tỉnh hay một số nhựa hữu cơ ) có những đặc điểm chung của chúng Khơng có nhiệt độ

Trang 18

nóng chảy xác định, khi nung nóng chúng mềm từ từ, giữa trạng thái rắn

và lỏng khơng có ranh giới phân biệt Điều khác nữa là tính chất của chúng theo các phương khác nhau đều giống nhaụ Hai đặc điểm này đều thể hiện sự sắp xếp khơng có trật tự của cấu trúc bên trong, giống như thể lỏng Vì vậy người ta gọi vật rắn vơ định hình là “chất lỏng quá nguội”

Nghiên cứu kim loại, điểu quan trọng không thể thiếu được là nghiên

cứu cấu trúc mạng tỉnh thể của nó

1.3- CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ LÝ TƯỞNG CỦA RKIM LOẠI

Để nghiên cứu sự sắp xếp của các nguyên tử (on phân tử ) trong

tình thể và so sánh các kiểu sắp xếp khác nhau, người ta đưa ra khái niệm mạng không gian của tĩnh thể gọi tắt là mạng tinh thể

1.2.1 Cấu tạo mạng tỉnh thể lý tưởng 1.2.1.1 Định nghĩa

Mạng tinh thể lý tưởng là mơ hình khơng gian mô tả quy luật hình học của sự sắp xếp các nguyên tử *(chất điểm) trong vật thể tỉnh thể

Khái niệm về mạng tỉnh thể không bị hạn chế về mặt kích thước nó bao hàm cả khoảng không gian vô tận

Mang tinh thể 2ó một số đặc điểm hình học sau đây:

- Nếu qua hai chất điểm bat ky trong mang vẽ một đường thang thi tất cả các chất điểm nằm trến đó đều cách nhau những đoạn giống nhau đó là tính lặp lại một cách chu kỳ của các chất điểm theo phương bất kỳ trong không gian Khoảng cách giữa hai chất điểm gần nhất được gọi là

chu kỳ tịnh tiến theo phương đã chọn và có trị số cế định theo tất cả các đường thắng song song với phương đó Rút ra nhận xét: nếu dịch chuyển mạng tỉnh thể đi một khoảng cách bằng số nguyên lần chu kỳ tịnh tiến theo phương đã cho thì mạng tỉnh thể sẽ trùng lặp với chính mình

- Mỗi chất điểm bất kỳ đều được bao quanh bởi một số lượng bằng

nhau của các chất điểm gần nhất với khoảng cách như nhaụ Cách sắp xếp của các chất điểm này hoàn toàn giống nhau và không phụ thuộc vào _ vị trí chọn Số lượng các chất điểm bao © quanh gần nhất được gọi là số sắp

xếp của mạng

- Tồn thể mạng có thể xem như được tạo thành từ những hình khối

đơn giản, giống nhau mà cách sắp xếp của các chất điểm trong khối đó

được xem như đại diện chung cho toàn mạng những khối này được gọi là ô

CƠ SỞ

Trang 19

Hinh dang va kich’ hước của ô cơ sở sẽ phụ thuộc vào cách chọn ô cơ

sở, phải tuân thủ các nguyên tắc sau:

+ Tinh đối xứng của Ô cơ sở phải là tính đối xứng của tỉnh thể, tính đối xứng này thể hiện qua hình dáng bên ngoài và các tỉnh chất của nó

“+ Số cạnh bằng nhau và số góc (giữa các cạnh) bằng nhau của ô phải '“qhiểu nhất

+Nếu có góc vng giữa các cạnh thì số góc đó phải nhiều nhất + Có thể tích nhỏ nhất hoặc các cạnh bên ngắn nhất

Mỗi ô cơ sở được đặc trưng bởi ba chu kỳ tịnh tiến a, b, c theo ba trục

tọa độ và các góc giữạ chúng lần lượt là œ, B, y (œ góc giữa b và €,B góc giữa ä và C,y góc giữa ứ và b)

_ 1.9.1.2- Cách xây dựng mang tinh thể lý tưởng

Trong không gian dựng hệ toạ độ Oxyz có gốc O, các góc a: B, y (a góc

0y và 0z, góc ox va 02, y gdc oy va ox)

Lần lượt đặt cùng gốc O ba véc tơ OA=a, OB=b và OC=e lên các

truc ox, Oy VA OZ

Xây dựng 6 ô cơ bản: Xây dựng khối hộp 6 mặt gốc tại O và có bạ cạnh là: jal, In, le, ba góc là œ, ð, y và gắn các nguyên tử (chất điểm) vào ơ cơ bản - hình 1-ã

Thể tích ơ cơ bản chứa một nguyên tử ta gọi là ô cơ bản đơn giản hình

1-6ạ

"Thể tích ô cơ bản chứa lớn hơn một nguyên tử ta gọi là ô cơ bản phức

tạp hình 1-6b aZ C `» 5 ™~, [ | ,)J9\Ÿ | [BY cJ3⁄“ \, (Zr é 7 7 a) : b)

Hinh 1-8: Hinh 1-6: a) 6 co-ban don gian,

Hé toa d6 khéng gian b) ô cơ ban phức tap

Trang 20

Gia thiết có vơ số ô cơ bản giống nhau (cùng một loại) ta có thể sắp

xếp các ô cùng loại này nằm xít nhau theo một qui luật nhất định sẽ tạo nên mạng tỉnh thể trong không gian Số lượng ô tuỳ ý nên mạng không gian lớn hay nhỏ tuỳ ý Bằng kiến thức của hình học giải tích hồn tồn

chứng tỏ được mạng xây dựng có tính chu kỳ tuần hoàn của các chất điểm

theọphương dịch chuyển Cách xây dung mang tinh thể hoàn toàn phù hợp với định nghĩa mạng tình thể (1.9.1.1)

Một số qui định trong mạng tình thể

- Vị trí ngun tử chiếm chỗ được gọi là nút mạng

- Đường thăng nối tâm của hai nguyên tử gọi là phương mạng

- Mặt phẳng qua tâm của ba nguyên tử không thắng hàng gọi là mặt

mạng

- Khoảng cách giữa hai nguyên tử gần nhau nhất theo một phương gọi

là chu kỳ dịch chuyển (hay thông số mạng) theo phương đó Thơng SỐ mạng được tính bằng đơn vị Angtrong ký hiệu A° (1A" = 10cm)

1.2.1.3 Bay hé tinh thé va 14 mang Bravais

Mang tinh thé duoc cấu tạo từ những ô cơ sở xếp liên tiếp theo ba chiều mỗi ô cơ sở được đặc trưng bởi ba véc tơ ä,b,ẽ theo ba trục toa độ của

hệ trục toạ độ đối với tình thể›đã chọ Cùng trong một mạng tình thể có nhiều cách chọn ô cơ sở do đó có nhiều cách chọn hệ trục toạ độ, tuy nhiên

tuỳ theo tính đối xứng của tỉnh thể cần chọn hệ trục toạ độ thích hợp để

nó phản ánh được tính đối xứng đó và tiện lợi cho việc tính tốn khi nghiên cứu cấu trúc mạng Theo nguyên tắc đó người ta phân tỉnh thể thành 7 hệ sau:

Bảng 1.1

Đặc trưng của bảy hé tinh thé

Số Loy Tuong Tương quan TT Tiên gọi của hệ quan on Bey

a, b,c , 1 |Banghiêng- - - azbzec œ # z y # 90” 2_ | Một nghiêng -azbzec a=y=90" #8 3 | Ba phương (mặt thoi) a=b=c lơ= B=y+90” 4 | Bốn phương (chính phương) a=b #e lơ==y=090"

5_ | Sáu phương -Ja=bzc |ơ=B=90y=120

6 | Trực thoi a#b#c a= 8 =y=90"

7 Lap phương hs › J a=b=c a=p=y=90°

Trang 21

Nếu không quan tâm đến tính đối xứng của các phần tử tại các nút mang tinh thể, chỉ cần khảo sát vị trí của chúng gọi là các chất điểm

Người ta thấy rằng chỉ có 14 cách tịnh tiến các chất điểm trong không gian để nhận được các mạng tỉnh thể khác nhau thuộc 7 hệ nói trên, Người ta gọi đó là 14 mạng Bravals

Bang 1-2 Mười bốn kiểu mạng Bravais

Số Tên hệ Các kiểu tịnh tiến

Tr Nguyên thuỷ | Tâm đáy | Tâm khối | Tâm mặt

1 | Ba nghiêng X 2_ | Một nghiêng X X 3_ | Ba phương 6X 4 | Bốn phương X X 5 | Sau phuong X 6 | Trực thoi —X Xx - x X 7 | Lập phương X X X

Như vậy tất cả chỉ có 14 mạng Bravais khác nhau, mỗi kiểu mang được xây dựng bởi ba véc tơ tịnh tiến đặc trưng cơ bản, ngắn nhất Các

kiểu mạng nguyên thuỷ, tâm đáy, tâm khối, tâm mặt có các véc tơ tịnh

tiến đặc trưng cơ bản và số lượng nguyên tử n tính cho 1 ô cơ sở như sau: - Kiểu nguyên thuy a,b,c;n = 1

T , x 1

- Kiéu tam day a hoac b; — (at+b),c;n=2

bo

- Kiểu tâm khối 2 véc tơ bất ky trong ba véc to ä,b,ẽ và véc tơ đường

a

chéo khối 5 (a +b+€);n=2

oe De

- Kiểu tâm mặt: 2 (ä + b);2(b+2);- (a +c),n=4

Trong thực tế sử dụng kim loại và hợp kim hay gặp các loại mạng, hệ

lập phương và sáu phương đó là lập phương thê tâm, lập phương diện tâm và lục giác xếp chặt gọi tên chung là các kiểu mang tinh thể thường gặp

1.2.2 Khao sát các kiểu mạng tỉnh thể thường gặp trong kim loại

1.8.2.1 Mạng lập phương tâm bhối: Còn gọi là lập phương thể tâm cỏn có ký hiệu là mạng A2 hoặc K8 '

Ô cơ sở của mạng là hình lập phương có chiều dài của cạnh là ạ Trị số a là thông số mạng hình 1-7

Trang 22

b) oe | - a)

Hinh 1-7: Mang lập phương tâm bhốị œ) Vẽ một cách qui ước; b)Vẽ thực tế:

Trong đó hình 1-7a vẽ một cách qui ước các điểm đen chỉ biểu thị vị trí trung tâm của nguyên tử, hình 1-7b vẽ gần giống thực tế hơn Các nguyên tử được xem như những quả cầu trịn xếp xít chặt nhau theo một

số lượng nhất định

Vi trí các nguyên tử trong ô cơ sở ở 8 góc và trung tâm khối lập phương do đó có thé tinh dude số lượng nguyên tử n của ô cơ sở như sau:

1

n=—.86+1=2

8

Số sắp xếp (số phối vị) mỗi nguyên tử bất kỳ của mạng đều được bao

¬ - ạ ˆ > was số ‹ d3 sa

quanh bơi 8 nguyên tư cách đều gân nhất với khoang cách là > Điều

này đễ nhận thấy vì có 2 loại nguyên tử

=

si CA noe r A woo 4 dy

- Loai 6 tam khối cách đều 8 nguyên từ ở định yO

- Loại ở đĩnh khối nếu xét mạng nó là nút 8 khối lập phương nên cách a J3

đều tâm của 8 khối khoảng cách

Do đó mạng lập phương tâm khối có ký hiệu K8

Néu gia thiết nguyên tử là hình cầu có bán kính r thì đễ đàng nhận

_ a v3

thấy bán kính nguyên tử của khối lập phương thể tâm là r = Ta

Khảo sát cách sắp xếp các nguyên tử trong mạng theo hình 1-7 cho thấy khơng phải tồn bộ thể tích mạng được điền kín bởi những nguyên tử do theo các phương khác nhau bố trí nguyên tử khác nhau, theo

Trang 23

phương đường chéo của khối các nguyên tử xít chặt nhau, nhưng théo

phương của cạnh khối các nguyên tử khơng xít nhaụ

Đánh giá mức độ sắp xếp các nguyên tử trong mạng người ta đưa ra

khái niệm mật độ nguyên tử (mật độ xếp)

- Mật độ xếp của mặt (M) là tỷ số điện tích của tất cả các nguyên tử trên vùng chọn trước chia cho diện tích của vùng đó

M.= ne 100%

n: là số lượng nguyên tử tính trên diện tích S cua mat tinh thé

đã chọ

- Mật độ xếp của toàn mạng (M)

là tỷ số thê tích của tất cả nguyên tử - aV2 trong ô cơ sở trên thể tích của ơ cơ sở

V -100% - a M, =

Đối với mạng lập phương thé tâm, khơng có mặt tỉnh thể nào mà ở đó các

nguyên tử xếp xít nhau hồn tồn

Mặt có mật độ xếp lớn nhất của mạng được mơ tả hình 1-8 [seem | Mỹ =————è—— =83.4% d.1 2 Hình 1-8 Mặt xít chặt nhất của mạng lập phương thể tâm

Mật độ xếp của mạng lập phương thể tâm

2 ‘ a v3 3 4

M, = ~~ = 68%

Qua khao sat M.< 1 va M, < 1 rd rang cấu tạo củạ mạng lập phương thể tâm khơng xít chặt, trong mạng sẽ tồn tại các lỗ hổng do sự khơng điển kín của các nguyên tử tạo rạ Kim loại học nghiên cứu hai loại lỗ hổng lớn là:

- Lỗ hổng khối 8 mặt hình 1-9a vị trí tâm lỗ hổng nằm ở điểm giữa các cạnh và tâm của mặt bên, mỗi lỗ hổng được bao bọc bởi 6 nguyên tử - tạo thành khối 8 mặt, kích thước của lỗ hổng được xác định bằng đường

Trang 24

kính tối đa của một hình cầu nằm lọt trong lỗ hổng đó Kích thước lỗ hổng khối 8 mặt trong

mạng lập phương thể tâm là

0.154d (d là đường kính

nguyên tử) Số lượng lỗ hổng khối 8

mặt l ] = 12+— 6= Ney t6 6 a) b) - Lỗ hổng khối 4 mặt 1-9b _

| Hinh 1.9: Lé héng khoi 8 mat (a)

vị trí tâm của khối năm ở 1 bhối 4 mặt (b)

đoạn thăng nối điểm giữa của

các cạnh đối diện của các mặt bên Mỗi lỗ hổng được bao bọc bởi 4 nguyên

tử, tạo thành khối 4 mặt gọi là lỗ hồng khối 4 mặt Kích thước của lỗ hổng khối 4 mặt là 0,321d Số lượng lỗ hổng khối 4 mặt:

oe,

1.2.2.2 Mạng lập phương tâm mặt: Còn gọi là mạng lập phương diện

tâm có ký hiệu là A1 hoặc K12

Ô cơ sở của mạng có hình lập phương với hằng số mạng a, các nguyên tử nằm ở tám đỉnh và trung tâm sấu mặt bền của khối xem hình 1-10

Hinh 1-10: Mang lap phương tâm mặt

œ) Vẽ một cách qui ước; b) Về thực tế

, > ¬ 5.1

Số nguyên tử trong một ô là: n= 3° + 5:8 =4

4

Trang 25

Mỗi nguyên tử bất kỳ được bao quanh bởi 12 nguyên tử cách đều gần

+ 9 Z av3 | Z na “ Z ) Z -

nhất với khoang cách 3 do đó có số sắp xếp K = 12 Bán kính nguyên

av2

tử chính là r= TT”

Các nguyên tử trong mạng xếp xít nhau trên mặt mơ tả hình 1-11

Do đó mật độ xếp lớn nhất của mặt theo công thức (1-2)

tr 1 fav2) J+ 1 6 2 4 ae =———————>=-=9l% 2 » 24242 5 2 J3 - - - : 222 Ta cũng tính được mật độ xếp của LG Lp

khối theo công thức ú- 3) " _ Kiọ

(a2)

3 4) _ |

My =~ —~"= 14% 7 _ -Hinh 1-11 Mat xit

chặt nhất

Trong mạng lập phương diện tâm

“ cung tên tại lỗ hổng, chỉ xét hai loại lỗ

hồng lớn là:

- Lỗ hổng khối 8 mặt: tâm khối tám mặt nằm trung điểm các cạnh của ,

khối lập phương và tâm của khối lập phương xem hình 1- 12a lỗ hong khối ` 8 mặt có kích thước 0,41d, có số lượng: : -

1

Nyy =l+- 12= 4 4

Hình 1-12: Lé héng khéi 8 mat (a); khéi 4 mat (b)

Trang 26

~ 2 a , 2T ` A 1 ` 1G ° ate

- L6 héng khéi 4 mat cé vi tri tam nam trén 4 đương chéo của khối

xem hình 1-12b Kích thước lỗ hổng khối 4 mặt 0,225d và số lượng của nó

là: - - Ny, = 2.4=8

1.2.2.3 Mạng sáu phương xếp chặt: Còn gọi là mạng lục giác xếp chặt

có ký hiệu là A3 hoặc $12 oo

Ô cơ sở của mạng có hình lang trụ đứng sáu cạnh với các hằng số

mạng là a và c 7

b) a)

Hinh 1-13: Mang sdu phuong xép chat da) Vẽ một cách qui ước, b: Về thực tế:

Các nguyên tử nằm ở 12 góc của khối, trung tâm của hai mặt đáy và trung tâm của ba khối lăng trụ đứng tam giác đều cách nhau, xem hình

1.13a, b

Đố lượng nguyên tử trong ô cơ sở là:

1 oan

=2.12+-.2+3=6,

n 6 wl 5 2+3=6

Giả thiết 3 nguyên tử là tâm của ba khối lăng trụ tam giác đều cách nhau sẽ tiếp xúc với các nguyên tử của hai đáy mối quan hệ a và c sẽ tính

2 x: 2 ”

dudc c= 22 ã1,633ạ Lúc đó mỗi nguyên tử của mạng được bao quanh

bởi 12 nguyên tử cách đều ngắn nhất với khoảng cách chính bằng đường _ kính nguyên tử a, số sắp xếp của mạng K = 19 Mạng lúc giác xếp chặt

còn gọi là S19

bo

|

9

Ta suy ra được bán kính nguyên tử: r=

Trang 27

- Nếu c z 1,633a thì số sắp xếp K = 6 + 6 vì khoảng cách của 3 nguyên tử phía trên và dưới mặt đáy sẽ khác khoảng cách nguyên tử trong mặt

diy Na nh NT Si

- Trong mang luc giác xếp chặt các nguyên tử xếp xít nhau trên mặt song song mặt đầy mơ tả hình 1-14 -

Do đó theo công thức (1:9) os a

- Mi as? 4 MEY 299% |

2 °2-

.6, ] 0 2.) a x 2

Trong mạng lục giác xếp chặt cũng tổn tại lỗ hổng, người ta chỉ xét lỗ

hổng khối 8 mặt và lỗ hổng khối 4 mặt được mô tả ở hình 1-15

Hình 1-14: Mặt xít chặt Hình 1-15: Lỗ hổng khối 8 mặt (a) `

CỐ | khối 4 mặt (b)

1.8.4 Mạng chính phương thể tâm, trình bày ð hình 1-16

Cấu trúc mạng chính phương thể tâm có khối cơ bản giống nhau khối cơ bản của mạng lập phương thể tâm về sự sắp xếp nguyên tử nhưng chỉ

khác thông số mạng theo phương OZ là c (c.> a) thông số mạng theo

_ phương ox và oy là ạ ¬ : -

Trang 28

Tỷ số “>1 gọi là độ chính phương

a

1.2.3 Ký hiệu phương mạng, mặt NY

mang, nut mang trong tinh thé

Mang tinh thé có thể xem như một c

hệ thống gồm những mặt phẳng và - - \

đường thẳng, trên đó các chất điểm `

(nguyên tử, phân tử, ion ) sắp xếp theo 4 NZ một trật tự nhất định Cách sắp xếp các ——a

chất điểm theo những mặt và phương

khác nhau là khơng giống nhaụ Vì vậy Hình 1.16 Mạng chính

về phương diện hình học phải biết phân phương thể tâm

biệt chúng thông qua các ký hiệu đặc -

biệt :

Ký hiệu của mặt và phương phải thể hiện được vị trí xác định của

chúng trong không gian, do đó trước tiên phải chọn hệ toạ độ và đơn vị'đo theø các trục toạ độ đã chọn

-_ Thông thường người ta chọn hệ toạ độ gồm ba trục x, y, z định hướng theo các cạnh a, b, c của ô cơ sở, điểm gốc trục O được qui ước đặt ở góc dưới bên trái của mặt sau các trục x, y dọc theo cạnh a, b tạo với nhau

thành mặt phẳng nằm ngang (trục x hướng về phía người đọc) cịn trục z hướng theo chiều thẳng đứng Cần chú ý gốc giữa các trục x, y, z phụ thuộc vào mạng tinh thể

Đơn vị đo chiều dài trên các trục là hằng số mạng trên các trục đó tức

là trị số a, b, e xem hình 1-17) az Go, g yo Ỷ > ——*

Trang 29

1.2.3.1 Chỉ số nút mạng trong toa d6 Oxyz ky hiéu la (mnp) véi 1

điểm trong toạ độ Oxyz ta có thể xác định hệ:

x=m.a

y=n.b

Z=p.c

9

Ở đây: a,b,c: là thông số mang theo phudng Ox, Oy, Oz _ m,m,p:là hệ số tỷ lệ

1.2.3.2 Chỉ số phương uà mặt tinh thé trong hệ lập phương — chỉ số

Miller

g) Chỉ số phương

Ký hiệu phương tỉnh thể đại diện cho hệ thống các đường thẳng

Trong tỉnh thể các phương song song nhau có sự sắp xếp các nguyên tử

giống nhau nên chúng có ký hiệu giống nhaụ Do đó chỉ cần xác định ký hiệu của các phương tinh thể qua gốc trục và song song với phương đã

cho: ;

Chỉ số phương ký hiệu [u, v, w] được xác định theo các bước:

- Vẽ từ gốc đường thẳng song song với phương cần ký hiệu

- Xác định toạ độ (m, n, p) của một chất điểm nằm trê ên đường vừa vẽ

và gần gốc Ô nhất

- Tiến hành qui đồng mẫu số trong trường hợp cần thiết (m, n, p là phân số) đặt các giá trị tử số là [u, v, w]

Tất cả các phương có ký hiêu giống nhau không qui định vị trí của u,

v, w được hợp thành họ phương có ký hiệu là <u v w>

Chú ý: Khi xác định toạ độ m, n, p nếu có dấu (-) thì trong ký hiệu

phương người ta đưa dấu (-) lên trên chỉ số tương ứng

Hình 1-18 chỉ ra một số ký hiệu phương trong hệ lập phương

b) Ký hiệu mặt tính thể

_ Dựa vào đặc điểm hình học của mạng tỉnh thể, cách sắp xếp các chất

điểm trên các mặt song song đều giống nhau, do đó có thể ký hiệu một mặt bất kỳ trong số các mặt song song đó làm đại diện chung cho chúng

Chỉ số mặt được ký hiệu là (h, k, 1) được xác định xem hình 1-19

- Tìm các giao điểm giữa mặt cần ký hiệu với các trục Ôxyz (nếu mặt phẳng qua gốc O thì chọn mặt khác song song với nó) xác c định toạ độ trên trục x là p, trục y là q, trục z là r

Trang 30

- Lấy các giá trị nghịch dao it qui đồng mẫu số chung

bgứ

lấy các giá trị tử số là h, k, l cần tìm Nếu chỉ số p, q, r có giá trị âm thì trên đầu các chỉ số tương ứng h, k l ghi thêm dấu (-)

Cũng như trong phương tình

thể, do tính đối xứng nên rất

nhiều mặt tỉnh thể tuy có ký hiệu

khác nhau nhưng lại có cách sắp

xếp các chất điểm giống nhau, - Hình 1-19 Xác đỉnh chúng tạo thành hệ mặt và được ký hiệu mặt :

ký hiệu là: {h, k, l}

1.9.3.3 Ký hiệu mặt uò phương trong hệ sáu phương chỉ số Miller —

Bravais :

Đối với hệ sáu phương vẫn có thé dùng hệ toạ độ gồm ba trục x, y, z và các chỉ số Miller để ký hiệu mặt và phương tỉnh thể nhưng cách ký

hiệu này không thuận tiện vì khơng thể hiện được các đặc điểm đối xứng

của mạng xem hình 1-20, các mat O,AC va O,AE cé cach sap xếp các chất điểm hoàn toàn giống nhau, nên chăng ký hiệu phải ở cùng một hệ mặt nhưng theo chỉ số Miller ký hiệu mặt của chúng lần lượt là (111) và (131)

[0.0001] N Ệ ww m _— as) Aq 091) azn \ 010 \ 0119) X [1120] “ ; E D D Ö € [010] a7 C {1210} r<VJ Y té + X, A B A B 7 X [100] X [2110] ay b) =9

Hình 1-20: Cách chọn hệ tog độ trong mang sau phương

~ m

Trang 31

- _ Để khắc phục nhược điểm này Bravais đã bổ sung thêm một trục mới và hệ toạ độ là bốn trục Ox;x;x;Z trong đó ba trục xịx; Xs cung nam trén mat phang ngang va cach déu nhau một góc 120°

Phuong phap ky hiéu nay còn gọi là phương pháp Miller — Bravais

a) Ky hiéu phương mang tinh thé bởi [u 0 tù rJ

Dựa vào phương: pháp Miller một điểm P thuộc phương cần tìm theo ba trục x;x, z có toạ độ điểm la m, n, p

OP =ma, +ma,+pc

Néu ding hé toa dé 4 truc x,x,x, z vdi cac véc to don vi la 4,,4,;4,;¢ OP =úa, +v'a,+w'a, tre

Trong dé:

: là 4 số cùng tỷ lệ vổi u, v, w, r và các véc to

=

a | nằm cách đều nhau những góc 120” nên có quan

Dem can bang các phương trình rút ra:

| m=u-w' n= v'-w' có Và CĨ : w'=-(ựv) 2m- u= ¬ 3 '2n—m y= a Rut ra: 3 |, mtn w= - : ¬ cà : 3 , oa toon ° r= Dp

Do đó xác định được ký hiệu phương mạng [uvwr]

b) Ky hiéu mat tinh thé: _ |

Gồm 4 số chỉ số h; k, ], ], tương ứng với các điểm cắt trên các trục xị, Xs, Xạ, Z viết, dưới dạng (h, ¬ 1, 1)

Xac dinh h, k, 1, | theo cdc bước như đã nêu trong phương pháp Miller

€

Trang 32

Chú rằng sự có mặt trục x; chỉ là hệ quả nên chỉ số: i= - (h + k)

Trong hệ sáu mặt cũng có ký hiệu họ phương là (u v w r) và họ mặt là thk!}}

1.2.4 Tính chất của mạng tỉnh thể 1.2.4.1 Tinh di hướng của tính thể

Khi nghiên cứu cách sắp xếp nguyên tử trong mạng tinh thể có nhận xét mật độ nguyên tử không giống nhau theo những phương khác nhau ví dụ mạng lập phương thể tâm có các nguyên tử nằm xít nhau theo phương

3 +

[111] khoảng cách _ theo phương [110] chúng nằm xa nhau hơn khoảng cách av2 còn theo phương [100] khoảng cách giữa chúng là ạ Dẫn đến nhiều tính chất cơ lý hố tính của tỉnh thể có liên quan tới lực liên kết nguyên tử, nếu tiến hành đo theo các phương khác nhau, chúng - nhận được các trị số khác nhaụ

Sự thay đổi tính chất phụ thuộc vào phương tinh thé được gọi là tính dị hướng cua tinh thé

Ví dụ nếu tiến hành thử độ bền: những phương có mật độ nguyên tử cao sẽ bền hơn, trị số độ bền caọ Tinh thể đồng có mạng lập phương diện tâm thử bền theo các phương khác nhau trị số độ bền dao động từ 140 đến 350MN/m” Nhiều tính chất điện tính, từ tính phụ thuộc vào phương tinh thể Điện trở suất của tỉnh thể Magiê có mạng 6 phương xếp chặt theo -phuong a 1a 4,53.10°Qcem còn theo phương c là 3,78.10®Ơcm Tính có

hướng trong hố tính cũng rất rõ rệt Lấy tỉnh thể Wongram gia cơng thành hình trụ, cho ăn mòn bằng axit, quan sát được khả năng ăn mịn hố học không giống nhau theo các phương khác nhau dần dần mẫu trụ Wongram sẽ có hình đa diện tương ứng với đặc điểm đối xứng của mạng Wongram

1.2.4.2 Tính thù hình

Nhiều chất rắn không những chỉ tổn tại với một cấu trúc mạng tỉnh

thể mà tổn tại với nhiều cấu trúc mạng khác nhau trong những điều kiện

nhiệt độ và áp suất nhất định

Những cấu trúc mạng khác nhau của cùng một chất rắn gọi là các

-dạng thù hình và sự thay đổi từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác gọi là chuyển biến thù hình Các dạng thù hình được ký hiệu bằng

cac chit Hy lap a, B, y, 6, ¢, n thơng thường dạng hình thù tổn tại ở nhiệt

độ bình thường hoặc nhiệt độ thấp ký hiệu ơ,-còn nhiệt độ cao hơn lần lượt là B, ỵ

Trang 33

Ví dụ: Kim loại có chuyển biến thù hình

- Thiếc (Sn) ở nhiệt độ thấp hơn —30°C có kiểu mạng kim cương gọi là - thiếc xám, ký hiệu Sn-œ , ở nhiệt độ cao hơn —30°C thiếc có kiểu mạng bốn phương tâm mặt, ký hiệu 5n - B gọi là thiếc trắng, chuyển biến Sn - B sang Sn-ơ: kèm theo sự tăng thể tích tới 25%

- Các bon (C) tổn tại ở hai dạng thù hình là kim cương có kiểu mạng lập phương phức tạp còn graphít có kiểu mạng lục giác xếp lớp kim cương -

rất cứng và không dẫn điện, cịn graphít rất mềm tăng khả năng bôi trơn giảm ma sát và lại dẫn điện

Sự nghiên cứu cấu tạo tỉnh thể của các nguyên tố cho thấy dạng thù hình gặp nhiều nhất trong các kim loại, đặc biệt là nhóm kim loại chuyển tiếp, một số nguyên tố khơng những chỉ có hai dạng thù hình mà có thể có đến ba hoặc bốn hoặc nhiều dạng thù hình ví dụ Fe có ba dạng thù hình: Fe-œ tổn tại nhiệt độ thường đến 910°C kiểu mạng lập phương thể tâm, Fe- y tổn tại (910 — 1392)°C kiểu mạng lập phương diện tam va Fe - 5 tén

tại (1392 — 1539)°C kiểu mạng lập phương thể tâm

1.3- CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ THỰC CUA KIM LOAI NGUYEN

CHẤT

1.3.1 Đơn tỉnh thể, đa tỉnh thể, hạt, siêu hạt,

Nếu khối kim loại đem dùng có mạng thống nhất và ' phương mạng

khơng đổi trong tồn bộ thể tích thì được gọi là đơn tỉnh thể, đơn tinh thé

chỉ gồm có một tỉnh thể mô tả hình 1-91ạ

8) b)

Hình 1-21: Sơ đồ cấu tao don tinh thé (a) va da tinh thể (b)

Đơn tỉnh thể rất ít gặp trong thực tế, có thể chế tạo đơn tỉnh thể bằng

các phương pháp đặc biệt Tính chất của đơn tỉnh thể mang tính dị hướng

giống tính chất của kim loại lý tưởng Nếu trong quá trình hình thành, tỉnh thể lớn lên một cách tự do không bị các vật thể xung quanh hạn chế thi don tinh thé nhận được sẽ có hình: dáng nhất định đặc trưng cho kiểu mạng của mình

Trang 34

Trong thực tế kim loại đem sử dụng dù có kích thước rất nhỏ cũng bao gồm rất nhiều tỉnh thể, cấu tạo này được gọi là đa tinh thể hình 1-21b Nếu tiến hành quan sát mặt kim loại ở chỗ gẫy, vỡ bằng mắt thường hay bằng kính lúp cũng thấy được nó gồm vơ số các phần tử nhỏ đó là các tỉnh thể, mỗi tinh thể trong đó được gọi là hạt, hình 1-22 trình bày sơ đồ cấu tạo của đa tỉnh thể

Tính dị hướng của tỉnh thể chỉ còn đúng theo đơn tỉnh thể mà thơi có thể nêu một số đặc tính của đa tỉnh thể như sau:

- Đự định hướng mạng tình thể của mỗi hạt là ngẫu nhiên,

nên phương mạng giữa các hạt

léch nhau một góc nào đó, thường từ vài độ đến vài chục độ

- Mỗi hạt là một tỉnh thể

nên có tính dị hướng, song do | Hình 1.22 Sơ đồ cấu tạo phương mạng giữa các hạt lệch - biên giới hạt nhau một khoảng cách trung

bình thống kê giữa các nguyên tử theo tất ca các phương thử đều bằng

nhau làm cho tính dị hướng khơng cịn nữạ Đa tinh thể nói chung có tính

đẳng hướng giả, tức là theo các phương tính chất đều giống nhau, tính

chất thể hiện trong da tinh thể như là trung bình cộng của các tính chất

theo các phương khác nhaụ

- Ổ vùng biên giới giữa các hạt, các nguyên tử chịu qui luật định hướng của tất cả các hạt xung quanh nên có sắp xếp không trật tự, hay

nói khác là mạng tỉnh thể bị xô lệch (trong hình 1-22 các nguyên tử tô đen

ỏ biên giới hạt, các nguyên tử còn lại ở trong hạt)

— Nếu đi sâu nghiên cứu tỷ mỉ hơn nữa vào cấu tạo mạng tỉnh thể,

người ta còn thấy ngay trong mỗi hạt phương mạng cũng không tuyệt đối

ổn định Hạt còn nhiều bộ phận nhỏ hơn kích thước khoảng (10% +10“)em mà phương mạng giữa chúng lệch nhau một góc rất nhỏ — khoảng vài phút đến 1° (đơi khi có thể bỏ qua) Những bộ phận nhỏ này được gọi là

siêu hạt hay blốc -

Và như vậy biên giới của siêu hạt cũng có mạng tinh thể bị xô lệch

nhưng với mức độ thấp hơn so với biên giới hạt

ả

1.3.2 Cac sai léch trong mang tinh thé Ay

Nếu trong kim loại mọi chất điểm đều nằm đúng 6 vi tri quidinh cia

kiểu mang tinh thể đã cho thì mạng được gọi là mạng tinh thé lý tưởng

Trang 35

Trong thực tế không phải tất cả mọi nơi của mạng tỉnh thể kim loại đều có cấu tạo trật tự, trong một số vùng của mạng, trật tự sắp xếp các

nguyên tử không được giữ đúng gây nên sai léch-vé mạng tinh thé

-Cac sai léch vé mang tinh thể chiếm tỷ lệ rất thấp, thường không quá

(101 +10)% tổng số nguyên tử nhưng sai lệch đóng một vai trò rất lớn đối

với các quá trình xẩy ra trong kim loại nên nghiên cứu về kim loại đặc

biệt chú ý đến sai lệch

- Theo kích thước và dạng hình học có thể chia các sai lệch trong mạng

tỉnh thể thành ba loại: Sai lệch điểm, sai lệch đường và sai lệch mặt

1.3.3.1 Sơi lệch điểm

Sai lệch điểm là sai lệch của mạng có kích thước nhỏ (độ một vài

thông số mạng) theo cả ba chiều đo, tức có dạng bao quanh một điểm Nó bao gồm: nút trống và nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất

a) Nút trống 0à nguyên tử xen ké

Trong mạng tỉnh thể các nguyên tử (on) luôn luôn dao động quanh vi trí cân bằng của mình Năng lượng dao động này phụ thuộc rất nhiều vào

nhiệt độ và phân bố không đều trên các nguyên tử, có nghĩa là tại một

thời điểm ln ln có những ngun tử có năng lượng lớn hơn hoặc bé

hơn giá trị trung bình ở nhiệt độ đã chọ Sự phân bố không đồng đều về năng lượng dao động như vậy còn gọi là ba động năng lượng Một số nguyên tử có năng lượng đủ lớn với biên độ dao động lớn, có khả năng bứt © khỏi vị trí cân bằng của mình để lại ở đó các nút trống khơng có nguyên tử _ chiếm chỗ Sau khi bứt khỏi vị trí cân bằng nguyên tử hoặc đi vào vị trí

xen ké giữa các nút mạng hình 1-23a hoặc di chuyển ra ngoài bề mặt của tinh the hình 1-28b 00000000 000 0~ 00000000 00007000 o00+0000 00000000 ‘000 KQ000, 00000000 000000% 0 oơr0000 0 00000000 00000000 70000000 00000000 a) bì

6 : Hình 1-23: Núi trống uà nguyên từ xen ké

_ Vì sự Eạo nên nút trống phụ thuộc vào năng lượng dao động nên xác

suất tạo nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ nó tăng nhanh khi nhiệt độ

Trang 36

tăng Cần chú ý các nút trống không đứng yên mà luôn luôn đổi chỗ bằng cách trao đổi vị trí với các nguyên tử bên cạnh

b) Nguyên tử tạp chat

Kim loại dù nguyên chất đến đâu cũng chứa một lượng nhất định: nguyên tử của nguyên tố khác (nguyên tử tạp chất) hay nóị khác đi,

khơng có kim loại nguyên chất tuyệt đốị Các nguyên tử tạp chất có thể thay thế vị trí các nguyên tử cơ sở ở nút mạng hoặc nằm xen kế giữa các

nút mạng xem hình 1-24 :

Hình 1-24: Sai lệch điểm do nút trống (a), nguyên tử xen bẽ giữa các

nút mạng (b) uè nguyên tử tạp chất ở nút mạng (©)

Ban thân các nút trống, nguyên: tử xen lẽ giữa các nút mạng và các nguyên tử tạp chất đã là sai lệch điểm trong mạng tinh thể, song chúng, còn làm cho các nguyên tử ở xung quanh bị xê dịch đi ít nhiều tạo ra vùng hình cầu đường kính khoảng vài thông số mạng với các nguyên tử nằm lệch vị trí ở hình 1-24 cụ thể các nguyên tử xung quanh.nút trống xích lại gần nhau xem hình 1-24a, nguyên tử xen kẽ giữa các nút mạng làm cho các nguyên tử ở các nút xung quanh dãn ra hình 1-24b, nguyên tử tạp chất có đường kính nguyên tử lớn hoặc bé hơn đường kính nguyên tử cơ sở, thay thế nguyên tử cơ sở tại nút mạng làm các nguyên tử xung quanh dãn ra hoặc xích lại gần nhau hình 1-24c

1.3.2.2 Sai lệch đường

Sai lệch đường là sai lệch mạng có kích thước nhỏ theo hai chiéu do va lớn theo chiều đo còn lại, tức là có dạng đường (thắng hoặc cong) Các

dạng khuyết tật đường

- Một dãy các sai lệch điểm: Các sai lệch điểm như nút trống nguyên

tử xen kẽ nếu tập trung lại thành một dãy dung lién nhau sé gay ra sal lệch đường Sai lệch đường loại này có tính ổn định khơng cao vì chỉ cần ' khuyếch tan một sai lệch điểm rời khỏi đường thì sai lệch đường không

tồn tạị

- lệch: là dạng sai léch h đường quan trọng nhất, có dạng hình học nhất định và có tính ổn định caọ

oO

Trang 37

Ly thuyét léch nay ngay nay trở thành một bộ phận quan trọng của vật lý chất rắn nói chung và vật lý kim loại nói riêng nhờ đó giải thích được nhiều hiện tượng về cơ tính, lý tính của kim loại và hợp kim Lý -

thuyết lệch mạng mở ra những triển vọng mới và to lớn trong việc chế tạo kim loại và hợp kim có độ bền caọ

Trong phần này chúng ta chỉ nghiên cứu một số đặc điểm hình học của lệch trong vai trị nó là dạng sa1 lệch đường

a) Léch bién (mơ hình hình 1-25)

-_ Hình 1-35: Lệch thẳng, theo mơ hình gịi bún mặt (œ, b) - Uò theo mơ hình trượt ép (c, d, e)

o

Có thể hình dung lệch biên bằng cách sau: Giả sử có mạng tinh thể hoàn chỉnh gồm những mặt nguyên tử song song va cach déu nhau, néu chèn thêm nửa mặt phẳng ABCD vao nửa phần trên của tinh thé 1-25a

© thì các mặt ñguyên tử thẳng đứng nằm về hai phía ABCD sẽ khơng cịn

hồn toàn song song với nhau nữa chúng bị cong đi ở vùng gần đường

Trang 38

AD Cac nguyén ttt nam trong vùng này bị xê dịch khỏi vị trí cân bằng cũ

của mình Các nguyên tử nằm phía dưới AD bị đẩy ra xa một chút (vùng

có:ứng suất kéo) còn các nguyên tử phía trên AD bị ép lại một chút (vùng

có ứng suất nén) xem hình 1-25b do vậy vùng sai lệch nam xung quanh

đường AD gọi là lệch thẳng Đường AD gọi là trục của lệch thẳng Trục

của lệch là đường biên phía trong AD của nửa mặt phẳng ABCD nén ta còn gọi là lệch biên

Cũng có thể hình dung lệch thẳng bằng cách cắt tưởng tượng tỉnh thể hoàn chỉnh theo mặt phẳng P hình 1-25c xong ép phần trên mặt phẳng P

để phần dưới P dịch sang phải một thông số mạng phía bên trái vẫn giữ nguyên vị trí cũ hình 1-25d, kết quả nhận được mô hình lệch biên tạo thành do kết quả trượt ép phần trên của tỉnh thể trên mặt phẳng P và P

được gọi là mặt trượt hình 1-25ẹ

Nếu nửa mặt tỉnh thể ABCD nằm ở phía trên, lệch thẳng gọi là lệch thẳng dương ký hiệu L , nếu nửa mặt phẳng ABCD nằm ở phía dưới thì có lệch thẳng âm ký hiệu L Léch âm và dương là các qui ước để xét tương

tác giữa các lệch khi nghiên cứụ

Chiều dài của lệch biên (trục AD) khoảng hàng vạn thơng số mạng,

cịn bán kính của vùng bị sai lệch xung quanh AD chỉ vài thông số mạng

Để đặc trưng định lượng lệch người ta dùng véc tơ Burgers như sau: Trên bề mặt tỉnh thể thực tế vẽ vòng véc tơ kín bao quanh trung tâm lệch theo một chiều nhất định nào đó, vịng véc tơ kín này được gọi là vòng

Burgers Tiếp tục vẽ vòng Burgers lặp lại trên bề mặt tỉnh thể hoàn chỉnh

và tất nhiên nó sẽ khơng kín Véc tơ cần thiết để khép kín vịng Burgers

chính là véc tơ b cần xác định, hình 1-26 Cũng có thể xác định véc tơ Burgers theo cách ngược lạị Đầu tiên vẽ vòng véc tơ Burgers đối với tỉnh thể hồn chỉnh sau đó vẽ lặp lại sang tinh thể chứa lệch làm thế nào phải

bao quanh trục lệch Bree || ‘Leal Ch] LÍ.) aop J ay : COT) Core a a Me - —_

Hình 1-26: Cách xác định uéc tơ Burgers của lệch biên

Trang 39

Dac diém 1a véc to Burgers cua léch bién luôn luôn vng góc với trục

léch (6 1 AD) b) Léch xoăn

Lệch xoắn có thể hình dụng, bằng cách sau:

- Cắt tinh thể hoàn chỉnh bằng nửa mặt phẳng ABCD hình 1 27ạ Xong xê dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau làm thế nào để mặt nguyên tử nằm ngang thứ nhất bên phải trùng với mặt nguyên tử nằm ngang thứ hai bên trái hình 1-27b Kết quả làm cho các nguyên tử nằm gần đường AB bi:xé dich khoi vi tri can bằng cũ của mình Do đó các lớp nguyên tử trong vùng sai lệch mạng đi theo hình xoắn ốc nên lệch đạng này gọi là lệch 'xoắn mặt phẳng ABCD gọi là mặt trượt của lệch, trên hình 1-27c, trình bày cách bố trí nguyên tử về hai phía của mặt trượt (chấm đen biểu thị nguyên tử bên phải và vòng tròn biểu thị nguyên tử bên trái mặt trượt) Từ hình vẽ thấy rõ sự sai lệch của các nguyên tử nằm trong vùng đọc theo trục L, trục L gol lat truc léch xoắn

L Lo SA 24 | Pei: Xa : 7 | 0 Se rer st td of manẹ

| _ Hình 1-27: Léch xoắn: tỉnh thể hoàn chỉnh (a), tỉnh thể có lạch xoắn (b), : : cách bố trí nguyên tử uề hơi phía mặt trượt (e)

“

6

Véc tơ Burgers của lệch xoắn được xác định theo phương pháp đã nêụ ta nhận được véc tơ Burgers của lệch xoắn luôn song song với trục lệch

(8/1) 7 |

c) Lệch hỗn hợp

Lệch hỗn hợp là lệch trung gian giữa lệch biên và lệch xoắn, nó mang

đặc điểm của cả hai loại lệch đã nêụ Nếu đối với lệch biên véc tơ Burgers

Trang 40

nằm vng góc với trục lệch, lệch xoắn véc to Burgers nam song song véi

trục lệch thi véc to Burgers của lệch hỗn hợp với trục lệch góc dao động (0 — 90°) trên mặt trượt Do đó véc tơ Burgers của lệch hỗn hợp ln có thể

phân thành hai thành phần: Một thành phần song song với trục lệch là

lệch xoắn, một thành phần vng góc với trục lệch là lệch biên:

b=b, +b,

Nghién cứu lệch hỗn hợp ta nghiên cứu sự tổng hợp của lệch biên và lệch xoắn, lệch hỗn hợp cũng là dạng sai lệch đường

1.3.2.3 Sơi lệch mặt

Sai lệch mặt là sai lệch mạng có kích thước nhỏ theo một chiều đo và lớn theo hai chiều đo còn lại, tức là ‹ có dạng mặt phẳng hay mặt cong nó bao gồm

ơ) Biên giới hợt

Biên giới giữa các hạt trong đa tỉnh thể có thể sắp xếp các ngun tử

khơng có trật tự tạo nên sai lệch mặt Chiều dày của lớp biên giới hạt có

độ lớn từ vài đến hàng trăm thông số mạng, tuỳ thuộc vào độ sạch của

kim loại, độ sạch càng cao lớp chiều dày càng bé

Do có cấu tạo không trật tự nên biên giới hạt có một số tính chất khác với bản thân hạt

- Biên giới hạt có năng lượng tự do cao hơn bên trong hạt nên là nơi dễ

tạo mầm khi chuyển biến pha, là nơi có hoạt tính hố học cao đễ bị ăn

mòn

- Biên giới hạt là nơi dễ chứa các nguyên tu la (tạp chất) và dễ khuếch

tân

- Biên giới hạt khơng có mặt tinh thé xác định nén can trở biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường và kém ô ổn định dễ bị chảy dẻo ở nhiệt độ caọ

b) Biên giới siêu hạt

Biên giới siêu hạt cũng là một dạng sa lệch mặt xem hình 1-28 góc lệch giữa các“siêu hạt rất nhỏ 1-28a nên có thé quan niệm biên giới siêu hạt gồm vô số các lệch thẳng xếp thành hàng với những khoảng cách bằng

nhau tức là tạo nên “bức tường lệch” khoảng cách D giữa các lệch thang phụ thuộc vào véc tơ Burgers b và góc lệch 9 về phương mạng giữa những siêu hạt 1-28b

b

D = 2sm

aa - an b

Vì có Ơ có giá tri col sin 8 = 8 2sin =6 nên D=>