Ký hiệu mặt và phương tinh thể Mạng lập phương CHỈ SỐ MILLER O B A D C E F H x y z Chỉ số phương uvw: 1. Chọn gốc tọa độ nằm trên phương cần xác định, có 1 nút mạng gần nhất dễ xác định tọa độ 2. Xác định tọa độ của nguyên tử gần nhất 3. Quy đồng mẫu số (nếu cần) 4. Tử số là bộ 3 số uvw Ví dụ: Trục x (OF) F(100) 100 Trục y(OH) H(010) 010 Trục z (OD) D(001) 001 Họ phương, ký hiệu :các phương có giá trị tuyệt đối u,v,w giống nhau sắp xếp bất kỳ có cùng quy luật sắp xếp nguyên tử
2/16/2017 Chương 1: Cấu trúc tinh thể hình thành Mở đầu Mở đầu (tiếp theo) Cấu tạo liên kết nguyên tử: Vai trò vật liệu: Kim loại nhóm vật liệu chính: VL kim loại, Ceramic, Polymer Composite nghiên cứu mối quan hệ tính chất cấu trúc vật liệu 1- VL bán dẫn a Liên kết đồng hoá trị: hình thành ngun tử góp chung điện tử hố trị liên kết (Ge, CH4….) Liên kết có tính định hướng 2- VL siêu dẫn Composite Tính chất: 3- VL silicon 4- VL polymer dẫn điện Các dạng liên kết chất rắn: Đối tượng vật liệu học cho chuyên ngành khí: - học (cơ tính) - vật lý (lý tính) Polymer - hóa học (hố tính) Ceramic Ge - cơng nghệ sử dụng Cấu trúc: Ge - nghiên cứu tổ chức tế vi - cấu tạo tinh thể Ge Ge Ge Liên kết đồng cực b Liên kết ion: hình thành lực hút nguyên tố dễ nhường e hoá trị (tạo ion dương) với nguyên tố dễ nhận e hoá trị (tạo ion âm) liên kết (LiF….) Liên kết khơng có tính định hướng d Liên kết kim loại Đn: Liên kết kim loại: ion kim loại nhấn chìm đám mây điện tử Liên kết dị cực e Liên kết yếu (Van der Waals): có tương tác phần tử bị phân cực Tính kim loại : + Ánh kim Ion dương Me+ + Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt + Biến dạng dẻo + xít chặt & độ dai cao + Tính cơng nghệ phù hợp c Liên kết hỗn hợp: hình thành vật liệu tồn nhiều loại liên kết có góp mặt nhiều loại nguyên tố: ion cộng hóa trị Vật liệu ceremic: liên kết ion + liên kết cộng hóa trị cứng, gion, T cháy cao, bền ăn mòn Mây Electron Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ * Vật liệu Polymer có liên kết Van de Waals): nhiệt độ chảy thấp, độ bền thấp 2/16/2017 Sắp xếp phần tử (nguyên tử nhóm nguyên tử) để tạo thành vật liệu: Đám ngun tử rắn Chất lỏng: khơng có trật tự Khái niệm mạng tinh thể c Ký hiệu mặt phương tinh thể Nối tâm nguyên tử đường thẳng tưởng tượng -> Mạng tinh thể Mạng lập phương - CHỈ SỐ MILLER a Định nghĩa mạng tinh thể: Chọn gốc tọa độ nằm phương cần xác định, có nút mạng gần dễ xác định tọa độ Xác định tọa độ nguyên tử gần Quy đồng mẫu số (nếu cần) Lỏng Kl rắn: trật tự xa Là mơ hình khơng gian mơ tả quy luật hình học cách xếp nguyên tử b Các khái niệm bản: Chất rắn vơ định hình: cấu trúc giống chất lỏng trước đông đặc (thủy tinh-b) Ô sở: hình khối nhỏ nhỏ có cách sx ngun tử đặc trưng cho tồn mạng tinh thể Chất rắn tinh thể-c: nguyên tử (nhóm nguyên tử) xếp có trật tự) Tịnh tiến ô sở theo ba chiều không gian xây dựng toàn mạng tinh thể Chất rắn vi tinh thể: có cấu trúc tinh thể trạng thái cỡ hạt nano Nút mạng, số mạng (1 đ.v.) z Chọn gốc tọa độ ? để mặt cần biểu diễn cắt trục điểm dễ xác định tọa độ Xác định tọa độ điểm cắt, lấy nghịch đảo Quy đồng mẫu số (nếu cần) Tử số số (hkl) C Tử số số [uvw] E O H y F A x Ví dụ: Trục x (OF) F(100) [100] Trục y(OH) H(010) [010] Trục z (OD) D(001) [001] Họ phương, ký hiệu :-các phương có giá trị tuyệt đối u,v,w giống xếp - có quy luật xếp nguyên tử Mặt 001 trục tọa độ ox, oy, oz ou góc 120 độ Chỉ số mặt: [uviw] < uviw > E B a=1,15dngtử uvw hkl xác định giống Miller Chỉ số mặt: (hkil) hkil Mạng A2: lftk a=1,15dngtử i= -(u+v) i = - (h+k) H O y Mặt 001 F Ví dụ: Mặt FHD: 111 (111) FHCE: 11 110 (110) C B Mạng lục giác (chỉ số Miller-Bravais) D D Chỉ số phương [uvw]: Lỏng KL lỏng: có trật tự gần, khơng có trật tự xa Chỉ số mặt (chỉ số Miller) (hkl): z A a=1,41dngtử x Mặt A: 11-1 11-1 (11(1 َ◌ Mặt B:½ ⅓ 230 (230) Họ mặt, ký hiệu {hkl}: mặt có giá trị tuyệt Phương Ox Oy Oz Ou (110) Miller [210] [120] [001] [110] Mạng A1: lftm a=1,41dngtử Miller-Bravais [2110] [1210] [0001] [1120] Mặt 0001 Mạng A3: lgxc a=dngtử đối u,v,w giống không kể thứ tự có quy luật xếp nguyên tử 2/16/2017 4.2 Một số mạng tinh thể vật liệu phi kim b) Liên kết cộng hóa trị thủy tinh SiO2 a) Cacbon có liên kết cộng hóa trị Tên & ký hiệu: lftk, A2, BCC lftm, A1, FCC lgxc, A3, HCP Sắp xếp ng.tử: đỉnh, tâm hộp đỉnh, tâm mặt đỉnh, tâm đáy, tâm l trụ Số ng.tử/1ô: 8/8+1=2 8/8+6/2=4 12/6+3+2/2=6 Xếp chặt: & 110 & 111 & 0001 Dng.tử : d ng.tu a / d ng.tu a / Mật độ xếp: Nguyên tố: 68%, dlh = 0,29dng.t Fea, Cr, Mo, V 74%, dlh = 0,41dng.t Fe, Al, Cu, Ni,Au,Ag dng.tử=a tùy theo c/a Tiac/a1,59 xếp chặt, Mg c/a1,62 xếp chặt, Zn c/a1,86 k xếp chặt (Xếp chặt c/a= 1,57÷1,64) Kim cương, graphit, fullerence, ống nano cacbon d) Cấu trúc polyme với liên kết Van der Waals Vật liệu polyme c) Liên kết ion NaCl Mạch thẳng Mạch nhánh Polyme vô định hình Số nguyên tử: Cl=8/8+6/2=4; Na=12/4+ 1=4 Mạch lưới Mạch khơng gian 2/16/2017 4.3 Dạng thù hình Một chất tồn nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau, kiểu dạng thù hình, từ kiểu mạng sang kiểu khác gọi c.b.t hình Các tượng chuyển biến thù hình Chất rắn có nhiều dạng thù hình = đa hình 4.4 Các sai lệch mạng tinh thể K/n: nguyên tử nằm sai vị trí quy định → a/h tính chất Phân loại: Lệch điểm (0D), lệch đường (1D), lệch mặt (2D), lệch khối (3D) a) Sai lệch điểm (0D): kích thước nhỏ (nguyên tử) theo chiều không gian Nút trống nguyên tử xen kẽ: nguyên tử chuyển động bứt khỏi nút mạng Ký hiệu: α, , β, γ, δ…tăng dần theo nhiệt độ c c Nguyên tử lạ thay xen kẽ a a Feα(A2), T 911 oC Feγ (A1), 911 ÷ 1392 oC Feδ (A2) Fea xen kẽ thay b) Lệch đường – 1D Lệch vít = lệch xoắn Sai lệch đường – lệch: kích thước nhỏ (nguyên tử) theo chiều lớn theo chiều thứ ba Đặc trưng ý nghĩa lệch Lệch xoắn: hai phần mạng tinh thể trượt tương đối so với số mạng Các nguyên tử vùng lệch xếp theo hình xoắn ốc Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa mạng tinh thể lý tưởng Mật độ lệch ρ : Vec tơ b ┴ + ┬ l lêch V Véctơ Burger: đóng kín vịng trịn vẽ mặt phẳng vng góc với trục lệch chuyển từ tinh thể khơng lệch sang có lệch b trục lệch Trục lệch Đặc trưng hình thái lệch cm cm2 cm + Phụ thuộc độ trạng thái gia công - Kim loại trạng thái ủ ρ = 108 cm-2 - Hợp kim kim loại sau biến dạng nguội : ρ = 1010- 1012 cm-2 b Ý nghĩa lệch: =0 + Lệch biên có ảnh hưởng lớn đến q trình biến dạng dẻo trục lệch Trục lệch AB + Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh kết tinh b // trục lệch 2/16/2017 c) Lệch mặt- 2D d) Lệch khối- 3D Đơn tinh thể đa tinh thể Sai lệch mặt : kích thước lớn theo hai chiều đo nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng mặt a) Đơn tinh thể: khối đồng có kiểu mạng số mạng, có phương khơng đổi tồn thể tích + bề mặt ngồi nhẵn, hình dáng xác định + đơn tinh thể kim loại không tồn tự nhiên, muốn có phải dùng cơng nghệ "ni" đơn tinh thể biên giới hạt siêu hạt bề mặt tinh thể Tiết pha Rỗ khí I Máctenxit II đơn tinh bất đẳng hướng b) Đa tinh thể Đ/n: Hình ảnh đa tinh thể kim loại tập hợp nhiều đơn tinh thể có kiểu mang, thơng số mạng định hướng khác I Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại Quan sát cấu trúc đa tinh thể qua tổ chức tế vi Điều kiện kết tinh a) Cấu trúc trạng thái lỏng: Đặc điểm đa tinh thể: + có trật tự gần, cân động - hạt đơn tinh thể đồng II + cấu trúc gần với trạng thái rắn - đơn tinh thể (hạt) ngăn cách biên giới hạt + đám nguyên tử tâm mầm kt - biên hạt bị xô lệch không tuân theo quy luật xếp tinh thể - số lượng hạt tinh thể lớn toàn khối tính đẳng hướng 2/16/2017 6.2 Sinh mầm phát triển mầm 6.1 Điều kiện kết tinh 6.3 Sự hình thành hạt tinh thể Rth + T >T0 → GL < GR + T GR + T = T0 → Quá trình kết tinh chưa xảy T0 - nhiệt độ kết tinh (đông đặc) c) Độ nguội : ΔT = T - T0 < ( vài độ ÷ vài trăm Năng lượng tự do, G + Mỗi mầm phát triển thành hạt, hạt phát triển trước to b) Biến đổi lượng kết tinh độ) Điều kiện kết tinh : ΔT < (ΔG < 0) ΔG + Các hạt định hướng ngẫu nhiên, không đồng hướng + Vùng biên hạt có mạng tinh thể bị xơ lệch → sai lệch mặt GR Sinh mầm Phát triển mầm GL T T0 Nhiệt độ, T Mầm từ sinh Mầm ngoại lai Quá trình kết tinh (Movie) Rth 6.4 Tạo hạt nhỏ đúc-vai trò tốc độ nguội Các phương pháp khác để tạo hạt nhỏ đúc 6.5 Cấu tạo thỏi đúc Kích thước hạt A phụ thuộc tốc độ sinh mầm (n) phát triển mầm (v) Biến tính: thêm vào kim loại lỏng lượng chất biến tính làm nhỏ hạt, thay đổi hình dạng hạt a) Ba vùng tinh thể thỏi đúc Tạo mầm ngoại lai: Kim loại có kiểu mạng tương tự (Ti), chất tạo oxyt, nitrit Al2O3, AlN, đúc thép Hấp phụ: Na (0,01%) cho hợp kim nhôm đúc + ΔT < ΔT1 (103 0C/s) : ΔT tăng → n, v tăng → kích thước hạt nhỏ; + ΔT1 < ΔT < ΔT2 : ΔT tăng → n tăng, v giảm → vật liệu vi tinh thể, nano; + Vùng tinh thể hình trụ vng góc với thành khn + Vùng có hạt lớn trục b) Khuyết tật vật đúc: Cầu hóa: Mg, Ce, nguyên tố đất + Lõm co kết tinh kim loại co lại, không bù + Rỗ co, rỗ khí khí hịa tan khơng kịp cán hàn lại + ΔT > ΔT2 : ΔT tăng → n giảm, v giảm → VL vơ định hình; VD : Đúc khn cát vs khn kim loại + Lớp vỏ ngồi, hạt nhỏ mịn Tác động vật lý : rung, siêu âm, đúc ly tâm,… + Thiên tích : khơng đồng thành phần tổ chức tạp chất tích tụ 2/16/2017 Chương 2: Biến dạng dẻo tính Sự biến đổi mạng tinh thể giai đoạn khác trình biến dạng Tải trọng F 2.1 Biến dạng dẻo phá huỷ Fb Giai đoạn ban đầu: nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân b Fa Fđh Giai đoạn biến dạng đàn hồi: nguyên tử xê dịch phạm vi hẹp so với thơng số mạng nên trở vị trí ban đầu bỏ tải trọng c a Giai đoạn biến dạng dẻo: nguyên tử xê dịch phạm vi lớn so với thông số mạng nên khơng trở vị trí ban đầu bỏ tải trọng e Giai đoạn phá huỷ: liên kết nguyên tử bị cắt rời Dẻo dư Đàn hồi a1 a2 Độ dãn dài l Sơ đồ biểu diễn tải trọng-biến dạng điển hình KL Trượt đơn tinh thể Mặt trượt: Là mặt nằm sát với mặt nguyên tử dày đặc mà xảy tượng trượt Mặt trượt: Phương trượt Mặt trượt -Phải mặt xếp xít chặt (liên kết nguyên tử lớn bền vững) -Khoảng cách mặt xít chặt phải lớn (dễ cắt đứt liên kết mặt dễ xê dịch) Phương trượt: Là phương có mật độ nguyên tử lớn Hệ trượt: Là tích số số mặt trượt ô sở với số phương trượt mặt trượt = số kiểu trượt Hiện tượng trượt đơn tinh thể Trượt đơn tinh thể Zn Trượt tượng chuyển dời tương đối phần tinh thể theo phương mặt định gọi phương trượt mặt trượt Kiểu mạng có số hệ trượt lớn Số phương mặt lớn tính dẻo cao Hệ trượt • A1 mặt x phương = 12 hệ trượt Nhận xét Kim loại có số hệ trượt cao dễ biến dạng Nhơm (Al), đồng (Cu)… dễ biến dạng Manhê (Mg), Kẽm (Zn) • A2 mặt x phương = 12 hệ trượt Trong hệ tinh thể (lập phương): kim loại có số phương trượt nhiều dễ biến dạng dẻo • A3 Nikel (Ni), Nhôm (Al), đồng (Cu) (A2)… dễ biến mặt x phương = hệ trượt dạng Crôm (Cr), Vonfram (V) (A1) 2/16/2017 Ứng suất trượt – Định luật Schmid = F/So Lực gây trượt: f= Fcosa.cosb Các giá trị tới hạn = ½.o, a=45o, b =0o o: ứng suất ngoại lực F tác dụng lên tiết ngang tinh thể có tiết diện khơng đổi Ứng suất trượt: = (f/S)= Fcosa.cosb /S a b S So Phương trượt a) thay S=So/sin a , thay F/So= o b) cos45o=sin45o=2/2 Không xảy trượt =0,5o Dễ xảy trượt =0 Tính dễ trượt c) R = b=90o =90° R==max /2 =45° o b=0 =45° a=45o R = =90° a=90o = 0 cosa.cosb.sin a max b=0o a=45o Chú ý: (a+b = 90o) Không xảy trượt =0 Trượt đa tinh thể Đặc điểm: Lý thuyết: th~ G/2 Thực tế: th~ G/(8.1038.104) Các hạt bị biến dạng không Có tính đẳng hướng Có độ bền cao Hạt nhỏ độ bền độ dẻo cao Theo Hall – Petch: c=0+kd-1/2 Phá huỷ a) phá huỷ điều kiện tải trọng tĩnh: Phá huỷ gì? Phá huỷ dẻo: phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo đáng kể tiết diện mặt gãy thay đổi Phá huỷ giòn: phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo không đáng kể tiết diện mặt gãy gần không thay đổi Cách nhận biết phá huỷ giòn phá huỷ dẻo (quan sát vết phá huỷ) Là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, khắc phục thiệt hại kinh tế, người… cần phải có biện pháp khắc phục Đặc điểm chung: hình thành vết nứt tế vi phát triển vết nứt tách rời phần = phá huỷ Phá hủy dẻo (tiết diện thay đổi) Phá huỷ giịn (tiết diện khơng đổi) 2/16/2017 Phá huỷ dẻo phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều lượng Tải trọng F Tải trọng F cơng phá hủy lớn Phá huỷ giịn phát triển với tốc độ nhanh, cần lượng nhỏ công phá hủy nhỏ Công phá hủy Chú ý: vết phá hủy cắt ngang hạt hay theo biên giới hạt Công phá hủy Độ dãn dài l Độ dãn dài l Phá hủy dẻo Phá hủy giòn Cơ chế phá huỷ Sự phụ thuộc hình thức phá huỷ vào số yếu tố: Nhiệt độ giảm, tốc độ đặt tải tăng phá huỷ có xu hướng chuyển từ phá huỷ dẻo sang phá huỷ giòn Vết cắt Sợi Tiết diện thay đổi đột ngột, bề mặt bị tập trung ứng suất lớn xu hướng tiến đến trang thái phá huỷ giòn Xuất vết nứt tế vi Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước tới hạn Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước lớn giá trị tới hạn Bề mặt mẫu phá huỷ giòn Các vết nứt tế vi phát triển nhanh Phá huỷ vật liệu Sự xuất vết nứt tế vi - Theo đường tự nhiện (nguội nhanh nứt chi tiết) - Từ rỗ khí, bọt khí - Từ pha mềm vật liệu - Sinh q trình biến dạng có tập hợp nhiều lệch dấu chuyển động mặt trượt gặp vật cản (pha thứ hai) Chú ý: lực tác dụng lên vật mà vng góc với vết nứt lớn vết nứt phát triển nhanh phá huỷ nhanh chóng 2/16/2017 Sự tập trung ứng suất Độ dai phá hủy K IC Y a K C Y a Sự dịch chuyển bề mặt vết nứt a Kiểu I – mở Ảnh hưởng chiều dày mẫu thử đến độ dai phá hủy b Kiểu II – trượt c Kiểu III - xé Ý nghĩa độ dai phá hủy biến dạng phẳng Y a Vật liệu định KIC Ứng suất định σ a K IC Y sở để so sánh vật liệu với Phá hủy giịn K IC • Cơ tính gì? tập hợp đặc trưng học biểu thị cho khă chịu tải Vật liệu định KIC Công nghệ tạo a=const Cách xác đinh tính? Ứng suất • 2.2 Các đặc trưng tính kiểm tra mẫu thử Chú ý: - Mẫu thử lớn thường có tính thấp (do xác suất xuất khuyết tật cao hơn) Phá hủy dẻo - điều kiện thí nghiệm làm việc khác cần có hệ số an tồn để bảo đảm chi tiết làm việc chịu lực tuổi thọ cao… a) Độ bền tĩnh () Giới hạn bền (b): Giới hạn đàn hồi (đh): ứng suất lớn tác dụng lên mẫu gây biến dạng cục dẫn đến phá hủy ứng suất lớn tác dụng lên mẫu làm cho mẫu không bị biến dạng tải trọng Fđh: lực kéo lớn không gây biến dạng mẫu sau bỏ tải (N) Fb ( MPa ) S0 Giới hạn chảy vật lý (ch): bị biến dạng dẻo 1 Độ bền theo lý thuyết 2 Độ bền đơn tinh thể Giới hạn chảy quy ước (0,2): F0, ( MPa ) S0 So: tiết diện mẫu thử (mm2) Yếu tố ảnh hưởng đến độ bền: mật độ lệch 0,01-0,05 ứng suất bé tác dụng lên mẫu làm cho mẫu bắt đầu 0, Fb: lực kéo lớn giản đồ thử kéo (N) So: tiết diện mẫu thử (mm2) độ bền dh F dh ( MPa ) S0 b 0,2: lực kéo tạo biến dạng dư 0,2% (N) So: tiết diện mẫu thử (mm2), 0,1-0,2 Các kim loại nguyên chất sau ủ 1010-1012/cm2 108/ cm2 Kim loại sau biến dạng, hoá bền…… mật độ lệch 2/16/2017 Cấu trúc Tổ chức mactenxit Bản chất Mactenxit Các chuyển biến xảy nguội nhanh Austenit (tiếp theo) Các đặc điểm chuyển biến Mactenxit - Là dung dịch rắn bão hoà C Fe Mactenxit - Nồng độ C Austenit - Kiểu mạng phương tâm khối c/a~ 1,001-1,06 Bainit - Cacbon nằm lỗ hổng mặt Xe • Chỉ xảy làm nguội nhanh liên tục g với tốc độ V > Vth • Chuyển biến khơng khuyếch tán • Q trình chuyển biến xảy liên tục, tốc độ phát triển nhanh • Chỉ xảy khoảng hai nhiệt độ bắt đầu (Mđ) kết thúc (Mk) • Chuyển biến xảy khơng hồn tồn HRC 60 Cơ tính Mactenxit • • • F - Mactenxit có độ cứng cao mức độ gây xô lệch mạng lớn Các chuyển biến xảy nung nóng thép sau tơi 45 Độ cứng: phụ thuộc vào hàm lượng C Thép < 0,3%C không Tính giịn: tỷ lệ thuận với độ cứng 30 0,3 0,5 %C RAM THÉP HỢP KIM Tổ chức thép sau tôi: M+g dư (Mactenxit Austenit dư) Tổ chức thép sau tôi: M+g dư (Mactenxit Austenit dư) Mactenxit Austenit dư không ổn định, nung: Mactenxit: Fe(C) Fe3C + Fe Mactenxit Austenit dư không ổn định, nung: Mactenxit: Fe(C) Fe3C + Fe ram Austenit: Feg(C) Fe3C + Fe