Vật liêu học kỹ thuật - Chương 1 docx

4 Chơng 1 Cấu trúc tinh thể và sự hình thành 1.1. Cấu tạo và liê n kế t nguyê n tử nguyê n tử = hạ t nhâ n + electron = (proton + nơtron) + electron nơtron không mang điệ n proton mang điện d ơng = điệ n tí ch của electron ng/tử trung hoà Khá i niệm cơ bả n về cấ u tạ o nguyê n tử Cấu hì nh electron (electron configuration) chỉ rõ: số lợng tử chí nh (1, 2, 3 ), ký hiệ u phâ n lớp (s, p, d ), số l ợng electron thuộc phâ n lớp (số mũ trê n ký hiệ u phâ n lớp). Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấ u hì nh electron là 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 qua đó biế t đ ợc số electron ngoà i cùng (ở đâ y là 1, hóa trị 1). Các kim loạ i chuyể n tiế p: Fe có Z = 26: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 1.1.2. Các dạng liê n kế t nguyê n tử trong chất rắn Các loạ i vậ t liệu khá c nhau có thể tồn tạ i các dạ ng liê n kế t riê ng. Sự khá c nhau của cá c dạng liê n kế t đó cũng là nguyê n nhâ n tạ o nê n cá c tí nh chấ t khá c nhau. a. Liê n kế t đồng hóa trị a. Liê n kế t đồng hóa trịa. Liê n kế t đồng hóa trị a. Liê n kế t đồng hóa trị Là liê n kế t của hai (hoặc nhiề u) nguyê n tử góp chung nhau một số electron hóa trị để có đủ tá m electron ở lớp ngoà i cùng. Có thể lấy ba ví dụ nh sau (hì nh 1.1). Clo có Z=17 (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 ), có 7e ở lớp ngoà i cùng, 2 nguyê n tử Cl mỗi nguyê n tử góp chung 1 electron để lớp ngoài cùng 8e (hì nh 1.1a). + a) b) c) Hì nh 1.1. Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hóa trị a. phân tử clo, b. giecmani (Ge), c. mêtan (CH 4 ) Giecmani (Ge, z=32) có 4e lớp ngoà i cùng (4s 2 , 4p 2 ), 4 nguyên tử góp chung (hì nh 1.1b). Liê n kế t giữa cá c nguyê n tử cùng loạ i (từ IVB VIIB nh Cl, Ge) là loạ i đồng cực, còn giữa cá c nguyê n tố khá c loạ i nh CH 4 là loạ i dị cực. Mê tan (CH 4 ). Cacbon (z=6), có 4e lớp ngoà i cùng và 4 nguyê n tử H để mỗi nguyê n tử nà y góp cho nó 1 electron làm cho lớp electron ngoà i cùng đủ 8 (hì nh 1.1c). b. Liê n kế t ion b. Liê n kế t ionb. Liê n kế t ion b. Liê n kế t ion KL nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e cá c nguyê n tố : VIB (O, S ), VIIB (H, F, Cl, Br, I). Cá c ôxit kim loạ i nh Al 2 O 3 , MgO, CaO, Fe 3 O 4 , NiO có xu thế mạ nh với tạ o liê n kế t ion. Liê n kế t ion cà ng mạ nh khi lớp ngoà i cùng (cho) chứa í t e, nhậ n nằm cà ng gầ n hạ t nhâ n. Liên kế t không đị nh h ớng (đị nh h ớng thì xác suấ t liê n kế t lớn nhấ t theo ph ơng nối tâ m cá c nguyên tử), vậ t liệu có liê n kế t ion thì tí nh giòn cao. C H H H H Ge Ge Ge Ge Ge Cl Cl Cl Cl 5 Hì nh 1.2. Sơ đồ biểu diễn liên kết ion trong phân tử LiF Hì nh 1.3. Sơ đồ liên kết kim loại c. Liê n kế t kim loại ( c. Liê n kế t kim loại (c. Liê n kế t kim loại ( c. Liê n kế t kim loại ( hì nh 1.3) o Đ/n: là liê n kết trong đó cá c cation kim loạ i nhấ n chì m trong đám mâ y electron tự do. o Nă ng l ợng liê n kế t là tổng hợp (câ n bằ ng) các ion kim loạ i có vị trí xác đị nh. Cá c nguyê n tố nhóm Ia có tí nh kim loạ i điể n hì nh, cà ng dị ch sang bê n phả i tí nh chấ t kim loạ i cà ng giả m, tí nh đồng hóa trị trong liê n kế t cà ng tăng. o Tí nh chấ t của kim loạ i : liê n kế t nà y tạo cho kim loạ i các tí nh chấ t điể n hì nh: á nh kim hay vẻ sá ng, dẫ n nhiệ t và dẫ n điệ n tốt và tí nh dẻ o, dai cao d. d.d. d. Liê n kế t hỗn hợp Liê n kế t hỗn hợpLiê n kế t hỗn hợp Liê n kế t hỗn hợp - Thực ra các liê n kế t trong cá c chấ t, vậ t liệu thông dụng th ờng mang tí nh hỗn hợp của nhiề u loạ i. Ví dụ: Na và Cl có tí nh â m điệ n lầ n l ợt là 0,9 và 3,0. Vì thế liê n kế t giữa Na và Cl trong NaCl gồm khoả ng 52% liê n kế t ion và 48% liê n kế t đồng hóa trị . e. e.e. e. Liê n kế t yế u (Van de Liê n kế t yế u (Van deLiê n kế t yế u (Van de Liê n kế t yế u (Van der Waals) r Waals)r Waals) r Waals) Do sự khá c nhau về tí nh â m điệ n tạ o thành và phâ n tử phâ n cực. Các cực trái dấ u hút nhau tạ o ra liê n kết Van der Waals. Liê n kế t nà y yế u, rất dễ bị phá vỡ khi tă ng nhiệ t độ. 1.2. 1.2.1.2. 1.2. Sắp xế p nguyê n tử trong vật chất Sắp xế p nguyê n tử trong vật chấtSắp xế p nguyê n tử trong vật chất Sắp xế p nguyê n tử trong vật chất 1.2.1. Chất khí 1.2.1. Chất khí1.2.1. Chất khí 1.2.1. Chất khí Trong chấ t khí có sự sắ p xế p nguyê n tử một cách hỗn loạ n không có hì nh dạng, kí ch th ớc xác đị nh. 1.2.2. 1.2.2.1.2.2. 1.2.2. Chất rắn tinh thể Chất rắn tinh thểChất rắn tinh thể Chất rắn tinh thể Li + F - Me + Me + Me + Me + Me + Me + Me + Me + Me + Me + Me + Me + Me + Me + Me + Me + Ion d ơng Mâ y Electron Chất rắn tinh thể : - Trật tự gần, mà còn có cả trật tự xa. - Các kiểu mạ ng tinh thể xác đị nh: lậ p ph ơng, lục giá c, (hì nh 1.4) Hì nh 1.4. Sơ đồ mạ ng tinh thể 6 1.2.3. 1.2.3.1.2.3. 1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thểChất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể a. a.a. a. Chất lỏng Chất lỏngChất lỏng Chất lỏng Trong phạ m vi hẹ p (khoả ng 0,25nm) cá c nguyê n tử chấ t lỏng có xu thế tiế p xúc (xí t) nhau tạ o thà nh các đá m nhỏ, do vậ y không co lạ i khi né n nh chấ t khí , các đá m nguyê n tử nà y luôn hì nh thà nh và tan rã . Chấ t lỏng chỉ có trậ t tự gầ n, không có trậ t tự xa. Giữa cá c đám có khoảng trống do đó mậ t độ xế p của chấ t lỏng thấ p, khi đông đặ c th ờng kè m theo giả m thể tí ch (co ngót). b. b.b. b. Chất rắn vô đị nh hì nh Chất rắn vô đị nh hì nhChất rắn vô đị nh hì nh Chất rắn vô đị nh hì nh ở một số chấ t, trạ ng thá i lỏng có độ sệ t cao, cá c nguyê n tử không đủ độ linh hoạ t để sắ p xế p lại khi đông đặ c; chấ t rắ n tạ o thà nh có cấu trúc giống nh chấ t lỏng tr ớc đó gọi là chấ t rắn vô đị nh hì nh. Thủy tinh (mà cấ u tạ o cơ bản là SiO 2 ) là chấ t rắ n vô đị nh hì nh Nh vậ y về mặt cấ u trúc, cá c chấ t rắn gồm 2 loạ i: tinh thể và vô đị nh hì nh. Kim loạ i, hợp kim và phầ n lớn các chấ t vô cơ, rấ t nhiề u polyme - tinh thể Tuỳ theo bả n chất của vậ t liệu và tốc độ là m nguội khi đông đặ c tinh thể hoặc vô đị nh hì nh. Thủy tinh nóng chả y, các phâ n tử SiO 2 [trong đó ion O 2- ở các đỉ nh khối tứ diện (bốn mặ t) tam giác đề u, tâ m của khối là ion Si 4+ nh biể u thị ở hì nh 1.5a] là m nguội bì nh th ờng vô đị nh hì nh (hì nh 1.5b); là m nguội vô cùng chậ m các phâ n tử SiO 2 có đủ thời gian sắ p xế p lại theo trậ t tự xa sẽ đ ợc thủy tinh (có cấ u trúc) tinh thể (hì nh 1.5c). a) c) Hì nh 1.5. Cấu trúc khối tứ diện [ SiO 4 ] 4- (a), thủy tinh thờng SiO 2 (b) thủy tinh tinh thể SiO 2 (c) c. c. c. c. Chất rắn vi tinh thể Chất rắn vi tinh thểChất rắn vi tinh thể Chất rắn vi tinh thể Cũng với vậ t liệ u tinh thể kể trên khi là m nguội từ trạ ng thái lỏng rấ t nhanh (trê n d ới 10 4 độ/s) sẽ nhậ n đợc cấu trúc tinh thể nh ng với kí ch th ớc hạ t rất nhỏ (cỡ nm), đó là vậ t liệu có tê n gọi là vi tinh thể (còn gọi là finemet hay nanomet). Tóm lạ i các vậ t liệ u có ba kiể u cấ u trúc: tinh thể (th ờng gặ p nhấ t), vô đị nh hì nh và vi tinh thể (í t gặ p). 1.3. 1.3.1.3. 1.3. Khái niệ m về mạng tinh thể Khái niệ m về mạng tinh thểKhái niệ m về mạng tinh thể Khái niệ m về mạng tinh thể Đ/n: mạ ng tinh thể là mô hì nh không gian biể u diễ n quy luậ t hì nh học của sự sắ p xế p nguyê n tử. Phầ n lớn vật liệ u có cấ u trúc tinh thể , tí nh chấ t rất đa dạ ng phụ thuộc và o kiể u mạ ng. 1.3.1. 1.3.1.1.3.1. 1.3.1. Tí nh đối xứng Tí nh đối xứngTí nh đối xứng Tí nh đối xứng Mạ ng tinh thể mang tí nh đối xứng, là một trong những đặ c điể m quan trọng, thể hiệ n cả ở hì nh dá ng bê n ngoà i, cấu trúc bê n trong cũng nh cá c tí nh chấ t của vậ t rắ n tinh thể . - Oxy - Si (b) 7 Tí nh đối xứng là tí nh chấ t hì nh học khi quay một điể m hay một phầ n tử xung quanh 1 điể m hay một đ ờng với một góc chúng sẽ trùng lặ p nhau. Điể m hay đ ờng đ ợc quay xung quanh đó đ ợc gọi là tâm hay trục đối xứng. Đối xứng qua mặ t phẳ ng đ ợc gọi là đối xứng gơng. Gọi n = 2 / là bậ c đối xứng, chỉ có n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hiệ u L 1 , L 2 , L 3 , L 4 , L 6 . n=2 (L 2 ) n=3 (L 3 ) n=4 (L 4 ) n=6 (L 6 ) 1.3.2. 1.3.2.1.3.2. 1.3.2. Ô c ơ s ở Ô c ơ s ở Ô c ơ s ở Ô c ơ s ở - - ký hiệ u phơng, mặt tinh thể ký hiệ u phơng, mặt tinh thể ký hiệ u phơng, mặt tinh thể ký hiệ u phơng, mặt tinh thể a. a.a. a. Ô c ơ s ở Ô c ơ s ởÔ c ơ s ở Ô c ơ s ở Đ/n: là hì nh khối nhỏ nhất có cách sắ p xếp nguyê n tử đại diệ n cho toà n bộ mạ ng tinh thể . Do tí nh đối xứng bằ ng ph ơng phá p xoay và tị nh tiế n ta sẽ suy ra toà n bộ mạ ng tinh thể Thông số mạ ng (hằ ng số mạ ng) là kí ch th ớc của ô cơ sở, th ờng là kí ch th ớc cá c cạ nh của ô cơ sở từ đó có thể Hì nh 1.6. Ô cơ sở và hệ tọa độ xá c đị nh toà n bộ kí ch th ớc của ô cơ sở (hì nh 1.6) b. b.b. b. Nút mạng Nút mạngNút mạng Nút mạng Nút mạ ng t ơng ứng với vị trí các nguyê n tử trong mạ ng tinh thể . c. c.c. c. Chỉ số phơng Chỉ số phơngChỉ số phơng Chỉ số phơng Ph ơng là đ ờng thẳ ng đi qua cá c nút mạ ng, đ ợc ký hiệ u bằ ng [u v w]; Ba chỉ số u, v, w là ba số nguyê n tỷ lệ thuận với tọa độ của nút mạng nằ m trên ph ơng đóở gần gốc tọa độ nhất (hì nh 1.7). Chú ý: Phơng và mặt tinh thể có kí ch th ớc vô hạn Trê n hì nh 1.7 giới thiệ u ba phơng điể n hì nh trong mạng tinh thể của hệ lậ p ph ơng: - đ ờng ché o khối [111], đ ờng ché o mặ t [110], cạ nh [100]. Các ph ơng có cá c giá trị tuyệ t đối u, v, w giống nhau, tạ o nên họ ph ơng <uvw>. Ví dụ họ <110> gồm cá c phơng sau đâ y chúng có cùng quy luật sắp xế p nguyê n tử: L a 3 5 2 1 4 Hì nh 1.7. Các phơng điển hì nh của Hì nh 1.8. Các mặt điển hì nh của hệ lập phơng hệ lập phơng a x y z [ 110 ] [111] [100] [ 010 ] [ 001 ] 8 [110], [011], [101], [1 1 0], [01 1 ], [ 1 01], [ 1 10], [0 1 1], [10 1 ], [ 11 0], [0 11 ], [ 1 0 1 ] (cá c đ ờng chéo) d. Chỉ số Miller của mặt tinh thể d. Chỉ số Miller của mặt tinh thểd. Chỉ số Miller của mặt tinh thể d. Chỉ số Miller của mặt tinh thể Mặ t tinh thể là tập hợp cá c mặt có cách sắ p xếp nguyê n tử giống hệ t nhau, song song và cách đề u nhau, chúng có cùng một ký hiệ u. Ng ời ta ký hiệ u mặ t bằ ng chỉ số Miller (h k l). Cá c chỉ số h, k, l đ ợc xá c đị nh theo cá c b ớc nh sau: . tì m giao điể m của mặt phẳ ng trê n ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz, . xác đị nh tọa độ cá c giao điể m, rồi lấ y các giá trị nghị ch đả o, . quy đồng mẫ u số, lấ y cá c giá trị của tử số, đó chí nh là các chỉ số h, k, l . Ví dụ, xá c đị nh cá c chỉ số Miller cho cá c mặt mặ t điể m cắ t các trục nghị ch đả o chỉ số 1 1, 1, 1/2 1, 1, 2 (112) 2 1, 1, 1 1, 1, 1 (111) 3 1, 1, 1, 1, 0 (110) 4 1, , 1, 0, 0 (100) 5 1, 1, 2 1, 1, 1/2 (221) Hì nh 1.8 Sơ đồ ký hiệ u mặ t tinh thể theo chỉ số Miller Các mặ t có cá c chỉ số giá trị tuyệ t đối h, k, l giống nhau tạ o nên họ mặt {h k l}. Ví dụ, cá c mặt hộp tạ o nê n họ {100} gồm (100), (010), (001), (100), (010), (001). e. e.e. e. Chỉ số Miller Chỉ số Miller Chỉ số Miller Chỉ số Miller - - Bravais trong hệ Bravais trong hệ Bravais trong hệ Bravais trong hệ lục giác lục giáclục giác lục giác Chỉ số Miller - Bravais với hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (hì nh 1.9). Chỉ số Miller - Bravais đ ợc ký hiệ u bằ ng (h k i l), trong đó chỉ số thứ ba i (của trục Ou) có quan hệ : i = - (h + k) Hã y thử so sá nh hai chỉ số nà y cho cá c mặ t trong hệ lục giác đ ợc trì nh bà y ở hì nh 1.9: mặ t chỉ số Miller chỉ số Miller - Bravais ABHG (100) (10 1 0) BCIH (010) (01 1 0) AGLF (110) (1 1 00) ABCDEF (001) (0001) ACIG (1120) Hì nh 1.9. Hệ tọa độ trong hệ lục giá c và các mặt Cách ký hiệ u theo Miller - Bravais thể hiện đ ợc các mặ t bê n cùng họ và cùng cá ch sắp nguyê n tử. 1.3.3. 1.3.3.1.3.3. 1.3.3. Mật độ nguyê n tử Mật độ nguyê n tửMật độ nguyê n tử Mật độ nguyê n tử a. a. a. a. Mật độ xế p Mật độ xế pMật độ xế p Mật độ xế p Là mức độ dà y đặ c của nguyê n tử trong mạ ng tinh thể . Mậ t độ xế p theo ph ơng (chiề u dài) M l , theo mặ t M s hay trong toà n bộ thể tí ch mạ ng M v đ ợc xá c đị nh theo cá c công thức: M l = l / L, M s = s / S, M v = v / V x y u A B C D E F z G H I J K L 3 5 2 1 4 9 trong đó: l, s, v lầ n l ợt là chiề u dà i, diệ n tí ch, thể tí ch bị nguyê n tử (ion) chiế m chỗ, L, S, V lần l ợt là tổng chiề u dà i, diệ n tí ch, thể tí ch xem xé t. b. b.b. b. Số phối trí (số sắp xế p) Số phối trí (số sắp xế p)Số phối trí (số sắp xế p) Số phối trí (số sắp xế p): là số l ợng nguyê n tử cá ch đề u gần nhấ t một nguyê n tử đã cho. Số sắ p xế p cà ng lớn chứng tỏ mạ ng tinh thể cà ng dà y đặc. c. c.c. c. Lỗ hổng Lỗ hổngLỗ hổng Lỗ hổng Là không gian trống giữa cá c nguyê n tử (coi nguyê n tử là hì nh cầ u đặ c). Kí ch th ớc lỗ hổng đ ợc đá nh giá bằ ng đ ờng kí nh hay bá n kí nh quả cầ u lớn nhấ t có thể đặt lọt và o. 1.4. 1.4.1.4. 1.4. Cấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắn Cấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắnCấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắn Cấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắn 1.4.1 1.4.11.4.1 1.4.1. Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất) Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất)Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất) Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất) Đặ c tí nh cấ u trúc của kim loạ i là : nguyê n tử (ion) luôn có xu h ớng xế p xí t chặt với kiểu mạng đơn giản (nh lậ p ph ơng tâ m mặt, lậ p phơng tâ m khối, lục giá c xế p chặ t). a. a.a. a. Lập phơng tâm khối A2 Lập phơng tâm khối A2Lập phơng tâm khối A2 Lập phơng tâm khối A2 Ô cơ sở là hì nh lậ p ph ơng, cạ nh bằ ng a, cá c nguyê n tử (ion) nằ m ở các đỉ nh và tâ m khối (hì nh 1.10a, b và c). Số l ợng nguyê n tử cho mỗi ô: n v = 8 đỉ nh. 1/8 + 1 giữa = 2 nguyê n tử (a) (b) (c) d) Th ờng dùng cách vẽ t ợng tr ng (hì nh c). Nguyê n tử nằ m xí t nhau theo ph ơng <111>, do đó: - đ ờng kí nh nguyên tử d ng.t = 2 3 a , số sắ p xế p là 8. Các mặ t tinh thể xếp dà y đặ c nhất là họ {110}. Mậ t độ xế p thể tí ch M v = 68%. Có hai loạ i lỗ hổng: hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh trì nh bà y ở hì nh d. Loạ i 8 mặ t có kí ch th ớc bằ ng 0,154 d ng.t nằ m ở tâm cá c mặ t bên {100} và giữa các cạ nh a. Loạ i 4 mặ t có kí ch th ớc lớn hơn một chút, bằ ng 0,291 d ng.t nằ m ở 4 1 trê n cạ nh nối điể m giữa cá c cạ nh đối diệ n của cá c mặ t bên. Nh vậ y trong mạ ng A2 có nhiề u lỗ hổng a lỗ hổng 4 mặt lỗ hổng 8 a a {100} {110} Hì nh 1.10. Ô cơ sở mạng lập phơng tâm khối (a, b), các lỗ hổng (c) và cách xếp các mặt tinh thể { 100 } và { 110 } (d) 10 nh ng kí ch th ớc đề u nhỏ, lớn nhấ t cũng không quá 30% kí ch th ớc (đ ờng kí nh) nguyê n tử. Các kim loạ i có kiể u mạ ng A1 th ờng gặ p là : Fe , Cr, Mo, W. Mạ ng chí nh ph ơng tâm khối chỉ khá c mạ ng A2 ở a = b c b. b.b. b. Lập phơng tâm mặt A1 Lập phơng tâm mặt A1Lập phơng tâm mặt A1 Lập phơng tâm mặt A1 o Khá c với kiể u mạ ng A2 là thay cho nguyê n tử nằ m ở trung tâ m khối là nguyê n tử nằ m ở trung tâ m các mặ t bê n, nh biể u thị ở cá c hì nh 1.11a, b và c. a) b) c) d) o Số nguyê n tử trong 1 ô là: n v = 8 đỉ nh. 1/8 + 6 mặ t. 1/2 = 4 nguyê n tử. o Trong mạ ng A1, các nguyê n tử xếp xí t nhau theo phơng đờng ché o mặ t <110>, do đó: đ ờng kí nh d ng.t = 2 2 a , số sắ p xế p là 12. o Cá c mặ t tinh thể dà y đặc nhấ t là họ {111}. Mậ t độ xế p thể tí ch M v =74%, mạ ng A1 nà y là kiểu xế p dày đặ c hơn A2 và là một trong hai kiể u xếp dà y đặ c nhấ t. Có 2 loạ i lỗ hổng hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh trì nh bà y ở cá c hì nh 1.11c. Loạ i bốn mặt có kí ch th ớc 0,225 d ng.t (đỉ nh1 và tâm ba mặ t 2,3,4). Đáng chú ý là loạ i lỗ hổng hì nh tá m mặ t, nó có kí ch th ớc lớn hơn cả , bằng 0,414d ng.t , nằm ở trung tâ m khối và giữa cá c cạ nh a. So với mạ ng A2, mạ ng A1 tuy dà y đặ c hơn song số l ợng lỗ hổng lạ i í t hơn mà kí ch th ớc lỗ hổng lạ i lớn hơn hẳ n (0,225 và 0,41 so với 0,154 và 0,291). Chí nh điề u nà y (kí ch th ớc lỗ hổng) mới là yế u tố quyế t đị nh cho sự hòa tan d ới dạ ng xen kẽ . Khá nhiề u kim loại điể n hì nh có kiể u mạ ng nà y: sắ t (Fe ), Ni, Cu, Al với hằ ng số a mạng lần l ợt bằ ng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoà i ra còn có Pb, Ag, Au. a 1 2 3 4 A B { 100 } {111} B A C Hì nh 1.11. Ô cơ sở mạng lập phơng tâm mặt (a, b), các lỗ hổng (c) và cách xếp các mặt tinh thể {100} và {111} (d) 11 c. c.c. c. Lục giác Lục giácLục giác Lục giác xếp chặt A3 xế p chặt A3 xế p chặt A3 xế p chặt A3 Các nguyê n tử nằm trên 12 đỉ nh, tâm của 2 mặ t đáy và tâ m của ba khối lă ng trụ tam giá c cá ch đề u nhau (hì nh 1.12a, b và c). a) b) c) d) Hì nh 1.12. Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt (a,b,c) và cách xếp các mặt tinh thể {0001} (d) Số l ợng nguyê n tử trong 1 ô: n v = 12 đỉ nh/6 + 2 giữa mặ t/2 + 3 tâ m = 6 nguyê n tử Nguyê n tử xế p xí t nhau theo cá c mặ t đáy (0001). 3 nguyê n tử ở giữa song song với mặ t đáy sắ p xế p nguyê n tử giống nh 2 mặ t đáy, nh ng nằ m ở các hõm cách đề u nhau (hì nh 1.12d). Mạ ng lục giá c xế p chặt thì c/a = 38 hay 1,633. Tuy nhiê n trong thực tế c/a có xê dị ch nên quy ớc: c/a = 1,57 ữ 1,64 thì mạ ng đ ợc coi là xếp chặ t, 1,57 < c/a < 1,64 không xế p chặt. Các kim loạ i có kiể u mạ ng nà y í t thông dụng hơn là : Ti với a = 0,2951nm, c = 0,4679nm, c/a = 1,5855 (xế p chặ t), Mg với a = 0,3209nm, c = 0,5210nm, c/a = 1,6235 (xế p chặ t), Zn với a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, c/a = 1,8590 (không xế p chặ t). 1.4.2. 1.4.2.1.4.2. 1.4.2. Chất rắn có liê n kế t đồng hóa trị Chất rắn có liê n kế t đồng hóa trịChất rắn có liê n kế t đồng hóa trị Chất rắn có liê n kế t đồng hóa trị a. a.a. a. Kim cơng A4 Kim cơng A4Kim cơng A4 Kim cơng A4 Kim c ơng là một dạ ng tồn tạ i (thù hì nh) của cacbon với cấ u hì nh electron là 1s 2 2s 2 2p 2 , vậ y số e lớp tham gia liê n kế t là N = 4, số sắ p xế p sẽ là 4 tức là mỗi một nguyê n tử cacbon có 4 nguyê n tử bao quanh gầ n nhấ t. Hì nh 1.14. ô cơ sở của mạng tinh thể kim cơng (a), vị trí các nguyên tử (b) và liên kết (c) Ô cơ sở mạ ng kim c ơng (hì nh 1.14a), đ ợc tạ o thà nh trên cơ sở của ô cơ sở A1 có thêm bốn nguyê n tử bê n trong với các tọa độ (xem hì nh 1.14b): 1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2); 1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4). nằ m ở tâ m của bốn khối 1/8 cá ch đề u nhau. Cá c nguyê n tử cacbon đề u có liê n kế t đồng hóa trị với nă ng lợng lớn nê n kim c ơng có độ cứng rấ t cao (cao nhấ t trong thang độ cứng). A B 12 b. b.b. b. Mạng grafit Mạng grafitMạng grafit Mạng grafit Có mạ ng lục giác lớp (hì nh 1.15a), trong một lớp khoả ng cá ch giữa các nguyê n tử a = 0,246nm, liê n kế t đồng hoá trị . Khoả ng cá ch giữa cá c lớp c = 0,671nm, t ơng ứng với liê n kế t yếu Van der Waals, grafit rấ t dễ bị tá ch lớp , rấ t mề m, nó đ ợc coi nh là một trong những chấ t rắ n có độ cứng thấ p nhấ t. c. c.c. c. Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene Cấu trúc của sợi cacbon và fullereneCấu trúc của sợi cacbon và fullerene Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene Phâ n tử cacbon C 60 gọi là fullerene do hai nhà khoa học H. Kroto (Anh) và R. Smalley (Mỹ) tạo ra 1985 (Nobel nă m 1995) (hì nh 1.15c): 60 nguyê n tử C nằ m trên mặ t cầu gồm 12 ngũ giác và 20 lục giá c đều, nằ m xen kẽ nhau tạo đối xứng tròn, ứng với độ bền và độ cứng rấ t cao của nó chắc chắn hứa hẹn sẽ có những ứng dụng kỳ lạ trong kỹ thuậ t. Sợi cacbon đ ợc trì nh bày ở hì nh 1.15b Hì nh 1.15. Cấu trúc mạng của grafit (a), sợi cacbon (b) và fullerene (c). d. d.d. d. Cấu trúc của SiO Cấu trúc của SiOCấu trúc của SiO Cấu trúc của SiO 2 22 2 Hì nh 1.5a, là mô hì nh sắ p xếp không của cá c khối tứ diện tam giác đều SiO 4 4- của SiO 2 . Thạ ch anh với cấ u trúc lục giá c (hì nh 1.16a), cristobalit với cấ u trúc lậ p ph ơng (hì nh 1.16b). Trong điều kiệ n nguội nhanh sẽ nhận đ ợc thủy tinh (vô đị nh hì nh) nh ở hì nh 1.5b. Hì nh 1.15. Sắp xếp khối tứ diện (SiO 4 ) 4- trong thạch anh (a), cristobalit (b). 1.4.3. 1.4.3.1.4.3. 1.4.3. Chất rắn có liê n kết ion Chất rắn có liê n kế t ionChất rắn có liê n kế t ion Chất rắn có liê n kế t ion Cấ u trúc tinh thể của hợp chấ t hóa học có liê n kế t ion phụ thuộc và o hai yế u tố: 13 Tỷ số của ion â m và ion d ơng đả m bả o trung hòa về điệ n. Tơng quan kí ch thớc giữa ion âm và ion d ơng: trong tinh thể ion, các ion luôn có xu h ớng sắp xếp để độ xếp chặt và tí nh đối xứng cao nhất. Mạ ng tinh thể của hợp chấ t với liê n kế t ion vẫ n có các kiể u mạ ng đơn giả n (A1, A2) nh ng sự phâ n bố cá c ion trong đó khá phức tạ p nê n vẫ n đ ợc coi là có mạ ng phức tạ p. Có thể hì nh dung mạ ng tinh thể các hợp chấ t hóa học với liê n kế t ion đợc tạo thà nh trê n cơ sở của ô cơ sở của ion â m, các ion d ơng còn lạ i chiếm một phầ n hay toà n bộ các lỗ hổng. Tỉ mỉ về cấ u trúc của chất rắ n có liê n kế t ion đ ợc trì nh bà y ở ch ơng 7. 1.4.4. 1.4.4.1.4.4. 1.4.4. Cấu trúc của polyme Cấu trúc của polymeCấu trúc của polyme Cấu trúc của polyme Khá c với kim loạ i và cá c chấ t vô cơ, ô cơ sở chỉ tạ o nê n bởi số l ợng hạn chế (từ và i đế n vài chục) nguyê n tử (ion), mỗi phân tử polyme có thể gồm hà ng triệu nguyê n tử. Ví dụ PE (C 2 H 4 ) n : H H H H H H H H C = C C C C C C C H H H H H H H H mạ ch kí n bẻ liê n kế t ké p tạ o mạ ch thẳ ng Các phâ n tử (mạch) polyme đợc liên kế t Van der Waals với nhau (liên kế t yế u). Một số vùng cá c mạch sắ p xếp có trậ t tự tạ o nê n cấu trúc tinh thể , phầ n còn lạ i là vô đị nh hì nh. 1.4.5. 1.4.5.1.4.5. 1.4.5. Dạng thù hì nh Dạng thù hì nhDạng thù hì nh Dạng thù hì nh Thù hì nh hay đa hì nh là sự tồn tạ i hai hay nhiề u cấ u trúc mạ ng tinh thể khá c nhau của cùng một nguyê n tố hay một hợp chấ t hóa học, mỗi cấ u trúc khá c biệ t đó đ ợc gọi là dạ ng thù hì nh: ký hiệ u , , , , Quá trì nh thay đổi từ dạ ng thù hì nh nà y sang dạ ng thù hì nh khác đ ợc gọi là chuyể n biến thù hì nh. Các yế u tố dẫ n đế n chuyể n biế n thù hì nh th ờng gặp hơn cả là nhiệt độ, sau đó là áp suất. Cacbon ngoà i dạ ng vô đị nh hì nh còn tồn tạ i: cá c dạ ng thù hì nh (cá c hì nh 1.13, 1.14): kim cơng (A4), grafit (A9). sợi cacbon (cấ u trúc lớp cuộn), fullerene (cấ u trúc mặ t cầu C 60 ) trong đó. grafit là dạng th ờng gặ p và ổn đị nh nhấ t. Sắ t (Fe) có hai kiể u mạng là : Fe -A2, T < 911 o C, Fe -A1, T= 911 ữ 1392 o C, Fe T> 1392 o C -1539 o C; tí nh chấ t . Chuyể n biế n thù hì nh bao giờ cũng đi kè m với sự thay đổi về thể tí ch (nở hay co) và cơ tí nh. Ví dụ: khi nung nóng sắt qua 911 o C sắ t lại co lạ i đột ngột (do tă ng mậ t độ xế p từ 68 lê n 74% khi chuyể n từ Fe Fe ) và hoàn toàn ng ợc lạ i khi là m nguội (điề u nà y hơi trá i với quan niệ m th ờng gặ p là nung nóng thì nở ra, còn làm nguội thì co lạ i) rè n khuôn?. 1.5. 1.5.1.5. 1.5. Sai lệ ch mạng tinh thể Sai lệ ch mạng tinh thểSai lệ ch mạng tinh thể Sai lệ ch mạng tinh thể Trong thực tế không phả i 100% nguyê n tử đề u nằm đúng vị trí quy đị nh, gâ y nê n những sai lệ ch đợc gọi là sai lệch mạ ng tinh thể hay khuyế t tậ t mạ ng. Tuy số nguyê n tử nằ m lệ ch vị trí quy đị nh chiế m tỷ lệ rấ t thấ p (chỉ 1 ữ 2%) song ả nh h ởng lớn đến cơ tí nh: khả nă ng biế n dạ ng dẻo, biế n cứng ). Phụ thuộc và o kí ch th ớc theo ba chiề u trong không gian, sai lệ ch mạ ng chia thành: điểm, đờng và mặ t. [...]... 16 32 64 12 8 2 Z thự c/mm 4 8 16 32 64 12 8 256 512 10 24 2048 2 S hạ t, mm 0,258 0 ,12 9 0,0645 0,032 0, 016 0,008 0,004 0,002 0,0 01 0,0005 Cấ p hạ t Z(x100)/inch2 Z thự c/mm2 S hạ t, mm2 9 256 4096 2 .1 0-4 10 512 8200 1. 1 0-4 11 10 24 16 400 6 .1 0-5 12 2048 32800 3 .1 0-5 13 4096 65600 1, 6 .1 0-5 14 8200 13 1200 7,88 .1 0-6 17 Hì nh 1. 21 Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100 c Siê u hạ t Nế u nh khối... N=3,322lgZ +1, với Z là số hạ t có trong 1inch2 (2,542 6,45cm2) dới độ phó ng đ ạ i 10 0 lầ n Ng ời ta th ờ ng xá c đ ị nh cấ p hạ t bằ ng cá ch so sá nh với bả ng chuẩ n ở độ phó ng đ ạ i (th ờng là x100) hoặ c xá c đị nh trê n tổ chức tế vi Cá c số liệ u phâ n cấ p hạ t xem trong bả ng 1. 2 Bả ng 1. 2 Các cấp hạt chuẩn chí nh theo ASTM Cấ p hạ t 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 2 Z(x100)/inch 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 12 8... ABCD và o nử a phầ n trê n củ a mạ ng tinh thể lý tởng (hì nh 1. 18a), khi đó, cá c mặ t nguyê n tử khá c ở hai phí a trở nê n không còn song song với nhau nữa C 2 2 3 B A 1 4 D 1 5 vé c tơ (a) (b) (c) Hì nh 1. 18 Lệch biên: tinh thể không lệch (a), mô hì nh tạo thành (b), sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c) 3 4 15 Nh thấ y rõ ở hì nh 1. 18b: đ ờng AD đ ợc gọi là trục lệ ch, nó chí nh là biê n của... ch củ a tinh thể , có thứ nguyê n là cm/cm3 hay cm-2 Mậ t độ lệ ch phụ thuộc rấ t mạ nh và o đ ộ sạ ch và trạ ng thá i gia cô ng Ví dụ, đối với kim loạ i có giá trị nhỏ nhấ t (~ 10 8 cm-2) ứng vớ i đ ộ sạ ch cao và trạ ng thá i ủ; hợp kim và kim loạ i sau biế n dạ ng nguội, tô i tớ i 10 10 ữ 10 12 cm-2) (có thể coi mậ t độ lệ ch là trục lệ ch chạ y qua /1 cm2) ý nghĩ a: lệ ch biê n giúp cho dễ biế n dạ... tốc độ phá t triể n v (mm/s) theo công thức thực nghiệ m: A = 1, 1 4 n 3 , đ ể tạ o hạ t nhỏ tă ng n và giả m v b Cá c phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc Tă ng tốc độ nguội Khi tă ng đ ộ quá nguộ i To, tốc độ sinh mầ m n và tốc độ phá t triể n dà i của mầ m v đề u tă ng (hì nh 1. 26) n,v n T < T1( ~10 3 độ/s): T cả n&v đề u T1 T2: T vô đị nh hì nh Đúc... hạ t (kí ch thớc hà ng chục - hà ng tră m àm) vớ i ph ơ ng mạ ng lệ ch nhau một góc đá ng kể (hà ng chục độ), đế n lợt mỗ i hạ t nó cũ ng gồ m nhiề u thể tí ch nhỏ hơn (kí ch thớc cỡ 0 ,1 ữ 10 àm) với phơng mạ ng lệ ch nhau mộ t góc rấ t nhỏ ( 1- 2 o) gọi là siê u hạ t hay block (hì nh 1. 20d) Biê n giớ i siê u hạ t cũng bị xô lệ ch nhng với mức độ rấ t thấ p 1. 6.3 Textua Hì nh 1. 22 Mô hì nh textua trong.. .14 1. 5 .1 Sai lệ ch điể m Đó là loạ i sai lệ ch có kí ch thớc rấ t nhỏ (cỡ kí ch thớc nguyê n tử) theo ba chiề u không gian, có dạ ng bao quanh một điể m Hì nh 1. 17 trì nh bà y tổng quá t cá c dạ ng sai lệ ch đ iể m nà y trố ng a Nút trống và nguyê n tử tự xen kẽ (Hì nh 1. 17a) Do dao đ ộ ng nhiệ t quanh vị trí câ n bằ ng, ở mức phâ n bố... vi quang học (hì nh 1. 20c) Hì nh 1. 20 Mô hì nh đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b), tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể (c), cấu trúc của siêu hạt (d) b Độ hạ t Độ hạ t có thể quan sá t đ ị nh tí nh qua mặ t gã y, để chí nh xá c phả i xá c đị nh trê n tổ chứ c tế vi Cấ p hạ t theo tiê u chuẩ n ASTM: phâ n thà nh 16 cấ p chí nh đá nh số từ 00, 0, 1, 2 , 14 theo trậ t tự hạ t nhỏ dầ n, trong đó từ 1 đế n... t tinh 1. 5.3 Sai lệ ch mặt Sai lệ ch mặ t là loạ i sai lệ ch có kí ch thớc lớn theo hai chiề u đo và nhỏ theo chiề u thứ ba, tứ c có dạ ng củ a một mặ t (có thể là phẳ ng, cong hay uốn lợn) Cá c dạ ng đ iể n hì nh của sai lệ ch mặ t là : - biê n giớ i hạ t và siê u hạ t (sẽ trì nh bà y ở mục sau) và bề mặ t tinh thể 1. 6 Đơ n tinh thể và đa tinh thể 1. 6 .1 Đơ n tinh thể Đơ n tinh thể (hì nh 1. 20a):... biểu thị hớng kéo, trục textua là [11 1]) Do biế n dạ ng dẻ o là m ph ơng mạ ng đị nh hớng tạ o nê n textua Ví dụ, khi ké o sợi nhôm (hì nh 1. 22), tinh thể hì nh trụ khi đúc, khi phủ Cấ u trú c đ a tinh thể có textua vậ t liệ u có tí nh dị hớng ứng dụng cho thé p biế n thế , t/c từ cực đạ i theo chiề u textua, cực tiể u theo phơng vuông góc giả m tổ n thấ t 18 1. 7 Sự kế t tinh và hì nh thà nh tổ . các trục nghị ch đả o chỉ số 1 1, 1, 1/ 2 1, 1, 2 (11 2) 2 1, 1, 1 1, 1, 1 (11 1) 3 1, 1, 1, 1, 0 (11 0) 4 1, , 1, 0, 0 (10 0) 5 1, 1, 2 1, 1, 1/ 2 (2 21) Hì nh 1. 8 Sơ đồ ký hiệ u mặ t tinh. [11 1] [10 0] [ 010 ] [ 0 01 ] 8 [11 0], [ 011 ], [10 1], [1 1 0], [ 01 1 ], [ 1 01] , [ 1 10], [0 1 1], [10 1 ], [ 11 0], [0 11 ], [ 1 0 1 ] (cá c đ ờng chéo) d. Chỉ số Miller của mặt tinh thể d 1 4 Hì nh 1. 7. Các phơng điển hì nh của Hì nh 1. 8. Các mặt điển hì nh của hệ lập phơng hệ lập phơng a x y z [ 11 0 ] [11 1] [10 0] [ 010 ] [ 0 01 ] 8 [11 0], [ 011 ], [10 1],