giáo trình vật liệu học cơ sở

Chương 1 cấu trúc tinh thể và sự hình thành Như đ∙ trình bày, tí nh chất đặc biệt là cơ tí nh của vật rắn phụ thuộc chủ yếu vào cách sắp xếp của các phần tử cấu thành nguyên tử , phâ

3

Bảng kê các ký hiệu viết tắt đư ợc dùng trong sách

(trong ngoặc là của nước ngoài)

Ký hiệu viết tắt Tên gọi Đơn vị đo

aK (KCU, KCV, KCT) độ dai va đập kJ/m2,

kG.m/cm2

A1, A3, Acm các nhiệt độ tới hạn của thép oC

tương ứng với giản đồ pha Fe-C

Ox, Oy, Oz, Ou các trụ c tọa độ

S tiết diện, mặt cắt, diện tí ch mm2

min (phút),

h (giờ)

δ(A, EL) độ gi∙n dài tương đối %

Ψ (Z, AR) độ thắt (tiết diện) tương đối %

psi, ksi

σ ứng suất, ứng suất pháp như trên

σb (Rm, TS) giới hạn bền (kéo) như trên

σch (RY, σY) giới hạn chảy vật lý hay lý thuyết như trên

σ0,2 (R0,2, YS) giới hạn chảy quy ước như trên

σđh (Re, ES) giới hạn đàn hồi như trên

5

Lời nói đầu

Tuy vật liệu kim loại còn chiếm địa vị chủ chốt và rất quan trọng, song không còn giữ được ngôi độc tôn trong chế tạo cơ khí vì ngoài nó ra người ta

đang sử dụ ng ngày một nhiều hơn ceramic, polyme và đặc biệt là compozit Trong các trường đại học kỹ thuật và chuyên nghiệp đ∙ và đang có sự chuyển đổi giảng

dạy môn “Kim loại học và nhiệt luyện” hay “Vật liệu kim loại” sang “Vật liệu

học” hay “Vật liệu học cơ sở” Cuốn sách này ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu đó ở

nước ngoài người ta thường dùng từ “Khoa học và công nghệ vật liệu” (Materials

Science and Engineering) để đặt tên cho loại sách này Khoa học vật liệu là môn

học nghiên cứu mối quan hệ giữ a tổ chức và tí nh chất của vật liệu, trên cơ sở đó

Công nghệ vật liệu có mụ c tiêu là thiết kế hay biến đổi tổ chức vật liệu để đạt tới

các tí nh chất theo yêu cầu

Trong tất cả cả mọi công việc của kỹ sư cơ khí , từ việc quyết định phương

án thiết kế, tí nh toán kết cấu cho đến gia công, chế tạo, lắp ráp vận hành máy, thiết bị, tất thảy đều có liên quan mật thiết đến lựa chọn và sử dụ ng vật liệu Điều quan trọng nhất đối với người học là phải nắm được cơ tí nh và tí nh công nghệ của các vật liệu kể trên để có thể lựa chọn và sử dụ ng chúng tốt nhất và hợp lý ,

đạt các yêu cầu cơ tí nh đề ra với chi phí gia công í t nhất, giá thành rẻ và có thể chấp nhận được Song điều quyết định đến cơ tí nh và tí nh công nghệ lại nằm ở cấu trúc bên trong Do vậy mọi yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong như thành phần hóa học, công nghệ chế tạo vật liệu và gia công vật liệu thành sản phẩm (luyện kim, đúc, biến dạng dẻo, hàn và đặc biệt là nhiệt luyện) đều có ảnh hưởng

đến cơ tí nh cũng như công dụ ng của vật liệu được lựa chọn, tất thảy được khảo sát một cách kỹ càng

Giáo trình được biên soạn trên cơ sở thực tiễn của sản xuất cơ khí ở nước ta hiện nay, có tham khảo kinh nghiệm giảng dạy môn này của một số trường đại học

ở Nga, Hoa Kỳ, Pháp, Canađa, Trung Quốc , đ∙ được áp dụ ng ở Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội mấy năm gần đây

Trong thực tế sử dụ ng vật liệu, đặc biệt là vật liệu kim loại, không thể lựa

chọn loại vật liệu một cách chung chung (ví dụ : thép) mà phải rất cụ thể (ví dụ :

thép loại gì, với mác, ký hiệu nào) theo các quy định nghiêm ngặt về các điều kiện

kỹ thuật do các tiêu chuẩn tương ứng quy định Trong điều kiện ở nước ta hiện nay, sản xuất cơ khí đang sử dụ ng các sản phẩm kim loại của rất nhiều nước trên thế giới, do đó không thể đề cập được hết Khi giới thiệu cụ thể các thép, gang, giáo trình sẽ ưu tiên trình bày các mác theo tiêu chuẩn Việt Nam (nếu có) có đi kèm với các mác tương đương hay cùng loại của tiêu chuẩn Nga do tiêu chuẩn này

đ∙ được quen dùng thậm chí đ∙ phổ biến rộng r∙i ở nước ta trong mấy chụ c năm qua Trong trường hợp ngược lại khi tiêu chuẩn Việt Nam chưa quy định, giáo trình lại giới thiệu các mác theo tiêu chuẩn Nga có kèm theo cách ký hiệu do TCVN 1659-75 quy định Ngoài ra cũng kết hợp giới thiệu các mác thép gang của Hoa Kỳ, Nhật Bản là nhữ ng quốc gia có nền kinh tế, khoa học - công nghệ mạnh hàng đầu thế giới Trong phần hợp kim màu, chủ yếu giới thiệu các mác của tiêu chuẩn AA (cho nhôm) và CDA (cho đồng) là các tiêu chuẩn rất thông dụ ng trong

giao dịch thương mại trên thế giới, đồng thời có đi kèm với các mác tương đương hay cùng loại của tiêu chuẩn Nga Rõ ràng là ngay cả với cách trình bày như vậy cũng không thể thỏa m∙n hết các yêu cầu thực tế sử dụ ng và lúc này phải tham khảo các sách tra cứu tương ứng

Cũng cần nói thêm rằng các thuật ngữ khoa học dùng trong sách theo đúng các quy định trong các tiêu chuẩn TCVN 1658 - 87 và TCVN 1660 - 87

Cuối cùng như tên gọi của nó, chúng ta nên coi các điều trình bày trong sách

như là phần kiến thức cơ sở về vật liệu thường dùng trong sản xuất cơ khí Điều

đó cũng có nghĩa để làm tốt hơn các công việc kỹ thuật, cần tham khảo thêm các sách, tài liệu chuyên sâu hơn về từ ng lĩnh vực đ∙ đề cập

Rõ ràng là không thể đạt được sự hoàn thiện tuyệt đối, nhất là do sự phát triển không ngừ ng của khoa học - công nghệ trên thế giới và ở nước ta, cùng với kinh nghiệm có hạn của người viết cũng như sự chậm trễ cập nhật thông tin ở nước

ta, cuốn sách có thể tồn tại nhữ ng hạn chế, rất mong được bạn đọc trao đổi Thư từ xin gử i về Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội

Tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở Trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội về nhữ ng đóng góp quý báu cho cuốn sách

Tác giả

7

mở đầu

Vật liệu học là khoa học nghiên cứu mối quan hệ giữ a cấu trúc và tí nh chất của vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tí nh chất và sử dụ ng thí ch hợp và ngày một tốt hơn

0.1 Khái niệm về vật liệu

Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ nhữ ng vật rắn mà con người sử dụ ng để

chế tạo dụ ng cụ , máy móc, thiết bị, xây dựng công trình và ngay cả để thay thế các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật Như vậy tất cả các chất lỏng, khí cho dù rất quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu của môn học Dựa theo cấu trúc - tí nh chất đặc trưng, người ta phân biệt bốn nhóm vật liệu chí nh (hình 0.1) như sau:

Hình 0.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu và quan

Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại thường là tổ hợp chủ yếu của các

nguyên tố kim loại, trong đó nhiều điện tử là của chung không thuộc về nguyên tử nào Các tí nh chất điển hình của vật liệu kim loại là:

- đắt và khá đắt,

- dẫn nhiệt, dẫn điện cao,

- có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua, dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép),

- có độ bền cơ học, nhưng kém bền hóa học

- trừ nhôm ra các kim loại thông dụ ng như sắt, đồng đều khá nặng,

- nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật

Ceramic (vật liệu vô cơ) Vật liệu này có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữ a

kim loại, silic với á kim (ôxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh Các tí nh chất điển hình của vật liệu vô cơ - ceramic là:

- rẻ và khá rẻ,

- dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện),

- cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật

liệu hữ u cơ

Polyme (vật liệu hữu cơ) Vật liệu này phần lớn có nguồn gốc hữ u cơ mà

thành phần hóa học chủ yếu là cacbon, hyđrô và các á kim, có cấu trúc đại phân

tử Các tí nh chất điển hình của vật liệu hữ u cơ - polyme là:

- rẻ và khá rẻ,

- dẫn nhiệt, dẫn điện kém,

- khối lượng riêng nhỏ,

- nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao,

- bền vữ ng hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy, phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp

Compozit Vật liệu này được tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả ba

loại vật liệu kể trên, mang hầu như các đặc tí nh tốt của các vật liệu thành phần

Ví dụ bêtông cốt thép (vô cơ - kim loại) vừ a chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao (như bêtông) Hiện dùng phổ biến các compozit hệ kép: kim loại - polyme, kim loại - ceramic, polyme - ceramic với nhữ ng tí nh chất mới lạ, rất hấp dẫn Ngoài ra có nhữ ng nhóm phụ khó ghép vào một trong bốn loại trên:

- bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữ a kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn)

- silicon nằm trung gian giữ a vật liệu vô cơ với hữ u cơ, song gần với vật liệu hữ u cơ hơn

0.2 Vai trò của vật liệu

Muốn thực hiện được các giá trị vật chất đều phải thông qua sử dụ ng vật liệu cụ thể, như muốn tạo nên máy móc, ôtô, năng lượng phải có kim loại và hợp

kim, thiết bị, đồ dùng điện tử phải có chất bán dẫn, xây dựng nhà cử a, công trình phải có ximăng và thép, các đồ dùng hàng ngày thường là chất dẻo, máy bay và xe

đua rất cần compozit, tượng đài thường làm bằng hợp kim đồng - thiếc (bronze)

Sự phát triển của x∙ hội loài người gắn liền với sự phát triển của công cụ sản xuất và kỹ thuật mà cả hai điều này cũng được quyết định một phần lớn nhờ vật liệu X∙ hội loài người phát triển qua các thời kỳ khác nhau gắn liền với vật liệu để chế tạo công cụ ở thời tiền sử con người chỉ biết dùng các công cụ làm bằng các vật liệu có sẵn trong thiên nhiên: gỗ, đá nên năng suất lao động rất thấp, không tạo

được giá trị thặng dư Sau khi người ta biết dùng các công cụ bằng các vật liệu qua chế biến: đồng (đúng ra là hợp kim đồng) và đặc biệt là sắt (đúng ra là thép) với các đặc tí nh cơ học tốt hơn hẳn: cứng hơn, bền hơn mà vẫn dẻo dai nên không nhữ ng tạo ra năng suất lao động cao hơn lại có tuổi thọ dài hơn, do vậy đ∙ tạo nên

được các đột biến về phát triển trong khoảng 2000 năm đặc biệt trong 100 ữ 200 năm gần đây (cần nhớ là tuy không có phân định rạch ròi song hiện nay x∙ hội loài

9 người vẫn còn ở thời kỳ đồ sắt) Năng lượng đang đóng vai trò quyết định trong sự phát triển tiếp theo của loài người, kỹ thuật siêu dẫn một khi thành hiện thực sẽ tạo nên bước ngoặt mới, song kỹ thuật này chỉ có được nếu tìm được vật liệu siêu dẫn

ở nhiệt độ đủ cao để có thể áp dụ ng trong thực tế Có thể tìm thấy rất nhiều ví dụ khác về vai trò của vật liệu trong đời sống cũng như trong kỹ thuật

Cho đến nay vật liệu kim loại thực sự đ∙ có vai trò quyết định trong tiến hóa của loài người Kim loại và hợp kim đang chiếm vị trí chủ đạo trong chế tạo công

cụ và máy móc thường dùng: công cụ cầm tay, dụ ng cụ , máy công cụ , máy móc nói chung, ôtô, tàu biển, máy bay, vận tải đường sắt, cầu, tháp, cột, truyền dẫn

điện, nhiệt và trong sản xuất vũ khí , đạn dược Như vậy hiện nay vật liệu kim loại vẫn còn có tầm quan trọng hàng đầu trong sản xuất cơ khí , giao thông vận tải, năng lượng, xây dựng và quốc phòng

Chất dẻo - polyme từ giữ a thế kỷ này đ∙ trở thành nhóm vật liệu mới, hiện

đang đóng vai trò ngày càng quan trọng và chiếm tỷ lệ ngày càng cao trong đời sống hàng ngày cũng như trong thiết bị, máy móc

Vật liệu vô cơ - ceramic có lịch sử lâu đời hơn cả (từ thời kỳ đồ đá) Trong quá trình phát triển, vật liệu này cũng được phổ biến một cách rộng r∙i trong xây dựng và đời sống hàng ngày từ đồ gốm, sứ (chum, vại, bát, đĩa ) đến ximăng - bêtông, thủy tinh, vật liệu chịu lử a cho đến các ceramic kết cấu hiện đại và thủy

Vật liệu kết hợp (compozit) được phát triển rất mạnh trong nhữ ng năm gần

đây, đáp ứng được các yêu cầu rất cao của chế tạo máy mà ba loại vật liệu kia không có được như rất nhẹ lại rất bền Chắc chắn sự phát triển mạnh mẽ của loại

vật liệu này sẽ tạo ra nhữ ng thay đổi quan trọng cho ngành cơ khí

0.3 Đối tượng của vật liệu học cho ngành cơ khí

Máy móc được cấu tạo từ nhiều chi tiết đòi hỏi các tí nh chất có khi rất khác nhau và điều quan trọng đối với kỹ sư cơ khí là phải biết chọn đúng vật liệu cũng như phương pháp gia công để thỏa m∙n cao nhất điều kiện làm việc với giá thành thấp nhất Môn học giúp í ch cho nhữ ng kỹ sư cơ khí tương lai làm được việc đó Vật liệu học trình bày trong sách này tuy có định hướng phụ c vụ riêng cho ngành cơ khí nói chung, đặc biệt cho hai ngành đào tạo then chốt là chế tạo máy

và ôtô, song cũng bao quát được nhữ ng nội dung quan trọng nhất của vật liệu học; hơn nữ a lại là nhữ ng kiến thức cơ bản không nhữ ng có í ch trong công việc kỹ thuật mà cả khi xử lý vật liệu trong đời sống hàng ngày

Quan hệ tổ chức - tí nh chất hay sự phụ thuộc của tí nh chất của vật liệu vào cấu trúc là nội dung cơ bản của toàn bộ môn học

Tổ chức hay cấu trúc là sự sắp xếp của các thành phần bên trong Khái niệm

về tổ chức vật liệu bao gồm cả tổ chức vĩ mô và vi mô

Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắp

xếp của các phần tử lớn với kí ch thước quan sát được bằng mắt thường (tới giới

hạn khoảng 0,3mm) hoặc bằng kí nh lúp (0,01mm)

Tổ chức vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát được

bằng mắt hay lúp Nó bao gồm:

- Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên

tử hay phân tử với kí ch thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể với sự giúp

đỡ của kí nh hiển vi quang học hay kí nh hiển vi điện tử Thường gặp hơn cả là tổ

chức tế vi quang học cho phép phân ly được tới giới hạn cỡ 0,15àm Trong nghiên

cứu cũng thường dùng tổ chức tế vi điện tử cho phép phân ly được tới giới hạn nhỏ

hơn, cỡ chụ c nanômet (10nm)

Cơ tí nh của vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào tổ chức, tức không nhữ ng vào thành phần hóa học mà cả vào các nhóm nguyên tử , phân tử kể trên mà ta gọi là pha theo số lượng, hình dạng, kí ch thước và sự phân bố của chúng Trong thực tế người ta thường xuyên sử dụ ng phương pháp phân tí ch tổ chức tế vi quang học

mà trong các tài liệu kỹ thuật chỉ được gọi đơn giản là tổ chức tế vi

- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữ a các nguyên tử

trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể Để làm được việc này phải sử dụ ng tới phương pháp nhiễu xạ tia rơngen cũng như một số kỹ thuật khác,

điều này chỉ thực sự cần thiết khi nghiên cứu các vật liệu mới

Tí nh chất bao gồm các tí nh chất: cơ học (cơ tí nh), vật lý (lý tí nh), hóa

đề ra nhưng chưa đủ để có thể chuyển hóa vật liệu thành sản phẩm phụ c vụ mụ c

đí ch đề ra, mà còn phải tí nh đến khả năng gia công - chế biến thành các hình

dạng nhất định được gọi tổng quát là tí nh công nghệ Nếu không có tí nh công

nghệ thì dù vật liệu có ưu việt đến đâu cũng khó đưa vào sử dụ ng Ví dụ : người ta

đ∙ tìm được một số chất siêu dẫn nhưng đều bị hạn chế bởi tí nh giòn quá cao không thể kéo thành dây dẫn được Cuối cùng, tí nh sử dụ ng là tổng hợp của các chỉ tiêu: tuổi thọ, độ tin cậy (khả năng không gây ra sự cố) và giá thành cũng quyết định khả năng áp dụ ng của vật liệu cho mụ c đí ch đ∙ chọn

Giáo trình Vật Liệu Học Cơ Sở (cơ khí ) gồm bốn phần chí nh:

- Cấu trúc và cơ tí nh: trình bày các nguyên lý chung về mối quan hệ giữ a

cấu trúc và cơ tí nh cho vật liệu nói chung nhưng có nhấn mạnh hơn cho kim loại gồm cấu trúc tinh thể, tạo pha, tổ chức, biến dạng, phá hủy

- Hợp kim và biến đổi tổ chức: trình bày các tổ chức của hợp kim cũng như

các biến đổi pha và tổ chức mà dạng điển hình và quan trọng nhất, thiết thực nhất

là nhiệt luyện thép

- Vật liệu kim loại: trình bày tổ chức, thành phần hóa học, cơ tí nh, chế độ

nhiệt luyện và công dụ ng của các mác thép, gang, hợp kim màu và bột

- Vật liệu phi kim loại: trình bày cấu trúc, thành phần hóa học, cơ tí nh, các

phương pháp tạo hình và công dụ ng của ceramic, polyme và compozit

Sau cùng, cần nhấn mạnh là sử dụ ng hợp lý vật liệu là một trong nhữ ng

mụ c tiêu quan trọng hàng đầu của môn học, không thể tách rời tiêu chuẩn hóa cũng như các phương pháp kiểm tra, đánh giá Một trong các yêu cầu đề ra là người học phải đạt được khả năng xác định được mác hay ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn Việt Nam và các nước công nghiệp phát triển

11

0.4 Các tiêu chuẩn vật liệu

Các nước đều đề ra các quy phạm trong việc sản xuất, gia công, chế biến, sử

dụ ng, bảo quản các vật lệu nói chung, đặc biệt là cho vật liệu kim loại, đó là các cơ sở pháp lý cũng như kỹ thuật trong mọi khâu từ sản xuất, lưu thông cho đến sử

dụ ng Trong điều kiện của nước ta chúng ta cần có hiểu biết các tiêu chuẩn sau

- Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN Về cơ bản giáo trình được biên soạn theo

tiêu chuẩn Việt Nam: các ký hiệu có trong các tiêu chuẩn cụ thể được gọi là mác

(mark) Tuy nhiên do trình độ phát triển còn thấp và ra đời chưa lâu nên còn nhiều lĩnh vực TCVN chưa đề cập đến, trong trường hợp này giáo trình sẽ dùng từ ký hiệu để m∙ hóa các hợp kim theo cách ký hiệu đ∙ được quy định tổng quát trong TCVN 1759-75 (Kim loại và Hợp kim – nguyên tắc ký hiệu) Ngoài ra cũng cần nói thêm là về cơ bản TCVN đ∙ dựa theo các nguyên tắc của ΓOCT, nên giữ a hai tiêu chuẩn này có nhiều nét tương đồng

- Tiêu chuẩn Liên Xô (cũ) hay tiêu chuẩn Nga (hiện nay) đều được viết tắt

là ΓOCT, đ∙ được thịnh hành ở nước ta trong thời gian trước đây và vẫn còn quen dùng cho đến hiện nay

- Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ rất phổ biến trên thế giới, đặc biệt trong các sách giáo khoa, tạp chí kỹ thuật, tài liệu giao dịch của các h∙ng sản xuất Việc hiểu biết các tiêu chuẩn Hoa Kỳ có tác dụ ng to lớn trong việc hòa nhập kinh tế với thế giới Khác với nhiều nước chỉ có một cơ quan tiêu chuẩn của nhà nước ban hành các tiêu chuẩn cụ thể, ở Hoa Kỳ có rất nhiều tổ chức tiêu chuẩn như các hệ thống:

ASTM (American Society for Testing and Materials),

AISI (American Iron and Steel Institute),

SAE (Society of Automotive Engineers),

có các trường hợp lẫn lộn, gây hiểu nhầm Để tránh điều này gần đây lại xuất hiện

hệ thống UNS (Unified Numbering System) với năm chữ số (xxxxx)

- Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS khá thông dụ ng trong các nước Châu á và cũng

được biết đến trên thế giới

- Tiêu chuẩn Châu Âu EN và các nước Châu Âu: Đức DIN, Pháp NF, Anh

BS cũng là các tiêu chuẩn quan trọng cần biết

Trong giáo trình này ngoài trình bày các mác, ký hiệu theo TCVN cũng sẽ

có kết hợp trình bày các mác của Nga, Mỹ và Nhật (tỉ mỉ về các mác vật liệu kim loại của các nước kể trên và các nước Châu âu có thể tham khảo ở “Sách tra cứu thép, gang thông dụ ng” của cùng tác giả do Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội in năm 1997)

Giáo trình được trình bày từ giản đơn đến phức tạp, từ vật liệu cổ điển, truyền thống đến các loại mới phát triển Tuy là môn học được coi là kỹ thuật cơ

sở với nhữ ng lý thuyết khá cơ bản song cũng có tí nh thực tiễn rất sâu sắc, gắn liền với đời sống thực tế cũng như các công việc kỹ thuật hàng ngày phải giải

quyết của các kỹ sư cơ khí Do vậy ngoài phần nghe giảng trên lớp sinh viên còn phải:

- Thực hiện các bài thực nghiệm về cấu trúc, tí nh chất và sự biến đổi cấu trúc - cơ tí nh ở phòng thí nghiệm Nhữ ng bài thí nghiệm như thế giúp không nhữ ng nắm vữ ng, hiểu sâu các bài đ∙ học mà còn giúp rất nhiều cho các công việc

kỹ thuật có liên quan về sau

- Làm các bài tập, trả lời các câu hỏi, giải thí ch các hiện tượng, so sánh các vật liệu và phương pháp khác nhau

- Do có tí nh thực tiễn rất cao người học cần chú ý liên hệ đến các hiện tượng thường gặp, tham khảo thêm các sách có liên quan để giải quyết tốt các vấn

đề về vật liệu đặt ra trong khi học các môn học khác cũng như trong các nhiệm vụ

kỹ thuật sau này

13

Phần I cấu trúc và cơ tí nh

Trong phần này có hai chương, trình bày hai nội dung cơ bản của vật liệu là cấu trúc và cơ tí nh cũng như sự phụ thuộc của cơ tí nh vào cấu trúc, đặt cơ sở cho việc nghiên cứu các phương pháp hóa bền và các vật liệu cơ khí sẽ được đề cập trong các phần tiếp theo Chí nh vì lý do đó các kiến thức trong phần này có tí nh chất cơ sở và tầm quan trọng đặc biệt

Chương 1 cấu trúc tinh thể

và sự hình thành

Như đ∙ trình bày, tí nh chất (đặc biệt là cơ tí nh) của vật rắn phụ thuộc chủ yếu vào cách sắp xếp của các phần tử cấu thành (nguyên tử , phân tử , ion) và lực liên kết giữ a chúng Về mặt thành phần, vật liệu thường cấu thành bởi sự hòa trộn của các nguyên tố, các chất hóa học với cấu trúc độc lập, cố định H∙y bắt đầu từ việc khảo sát dạng cấu trúc cơ bản, đơn giản nhất này

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử

1.1.1 Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử

Như đ∙ học ở môn "Vật Lý ", nguyên tử là hệ thống gồm hạt nhân (mang

điện tí ch dương) và các điện tử bao quanh (mang điện tí ch âm) mà ở trạng thái bình thường được trung hòa về điện Hạt nhân gồm prôtôn (điện tí ch dương) và nơtrôn (không mang điện) Các điện tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo các mức

Cấu hình điện tử (electron configuration) chỉ rõ: số lượng tử chí nh (1, 2, 3 ), ký hiệu phân lớp (s, p, d ), số lượng điện tử thuộc phân lớp (số mũ trên ký hiệu phân lớp) Ví dụ : Cu có Z = 29 có cấu hình điện tử là 1s2

2s2 2p6 3s2 3p63d10

4s1,

qua đó biết được số điện tử ngoài cùng (ở đây là 1, hóa trị 1)

Trong số kim loại có nhóm kim loại chuyển tiếp là loại có phân lớp ở sát phân lớp ngoài cùng bị thiếu điện tử Ví dụ : Fe có Z = 26 có cấu hình điện tử là 1s2

2s2

2p6

3s2

3p6 3d6 4s2 (trong trường hợp này phân lớp 3d bị thiếu, chỉ có 6, nếu đủ phải là 10 như trường hợp của Cu)

1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn

H∙y xem trong các loại vật liệu khác nhau tồn tại các dạng liên kết nào

Chí nh sự khác nhau của các dạng liên kết đó cũng là nguyên nhân tạo nên cơ

tí nh khác nhau giữ a các loại vật liệu

a Liên kết đồng hóa trị

Liên kết này tạo ra khi hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau một số

điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử ở lớp ngoài cùng Có thể lấy ba ví dụ như sau (hình 1.1)

• Clo có 7 điện tử ở lớp ngoài cùng, mỗi nguyên tử góp chung 1 điện tử nên một phân tử gồm hai nguyên tử clo sẽ chung nhau 2 điện tử làm cho lớp điện

tử ngoài cùng của nguyên tử nào cũng đủ 8 (hình 1.1a)

• Giecmani (Ge) có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng (4s2, 4p2), mỗi nguyên tử góp chung 1 điện tử , nên một nguyên tử đ∙ cho cần có bốn nguyên tử xung quanh để tạo nên cấu trúc bền vữ ng với 8 điện tử (hình 1.1b) Liên kết đồng hóa trị xảy ra giữ a các nguyên tử cùng loại (của nguyên tố hóa học trong các nhóm từ IVB VIIB như Cl, Ge) là loại đồng cực, còn giữ a các nguyên tố khác loại như CH4 là loại dị cực

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hóa trị trong:

a phân tử clo

b giecmani (Ge)

15

• Mêtan (CH4) Cacbon chỉ có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng như vậy là nó thiếu tới 4 điện tử để đủ 8 Trong trường hợp này nó sẽ kết hợp với bốn nguyên tử hyđrô

để mỗi nguyên tử này góp cho nó 1 điện tử làm cho lớp điện tử ngoài cùng đủ 8

Đó là bản chất lực liên kết trong phân tử mêtan (CH4) như biểu thị ở hình 1.1c Nói chung liên kết đồng hóa trị là liên kết mạnh, tuy nhiên cường độ của nó phụ thuộc rất nhiều vào đặc tí nh liên kết giữ a điện tử hóa trị với hạt nhân Ví dụ : cacbon có 6 điện tử trong đó 4 là điện tử hóa trị hầu như liên kết trực tiếp với hạt nhân nếu như nó ở dạng kim cương sẽ có cường độ liên kết rất mạnh, nhiệt độ chảy lên tới 3550oC; trong khi đó thiếc có tới 50 điện tử trong đó chỉ có 4 là điện

tử hóa trị nằm xa hạt nhân nên có liên kết yếu với hạt nhân, có nhiệt độ chảy rất thấp, chỉ 232oC

b Liên kết ion

Đây là loại liên kết mạnh và rất dễ hình dung (hình 1.2), xảy ra giữ a nguyên

tử có í t điện tử hóa trị dễ cho bớt điện tử đi để tạo thành cation (ion dương) như các nguyên tố nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) với nguyên tử có nhiều

Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết Hình 1.3 Sơ đồ biểu diễn liên

điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện tử để tạo thành anion (ion âm) như các nguyên

tố nhóm VIB (O, S ), VIIB (H, F, Cl, Br, I) Các ôxit kim loại như Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO có xu thế mạnh với tạo liên kết ion

Cũng giống như liên kết đồng hóa trị, liên kết ion càng mạnh khi các nguyên

tử càng chứa í t điện tử , tức các điện tử cho và nhận nằm càng gần hạt nhân Khác với liên kết đồng hóa trị là loại có liên kết định hướng (xác suất tồn tại các điện tử tham gia liên kết lớn nhất theo phương nối tâm các nguyên tử ), liên kết ion là loại không định hướng Đặc điểm quan trọng của liên kết ion là thể hiện tí nh giòn cao

c Liên kết kim loại

Đây là loại liên kết đặc trưng cho các vật liệu kim loại, quyết định các tí nh chất rất đặc trưng của loại vật liệu này Có thể hình dung liên kết này như sau: các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt trong không gian điện tử tự do "chung" như biểu thị ở hình 1.3 Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) của lực hút (giữ a ion dương và điện tử tự do bao quanh) và lực đẩy (giữ a các ion dương) Chí nh nhờ sự cân bằng này các nguyên tử , ion kim loại luôn luôn có vị trí cân bằng xác định trong đám mây điện tử Liên kết kim loại thường được tạo ra trong kim loại là các nguyên tố có í t điện tử hóa trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt ra khỏi nguyên tử trở nên tự do (không bị ràng buộc bởi nguyên tử nào)

và tạo nên "mây" hay "biển" điện tử Các nguyên tố nhóm IA có tí nh kim loại

điển hình, càng dịch sang bên phải tí nh chất kim loại càng giảm, còn tí nh đồng hóa trị trong liên kết càng tăng Cần nhấn mạnh là chí nh liên kết này tạo cho kim loại các tí nh chất

điển

hình, rất đặc trưng và được gọi là tí nh kim loại Chúng bao gồm:

- ánh kim hay vẻ sáng Bề mặt kim loại (khi chưa bị ôxy hóa) sáng khi bị

ánh sáng chiếu vào, điện tử tự do nhận năng lượng và bị kí ch thí ch, có mức năng lượng cao hơn song không ổn định, khi trở về mức cũ sẽ phát ra sóng ánh sáng

- Dẫn nhiệt và dẫn điện cao Nhờ có điện tử tự do rất dễ chuyển động định

hướng dưới một hiệu điện thế làm kim loại có tí nh dẫn điện cao Tí nh dẫn nhiệt cao được giải thí ch bằng sự truyền động năng của các điện tử tự do và ion dương

- Tí nh dẻo cao Đây là đặc tí nh rất có giá trị, nhờ có nó mà kim loại có thể

cán, dát mỏng thành tấm, lá, màng, cán kéo thành thanh, sợi, dây rất thuận tiện cho vận chuyển, gia công và sử dụ ng ở một số kim loại nhờ có thêm độ bền tốt

và cao đ∙ được sử dụ ng rộng r∙i trong các kết cấu vừ a chịu tải tốt lại khó g∙y, vỡ

đột ngột Sự có mặt của điện tử tự do hay mây điện tử cũng là nguyên nhân của

tí nh dẻo cao Các ion dương kim loại rất dễ dịch chuyển giữ a các lớp đệm là mây điện tử dưới tác dụ ng cơ học, hơn nữ a khi kim loại bị biến hình (tức các ion chuyển chỗ) liên kết kim loại vẫn được bảo tồn do vị trí tương quan giữ a các ion dương và điện tử tự do không thay đổi Đây là điều mà các loại liên kết trên không

có được nên tí nh dẻo thấp Ngoài ra kim loại có cấu tạo mạng đơn giản và xí t chặt, trong đó các mặt tinh thể có mật độ chênh lệch nhau rõ rệt, nhờ đó các mặt dày đặc hơn có liên kết bền chắc hơn, dễ dàng trượt lên nhau dưới tác dụ ng cơ

học Tất nhiên không phải mọi kim loại đều có các đặc tí nh trên, song các kim loại thông dụ ng (sắt, nhôm, đồng ) đều có các đặc tí nh trên rất rõ rệt Chúng

ta sẽ trở lại vấn đề này ở chương sau (mụ c 2.1.2)

d Liên kết hỗn hợp

Thực ra các liên kết trong các chất, vật liệu thông dụ ng không mang tí nh chất thuần túy của một loại duy nhất nào, mà mang tí nh hỗn hợp của nhiều loại, như đ∙ nói trong các kim loại vẫn có liên kết đồng hóa trị Ví dụ liên kết đồng hóa trị chỉ có được trong liên kết đồng cực (giữ a các nguyên tử của cùng một nguyên tố) Do nhiều yếu tố khác nhau trong đó có tí nh âm điện (khả năng hút

điện tử của hạt nhân) mà các liên kết dị cực (giữ a các nguyên tử của các nguyên

tố khác nhau) đều mang đặc tí nh hỗn hợp giữ a liên kết ion và đồng hóa trị Ví

dụ : Na và Cl có tí nh âm điện lần lượt là 0,9 và 3,0, Vì thế liên kết giữ a Na và Cl trong NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị

17

e Liên kết yếu (Van der Waals)

Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do sự khác nhau về tí nh âm

điện của các nguyên tử , trọng tâm điện tí ch dương và điện tí ch âm không trùng nhau, ngẫu cực điện được tạo thành và phân tử bị phân cực Liên kết Van der Waals là liên kết do hiệu ứng hút nhau giữ a các nguyên tử hay phân tử bị phân cực như vậy Liên kết này yếu, rất dễ bị phá vỡ khi tăng nhiệt độ nên vật liệu có liên kết này có nhiệt độ chảy thấp Do đặc tí nh như vậy liên kết này còn có tên gọi là liên kết bậc hai

1.2 Sắp xếp nguyên tử trong vật chất

1.2.1 Chất khí

Trong chất khí có sự sắp xếp nguyên tử một cách hỗn loạn, thực chất là

hoàn toàn không có trật tự Khoảng cách giữ a các nguyên tử không cố định mà hoàn toàn phụ thuộc vào thể tí ch của bình chứa, tức là có thể chịu nén

Ngược lại hoàn toàn với chất khí , trong chất rắn tinh thể mỗi nguyên tử có

vị trí hoàn toàn xác định không nhữ ng với các nguyên tử bên cạnh hay ở gần -

trật tự gần, mà còn cả với các nguyên tử khác bất kỳ xa hơn - trật tự xa Như vậy

chất rắn tinh thể có cả trật tự gần lẫn trật tự xa (trong khi đó chất khí hoàn toàn không có trật tự, tức không có cả trật tự gần lẫn trật tự xa)

Hình 1.4 Cấu trúc mạng tinh thể lập phương (đơn giản)

Do có sắp xếp trật tự nên chất rắn tinh thể có cấu trúc tinh thể được xác định bằng kiểu mạng tinh thể xác định, tức các nguyên tử của nó được xếp thành hàng, lối với quy luật nhất định Nối tâm các nguyên tử (ion) sắp xếp theo quy luật bằng các đường thẳng tưởng tượng sẽ cho ta hình ảnh của mạng tinh thể, trong đó nơi

giao nhau của các đường thẳng được gọi là nút mạng Ví dụ , trên hình 1.4 trình

bày một phần của mạng tinh thể với kiểu sắp xếp trong đó các nguyên tử nằm ở các đỉnh của hình lập phương (ở đây không thể và cũng không cần vẽ hết cả mạng tinh thể gồm vô vàn nguyên tử , do tuân theo quy luật hình học vị trí của các nút tiếp theo hoàn toàn xác định trên cơ sở tịnh tiến theo cả ba chiều đo) Nút mạng

được quan niệm như một điểm của mạng, tương ứng với nó chỉ có một nguyên tử

(ion) như ở mạng tinh thể kim loại Trong mạng tinh thể hợp chất hóa học với các liên kết ion hay đồng hóa trị, ứng với một nút của mạng tinh thể có thể là phân tử (hai hay nhiều nguyên tử ), lúc đó được gọi là nút phức

Do sắp xếp có trật tự (quy luật, lặp lại theo ba chiều trong không gian) nên theo các phương khác nhau hình thái sắp xếp và mật độ nguyên tử cũng khác

nhau, tạo nên tí nh dị hướng hay có hướng Do tầm quan trọng của nó chúng ta sẽ

trở lại nghiên cứu kỹ hơn về cấu trúc tinh thể ở mụ c sau

1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể

a Chất lỏng

Chất lỏng có cấu trúc giống chất rắn tinh thể ở chỗ nguyên tử có xu thế tiếp xúc (xí t) nhau trong nhữ ng nhóm nhỏ của một không gian hình cầu khoảng

0,25nm, do vậy không có tí nh chịu nén (co thể tí ch lại như chất khí )

Còn sự khác nhau với chất rắn tinh thể là ở nhữ ng điểm sau:

• Vị trí nguyên tử không xác định tức là trong không gian nhỏ kể trên các

nguyên tử tuy có sắp xếp trật tự nhưng không ổn định, luôn luôn bị phá vỡ do ba

động nhiệt rồi lại hình thành với các nguyên tử khác và ở nơi khác Cấu trúc như vậy là có trật tự gần (nhưng luôn ở trạng thái động) Đối với kim loại lỏng, cấu trúc trật tự gần với nhữ ng nhóm nhỏ nguyên tử xí t nhau một cách trật tự như vậy

có ý nghĩa rất quan trọng khi kết tinh, khi bị làm nguội chúng cố định lại (không

bị tan đi), lớn dần lên và tạo nên trật tự xa bằng cách lặp lại vị trí theo quy định, tức cấu trúc tinh thể Do chỉ có trật tự gần, không có trật tự xa nên chất lỏng có

• Mật độ xếp chặt (tỷ lệ giữ a thể tí ch do nguyên tử chiếm chỗ so với tổng thể tí ch) của chất lỏng kém chất rắn nên khi kết tinh hay đông đặc thường kèm theo giảm thể tí ch (co ngót)

b Chất rắn vô định hình

ở một số chất, trạng thái lỏng có độ sệt cao, các nguyên tử không đủ độ linh hoạt để sắp xếp lại theo chuyển pha lỏng - rắn; chất rắn tạo thành không có cấu

trúc tinh thể và được gọi là chất rắn vô định hình Về mặt cấu trúc có thể coi các

vật thể vô định hình là chất lỏng rắn lại với các yếu tố gây nên bởi ba động nhiệt bị loại trừ Thủy tinh (mà cấu tạo cơ bản là SiO2) là chất rắn vô định hình rất điển hình nên đôi khi còn dùng từ này để chỉ trạng thái vô định hình của các vật liệu thường có cấu trúc tinh thể (như kim loại thủy tinh)

Như vậy về mặt cấu trúc, các chất rắn (đối tượng nghiên cứu của môn học) thường gặp được chia thành hai nhóm tinh thể và không tinh thể (vô định hình) Phần lớn các chất rắn có cấu tạo tinh thể trong đó bao gồm toàn bộ kim loại, hợp kim và phần lớn các chất vô cơ, rất nhiều polyme Sự phân chia này cũng chỉ là quy ước không hoàn toàn tuyệt đối vì nó chỉ phù hợp với điều kiện sản xuất (chủ yếu là làm nguội) thông thường và không có nghĩa bất biến, không thể đổi chỗ cho nhau

Trong điều kiện làm nguội bình thường thủy tinh lỏng, các phân tử SiO2[trong đó ion O2-

ở các đỉnh khối tứ diện (bốn mặt) tam giác đều, tâm của khối là ion Si4+

như biểu thị ở hình 1.5a] không đủ thời gian sắp xếp lại, nó chỉ giảm ba

động nhiệt tạo nên thủy tinh thường, vô định hình như biểu thị ở hình 1.5b; còn khi làm nguội vô cùng chậm các phân tử SiO2 có đủ thời gian sắp xếp lại theo trật

tự xa sẽ được thủy tinh (có cấu trúc) tinh thể như biểu thị ở hình 1.5c Xem thế cấu trúc tinh thể là cấu trúc ổn định nhất Ngược lại, các chất rắn được liệt vào loại tinh

19 thể như kim loại và hợp kim khi làm nguội bình thường từ trạng thái lỏng sẽ cho cấu trúc tinh thể, nay nếu làm nguội với tốc độ vô cùng lớn (> 104 ữ 105 0C/s) sẽ nhận được cấu trúc vô định hình Lúc này vật liệu nhận được lại mang các đặc

tí nh của chất rắn vô định hình Khác với chất rắn tinh thể, các chất rắn vô định hình có tí nh đẳng hướng tức tí nh chất như nhau theo mọi phương

c Chất rắn vi tinh thể

Cũng với vật liệu tinh thể kể trên khi làm nguội từ trạng thái lỏng rất nhanh (trên dưới 10000 o

C /s) sẽ nhận được cấu trúc tinh thể nhưng với kí ch thước hạt rất

nhỏ (cỡ nm), đó là vật liệu có tên gọi là vi tinh thể (còn gọi là finemet hay

nanomet)

Tóm lại các vật liệu có ba kiểu cấu trúc: tinh thể (thường gặp nhất), vô định hình và vi tinh thể (í t gặp)

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể

Trong số các loại vật liệu, loại có cấu trúc tinh thể chiếm tỷ lệ lớn và thường mang các tí nh chất rất đa dạng phụ thuộc vào kiểu sắp xếp nguyên tử Do vậy nghiên cứu mạng tinh thể là bước cần thiết trước tiên

1.3.1 Tí nh đối xứng

Mạng tinh thể bao giờ cũng mang tí nh đối xứng, nó là một trong nhữ ng đặc

điểm quan trọng, thể hiện cả ở hình dáng bên ngoài, cấu trúc bên trong cũng như thể hiện ra các tí nh chất Tí nh đối xứng là tí nh chất ứng với một biến đổi hình học, các điểm, đường, mặt tự trùng lặp lại, gồm có:

- tâm đối xứng: bằng phép nghịch đảo qua tâm chúng trùng lại nhau;

Hình 1.5 Cấu trúc khối tứ

O thuộc về hai khối tứ diện (a), mô hình hai chiều của thủy tinh thường

- trụ c đối xứng: các điểm có thể trùng lặp nhau bằng cách quay quanh trụ c một góc α, số nguyên n = 2π/ α được gọi là bậc của trụ c đối xứng, chỉ tồn tại các

trưng cho quy luật sắp xếp đó được gọi là ô cơ sở Như mạng tinh thể lập phương

(đơn giản) được biểu diễn ở hình 1.4 có thể được đặc trưng, biểu thị một cách đầy

đủ bằng hình (khối) lập phương (được vẽ đậm trong hình b) Sau đây khi trình bày các kiểu mạng tinh thể ta chỉ cần đưa ra ô cơ sở của nó là đủ Do tí nh đối xứng, từ một ô cơ sở tịnh tiến theo ba chiều đo trong không gian sẽ được mạng tinh thể

Ô cơ sở được xây dựng trên ba vectơ đơn vị a!

, b!

, c!

tương ứng với ba trụ c tọa độ Ox, Oy, Oz đặt trên ba cạnh của ô như biểu thị ở hình 1.6 Môđun của ba

vectơ đó a, b, c là kí ch thước của ô cơ sở còn gọi hằng số mạng hay thông số

mạng, vì chúng đặc trưng cho từ ng nguyên tố hóa học hay đơn chất Các góc α, β,

lập phương a = b = c α = β = γ = 90o

Bảng 1.1 trình bày bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học và mạng tinh thể

21 Trên cơ sở của hệ tọa độ có thể xác định (ký hiệu, đánh số) các nút mạng, phương, mặt tinh thể

b Nút mạng

Nút mạng tương ứng với các tọa độ lần lượt trên các trụ c tọa độ Ox, Oy, Oz

đ∙ chọn được đặt trong dấu móc vuông [ x,x,x ], giá trị âm biểu thị bằng dấu " - " trên chỉ số tương ứng, ví dụ : trên chỉ số tương ứng với trụ c Oy có giá trị âm là [ x, x ,x ]

Trên hình 1.7 giới thiệu ba phương điển hình trong mạng tinh thể của hệ lập

d. Chỉ số Miller của mặt tinh thể

Mặt tinh thể là mặt phẳng được tạo nên bởi các (í t nhất là ba) nút mạng Có

thể coi mạng tinh thể như gồm bởi các mặt tinh thể giống hệt nhau, song song với nhau và cách đều nhau Các mặt tinh thể song song với nhau do có tí nh chất hoàn

toàn giống nhau như vậy nên có cùng một ký hiệu Người ta ký hiệu mặt bằng chỉ

số Miller (h k l) Các chỉ số h, k, l được xác định theo các bước như sau:

- tìm giao điểm của mặt phẳng trên ba trụ c theo thứ tự Ox, Oy, Oz,

- xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ đến các giao điểm, rồi lấy

- quy đồng mẫu số chung, lấy các giá trị của tử số, đó chí nh là các chỉ số h,

23

Hình 1.7 Các phương điển hình của

hệ lập phương.

Hình 1.8 Các mặt điển hình của hệ lập phương.

Ví dụ , xác định các chỉ số Miller cho các mặt trình bày ở hình 1.8 như sau:

e Chỉ số Miller - Bravais trong hệ sáu phương

Với hệ sáu phương (lụ c giác) không dùng được chỉ số Miller với hệ có ba trụ c tọa độ, mà phải dùng chỉ số Miller - Bravais với hệ có bốn trụ c tọa độ Ox,

Oy, Ou, Oz, trong đó ba trụ c đầu tiên nằm trên cùng một mặt phẳng đáy của ô như biểu diễn ở hình 1.9 Chỉ số Miller - Bravais được ký hiệu bằng (h k i l), trong đó chỉ số thứ ba i (của trụ c Ou) có quan hệ với hai chỉ số đầu h, k (trên các trụ c Ox, Oy) như sau:

1.3.3 Mật độ nguyên tử

Nếu quan niệm nguyên tử (ion) như nhữ ng quả cầu thì dù có xếp chặt đến

đâu cũng không thể đặc kí n hoàn toàn, do đó cần có khái niệm về mật độ nguyên

tử vì nhiều tập tí nh, hành vi (như khả năng hòa tan) và tí nh chất (đặc biệt là cơ

tí nh) liên quan đến khái niệm này

Lỗ hổng là không gian trống bị giới hạn bởi hình khối nhiều mặt mà mỗi

đỉnh khối là tâm nguyên tử , ion tại nút mạng (xem các hình 1.10d, 1.11d và e)

Kí ch thước lỗ hổng được đánh giá bằng đường kí nh hay bán kí nh của quả cầu lớn nhất có thể đặt lọt vào không gian trống đó Hình dạng, kí ch thước lỗ hổng phụ thuộc vào cấu trúc (kiểu) mạng Kí ch thước của lỗ hổng đóng vai trò quyết

định cho phép các nguyên tử khác loại hòa trộn vào, đặc biệt là á kim vào kim loại

1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn

1.4.1 Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất)

Đặc tí nh cấu trúc của kim loại là: nguyên tử (ion) luôn có xu hướng xếp xí t

chặt với kiểu mạng đơn giản (như lập phương tâm mặt, lập phương tâm khối, sáu

phương xếp chặt) và các liên kết ngắn, mạnh Do vậy trong kim loại thường không gặp các kiểu mạng không xếp chặt như lập phương đơn giản (hình 1.4)

a Lập phương tâm khối A2

Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh

và các trung tâm khối như biểu diễn ở các hình 1.10a, b và c Tuy phải vẽ tới 9 nguyên tử để biểu thị cho một ô, song thuộc về ô này chỉ là:

nv = 8 đỉnh 1/8 + 1 giữ a = 2 nguyên tử

(mỗi nguyên tử ở đỉnh thuộc về 8 ô bao quanh nên thuộc về ô đang xét chỉ là 1/8, nguyên tử ở trung tâm khối thuộc hoàn toàn ô đang xét)

Hình 1.10 Ô cơ sở mạng lập phương tâm khối (a, b, c) và các lỗ hổng (d)

27

Thực ra trong mạng tinh thể các nguyên tử luôn xếp xí t nhau (các hình a, b)

song cách vẽ như ở hình c được thông dụ ng hơn Trong mạng A2 này các nguyên

tử xếp xí t nhau theo phương đường chéo khối <111>, như vậy về mặt hình học dễ

- mỗi nguyên tử trong mạng A2 này luôn được bao quanh bằng tám nguyên

tử gần nhất với khoảng cách ngắn nhất là a

2

3 (và sáu nguyên tử tương đối gần

với khoảng cách là a), nên có số sắp xếp là 8 (hay đôi khi còn biểu thị bằng 8 + 6)

Các mặt tinh thể xếp dày đặc nhất là họ {110} Mật độ xếp thể tí ch Mv là

0,68 hay 68% Có hai loại lỗ hổng: hình bốn mặt và hình tám mặt như trình bày ở

trên cạnh nối điểm giữ a các cạnh đối diện của các mặt bên Như vậy

trong mạng A2 có nhiều lỗ hổng nhưng kí ch thước đều nhỏ, lớn nhất cũng không

quá 30% kí ch thước (đường kí nh) nguyên tử

Các kim loại có kiểu mạng này là sắt (Feα), crôm, môlipđen, vonfram với

Khác với kiểu mạng A2 là thay cho nguyên tử nằm ở trung tâm khối là

nguyên tử nằm ở trung tâm các mặt bên, như biểu thị ở các hình 1.11a, b và c Tuy

phải dùng tới 14 nguyên tử để biểu thị cho một ô, song thực chất thuộc về ô này

chỉ là

nv = 8 đỉnh 1/8 + 6 mặt 1/2 = 4 nguyên tử Thực ra trong mạng tinh thể các nguyên tử xếp xí t nhau (các hình a, b) song

cách vẽ như ở hình c được thông dụ ng hơn Trong mạng A1 này các nguyên tử

xếp xí t nhau theo phương đường chéo mặt <110>, như vậy về mặt hình học dễ

- mỗi nguyên tử luôn luôn được bao quanh bởi 12 nguyên tử gần nhất với khoảng cách là a.

2

2, nên có số sắp xếp là 12

Các mặt tinh thể dày đặc nhất là họ {111} Mật độ xếp thể tí ch Mv là 0,74

hay 74% Có thể thấy kiểu mạng A1 này là kiểu xếp dày đặc hơn A2 và là một trong hai kiểu xếp dày đặc nhất (kiểu kia là A3)

Hình 1.11 Ô cơ sở mạng lập phương tâm mặt (a, b, c) và các lỗ hổng (d, e)

Cũng giống như mạng A2, mạng A1 cũng có hai loại lỗ hổng hình bốn mặt

và hình tám mặt như trình bày ở các hình 1.11d và e, song với số lượng và kí ch thước hơi khác Loại bốn mặt có kí ch thước 0,225 dng.t nằm ở

4

1 các đường chéo khối tí nh từ đỉnh Đáng chú ý là loại lỗ hổng hình tám mặt, nó có kí ch thước lớn hơn cả, bằng 0,414dng.t, nằm ở trung tâm khối và giữ a các cạnh a So sánh thấy rằng so với mạng A2, mạng A1 tuy dày đặc hơn song số lượng lỗ hổng lại í t hơn

mà kí ch thước lỗ hổng lại lớn hơn hẳn (0,225 và 0,41 so với 0,154 và 0,291) Chí nh điều này (kí ch thước lỗ hổng) mới là yếu tố quyết định cho sự hòa tan

Khá nhiều kim loại điển hình có kiểu mạng này: sắt (Feγ), niken, đồng,

nhôm với hằng số a mạng lần lượt bằng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoài

ra còn có chì, bạc, vàng

29

c Sáu phương xếp chặt A3

Ô cơ sở là khối lăng trụ lụ c giác (gồm sáu lăng trụ tam giác đều), các

nguyên tử nằm trên 12 đỉnh, tâm của hai mặt đáy và tâm của ba khối lăng trụ tam

giác cách nhau như biểu thị ở hình 1.12a, b và c Để biểu thị một ô cần tới 17

nguyên tử , song thực tế thuộc về ô này chỉ là

nv = 12 đỉnh 1 / 6 + 2 giữ a mặt 1 / 2 + 3 = 6 nguyên tử

Hình 1.12 Ô cơ sở mạng sáu phương xếp chặt

Hình 1.13. Vị trí A, B, C trên mặt dày đặc nhất của mạng A1 và A3 (a) và thứ tự

xếp chồng ABABA của mạng A3 (b), ABCABCA của mạng A1 (c)

Trong kiểu mạng này các nguyên tử xếp xí t nhau theo các mặt đáy (0001)

[phải hiểu là mặt gồm ba nguyên tử ở giữ a song song với mặt đáy cũng là mặt đáy

(0001) này] và đáy nọ lại chồng khí t vào khe lõm do mặt đáy trước tạo nên Nếu

mặt đáy có vị trí như A sẽ tạo nên các khe lõm B và C (hình 1.13a) Nếu thứ tự

xếp chồng luân phiên nhau chỉ là hai trong số ba vị trí trên như ABABA ,

ACACA , BCBCB như hình 1.13b thì hình thành mạng sáu phương xếp chặt và

chiều cao c của ô phụ thuộc vào cạnh a của lụ c giác đáy mà

a

c luôn bằng

3

8 hay 1,633 Tuy nhiên trong thực tế c/a của kiểu mạng này thay đổi rất nhiều và không

bao giờ đạt được đúng giá trị lý tưởng trên Vì thế người ta quy ước:

C

A

B

- nếu tỷ số

a

c nằm trong khoảng 1,57 ữ 1,64 thì mạng được coi là xếp chặt,

- khi tỷ số

a

c nằm ngoài khoảng trên thì mạng được coi là không xếp chặt Bằng các tí nh toán tương tự cũng thấy mặt đáy (0001) và cả thể tí ch của mạng A3 cũng có mật độ giống như mặt (111) và cả thể tí ch như mạng A1 (cũng

là 92 và 74%) Rõ ràng là cách sắp xếp nguyên tử trên hai mặt dày đặc này là hoàn toàn như nhau, song sự xếp chồng các mặt này lên nhau để tạo nên mạng của chúng lại khác nhau chút í t: thứ tự xếp chồng các lớp của mạng A1 là cả ba vị trí trên ABCABCA như biểu thị ở hình 1.13c Trong trường hợp sắp xếp xí t chặt mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử bao quanh gần nhất với khoảng cách a, nên có số sắp xếp là 12 Còn trong trường hợp không xếp chặt có số sắp xếp là 6 + 6

Trong mạng A3 cũng có các lỗ hổng bốn mặt và tám mặt

Các kim loại có kiểu mạng này í t thông dụ ng hơn là:

- titan (Tiα) với a = 0,2951nm, c = 0,4679nm,

a

c = 1,5855 (xếp chặt),

- magiê với a = 0,3209nm, c = 0,5210nm,

a

c = 1,6235 (xếp chặt),

- kẽm với a = 0,2664nm, c = 0,4945nm,

a

c = 1,8590 (không xếp chặt)

1.4.2 Chất rắn có liên kết đồng hóa trị

Như đ∙ nói mỗi nguyên tử tham gia liên kết đồng hóa trị đều góp chung một

điện tử hóa trị sao cho lớp điện tử ngoài cùng dủ 8 Như vậy nếu số điện tử ngoài cùng (hóa trị) tham gia liên kết của nguyên tố là N thì mỗi nguyên tử của nó phải liên kết với 8-N nguyên tử khác để tạo nên liên kết đồng hóa trị, tức có 8-N nguyên tử cách đều gần nhất, hay nói khác đi có số sắp xếp là 8-N

31

Có thể hình dung ô cơ sở mạng kim cương như ở hình 1.14a, nó được tạo thành trên cơ sở của ô cơ sở A1 có thêm bốn nguyên tử bên trong với các tọa độ (xem hình 1.14b):

1 / 4, 1 / 4, 1/ 4 (vị trí 1); 3/ 4, 3 / 4, 1 / 4 (vị trí 2);

1 / 4, 3 / 4, 3 / 4 (vị trí 3); 3 / 4, 1 / 4, 3 / 4 (vị trí 4) (nếu chia ô cơ sở A1 này thành tám khối lập phương nhỏ hơn thì bốn nguyên tử này nằm ở tâm của bốn khối cách nhau trong số tám khối đó)

Cứ bốn nguyên tử cacbon tạo nên một khối tứ diện (bốn mặt) tam giác đều Các khối xếp chung đỉnh tạo nên mạng kim cương Mỗi nguyên tử cách đều bốn nguyên tử khác với khoảng cách gần nhất a

b Mạng grafit

Grafit là dạng tồn tại khác của cacbon, khá phổ biến trong thiên nhiên và vật liệu (gang) Mạng tinh thể của grafit là sáu phương lớp như trình bày trên hình 1.15a, trong đó các nguyên tử được phân bố trên các mặt phẳng tại các đỉnh của hình lụ c giác đều, trong mặt này mỗi nguyên tử đều tạo nên liên kết đồng hóa trị mạnh với ba nguyên tử bao quanh và các góc lệch là 120o

, tương ứng với điều này

khoảng cách giữ a các nguyên tử trong mặt lụ c giác đều khá nhỏ, a = 0,246nm

Khoảng cách giữ a các lớp lụ c giác đều lớn hơn (khoảng cách giữ a hai mặt lụ c

giác có vị trí giống nhau là c = 0,671nm), tương ứng với liên kết yếu Van der

Waals Chí nh vì vậy grafit rất dễ bị tách lớp và có tí nh chất gần như hoàn toàn trái ngược với kim cương là rất mềm, nó được coi như là một trong nhữ ng chất rắn

có độ cứng thấp nhất

Hình 1.15 Cấu trúc mạng của grafit (a), sợi cacbon (b) và fullerene (c)

c Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene

Đặc điểm rõ rệt của sợi cacbon và fullerene là nhữ ng chất cấu tạo bằng nguyên tử cacbon với cấu trúc mạng là các mặt lụ c giác đều như của grafit chỉ gồm các liên kết đồng hóa trị (triệt tiêu được liên kết yếu Van der Waals) nên sẽ cho độ bền cao hơn rất nhiều Cấu trúc của sợi cacbon được trình bày ở hình 1.15b như nhữ ng lớp "vỏ" nguyên tử cacbon, sắp xếp theo hình lụ c giác, có liên kết

đồng hóa trị mạnh (giống như lớp đáy ô cơ sở grafit), cuốn quanh trụ c sợi Nó

được dùng làm "cốt" (như cốt thép trong bêtông cốt thép) trong compozit cho độ bền có thể gấp ba lần song lại nhẹ hơn tới bốn lần so với thép (sẽ đề cập lại loại vật

Phân tử cacbon C60 gọi là fullerene do hai nhà khoa học H Kroto (Anh) và

R Smalley (Mỹ) tổng hợp được lần đầu tiên vào năm 1985 (công trình này đ∙

được tặng giải Nobel năm 1995) Cấu trúc của fullerene được trình bày trên hình 1.15c: 60 nguyên tử cacbon sắp xếp trên một mặt cầu theo đỉnh của 12 ngũ giác

đều và 20 lụ c giác đều, các ngũ giác không tiếp xúc với nhau mà liên kết với nhau qua các lụ c giác Một phân tử fullerene C60 có hình dáng giống quả bóng đá nhiều múi Cấu trúc đối xứng tròn, ứng với độ bền và độ cứng rất cao của nó chắc chắn hứa hẹn sẽ có nhữ ng ứng dụ ng kỳ lạ trong kỹ thuật

d Cấu trúc của SiO2

Giống trường hợp của kim cương, cấu trúc mạng tinh thể của các hợp chất có liên kết đồng hóa trị mạnh phụ thuộc vào góc giữ a các liên kết mà điển hình hơn cả là SiO2, nó là cơ sở của vật liệu silicat rất phổ biến trong xây dựng Như đ∙ trình bày ở hình 1.5a, mạng tinh thể SiO2 được cấu tạo bởi các khối tứ diện tam giác

đều, trong đó mỗi một ion Si4+

được bao quanh bởi bốn ion O

[ như vậy khối tứ diện là ion (SiO4)4-

] Để bảo đảm trung hòa điện mỗi ion O2-

là đỉnh chung của hai

Phụ thuộc điều kiện tạo thành, cách sắp xếp của khối tứ diện có thể khác nhau nên SiO2 tạo nên các cấu trúc khác nhau: thạch anh với cấu trúc sáu phương (hình 1.16a), cristobalit β với cấu trúc lập phương (hình 1.16b) Trong điều kiện nguội nhanh sẽ nhận được thủy tinh (vô định hình) như biểu thị ở hình 1.5b

33

Hình 1.15 Sắp xếp khối tứ diện (SiO4) 4- trong thạch anh (a), cristobalit β (b)

1.4.3 Chất rắn có liên kết ion

Cấu trúc tinh thể của hợp chất hóa học có liên kết ion phụ thuộc vào hai yếu tố:

• Tỷ số của số lượng ion âm trên số lượng ion dương: tỷ số này là cố định

đối với từ ng hợp chất, phụ thuộc vào số lượng điện tử tham gia liên kết, đảm bảo

tí nh trung hòa về điện của hệ thống

• Tương quan kí ch thước giữ a ion âm và ion dương: liên kết ion là loại không định hướng (xem mụ c 1.1.2b) vì vậy trong mạng tinh thể, các ion luôn có

xu hướng sắp xếp sao cho đạt được độ xếp chặt và tí nh đối xứng cao nhất

Nói chung mạng tinh thể của hợp chất với liên kết ion vẫn có các kiểu mạng

đơn giản (A1, A2) nhưng sự phân bố các ion trong đó khá phức tạp nên vẫn được coi là có mạng phức tạp

Có thể hình dung mạng tinh thể các hợp chất hóa học với liên kết ion được

tạo thành trên cơ sở của ô cơ sở của ion âm, các ion dương còn lại chiếm một phần hay toàn bộ các lỗ hổng

Tỉ mỉ về cấu trúc của chất rắn có liên kết ion được trình bày ở chương 7

1.4.4 Cấu trúc của polyme

Khác với cấu trúc tinh thể của kim loại và các chất vô cơ, ô cơ sở chỉ tạo nên bởi số lượng hạn chế (từ vài đến vài chụ c) nguyên tử (ion), polyme được tạo nên bởi rất nhiều phân tử mà mỗi phân tử lại gồm hàng triệu nguyên tử Ví dụ polyme trên cơ sở của polyêtylen (C2H4)n được hình thành lần lượt như sau:

hình này sang dạng thù hình khác được gọi là chuyển biến thù hình Thù hình là

hiện tượng thuộc bản chất của một số nguyên tố và hợp chất, trong đó thể hiện rất

rõ ở một số vật liệu thường dùng: thép, gang (trên cơ sở sắt), cacbon với nhữ ng hiệu ứng và ứng dụ ng rất quan trọng Các yếu tố dẫn đến chuyển biến thù hình thường gặp hơn cả là nhiệt độ, sau đó là áp suất

Như đ∙ biết cacbon ngoài dạng vô định hình còn tồn tại dưới nhiều dạng thù hình (các hình 1.13, 1.14): kim cương (A4), grafit (A9) sợi cacbon (cấu trúc lớp cuộn), fullerene (cấu trúc mặt cầu C60) Grafit là dạng thường gặp và ổn định nhất, còn kim cương rất í t gặp song có thể chế tạo kim cương (nhân tạo) bằng cách ép grafit ở nhiệt độ rất cao (hàng nghìn độ C) và áp suất cao (hàng nghìn at)

Từ các mụ c 1.4.1a và b đ∙ biết rằng sắt có hai kiểu mạng là A1 và A2, trong

đó mạng A2 tồn tại trong hai khoảng nhiệt độ: dưới 911oC gọi là Feα và từ 1392oC

đến nhiệt độ chảy 1539oC gọi là Feδ; còn mạng A1 tồn tại trong khoảng nhiệt độ còn lại 911 ữ 1392oC gọi là Feγ Sự khác nhau về cấu trúc, đặc biệt là kí ch thước các lỗ hổng dẫn đến hai dạng thù hình Feα và Feγ có khả năng hòa tan cacbon và các nguyên tố hợp kim khác nhau, đó là cơ sở của các chuyển pha khi nhiệt luyện thép và tạo ra các loại thép khác nhau về tí nh chất thỏa m∙n các yêu cầu đa dạng của kỹ thuật

Cần chú ý là khi chuyển biến thù hình bao giờ cũng đi kèm với sự thay đổi

về thể tí ch (nở hay co) và cơ tí nh Ví dụ : khi nung nóng sắt qua 911o

C sắt lại co lại đột ngột (do tăng mật độ xếp từ 68 lên 74% khi chuyển từ Feα→ Feγ) và hoàn toàn ngược lại khi làm nguội (điều này hơi trái với quan niệm thường gặp là nung nóng thì nở ra, còn làm nguội thì co lại)

1.5 Sai lệch mạng tinh thể

Các cấu trúc tinh thể trình bày ở trên là cấu trúc của tinh thể lý tưởng vì khi xét đ∙ bỏ qua dao động nhiệt và các sai hỏng (lệch lạc) trong trật tự sắp xếp của

các nguyên tử (ion, phân tử ) Trong thực tế không phải 100% nguyên tử đều nằm

đúng vị trí quy định, gây nên nhữ ng sai hỏng được gọi là sai lệch mạng tinh thể

hay khuyết tật mạng Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí quy định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1 ữ 2%) song gây ra các ảnh hưởng rất xấu đến các hành vi của tinh thể dưới tác dụ ng của ngoại lực (biến dạng dẻo, biến cứng ) tức đến độ bền - chỉ tiêu cơ tí nh hàng đầu, nên việc khảo sát các sai lệch này có ý nghĩa lý thuyết và thực

a Nút trống và nguyên tử tự xen kẽ

Trong mạng tinh thể của chất rắn luôn luôn tồn tại các nút trống và nguyên

tử xen kẽ nằm giữ a các nút mạng gọi tắt là nguyên tử tự xen kẽ như trình bày ở hình 1.17a Trong tinh thể, nguyên tử luôn bị dao động nhiệt quanh vị trí quy

định gọi là vị trí cân bằng Do ba động nhiệt (phân bố năng lượng không đều) một

số nguyên tử có năng lượng cao, biên độ dao động lớn có khả năng bứt khỏi nút

35

mạng để lại nút không có nguyên tử gọi là nút trống Sau khi rời khỏi nút mạng,

nguyên tử có thể chuyển sang vị trí xen kẽ giữ a các nút mạng trở thành nguyên

tử tự xen kẽ (hay ra vị trí cân bằng trên bề mặt)

Hình 1.17 Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử

tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b)

Mật độ của nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm mũ ( KT

Q

e− ), nên tăng rất nhanh theo nhiệt độ và có giá trị lớn nhất khi sắp chảy lỏng Nút trống có ảnh hưởng lớn đến cơ chế và tốc độ khuếch tán của kim loại và hợp kim ở trạng thái rắn

b Nguyên tử tạp chất

Trong thực tế không thể có vật liệu hoặc kim loại sạch tuyệt đối (thường sạch nhất cũng chỉ đạt 99,99 hay 99,999% là cùng) Phụ thuộc vào kí ch thước, nguyên tử lẫn vào (thường gọi là tạp chất) có thể thay thế các nguyên tử nền ở nút mạng hoặc xen giữ a các nút (khác với loại tự xen kẽ ở mụ c1.5.1a) như biểu thị ở hình 1.17b

Do sự sai khác về đường kí nh nguyên tử giữ a các nguyên tố nền và tạp chất

nên khi thay thế cho nhau bao giờ cũng làm cho mạng của nền gi∙n nở ra hay co rút lại gây nên sai lệch có dạng bao quanh một điểm Còn khi xen kẽ (hay tự xen kẽ) bao giờ cũng làm mạng nền gi∙n ra vì kí ch thước lỗ hổng luôn nhỏ hơn đường

kí nh nguyên tử Các nguyên tử nền xung quanh lỗ hổng có khuynh hướng xí ch lại gần nhau Trong nhiều trường hợp người ta chủ động tạo ra dạng sai lệch này bằng cách đưa thêm một lượng đáng kể nguyên tố (cấu tử ) thứ hai vào nền như sẽ khảo sát ở chương 3

1.5.2 Sai lệch đường - Lệch

Sai lệch đường là loại có kí ch thước nhỏ (cỡ kí ch thước nguyên tử ) theo hai chiều và lớn theo chiều thứ ba, tức có dạng của một đường (đường ở đây có thể là thẳng, cong, xoáy trôn ốc) Sai lệch đường có thể là một d∙y các sai lệch điểm kể

trên, song cơ bản và chủ yếu vẫn là lệch (dislocation) với hai dạng là biên và xoắn

a Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line)

Có thể hình dung lệch biên như mô hình ở hình 1.18a (điều này không đồng

nghĩa là nó được hình thành đúng như vậy): chèn thêm bán mặt ABCD vào nử a phần trên của mạng tinh thể lý tưởng (hình 1.18a), sự xuất hiện thêm của bán mặt làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phí a trở nên không hoàn toàn song song với nhau nữ a Như thấy rõ ở hình 1.18b biểu thị sắp xếp nguyên tử trên

mặt cắt vuông góc với trụ c AD (trong đó vùng bị xô lệch khá nhỏ - chỉ 4 ữ 5 thông số mạng trong phạm vi vòng tròn), rõ ràng là sự xô lệch này kéo dài theo

đường AD được gọi là trụ c lệch, nó chí nh là biên của bán mặt nên có tên là lệch

biên Với sự phân bố như vậy nử a tinh thể có chứa bán mặt sẽ chịu ứng suất nén,

nử a còn lại chịu ứng suất kéo

Hình 1.18 Lệch biên: mô hình tạo thành (a), sự sắp xếp nguyên tử

trong vùng lệch (b) và mô hình không gian (c)

b Lệch xoắn (screw dislocation)

Có thể hình dung lệch xoắn như mô hình trượt dịch ở hình 1.19a (điều này

không đồng nghĩa là nó được hình thành đúng như vậy): cắt tinh thể lý tưởng theo bán mặt ABCD rồi trượt dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau đi một hằng số mạng trên đường BC Điều này sẽ làm cho các nguyên tử trong vùng hẹp giữ a hai

đường AD và BC sắp xếp lại có dạng đường xoắn ốc giống như mặt ví t nên lệch

có tên là lệch xoắn như thấy rõ ở hình 1.19b biểu thị sắp xếp nguyên tử ở trên và

dưới bán mặt Sự xô lệch nguyên tử được thấy rõ ở hình 1.19c Cũng giống như

trên đường AD là tâm của sự xô lệch nên được gọi là trụ c lệch

Hình 1.19 Lệch xoắn: mô hình tạo thành (a), mô hình không

gian (b) và sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c)

37

c Đặc trưng về hình thái của lệch

Do xô lệch mạng nên năng lượng tí ch lũy trong đó tăng thêm chủ yếu nằm

ở vùng trụ c lệch Để đặc trưng cho xô lệch mạng người ta dùng vectơ Burgers b

Vectơ này được xác định bằng cách vẽ ô vuông trên mặt tinh thể Trong tinh thể lý tưởng ô vuông được khép kí n (điểm xuất phát gặp điểm kết thúc), song trong tinh thể có lệch ô vuông đó không khép kí n, xuất hiện vectơ nối hai điểm đầu, cuối đó

chí nh là vectơ Burgers như biểu thị ở hình 1.18c

Mật độ lệch (ký hiệu là ρ) là tổng chiều dài trụ c lệch trong một đơn vị thể

tí ch của tinh thể, có thứ nguyên là cm/cm 3

hay cm -2

Rõ ràng là mật độ lệch phụ thuộc rất mạnh vào độ sạch và trạng thái gia công Ví dụ , đối với kim loại ρ có giá trị nhỏ nhất (~ 108 cm -2) ứng với độ sạch cao và trạng thái ủ; còn đối với hợp kim và ở các trạng thái gia công hóa bền như biến dạng nguội, tôi ρ có giá trị lớn hơn (tới 1010 ữ 1012

1.5.3 Sai lệch mặt

Sai lệch mặt là loại sai lệch có kí ch thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng của một mặt (mặt ở đây có thể là phẳng, cong hay uốn lượn) Các dạng điển hình của sai lệch mặt là:

- biên giới hạt và siêu hạt (sẽ trình bày ở mụ c sau),

- bề mặt tinh thể

1.6 Đơn tinh thể và đa tinh thể

1.6.1 Đơn tinh thể

Nếu chất rắn tinh thể chỉ là một khối mạng đồng nhất tức cùng kiểu và hằng

số mạng cũng như ph ương không đổi hướng trong toàn bộ thể tí ch thì được gọi là

đơn tinh thể (hình 1.20a) Trong thiên nhiên tìm thấy một số khoáng vật có thể

tồn tại dưới dạng đơn tinh thể Chúng có bề mặt ngoài nhẵn, hình dáng xác định,

đó là nhữ ng mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường là các mặt xếp chặt nhất) Các

đơn tinh thể kim loại không tồn tại trong tự nhiên, muốn có phải dùng công nghệ

Đơn tinh thể có tí nh chất rất đặc thù là dị hướng vì theo các phương mật độ

xếp chặt nguyên tử khác nhau như đ∙ trình bày ở trên Trong sản xuất cơ khí hầu như không sử dụ ng đơn tinh thể, nó được dùng rộng r∙i trong công nghiệp điện tử

ở dạng bán dẫn

1.6.2 Đa tinh thể

a Hạt

Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể Đa tinh thể gồm rất

nhiều (đơn) tinh thể nhỏ (cỡ àm) được gọi là hạt tinh thể hay đơn giản là hạt,

chúng tuy có cùng cấu trúc và thông số mạng song phương lại định hướng khác nhau (mang tí nh ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là

biên hạt (hay biên giới hạt) như trình bày ở hình 1.20b

- Có thể thấy rõ cấu trúc đa tinh thể hay các hạt qua tổ chức tế vi (ảnh thấy

được qua kí nh hiển vi, thường là quang học) Qua mài phẳng và mài nhẵn đến bóng như gương, rồi ăn mòn nhẹ, mẫu kim loại được đặt vào trong kí nh hiển vi để quan sát Chùm tia sáng vuông góc tới bề mặt nhẵn (trừ các phần lồi lõm) đều

được phản xạ trở lại nên ảnh có màu sáng Qua ăn mòn nhẹ (còn gọi là tẩm thực) biên hạt bị ăn mòn mạnh hơn, lõm xuống làm tia sáng chiếu tới bị hắt đi, bị tối, nên thấy rõ các đường viền tối như ở hình 1.20c Thực chất tổ chức tế vi biểu thị

cấu trúc của mặt cắt ngang qua các hạt theo quy luật ngẫu nhiên

b Độ hạt

Người ta có thể cảm nhận được độ lớn của hạt hay tinh thể khi quan sát chỗ

vỡ của kim loại qua độ xù xì, gợn hạt của nó Như sau này sẽ biết hạt to hay nhỏ

Hình 1.20 Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b),

tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể: đường tối là biên

hạt (c), cấu trúc của siêu hạt (d).

39

ảnh hưởng rất lớn đến cơ tí nh nên rất cần đánh giá chúng về mặt định lượng Trong nghiên cứu kim loại thường dùng khái niệm độ hạt, biểu diễn bằng kí ch thước (khoảng cách giữ a hai mép đối diện, đôi khi còn gọi là đường kí nh) trung bình các hạt trên tổ chức tế vi

Để xác định độ hạt người ta hay dùng các cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM Các hạt có độ lớn khác nhau được phân thành 16 cấp chí nh đánh số từ 00, 0, 1, 2 , 14 theo trật tự hạt nhỏ dần, trong đó tám cấp thường dùng là từ 1 đến 8 Gọi

Z là số hạt có trong hình vuông của tổ chức tế vi với độ phóng đại x100, cạnh

khoảng 2,5cm (đó chí nh là 1inch2 ≈ 6,25cm 2) và N là cấp hạt, chúng có quan hệ

Z = 2N-1

Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh ở cùng độ phóng đại (thường là x100) giữ a tổ chức tế vi với thang ảnh cấp hạt chuẩn (hình 1.21) Với các cấp thông dụ ng từ 1 đến 8 kí ch thước (đường kí nh) hạt thay đổi từ cỡ trên dưới 300àm đến trên dưới 25àm như biểu thị ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Các cấp hạt chuẩn chí nh theo ASTM

Cấp Số hạt có trong 1inch 2

c Siêu hạt

Nếu như khối đa tinh thể gồm các hạt (kí ch thước hàng chụ c - hàng trăm

àm) với phương mạng lệch nhau một góc đáng kể (hàng chụ c độ), đến lượt mỗi

hạt nó cũng gồm nhiều thể tí ch nhỏ hơn (kí ch thước cỡ 0,1 ữ 10àm) với phương

mạng lệch nhau một góc rất nhỏ (không quá 1-2o) chúng được gọi là siêu hạt hay

block như biểu thị ở hình 1.20d Như vậy biên giới siêu hạt cũng bị xô lệch nhưng với mức độ thấp hơn và có chiều dày nhỏ hơn

Hình 1.21 Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100

1.6.3 Textua

Hình 1.22 Mô hình textua trong dây

hướng kéo, trục textua là [111])

Như đ∙ biết trong đa tinh thể phương mạng giữ a các hạt định hướng ngẫu nhiên song trong một số điều kiện nào đó (chủ yếu do biến dạng dẻo hay một phần

do kết tinh lại) phương mạng của chúng được sắp xếp theo hướng ưu tiên, tức một phương cùng chỉ số nào đó của các hạt lại phân bố song song (tức cùng một hướng) với nhau tạo nên textua (texture, TCVN 1660 - 75 gọi là tổ chức định hướng) Ví dụ , khi kéo sợi nhôm với lượng biến dạng cao các hạt nhôm từ chỗ

có phương mạng phân bố ngẫu nhiên trở nên định hướng sao cho phương [111]

41 của tất cả các hạt đều song song với hướng kéo (hình 1.22) Khi đa tinh thể có textua (hay còn gọi là hạt định hướng) vật liệu sẽ mất tí nh đẳng hướng mà lại thể hiện tí nh dị hướng Cấu trúc textua được ứng dụ ng cho thép kỹ thuật điện và đ∙

đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn

1.7 Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại

Trong các mụ c trước đ∙ khảo sát cấu trúc mạng tinh thể của các nguyên tố, hợp chất và tổ chức (hạt), bây giờ h∙y xem chúng được hình thành như thế nào cùng các quy luật chi phối Phần lớn kim loại hợp kim được chế tạo (luyện) ra ở trạng thái lỏng rồi làm nguội trong các khuôn đúc, tức qua kết tinh, sau đó mới qua các dạng gia công khác nhau (ví dụ , biến dạng dẻo: cán) để thành bán thành phẩm và sản phẩm Như vậy kết tinh được coi là bước khởi tạo của sự hình thành

tổ chức: các hạt với cấu trúc tinh thể Nghiên cứu quá trình kết tinh sẽ làm sáng tỏ các quy luật chi phối sự tạo thành hạt nhờ đó có thể tìm ra các biện pháp nhận

được độ hạt theo ý muốn, nâng cao chất lượng vật liệu Hơn nữ a các quy luật kết tinh (từ trạng thái lỏng) cũng có nhữ ng đặc điểm chung như các quy luật chuyển pha ở trạng thái rắn (nhiệt luyện, kết tinh lại ), nên sẽ giúp nắm vữ ng các quá trình tương ứng

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh

Trước tiên h∙y xét xem sự kết tinh có thể xảy ra được trong các điều kiện nào? Để trả lời câu hỏi này h∙y đi từ trạng thái xuất phát của nó - trạng thái lỏng

a Cấu trúc ở trạng thái lỏng

Như đ∙ trình bày ở mụ c 1.2.3.a, chất lỏng chỉ có trật tự gần (mà không có trật tự xa) tức trong nó có nhữ ng nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự, chúng ở trạng thái cân bằng động tức là chỉ có khả năng tồn tại trong thời gian rất ngắn, nhanh chóng tan ra rồi lại tạo thành ở chỗ khác Một dạng tồn tại như vậy cho thấy về mặt cấu trúc trạng thái lỏng gần trạng thái tinh thể hơn là trạng thái khí , điều này giúp nó kết tinh (tạo nên mạng tinh thể và hạt) một cách dễ dàng

b Biến đổi năng lượng khi kết tinh

Sự biến đổi năng lượng quyết định chiều hướng của mọi chuyển biến (như phản ứng hóa học, chuyển pha, kết tinh ) Trong tự nhiên mọi quá trình tự phát

đều xảy ra theo chiều hướng giảm năng lượng dự trữ Ví dụ , mọi vật đều có xu hướng tự giảm độ cao vì ở vị trí thấp có dự trữ năng lượng (thế năng) nhỏ hơn

Đối với chuyển trạng thái cũng vậy, động lực thúc đẩy nó cũng là năng lượng dự trữ - chuyển động của nguyên tử , phân tử , ion - được đặc trưng bằng đại lượng

được gọi là năng lượng tự do F (vì không đo được giá trị tuyệt đối nên có thể biểu

thị bằng ∆F) Năng lượng tự do của các trạng thái phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Hình 1.23 biểu thị sự biến đổi của F của trạng thái lỏng và rắn (tinh thể) theo nhiệt

độ:

- ở nhiệt độ To

> Tso vật thể tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lượng tự do của trạng thái lỏng nhỏ hơn rắn, Fl < Fr, sự kết tinh chưa xảy ra,

- ở nhiệt độ To

< Tso vật thể ở trạng thái tinh thể vì Fr < Fl Như thế, khi làm nguội qua Tso

(tại đó Fl = Fr) sẽ có sự chuyển trạng thái từ lỏng sang tinh thể, tức xảy ra kết tinh, nên To

được gọi là nhiệt độ kết tinh (hay

nóng chảy) nhưng chỉ có tí nh lý thuyết và được coi như một đặc trưng cho nguyên

tố hay đơn chất Sở dĩ nói có tí nh lý thuyết vì thật ra trong điều kiện thông thường, tại đúng nhiệt độ đó (To = Tso) khi làm nguội vẫn chưa xảy ra kết tinh, khi nung nóng vẫn chưa xảy ra nóng chảy do hai trạng thái lỏng - rắn cân bằng

nhau, tức vẫn duy trì trạng thái ban đầu Vì thế sự kết tinh thực tế chỉ xảy ra ở

nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh (lý thuyết) T s kể trên một khoảng nhất định để tại đó F r < F l một cách rõ rệt Đó là điều kiện để xảy ra kết tinh

là độ quá nguội ∆To

:

∆To = Tso

- Tkto

Vậy có thể phát biểu một cách khác điều kiện kể trên là: sự kết tinh chỉ xảy ra với

độ quá nguội Đa số kim loại nguyên chất kỹ thuật có thể kết tinh với độ quá

nguội thay đổi từ rất nhỏ (chỉ 1 ữ 2oC) đến rất lớn (hàng chụ c, trăm đến nghìn oC) tùy theo tốc độ làm nguội khi kết tinh là chậm hay nhanh Ví dụ , với cùng một kim loại, nhiệt độ kết tinh thực tế trong khuôn cát cao hơn trong khuôn kim loại,

do vậy không thể có nhiệt độ kết tinh thực tế nói chung (cho mọi trường hợp) Khi làm nguội rất chậm một cách cố ý , kim loại nguyên chất kỹ thuật có nhiệt độ kết tinh thực tế rất gần với lý thuyết, trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua sự sai lệch

đó

Cũng với lý luận tương tự cho khi nung nóng: sự nóng chảy thực tế sẽ xảy ra

ở nhiệt độ Tcho > Tso, độ chênh lệch giữ a chúng được gọi là độ quá nung

1.7.2 Hai quá trình của sự kết tinh

ở nhiệt độ T<Ts sự kết tinh xảy ra được là nhờ hai quá trình cơ bản nối tiếp nhau xảy ra là tạo mầm và phát triển mầm

a Tạo mầm

Tạo mầm là quá trình sinh ra các phần tử rắn có cấu trúc tinh thể tức

nhữ ng nhóm trật tự gần (luôn có sẵn trong kim loại lỏng) với kí ch thước đủ lớn,

được cố định lại, chúng không bị tan đi như trước đó mà phát triển lên như là

trung tâm của tinh thể (hạt) Người ta phân biệt hai loại mầm: tự sinh và ký sinh