Giáo trình khoa học vật liệu chương 1

3 Bảng kê ký hiệu viết tắt đ!ợc dùng sách (trong ngoặc n!ớc ngoài) Ký hiệu viết tắt Tên gọi Đơn vị đo a, b, c thông số mạng nm aK (KCU, KCV, KCT) độ dai va đập kJ/m2, kG.m/cm2 A, A3, Acm nhiệt độ tới hạn thép t!ơng ứng với giản đồ pha Fe-C o C Ac, Ac3, Accm A, A3, Acm nung nóng C Ar, Ar3, Arcm A, A3, Acm làm nguội C AK công phá hủy, impact value, CVN energie J, ft.lbf B mật độ từ thông (Br - mật độ từ thông d!) gaus, tesla d, D mm đ!ờng kí nh E môđun đàn hồi MPa, GPa F lực, tải trọng N, kG, T h chiều cao àm, mm, m H c!ờng độ từ tr!ờng (HC - lực khử từ ) ơstet HB độ cứng Brinen kG/mm2 HRA, HRB, HRC độ cứng Rôcven theo thang A, B, C HV độ cứng Vicke kG/mm2 KIC độ dai phá hủy biến dạng phẳng MPa m l, L chiều dài nm, àm, mm Ox, Oy, Oz, Ou trục tọa độ S tiết diện, mặt cắt, diện tí ch mm2 to, To nhiệt độ o t thời gian s (giây), (phút), h (giờ) nm, C, oK àm, v vận tốc mm/s, m/min V tốc độ nguội o , , góc tọa độ , , , , , dung dịch rắn , , , (ở dạng số) biểu thị dạng thù hình, ví dụ Fe khối l!ợng riêng, mật độ t bán kí nh cong (A, EL) độ gi#n dài t!ơng đối % (Z, AR) độ thắt (tiết diện) t!ơng đối % ứng suất tiếp MPa, kG/mm2, psi, ksi ứng suất, ứng suất pháp nh! b (Rm, TS) giới hạn bền (kéo) nh! ch (RY, Y) giới hạn chảy vật lý hay lý thuyết nh! 0,2 (R0,2, YS) giới hạn chảy quy !ớc nh! đh (Re, ES) giới hạn đàn hồi nh! độ nhớt, độ sệt P (poise) C/s, oC/h g/cm3 Lời nói đầu Tuy vật liệu kim loại chiếm địa vị chủ chốt quan trọng, song không giữ đ!ợc độc tôn chế tạo khí ng!ời ta sử dụ ng ngày nhiều ceramic, polyme đặc biệt compozit Trong tr!ờng đại học kỹ thuật chuyên nghiệp đ# có chuyển đổi giảng dạy môn Kim loại học nhiệt luyện hay Vật liệu kim loại sang Vật liệu học hay Vật liệu học sở Cuốn sách đời nhằm đáp ứng yêu cầu n!ớc ng!ời ta th!ờng dùng từ Khoa học công nghệ vật liệu (Materials Science and Engineering) để đặt tên cho loại sách Khoa học vật liệu môn học nghiên cứu mối quan hệ tổ chức tí nh chất vật liệu, sở Công nghệ vật liệu có mục tiêu thiết kế hay biến đổi tổ chức vật liệu để đạt tới tí nh chất theo yêu cầu Trong công việc kỹ s! khí , từ việc định ph!ơng án thiết kế, tí nh toán kết cấu gia công, chế tạo, lắp ráp vận hành máy, thiết bị, có liên quan mật thiết đến lựa chọn sử dụng vật liệu Điều quan trọng ng!ời học phải nắm đ!ợc tí nh tí nh công nghệ vật liệu kể để lựa chọn sử dụng chúng tốt hợp lý, đạt yêu cầu tí nh đề với chi phí gia công í t nhất, giá thành rẻ chấp nhận đ!ợc Song điều định đến tí nh tí nh công nghệ lại nằm cấu trúc bên Do yếu tố ảnh h!ởng đến cấu trúc bên nh! thành phần hóa học, công nghệ chế tạo vật liệu gia công vật liệu thành sản phẩm (luyện kim, đúc, biến dạng dẻo, hàn đặc biệt nhiệt luyện) có ảnh h!ởng đến tí nh nh! công dụng vật liệu đ!ợc lựa chọn, đ!ợc khảo sát cách kỹ Giáo trình đ!ợc biên soạn sở thực tiễn sản xuất khí n!ớc ta nay, có tham khảo kinh nghiệm giảng dạy môn số tr!ờng đại học Nga, Hoa Kỳ, Pháp, Canađa, Trung Quốc , đ# đ!ợc áp dụng Tr!ờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội năm gần Trong thực tế sử dụ ng vật liệu, đặc biệt vật liệu kim loại, lựa chọn loại vật liệu cách chung chung (ví dụ : thép) mà phải cụ thể (ví dụ : thép loại gì, với mác, ký hiệu nào) theo quy định nghiêm ngặt điều kiện kỹ thuật tiêu chuẩn t!ơng ứng quy định Trong điều kiện n!ớc ta nay, sản xuất khí sử dụng sản phẩm kim loại nhiều n!ớc giới, đề cập đ!ợc hết Khi giới thiệu cụ thể thép, gang, giáo trình !u tiên trình bày mác theo tiêu chuẩn Việt Nam (nếu có) có kèm với mác t!ơng đ!ơng hay loại tiêu chuẩn Nga tiêu chuẩn đ# đ!ợc quen dùng chí đ# phổ biến rộng r#i n!ớc ta chục năm qua Trong tr!ờng hợp ng!ợc lại tiêu chuẩn Việt Nam ch!a quy định, giáo trình lại giới thiệu mác theo tiêu chuẩn Nga có kèm theo cách ký hiệu TCVN 659-75 quy định Ngoài kết hợp giới thiệu mác thép gang Hoa Kỳ, Nhật Bản nhữ ng quốc gia có kinh tế, khoa học - công nghệ mạnh hàng đầu giới Trong phần hợp kim màu, chủ yếu giới thiệu mác tiêu chuẩn AA (cho nhôm) CDA (cho đồng) tiêu chuẩn thông dụng giao dịch th!ơng mại giới, đồng thời có kèm với mác t!ơng đ!ơng hay loại tiêu chuẩn Nga Rõ ràng với cách trình bày nh! thỏa m#n hết yêu cầu thực tế sử dụng lúc phải tham khảo sách tra cứu t!ơng ứng Cũng cần nói thêm thuật ngữ khoa học dùng sách theo quy định tiêu chuẩn TCVN 658 - 87 TCVN 660 - 87 Cuối nh! tên gọi nó, nên coi điều trình bày sách nh! phần kiến thức sở vật liệu th!ờng dùng sản xuất khí Điều có nghĩa để làm tốt công việc kỹ thuật, cần tham khảo thêm sách, tài liệu chuyên sâu từ ng lĩnh vực đ# đề cập Rõ ràng đạt đ!ợc hoàn thiện tuyệt đối, phát triển không ngừ ng khoa học - công nghệ giới n!ớc ta, với kinh nghiệm có hạn ng!ời viết nh! chậm trễ cập nhật thông tin n!ớc ta, sách tồn hạn chế, mong đ!ợc bạn đọc trao đổi Th! từ xin gửi Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 70 Trần H!ng Đạo, Hà Nội Tác giả chân thành cảm ơn đồng nghiệp Tr!ờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội đóng góp quý báu cho sách Tác giả tháng năm 2000 mở đầu Vật liệu học khoa học nghiên cứu mối quan hệ giữ a cấu trúc tí nh chất vật liệu, sở đề biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tí nh chất sử dụng thí ch hợp ngày tốt 0.1 Khái niệm vật liệu Vật liệu dùng để nhữ ng vật rắn mà ng!ời sử dụng để chế tạo dụ ng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình để thay phận thể thể ý đồ nghệ thuật Nh! tất chất lỏng, khí cho dù quan trọng song đối t!ợng nghiên cứu môn học Dựa theo cấu trúc - tí nh chất đặc tr!ng, ng!ời ta phân biệt bốn nhóm vật liệu chí nh (hình 0.) nh! sau: Hình 0.1 Sơ đồ minh họa nhóm vật liệu quan hệ chúng: bán dẫn, siêu dẫn, silicon, polyme dẫn điện Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại th!ờng tổ hợp chủ yếu nguyên tố kim loại, nhiều điện tử chung không thuộc nguyên tử Các tí nh chất điển hình vật liệu kim loại là: - đắt đắt, - dẫn nhiệt, dẫn điện cao, - có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng th!ờng qua, dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép), - có độ bền học, nh!ng bền hóa học - trừ nhôm kim loại thông dụng nh! sắt, đồng nặng, - nhiệt độ chảy biến đổi phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng đ!ợc yêu cầu đa dạng kỹ thuật Ceramic (vật liệu vô cơ) Vật liệu có nguồn gốc vô cơ, hợp chất kim loại, silic với kim (ôxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh Các tí nh chất điển hình vật liệu vô - ceramic là: - rẻ rẻ, - nặng, - dẫn nhiệt dẫn điện (cách nhiệt cách điện), - cứng, giòn, bền nhiệt độ cao, bền hóa học vật liệu kim loại vật liệu hữ u Polyme (vật liệu hữu cơ) Vật liệu phần lớn có nguồn gốc hữu mà thành phần hóa học chủ yếu cacbon, hyđrô kim, có cấu trúc đại phân tử Các tí nh chất điển hình vật liệu hữu - polyme là: - rẻ rẻ, - dẫn nhiệt, dẫn điện kém, - khối l!ợng riêng nhỏ, - nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt nhiệt độ cao, - bền vữ ng hóa học nhiệt độ th!ờng khí quyển; nóng chảy, phân hủy nhiệt độ t!ơng đối thấp Compozit Vật liệu đ!ợc tạo thành kết hợp hai hay ba loại vật liệu kể trên, mang hầu nh! đặc tí nh tốt vật liệu thành phần Ví dụ bêtông cốt thép (vô - kim loại) vừa chịu kéo tốt (nh! thép) lại chịu nén cao (nh! bêtông) Hiện dùng phổ biến compozit hệ kép: kim loại - polyme, kim loại - ceramic, polyme - ceramic với tí nh chất lạ, hấp dẫn Ngoài có nhóm phụ khó ghép vào bốn loại trên: - bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian kim loại ceramic (trong hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau gần với ceramic hơn) - silicon nằm trung gian giữ a vật liệu vô với hữ u cơ, song gần với vật liệu hữu 0.2 Vai trò vật liệu Muốn thực đ!ợc giá trị vật chất phải thông qua sử dụng vật liệu cụ thể, nh! muốn tạo nên máy móc, ôtô, l!ợng phải có kim loại hợp kim, thiết bị, đồ dùng điện tử phải có chất bán dẫn, xây dựng nhà cửa, công trình phải có ximăng thép, đồ dùng hàng ngày th!ờng chất dẻo, máy bay xe đua cần compozit, t!ợng đài th!ờng làm hợp kim đồng - thiếc (bronze) Sự phát triển x# hội loài ng!ời gắn liền với phát triển công cụ sản xuất kỹ thuật mà hai điều đ!ợc định phần lớn nhờ vật liệu X# hội loài ng!ời phát triển qua thời kỳ khác gắn liền với vật liệu để chế tạo công cụ thời tiền sử ng!ời biết dùng công cụ làm vật liệu có sẵn thiên nhiên: gỗ, đá nên suất lao động thấp, không tạo đ!ợc giá trị thặng d! Sau ng!ời ta biết dùng công cụ vật liệu qua chế biến: đồng (đúng hợp kim đồng) đặc biệt sắt (đúng thép) với đặc tí nh học tốt hẳn: cứng hơn, bền mà dẻo dai nên không nhữ ng tạo suất lao động cao lại có tuổi thọ dài hơn, đ# tạo nên đ!ợc đột biến phát triển khoảng 2000 năm đặc biệt 00 ữ 200 năm gần (cần nhớ phân định rạch ròi song x# hội loài ng!ời thời kỳ đồ sắt) Năng l!ợng đóng vai trò định phát triển loài ng!ời, kỹ thuật siêu dẫn thành thực tạo nên b!ớc ngoặt mới, song kỹ thuật có đ!ợc tìm đ!ợc vật liệu siêu dẫn nhiệt độ đủ cao để áp dụ ng thực tế Có thể tìm thấy nhiều ví dụ khác vai trò vật liệu đời sống nh! kỹ thuật Cho đến vật liệu kim loại thực đ# có vai trò định tiến hóa loài ng!ời Kim loại hợp kim chiếm vị trí chủ đạo chế tạo công cụ máy móc th!ờng dùng: công cụ cầm tay, dụ ng cụ, máy công cụ , máy móc nói chung, ôtô, tàu biển, máy bay, vận tải đ!ờng sắt, cầu, tháp, cột, truyền dẫn điện, nhiệt sản xuất vũ khí , đạn d!ợc Nh! vật liệu kim loại có tầm quan trọng hàng đầu sản xuất khí , giao thông vận tải, l!ợng, xây dựng quốc phòng Chất dẻo - polyme từ kỷ đ# trở thành nhóm vật liệu mới, đóng vai trò ngày quan trọng chiếm tỷ lệ ngày cao đời sống hàng ngày nh! thiết bị, máy móc Vật liệu vô - ceramic có lịch sử lâu đời (từ thời kỳ đồ đá) Trong trình phát triển, vật liệu đ!ợc phổ biến cách rộng r#i xây dựng đời sống hàng ngày từ đồ gốm, sứ (chum, vại, bát, đĩa ) đến ximăng bêtông, thủy tinh, vật liệu chịu lử a ceramic kết cấu đại thủy tinh siêu làm cáp quang Vật liệu kết hợp (compozit) đ!ợc phát triển mạnh năm gần đây, đáp ứng đ!ợc yêu cầu cao chế tạo máy mà ba loại vật liệu đ!ợc nh! nhẹ lại bền Chắc chắn phát triển mạnh mẽ loại vật liệu tạo thay đổi quan trọng cho ngành khí 0.3 Đối t!ợng vật liệu học cho ngành khí Máy móc đ!ợc cấu tạo từ nhiều chi tiết đòi hỏi tí nh chất có khác điều quan trọng kỹ s! khí phải biết chọn vật liệu nh! ph!ơng pháp gia công để thỏa m#n cao điều kiện làm việc với giá thành thấp Môn học giúp í ch cho nhữ ng kỹ s! khí t!ơng lai làm đ!ợc việc Vật liệu học trình bày sách có định h!ớng phục vụ riêng cho ngành khí nói chung, đặc biệt cho hai ngành đào tạo then chốt chế tạo máy ôtô, song bao quát đ!ợc nhữ ng nội dung quan trọng vật liệu học; nữ a lại kiến thức có í ch công việc kỹ thuật mà xử lý vật liệu đời sống hàng ngày Quan hệ tổ chức - tí nh chất hay phụ thuộc tí nh chất vật liệu vào cấu trúc nội dung toàn môn học Tổ chức hay cấu trúc xếp thành phần bên Khái niệm tổ chức vật liệu bao gồm tổ chức vĩ mô vi mô Tổ chức vĩ mô gọi tổ chức thô đại (macrostructure) hình thái xếp phần tử lớn với kí ch th!ớc quan sát đ!ợc mắt th!ờng (tới giới hạn khoảng 0,3mm) kí nh lúp (0,0mm) Tổ chức vi mô hình thái xếp phần tử nhỏ, không quan sát đ!ợc mắt hay lúp Nó bao gồm: - Tổ chức tế vi (microstructure) hình thái xếp nhóm nguyên tử hay phân tử với kí ch th!ớc cỡ micromet hay cỡ hạt tinh thể với giúp đỡ kí nh hiển vi quang học hay kí nh hiển vi điện tử Th!ờng gặp tổ chức tế vi quang học cho phép phân ly đ!ợc tới giới hạn cỡ 0,15àm Trong nghiên cứu th!ờng dùng tổ chức tế vi điện tử cho phép phân ly đ!ợc tới giới hạn nhỏ hơn, cỡ chụ c nanômet (0nm) Cơ tí nh vật liệu phụ thuộc nhiều vào tổ chức, tức vào thành phần hóa học mà vào nhóm nguyên tử, phân tử kể mà ta gọi pha theo số l!ợng, hình dạng, kí ch th!ớc phân bố chúng Trong thực tế ng!ời ta th!ờng xuyên sử dụ ng ph!ơng pháp phân tí ch tổ chức tế vi quang học mà tài liệu kỹ thuật đ!ợc gọi đơn giản tổ chức tế vi - Cấu tạo tinh thể hình thái xếp t!ơng tác nguyên tử không gian, dạng khuyết tật mạng tinh thể Để làm đ!ợc việc phải sử dụng tới ph!ơng pháp nhiễu xạ tia rơngen nh! số kỹ thuật khác, điều thực cần thiết nghiên cứu vật liệu Tí nh chất bao gồm tí nh chất: học (cơ tí nh), vật lý (lý tí nh), hóa học (hóa tí nh), công nghệ sử dụ ng Đối với vật liệu kết cấu, đặc biệt vật liệu khí , tí nh có ý nghĩa quan trọng hàng đầu Vì giáo trình mối quan hệ tổ chức - tí nh đ!ợc khảo sát kỹ tiền đề cho việc xác định thành phần hóa học vật liệu nh! chế độ gia công thí ch hợp Ngoài tí nh vật liệu khí đ!ợc quan tâm d!ới khí a cạnh ổn định hóa học khí hay số môi tr!ờng ăn mòn (axit, badơ, muối ) Thỏa m#n - lý - hóa tí nh đề nh!ng ch!a đủ để chuyển hóa vật liệu thành sản phẩm phụ c vụ mụ c đí ch đề ra, mà phải tí nh đến khả gia công - chế biến thành hình dạng định đ!ợc gọi tổng quát tí nh công nghệ Nếu tí nh công nghệ dù vật liệu có !u việt đến đâu khó đ!a vào sử dụng Ví dụ: ng!ời ta đ# tìm đ!ợc số chất siêu dẫn nh!ng bị hạn chế tí nh giòn cao kéo thành dây dẫn đ!ợc Cuối cùng, tí nh sử dụng tổng hợp tiêu: tuổi thọ, độ tin cậy (khả không gây cố) giá thành định khả áp dụ ng vật liệu cho mục đí ch đ# chọn Giáo trình Vật Liệu Học Cơ Sở (cơ khí ) gồm bốn phần chí nh: - Cấu trúc tí nh: trình bày nguyên lý chung mối quan hệ cấu trúc tí nh cho vật liệu nói chung nh!ng có nhấn mạnh cho kim loại gồm cấu trúc tinh thể, tạo pha, tổ chức, biến dạng, phá hủy - Hợp kim biến đổi tổ chức: trình bày tổ chức hợp kim nh! biến đổi pha tổ chức mà dạng điển hình quan trọng nhất, thiết thực nhiệt luyện thép - Vật liệu kim loại: trình bày tổ chức, thành phần hóa học, tí nh, chế độ nhiệt luyện công dụng mác thép, gang, hợp kim màu bột - Vật liệu phi kim loại: trình bày cấu trúc, thành phần hóa học, tí nh, ph!ơng pháp tạo hình công dụ ng ceramic, polyme compozit Sau cùng, cần nhấn mạnh sử dụ ng hợp lý vật liệu nhữ ng mụ c tiêu quan trọng hàng đầu môn học, tách rời tiêu chuẩn hóa nh! ph!ơng pháp kiểm tra, đánh giá Một yêu cầu đề ng!ời học phải đạt đ!ợc khả xác định đ!ợc mác hay ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn Việt Nam n!ớc công nghiệp phát triển 0.4 Các tiêu chuẩn vật liệu Các n!ớc đề quy phạm việc sản xuất, gia công, chế biến, sử dụ ng, bảo quản vật lệu nói chung, đặc biệt cho vật liệu kim loại, sở pháp lý nh! kỹ thuật khâu từ sản xuất, l!u thông sử dụng Trong điều kiện n!ớc ta cần có hiểu biết tiêu chuẩn sau - Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN Về giáo trình đ!ợc biên soạn theo tiêu chuẩn Việt Nam: ký hiệu có tiêu chuẩn cụ thể đ!ợc gọi mác (mark) Tuy nhiên trình độ phát triển thấp đời ch!a lâu nên nhiều lĩnh vực TCVN ch!a đề cập đến, tr!ờng hợp giáo trình dùng từ ký hiệu để m# hóa hợp kim theo cách ký hiệu đ# đ!ợc quy định tổng quát TCVN 759-75 (Kim loại Hợp kim nguyên tắc ký hiệu) Ngoài cần nói thêm TCVN đ# dựa theo nguyên tắc OCT, nên hai tiêu chuẩn có nhiều nét t!ơng đồng - Tiêu chuẩn Liên Xô (cũ) hay tiêu chuẩn Nga (hiện nay) đ!ợc viết tắt OCT, đ# đ!ợc thịnh hành n!ớc ta thời gian tr!ớc quen dùng - Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ phổ biến giới, đặc biệt sách giáo khoa, tạp chí kỹ thuật, tài liệu giao dịch h#ng sản xuất Việc hiểu biết tiêu chuẩn Hoa Kỳ có tác dụng to lớn việc hòa nhập kinh tế với giới Khác với nhiều n!ớc có quan tiêu chuẩn nhà n!ớc ban hành tiêu chuẩn cụ thể, Hoa Kỳ có nhiều tổ chức tiêu chuẩn nh! hệ thống: ASTM (American Society for Testing and Materials), AISI (American Iron and Steel Institute), SAE (Society of Automotive Engineers), AA (Aluminum Association), CDA (Copper Development Association), Trong nhiều tr!ờng hợp với vật liệu dùng hệ thống khác Hoa Kỳ ng!ời ta hay sử dụng hệ thống số (ba xxx hay bốn xxxx chữ số) - nên gọi đánh số - để ký hiệu vật liệu kim loại, đ# có tr!ờng hợp lẫn lộn, gây hiểu nhầm Để tránh điều gần lại xuất hệ thống UNS (Unified Numbering System) với năm chữ số (xxxxx) - Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS thông dụ ng n!ớc Châu đ!ợc biết đến giới - Tiêu chuẩn Châu Âu EN n!ớc Châu Âu: Đức DIN, Pháp NF, Anh BS tiêu chuẩn quan trọng cần biết Trong giáo trình trình bày mác, ký hiệu theo TCVN có kết hợp trình bày mác Nga, Mỹ Nhật (tỉ mỉ mác vật liệu kim loại n!ớc kể n!ớc Châu âu tham khảo Sách tra cứu thép, gang thông dụng tác giả Tr!ờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội in năm 997) Giáo trình đ!ợc trình bày từ giản đơn đến phức tạp, từ vật liệu cổ điển, truyền thống đến loại phát triển Tuy môn học đ!ợc coi kỹ thuật sở với nhữ ng lý thuyết song có tí nh thực tiễn sâu sắc, gắn liền với đời sống thực tế nh! công việc kỹ thuật hàng ngày phải giải kỹ s! khí Do phần nghe giảng lớp sinh viên phải: - Thực thực nghiệm cấu trúc, tí nh chất biến đổi cấu trúc - tí nh phòng thí nghiệm Những thí nghiệm nh! giúp không nhữ ng nắm vữ ng, hiểu sâu đ# học mà giúp nhiều cho công việc kỹ thuật có liên quan sau - Làm tập, trả lời câu hỏi, giải thí ch t!ợng, so sánh vật liệu ph!ơng pháp khác - Do có tí nh thực tiễn cao ng!ời học cần ý liên hệ đến t!ợng th!ờng gặp, tham khảo thêm sách có liên quan để giải tốt vấn đề vật liệu đặt học môn học khác nh! nhiệm vụ kỹ thuật sau 35 mạng để lại nút nguyên tử gọi nút trống Sau rời khỏi nút mạng, nguyên tử chuyển sang vị trí xen kẽ giữ a nút mạng trở thành nguyên tử tự xen kẽ (hay vị trí cân bề mặt) Hình 1.17 Các dạng sai lệch điểm: nút trống nguyên tử tự xen kẽ (a) nguyên tử tạp chất (b) Q KT Mật độ nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm mũ ( e ), nên tăng nhanh theo nhiệt độ có giá trị lớn chảy lỏng Nút trống có ảnh h!ởng lớn đến chế tốc độ khuếch tán kim loại hợp kim trạng thái rắn b Nguyên tử tạp chất Trong thực tế có vật liệu kim loại tuyệt đối (th!ờng đạt 99,99 hay 99,999% cùng) Phụ thuộc vào kí ch th!ớc, nguyên tử lẫn vào (th!ờng gọi tạp chất) thay nguyên tử nút mạng xen nút (khác với loại tự xen kẽ mục.5.a) nh! biểu thị hình .7b Do sai khác đ!ờng kí nh nguyên tử nguyên tố tạp chất nên thay cho làm cho mạng gi#n nở hay co rút lại gây nên sai lệch có dạng bao quanh điểm Còn xen kẽ (hay tự xen kẽ) làm mạng gi#n kí ch th!ớc lỗ hổng nhỏ đ!ờng kí nh nguyên tử Các nguyên tử xung quanh lỗ hổng có khuynh h!ớng xí ch lại gần Trong nhiều tr!ờng hợp ng!ời ta chủ động tạo dạng sai lệch cách đ!a thêm l!ợng đáng kể nguyên tố (cấu tử ) thứ hai vào nh! khảo sát ch!ơng 1.5.2 Sai lệch đ!ờng - Lệch Sai lệch đ!ờng loại có kí ch th!ớc nhỏ (cỡ kí ch th!ớc nguyên tử) theo hai chiều lớn theo chiều thứ ba, tức có dạng đ!ờng (đ!ờng thẳng, cong, xoáy trôn ốc) Sai lệch đ!ờng d#y sai lệch điểm kể trên, song chủ yếu lệch (dislocation) với hai dạng biên xoắn a Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line) Có thể hình dung lệch biên nh! mô hình hình .8a (điều không đồng 36 nghĩa đ!ợc hình thành nh! vậy): chèn thêm bán mặt ABCD vào nử a phần mạng tinh thể lý t!ởng (hình .8a), xuất thêm bán mặt làm cho mặt phẳng nguyên tử khác nằm hai phí a trở nên không hoàn toàn song song với nữ a Nh! thấy rõ hình .8b biểu thị xếp nguyên tử mặt cắt vuông góc với trụ c AD (trong vùng bị xô lệch nhỏ - ữ thông số mạng phạm vi vòng tròn), rõ ràng xô lệch kéo dài theo đ!ờng AD đ!ợc gọi trụ c lệch, chí nh biên bán mặt nên có tên lệch biên Với phân bố nh! nửa tinh thể có chứa bán mặt chịu ứng suất nén, nử a lại chịu ứng suất kéo Hình 1.18 Lệch biên: mô hình tạo thành (a), xếp nguyên tử vùng lệch (b) mô hình không gian (c) b Lệch xoắn (screw dislocation) Có thể hình dung lệch xoắn nh! mô hình tr!ợt dịch hình .9a (điều không đồng nghĩa đ!ợc hình thành nh! vậy): cắt tinh thể lý t!ởng theo bán mặt ABCD tr!ợt dịch hai mép ng!ợc chiều số mạng đ!ờng BC Điều làm cho nguyên tử vùng hẹp giữ a hai đ!ờng AD BC xếp lại có dạng đ!ờng xoắn ốc giống nh! mặt ví t nên lệch có tên lệch xoắn nh! thấy rõ hình .9b biểu thị xếp nguyên tử d!ới bán mặt Sự xô lệch nguyên tử đ!ợc thấy rõ hình .9c Cũng giống nh! đ!ờng AD tâm xô lệch nên đ!ợc gọi trục lệch Hình 1.19 Lệch xoắn: mô hình tạo thành (a), mô hình không gian (b) xếp nguyên tử vùng lệch (c) 37 c Đặc tr!ng hình thái lệch Do xô lệch mạng nên l!ợng tí ch lũy tăng thêm chủ yếu nằm vùng trụ c lệch Để đặc tr!ng cho xô lệch mạng ng!ời ta dùng vectơ Burgers b Vectơ đ!ợc xác định cách vẽ ô vuông mặt tinh thể Trong tinh thể lý t!ởng ô vuông đ!ợc khép kí n (điểm xuất phát gặp điểm kết thúc), song tinh thể có lệch ô vuông không khép kí n, xuất vectơ nối hai điểm đầu, cuối chí nh vectơ Burgers nh! biểu thị hình .8c Mật độ lệch (ký hiệu ) tổng chiều dài trục lệch đơn vị thể tí ch tinh thể, có thứ nguyên cm/cm3 hay cm-2 Rõ ràng mật độ lệch phụ thuộc mạnh vào độ trạng thái gia công Ví dụ , kim loại có giá trị nhỏ (~ 08 cm-2) ứng với độ cao trạng thái ủ; hợp kim trạng thái gia công hóa bền nh! biến dạng nguội, có giá trị lớn (tới 00 ữ 02 cm-2) (có thể hiểu mật độ lệch = 02 hay 08 cm-2 qua cm2 mặt cắt ngang tinh thể có khoảng 02 hay 08 trục lệch chạy qua) Lệch biên có ảnh h!ởng lớn đến trình biến dạng dẻo: nguồn gốc trình tr!ợt (giảm độ bền) song nhiều lại gây cản tr!ợt (tăng bền), đ!ợc giải thí ch ch!ơng sau Ngoài có mặt lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh kết tinh 1.5.3 Sai lệch mặt Sai lệch mặt loại sai lệch có kí ch th!ớc lớn theo hai chiều đo nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng mặt (mặt phẳng, cong hay uốn l!ợn) Các dạng điển hình sai lệch mặt là: - biên giới hạt siêu hạt (sẽ trình bày mục sau), - bề mặt tinh thể 1.6 Đơn tinh thể đa tinh thể 1.6.1 Đơn tinh thể Nếu chất rắn tinh thể khối mạng đồng tức kiểu số mạng nh! ph!ơng không đổi h!ớng toàn thể tí ch đ!ợc gọi đơn tinh thể (hình .20a) Trong thiên nhiên tìm thấy số khoáng vật tồn d!ới dạng đơn tinh thể Chúng có bề mặt nhẵn, hình dáng xác định, mặt phẳng nguyên tử giới hạn (th!ờng mặt xếp chặt nhất) Các đơn tinh thể kim loại không tồn tự nhiên, muốn có phải dùng công nghệ "nuôi" đơn tinh thể Đơn tinh thể có tí nh chất đặc thù dị h!ớng theo ph!ơng mật độ xếp chặt nguyên tử khác nh! đ# trình bày Trong sản xuất khí hầu nh! không sử dụ ng đơn tinh thể, đ!ợc dùng rộng r#i công nghiệp điện tử dạng bán dẫn 1.6.2 Đa tinh thể a Hạt 38 Trong thực tế hầu nh! gặp vật liệu đa tinh thể Đa tinh thể gồm nhiều (đơn) tinh thể nhỏ (cỡ àm) đ!ợc gọi hạt tinh thể hay đơn giản hạt, chúng có cấu trúc thông số mạng song ph!ơng lại định h!ớng khác (mang tí nh ngẫu nhiên) liên kết với qua vùng ranh giới đ!ợc gọi biên hạt (hay biên giới hạt) nh! trình bày hình .20b Từ mô hình thấy rõ: - Mỗi hạt khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, xét mặt hạt thể tí nh dị h!ớng - Các hạt có mạng thông số giống nh!ng có ph!ơng lệch tức tí nh đồng ph!ơng mạng không giữ đ!ợc toàn khối mạng lại thể tí nh đẳng h!ớng (đôi gọi đẳng h!ớng giả phần - hạt thể tí nh dị h!ớng) - Biên hạt chịu ảnh h!ởng quy luật ph!ơng mạng hạt xung quanh nên có cấu trúc hỗn hợp không trì đ!ợc cấu trúc quy luật (tinh thể) mà lại có xếp không trật tự (xô lệch) nh! vô định hình, th!ờng xí t chặt với tí nh chất khác với thân hạt - Có thể thấy rõ cấu trúc đa tinh thể hay hạt qua tổ chức tế vi (ảnh thấy đ!ợc qua kí nh hiển vi, th!ờng quang học) Qua mài phẳng mài nhẵn đến bóng nh! g!ơng, ăn mòn nhẹ, mẫu kim loại đ!ợc đặt vào kí nh hiển vi để quan sát Chùm tia sáng vuông góc tới bề mặt nhẵn (trừ phần lồi lõm) đ!ợc phản xạ trở lại nên ảnh có màu sáng Qua ăn mòn nhẹ (còn gọi tẩm thực) biên hạt bị ăn mòn mạnh hơn, lõm xuống làm tia sáng chiếu tới bị hắt đi, bị tối, nên thấy rõ đ!ờng viền tối nh! hình .20c Thực chất tổ chức tế vi biểu thị cấu trúc mặt cắt ngang qua hạt theo quy luật ngẫu nhiên Hình 1.20 Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b), tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể: đ!ờng tối biên hạt (c), cấu trúc siêu hạt (d) b Độ hạt Ng!ời ta cảm nhận đ!ợc độ lớn hạt hay tinh thể quan sát chỗ vỡ kim loại qua độ xù xì, gợn hạt Nh! sau biết hạt to hay nhỏ 39 ảnh h!ởng lớn đến tí nh nên cần đánh giá chúng mặt định l!ợng Trong nghiên cứu kim loại th!ờng dùng khái niệm độ hạt, biểu diễn kí ch th!ớc (khoảng cách hai mép đối diện, gọi đ!ờng kí nh) trung bình hạt tổ chức tế vi Để xác định độ hạt ng!ời ta hay dùng cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM Các hạt có độ lớn khác đ!ợc phân thành cấp chí nh đánh số từ 00, 0, , , theo trật tự hạt nhỏ dần, tám cấp th!ờng dùng từ đến Gọi Z số hạt có hình vuông tổ chức tế vi với độ phóng đại x00, cạnh khoảng 2,5cm (đó chí nh inch2 6,25cm2) N cấp hạt, chúng có quan hệ Z = 2N- Ng!ời ta th!ờng xác định cấp hạt cách so sánh độ phóng đại (th!ờng x00) giữ a tổ chức tế vi với thang ảnh cấp hạt chuẩn (hình .2) Với cấp thông dụ ng từ đến kí ch th!ớc (đ!ờng kí nh) hạt thay đổi từ cỡ d!ới 300àm đến d!ới 25àm nh! biểu thị bảng .2 Bảng 1.2 Các cấp hạt chuẩn chí nh theo ASTM Cấp Số hạt có inch2 (ở độ phóng đại x00) Số hạt có mm2 thật mẫu Diện tí ch thật hạt, mm2 00 0,25 0,258 0,5 0,29 0,0645 2 32 0,0323 64 0,06 28 0,00807 256 0,00403 32 52 0,00202 64 024 0,00008 28 2048 0,000504 256 4096 0,000252 52 8200 0,00026 024 6400 0,000063 2048 32800 0,000035 4096 65600 0,000058 8200 3200 0,00000788 c Siêu hạt Nếu nh! khối đa tinh thể gồm hạt (kí ch th!ớc hàng chụ c - hàng trăm àm) với ph!ơng mạng lệch góc đáng kể (hàng chụ c độ), đến l!ợt hạt gồm nhiều thể tí ch nhỏ (kí ch th!ớc cỡ 0, ữ 0àm) với ph!ơng mạng lệch góc nhỏ (không -2o) chúng đ!ợc gọi siêu hạt hay 40 block nh! biểu thị hình .20d Nh! biên giới siêu hạt bị xô lệch nh!ng với mức độ thấp có chiều dày nhỏ Hình 1.21 Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100 1.6.3 Textua Hình 1.22 Mô hình textua dây nhôm sau kéo sợi (vectơ v biểu thị h!ớng kéo, trục textua [111]) Nh! đ# biết đa tinh thể ph!ơng mạng hạt định h!ớng ngẫu nhiên song số điều kiện (chủ yếu biến dạng dẻo hay phần kết tinh lại) ph!ơng mạng chúng đ!ợc xếp theo h!ớng !u tiên, tức ph!ơng số hạt lại phân bố song song (tức h!ớng) với tạo nên textua (texture, TCVN 660 - 75 gọi tổ chức định h!ớng) Ví dụ, kéo sợi nhôm với l!ợng biến dạng cao hạt nhôm từ chỗ có ph!ơng mạng phân bố ngẫu nhiên trở nên định h!ớng cho ph!ơng [] tất hạt song song với h!ớng kéo (hình .22) Khi đa tinh thể có textua (hay gọi hạt định h!ớng) vật liệu tí nh đẳng h!ớng mà lại thể tí nh dị h!ớng Cấu trúc textua đ!ợc ứng dụ ng cho thép kỹ thuật điện đ# đem lại hiệu kinh tế lớn 1.7 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại Trong mục tr!ớc đ# khảo sát cấu trúc mạng tinh thể nguyên tố, hợp chất tổ chức (hạt), h#y xem chúng đ!ợc hình thành nh! quy luật chi phối Phần lớn kim loại hợp kim đ!ợc chế tạo (luyện) trạng thái lỏng làm nguội khuôn đúc, tức qua kết tinh, sau qua dạng gia công khác (ví dụ , biến dạng dẻo: cán) để thành bán thành phẩm sản phẩm Nh! kết tinh đ!ợc coi b!ớc khởi tạo hình thành tổ chức: hạt với cấu trúc tinh thể Nghiên cứu trình kết tinh làm sáng tỏ quy luật chi phối tạo thành hạt nhờ tìm biện pháp nhận đ!ợc độ hạt theo ý muốn, nâng cao chất l!ợng vật liệu Hơn quy luật kết tinh (từ trạng thái lỏng) có nhữ ng đặc điểm chung nh! quy luật chuyển pha trạng thái rắn (nhiệt luyện, kết tinh lại ), nên giúp nắm vững trình t!ơng ứng 1.7.1 Điều kiện xảy kết tinh Tr!ớc tiên h#y xét xem kết tinh xảy đ!ợc điều kiện nào? Để trả lời câu hỏi h#y từ trạng thái xuất phát - trạng thái lỏng a Cấu trúc trạng thái lỏng Nh! đ# trình bày mụ c .2.3.a, chất lỏng có trật tự gần (mà trật tự xa) tức có nhóm nguyên tử xếp trật tự, chúng trạng thái cân động tức có khả tồn thời gian ngắn, nhanh chóng tan lại tạo thành chỗ khác Một dạng tồn nh! cho thấy mặt cấu trúc trạng thái lỏng gần trạng thái tinh thể trạng thái khí , điều giúp kết tinh (tạo nên mạng tinh thể hạt) cách dễ dàng b Biến đổi l!ợng kết tinh Sự biến đổi l!ợng định chiều h!ớng chuyển biến (nh! phản ứng hóa học, chuyển pha, kết tinh ) Trong tự nhiên trình tự phát xảy theo chiều h!ớng giảm l!ợng dự trữ Ví dụ , vật có xu h!ớng tự giảm độ cao vị trí thấp có dự trữ l!ợng (thế năng) nhỏ Đối với chuyển trạng thái vậy, động lực thúc đẩy l!ợng dự trữ - chuyển động nguyên tử, phân tử , ion - đ!ợc đặc tr!ng đại l!ợng đ!ợc gọi l!ợng tự F (vì không đo đ!ợc giá trị tuyệt đối nên biểu thị F) Năng l!ợng tự trạng thái phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Hình .23 biểu thị biến đổi F trạng thái lỏng rắn (tinh thể) theo nhiệt độ: - nhiệt độ To > Tso vật thể tồn trạng thái lỏng l!ợng tự trạng thái lỏng nhỏ rắn, Fl < Fr, kết tinh ch!a xảy ra, - nhiệt độ To < Tso vật thể trạng thái tinh thể Fr < Fl Nh! thế, làm nguội qua Tso (tại Fl = Fr) có chuyển trạng thái từ lỏng sang tinh thể, tức xảy kết tinh, nên Tso đ!ợc gọi nhiệt độ kết tinh (hay 42 nóng chảy) nh!ng có tí nh lý thuyết đ!ợc coi nh! đặc tr!ng cho nguyên tố hay đơn chất Sở dĩ nói có tí nh lý thuyết thật điều kiện thông th!ờng, nhiệt độ (To = Tso) làm nguội ch!a xảy kết tinh, nung nóng ch!a xảy nóng chảy hai trạng thái lỏng - rắn cân nhau, tức trì trạng thái ban đầu Vì kết tinh thực tế xảy nhiệt độ thấp nhiệt độ kết tinh (lý thuyết) Ts kể khoảng định để Fr < Fl cách rõ rệt Đó điều kiện để xảy kết tinh Hình 1.23 Sơ đồ biến đổi l!ợng tự F trạng thái rắn, lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ c Độ nguội Ng!ời ta gọi hiệu số giữ a nhiệt độ kết tinh lý thuyết Tso nhiệt độ kết tinh thực tế Tkto độ nguội To: To = Tso - Tkto Vậy phát biểu cách khác điều kiện kể là: kết tinh xảy với độ nguội Đa số kim loại nguyên chất kỹ thuật kết tinh với độ nguội thay đổi từ nhỏ (chỉ ữ 2oC) đến lớn (hàng chục, trăm đến nghìn oC) tùy theo tốc độ làm nguội kết tinh chậm hay nhanh Ví dụ, với kim loại, nhiệt độ kết tinh thực tế khuôn cát cao khuôn kim loại, có nhiệt độ kết tinh thực tế nói chung (cho tr!ờng hợp) Khi làm nguội chậm cách cố ý , kim loại nguyên chất kỹ thuật có nhiệt độ kết tinh thực tế gần với lý thuyết, nhiều tr!ờng hợp bỏ qua sai lệch Cũng với lý luận t!ơng tự cho nung nóng: nóng chảy thực tế xảy nhiệt độ Tcho > Tso, độ chênh lệch chúng đ!ợc gọi độ nung 1.7.2 Hai trình kết tinh nhiệt độ T 05 oC/s cho hợp kim) làm cho n tăng, v lại giảm đi, nhận đ!ợc hạt nhỏ mịn - vi tinh thể (hạt cỡ micromet), siêu vi tinh thể (hạt cỡ nanomet) Còn tăng độ nguội lớn T2o, nguyên tử khuếch tán tạo nên tinh thể mà tạo nên trạng thái thủy tinh, vô định hình Để đạt đ!ợc hiệu ứng sản phẩm tạo phải mảnh, cách phun tạo bột từ pha lỏng, tia băng mỏng đĩa nguội đồng, bốc chân không Ba loại vật liệu có nhữ ng tí nh chất cơ, lý , hóa đa dạng, đ!ợc nghiên cứu o o Biến tí nh (modification) Biến tí nh ph!ơng pháp cho vào kim loại lỏng tr!ớc rót khuôn (th!ờng cho vào thùng rót) l!ợng nhỏ (hầu nh! không ảnh h!ởng đến thành phần hóa học) chất đặc biệt gọi chất biến tí nh có tác dụng làm nhỏ hạt, chí thay đổi hình dạng hạt Cơ chế làm nhỏ hạt chất biến tí nh nh! sau ) Khi hòa tan vào kim loại lỏng kết hợp với tạp chất khí hòa tan để tạo hợp chất khó chảy, không tan, dạng phần tử rắn nhỏ, lơ lử ng, phân tán thể tí ch, chúng giúp cho tạo mầm ký sinh Phần lớn chất biến tí nh tác dụ ng theo chế Ví dụ, cho nhôm vào thép lỏng với l!ợng nhỏ (khoảng vài trăm gam cho thép lỏng) đủ để kết hợp với ôxy, nitơ thành ôxyt (Al2O3), nitrit (AlN) khó chảy tạo nên phần tử rắn nhỏ mịn, phân tán đều, bề mặt để mầm ký sinh phát triển, nhờ tạo hạt nhỏ thể tí ch lớn (khi làm nguội nhanh hiệu đạt đ!ợc lớp bề mặt, lõi kết tinh sau với độ nguội nhỏ có hạt lớn hơn) Biến tí nh hợp kim magiê manhêzit (khoảng % mẻ nấu) cỡ hạt giảm từ 0,2 ữ 0,3mm (cấp ) xuống 0,0 ữ 0,02mm (cấp 8) 2) Khi hòa tan vào kim loại lỏng bị hấp phụ vào bề mặt mầm, làm giảm tốc độ phát triển dài v mầm Ví dụ , đúc hợp kim Al - Si ng!ời ta cho vào hợp kim lỏng l!ợng nhỏ muối natri, hòa tan làm chậm phát triển tinh thể silic, làm chúng nhỏ mịn (xem tổ chức tế vi hình 6.7a b), cải thiện rõ rệt tí nh Số chất biến tí nh tác dụng theo chế không nhiều Ngoài có loại chất biến tí nh có tác dụ ng làm thay đổi hình dạng tinh thể tạo thành nhờ cải thiện mạnh tí nh chất nh! tr!ờng hợp tạo grafit hình cầu gang độ bền cao - loại vật liệu kim loại quan trọng sản xuất khí (xem mụ c 5.6.3) Cuối cần nhấn mạnh điểm mấu chốt chất biến tí nh đ!ợc đ!a vào kim loại lỏng vài phút tr!ớc rót khuôn, sớm (kim loại ch!a kịp kết tinh) phần tử tạo thành lên vào xỉ, chậm lại không kịp phản ứng 1.7.5 Cấu tạo tinh thể thỏi đúc Các sản phẩm đúc th!ờng có hình dạng phức tạp, chọn thỏi đúc loại có dạng đơn giản để khảo sát, lấy làm sở để xác định cho tr!ờng hợp khác a Ba vùng tinh thể thỏi đúc Các thỏi (thép) đúc th!ờng có dạng tròn hay vuông, chúng đ!ợc đúc khuôn kim loại, khuôn đ!ợc làm nguội n!ớc Đối với thỏi thép đúc điển hình (hình .27), từ vào có ba vùng tinh thể lần l!ợt nh! sau 48 Vỏ lớp hạt nhỏ đẳng trục Thoạt tiên kim loại lỏng tiếp xúc với thành khuôn nguội nên đ!ợc kết tinh với T lớn, cộng thêm tác dụ ng tạo mầm bề mặt khuôn nên hạt tạo thành nhỏ mịn Do thành khuôn có độ nhấp nhô (nhờ chất sơn khuôn) nên mầm phát triển theo ph!ơng ngẫu nhiên, trục hạt phát triển theo phí a Vùng lớp hạt t!ơng đối lớn hình trụ kéo dài vuông góc với thành khuôn Sau vỏ đ# kết tinh xong thành khuôn bắt đầu nóng lên, nên kim loại lỏng kết tinh với To ngày nhỏ, hạt tạo thành có khuynh h!ớng ngày lớn Hạt phát triển mạnh theo chiều ng!ợc với chiều tản nhiệt, có ph!ơng vuông góc với thành khuôn ph!ơng thoát nhiệt Kết nhận đ!ợc vùng hạt t!ơng đối lớn kéo dài (hình trụ) theo ph!ơng vuông góc với thành khuôn Hình 1.27 Ba vùng tinh thể thỏi đúc Vùng giữ a vùng hạt lớn đẳng trục Cuối kim loại lỏng giữ a kết tinh thành khuôn đ# nóng lên nhiều, điều dẫn đến hai hiệu ứng: - kim loại lỏng kết tinh với To nhỏ nên hạt trở nên lớn, - ph!ơng tản nhiệt qua thành khuôn không rõ ràng nên hạt lại phát triển theo ph!ơng (đẳng trụ c) Trong ba vùng trên, vùng luôn lớp vỏ mỏng, hai vùng sau có mối t!ơng quan với phụ thuộc vào điều kiện làm nguội khuôn + Khi khuôn đ!ợc làm nguội m#nh liệt vùng lấn át vùng 3, chí có làm hẳn vùng 3, thỏi nh! có vùng tinh thể hình trụ vuông góc với thành khuôn nh! bó đũa (tổ chức đ!ợc gọi xuyên tinh) Tổ chức nh! có mật độ cao song khó biến dạng dẻo, không phù hợp với thỏi cán + Khi khuôn đ!ợc làm nguội chậm vùng lại lấn át vùng 2, thỏi trở nên dễ cán b Các khuyết tật vật đúc Các khuyết tật đúc làm xấu nhiều chất l!ợng vật đúc Có dạng khuyết tật sau 49 Rỗ co lõm co Chúng có nguyên nhân thể tí ch kim loại kết tinh bị co lại nh!ng hình thức thể khác Các lỗ hổng nhỏ nằm giữ a nhánh hay biên hạt tạo nên co kim loại lỏng kết tinh đ!ợc phân bố rải rác khắp vật đúc đ!ợc gọi rỗ co Rỗ co làm giảm mật độ kim loại, làm xấu tí nh vật đúc, song thỏi đ!ợc qua gia công áp lực (biến dạng dẻo) nhiệt độ cao chúng đ!ợc hàn kí n lại nhờ bị bẹp lại trình khuếch tán (do rỗ nằm sâu thỏi ch!a bị ôxy hóa) làm liền kí n, tr!ờng hợp ảnh h!ởng không đáng kể đến tí nh Phần lỗ hổng phần dày thỏi đ!ợc gọi lõm co Đây phần kết tinh sau cùng, thân kim loại lỏng đ# bù co cho phần kết tinh tr!ớc phí a d!ới đến l!ợt kết tinh không đâu kim loại lỏng để bổ xung cho nữ a, tạo lỗ hổng tập trung Phần khuyết lõm co phải đ!ợc cắt bỏ triệt để tỷ lệ thể tí ch sử dụ ng thỏi khoảng 85 đến 95% Trong thực tế thiết kế vật đúc ng!ời ta phải để phần lõm co sản phẩm d!ới dạng đậu ngót Đối với kim loại, hợp kim, l!ợng (tỷ lệ) co kết tinh giá trị cố định (nh! số vật lý) nên thể tí ch lõm co tăng lên tổng thể tí ch rỗ co giảm ng!ợc lại làm đ!ợc dạng khuyết tật chất kim loại Cách tốt để làm dạng khuyết tật nằm sản phẩm đúc đúc liên tục Do phần kim loại kết tinh xong đến đâu đ!ợc kéo khỏi khuôn đến đấy, kết tinh kim loại bị co đến đâu đ!ợc bổ xung kịp thời đến đấy, nên sản phẩm đúc có cấu trúc xí t chặt Ph!ơng pháp đúc đem lại hiệu kinh tế - kỹ thuật cao đúc ống, thỏi thép nhỏ đem cán Rỗ khí Trong điều kiện nấu chảy thông th!ờng, kim loại lỏng có khả hòa tan l!ợng khí đáng kể, sau kết tinh độ hòa tan khí kim loại rắn giảm đột ngột, khí thoát không kịp, bị mắc kẹt lại tạo nên túi rỗng nhỏ (th!ờng thấy đ!ợc mắt th!ờng) đ!ợc gọi rỗ khí hay bọt khí (rỗ khí khí , n!ớc từ thành khuôn - cát, t!ơi - bốc lên, tạo nên bọt th!ờng nằm hay d!ới bề mặt vật đúc) So với rỗ co, rỗ khí th!ờng làm giảm mạnh mật độ tí nh mạnh có kí ch th!ớc lớn Khi rỗ khí phân bố d!ới lớp vỏ thỏi thép nguy hiểm dễ bị ôxy hóa nên bị biến dạng nóng hàn kí n đ!ợc (lớp ôxyt ngăn cản khuếch tán làm liền chỗ bẹp), gây tróc vỏ nứt sử dụ ng Có thể tránh đ!ợc khuyết tật cách khử khí tốt tr!ớc rót khuôn, sấy khô khuôn cát đúc chân không Thiên tí ch (segregation) Là không đồng thành phần tổ chức sản phẩm đúc, xảy hợp kim (khi thành phần phức tạp) mà kim loại tí ch tụ tạp chất Sự không đồng dẫn đến sai khác tí nh chất phần, sử dụ ng hiệu Có nhiều dạng thiên tí ch: theo trọng l!ợng, thân hạt (ch!ơng 3), P, S thép (ch!ơng 5) [...]... các chỉ số (chỉ cần giá trị tuyệt đối) u, v, w giống nhau sẽ có các tí nh chất giống nhau, tạo nên họ ph!ơng Ví dụ họ gồm các ph!ơng sau đây: - [0], [0], [0], - [10 ], [ 01] , [10 ], - [10 ], [ 01] , [ 01] , - [11 0], [ 011 ], [10 1] d Chỉ số Miller của mặt tinh thể Mặt tinh thể là mặt phẳng đ!ợc tạo nên bởi các (í t nhất là ba) nút mạng Có thể coi mạng tinh thể nh! gồm bởi các mặt tinh thể giống hệt... 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 th!ờng 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... độ nên vật liệu có liên kết này có nhiệt độ chảy thấp Do đặc tí nh nh! 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 giữa các nguyên tử không cố định mà hoàn toàn phụ thuộc vào thể tí ch của bình chứa, tức là có thể chịu nén 1. 2.2 Chất... oC /s) sẽ nhận đ!ợc cấu trúc tinh thể nh!ng với kí ch th!ớc 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 (th!ờng 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 th!ờng mang các tí nh chất rất đa dạng... hai ch!ơng, trình bày hai nội dung cơ bản của vật liệu là cấu trúc và cơ tí nh cũng nh! sự phụ thuộc của cơ tí nh vào cấu trúc, đặt cơ sở cho việc nghiên cứu các ph!ơng pháp hóa bền và các vật liệu cơ khí sẽ đ!ợc 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 Ch!ơng 1 cấu trúc tinh thể và sự hình thành Nh! đ# trình bày,... tr!ờng hợp này phân lớp 3d bị thiếu, chỉ có 6, nếu đủ phải là 0 nh! tr!ờng 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 4 Chí nh sự khác nhau của các dạng liên kết đó cũng là nguyên nhân tạo nên cơ tí nh khác nhau giữa các loại vật liệu a Liên kết đồng hóa trị Liên kết này tạo ra khi hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp... tới 7 nguyên tử , song thực tế thuộc về ô này chỉ là nv = 2 đỉnh / 6 + 2 giữ a mặt / 2 + 3 = 6 nguyên tử Hình 1. 12 Ô cơ sở mạng sáu ph!ơng xếp chặt C B A a) b) c) 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 (000) [phải hiểu là mặt gồm ba nguyên... hệ với hai chỉ số đầu h, k (trên các trụ c Ox, Oy) nh! sau: i = - (h + k) H#y thử so sánh hai chỉ số này cho các mặt trong hệ sáu ph!ơng đ!ợc trình bày ở hình .9: mặt chỉ số Miller chỉ số Miller - Bravais BCIH (00) ( 010 ) ABHG (00) ( 010 ) AGLF (0) (10 0) 25 Hình 1. 9 Hệ tọa độ trong hệ sáu ph!ơng và các mặt Rõ ràng là ba mặt trên cùng là ba mặt bên với các tí nh chất hoàn toàn giống nhau phải nằm trong... 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 ph!ơng tâm mặt (a, b, c) và các lỗ hổng (d, e) Cũng giống nh! mạng A2, mạng A cũng có hai loại lỗ hổng hình bốn mặt và hình tám mặt nh! trình bày ở các hình .d và e, song với số l!ợng và kí ch 1 th!ớc hơi khác Loại bốn mặt có kí ch th!ớc 0,225 dng.t nằm ở các đ!ờng chéo 4 khối tí nh từ... này vật liệu nhận đ!ợc 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 h!ớng tức tí nh chất nh! nhau theo mọi ph!ơng Hình 1. 5 Cấu trúc khối tứ diện [ SiO4]4- trong đó mỗi nguyên tử O thuộc về hai khối tứ diện (a), mô hình hai chiều của thủy tinh th!ờng SiO2 (b) và thủy tinh tinh thể SiO2 (c) c Chất rắn vi tinh thể Cũng với vật liệu ... từ Khoa học công nghệ vật liệu (Materials Science and Engineering) để đặt tên cho loại sách Khoa học vật liệu môn học nghiên cứu mối quan hệ tổ chức tí nh chất vật liệu, sở Công nghệ vật liệu. .. ph!ơng Ví dụ họ gồm ph!ơng sau đây: - [0], [0], [0], - [10 ], [ 01] , [10 ], - [10 ], [ 01] , [ 01] , - [11 0], [ 011 ], [10 1] d Chỉ số Miller mặt tinh thể Mặt tinh thể mặt phẳng đ!ợc tạo nên... cứng, giòn, bền nhiệt độ cao, bền hóa học vật liệu kim loại vật liệu hữ u Polyme (vật liệu hữu cơ) Vật liệu phần lớn có nguồn gốc hữu mà thành phần hóa học chủ yếu cacbon, hyđrô kim, có cấu trúc