Vật liệu học i

TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I CHƯƠNG I CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Mục tiêu: Kim loại hợp kim vật liệu đóng vai trò quan trọng hoạt động xã hội đời sống người như: chế tạo vật dụng gia đình, giao thông, chế tạo máy, y tế, quốc phòng…vì chúng vật liệu để chế tạo máy móc, thiết bị, công cụ lao động … Chương trình bày khái niệm kim loại học bao gồm: -Cấc trúc tinh thể kim loại hợp kim -Bản chất trình kết tinh biện pháp làm nhỏ hạt -Hiểu phân tích giản đồ trạng thái Fe-C (bản chất pha, chuyển biến theo giản đồ) I.CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ CỦA KIM LOẠI NGUYÊN CHẤT I.1.Các đặc tính kim loại: Hiện người ta biết 100 nguyên tố hoá học gồm hai loại: kim loại kim, kim loại chiếm tới 3/4 I.1.1: Kim loại có đặc điểm sau: -Kim loại có màu sắc đặc trưng -Dẻo, dể biến dạng: uốn, gập, dát mỏng … -Dẫn điện nhiệt tốt o -Có hệ số nhiệt điện trở dương: ρ t = ρ ( + α t ) ; ( α > ) tức tăng nhiệt độ, điện trở tăng lên, kim hệ số âm Hình 2.1 Ở số trường hợp đặc biệt, Sb (antimony) không biến dạng dẻo dòn; số kim loại dẫn điện kim (Graphit: dạng thù hình C) Có thể giải thích đặc điểm kim loại cấu tạo nguyên tử Trong nguyên tử kim loại số điện tử lớp ít, có từ 1-2 điện tử, chúng liên kết yếu với hạt nhân, dể bứt trở thành điện tử tự làm cho nguyên tử dạng ion dương Điện tử tự không bị ràng buộc nguyên nhân định đặc điểm kim loại: -Khi ánh sáng chiếu vào, điện tử tự nhận lượng, biên độ dao động tăng lên, nhảy khỏi quỹ đạo cân Ở trạng thái điện tử không ổn định, nên trở quỹ đạo giải phóng lượng dạng sóng có bước sóng sóng mà kim loại có màu sắc đặc trưng λ khác Phụ thuộc vào bước -Dòng điện kim loại dòng chuyển dời có hướng điện tử tự điện trường http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I -Kim loại dẫn nhiệt truyền động nguyên tử vùng có nhiệt độ cao cho nguyên tử bên cạnh vùng có nhiệt độ thấp tA tA>tB Hình 2.2 tB Nguyên tử (1) nhận nhiệt, biên độ dao động lớn lên, đập vào (2) truyền động cho nó, biên độ (2) tăng lên đập vào (3) … -Khi nhiệt độ tăng, tần số dao động Ion tăng lên, nên làm tăng cản trở chuyển động có hướng hạt electron tự do, nên điện trở tăng lên Ngược lại với kim loại, kim điện tử tự nên tính dẫn điện kém, nhiệt độ tăng lên số điện tử bị kích động bứt trở thành điện tử tự do, tính dẫn điện tăng lên, điện trở giảm I.1.2: Liên kết kim loại: Trong thực tế khảo sát ta gặp nhiều loại liên kết như: liên kết ion, liên kết đồng hoá trị, liên kết kim loại, liên kết hỗn hợp… Đối với kim loại ion ràng buộc với liên kết kim loại mà chất lực hút tĩnh điện cân phía ion dương điện tử tự bao quanh (Hình 2.3) Hình 2.3 Liên kết kim loại giống liên kết ion (cùng lực hút tĩnh điện điện tích trái dấu phía) Song liên kết kim loại không thay đổi ion thay đổi vị trí cân nhờ kim loại có tính dẻo cao Còn liên kết Ion, bị biến dạng số Ion dịch chuyển khoảng cách, cấu hình bị thay đổi, lực hút biến thành lực đẩy, chất lực liên kết bị thay đổi, tinh thể bị biến đổi (vỡ vụn) Liên kết kim loại cho độ dẻo cao liên kết Ion cho độ dòn cao I.2.Các kiểu mạng tinh thể kim loại thường gặp: I.2.1: Khái niệm vật tinh thể, vật vô định hình -Vật tinh thể: vật thể mà chất điểm xếp có quy luật (có trật tự) +Đặc điểm: vật tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I +Tất kim loại hợp kim vật tinh thể -Vật vô định hình: +Định nghĩa: vật thể mà chất điểm cấu tạo nên xếp trật tự +Đặc điểm: vật vô định hình nhiệt độ nóng chảy xác định +Các vật vô định hình như: thuỷ tinh, chất dẻo, cao su, … I.2.2: Khái niệm mạng tinh thể ™ Định nghĩa mạng tinh thể: mạng tinh thể là mô hình không gian mô tả xếp chất điểm cấu tạo nên vật tinh thể Ví dụ: Các Ion tinh thể muối ăn nằm đỉnh hình lập phương Hình 2.4 -Mạng tinh thể muối ăn Trước sâu vào kiểu mạng tinh thể kim loại thường gặp, ta cần có khái niệm mạng tinh thể a) b) c) Hình 2.5 ™ Một số khái niệm ¾ Mặt tinh thể: + Định nghĩa: mặt phẳng qua số chất điểm mạng tinh thể http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I Hình 2.6 + Đặc điểm: mặt tinh thể song song có tính chất giống ¾ Phương tinh thể: + Định nghĩa: đường thẳng qua số chất điểm mạng tinh thể + Đặc điểm: phương tinh thể song song có tính chất giống Ví dụ phương tinh thể AB, DC ¾ Khối (khối sở): thành phần nhỏ đặc trưng cho mạng tinh thể Nếu xếp khối liên tục theo ba chiều không gian nhận đưọơc toàn mạng tinh thể (A”EFG, A’E’F’G’) Hình 2.7 ¾ Thông số mạng: (a,b,c) đơn vị đo Ao ( α , β , γ )đơn vị đo độ hay Radian http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I Hình 2.8 ¾ Điểm trống: (lỗ hổng) kim loại cấu tạo nguyên tử hình cầu cầu có khoảng trống Hình dạng điểm trống tạo đa diện cong Để dễ nghiên cứu người ta coi kích thước điểm trống cầu nội tiếp khoảng trống Trong thực tế biểu diễn mạng tinh thể khối đủ ¾ Trong hình vẽ, vòng nhỏ biểu diễn vị trí cân (trung tâm) nguyên tử (ion) Vị trí cân (trung tâm) mà nguyên tử, ion dao động xung quanh gọi nút mạng I.2.3 Một số kiểu mạng tinh thể thường gặp: a- Mạng lập phương thể tâm (tâm khối) Hình 2.9 Các kim loại thường có kiểu mạng Feα , Cr, W, Mo, V… -Hình dạng mạng: Ô sở khối lập phương có cạnh a, nguyên tử nằm đỉnh có nguyên tử nằm tâm khối -Số nguyên tử thuộc khối bản, ký hiệu n Nguyên tử nằm đỉnh khối chung với tất khối bản, phần nguyên tử thuộc khối , khối lập phương có đỉnh : http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I x +1=2 (nguyên tử) -Mặt tinh thể có nguyên tử nằm sát mạng lập phương thể tâm mặt chéo khối tạo hai cạnh bên song song đối diện qua tâm Ví dụ mặt BDD’B’ở mặt theo phương đường chéo nguyên tử nằm sát a a BD’= a =2d ⇒ d= ⇒r = -Mật độ khối: phần trăm thể tích nguyên tử chiếm khối n.v Mv = x100% V n: Số nguyên tử khối n= v : Thể tích nguyên tử = a 3 π ( ) Mv: Mật độ khối V: Thể tích khối sở = a3 Mạng lập phương thể tâm có Mv=68% mạng lập thể tâm có 32% khoảng trống -Điểm trống:trong mạng lập phương thể tâm có loại +Điểm trống khối mặt: Hình 2.10 Điểm trống khối mặt • • Vị trí: nằm đường thẳng nối điểm cạnh bên đối diện mặt bên Số lượng: n (4 mặt ) =x.y.z Trong x = phần điểm trống thuộc khối y = số vị trí mặt bên z = số mặt bên ⇒ n = 4.6 = 12 điểm trống • Đường kính điểm trống khối mặt: d tr4 m = 0.221d với d đường kính nguyên tử kim loại + Điểm trống khối mặt: http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM • • • VẬT LIỆU HỌC I Hình 2.11 Vị trí điểm trống: tâm mặt bên điểm cạnh bên Số lượng điểm trống: n (8 mặt) = 6mặt + 12cạnh =6 Đường kính điểm trống: = 0.154d với d đường kính nguyên tử kim loại Ví dụ nhiệt độ thường sắt ( Feα ) có kiểu mạng lập phương thể tâm với thông số d 8m tr o o o a=2,9 A hay Crom (Cr), molipđen (Mo), wonfam (W) là: a=2.884 A , 3.147 A , o 3.165 A b- Mạng lập phương diện tâm: Hình 2.12 -Các kim loại có kiểu mạng là: Feγ , Ni, Al, Cu, Pb… - Mạng có dạng lập phương, nguyên tử nằm đỉnh mặt bên - Các nguyên tử nằm sít trên mặt chéo khối tam giác có cạnh a a - Bán kính nguyên tử r = http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I 1 -Số nguyên tử thuộc khối tính sau: n = 8đỉnh x +6 mặt x ) =4 a 4 .π ( ) n.v % = = 74% -Mật độ khối: Mv = V a -Điểm trống: mạng lập phương diện tâm có hai loại lỗ trống +Điểm trống mặt có kích thước 0.225 dngtử nằm 1/4 đường chéo tính từ đỉnh Hình 2.13 +Điểm trống mặt có kích thước lớn hơn, 0.414 dngtử, nằm trung tâm khối cạnh bên Hình 2.14 o Ví Dụ nhiệt độ cao (>911 C), sắt ( Feγ ), Niken, đồng, nhôm có kiểu mạng lập phương diện o o o o tâm với thông số mạng a= 3.656 A , 3.524 A , 3.615 A , 4.049 A c- Mạng lục giác xếp chặt: Hình 2.15 http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I -Các kim loại có kiểu Zn, Coα , Cd, Mg, Ti… -Các nguyên tử nằm đỉnh, tâm mặt đáy tâm hình lăng trụ tam giác xen kẽ (hình 6) Đầu tiên nguyên tử mặt đáy lục giác xếp sít (1, 2, 3, 4, 5, 6) đến nguyên tử lớp thứ hai (7, 8, 9) khối lăng trụ tam giác xen kẻ Mặt đáy lục giác lại xếp vào khe lõm lớp thứ hai vị trí lớp đáy (1’, 2’, 3’, 4’, 5’, 6’) tức 1, trùng với 1, , − Mật độ khối MV = 74% -Số nguyên tử thuộc khối bản: 1 n=12 (đỉnh) x +2 (mặt) x +3 = (nguyên tử) Kiểu mạng có hai thông số mạng a: cạnh đáy lục giác c: chiều cao lăng trụ Do lớp xếp vào khe lõm nên a c lại có tương quan: c a Tỷ số = 1.633 = c =1.633 trường hợp lý tưởng Trong thực tế kim loại có kiểu mạng có tỷ số a c =1.57-1.64 coi xếp chặt Khi tỷ số nằm khoảng coi a không xếp chặt Ví dụ kim loại xếp chặt Titan (Ti) a=0.2951(nm), c=0.4679 (nm), c =1.5855 (xếp a chặt) Magie (Mg) a=0.3209, c=0.5210, c =1.6235 (xếp chặt) a d- Mạng phương thể tâm: - Là mạng lập phương thể tâm có cạnh kéo dài (c) Hình 2.16 - Các kim loại thường kiểu mạng này, song mạng tinh thể mactenxit, tổ chức quan trọng nhiệt luyện thép (Hình 2.16) c -Mạng phương thể tâm có hai thông số a c, tỷ số goi độ phương a http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I I.3.Tính đa hình (thù hình ): Thù hình hay đa hình tồn kiểu mạng tinh thể khác nguyên tố nhiệt độ áp suất khác Theo chiều tăng dần nhiệt độ, ký hiệu chữ Hylạp: α , β , γ , δ , ε Ví dụ sắt loại có tính thù hình: Hình 2.17 +Có mạng lập phương thể tâm hai khoảng nhiệt độ: 911oC 1539oC Feα từ 1392- Feδ +Có mạng lập phương diện tâm 911-1392oC Feγ +Thay đổi thể tích, nhiệt giảm mạng tinh thể sắt biến đổi từ lập phương diện tâm (4 nguyên tử khối bản) thành mạng thể tâm (một mạng có nguyên tử), thể tích tăng lên gây ứng suất bên làm kim loaị bị biến dạng, nứt vỡ +Thay đổi tính chất: Cacbon có hai dạng thù hình grafit (mạng lục giác) mạng kim cương với tính chất khác hẳn nhau.Trong kim cương vật liệu cứng (tương đương 10600HB), grafit vật liệu mềm (1-2HB) I.4 Đơn tinh thể đa tinh thể -Hạt: I.4.1 Đơn tinh thể: -Trong khối tinh thể có phương mạng không đổi hướng thông số mạng (a, b, c; α , β , γ ) số đơn tinh thể -Nếu cắt đơn tinh thể mặt cắt bất kỳ, mặt cắt phương mạng song song cách hình vẽ Hình 2.18 -Đặc điểm đơn tinh thể có tính dị hướng, tính chất khác theo phương khác -Nguyên nhân: mật độ nguyên tử theo phương khác -Đơn tinh thể cấu trúc thực tế kim loại http://www.ebook.edu.vn 10 TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I CHƯƠNG IV HÓA BỀN BỀ MẶT THÉP Trong chương trình bày phương pháp bề mặt hóa nhiệt luyện thép Cần nắm vững điểm sau: -Bản chất, tác dụng, nguyên lý; ưu nhược điểm, ứng dụng cảm ứng lửa -Bản chất cách tiến hành, ứng dụng thấm Cacbon, Nitơ, Cacbon Nitơ -So sánh phương pháp hóa bền I.Tôi bề mặt: phương pháp hóa bền cho suất cao, áp dụng phổ biến khí I.1.Nguyên ký trung: a.Định nghĩa: Tôi bề mặt phương pháp gồm có nung nóng nhanh bề mặt chi tiết tới nhiệt độ làm nguội với Vng ≥ Vth Hình 5.1-Biểu đồ b.Phân bố nhiệt độ tiến hành bề mặt: TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I Hình 5.2-Biểu đồ phân bố nhiệt độ -Lớp I: to>AC3 vùng hoàn toàn auxtennit nên hoàn toàn -Lớp II: AC3>to>Ac1 vùng có tổ chức F -Lớp III: to0.7%): +Bề mặt: có độ cứng cao (62-64 HRC), chống mài mòn tốt +Lõi: có độ dẻo, dai va đập thấp -Thép Cacbon trung bình (0.3%[...]... lo i rắn giảm i đột ngột, khí thoát ra không kịp, bị mắc kẹt l i tạo nên t i rỗng nhỏ được g i là rỗ khí Thiên tích Là sự không đồng nhất về thành phần hóa học trong thể tích của vật đúc Sự không đồng nhất đó dẫn đến sự sai khác nhau về tính chất giữa các phần, làm giảm i cơ tính của kim lo i III.Hợp kim và giản đồ trạng th i: III.1.Kh i niệm về hợp kim a Định nghĩa: Hợp kim là một lo i vật liệu được... ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I I.4.2 Đa tinh thể-Hạt: Là cấu trúc thực tế của kim lo i Gồm nhiều đơn tinh thể được liên kết bền vững v i nhau Một đơn tinh thể còn g i là một hạt Đa tinh thể là g i là đa hạt -Nếu cắt qua kh i đa tinh thể bằng một mặt cắt bất kỳ, sẽ có giao tuyến của mặt cắt v i mặt ngo i đơn tinh thể là biên gi i hạt và trong từng đơn tinh thể có các phương mạng tinh thể (hình vẽ) Hình 2.19 Đa tinh... hay nhiều dung dịch rắn -Một ha nhiều dung dịch rắn v i một hay nhiều pha trung gian -Trong một số ít trường hợp có thể có thêm hợp chất hóc học III.3 Giản đồ trạng th i hai cấu tử a Kh i niệm về giản đồ trạng th i (GĐTT) -Định nghĩa: Giản đồ trạng th i là một biểu đồ mô tả sự phụ thuộc trạng th i pha của hợp kim vào nhiệt độ và nồng độ Giản đồ trạng th i còn g i là giản đồ pha Giản đồ trạng th i được... kéo d i theo thục AD.Trục AD được g i là trục lệch Lệch xoắn có ý nghĩa to lớn khi kim lo i kết tinh http://www.ebook.edu.vn 12 TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I Hình 2.22 I. 5.3 Sai lệch mặt: Là lo i sai lệch có kích thước theo lớn hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng của một mặt Các dạng i n hình của sai lệch mặt là biên gi i hạt và siêu hạt, bề mặt tinh thể I. 6 Các phương pháp nghiên... trong nghiên cứu kim lo i còn áp dụng nhiều phương pháp: phân tích thành phần hóa học, xác định cơ, lý và các khuyết tật II.Sự kết tinh của kim lo i nguyên chất : Kim lo i lỏng sau khi nấu luyện được rót vào khuôn, nó chuyển từ trạng th i lỏng sang trạng th i rắn có cấu trúc tinh thể và g i là sự kết tinh II.1 i u kiện xảy ra kết tinh: Trước tiên hãy xét xem sự kết tinh xảy ra trong các i u kiện nào?... ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I Các i m trống nhỏ tạo nên do sự co của kim lo i lỏng khi kết tinh được phân bố đều khắp thể tích vật đúc được g i là rỗ co Rỗ co làm giảm mật độ vật đúc, làm xấu cơ tính, khi gia công áp lực ở nhiệt độ cao thì rỗ co được hàn kín l i Rỗ khí Trong i u kiện nấu chảy thông thường, kim lo i có khả năng hòa tan một lượng khí đáng kể, sau khi kết tinh độ hoà tan của khí trong kim lo i rắn... để soi thì có thể phát hiện các khuyết tật kể trên t i kích thước lớn hơn 0.05mm Hai phương này n i chung chỉ cho ta biết những kh i niệm rất sơ bộ mà không i sâu vào bản chất của kim lo i và hợp kim, cho nên cần sử dụng các phương pháp khác hiện đaị hơn c.Tổ chức tế vi: -Được nghiên cứu bằng kính hiển vi kim lo i Độ phóng đ i từ 80-2000 lần Kính hiển vi kim lo i dùng ánh sáng phản xạ vì kim lo i không... -Ở nhiệt độ T< Ts kim lo i tồn t i ở trạng th i rắn vì Fl>Fr -Ở To= T 0 s , Fl=FR vì vậy tồn t i cả lỏng và rắn, ở trạng th i cân bằng động nhiệt độ nhiệt độ kết tinh lý thuyết TSo g i là Vậy sự kết tinh thực tế chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lý o thuyết Ts c Độ quá ngu i: http://www.ebook.edu.vn 14 TRƯỜNG ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I -Ngư i ta g i chênh lệch giữa nhiệt độ kết tinh... VẬT LIỆU HỌC I Hình 2.42 Hợp kim Đồng –Niken( Cu-Ni) có giản đồ lo i này Nhận xét: Các dung dịch rắn tạo thành trong các giai đoạn khác nhau có thành phần chênh lệch nhau, gây ra sự sai khác về thành phần trong m i hạt được g i là thiên tích vùng b3.Giản đồ pha hai cấu tử hoà tan có hạn vào nhau không tạo nên pha trung gian (giản đồ lo i III) Hình 2.43 Hệ có kiểu i n hình là hệ Chì-Thiếc (Pb-Sn) Giản... tồn t i ở trạng th i cân bằng động -Trong kim lo i luôn có i n tử tự do b i u kiện năng lượng cho quá trình kết tinh: Quy luật của tự nhiên là m i vật đều có xu thế tồn t i ổn định hơn ở trạng th i có năng lượng dự trữ thấp hơn Sự biến đ i năng lượng quyết định chiều hướng của m i chuyển biến (như phản ứng hóa học, kết tinh, biến đ i pha…).Trong tự nhiên m i qúa trình tự phát đều xãy ra theo chiều ... gặp nhiều lo i liên kết như: liên kết ion, liên kết đồng hoá trị, liên kết kim lo i, liên kết hỗn hợp… Đ i v i kim lo i ion ràng buộc v i liên kết kim lo i mà chất lực hút tĩnh i n cân phía ion... Liên kết kim lo i cho độ dẻo cao liên kết Ion cho độ dòn cao I. 2.Các kiểu mạng tinh thể kim lo i thường gặp: I. 2.1: Kh i niệm vật tinh thể, vật vô định hình -Vật tinh thể: vật thể mà chất i m... ĐHSPKT.TPHCM VẬT LIỆU HỌC I I.4.2 Đa tinh thể-Hạt: Là cấu trúc thực tế kim lo i Gồm nhiều đơn tinh thể liên kết bền vững v i Một đơn tinh thể g i hạt Đa tinh thể g i đa hạt -Nếu cắt qua kh i đa tinh thể