Giáo trình môn vật liệu học

Vật liệu theo cách hiểu phổ biến là những vật rắn mà con người dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v...

LỜI MỞ ĐẦU

Trong lịch sử phát triển của x ã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng c àng ngày càng cao hơn Đ ầu tiên là thời kỳ

đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt.v v Cho đến ng ày nay là một loạt các loại vật

liệu mới như: composit, ceramit, pôlyme v.v Các lo ại vật liệu này (đặc biệt là kim loại & hợp

kim, cùng với các loại vật liệu mới) đ ã góp phần thúc đẩy sự phát triển của x ã hộ loài người một cách nhanh chóng.

Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc ph òng, đời sống đòi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau Ví dụ: khi th ì cần có tính dẫn điện rẩt cao để dùng trong ngành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để l àm các loại dụng cụ cắt gọt kim loại, khi lại cần có độ bền lớn để l àm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải có tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nh ưng khối lượng riêng nhỏ để dùng trong công nghiệp hàng không Tất cả các yêu cầu này đều có thể được đáp ứng bởi vật liệu kim loại cũng như các loại vật liệu mới.

Môn vật liệu học sẽ trang bị cho sinh vi ên những kiến thức cơ bản của các loại vật liệu chính: tinh thể, các hợp kim, bán dẫn v à ion, cộng hóa trị cũng nh ư kiến thức về xử lý nhiệt của chúng Mục đích của m ôn học này giúp cho sinh viên hi ểu rõ các loại vật liệu khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa cấu trúc (li ên kết hóa học, kiểu mạng tinh thể) và cơ lý tính, thực hành được các thí nghiệm cơ bản để xác định cơ tính của vật liệu và biết lựa chọn vật liệu phù hợp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng sau n ày Khi nghiên cứu một vật liệu bất kỳ chúng ta đều dựa vào bốn cực cơ bản sau đây: Kết cấu của cấu trúc, các tính chất, sự tổng hợp các phương pháp gia công và hi ệu quả sử dụng của nó Một sản phẩm có thể gồm hàng chục loại vật liệu khác nhau tạo nên Ví dụ ô tô RENAULT

CLIO 1,2 RN của Pháp cần mười một loại vật liệu:

1- Thép tấm 40,9% 2-Thép hình 10,9%

2- Gang 11,3% 4-Hợp kim nhôm 4,2%

5- Các kim loại màu khác 3,9%

6- Chất dẻo 10,2% 7-Chất dẻo đàn hồi 3,4%

8- Vật liệu hữu cơ khác 3,4%

9- Thủy tinh 4,2% 10-Sơn 1,7%

11- Chất lỏng 5,9%

Yêu cầu của một cán bộ kỹ thuật, ngo ài khả năng hiểu biết về chuyên môn sâu của ngành

học, còn phải nắm được những tính chất cơ bản của các loại vật liệu để từ đó có thể sử dụng một cách hợp lý nhất nhằm nâng cao tuổi thọ của máy móc, công trình, hạ giá thành sản phẩm Môn học này kế thừa kiến thức của khá nhiều các lĩnh vực khác nhau: tinh thể học, cơ lượng tử, vật lý tia rơn ghen, ăn mòn và bảo vệ kim loại do đó khối lượng kiến thức khá lớn

và có nhiều mặt Vì vậy đòi hỏi người học phải nắm vững các kiến thức c ơ bản về vật liệu và thực hành nghiêm túc các thí nghi ệm Khi nghiên cứu môn học này phải nắm chắc mối quan

hệ giữa thành phần hóa học, cấu trúc v à tính chất của vật liệu Bất kỳ sự thay đổi nào của thành phần hóa học và cấu trúc sẽ dẫn tới sự biến đổi của tính chất vật liệu.

MỤC LỤC

TỔNG QUAN 7

CHƯƠNG 1 13

CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH 13

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử 13

1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn 13

1.2.1 Chất khí 14

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể 15

1.3.1 Tính đối xứng 15

1.3.2 Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt tinh thể 16

1.3.3 Mật độ nguyên tử 17

1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 18

1.4.1 Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguy ên chất) 18

1.4.2 Chất rắn có liên kết đồng hóa trị 20

1.4.3 Chất rắn có liên kết ion 21

1.4.4 Cấu trúc của polyme 21

1.4.5 Dạng thù hình 22

1.5 Sai lệch mạng tinh thể 22

1.5.1 Sai lệch điểm 22

1.5.3 Sai lệch mặt 24

1.6 Đơn tinh thể và đa tinh thể 24

1.6.1 Đơn tinh thể 24

1.6.2 Đa tinh thể 24

1.6.3 Textua 26

1.7 Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại 26

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh 26

1.7.2 Hai quá trình của sự kết tinh 26

1.7.3 Sự hình thành hạt 27

1.7.4 Các phương pháp t ạo hạt nhỏ khi đúc 28

1.7.5 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc 28

CHƯƠNG 2 31

BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH 31

2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy 31

2.1.1 Khái niệm 31

2.1.2 Trượt đơn tinh thể 32

2.1.3 Trượt đa tinh thể: 33

2.1.4 Phá hủy 34

2.2.3 Độ dai và đập: 38

2.2.4 Độ dai phá hủy biến dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), K IC 38

2.2.5 Độ cứng 40

2.3 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng 41

2.3.1 Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo 41

2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng 41

2.3.3 Biến dạng nóng 42

2.4 Ăn mòn và bảo vệ kim loại: 42

2.4.1 Phân loại: Theo cơ chế xảy ra ăn mòn: 43

2.4.2 Cơ chế của quá trình ăn mòn kim loại: 43

2.4.5 Chống ăn mòn kim loại 45

PHẦN II 47

HỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC 47

CHƯƠNG 3 47

HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA 47

3.1 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM 47

3.1.1 Khái niệm về hợp kim 47

3.1.2 DUNG DỊCH RẮN 48

3.2 GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ HAI CẤU TỬ 50

3.2.2 Quy tắc đòn bẩy 51

3.2.3 Giản đồ loại I 51

3.2.4 Giản đồ loại II 52

3.2.5 Giản đồ loại III 52

3.2.6 Giản đồ loại IV 53

3.2.7 Các giản đồ pha với các phản ứng khác 53

3.2.8 Quan hệ giữa dạng giản đồ pha v à tính chất của hợp kim 54

3.3 GIẢN ĐỒ PHA Fe – C (Fe - Fe3C) 55

3.3.1 Tương tác giữa Fe và C 55

CHƯƠNG 4 60

NHIỆT LUYỆN THÉP 60

4.1 KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP 60

4.1.1 Sơ lược về nhiệt luyện thép 60

4.2 CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP 61

4.2.1 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit 61

4.2.2 Mục đích của giữ nhiệt 62

4.2.3 Các chuyển biến khi làm nguội 62

4.2.4 Chuyển biến của austenit khi l àm nguội nhanh - Chuyển biến mactenxit (khi tôi) 64 4.2.5 Chuyển biến khi nung nóng thép đ ã tôi (khi ram) 65

4.3 Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP 66

4.3.1 Ủ thép 66

4.3.2 Thường hóa thép 67

4.4 TÔI THÉP 68

4.4.1 Định nghĩa và mục đích 68

4.4.2 Chọn nhiệt độ tôi thép 68

4.4.3 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 69

4.4.4 Các phương pháp tôi th ể tích và công dụng Các môi trường tôi 70

4.5.RAM THÉP 73

4.5.1 Mục đích và định nghĩa 73

4.5.2 Các phương pháp ram thép cacbon 73

4.6 CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP 74

4.6.1 Biến dạng và nứt 74

4.6.2 Ôxy hóa và thoát cacbon 75

4.6.3 Độ cứng không đạt: 75

4.6.4 Tính giòn cao 75

4.6.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt 75

4.7 HOÁ BỀN BỀ MẶT 76

4.7.1 Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) 76

4.7.2 Hóa - nhiệt luyện 77

PHẦN III 82

VẬT LIỆU KIM LOẠI 82

CHƯƠNG 5 82

THÉP VÀ GANG 82

5.1 KHÁI NIỆM VỀ THÉP CACBON V À HỢP KIM 82

5.1.1 Thép cacbon 82

5.1.2 Thép hợp kim 85

Trong kỹ thuật dùng ngày càng nhiều thép hợp kim vào các mục đích quan trọng 85

5.2 THÉP XÂY DỰNG 91

5.2.1 Đặc điểm chung - phân loại 91

5.2.2 Thép thông dụng 91

5.2.3 Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel) 92

5.2.4 Thép làm cốt bêtông 92

5.2.5 Các thép khác 93

5.3 THÉP CHẾ TẠO MÁY (Thép kết cấu) 93

5.3.1 Các yêu cầu chung 93

5.3.2 Thép thấm cacbon 93

5.3.3 Thép hóa tốt 95

5.3.4 Các chi tiết máy điển hình bằng thép 97

5.3.5 Thép đàn hồi 97

5.3.6 Các thép kết cấu có công dụng riêng 99

5.4 Thép dụng cụ 100

5.4.1 Các yêu cầu chung 100

5.4.2 Thép làm dụng cụ cắt 101

5.4.3 Thép làm dụng cụ đo 105

5.5 Thép hợp kim đặc biệt (có tính chất vật lý - hóa học đặc biệt) 108

5.5.1 Đặc điểm chung và phân loại 108

5.5.2 Thép không gỉ 108

5.5.3 Thép bền nóng (Heat - Resistant Steel) 110

5.5.4 Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dưới tải trọng và đập (thép Hadfield) 111 5.6 GANG 111

5.6.2 Gang xám 112

5.6.3 Gang cầu 113

5.6.4 Gang dẻo 114

CHƯƠNG 6 116

HỢP KIM MÀU VÀ BỘT 116

6.1 Hợp kim nhôm (Al) 116

6.1.1 Nhôm nguyên chất và phân loại hợp kim nhôm 116

6.1.2 Nhôm và hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền đ ược bằng nhiệt luyện 117

6.1.3 Hợp kim Al biến dạng hóa bền đ ược bằng nhiệt luyện 118

6.1.4 Hợp kim Al đúc 119

6.2 Hợp kim đồng 119

6.2.1 Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng 119

6.2.2 Latông (đồng thau, Pháp - laiton, Anh - brass, Nga - латунь) 120

6.2.3 Brông: 120

6.2.4 Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni 121

6.3 Hợp kim ổ trượt 121

6.3.1 Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trượt 121

6.3.2 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp 122

6.3.3 Hợp kim nhôm 122

6.3.4 Các hợp kim khác 122

6.4 Hợp kim bột 123

6.4.1 Khái niệm chung 123

6.4.2 Vật liệu cắt và mài 124

6.4.3 Vật liệu kết cấu 127

6.4.4 Hợp kim xốp và thấm 127

PHẦN 4 VẬT LIỆU KHÁC 128

CHƯƠNG 7 128

VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC 128

7.1 Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của ceramic 128

7.2 Các vật liệu vô cơ điển hình 129

7.2.1 Gốm và vật liệu chịu lửa 129

7.2.2 Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh 130

7.2.3 Ximăng 131

7.2.4 Bêtông 133

7.2.5 Bêtông cốt thép 133

CHƯƠNG 8 134

VẬT LIỆU HỮU CƠ 134

8.1 Đặc điểm của vật liệu hữu c ơ 135

8.1.1 Hình thành vật liệu polyme 135

8.1.2 Phân tử Polyme 137

8.1.3 Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử 137

8.1.4 Mức độ kết tinh của Polyme và tính chất cơ học 138

8.2 Các polyme thông d ụng và ứng dụng 138

8.2.1 Chất dẻo: Sản lượng cao nhất hiện nay 138

8.2.2 Cao su (Elastome) 139

8.2.3 Sợi polyme 139

8.2.4 Màng 139

8.2.5 Chất dẻo xốp (foarms) 140

CHƯƠNG 9 141

COMPOZIT 141

9.1 Khái niệm về compozit 141

9.1.1 Quy luật kết hợp 141

9.1.2 Đặc điểm và phân loại 141

9.1.3 Liên kết nền - cốt 141

9.2 Compozit cốt hạt 142

9.2.1 Compozit hạt thô 142

9.2.2 Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán) 142

9.3 Compozit cốt sợi 142

9.3.1 Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi 143

9.3.2 Compozit cốt sợi liên tục song song 144

9.3.3 Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng h àng 145

9.3.4 Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn 146

CHƯƠNG 10 147

LỰA CHỌN VÀ SỬ DỤNG HỢP LÝ VẬT LIỆU 147

1.1.NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU 147

1.2.1.Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu 147

1.2.2.Những tính chất cơ bản của vật liệu 147

1.3 Lựa chon vật liệu 156

1.3.1 Yêu cầu về tính năng sử dụng 156

PHỤ LỤC 1 158

TỔNG QUAN TIÊU CHUẨN VẬT LIỆU KIM LOẠI 158

1.1.Tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Standard Organisation) 158

1.2.Các tiêu chuẩn Nga, Trung Quốc và Việt Nam 159

1.2.1.Tiêu chuẩn Nga OCT : 159

1.2.2.Tiêu chuẩn Trung Quôc GB : 159

1.2.3.Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN : 160

1.3.Tiêu chuẩn Mỹ : 160

1.4.Tiêu chuẩn Nhật : 161

1.5.Các điểm chú ý vê ký hiệu và đơn vị đo : 161

1.5.1 Các bội số và ước số : 161

1.5.2 Ký hiệu về độ bền : 162

1.5.3.Các ký hiệu độ dẻo và độ dai : 162

TIÊU CHUẨN KÝ HIỆU VẬT LIỆU KIM LOẠI 163

2.1.Ký hiệu gang : 163

2.1.1.Gang xám : 163

2.1.2.Gang dẻo : 164

2.1.3.Gang cầu 165

2.2.Ký hiệu thép : 166

2.2.1.Thép các bon thông d ụng (thép các bon chất l ượng thường) 166

2.2.2.Thép kêt cầu : 168

2.2.3.Thép dụng cụ : 170

2.2.4.Thép, hợp kim chuyên dùng và đặc biệt : 171

2.2.5.Kim loại màu và hợp kim mau thông dụng : 174

PHỤ LỤC 4 181

THÀNH PHẦN HÓA HÓA HỌC CỦA CÁC MÁC KIM LO ẠI 181

TỔNG QUAN

1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU

1.1.1 Khái niệm chung

Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất l à những vật rắn mà con người dùng để chế tạo racác máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v… trong các ng ành công nghiệp, nông nghiệp, giao thôngvận tải, trong xây dựng các công tr ình, nhà cửa hay thay thế các bộ phận c ơ thể con ngườihoặc để thể hiện các ý đồ nghệ thuật, v.v

Vật liệu học là một khoa học ứng dụng về quan hệ giữa th ành phần, cấu tạo và tính chấtcủa vật liệu, nhằm giải quyết những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhất, li ên quan đến việc tiếtkiệm vật liệu, giảm khối l ượng thiết bị máy móc và dụng cụ, nâng cao độ chính xác, độ tincậy và khả năng làm việc của các chi tiết máy và dụng cụ

Cơ sở lý thuyết của vật liệu học là các phần tương ứng của vật lý và hóa học nhưng về cơbản thì khoa học về vật liệu được phát triển bằng con đ ường thực nghiệm Việc đ ưa ra nhữngphương pháp thực nghiệm mới để nghi ên cứu cấu tạo (cấu trúc) và các tính chất cơ, lý của vậtliệu sẽ tạo điều kiện để môn vật liệu học tiếp tục phát triển

Nghiên cứu các tính chất vật lý nh ư mật độ, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, v.v… hay c ơ tínhnhư độ bền, độ dẻo, độ cứng, môđun đ àn hồi, hoặc tính công nghệ nh ư độ chảy loãng, khảnăng gia công cắt gọt, và các tính năng làm vi ệc như tính chống ăn mòn, tính chống màimòn và mỏi, tính dòn lạnh, tính bền nhiệt, của vật liệu sẽ cho phép xác định lĩnh vực ứngdụng hợp lý các vật liệu khác nhau, tuy nhi ên có tính đến các đòi hỏi của tính kinh tế

Tóm lại, vật liệu học là môn khoa học phục vụ cho sự phát triển v à sử dụng vật liệu, trên

cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp ngàymột tốt hơn Nó liên quan trực tiếp đến tất cả những ng ười làm việc trong lĩnh vực chế tạo, giacông và sử dụng vật liệu

1.1.2 Phân loại vật liệu

Dựa theo các tính chất đặc tr ưng, người ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính l à vật liệu kimloại, vật liệu vô cơ - ceramíc và vật liệu hữu cơ - polyme Tuy nhiên những năm gần đây đãxuất hiện một nhóm vật liệu quan trọng thứ t ư đó là vật liệu kết hợp - vật liệu compozít

1.1.3 Vật liệu kim loại

Thành phần chủ yếu là hợp kim gồm: KL+ á kim hoặc KL khác

Là những vật thể dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với m àu sắc đặc trưng, khôngcho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, r èn, ép)

Có độ bền cơ học, nhưng kém bền vững hóa học, trừ nhôm (Al), các kim loại thông dụngkhác như: Fe, Cu, đều khá nặng, nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến caonên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật

Ðặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại l à sự sắp xếp trật tự của các nguy ên tử để tạothành mạng tinh thể với độ xếp chặt cao v à liên kết với nhau nhờ khí điện tử tự do

Trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật v à trong một số điều kiện chúng cóthể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự thuộc dạng vô định h ình Vật liệu kim loạiđược chia làm hai nhóm lớn:

 Kim loại và hợp kim sắt là những vật liệu mà trong thành phần chủ yếu có nguyên tốsắt Thuộc nhóm này chủ yếu là thép và gang

 Kim loại và hợp kim không sắt là loại vật liệu mà trong thành phần của chúng khôngchứa hoặc chứa rất ít sắt Thí dụ nh ư đồng, nhôm, kẽm, niken và các loại hợp kim của chúng.Nhóm này còn có tên gọi là kim loại và hợp kim màu

1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc

Là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim: thành phần cấu tạo của vật liệu vô c ơ - ceramícchủ yếu là các hợp chất giữa kim loại nh ư Mg, Al, Si, Ti, và các phi kim dư ới dạng cácôxýt, cácbít, hay nitrít, v ới liên kết bền vững kiểu ion ho ặc kiểu đồng hóa trị có sắp xếp trật

tự để tạo thành mạng tinh thể hoặc có sắp xếp không trật tự nh ư trạng thái thủy tinh hay vôđịnh hình

Tên gọi ceramíc được bắt nguồn từ tiếng Hylạp "keramikos" có nghĩa l à "vật nung" nên

khi chế tạo vật liệu loại này thường phải qua nung nóng, thi êu kết

Các vật liệu vô cơ - ceramíc truyền thống có thể kể đến l à: gốm và vật liệu chịu lửa, thủytinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông

Ngày nay, nhiều loại vật liệu vô cơ - ceramíc mới tìm thấy có những tính năng rất quí nh ưnhẹ, chịu nhiệt tốt, rất bền vững hóa học v à có tính chống mài mòn tốt được ứng dụng ngàycàng nhiều trong công nghiệp điện, điện tử v à hàng không vũ trụ

1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme

Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu là C, H và các á kim, có cấu trúcphân tử lớn

- Nhẹ, dẫn nhiệt, dẫn điện kém

- Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt khi nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấp

- Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển

Vật liệu hữu cơ – polyme bao gồm các chất hữu cơ chứa các bon có cấu trúc đa phân tửvới hai nguyên tố thành phần chủ yếu là các bon và hydrô có th ể chứa thêm ôxy, clo, nitơ,

liên kết với nhau trong các mạch phân tử kích th ước lớn sắp xếp trật tự được gọi trạng thái tinh thể hoặc không trật tự – trạng thái vô định hình Tuy nhiên chúng có th ể có cấu trúc hỗn

hợp vừa tinh thể vừa vô định h ình

Ngoài các vật liệu hữu cơ tự nhiên như cao su, xenlulo v.v ra ph ần lớn vật liệu hữu cơđược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống là các polyme tổng hợp,chúng là sản phẩm của quá trình trùng hợp (polyme hóa) các phân tử đ ơn (monome) và do đó

tùy theo nguồn gốc chất trùng hợp, chúng có các tên gọi khác nhau như polyetylen (PE), polypropylen (PP) hay polystyren (PS), v.v.

1.1.2.4 Vật liệu kết hợp – compozit

Là loại vật liệu được kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với tính chất đặctrưng khác hẳn nhau,mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần Ví dụ: bê

tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt và bêtông (là vật liệu vô cơ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông cốt thép là loại vật liệu kết cấu vừachịu kéo và vừa chịu nén tốt.

Sự kết hợp giữa kim loại với polyme, giữa polyme với ceramíc, giữa ceramíc với kim loại,v.v… là cơ sở để chế tạo các loại vật liệu kết hợp -compozít với những tính năng khác nhauphục vụ tốt trong các ngành công nghiệp và sản xuất cơ khí nói chung Một số vật liệu kết hợp

- compozít được ứng dụng trong ngành hàng không rất có hiệu quả như sợi thủy tinh độ bềncao và sợi các bon

Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa đ ược nêu trên còn có các nhóm v ật liệu khác có tínhnăng và thành phần rất riêng biệt như:

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

- Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU

Lịch sử phát triển khoa học vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển của lo ài người, có thểchia ra làm 3 giai đoạn lớn sau:

1.2.1 Giai đoạn tiền sử của loài người

Từ hàng ngàn, hàng vạn năm trước công nguyên con người nguyên thủy đã biết sử dụngcông cụ lao động để duy trì và phát triển cộng đồng, ngày đó họ đã biết sử dụng các vật liệu

có sẵn trong tự nhiên như:

 Vật liệu vô cơ là đất sét, đá, và các loại khoáng vật v.v.

 Vật liệu hữu cơ như da, sợi thực vật, gỗ, tre v.v.

 Vật liệu kim loại như vàng, bạc, đồng tự nhiên và sắt thiên thạch v.v.

Kim loại

Compozít

Hữu cơ polyme

Vô cơ ceramíc33

3

1

2

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu v à quan hệ giữa chúng.

1 Bán dẫn; 2 Siêu dẫn; 3 Silicon; 4 Polyme dẫn điện.

Trong giai đoạn này, các vật liệu được sử dụng đa phần ở dạng nguy ên thủy, không quachế biến Các vật dụng được chế tạo chủ yếu bằng các cắt, m ài, đập hay nghiền v.v Tại thời

kỳ này riêng người Ai Cập cổ, người Babylon, người La Mã và người Trung Quốc đã biết chếtạo ra gạch để xây cất bằng cách ph ơi khô đất sét ngoài nắng

1.2.2 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm.

Phải trải qua một thời gian rất lâu, nghĩa l à sau hàng nghìn năm để tích lũy các quan sátngẫu nhiên và các kinh nghiệm, thực hiện các thí nghiệm một cách rời rạc v à mò mẫm, conngười thời trước Công nguyên cũng đã tạo ra được nhiều sự kiện quan trọng về lĩnh vực vậtliệu Có thể kể ra đây vài ví dụ:

Trước Công nguyên khoảng 6.000 năm, người ta đã biết luyện đồng từ quặng để chế tạo ranhững công cụ lao động và vũ khí Những cục xỉ đồng với tuổi 8.500 năm, m à người ta pháthiện được ở cao nguyên Anotolia Thổ Nhĩ Kỳ đã nói lên sự xuất hiện rất sớm nghề luyệnđồng từ quặng trên trái đất của chúng ta

Sắt thép cũng xuất hiện khá sớm Vào khoảng thế kỷ 15 trước Công nguyên người ta đãbiết sử dụng công cụ bằng thép v à sau đó khoảng 4 thế kỷ, người Hy Lạp và La Mã đã biết sửdụng phương pháp nhiệt luyện tôi thép để làm tăng độ cứng cho thép Kỹ thuật n ày đạt được

đỉnh cao vào thời trung cổ với các thanh kiếm nổi tiếng nh ư Damascus (Syrie) cho đến ngày

nay vẫn còn là một bí mật về công nghệ Các nh à khảo cổ học khi khai quật ở Ninevia - kinh

đô của đồ sứ cổ Assiria trong cung điện vua Sargon đệ nhị thế kỷ thứ VIII tr ước Công nguyên

đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt nh ư mũ sắt, lưỡi cưa và cáccông cụ rèn v.v

Một kỳ tích về công nghệ luyện kim của nhân loại cổ x ưa đã được tìm thấy như cây cột trụbằng sắt nổi tiếng của Ấn độ gần nh ư nguyên chất (nó chứa tới 99,72% sắt) nặng tới 6,5 tấn, caohơn 7m được xây dựng từ năm 415 để tưởng niệm vị vua Chanđragupta đệ nhị Những l ò luyệnsắt đầu tiên có ở Trung Quốc và Ai cập từng xuất hiện từ hơn 3.000 năm trước Công nguyên.Vào cuối thế kỷ thứ XVIII kỹ thuật chế tạo thép với qui mô lớn đã xuất hiện, mà nhờ đó conngười đã sử dụng phổ biến để chế tạo ra các máy h ơi nước, tầu thủy, xây dựng cầu cống, nh à cửa

và đường sắt v.v… Một công trình bằng thép đồ sộ phải kể đến tháp Effen tại thủ đô Pari củaPháp Tháp này nặng 7.341 tấn và cao tới 320 m được xây dựng xong năm 1889 không những l àniềm tự hào và là biều tượng văn minh của nước Pháp mà còn là một kỳ quan của thế giới

Ngoài sự phát triển mạnh của những vật liệu kim loại đ ã nêu trên, vật liệu vô cơ cũng đã

có những bước tiến rất sớm Từ thế kỷ XV tr ước Công nguyên, ở Ai Cập, Babylon và La Mãngười ta đã biết sử dụng hỗn hợp đá nghiền với vôi tôi rồi tới đầu thế kỷ XIX xi măng portlan

đã xuất hiện ở Anh, Mỹ, Nga và sau đó kỹ thuật đúc bê tông cốt thép sử dụng trong xây dựng

đã xuất hiện ở Mỹ vào năm 1875 và ngày nay lo ại vật liệu này ngày càng được sử dụng rộngrãi trong các công trình xây d ựng cầu đường, nhà cửa v.v

1.2.3 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thức khoa học

Người ta đã đi sâu tìm hiểu bản chất của vật liệu, tìm hiểu nguyên nhân của sự hình thànhcác tính chất khác nhau của chúng Chính nhờ những kiến thức khoa học đó m à con người đãđánh giá được định tính chiều hướng phát triển của vật liệu v à định hướng các công nghệ chếtạo vật liệu với những tính chất mong muốn

Có thể kể ra đây một vài bước tiến nổi bật về công nghệ vật liệu:

 Năm 1930 công nghệ chế tạo hợp kim nhôm cứng có t ên Ðuara (duaralumin) xuất hiện

nhờ quá trình hóa già biến cứng

 Năm 1940 công nghệ chế tạo chất dẻo polyme ra đời nhờ quá trình trùng hợp

 Năm 1955 công nghệ chế tạo bán dẫn bằng kỹ thuật tinh luyện v à tạo lớp chuyển tiếp

 Năm 1965 một loạt vật liệu mới ra đời nh ư thép xây dựng vi hợp kim hóa, thép kết cấu

độ bền cao và đặc biệt là sự xuất hiện vật liệu kết hợp compozít.

 Năm 1975 chế tạo vật liệu nhớ hình

 Năm 1980 chế tạo thành công kim loại thủy tinh v.v…

Bất kỳ một sáng tạo nào của con người cũng đều phải sử dụng vật liệu, đều phải khaithác các đặc tính khác nhau của vật liệu

Các sự kiện nổi bật:

 Cột thép New Dehli, 6,5 tấn khoảng TK 5 SCN, không gỉ?

 Luyện thép ở quy mô CN  TK 19 tạo ra tháp Eiffel cao 320m, nặng 7341 tấn

 Bê tông cốt thép, năm 1875 (Hoa kỳ), gốm Việt nam Trung hoa rất lâu đời

 Sử dụng vi tính máy tính  công nghệ cao với nền kinh tế tri thức ?

 Cơ khí (vật liệu kim loại)  máy tính cơ học (vài chục phép tính/phút)

 Đèn điện tử  máy tính điện tử MИHCK22 (vài trăm phép tính/phút)

 Bán dẫn (vi xử lý) (90 - 130)MHz  200MHz (P)  (330 - 400)MHz (PII)  (400-700)MHz (PIII), PIV  1GHz, ?

 Máy hút bụi: gỗ (hộp) kim loại (trụ) polyme (cầu) công suất gấp 10, kích thước 1/3

Xu hướng phát triển của vật liệu :

Ôtô (Mỹ) 1978: thép (60)%, polyme (10-20)%, HK Al (3-5)%, VL khác còn lại

1993: thép (50-60)%, polyme (10-20)%, HK Al (5-10)%, VL khác còn lại

Polyme, compozit xu hướng tăng, kim loại giảm nhưng vẫn quan trọng nhất

Tuy nhiên còn có rất nhiều loại vật liệu hiện c òn đang trong quá trình nghiên cứu tại cácphòng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng r ãi vào thực tế trong tương lai

1.3 Nội dung môn học

Gồm bốn phần chính

- Cấu trúc và cơ tính: quan hệ giữa cấu trúc và cơ tính có nhấn mạnh hơn cho kim loạigồm cấu trúc tinh thể, tạo pha, tổ chức, biến dạng, phá hủy

- Hợp kim và biến đổi tổ chức: cấu trúc của hợp kim, chuyển pha  nhiệt luyện

- Vật liệu kim loại: tổ chức, thành phần hóa học, cơ tính, nhiệt luyện và công dụng

- Vật liệu phi kim loại: cấu trúc, thành phần, cơ tính, tạo hình và công dụng

Lựa chọn & Sử dụng hợp lý vật liệu: đảm bảo các chỉ tiêu cơ, lý, hoá tính, tính côngnghệ đồng thời rẻ, nhẹ và bảo vệ môi trường  CMS (Cambridge Materials Selector).Quan hệ tổ chức - tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của vật liệu vào cấu trúc là nộidung cơ bản của toàn bộ môn học

Tổ chức hay cấu trúc là sự sắp xếp của các thành phần bên trong bao gồm tổ chức vĩ

mô và vi mô của vật liệu

Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắp xếp của cácphần tử lớn, quan sát được bằng mắt thường (0,3mm) hoặc bằng kính lúp (0,01mm)

Tổ chức vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát được bằng mắthay lúp Bao gồm 2 loại:

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

tử (pha) với kích thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể (mm) với sự giúp đỡ củakính hiển vi quang học (0,15mm) hay kính hiển vi điện tử (10nm)

- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử trong khônggian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể  tia X và phương tiện khác

Tính chất bao gồm: cơ tính, vật lý tính, hóa tính, tính công nghệ & sử dụng

Các tiêu chuẩn vật liệu

- Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN

- Tiêu chuẩn Nga ΓOCT

- Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ:

ASTM (American Society for Testing and Materials),

AISI (American Iron and Steel Institute),

SAE (Society of Automotive Engineers),

CDA (Copper Development Association),

UNS (Unified Numbering System)

- Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS

- Tiêu chuẩn Châu Âu EN

- Đức DIN, Pháp NF, Anh BS cũng là các tiêu chuẩn quan trọng cần biết

PHẦN I CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU

CHƯƠNG 1 CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử

Cấu tạo nguyên tử: Nguyên tử = hạt nhân + electron = (proton + n ơtron) + electron

Nơtron không mang đi ện, Proton mang điện d ương = điện tích của electronnguyên tửtrung hoà

Cấu hình electron (electron configuration) ch ỉ rõ: số lượng tử chính (1, 2, 3 ), ký hiệuphân lớp (s, p, d ), số lượng electron thuộc phân lớp (số mũ tr ên ký hiệu phân lớp)

Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu h ình electron là 1s22s22p63s23p63d104s1qua đó biết được sốelectron ngoài cùng (ở đây là 1, hóa trị 1)

Các kim loại chuyển tiếp: Fe có Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2

1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn

Các loại vật liệu khác nhau có thể tồn tại các dạng li ên kết riêng Sự khác nhau của cácdạng liên kết đó cũng là nguyên nhân tạo nên các tính chất khác nhau

1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị

Là liên kết của hai (hoặc nhiều) nguy ên tử góp chung nhau một số electron hóa trị để có

đủ tám electron ở lớp ngo ài cùng Có thể lấy ba ví dụ như sau (hình 1.1)

 Clo có Z=17 (1s22s22p63s23p5), có 7e ở lớp ngoài cùng, 2 nguyên tử Cl mỗi nguyên tửgóp chung 1 electron đ ể lớp ngoài cùng 8e (hình 1.1a)

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hóa trị

a:phân tử clo; b: giecmani (Ge); c: m êtan (CH4)

 Giecmani (Ge, z=32) có 4e l ớp ngoài cùng (4s2, 4p2), 4 nguyên t ử góp chung (hình1.1b) Liên kết giữa các nguyên tử cùng loại (từ IVB VIIB như Cl, Ge) là loại đồng cực, còngiữa các nguyên tố khác loại như CH4 là loại dị cực

 Mê tan (CH4) Cacbon (z=6), có 4e l ớp ngoài cùng và 4 nguyên tử H để mỗi nguyên tửnày góp cho nó 1 electron làm cho lớp electron ngoài cùng đủ 8 (hình 1.1c)

1.1.2.2 Liên kết ion

Kim loại nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e các nguy ên tố: VIB (O, S ),VIIB (H, F, Cl, Br, I) Các ô xit kim lo ại như Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO có xu thếmạnh với tạo liên kết ion

 Liên kết ion càng mạnh khi lớp ngoài cùng (cho) chứa ít e, nhận nằm càng gần hạt nhân.

 Liên kết không định hướng (định hướng thì xác suất liên kết lớn nhất theo phương nốitâm các nguyên tử), vật liệu có liên kết ion thì tính giòn cao

1.1.2.3 Liên kết kim loại (hình 1.3)

Định nghĩa: là liên kết trong đó các cation kim loại nhấn ch ìm trong đám mây electron tự do Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) các ion kim loại có vị trí xác định Các

nguyên tố nhóm Ia có tính kim loại điển h ình, càng dịch sang bên phải tính chất kim loại cànggiảm, tính đồng hóa trị trong li ên kết càng tăng

Tính chất của kim loại: liên kết này tạo cho kim loại các tính chất điển h ình: Ánh kim hay

vẻ sáng, dẫn nhiệt và dẫn điện tốt và tính dẻo, dai cao

1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp

Thực ra các liên kết trong các chất, vật liệu thông dụng th ường mang tính hỗn hợp củanhiều loại Ví dụ : Na và Cl có tính âm điện lần lượt là 0,9 và 3,0 Vì thế liên kết giữa Na và

Cl trong NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị

1.1.2.5 Liên kết yếu (Van der Waals)

Do sự khác nhau về tính âm điện tạo th ành và phân tử

phân cực Các cực trái dấu hút nhau tạo ra li ên kết Van der

Waals Liên kết này yếu, rất dễ bị phá vỡ khi tăng nhiệt độ

Trong phạm vi hẹp (khoảng 0,25nm) các nguy ên tử chất lỏng có xu thế tiếp xúc (xít) nhau

Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết ion trong phân tử Hình 1.3 Sơ đồ liên kết kim loại

Hình 1.4 Sơ đồ mạng tinh thể

tạo thành các đám nhỏ, do vậy không co lại khi nén nh ư chất khí, các đám nguyên tử này luônhình thành và tan rã Chất lỏng chỉ có trật tự gần, không có trật tự xa.

Giữa các đám có khoảng trống do đó mật độ xếp của chất lỏng thấp, khi đôn g đặc thườngkèm theo giảm thể tích (co ngót)

1.2.3.2 Chất rắn vô định hình

Ở một số chất, trạng thái lỏng có độ sệt cao, các nguy ên tử không đủ độ linh hoạt để sắpxếp lại khi đông đặc; chất rắn tạo th ành có cấu trúc giống như chất lỏng trước đó gọi là chấtrắn vô định hình Thủy tinh (mà cấu tạo cơ bản là SiO2) là chất rắn vô định hình

Như vậy về mặt cấu trúc, các chất rắn gồm 2 loại: tinh thể v à vô định hình Kim loại, hợpkim và phần lớn các chất vô cơ, rất nhiều polyme - tinh thể

Tuỳ theo bản chất của vật liệu và tốc độ làm nguội khi đông đặc  tinh thể hoặc vô định hình.Thủy tinh nóng chảy, các phân tử SiO2 [trong đó ion O2 - ở các đỉnh khối tứ diện (bốnmặt) tam giác đều, tâm của khối l à ion Si4+ như biểu thị ở hình 1.5a] làm nguội bình thường

vô định hình (hình 1.5b); làm ngu ội vô cùng chậm các phân tử SiO2 có đủ thời gian sắpxếp lại theo trật tự xa sẽ đ ược thủy tinh (có cấu trúc) tinh thể (h ình 1.5c)

Hình 1.5 Cấu trúc khối tứ diện [ SiO4]

4-(a), thủy tinh thường SiO2 (b) thủy tinh tinh thể SiO2 (c)

1.2.3.3 Chất rắn vi tinh thể

Cũng với vật liệu tinh thể kể tr ên khi làm nguội từ trạng thái lỏng rất nhanh (tr ên dưới

104độ/s) sẽ nhận được cấu trúc tinh thể nh ưng với kích thước hạt rất nhỏ (cỡ nm), đó là vậtliệu 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 ường gặp nhất), vô định h ình và vi tinhthể (ít gặp)

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể

Định nghĩa:

Mạng tinh thể là mô hình không gian biểu diễn quy luật hình học của sự sắp xếp nguyên tử.Phần lớn vật liệu có cấu trúc tinh thể, tính chất rất đa dạng phụ thuộc v ào kiểu mạng

1.3.1 Tính đối xứng

Mạng tinh thể mang tính đối xứng, l à một trong những đặc điểm quan trọng, thể hiện cả

ở hình dáng bên ngoài, cấu trúc bên trong cũ ng như các tính chất của vật rắn tinh thể

Tính đối xứng là tính chất hình học khi quay một điểm hay một phần tử xung quanh 1điểm hay một đường với một góc a chúng sẽ tr ùng lặp nhau Điểm hay đường được quayxung quanh đó được gọi là tâm hay trục đối xứng Đối xứng qua mặt phẳng đ ược gọi là đối

xứng gương Gọi n = 2p/a là bậc đối xứng, chỉ có n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hiệu L 1, L2, L3, L4, L6.

1.3.2 Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt tinh thể

1.3.2.1 Ô cơ sở

 Đ/n: là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp nguy ên tử đại

diện cho toàn bộ mạng tinh thể

 Do tính đối xứng bằng phương pháp xoay và tịnh tiến ta sẽ

suy ra toàn bộ mạng tinh thể

Thông số mạng (hằng số mạng) là kích thước của ô cơ sở,

thường là kích thước các cạnh của ô cơ sở từ đó có thể xác định

toàn bộ kích thước của ô cơ sở (hình 1.6)

1.3.2.2 Nút mạng

Nút mạng tương ứng với vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể

1.3.2.3 Chỉ số phương

Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng, đ ược ký hiệu bằng [u v w]; Ba chỉ số u, v, w là

ba số nguyên tỷ lệ thuận với tọa độ của nút mạng nằm tr ên phương đó ở gần gốc tọa độ nhất.Chú ý: Phương và mặt tinh thể có kích thước vô hạn

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

Đường chéo khối [111], đ ường chéo mặt [110], đường chéo cạnh [100]

Các phương có các giá trị tuyệt đối u, v, w giống nhau, tạo n ên họ phương <uvw>

Ví dụ họ <110> gồm các phương sau đây chúng có cùng quy lu ật sắp xếp nguyên tử: [110],[011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [01 1], [101] (các đư ờng chéo)

Hình 1.7 Các phương điển hình của

hệ lập phương

Hình 1.8 Các mặt điển hình của

hệ lập phương

Hình 1.6 Ô cơ sở và hệ tọa độ

Mặ t Chỉ số Miller Chỉ số Miller - Bravais

1.3.2.4 Chỉ số Miller của mặt tinh thể

Mặt tinh thể là tập hợp các mặt có cách sắp xếp nguy ên tử giống hệt nhau, song song v àcách đều nhau, chúng 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 trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz,

 Xác định tọa độ các giao điểm, rồi lấy các giá trị nghịch đảo,

 Quy đồng mẫu số, lấy các giá trị của tử số, đó chính l à các chỉ số h, k, l

Ví dụ , xác định các chỉ số Miller cho các mặt:

Mặt Điểm cắt các

trục

Nghịchđảo

1.3.2.5 Chỉ số Miller - Bravàis trong hệ lục giác

Chỉ số Miller Bravàis với hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (h ình 1.9) Chỉ số Miller Bravàis được ký hiệu bằng (h k i l), trong đó chỉ số thứ ba i của trục Ou) có quan hệ: i = - (h + k)Hãy thử so sánh hai chỉ số này cho các mặt trong hệ lục giác được trình bày ở hình 1.10

-Cách ký hiệu theo Miller - Bravàis thể hiện được các

Trong đó: - l, s, v lần lượt là chiều dài, diện tích, thể tích bị nguyên tử (ion) chiếm chỗ

- L, S, V lần lượt là tổng chiều dài, diện tích, thể tích xem xét

Hình 1.9 Sơ đồ ký hiệu mặt

tinh thể theo chỉ số M iller

Hình 1.10 Hệ tọa độ trong

hệ lục giác v à các m ặt

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 tính cấu trúc của kim loại l à: nguyên tử (ion) luôn có xu hướng xếp xít chặt với kiểumạng đơn giản (như lập phương tâm mặt, lập phương tâm khối, lục giác xếp chặt)

1.4.1.1 Lập phương tâm khối A2

Ô cơ sở là hình lập phương, cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và tâm khối(hình 1.10a, b và c) Số lượng nguyên tử cho mỗi ô: nv = 8 đỉnh 1/8 + 1 giữa = 2 nguyên tử

Hình 1.10 Ô cơ sở mạng lập phương tâm khối (a, b),

các lỗ hổng (c) và cách xếp các mặt tinh thể {100} và {110} (d)Thường dùng cách vẽ tượng trưng (hình c) Nguyên tử nằm xít nhau theo phương <111>, do đó:

Các mặt tinh thể xếp dày đặc nhất là họ {110} Mật độ xếp thể tích Mv= 68% Có hai loại

lỗ hổng: hình 4 mặt và hình 8 mặt như trình bày ở hình d Loại 8 mặt có kích thước bằng0,154 dng.tu nằm ở tâm các mặt bên {100} và giữa các cạnh a Loại 4 mặt có kích thước lớnhơn một chút, bằng 0,291 dnguyên tử nằm ở 1/4 trên cạnh nối điểm giữa các c ạnh đối diện củacác mặt bên Như vậy trong mạng A2 có nhiều lỗ hổng nh ưng kích thước đều nhỏ, lớn nhấtcũng không quá 30% kích th ước (đường kính) nguyên tử

Các kim loại có kiểu mạng A1 thường gặp là: Fea, Cr, Mo, W

Mạng chính phương tâm khối chỉ khác mạng A2 ở a = bc

+Trong mạng A1, các nguyên tử xếp xít nhau theo phương đường chéo mặt <110>, do đó:

+Các mặt tinh thể dày đặc nhất là họ {111} Mật độ xếp thể tích M v =74%, mạng A1 này

là kiểu xếp dày đặc hơn A2 và là một trong hai kiểu xếp dày đặc nhất

Có 2 loại lỗ hổng hình 4 mặt và hình 8 mặt như trình bày ở các hình 1.11c Loại bốn mặt

có kích thước 0,225 dng.t(đỉnh 1 và tâm ba mặt 2,3,4) Đáng chú ý l à loại lỗ hổng hình támmặt, nó có kích thước lớn hơn cả, bằng 0,414dng.t, nằm ở trung tâm khối và giữa các cạnh a

So với mạng A2, mạng A1 tuy d ày đặc hơn song số lượng lỗ hổng lại ít hơn mà kích thước lỗhổng lại lớn hơn hẳn (0,225 và 0,41 so với 0,154 và 0,291) Chính điều này (kích thước lỗhổng) mới là yếu tố quyết định cho sự h òa tan dưới dạng xen kẽ

Khá nhiều kim loại điển hình có kiểu mạng này: sắt (Feg), Ni, Cu, Al với hằng số a mạnglần lượt bằng 0,3656, 0,3s524, 0,3615, 0,4049nm; ngo ài ra còn có Pb, Ag, Au

Hình 1.12 Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt (a,b,c) v à cách xếp các mặt tinh thể {0001}(d)Tuy nhiên trong thực tế c/a có xê dịch nên quy ước:

c/a = 1,57 1,64 thì mạng được coi là xếp chặt, 1,57 < c/a < 1,64 không xếp chặt

Các kim loại có kiểu mạng này ít thông dụng hơn là:

4 nguyên tử bao quanh gần nhất

Hình 1.14 ô cơ sở của mạng tinh thể kim c ương (a), vị trí các nguyên tử (b) và liên kết (c)

Ô cơ sở mạng kim cương (hình 1.14a), được tạo thành trên cơ sở của ô cơ sở A1 có thêmbốn nguyên tử bên trong với các tọa độ (xem hình 1.14b): 1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2);1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4) n ằm ở tâm của bốn khối 1/8 cách đều nhau

Các nguyên tử cacbon đều có liên kết đồng hóa trị với năng lượng lớn nên kim cương có

độ cứng rất cao (cao nhất trong thang độ cứng)

1.4.2.2 Mạng grafit

Có mạng lục giác lớp (hình 1.15a), trong một lớp khoảng cách giữa các nguy ên tửa=0,246nm, liên kết đồng hoá trị Khoảng cách giữa các lớp c = 0,671nm, tương ứng với liênkết yếu Vàn der Waals, grafit rất dễ bị tách lớp, rất mềm, nó đ ược coi như là một trong nhữngchất rắn có độ cứng thấp nhất

1.4.2.3 Cấu trúc của sợi cacbon v à fullerene

Phân tử cacbon C60 gọi là fullerene do hai nhà khoa h ọc H Kroto (Anh) và R Smalley(Mỹ ) tạo ra 1985 (Nobel năm 1995) (h ình 1.15c): 60 nguyên t ử C nằm trên mặt cầu gồm 12ngũ giác và 20 lục giác đều, nằm xen kẽ nhau tạo đối xứng tr òn, ứng với độ bền và độ cứngrất cao của nó chắc chắn hứa hẹn sẽ có những ứn g dụng kỳ lạ trong kỹ thuật

Sợi cacbon được trình bày ở hình 1.15b

1.4.2.4 Cấu trúc của SiO 2

Hình 1.5a, là mô hình sắp xếp không của các khối tứ diện tam giác đều SiO44- của SiO2.Thạch anh với cấu trúc lục giác (h ình 1.16a), cristobalit  với cấu trúc lập phương (hình

1.16b) Trong điều kiện nguội nhanh sẽ nhận đ ược thủy tinh (vô định h ình) như ở hình 1.5b

Hình 1.16 Sắp xếp khối tứ diện (SiO 4)4- trong thạch anh (a), cristobalit b (b)

1.4.3 Chất rắn có liên kết ion

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

- Tỷ số của ion âm và ion dương đảm bảo trung hòa về điện

- Tương quan kích thước giữa ion âm và ion dương: trong tinh thể ion, các ion luôn có xuhướng sắp xếp để độ xếp chặt v à tính đối xứng cao nhất

Mạng tinh thể của hợp chất với li ên kết ion vẫn có các kiểu mạng đ ơn giản (A1, A2)nhưng sự phân bố các ion trong đó khá phức tạp n ên vẫn được coi là có mạng phức tạp

Có thể hình dung mạng tinh thể các hợp chất hóa học với li ên kết ion được tạo thành trên

cơ sở của ô cơ sở của ion âm, các ion d ương còn lại chiếm một phần hay to àn bộ các lỗ hổng

Tỉ mỉ về cấu trúc của chất rắn có li ên kết ion được trình bày ở chữơng7

1.4.4 Cấu trúc của polyme

Ví dụ PE (C2H4)n:

Khác với kim loại và các chất

vô cơ, ô cơ sở chỉ tạo nên bởi số

lượng hạn chế (từ vài đến vài

chục) nguyên tử (ion), mỗi phân

tử polyme có thể gồm h àng triệu

nguyên tử

Mạch kín Bẻ liên kết kép Tạo mạch thẳng

Các phân tử (mạch) polyme được liên kết Vàn der Waals với nhau (liên kết yếu) Một sốvùng các mạch sắp xếp có trật tự tạo n ên cấu trúc tinh thể, phần c òn lại là vô định hình.

1.4.5 Dạng thù hình

Thù hình hay đa hình là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau củacùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học, mỗi cấu trúc khác biệt đó đ ược gọi là dạng thùhình: ký hiệu,,,, Quá trình thay đổi từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khácđược gọi là chuyển biến thù hình Các yếu tố dẫn đến chuyển biến th ù hình thường gặp hơn cả

là nhiệt độ, sau đó là áp suất

Cacbon ngoài dạng vô định hình còn tồn tại: các dạng thù hình (các hình 1.13, 1.14): kimcương (A4), grafit (A9), s ợi cacbon (cấu trúc lớp cuộn), fullerene (cấu trúc mặt cầu C60) trong

đó, grafit là dạng thường gặp và ổn đinh nhất

Sắt (Fe) có hai kiểu mạng l à: Fe-A2, T < 911oC, Fe-A1, T= 911 1392oC, FeT>1392oC -1539oC; tính chất khác

Chuyển biến thù hình bao giờ cũng đi kèm với sự thay đổi về thể tích (nở h ay co) và cơtính Ví dụ: khi nung nóng sắt qua 911oC sắt lại co lại đột ngột (do tăng mật độ xếp từ 68 l ên74% khi chuyển từ Fe  Fe) và hoàn toàn ngược lại khi làm nguội (điều này hơi trái vớiquan niệm thường gặp là nung nóng thì nở ra, còn làm nguội thì co lại) rèn khuôn?

1.5 Sai lệch mạng tinh thể

Trong thực tế không phải 100% nguy ên tử đều nằm đúng vị trí quy định, gây n ên nhữngsai lệch được gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng Tuy số nguy ên tử nằm lệch vịtrí quy định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 12%) song ảnh hưởng lớn đến cơ tính: khả năng biếndạng dẻo, biến cứng )

Phụ thuộc vào kích thước theo ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia th ành: điểm,đường và mặt

1.5.1 Sai lệch điểm

Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo ba chiều khônggian, có dạng bao quanh một điểm H ình 1.17 trình bày tổng quát các dạng sai lệch điểm n ày

1.5.1.1 Nút trống và nguyên tử tự xen kẽ (Hình 1.17a)

Do dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng, ở mức phân bố năng l ượng không đều, một sốnguyên tử bứt khỏi nút mạng để lại nút trống v à tạo nguyên tử xen kẽ giữa

Hình 1.17 Các dạng sai lệch điểm: nút trống v à nguyên tử tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b).

Mật độ của nút trống tăng nhanh theo nhiệt độ (n=eQ/KT), khi sắp chảy lỏng nmax

Nút trống có ảnh hưởng lớn đến cơ chế và tốc độ khuếch tán của kim loại v à hợp kim ởtrạng thái rắn

1.5.1.2 Nguyên tử tạp chất

Trong thực tế vật liệu hoặc kim loại th ường có tạp chất: xen kẽ (hình 1.17b)

Do sự sai khác về đường kính nguyên tử giữa các nguyên tố nền và tạp chất sai lệch

1.5.2 Sai lệch đường - Lệch

Sai lệch đường là loại có kích thước nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo hai chiều và lớntheo chiều thứ ba, tức có dạng của một đ ường (có thể là thẳng, cong, xoáy trôn ốc) Sai lệchđường có thể là một dãy các sai lệch điểm kể trên Chúng gồm: hai dạng là biên và xoắn

1.5.2.1 Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line) (hình 1.18a)

Có thể hình dung lệch biên được tạo thành nhờ chèn thêm bán mặt ABCD vào nửa phầntrên của mạng tinh thể lý tưởng (hình 1.18a), khi đó, các mặt nguyên tử khác ở hai phía trởnên không còn song song v ới nhau

Hình 1.18 Lệch biên: tinh thể không lệch (a), mô hình tạo thành (b), sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c)

Như thấy rõ ở hình 1.18b: đường AD được gọi là trục lệch, nó chính là biên của bán mặtnên có tên là lệch biên Với sự phân bố như vậy nửa tinh thể có chứa bán mặt sẽ chịu ứng suấtnén, nửa còn lại chịu ứng suất kéo

Véc tơ Burgers: là véc tơ đóng kín v òng tròn Burgers vẽ trên mặt phẳng vuông góc vớitrục lệch khi chuyển từ tinh thể không lệch sang tinh thể có lệch Lệch thẳng b  AL

1.5.2.3 Lệch xoắn (screw dislocation) (h ình 1.19a)

Hình 1.19 Lệch xoắn: tinh thể không lệch (a), mô h ình tạo thành (a),

đặc điểm sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c)

Các nguyên tử trong vùng hẹp giữa hai đường AD và BC sắp xếp lại có dạng đường xoắn

ốc giống như mặt vít nên lệch có tên là lệch xoắn như thấy rõ ở hình 1.19c

Véc tơ Burgers song song v ới trục lệch AD=L

1.5.2.4 Đặc trưng về hình thái của lệch

Mật độ lệch (ký hiệu là  ) là tổng chiều dài trục lệch trong một đơn vị thể tích của tinh

3 2

thái gia công Ví dụ, đối với kim loại có giá trị nhỏ nhất (~ 108 cm-2) ứng với độ sạch cao vàtrạng thái ủ; hợp kim và kim loại sau biến dạng nguội, tôi  tới 1010 1012cm-2) (có thểcoi mật độ lệch là trục lệch chạy qua/1 cm2).

Ý nghĩa: lệch biên giúp cho dễ biến dạng (trượt), khi mật độ quá lớn lại gây cản tr ượt (tăng

bền) Ngoài ra, lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh

là những mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường là các mặt xếp chặt nhất) Các đ ơn tinh thểkim loại không tồn tại trong tự nhi ên, muốn có phải dùng công nghệ "nuôi" đơn tinh thể.Đặc điểm: có tính chất rất đặc th ù là dị hướng vì theo các phương mật độ xếp chặtnguyên tử khác nhau Đơn tinh thể chỉ được dùng trong bán dẫn

1.6.2 Đa tinh thể

1.6.2.1 Hạt

Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể Đa ti nh thể gồm rất nhiều (đơn)tinh thể nhỏ (cỡm) được gọi là hạt tinh thể, các hạt có c ùng cấu trúc và thông số mạng songphương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu nhi ên) và liên kết với nhau qua vùng ranhgiới được gọi là biên hạt (hay biên giới hạt) như trình bày ở hình 1.20b

Từ mô hình đó thấy rõ :

- Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, thể hiện tính dị h ướng

- Các hạt định hướng ngẫu nhiên với số lượng rất lớn nên thể hiện tính đẳng hướng

- Biên hạt chịu ảnh hưởng của các hạt xung quanh nên có cấu trúc “trung gian” và vì vậy sắpxếp không trật tự (xô lệch) như là vô định hình, kém xít chặt với tính chất khác với bản thân hạt

- Có thể quan sát cấu trúc hạt đa tinh thể hay các hạt nhờ kính hiển vi quang học (h ình 1.20c)

Hình 1.20 Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b), tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể (c),

cấu trúc của siêu hạt (d)

1.6.2.2 Độ hạt

Độ hạt có thể quan sát định tính qua mặt g ãy, để chính xác phải xác định tr ên tổ chức tế vi.Cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM: phân thành 16 cấp chính đánh số từ 00, 0, 1, 2 , 14 theotrật tự hạt nhỏ dần, trong đó từ 1 đến 8 l à thông dụng

Cấp hạt N=3,322lgZ+1, với Z l à số hạt có trong 1 inch2(2,542 6,45cm2 dưới độ phóngđại 100 lần

Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh với bảng chuẩn ở độ phóng đại(thường là x100) hoặc xác định trên tổ chức tế vi Các số liệu phân cấp hạt xem bảng 1.2.Bảng 1.2 Các cấp hạt chuẩn chính theo ASTM

nhỏ ( 1-2o) gọi là siêu hạt hay block (hình 1.20d) Biên giới siêu hạt cũng bị xô lệch nhưngvới mức độ rất thấp

1.6.3 Textua

Hình 1.22 Mô hình textua trong dây nhôm sau khi kéo s ợi

(vectơ V biểu thị hướng kéo, trục textua là [111]).

Do biến dạng dẻo làm phương mạng định hướng tạo nên textua Ví dụ, khi kéo sợi nhôm(hình 1.22), tinh thể hình trụ khi đúc, khi phủ

Cấu trúc đa tinh thể có textua vật liệu có tính dị hướng Ứng dụng cho thép biến thế, tổchức từ cực đại theo chiều textua, cực tiểu theo ph ương vuông góc giảm tổn thất

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

Phần lớn kim loại hợp kim được chế tạo (luyện) ra  đúc, tức qua kết tinh, sau

đócán bán thành phẩm và sản phẩm

Kết tinh là bước khởi tạo hình thành tổ chức hạt, tinh thể  độ hạt, tổ chức mong muốn

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh

1.7.1.1 Cấu trúc ở trạng thái lỏng

Chất lỏng chỉ có trật tự gần, trong đó có những nhóm nguy ên tử sắp xếp trật tự, chúng ởtrạng thái cân bằng động Về mặt cấu trúc trạng thái lỏng gần trạng thái tinh thể h ơn, các đámnguyên tử là tâm mầm giúp cho kết tinh

1.7.1.2 Biến đổi năng lượng khi kết tinh

Hình 1.23 biểu thị sự biến đổi năng lượngG của các

trạng thái lỏng (GL) và rắn (GR) (tinh thể) theo nhiệt độ:

- Ở nhiệt độ T > To vật thể tồn tại ở trạng thái lỏng

GL<GR

- Ở nhiệt độ To< To,GL<GRđông đặc Tođược

gọi là nhiệt độ kết tinh hay nóng chảy,

T = To kết tinh (nóng chảy) chưa xảy ra

KT&NC chỉ xả y ra khi cóT 0

1.7.1.3 Độ quá nguội

Độ quá nguội T: nguội dưới To : T = T - To< 0

T thay đổi từ rất nhỏ (12oC) đến rất lớn (hàng chục, trăm đến nghìn độ) tùy theo tốc

độ làm nguội khi kết tinh Nguội chậm trong khuôn cát T lớn hơn khi nguội nhanh trongkhuôn kim loại

Khi nung nóng: sự nóng chảy sẽ xảy ra ở nhiệt độ T >To, T được gọi là độ quá nung

1.7.2 Hai quá trình của sự kết tinh

Gồm hai quá trình cơ bản nối tiếp nhau xảy ra là tạo mầm và phát triển mầm:

Hình 1.23 Biến đổi

năng lượng tự do của hệ

1.7.2.1 Tạo mầm

Tạo mầm là quá trình sinh ra các ph ần tử rắn có cấu trúc tinh thể, với kích th ước đủ lớn,chúng không bị tan đi như trước đó mà phát triển lên như là trung tâm c ủa tinh thể (hạt), hailoại mầm: tự sinh và ngoại lai

 2 trong đó:  - sức căng bề mặt giữa rắn và

lỏng, Gv - chênh lệch năng lượng tự do (GL- Gr) tính

cho một đơn vị thể tích

Một khi mầm có r  rth phát triển lên thành hạt

Khi độ quá nguội T càng lớn thìGVcũng càng lớn,

rthcàng nhỏ  số lượng mầm càng lớn hạt nhỏ

Mầm ký sinh

Là các hạt rắn nằm lơ lửng trong kim loại lỏng, th ành

khuôn đúc  mầm ngoại lai Thực tế l à trong nhiều

trường hợp người ta còn cố ý tạo ra và đưa các phần tử

rắn vào để giúp kết tinh, sẽ được nói tới ở mục sau

1.7.2.2 Phát triển mầm

Mầm phát triển là nhờ các đám nguyên tử bám lên bề mặt mầm đặc biệt là trên các bậclệch xoắn

Khi được làm nguội tương đối nhanh, thoạt tiên sự phát triển mầm mang tính dị hướng tức

là phát triển rất nhanh theo một số ph ương tạo nên nhánh cây, trục bậc I (A) (hình 1.24), rồi từtrục chính này tạo nên trục bậc II (B) vuông góc với trục bậc I, rồi từ trục bậc II phân nhánhtiếp tạo nên trục bậc III (C) cứ như vậy nhánh cây được hình thành

Sau đó kim loại giữa các nhánh cây mới kết tinh tạo n ên hạt (tinh thể) đặc kín, không thấytrực tiếp được nhánh cây nữa Nhánh cây chỉ đ ược phát hiện thỏi đúc lớn, phần kết tinh tr ướclàm trơ ra nhánh cây mà không c òn kim loại lỏng điền đầy Cũng có thể tẩm thực hợp kim đểthấy được nhánh cây

1.7.3 Sự hình thành hạt

1.7.3.1 Tiến trình kết tinh

Ta thấy: từ mỗi mầm tạo n ên một hạt,

các hạt phát triển trướcto hơn; hạt sau sẽ

nhỏ hơn kích thước hạt ≠ (chênh lệch ít)

do các mầm định hướng ngẫu nhiên hạt

không đồng hướng, lệch nhau một cách

đáng kể  vùng biên hạt với mạng tinh thể

Hình 1.25 Quá trình tạo và phát triển mầm

theo thời gian (các hình a,b,c) và kết thúc ở giây

- Nguội đều theo mọi phương hạt có dạng đa cạnh hay cầu (h ình 1.25).

- Nguội nhanh theo hai phương (tức theo một mặt) hạt có dạng tấm, lá, phiến nh ư grafittrong gang xám

- Nguội nhanh theo một phương nào đó, hạt sẽ có dạng đũa, cột hay h ình trụ

- Dạng tinh thể hình kim (đầu nhọn)  chỉ khi nhiệt luyện

1.7.4 Các phương pháp t ạo hạt nhỏ khi đúc

Hạt nhỏ  cơ tính cao hơn (bền và dẻo hơn = độ dai cao hơn)  tìm cách tạo hạt nhỏ

1.7.4.1 Nguyên lý

Kích thước hạt cũng phụ thuộc v ào tương quan của hai quá trình: tạo mầm và phát triểnmầm Số mầm được tạo ra càng nhiều thì hạt càng nhỏ , mầm lớn lên (phát triển) càng nhanhthì hạt càng lớn Kích thước hạt A phụ thuộc vào tốc độ sinh mầm n và tốc độ phát triển v

(mm/s) theo công thức thực nghiệm

3 4

1,

Khi tăng độ quá nguộiTo, tốc độ sinh mầm n và

tốc độ phát triển dài của mầm v đều tăng (hình 1.26)

Tạo mầm ngoại lai: 2 loại:

- Kim loại có cùng kiểu mạng hoặc gần giống

nhau: FeSi, FeSiCa (gang), Ti (thép)

- Cho chất tạo oxit, nitrit : Al2O3, AlN khi

đúc thép

Hấp phụ: Na cho Silumin (AlSi)

Cầu hoá graphit : Mg, Ce, Đh

Tác động vật lý:

Rung, siêu âm bẻ gẫy tinh thể  hạt nhỏ

Đúc ly tâm  hạt nhỏ

1.7.5 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc

1.7.5.1 Ba vùng tinh th ể của thỏi đúc

Các thỏi (thép) đúc thường có tiết diện tròn

hoặc vuông, chúng được đúc trong khuôn kim

loại, đôi khi khuôn c òn được làm nguội bằng

nước chúng thường có cấu trúc 3 vùng điển hình

(hình 1.27):

Vỏ ngoài cùng là lớp hạt nhỏ đẳng trục 1: doT lớn, mầm ngoại lai nhiều hạt nhỏ mịn

Hình 1.27 Cấu trúc 3 vùng của thỏi đúc Hình 1.26 Ảnh hưởng của T đến (n) và (v)

Do thành khuôn có độ nhấp nhô các mầm phát triển theo các ph ương ngẫu nhiên cắt nhau,chèn ép nhau hạt phát triển đều theo mọi phía.

Vùng tiếp theo là lớp hạt tương đối lớn hình trụ 2: vuông góc với thành khuôn, do thànhkhuôn mới bắt đầu nóng lên  To  , hạt lớn hơn và phát triển mạnh theo phương tiếptuyến với thành khuôn là phương truy ền nhiệt  hạt hình trụ

Vùng ở giữa là vùng các hạt lớn đẳng trục 3:

Kim loại lỏng ở giữa kết tinh sau c ùng, thành khuôn đã nóng lên nhiều do đó :

- T  hạt lớn,

- Nhiệt tản đều theo mọi ph ương hạt đẳng trục

Vùng ngoài cùng luôn luôn là l ớp vỏ mỏng, 2 vùng sau phụ thuộc vào điều kiện làmnguội khuôn:

+ Nguội mãnh liệt thì vùng 2 sẽ lấn át vùng 3, thậm chí mất vùng 3  xuyên tinh  khóbiến dạng dẻo, không phù hợp với thỏi cán

+ Nguội chậm thì vùng 3 lại lấn át vùng 2, thỏi trở nên dễ cán hơn

Co tập trung  lõm co thường nằm ở nơi kết tinh sau cùng: chỗ dày, phía trên Phần thỏi

có lõm co phải được cắt bỏ  tỷ lệ sử dụng chỉ còn khoảng 85 đến 95%

Đúc liên tục không có lõm co

Đối với chi tiết đúc phải để phần lõm co ở đậu ngót cắt bỏ đi

- Khắc phục: Tăng cường quá trình thoát khí khi kết tinh bằng cách tạo ra sự l ưu động củakim loại lỏng, khử khí tốt trước khi rót khuôn, sấy khô khuôn cát v à mẻ nấu phải được sấykhô trước khi nấu luyện  hoặc đúc trong chân không

+ Thiên tích (segregation):

Là sự không đồng nhất về th ành phần và tổ chức của sản phẩm đúc, cả vớ i hợp kim (khithành phần phức tạp) và kim loại do tích tụ tạp chất Có nhiều dạng thi ên tích: theo trọnglượng (thiên tích vùng), trong bản thân hạt, của P, S trong thép

Thiên tích vùng: là sự không đồng nhất về th ành phần hóa học trong toàn bộ thể tích vậtđúc Thiên tích hạt: là sự không đồng nhất về th ành phần hóa học trong nội bộ hạt kim loại.Nguyên nhân: Do sự khác nhau về nhiệt độ nóng chảy, khối l ượng riêng và hệ số khuếch

tán của các nguyên tố.

- Tác hại: Tạo ra các vùng không đồng đều về cơ tính, làm giảm độ tin cậy của sảnphẩm đặc biệt là các vật đúc có kích thước lớn

- Cách khắc phục: Lựa chọn hợp lý các nguy ên tố khi tạo hợp kim

Với thiên tích hạt có thể ủ vật đúc để đồng đều hóa th ành phần (ủ khuếch tán)

Cố gắng dùng các biện pháp công nghệ tạo sự đồng đều khi kết tinh tiện để tránh thi êntích vùng

Hình 1.28 Các dạng khuyết tật của thỏi đúc

Hình a: Làm nguội mãnh liệt từ đáy khuôn còn các tường bên vẫn giữ ở nhiệt độ cao Kếttinh xảy ra từ đáy lên phía trên, mức kim loại lỏng tụt dầ n và mặt trên cùng của thỏi đúc códạng tương đối bằng phẳng

Hình b: Làm nguội mãnh liệt từ đáy và các tường bên Kết tinh xảy ra từ ba phía v à lõm co

Rỗ khí

Rỗ co

CHƯƠNG 2 BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH

Đa số các vật phẩm kim loại đ ược chế tạo bằng cách gia công biến dạng Trong các nh à máy luyện kim sau khi nấu chảy v à đúc kim loại thành những thỏi lớn, người ta đem cán thành những bán thành phẩm khác nhau:thỏi, dây, thanh, tấm, hình, lá, vv ở các nhà máy

cơ khí chế tạo, các chi tiết được gia công bằng rèn, rập, tiện, phay bào

Trong tất cả các phương pháp gia công đó, kim lo ại bị biến dạng dẻo để nhận đ ược hình dạng cần thiết Khi cán, r èn, rập, quá trình biến dạng kim loại xảy ra trong to àn bộ hoặc hầu hết thể tích kim loại, c òn khi tiện phay, bào chỉ xảy ra trên một phần thể tích (thông th ường

là lớp bề mặt) với kết quả cuối c ùng của biến dạng là sự tách phoi.

Mục đích của chữơng này là nghiên cứu, khảo sát bản chất của quá tr ình biến dạng mà chủ yếu là biến dạng dẻo, khái quát về biến dạng đ àn hồi và sự phá huỷ, đồng thời nghiên cứu những thay đổi về tổ chức và tính chất do biến dạng dẻo gây ra, ảnh h ưởng của nhiệt độ đến trạng thái sau biến dạng, giúp đề ra các biện pháp nâng cao c ơ tính, khắc phục những khuyết tật.

2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy

2.1.1 Khái niệm

Biểu đồ tải trọng (hay ứng suất) về biến dạng

hình 2.1 cho thấy

- Khi F < Fđh, độ giãn dàil tỷ lệ bậc nhất với

tải trọngbiến dạng đàn hồi Với F1 biến

dạng O1, bỏ tải trọng mẫu lại trở lại kích th ước

ban đầu

- Khi F > Fđh, độ biến dạng tăng nhanh theo

tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng vẫn c òn lại

một phần  biến dạng dẻo.

Khi F= Fa  biến dạng Oa'', khi F=0  biến dạng Oa'  biến dạng dẻo hay dư

- Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao nhất Fb, mẫu bị thắt lại tải trọng =const(hoặc ) nhưng ứ /sphá hủy ở điểm c.

Sự biến đổi về mạng tinh thể ở ba trạng thái tr ên trình bày ở hình 2.2

Khi lần lượt tăng tải trọng ban đầu

(a), biến dạng đàn hồi (b), biến dạng

dẻo (c), phá hủy (d)

Khi biến dạng đàn hồi thì biến dạng

nhỏ a<a, biến dạng dẻo thì a>a,

với a là thông số mạng phá hủy các liên

kết bị hủy hoại dẫn đến đứt rời

Biến dạng dẻo = cách trượt (đôi khi xảy ra bằng song tinh), ở đây chỉ giới hạn khả o sátbiến dạng dẻo dưới hình thức này

Hình2.1 Biểu đồ kéo kim

Hình2.2 Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể

khi lần lượt tăng tải trọng

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những mặt v à phương nhất định gọi là mặt và phương trượt (hình2.3.)

2.1.2.1 Các mặt và phương trượt

Mặt trượt là mặt (tưởng tư ợng) phâ n cá ch giữa hai mặt nguyên tử dày đặc nhất mà theo

đó sự trượt xảy ra.

Các mặt và phương trượt của ba kiểu mạng tinh thể th ường gặp được trình bày ở hình 2.4:

- Mạng lftm (A1): mặt trượt {111}, (4 mặt x 3 phương)=12 hệ trượt chính khác nhau

- Mạng lftk (A2): mặt trượt {110}, (6 mặt x 2 ph ương)= 12 hệ trượt chính khác nhau

- Mạng lgxc (A3): mặt trượt, (1 mặt x 3 phương)= 3 hệ trượt chính khác nhau

- Ngoài các mặt, phương trượt chính kể trên còn có khả năng bị trượt theo các mặt,phương dày đặc khác tuy không phải l à dày đặc nhất

Khả năng biến dạng dẻo của kim loại tỷ lệ thuận với số hệ tr ượt chính: số hệ trượt càng cao

-khả năng trượt càng lớn  kim loại càng dễ biến dạng dẻo

-Thực tế đã chứng tỏ điều này: Feg, Al, Ag, Cu, (mạng A1) dẻo và dễ dát mỏng hơn Zn (A3)

So với mạng lập phương tâm khối (A2) mạng lập phương tâm mặt (A1) tuy cùng 12 hệ trượtnhưng dễ trượt hơn tính dẻo cao hơn

2.1.2.2 Ứng suất gây ra trượt



trong đó F/Solà ứng suất kéo othay vào ta có :

Hình2.3 Sơ đồ biểu diễn sự trượt:

a đơn tinh thể và mạng tinh thể trước

khi trượt,

b hìnhdạng đơn tinh thể và mạng tinh

thể sau khi trượt.

Hình2.4 Các mặt và phương trượt

cơ bản của kim loại:

a lập phương tâm khối, <100>

b lập phương tâm mặt,<111>

c lục giác xếp chặt, <0001>

= 0,5sosin2 cos Gọ i cos.cos là thừa số Schmid.

Ứng suất gây ra trượt phụ thuộc vào góc & qua thừa số Schmid.

Khi= 90ohay  = 90o  = 0, lự c F chỉ làm phá hủy mà không xảy ra biến dạng dẻo.Khi  90o,

max = 0,5o khi  =  = 45o

Hệ trượt nào có max  thuận lợi nhất  trượt xảy ra trước các hệ ít thuận lợi hơn

Hình thái của trượt: hình 2.2c và 2.3b: các bậc trượt, dải trượt hình 2.5b

2.1.2.3 Tính dễ trượt, cơ chế trượt

10 

th

Hình2.6 Mô hình trượt trong mạng tinh thể thực tế (có lệch biên)

2.1.3 Trượt đa tinh thể:

Vật liệu kim loại thực tế luôn luôn l à VL đa tinh thể

2.1.3.1 Các đặc điểm

Đặc điểm của trượt đa tinh thể:

1) Các hạt bị biến dạng không đồng thời với mức độ khác nhau

2) Có tính đẳng hướng: số hạt vô cùng lớn

3) Đa tinh thể có độ bền cao hơn: Các hạt cản trở biến dạng lẫn nhau, bi ên hạt cản

trượtlực cao hơ n độ bền cao hơn

4) Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao: hạt nhỏ có tổng diện tích bi ên hạt lớn hơn, sẽ

Hình 2.5 Trượt trong đơn tinh thể Hình 2.5b Bậc trượt và dải trượ t

cản trượt mạnh hơn nên làm tăng độ bền Theo Hall - Petch:

Khi hạt nhỏ đităng độ dai vật liệu khó bị phá hủy gi òn rất ưu việt

2.1.3.2 Tổ chức và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo

1) Sau khi biến dạng xô lệch mạng tinh thể

Hình2.7 Sự thay đổi tổ chức sau biến dạng

Textua biến dạng Ví dụ khi cán: Al mạng A1: các mặt {110} song song với m ặt cán.2) Biến dạng dẻo  do xô lệch mạng  ứng suất dư,  cho cơ tính , ứng suất nén dư

bề mặt làm giới hạn mỏi: lăn ép, phun bi

3) Xu hướng thay đổi cơ tính sau khi biến dạng dẻo (hình2.8):

Đầu tiên xuất hiện vết nứt tế vi trên bề mặt hay ở sâu bên

trongphát triển vết nứt phá huỷ.

Tuỳ theo tải trọng:

2.1.4.1 Tải trọng tĩnh

Tải trọng tĩnh: Phá hủy gi òn và phá hủy dẻo:

- Phá hủy dẻo kèm theo biến dạng dẻo

- Phá hủy giòn không kèm theo biến dạng

- Phá huỷ giòn xảy ra đột ngột (d), phá huỷ dẻo xảy ra từ từ (a) chậm (b), nhanh (c)

- Công cho phá huỷ dẻo lớn hơn

- Phá huỷ dẻo hay giòn do:

+ Bản chất vật liệu: thép, Al, Cu dễ phá huỷ dẻo; gang giòn Ceramic, polyme nhiệt rắn

 phá huỷ giòn

+ To phá huỷ giòn, tải trọng đặt vào nhanh, đột ngột  phá huỷ giòn

+ Kết cấu gây tập trung ứng suất (hạ bậc đột ngột, r ãnh, khía, nứt, )  dể gây phá huỷ giòn

Cơ chế phá hủy

Phá hủy theo 4 giai đoạn sau:

1) Hình thành vết nứt (tế vi),

2) Vết nứt tế vi phát triển d ưới tới hạn, tới hạn

3) Vết nứt tới hạn phát triển nhanh ,

4) Nứt chấm dứt và gãy rời, trong đó các giai đoạn

1,2 và 3 được coi là quan trọng nhất, đáng để ý nhất

Ba kiểu phát triển vết nứt th ường gặp (hình2.13):

Kiểu I là kiểu thường gặp hơn cả và được đưa vào tính toán

Do tập trung ứng suất  ≥ gh(công thức 2.3)  vết nứt gây phá huỷ giòn vật liệu Giátrị hệ số cường độ ứng suất tương ứng tại đó được gọi là độ dai phá huỷ của vật liệu, ký hiệu

Hình2.13 Ba kiểu tải trọng và lan

chuyển vết nứt

Hình2.14 Ảnh hưởng của chiều dày

Hình 2.11 Sự hình thành vết nứt

Hình 2.12 Sơ đồ vết rỗng (a) và sự phân bố ứng suất

trên tiết diện cắt ngang qua vết rỗng

a Y

K IC   gh  [ N.m-3/2] hay [MPa.m1/2], xác định bằng thực nghiệm

Đối với vật liệu dẻo (phần lớn kim loại v à vật liệu polyme), đều có biến dạng dẻo tr ướckhi phá hủy, điều đó làm cho đỉnh nứt tù (cùn, bớt sắc nhọn) đi, bán kính cong tăng l ên, nhờ

Bê tông

-3-5,30,7-0,80,2-1,4Thép 4340,tôi +ram 260 oC

Thép 4340, tôi ram 425 oC

16401420

50

Polystyren, PS

-

-1,00,8-1,1

2.1.4.2 Trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Cầu, trục, bánh răng, chịu tải trọng không lớn (<< s0,2) nhưng thay đổi theo chu kỳ, vẫn

có thể bị phá hủy sau thời gian d ài và tương đối dài (> 105  106chu kỳ ) phá hủy mỏi.

Cơ chế: từ vết nứt đầu tiên, thường nằm ở trên bề mặt là nơi chịu ứng suất kéo lớn nhất,điều kiện thuận lợi phát triển vết nứt

Vết nứt tế vi trên bề mặt: rỗ co, bọt khí, tạp chất, x ước, lồi lõm tăng độ bóng bề mặt.Vết nứt có thể sinh ra dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ (h ình2.15a)

Mặt gãy ở chỗ phá hủy mỏi (hình 2.15b)

2.2 Các đặc trưng cơ tính thông thường và ý nghĩa

Cơ tính cho biết khả năng chịu tải của vật liệu trong các điều kiện t ương ứng, là cơ sở củacác tính toán sức bền, khả năng sử dụng v ào một mục đích nhất định Các đặc tr ưng cơ tínhđược xác định trên các mẫu chuẩn

Thường gặp nhất là độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập, độ dai phá hủy

2.2.1 Độ bền (tĩnh)

Tùy theo đặc điểm của tải trọng người ta phân biệt độ bền kéo, nén, uốn, xoắn Bền và độ dẻo khi kéo là thông dụng hơn cả nên không cần phải ghi chú, trường hợp còn lại đều phải ghi

chú (nén, uốn hay xoắn )

Hình2.15a Sơ đồ hình thành vết nứt mỏi Hình2.15b Sơ đồ mặ t gãy khi phá huỷ mỏi

2.2.1.1 Các chỉ tiêu

Đặc trưng cho độ bền tĩnh  dh, c  : kG/mm b 2

, MPa, psi, ksi (Anh & Hoa kỳ ),.

Quan hệ giữa các đơn vị thường gặp như sau:

1kG/mm210MPa, 1kG/mm2 1,45 ksi, 1ksi = 103psi

Giới hạn đàn hồi  dh, khó xác định chấp nhận  0,01 hay 0,05 theo công thức:

+ Giảm: Sợi Fe là 13000MPa, Fe armco 250MPa

+ Tăng: biến dạng nguội, hợp kim hoá, nhiệt luyện,

2.2.1.3 Các biện pháp hóa bền vật liệu

Biến dạng dẻo: tăng mật độ lêch  tăng độ bền: dập, gò, uốn, gập, kéo, cán nguội biến cứng, tăng bền

Hợp kim hóa: đưa nguyên tử lạ vào tăng xô lệch mạng và mật độ lệch  tăng độ bền

Tạo các pha cứng phân tán hay hóa bền tiết pha :

Nhiệt luyện tôi + ram: tôi và sau đó là ram - tạo nên sự quá bão hòa tăng độ bền, độ cứng

Hóa - nhiệt luyện: thấm C, N tăng bền, cứng, chịu m ài mòn, nâng cao bền mỏi.

Làm- nhỏ hạt: làm hạt nhỏ này duy nhất làm tăng tất cả các chỉ tiêu bền, dẻo, dai.

2.2.2 Độ dẻo: Độ dẻo là khả năng biến dạng của vật liệu d ưới tải trọng

2.2.2.1 Hai chỉ tiêu:

2.2.2.2 Tính siêu dẻo

Đ/n: Vật liệu có  tới trên 100% (100 1000%), được gọi là siêu dẻo,

Công dụng: chế tạo các sản phẩm rỗng, d ài với tiết diện không đồng đều: chai, lọ, ống,

Chế tạo: tạo tính siêu dẻo bằng cách:

- Tạo tổ chức hạt rất nhỏ, (cỡ hạt khoảng 10m), đẳng trục, đồng đều và ổn định khi biến

dạng, đây là yếu tố quan trọng nhất,

- Biến dạng ở nhiệt độ cao, cỡ (0,6 0,85) TC ,

- Tốc độ biến dạng rất chậm, cỡ 10 -4 10-3 s-1 (tứ c 0,01 0,1%/s).

Trượt khi siêu dẻo xảy ra chủ yếu theo bi ên hạt

Hình 2.16 thay đổi độ bền theo mật độ

lệch

2.2.3 Độ dai va đập:

Hình2.17: công phá huỷ; Sơ đồ thử và đập (hình2.18)

Hình2.17 Công phá huỷ vật liệu Hình2.18 Sơ đồ thử độ dai và đập

2.2.4 Độ dai phá hủy biến dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), KIC

Mẫu thử : hình 2.19 là dạng mẫu đơn giản nhất, vết nứt mỏi:

- Phải cùng chiều với rãnh khía và chạy dài trên suốt chiều dày của mẫu B = W/2,

- Trên cả hai bề mặt ngoài, cả 2 bên vết nứt mỏi phải ăn sâu vào ít nhất là 1,3

- Chiều dài a (bằng rãnh ban đầu + nứt mỏi) phải ~ B hay 0,450,55W

Quy trình thử:

- Đặt ngàm trục vào hai lỗ, tác dụng lực kéo để rãnh khía và nứt mỏi được mở rộng ra (nứtphát triển theo kiểu I)

- Xây dựng biểu đồ tải trọng kéo - độ mở của rãnh v như hình 2.20

Hệ số hình học Y và KI phụ thuộc vào hình dạng và tải trọng (shape factor):

Đ/điểm của Hệ số cường độ ứng Đặc điểm của Hệ số cường độ ứngHình 2.19 Thử độ dai phá hủy biến dạng phẳng Hình 2.20 Biển đồ kéo khi thử độ dai phá hủy

a tg a

b a

1,

a w

a w

a tg a

2

a t

a t

a

2 / 3

)1(

)5,11(1,1







)(

1,

a w

a w

a

2 / 3

)1(

)2,01(1,1







a t

a t

a

2 / 3

)1(

)5,11(1,1







Để tính KIC ta phải thực hiện các bước sau:

1 Xác định tải trọng FQ: kẻ đường thẳng OA nghiêng bằng 0,95 so với OB, FQ = FS,

2 Kiểm tra lại tỷ lệ Fmax/FQ: nếu Fmax/FQ < 1,10 thì đạt yêu cầu

Để tính KIC ta phải thực hiện các bước sau:

1 Xác định tải trọng FQ: kẻ đường thẳng OA nghiêng bằng 0,95 so với OB, FQ = FS,

2 Kiểm tra lại tỷ lệ Fmax/FQ: nếu Fmax/FQ < 1,10 thì đạt yêu cầu

3 Tính giá trị KQ theo công thức: KQ = (FQ/BW1/2) f (a/w), MPa.m1/2

trong đó: FQ - tải trọng kéo được xác định như trên, kN,

B, W, a - chiều dày, chiều rộng mẫu, chiều dài nứt, cm.

3/2

4 4 3

3 2

2

a/w)-(1

)/w5,6a-/w14,72a/w

13,32a-4,64a/w(0,886

a/w)(2)

4 Kiểm nghiệm giá trị tính toán:

Tính giá trị A= 2,5(KQ/so,2), nếu A ≤ B(a) KQ= KIC,

Ý nghĩa của K IC :

Là chỉ tiêu cơ tính quan trọng nhất để đánh giá khả năng chống phá hủy gi òn

- Biết KICvà a ứng suất thiết kế  phải thoả mãn:

a Y

2.2.5 Độ cứng

2.2.5.1 Đặc điểm

Xác định đơn giản nhất, nhanh chóng nhất

Định nghĩa: Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu thông qua mũi đâm.

Đặc điểm: khả năng chống m ài mòn, tạo mẫu nhỏ và đơn giản, thử tại chỗ , nhanh,

Các loại: thô đại và tế vi, thường dù ng độ cứng thô đại Sơ đồ của các phương pháp thử

độ cứng (hình2.21):

Hình2.21 Sơ đồ tác dụng tải trọng của các ph ương pháp đo độ cứng:

a Brinen, b Rôcvel, c Vicke.

2.2.5.2 Độ cứng Brinen HB: HB=F/S, F là tải trọng, kg hay N, S diện tích h ình chỏm cầu.

Quan hệ giữa độ bền và độ cứng:

- Thép cán (trừ không gỉ, bền nóng) b 0,34 HB,

- Đồng, latông, brông ở trạng thái biến cứng b 0,40HB,

- Đồng, latông, brông ở trạng thái ủ b 0,55HB,

Tuy nhiên độ cứng HB cũng có những nh ược điểm sau:

+ Không thể đo các vật liệu có độ cứng cao h ơn 450 HB, mẫu phải phẳng, to, dày.+ Không cho phép đo trên các lo ại trục (vì có mặt cong), đo tương đối chậm

Chính vì vậy trong sản suất thường dùng cách đo Rôcvel hơn

2.2.5.3 Độ cứng Rô cvel HR (HRC, HRA, HRB)

Đo độ cứng Rôcvel HR (hình2.21b) tiện lợi hơn do nhanh, kết quả đo cho ngay trên máy

và đo được các vật liệu từ tương đối mềm đến cứng, đo tại chỗ, đo đ ược lớp bề mặt

Khác với HB, HR là loại độ cứng quy ước (không có thứ nguyên):

- Độ cứng Rôcvel theo các thang C, A ký hiệu l à HRC, HRA được đo bằng mũi hình nónbằng kim cươ ng đo thép tôi, lớp hóa - nhiệt luyện

- Độ cứng Rôcvel theo thang B ký hiệu l à HRB được đo bằng mũi bi bằng t hép tôi đothép ủ , thường hóa, gang đúc

2.2.5.4 Độ cứng Vicke HV