chương 1 : MẠNG TINH THỂ

CHƢƠNG MẠNG TINH THỂ Từ khóa: Crystal Lattice; Crystal Lattice Structure; Structure of Metal … PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 1 CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ 1.1 Vật liệu tinh thể & vô định hình Quy ƣớc: nguyên tử, ion, phân tử: chất điểm Vật rắn tinh thể: - Các chất điểm xếp theo quy luật hình học xác định - Có nhiệt độ nóng chảy xác định PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 1.1 Vật liệu tinh thể & vô định hình Vật vô định hình: - Các chất điểm xếp hỗn loạn - Không có nhiệt độ nóng chảy xác định Trong điều kiện bình thường, trạng thái rắn, chất điểm KL vị trí định, có quy luật: trạng thái tinh thể PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 1.2 Các dạng liên kết nguyên tử chất rắn 1.2.1 Liên kết Van Der Waals  Còn gọi liên kết phân tử  Sinh tương tác điện tử nguyên tử, khoảng cách lớn mây điện tử chưa tiếp xúc  Năng lượng liên kết không lớn PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ  (Tự đọc) 1.2.2 Liên kết đồng hóa trị  Được tạo hai nhiều nguyên tử góp chung số điện tử (điện tử hóa trị) để đủ (2) điện tử lớp  (Tự đọc) PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 1.2.3 Liên kết ion  Liên kết nguyên tử cho bớt điện tử lớp để trở thành ion dương nhận thêm điện tử để điền đầy lớp trở thành ion âm  (Tự đọc) PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 1.2.4 Liên kết kim loại  Gồm ion dương đám mây điện tử bao quanh cân phía ion  Khi dịch chuyển dãy nguyên tử khoảng cách: cân KL có tính dẻo cao PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ KHÁI NiỆM MẠNG TINH THỂ  Mạng tinh thể (MTT) mạng lưới không gian tạo nên chất điểm, xếp theo quy luật chặt chẽ, biểu diễn dạng hình học định  Thí dụ: chất điểm tinh thể NaCl xếp theo quy luật đỉnh khối lập phương PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ MTT muối ăn  Nhận xét: - MTT gồm mặt song song cách nhau: mặt tinh thể - MTT gồm ô nhỏ xếp liên chiều đo không gian: khối sở (ô sở) - Biểu diễn MTT khối sở đủ - Các chất điểm khít PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ KHÁI NiỆM MẠNG TINH THỂ Có 14 kiểu mạng thuộc hệ theo tương quan: - Giữa kích thước: a, b, c - Giữa góc: , , PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 10 4.3 Lỗ rỗng MTT  Mạng lptt: - khối tám mặt: 0,154 d; lỗ - khối bốn mặt: 0,221 d; 12 lỗ  Mạng lpdt: - khối tám mặt: 0,41 d; lỗ - khối bốn mặt: 0,225 d; lỗ PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 25 4.4 Tính thù hình kim loại Nhiều KL khoảng nhiệt độ khác có kiểu MTT khác nhau; ví dụ: Fe, Sn, Mn, Ti … Tính chất mà chất có nhiều kiểu MTT: tính thù hình Chuyển biến chất từ kiểu MTT sang kiểu MTT khác: chuyển biến thù hình Kí hiệu: , , , … Thí dụ: sắt (911, 1392, 15390C) PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 26 4.5 Tính dị hƣớng tinh thể  Mật độ nguyên tử theo hệ phương khác khác  Mật độ nguyên tử theo hệ mặt khác khác  Tính chất tinh thể khác theo phương mặt khác khác nhau: Tính dị hướng (có hướng) tinh thể PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 27 4.5 Tính dị hƣớng tinh thể (Về đọc ký hiệu phương mặt tinh thể) PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 28 4.5 Tính dị hƣớng tinh thể PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 29 CẤU TẠO MTT THỰC TẾ CỦA KL NGUYÊN CHẤT 5.1 Đơn tinh thể, đa tinh thể 5.1.1 Đơn tinh thể Đôi gặp khối KL có kích thước nhỏ MTT có mặt, phương đồng điểm: đơn tinh thể Vật liệu KL kỹ thuật: không gặp đơn tinh thể PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 30 5.1.2 Đa tinh thể - hạt  Quan sát mặt gẫy KL dùng kỹ thuật: gồm nhiều tinh thể gắn bó nhau: - Đây trạng thái đa tinh thể - Mỗi phần đó: tinh thể hay hạt PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 31 5.1.2 Đa tinh thể - hạt Đặc tính đa tinh thể: - Phương mạng hạt lệch từ vài độ đến vài chục độ - Có tính đẳng hướng: tính chất theo phương - Vùng biên giới xếp không trật tự PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 32 5.2 Các sai lệch MTT Trong thực tế: thân hạt chất điểm vị trí quy định mà số phận mạng có nguyên tử nằm lệch vị trí gây nên sai lệch mạng Số nguyên tử nằm lệch sai lệch chúng gây nên thường có nhiều tác dụng lớn Sai lệch: điểm, đường, mặt PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 33 5.2.1 Sai lệch điểm  Là loại sai lệch có kích thước cỡ nguyên tử theo chiều không gian  Các sai lệch điểm điển hình: - Nút trống - Nguyên tử xen kẻ - Nguyên tử thay  Luôn kèm trường ứng suất hình cầu xung quanh a) Ngtử tạp chất xen kẽ c) Nguyên tử loại xen kẽ d) Nút trống e, h) Nguyên tử thay (tạp chất) PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 34 5.2.1 Sai lệch điểm Nút trống  Ngtử dao động nhiệt quanh vị trí cân  Khi số nguyên tử có lượng cao, chúng có khả bứt khỏi nút mạng để lại nút trống Nguyên tử xen kẽ  Do ngtử rời khỏi nút mạng chuyển sang vị trí nút  Do ngtử tạp chất xen kẽ nút Nguyên tử thay  Ngtử tạp chất thay nguyên tử nút mạng PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 35 5.2.2 Sai lệch đƣờng Lệch (Dislocation) Sai lệch có kích thước nhỏ (cỡ kthước ntử) theo chiều lớn theo chiều thứ tinh thể Lý thuyết lệch sở lý thuyết độ bền Các loại sai lệch đường: - Lệch thẳng (Lệch biên) - Lệch xoắn - Lệch hỗn hợp PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 36 a Lệch thẳng  Hình dung: chèn nửa mặt ntử (đỏ) vào nửa phần MTT lý tưởng mặt phẳng ntử khác nằm hai phía không hoàn toàn song song  Nửa trên: ứng suất nén; nửa dưới: ứng suất kéo  Edge Dislocation: trục lệch; mặt phẳng hồng: mặt trượt  Khi có ứng suất tác dụng: bán mặt đỏ dịch chuyển thoát mặt t/thể (giải thích độ bền thực tế) PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ Độ bền lý thuyết 37 b Lệch xoắn Hình dung: mô hình trượt ép Cắt t.thể lý tưởng theo nửa mặt phẳng Xê dịch mép ngược chiều cho n.tử mặt xê dịch thông số mạng Các n.tử xếp lại quanh trục lệch xoắn theo đường xoắn ốc PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 38 5.2.3 Sai lệch mặt (Tự đọc) Biên giới hạt Biên giới blốc Mặt tinh thể PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 39 [...]... đồng nhất ở mọi điểm: đơn tinh thể Vật liệu KL trong kỹ thuật: không gặp đơn tinh thể PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 30 5 .1. 2 Đa tinh thể - hạt  Quan sát mặt gẫy của KL dùng trong kỹ thuật: gồm rất nhiều các tinh thể gắn bó nhau: - Đây là trạng thái đa tinh thể - Mỗi phần trong đ : tinh thể hay hạt PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 31 5 .1. 2 Đa tinh thể - hạt Đặc tính của đa tinh th : - Phương mạng của các hạt lệch nhau... nhau: Tính dị hướng (có hướng) của tinh thể PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 27 4.5 Tính dị hƣớng của tinh thể (Về đọc về ký hiệu phương và mặt tinh thể) PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 28 4.5 Tính dị hƣớng của tinh thể PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 29 5 CẤU TẠO MTT THỰC TẾ CỦA KL NGUYÊN CHẤT 5 .1 Đơn tinh thể, đa tinh thể 5 .1. 1 Đơn tinh thể Đôi khi gặp khối KL có kích thước nhỏ trong đó MTT có mặt, phương đồng nhất ở mọi điểm:... NGỌC HÀ 19 4 CÁC TÍNH CHẤT CỦA MTT 4 .1 Thông số mạng  Thông số mạng là kích thước cơ bản của MTT  Mạng lptt: a khoảng cách tâm 2 nguyên tử gần nhau nhất: d= a 3/2; bán kính nguyên t : r= a 3/4 PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 20 4 .1 Thông số mạng  Mạng lpdt: a khoảng cách tâm 2 nguyên tử gần nhau nhất: d= a 2/2; bán kính nguyên t : r= a 2/4  Mạng lgxc: a, c c/a= (8/3)0,5 1, 633 PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 21 4.2 Mật... HÀ 14 3 .1 Mạng lập phƣơng thể tâm Số nguyên tử trong 1 khối cơ bản: (1/ 8 x 8) + 1 = 2 PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 15 3.2 Mạng lập phƣơng diện tâm (lpdt) (lập phƣơng tâm mặt) 8 đỉnh: 8 nguyên tử 6 nguyên tử ở tâm 6 mặt bên PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 16 3.2 Mạng lập phƣơng diện tâm Các nguyên tử tiếp xúc nhau theo đường chéo mặt Số nguyên tử trong 1 khối cơ bản: (1/ 8 x 8) + (½ x 6) = 4 Các KL có kiểu mạng. .. đường, mặt và mật độ mạng PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 22 4.2 Mật độ nguyên tử Theo phương: Ml= l/L Theo mặt: Ms= s/S Theo mạng tinh th : Mv= v/V Trong đ : l, s, v – chiều dài, diện tích, thể tích bị chiếm chỗ bởi nguyên tử, ion L, S, V – tổng chiều dài, diện tích, thể tích đang xét trong tinh thể PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 23 4.2 Mật độ nguyên tử  Mật độ nguyên tử  Mật độ mạng MV: theo mặt MS: MV= n.4/3 r3/V...PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 11 PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 12 3 CÁC KiỂU MTT ĐiỂN HÌNH Đa số các kim loại được đặc trưng bởi ba kiểu mạng: - Lập phương thể tâm: Li, Na, K, V, Cr, Fe, Pb, W,… - Lập phương diện tâm: Fe, Al, Ca, Ni, Cu, Ag, Au,… - Lục giác: Be, Mg, Cd, Ti, Co, Zn,… PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 13 3 .1 Mạng lập phƣơng thể tâm (lptt) (Lập phƣơng tâm khối) Khối cơ bản: 8 nguyên tử ở 8 đỉnh (không... mặt V – thể tích khối cơ r – bán kính nguyên tử bản S – diện tích của mặt PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 24 4.3 Lỗ rỗng trong MTT  Mạng lptt: - khối tám mặt: 0 ,15 4 d; 6 lỗ - khối bốn mặt: 0,2 21 d; 12 lỗ  Mạng lpdt: - khối tám mặt: 0, 41 d; 4 lỗ - khối bốn mặt: 0,225 d; 8 lỗ PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 25 4.4 Tính thù hình của kim loại Nhiều KL ở những khoảng nhiệt độ khác nhau có các kiểu MTT khác nhau; ví d : Fe,... một chất có nhiều kiểu MTT: tính thù hình Chuyển biến của một chất từ kiểu MTT này sang kiểu MTT khác: chuyển biến thù hình Kí hiệu: , , , … Thí d : sắt ( 911 , 13 92, 15 390C) PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 26 4.5 Tính dị hƣớng của tinh thể  Mật độ nguyên tử theo các hệ phương khác nhau là khác nhau  Mật độ nguyên tử theo các hệ mặt khác nhau cũng khác nhau  Tính chất của tinh thể khác nhau theo các phương... nguyên tử trong 1 khối cơ bản: (1/ 8 x 8) + (½ x 6) = 4 Các KL có kiểu mạng này: Fe, Ni, Cu, Al, Pb … PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 17 3.3 Mạng lục giác xếp chặt (lgxc)  12 nguyên tử ở 12 đỉnh của 2 lục giác  2 nguyên tử ở tâm của 2 lục giác  3 nguyên tử ở tâm của 3 khối lăng trụ tam giác xen kẽ PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 18 3.3 Mạng lục giác xếp chặt  6 nguyên tử ở mỗi mặt cùng tiếp xúc với nguyên tử ở tâm... bứt khỏi nút mạng để lại nút trống Nguyên tử xen kẽ  Do ngtử khi rời khỏi nút mạng chuyển sang vị trí giữa các nút  Do ngtử tạp chất xen kẽ giữa các nút Nguyên tử thay thế  Ngtử tạp chất thay thế các nguyên tử nền ở nút mạng PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 35 5.2.2 Sai lệch đƣờng Lệch (Dislocation) Sai lệch có kích thước nhỏ (cỡ kthước ntử) theo 2 chiều và rất lớn theo chiều thứ 3 trong tinh thể Lý thuyết ... MẠNG TINH THỂ Có 14 kiểu mạng thuộc hệ theo tương quan: - Giữa kích thước: a, b, c - Giữa góc: , , PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 10 PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 11 PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 12 CÁC KiỂU MTT ĐiỂN... NGUYỄN NGỌC HÀ 13 3 .1 Mạng lập phƣơng thể tâm (lptt) (Lập phƣơng tâm khối) Khối bản: nguyên tử đỉnh (không tiếp xúc nhau) tiếp xúc với nguyên tử tâm khối PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 14 3 .1 Mạng lập phƣơng... Số nguyên tử khối bản: (1/ 8 x 8) + (½ x 6) = Các KL có kiểu mạng này: Fe, Ni, Cu, Al, Pb … PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 17 3.3 Mạng lục giác xếp chặt (lgxc)  12 nguyên tử 12 đỉnh lục giác  nguyên