Trong bộ slide này trình bày toàn bộ các vấn đề liên quan đến cấu trúc mạng tinh thể kim loại, các sai lệch của mạng tinh thể kim loại, các quá trình của sự kết tinh, mầm, sự hình thành tổ chức kim loại....
Mở đầu •Khoa học vật liệu nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc tính chất vật liệu •Kỹ thuât Vật liệu : thiết kế ( tạo ra) cấu trúc chất mong muốn đạt tính Vật liệu gì? vật rắn sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình…… VẬT LIỆU KIM LOẠI Kim loại nhóm vật liệu chính: VL kim loại, Ceramic, Polymer Composite 1- VL bán dẫn 2- VL siêu dẫn Composite 3- VL silicon 4- VL polymer dẫn điện Polymer Ceramic Vật liệu kim loại: tổ hợp nguyên tố KL, cấu trúc mạng tinh thể Đặc điểm: - dẫn nhiệt, dẫn điện cao, - có ánh kim, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng - dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép), - bền học, bền hóa học Vai trò vật liệu kim loại • Được sử dụng nhiều Cần thiết lĩnh vực sống: -Dân dụng ( đồ dùng ) -Là vật liệu chủ yếu chế tạo máy -Trong CN xây dựng -Trong CN tàu thủy -Một số điều kiện làm việc đặc biệt chịu nhiệt độ cao, chịu ăn mòn, mài mòn, giãn nở nhiệt nhỏ, có từ tính… Vật liệu kim loại bao gồm: - Hợp kim hệ sắt (Ferrous Alloys): kim loại hợp kim sở sắt- cácbon thép cácbon thông thường, thép hợp kim, thép dụng cụ, thép không gỉ ; - Hợp kim phi sắt ( Nonferrous Alloys)-hay gọi hợp kim màu: kim loại hợp kim nhôm, magiê, titan, đồng… Nội dung môn học: nghiên cứu mối quan hệ tính chất cấu trúc vật liệu KL - Cấu trúc : xếp thành phần bên Cấu trúc vĩ mô vi mô Cấu trúc vĩ mô (tổ chức thô đại; macrostructure): hình thái xếp phần tử lớn với kích thước quan sát mắt thường (giới hạn 0,3mm) kính lúp (0,01mm) Cấu trúc vi mô (microstructure): hình thái xếp nhóm nguyên tử hay phân tử với kích thước cỡ micromet hay cỡ hạt tinh thể với giúp đỡ kính hiển vi quang học (phân ly giới hạn cỡ 0,15m) hay kính hiển vi điện tử (cỡ chục nanômet (10nm) - Tính chất: Tổ chức thô đại - học (cơ tính) - vật lý (lý tính) - hóa học (hoá tính) - công nghệ sử dụng Các tiêu chuẩn vật liệu: Tổ chức tế vi TCVN, Nga, Mỹ, Nhật, Châu Âu… Chương 1: Cấu trúc tinh thể hình thành 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử: Thép C thông thường Cấu tạo nguyên tử: Gang xám -Các e chuyển động bao quanh hat nhân trung hòa điện -Hạt nhân gồm proton (mang điện tích +) nơtron ( không mang điện) Sau xử lý nhiệt -Các e bao quanh hạt nhân tuân theo mức lượng từ thấp tới cao Siêu hợp kim (Ni-Cr cao) 1.2 Sự xếp nguyên tử vật chất Liên kết kim loại: hình thành tương tác e tự chuyển động mạng tinh thể ion dương tạo thành Đặc điểm: •Năng lượng liên kết tổng hợp lực hút đẩy tĩnh điện •Được tạo thành từ ng.tử có e hóa trị →e tự • Cấu trúc có tính đối xứng cao Chất khí: nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn Chất lỏng: có trật tự gần, trật tự xa Chất rắn tinh thể: nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định (có trật tự xa) Chất rắn vô định hình: nguyên tử xếp trật tự vô định hình: trạng thái lỏng có độ sệt cao→chuyển từ lỏng sang rắn →không đủ độ linh hoạt -VD: thủy tinh SiO2 Chất rắn vi tinh thể: có cấu trúc tinh thể trạng thái cỡ hạt nano Vng>10.0000/s 1.3 Khái niệm mạng tinh thể Vì cần nghiên cứu mạng tinh thể Tính chất vật liệu bị đinh cấu trúc mạng tinh thể Đ/n: Mạng không gian tạo ng.tử (ion), xếp theo qui luật chặt chẽ, biểu diễn dạng hình học định→mạng tinh thể Tính đối xứng: Ô sở: •là khối thể tích nhỏ có cách xếp ng.tử đại diện cho mạng t.t.với tính chất hình học đặc trưng cho mạng •Chỉ cần biểu diễn mạng t.t ô sở Coi nguyên tử cầu rắn giống hệt nhau, xếp xít Nối tâm cầu mạng TT - tâm đối xứng - trục đối xứng : bậc trục đối xứng n= 2/ - mặt đối xứng 12 Ô sở cách biểu diễn hệ tinh thể khác phụ thuộc vào mối quan hệ cạnh góc - Xây dựng ô sở: véc tơ a, b c (trên trục Ox, Oy Oz ) véc tơ đơn vị - Các góc , góc tạo véc tơ đơn vị - Độ lớn a, b c số mạng Ba nghiêng (tam tà) abc 90 Một nghiêng abc ==90 Trực thoi abc === 900 Ba phương a=b=c == 900 Sáu phương a =b c = =900 =1200 Bốn phương a =b c === 900 Lập phương a=b=c === 900 14 Nút mạng [x,x,x]: biểu thị toạ độ nguyên tử - Các phương không song song với có trị tuyệt đối số giống nhaucó t/c giống tạo nên họ phương - Đơn vị đo: Chiều dài số mạng trục A [1,1,0] ; B [1,1,1] ; C [0,1,1] z 3.Chỉ số phương [uvw]: D đường thẳng qua hai nút mạng -Họ phương, ký hiệu C -VD: họ có 12 phương B E biểu diễn phương Các phương song song →t/c giống nhau→cùng số với phương qua gốc tọa độ →tỷ lệ với tọa độ nút mạng nằm gần gốc tọa độ OH [010]; OB [111]; O H y Hãy viết phương họ F A x OE [101] 16 4 Chỉ số mặt (chỉ số Miller) (hkl): Cách xác định: -Giao mặt phẳng với trục tọa độ ( m.f không qua gốc tọa độ) -Viết tọa độ điểm z -Lấy nghịch đảo, qui đồng mẫu số D C → giá trị tử số tương ứng với h,k,l E B DFH (111), EFAB (100), FECH (110) H O Họ mặt, ký hiệu {hkl} Chú ý: Không cho phép xác định mặt qua gốc tọa độ Chỉ số mặt (chỉ số Miller-Bravais) (hkil): •Dùng cho hệ sáu phương: •Thêm trục ou: ox,oy,ou ( góc 120o) •i số trục ou i = - (h+k) y F A x Mật độ nguyên tử Mật độ xếp: 18 1.4 Mạng tinh thể vật rắn với liên kết kim loại Lập phương tâm khối (A2) Mật độ xếp theo phương Ml=l/L Mật độ xếp theo mặt Ms=s/S Mật độ xếp theo mạng Mv=v/V Số xếp: số lượng nguyên tử cách gần nguyên tử cho Lỗ hổng: là không gian trống bị giới hạn phần tử nằm nút mạng kích thước lỗ hổng xác định cầu lớn lọt vào không gian trống Số nguyên tử: n=2; dngt=a /2; Mặt xếp chặt {110}; Phương xếp chặt : Mv = 68% Ms {110} =83,4% Mạng tinh thể vật rắn với liên kết kim loại (tiếp) Lập phương tâm mặt (A1) •Lỗ hổng mặt: tâm mặt bên + cạnh, d=0,154dng.t •Lỗ hổng mặt: ¼ cạnh nối điểm cạnh đối diện, d=0,291dng.t •KL điển hình: Feα, Cr, Mo, W…… Số nguyên tử: n=4 d nt = a /2 Mặt xếp chặt : {111} ; Phương xếp chặt: 21 Mv = 74% Ms {111} =92% Mạng tinh thể vật rắn với liên kết kim loại (tiếp theo) Sáu phương xếp chặt (A3) c a - Số nguyên tử: n=6; dnt = a; • Lỗ hổng mặt: tâm khối + cạnh, d=0,414dng.t • Lỗ hổng mặt: ¼ đường chéo khối tính từ đỉnh, d=0,225dng.t VD: Mạng tinh thể Feγ, Ni, Cu, Al… -tỷ số c/a=1,633 mạng xếp chặt - Mặt xếp chặt : (0001); Phương xếp chặt : - Mv = vnt /Vô = 74% 23 VD: Mạng tinh thể Ti, Mg, Zn… 1.5 Dạng thù hình - Là tồn hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nguyên tố hay hợp chất hóa học - Theo chiều T tăng ký hiệu chữ Hylap - Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng sang dạng khác → chuyển biến thù hình Các yếu tố dẫn đến chuyển biến thù hình : nhiệt độ, áp suất • Fe : < 911 oC → Feα mạng A2 • 911 ÷ 1392 oC → Feγ, mạng A1 • 1392 oC - 1539 oC → Feδ; mạng • Khi chuyển biến thù hình → thay đổi thể tích (nở hay co) tính VD: nung nóng Fe > 911oC → co lại đột ngột : Feα → Feγ; Mv thay đổi (từ 68 lên 74%) 26 1.6 Các sai lệch mạng tinh thể Khuyết tật điểm Sai lệch đường: có dạng đường ; có loại 1.Sai lệch điểm: • Hình thành dãy sai lệch điểm tạo nên • Sai lêch có kích thước nhỏ cỡ nguyên tử ( theo chiều khong gian) •Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa mạng tinh thể lý tưởng xô lệch có kích thước vài thông số mạng kéo dài hàng ngàn thông sô mạng; có tác dụng lớn trình trượt • Do có xuất nút trống hay nguyên tử xen kẽ • Mạng TT xung quanh sai lệch điểm bị xô lệch tạo trường ứng suất • Số lượng sai lệch điểm phụ thuộc: T, độ KL Ứng suất gây có lệch Trục lệch 28 Lệch xoắn Lệch biên chuyển động trục lệch b // trục lệch Lệch xoắn có ý nghĩa trình kết tính 29 30 Sai lệch mặt: có kích thước lớn theo chiều nhỏ theo chiều Lệch thực tế -Thường có dạng mặt cong -Điển hình: biên giới hạt, siêu hạt Hợp kim Titan, đường đen lệch TEMX50000 31 32 1.7 Đơn tinh thể đa tinh thể Đơn tinh thể: khối đồng có kiểu mạng số mạng, có phương không đổi toàn thể tích -có tính dị hướng Đa tinh thể: tập hợp nhiều đơn tinh thể có cấu trúc thông số mạng định hướng khác nhau, gắn bó với qua biên giới hạt • Đặc điểm đa tinh thể: - Trong hạt phương mạng đồng nhất, hạt không đồng - Có tính đẳng hướng bình công tính chất theo phương mạng khác - Biên hạt bị xô lệch không tuân theo quy luật xếp tinh thểcó tính chất khác hẳn hạt : + Mv thấp, có nhiều lỗ hổng khả hòa tan nguyên tố khác + Như lớp vỏ cứng cản trở hạt biến dạng +Dễ bị ăn mòn hóa học 34 công nghệ "nuôi" đơn tinh thể Độ hạt: ASTM có 16 cấp, số lớn hạt nhỏ : 00; 0; ….14 • Thường dùng cấp : 1-8 1.8 Sự kết tinh hình thành tổ chức KL Điều kiện xảy kết tinh a Cấu trúc kim loại lỏng - Trong KL lỏng nhóm ng.tử xếp trật tự (trật tự gần) →tồn thời gian ngắn, nhanh chóng tan tạo thành nơi khác - Có liên kết KL →kết tinh dễ b Biến đổi lượng kết tinh - Động lực thúc đẩy lượng dự trữ: Chuyển động nguyên tử, phân tử, ion → lượng tự G : ΔG < 35 G phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ T: + T > Ts , Gr > Gl ( tồn trạng thái lỏng) + T < Ts , Gr < Gl ( tồn trạng thái rắn + T = Ts kết tinh chưa xảy Ts → nhiệt độ kết tinh (hay nóng chảy) lý thuyết c Độ nguội -Là hiệu số Ts T kết tinh thực tế (Tkt ): ΔT= Ts - Tkt - Kết tinh xảy với độ nguội: ΔT > ΔG GR GL Ts T Nhiệt độ, T - Đa số KL nguyên chất kỹ thuật kết tinh với ΔT nhỏ (chỉ -2oC) đến lớn (hàng chục, trăm đến nghìn oC) tùy theo V nguội chậm hay nhanh - Tương tự nung nóng: nóng chảy thực tế xảy với Tch > Ts (độ nung) 37 Hai trình kết tinh → tạo mầm phát triển mầm a Tạo mầm - Mầm phần tử rắn có cấu trúc tinh thể (những nhóm trật tự gần, có sẵn KL lỏng) với kích thước đủ lớn, cố định lại, không bị tan →phát triển lên trung tâm tinh thể (hạt) - có loại mầm : tự sinh ký sinh 39 Mầm tự sinh - Được tạo thành từ KL lỏng đồng nhất, trợ giúp phần từ rắn có sẵn -Coi mầm hình cầu, bán kính r mầm có kích thước lớn rth (mầm tới hạn) trở thành mầm: 2 rth Gv đó: rth - bán kính tới hạn mầm - sức căng bề mặt rắn lỏng, ΔGv - độ chênh lượng tự (Gl - Gr) tính cho đơn vị thể tích →ΔT lớn → Gv lớn, rth nhỏ→ có nhiều mầm 10 Mầm ký sinh - Là tạo mầm bề mặt phân tử rắn có sẵn kim loại lỏng -là dạng tạo mầm thực tế đơn giản hơn: + thực tế là: KL lỏng dù nguyên chất có tạp chất (bụi tường lò, bụi than, bụi chất sơn khuôn thành khuôn) +Mầm gắn lên bề mặt có sẵn theo mặt tương thích (cấu trúc gần giống nhau) σR-R