Đang tải... (xem toàn văn)
giáo trình vật liệu học đại học bách khoa hà nội slide vật liệu học bách khoa hà nội Cấu trúc tinh thể và sự hình thành các dạng liên kết trong chất rắn khái niệm mạng tinh thể cấu tạo và liên kêt nguyên tử ô cơ sở và cách biểu diễn trong vật liệu học nút mạng chỉ số phương chỉ số mặt mạng tinh thể điển hình lập phương tâm khối A2 Lập phương tâm mặt A1 mạng tinh thể điển hình sáu phương xếp chặt các sai lệch trong mạng tinh thể
Mở đầu * khoa học vật liệu nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc tính chất vật liệu Vật liệu gì? Æ vật rắn sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình…… Mở đầu 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 Mở đầu (tiếp theo) Vai trò vật liệu: Polymer Ceramic Chương 1: Cấu trúc tinh thể hình thành 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử: Cấu tạo nguyên tử: e chuyển động bao quanh hat nhân (p+n) Đối tượng vật liệu học cho chuyên ngành khí: Æ nghiên cứu mối quan hệ tính chất cấu trúc vật liệu Tính chất: - học (cơ tính) - vật lý (lý tính) - hóa học (hoá tính) - công nghệ sử dụng Cấu trúc: - nghiên cứu tổ chức tế vi - cấu tạo tinh thể K L M N 1s2 2s2 2p6 3s23p63d6 4s2 Chương 1: Cấu trúc tinh thể hình thành 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử: Các dạng liên kết chất rắn: * Liên kết đồng hoá trị: hình thành nguyên tử góp chung điện tử hoá trị Æ liên kết (Cl2, CH4….) Liên kết có tính định hướng Chương 1: Cấu trúc tinh thể hình thành 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử: Các dạng liên kết chất rắn: * Liên kết kim loại: hình thành tương tác e tự chuyển động mạng tinh thể ion dương Tính kim loại : + Ánh kim + Dẫn điện, dẫn nhiệt + Tính dẻo cao Chương 1: Cấu trúc tinh thể hình thành 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử: Các dạng liên kết chất rắn: * Liên kết ion: hình thành lực hút nguyên tố dễ nhường e hoá trị (tạo ion dương) với nguyên tố dễ nhận e hoá trị (tạo ion âm) Æ liên kết (LiF….) Liên kết tính định hướng Chương 1: Cấu trúc tinh thể hình thành 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử: Các dạng liên kết chất rắn: * Liên kết hỗn hợp: hình thành vật liệu tồn nhiều loại liên kết có góp mặt nhiều loại nguyên tố * Liên kết yếu (Van de Waals): có tương tác phần tử bị phân cực 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử: Sự xếp nguyên tử vật chất Chất khí: nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử: Sự xếp nguyên tử vật chất Chất lỏng: có trật tự gần, trật tự xa Chất rắn vô định hình: cấu trúc giống chất lỏng trước đông đặc 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử: Sự xếp nguyên tử vật chất Chất rắn tinh thể: nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định (có trật tự gần trật tự xa) 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Nối tâm nguyên tử đường thẳng tưởng tượng -> Mạng tinh thể Ô sở: Ælà hình không gian thể tích nhỏ nhỏ đặc trưng cho tính đối xứng mạng tinh thể Chất rắn vi tinh thể: có cấu trúc tinh thể trạng thái cỡ hạt nano Æ Tịnh tiến ô sở theo ba chiều không gian xây dựng toàn mạng tinh thể Ô sở cách biểu diễn Nút mạng [[x,x,x]]: dùng để biểu thị toạ độ nguyên tử → → b Độ lớn a, b c Æ số mạng Các góc α, β γ góc tạo véc tơ đơn vị z A [[1,1,0]] c véc tơ a, b c nằm trục Ox, Oy Oz Æ véc tớ đơn vị D B [[1,1,1]] C [[0,1,1]] E Chỉ số phương [uvw]: Æbiểu diễn phương đường thẳng qua hai nút mạng → a C B O H ÆHai phương // có số Các hệ tinh thể khác phụ thuộc vào mối quan hệ cạnh góc a≠b≠c α≠β≠γ Ba nghiêng (tam tà) a≠b≠c α=β=900≠γ Một nghiêng (đơn tà) a≠b≠c α=β=γ=900 Trực thoi a=b=c α=β=γ≠900 Ba phương (mặt thoi) a=b ≠c α=β=900, γ=1200 Sáu phương (lục giác) α=β=γ=900 Chính phương (bốn phương) a=b ≠c a=b=c α=β=γ=900 Lập phương z Chỉ số mặt (chỉ số Miller) (hkl): •Hai mặt tinh thể // có số OH [010] OB [111] OE [101] Họ phương, ký hiệu :các phương có giá trị tuyệt đối u,v,w giống không kể thứ tự có quy luật xếp nguyên tử C i = - (h+k) E B Cách xác định số mặt: O H y F A x DFH (111), EFAB (100), ABCH(010) Họ mặt, ký hiệu {hkl}: mặt có giá trị tuyệt đối u,v,w giống không kể thứ tự có quy luật xếp nguyên tử A x Chỉ số mặt (chỉ số Miller-Bravais) (hkil): D Mặt tinh thể : Mặt phẳng chứa nút mạng, không qua gốc tọa độ y F 1.3 Một số cấu trúc tinh thể điển hình vật rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại a) Lập phương tâm khối (A2) Ô sở : Khối lập phương cạnh a 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại a) Lập phương tâm khối (A2) Lỗ hổng : Không gian trống nguyên tử; Kích thước lỗ hổng = đường kính cầu lớn đặt lọt lỗ hổng Lỗ hổng mặt: ¼ cạnh nối điểm cạnh đối diện, dlh = 0,291dng.t Số nguyên tử ô sở: Nô = Bán kính nguyên tử: rnt = a.√3/4 Mặt xếp chặt nhất: {110} Lỗ hổng mặt: tâm mặt bên + cạnh, dlh = 0,154dng.t Phương xếp chặt nhất: Kim loại có kiểu mạng A2: Feα, Cr, Mo, W…… Mv = vnt /Vô = 68% 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại a) Lập phương tâm khối (A2) Kim loại có kiểu mạng A2: Feα, Cr, Tiβ, Mo, W, V…… 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại b) Lập phương tâm mặt (A1) Ô sở : Khối lập phương cạnh a Số nguyên tử ô sở: Nô = Bán kính nguyên tử: rnt = a.√2/4 Mặt xếp chặt nhất: {111} Phương xếp chặt nhất: Mv = vnt /Vô = 74% 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại Lập phương tâm mặt (A1) Lỗ hổng mặt: tâm khối + cạnh, d=0,414dng.t 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại b) Lập phương tâm mặt (A1) Kim loại có kiểu mạng A1: Feγ, Au, Ag, Al, Cu, Ni,… Lỗ hổng mặt: ¼ đường chéo khối tính từ đỉnh, d=0,225dng.t 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại c) Sáu phương xếp chặt (A3) Ô sở : Khối lục lăng cạnh đáy a, chiều cao c c a Số nguyên tử ô sở: Nô = Bán kính nguyên tử: rnt = a/2; c/a = 1,633 Mặt xếp chặt nhất: (0001) Phương xếp chặt nhất: Mv = vnt /Vô = 74% 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại Sáu phương xếp chặt (A3) Kim loại có kiểu mạng A3: Tiα Zn, Mg, Mg, Be, Cd, Zr 1.3 Một số cấu trúc tinh thể điển hình vật rắn 1.3.2 Một số mạng tinh thể vật liệu phi kim 1.3.2 Một số mạng tinh thể vật liệu phi kim a) Chất rắn có liên kết cộng hóa trị a) Chất rắncó liên kết cộng hóa trị Thạch anh Cristobalit Kim cương, graphit, fullerence, ống nano cacbon 1.3.2 Một số mạng tinh thể vật liệu phi kim b) Chất rắn có liên kết ion 1.3.2 Một số mạng tinh thể vật liệu phi kim c) Cấu trúc polyme 1.3.2 Một số mạng tinh thể vật liệu phi kim c) Cấu trúc polyme 1.3.3 Dạng thù hình Tồn nhiều cấu trúc tinh thể khác nguyên tố Ký hiệu: α, β, γ, δ…tăng dần theo nhiệt độ Feα – A2, T < 911 oC c a Feγ – A1, T= 911 ÷ 1392 oC Feδ – A2, T= 1392 ÷ 1539 oC → Tính chất khác 1.3.3 Dạng thù hình 1.4 Các sai lệch mạng tinh thể K/n: nguyên tử nằm sai vị trí quy định → a/h tính chất Phân loại: Sai lệch điểm, Sai lệch đường, Sai lệch mặt Sai lệch điểm: kích thước nhỏ (nguyên tử) theo chiều không gian Nút trống nguyên tử xen kẽ: nguyên tử chuyển động bứt khỏi nút mạng c a Nguyên tử tạp chất thay xen kẽ 1.4 Các sai lệch mạng tinh thể 1.4 Các sai lệch mạng tinh thể Sai lệch đường – lệch: kích thước nhỏ (nguyên tử) theo chiều lớn theo chiều thứ ba Lệch xoắn: hai phần mạng tinh thể trượt tương đối so với số mạng Các nguyên tử vùng lệch xếp theo hình xoắn ốc Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa mạng tinh thể lý tưởng Véctơ Burger: đóng kín vòng tròn vẽ mặt phẳng vuông góc với trục lệch chuyển từ tinh thể không lệch sang có lệch b ⊥ trục lệch Trục lệch trục lệch b // trục lệch 1.4 Các sai lệch mạng tinh thể Đặc trưng hình thái lệch Mật độ lệch ρ : ∑l lêch V [ ⎡ cm ⎤ = ⎢ ⎥ = cm−2 ⎣ cm ⎦ Mô hình bong bóng xà phòng ] + Phụ thuộc độ trạng thái gia công - Kim loại trạng thái ủ ρ = 108 cm-2 - Hợp kim kim loại sau biến dạng nguội : ρ = 1010- 1012 cm-2 Ý nghĩa lệch: + Lệch biên có ảnh hưởng lớn đến trình biến dạng dẻo + Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh kết tinh Lệch thực tế 1.4 Các sai lệch mạng tinh thể Sai lệch mặt : kích thước lớn theo hai chiều đo nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng mặt biên giới hạt siêu hạt bề mặt tinh thể Hợp kim Titan 50000 lần 1.5 Đơn tinh thể đa tinh thể Đơn tinh thể: Æ khối đồng có kiểu mạng số mạng, có phương không đổi toàn thể tích + bề mặt nhẵn, hình dáng xác định + đơn tinh thể kim loại không tồn tự nhiên, muốn có phải dùng công nghệ "nuôi" đơn tinh thể 1.5 Đơn tinh thể đa tinh thể Đơn tinh thể: + có tính dị hướng + ứng dụng: Hạt mài Tuốc bin động phản lực Vật liệu bán dẫn 1.5 Đơn tinh thể đa tinh thể Đa tinh thể: Æ tập hợp nhiều đơn tinh thể có cấu trúc thông số mạng định hướng khác 1.5 Đơn tinh thể đa tinh thể Quan sát cấu trúc đa tinh thể qua tổ chức tế vi Đặc điểm đa tinh thể: -các hạt đơn tinh thể đồng - đơn tinh thể (hạt) ngăn cách biên giới hạt -biên hạt bị xô lệch không tuân theo quy luật xếp tinh thể - đồng phương mạng toàn khối Æ tính đẳng hướng 1.6 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.6 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.6.1 Điều kiện kết tinh b) Biến đổi lượng kết tinh ∆G + T >T0 → GL < GR + T GR 1.6.1 Điều kiện kết tinh + T = T0 → Quá trình kết tinh chưa xảy a) Cấu trúc trạng thái lỏng: T0 - nhiệt độ kết tinh (đông đặc) + có trật tự gần, cân động c) Độ nguội : + cấu trúc gần với trạng thái rắn ∆T = T - T0 < ( 1-2 0C ÷ 1000 oC) + đám nguyên tử tâm mầm kt Điều kiện kết tinh : ∆T < (∆G < 0) GR GL T T0 Nhiệt độ, T 1.6 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.6.2 Hai trình kết tinh 1.6 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.6.3 Sự hình thành hạt tinh thể 1.6.3 Sự hình thành hạt tinh thể Hình dạng hạt tinh thể phụ thuộc phương thức làm nguội + Mỗi mầm phát triển thành hạt, hạt phát triển trước to + Các hạt định hướng ngẫu nhiên, không đồng hướng + Vùng biên hạt có mạng tinh thể bị xô lệch → sai lệch mặt + Nguội theo phương Quá trình kết tinh (Movie) + Nguội nhanh theo phương + Nguội nhanh theo hai phương + Nguội nhanh nhiệt luyện 1.6 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.6 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.6.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ đúc 1.6.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ đúc Kích thước hạt A phụ thuộc tốc độ sinh mầm (n) phát triển mầm (v) Biến tính: thêm vào kim loại lỏng lượng chất biến tính làm nhỏ hạt, thay đổi hình dạng hạt Tạo mầm ngoại lai: Kim loại có kiểu mạng tương tự (Ti), chất tạo oxyt, nitrit Al2O3, AlN, đúc thép Hấp phụ: Na (0,01%) cho hợp kim nhôm đúc (103 0C/s) + ∆T < ∆T1 : ∆T tăng → n, v tăng → kích thước hạt nhỏ; Cầu hóa: Mg, Ce, nguyên tố đất + ∆T1 < ∆T < ∆T2 : ∆T tăng → n tăng, v giảm → vật liệu nano; + ∆T > ∆T2 : ∆T tăng → n giảm, v giảm → VL vô định hình; VD : Đúc khuôn cát vs khuôn kim loại Tác động vật lý : rung, siêu âm, đúc ly tâm,… 1.6 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.6.5 Cấu tạo thỏi đúc a) Ba vùng tinh thể thỏi đúc + Lớp vỏ ngoài, hạt nhỏ mịn + Vùng hạt lớn hình trụ vuông góc với thành khuôn + Vùng có hạt lớn đẳng trục b) Khuyết tật vật đúc: + Rỗ co lõm co kết tinh kim loại co lại, không bù + Rỗ khí khí hòa tan không kịp thoát + Thiên tích : không đồng thành phần tổ chức tạp chất tích tụ