hoàn chỉnh Khoa Học Vật Liệu Cơ Khí

Khoa Học Vật Liệu Cơ Khí Câu 1: Định nghĩa, đặc điểm, cách xây dựng, tính chất mạng tinh thể lý tưởng kim loại? a Định nghĩa: Mạng tinh thể lý tưởng mơ hình khơng gian mơ tả quy luật hình học xếp nguyên tử (chất điểm) vật thể tinh thể b Đặc điểm: - Tính vơ hạn: Khơng bị hạn chế kích thước, bao hàm khơng gian vơ tận - Tính tuần hồn: Nếu qua hai chất điểm mạng vẽ đường thẳng tất chất điểm nằm đoạn đề cách đoạn giống tính lặp lại cách chu kỳ chất điểm theo phương không gian - Số xếp: Mỗi chất điểm điều bao quanh số lượng chất điểm gần với khoảng cách - Ơ bản: Tồn thể mạng xem tạo thành từ khôi đơn giản, giống mà cách xếp chất điểm khối xem đại diện chung cho toàn mạng c Cách xây dựng: - Trong khơng gian dựng hệ tọa độ Oxyz có gốc O, góc α, β, Ɣ (α góc oy oz, β góc ox oz, Ɣ góc oy ox) + Trong không gian dựng hệ tọa độ Oxyz có gốc O, góc: α góc hợp (oy oz), β góc hợp (ox oz), γ góc hợp (ox oy) uuu r r uuur r uuur r + Lần lượt đặt cùng gốc O ba véc tơ OA = a, OB = b, OC = c lên trục tọa độ ox,oy,oz + Xây dựng khối hộp mặt gốc O trùng với gốc trục tọa độ r r r + Ba cạnh | a |, | b |, | c | + Ba góc: α, β, γ + Gắn nguyên tử (chất điểm) vào ô - Cách xây dựng ô bản: + Thể tích chứa ngun tử gọi ô đơn giản + Thể tích ô chứa nguyên tử gọi ô phức tạp - Giả thiết có vơ số giống ta xếp ô cùng loại nằm xít theo qui luật định tạo nên mạng tinh thể không gian d Các quy định chung mạng tinh thể: - Vị trí nguyên tử chiếm chỗ gọi nút mạng - Đường thẳng nối tâm hai nguyên tử gọi phương mạng - Mặt phẳng qua tâm ba nguyên tử không thẳng hàng gọi mặt mạng - Khoảng cách hai nguyên tử gần theo phương gọi chu kỳ dịch chuyển (hay thơng số mạng) theo phương Đơn vị Angtrong, ký hiệu A° (1 A° =10−8 cm) e Tính chất: - Tính dị hướng tinh thể + Tính dị hướng tinh thể thay đởi tính chất phụ thuộc vào phương tinh thể + Nguyên nhân xếp có trật tự nguyên tử không gian theo phương không giống (khoảng cách nguyên tử khác nhau) nên ảnh hưởng đến tính chất lý hóa tinh thể khác tiến hành đo theo phương khác + Ví dụ: Tinh thể đồng thử bền theo phương trị số bền dao động từ 140 -350 MN/m - Tính thù hình: + Nhiều chất rắn khơng chỉ tồn với cấu trúc mạng tinh thể mà tồn với nhiều cấu trúc mạng khác điều kiện nhiệt độ áp suất định + Những cấu trúc mạng khác cùng chất rắn gọi dạng thù hình + Sự thay đởi từ dạng thù hình sang dạng thù hình khác gọi chuyển biến thù hình + Các dạng thù hình thường ký hiệu chữ hy lạp: α, β, γ, δ, ε… + Thông thường dạng thù hình tồn nhiệt độ bình thường nhiệt độ thấp ký hiệu α còn nhiệt độ cao β, γ, δ, ε… + Ví dụ: C tồn dạng thù hình: Kim cương (lp phức tạp), Kim cương cứng không dẫn điện Graphit kiểu mạng lục giác xếp lớp, graphit mềm tăng khả bôi trơn giảm ma sát dẫn điện Câu 2: Khảo sát mạng lập phương thể tâm (tâm khối-A2, K8) a Vẽ Tính thơng số: Góc, cạnh, số ngun tử n - Ơ sở hình lập phương có chiều dài cạnh a - Vị trí ngun tử sở góc có nguyên tử nằm tâm khối sở - Số nguyên tử (n) thuộc khối sở là: nguyên tử - Bán kính nguyên tử: × r = a × 2a => r = a b Số phối vị: - Định nghĩa: số hạt gần xung quanh hạt Đối với tinh thể ion số ion cùng dấu bao quanh ion trái dấu gần - Mỗi nguyên tử mạng bao quanh nguyên tử cách gần nên số xếp (số phối vị) có ký hiệu K8 - Ta thấy khơng phải tồn thể tích mạng điền kín nguyên tử theo phương khác bố trí nguyên tử khác Theo phương đường chéo nguyên tử xít nhau, theo phương cạnh khối ngun tử khơng xít c Mật độ xếp chặt: * Mật độ xếp chặt mặt (M s): Là tỷ số diện tích tất nguyên tử vùng chọn trước chia cho diện tích vùng ns: sớ lượng nguyên tử tính diện tích S của mặt tinh thể đã cho Đối với mạng lập phương thể tâm mặặ̣t chứa hai đường chéo khối mặt chặt nhất, nên ta xét mặt : * Mật độ xếp chặt toàn mạng (Mv): Là tỷ số thể tích tất ngun tử sở thể tích sở V Công thức: => d Lỗ hổng: Lỗ hổng mặt lỗ hổng mặt * Lỗ hổng khối mặt: - Vị trí tâm lỗ hởng điểm cạnh tâm mặt khối sở, lỗ hổng bao bọc nguyên tử tạo thành khối mặt - Kích thước lỗ hởng xác định đường kính tối đa hình cầu nằm lọt lỗ hởng - Số lượng lỗ hởng: - Đường kính lỗ hởng : (d đường kính ngun tử kim loại) *Lỗ hởng khối mặt: Lỗ hổng mặt Lỗ hổng mặt Câu 3: Khảo sát mạng lp tâm mặt (diện tâm-A1, K12) a Vẽ Tính thơng số: Góc, cạnh, số ngun tử n - Ơ sở hình lập phương với số mạng a - Vị trí nguyên tử nằm đỉnh trung tâm mặt bên khối sở - Số nguyên tử thuộc khối sở tính sau: - Bán kính nguyên tử: × r = a => r = a b Số phối vị: - Định nghĩa: số hạt gần xung quanh hạt Đối với tinh thể ion số ion cùng dấu bao quanh ion trái dấu gần - Mỗi nguyên tử bao quanh 12 nguyên tử cách gần với khoảng cách có số xếp K=12 c Mật độ xếp chặt: * Mật độ xếp chặt mặt (M s): Là tỷ số diện tích tất nguyên tử vùng chọn trước chia cho diện tích vùng ns: sớ lượng ngun tử tính diện tích S của mặt tinh thể đã cho - Các ngun tử xếp xít mặt ABC hình Ta có cơng thức chung: * Mật độ xếp chặt tồn mạng (M v): Là tỷ số thể tích tất nguyên tử ô sở thể tích sở V Cơng thức: => d Lỗ hổng: Lỗ hổng mặt lỗ hổng mặt Lỗ hổng mặt Lỗ hổng mặt Câu 4: Khảo sát mạng lục giác xếp chặt (A3-S12) a Vẽ Tính thơng số: Góc, cạnh, số ngun tử n H1 Ơ H2 Mặt xít chặt - Ơ sở hình lăng trụ đứng sáu cạnh với số a c - Các nguyên tử nằm 12 góc khối, trung tâm hai mặt đáy trung tâm ba khối lăng trụ đứng tam giác cách - Số nguyên tử ô sở - Bán kính nguyên tử: b Số phối vị: - Định nghĩa: số hạt gần xung quanh hạt Đối với tinh thể ion số ion cùng dấu bao quanh ion trái dấu gần - Mỗi nguyên tử bao quanh 12 nguyên tử cách ngắn với khoảng cách đường kính nguyên tử a, nên số xếp K12 mà mạng lục giác nên gọi S12 c Mật độ xếp chặt ( mặt độ mặt mặt độ khối): * Mật độ xếp chặt mặt (M s): Là tỷ số diện tích tất nguyên tử vùng chọn trước chia cho diện tích vùng ns: sớ lượng ngun tử tính diện tích S của mặt tinh thể đã cho * Mật độ xếp chặt toàn mạng (M v): Là tỷ số thể tích tất nguyên tử sở thể tích sở V Công thức: => d Lỗ hổng: Lỗ hổng mặt lỗ hổng mặt Lỗ hổng mặt khối ABCDFE Lỗ hổng mặt khối PKHQ Câu 5: Trình bày cấu tạo mạng tinh thể thực kim loại (đơn tinh thể, đa tinh thể) khuyết tật mạng tinh thể thực kim loại (khuyết tật điểm, khuyết tật đường) a Cấu trúc: * Đơn tinh thể: - Nếu khối kim loại đem dùng có mạng thống phương mạng khơng đởi tồn thể tích gọi đơn tinh thể ` - Đơn tinh thể mang tính dị hướng giống tính chất kl lý tưởng - Khi đơn tinh thể lớn lên không bị vật thể xung quanh hạn chế đơn tinh thể có hình dạng định đặc trưng cho kiểu mạng * Đa tinh thể: - Trong thực tế kim loại đem sử dụng dù có kích thước nhỏ cũng bao gồm nhiều tinh thể, cấu tạo gọi đa tinh thể - Khi quanh sát chỗ gãy vỡ kim loại ta thấy gồm vơ số phần tử nhỏ tinh thể, tinh thể dược gọi hạt - Đặc tính đa tinh thể + Sự định hướng mạng tinh thể hạt ngẫu nhiên nên phương mạng hạt lệch góc đó, thường vài độ đến vài chục độ + Đa tinh thể có tính đẳng hướng giả, tức theo phương tính chất giống (trung bình cơng tính chất theo phương khác nhau) + Ở vùng biên giới hạt, nguyên tử chịu qui luật định hướng tất hạt xung quanh nên có xếp khơng trật tự, hay nói khác mạng tinh thể bị xơ lệch - Qui luật hạt: Mỗi hạt tinh thể nên có tính dị hướng xong phương mạng hạt lệch khoảng cách trung bình thống kê nguyên tử theo tất phương thử làm cho tính dị hướng không còn * Siêu hạt: - Định nghĩa: Trong hạt phương mạng không tuyệt đối ổn định, hạt còn nhiều phận nhỏ mà phương mạng chúng lệch góc nhỏ phận gọi siêu hạt hay block - Tính Chất: Biên giới siêu hạt cũng có mạng tinh thể bị xô lệch mức độ thấp so với biên giới hạt - Quy định siêu hạt: Các phương mạng lệch góc nhỏ nên thường bỏ qua a Biến dạng theo đơn tinh thể theo chế trượt: - Mặt trượt: + Mạng tinh thể có vơ số mặt phương tinh thể mặt phương cũng mặt phương trượt + Mặt trượt mặt có nguyên tử liên kết bền vững (khoảng cách ngắn nhất) đồng thời mối liên kết mặt trượt với phải nhỏ nhất, muốn khoảng cách hai mặt đối diện phải lớn Để thỏa mãn hai yêu cầu mặt trượt mặt có mật độ nguyên tử lớn (các nguyên tử nằm sát nhất) - Phương trượt: + Mạng lập phương thể tâm: có mặt trượt, mặt trượt có hai phương trượt + Mạng lập phương diện tâm: có mặt trượt, mặt trượt có ba phương trượt + Mạng lục giác xếp chặt: có mặt đáy mặt trượt, mặt đáy có ba phương trượt - Số hệ trượt ảnh hưởng đến hoạt động trượt: + Khả biến dạng dẻo kim loại sơ đánh giá theo số hệ trượt (số cách trượt) tức theo tích số mặt trượt với phương trượt + Ký hiệu hệ trượt: H + Nếu xét mặt trượt: H= (số mặt trượt x số phương trượt) Ví dụ: Mạng lập phương thể tâm H= 6x2=12 Mạng lập phương diện tâm H= 4x3 =12 Mạng lục giác H=1x3 = + Nhận xét: ~ Hệ số trượt nhiều tính dẻo cao ~ Khi có cùng hệ số loại mạng có số phương trượt mặt trượt nhiều dẻo trượt b Vai trò ứng suất trượt: P λ ϕ Pτ Pn Fϕ POK O Fo Phươ ng trượt σ τ = × σ × sin 2ϕ × cos λ ≥ στ th Vai trò P ϕ - P = Fo × σ o σ o ứng suất pháp tác dụng lên tiết diện ngang mẫu Fo , P tiết diện tải trọng đơn tinh thể - σ τ phụ thuộc nhiều vào định hướng mặt trượt với phương tải trọng (tức góc ϕ ) + Khi ϕ = 0o hay ϕ = 90o dù tải trọng dặt vào lớn σ τ = trượt xảy + Các vị trí ϕ khác có giá trị σ τ tương ứng c Cơ chế trượt: * Đối với đơn tinh thể hồn thiện (lý tưởng) Hình: Sơ đồ trượt mạng tinh thể lý tưởng - Mô tả trình trượt mạng tinh thể lý tưởng + Các nguyên tử 1234 cách nguyên tử 1’2’3’4’ theo chiều đứng a chiều ngang b + Khi nguyên tử 1234 vị trí cân lực tác dụng lên từ ngun tử xung quanh + Khi nguyên tử dịch chuyển khoảng x cân bị phá vỡ + Giả sử nguyên tử dịch chuyển khoảng xb/2 nguyên tử chịu lực hút chủ yếu 2’ + Khi x=b lực tác dụng lên nguyên tử 0, đến vị trí - Độ bền lý thuyết: b G 2π x G σ τ lt = × × sin Đơn giản a=b, x=b/4 σ τ lt = 2π a 2π b * Đối với đơn tinh thể chứa lệch (khơng hồn thiện): - Q trình trượt: Nếu có σ τ tác dụng lên mặt trượt cân bị phá vỡ Khi chỉ cần ứng suất có giá trị nhỏ bán mặt AB bắt đầu di chuyển đoạn nhỏ, tiến đến vị trí đối diện với nguyên tử hàng dưới, lúc bán mặt AB chuyển sang bán mặt A’B’ Quá trình trượt xảy với chuyển động bán mặt AB từ trái sang phải trượt kết thúc bán mặt AB chuyển tới bề mặt tinh thể tạo bậc thang - Độ bền thực tế: + Ứng suất gây trình trượt thực tế gọi độ trượt thực tế στ tt +Nếu a=b, μ=1/3 độ bền thực tế σ τ tt = 36 8.103 Câu 6: Trình bày động học trình kêt tinh biết phương trình:    π Vτ = V  1− exp  − × n× v × τ ÷  3 o     * Định nghĩa động học trình kết tinh: Là nghiên cứu mối quan hệ lượng kim loại lỏng đã kết tinh theo thời gian THÔNG SỐ Vτ : Lượng kim loại đã kết tinh thời điểm τ Vo : Lượng kim loại lỏng ban đầu n: Tốc độ sinh mầm τ : Thời gian xét v: Tốc độ phát triển tinh thể 100 V(*τ ) b5 b4 b3 T 50 * Nhận xét: - Q trình kết tinh khơng xảy tức thời mà cần thời gian chuẩnτ bị (điểm a), trình kết tinh tương ứng kết thúc (điểm b) O a5 a4 a3 a2 - Trị số nv3càng lớn kết tinh xảy nhanh tức khoảng thời gian chuẩn bị kết tinh (oa), khoảng thời gian kết tinh (ab) nhỏ - Tốc độ kết tinh dV(τ* ) đạt cực đại V(τ* ) = 50% v n g n ă * Xác định đường cong động học: Vo T To T3 T4 T5 a4 a5 a3 b4 b5 Bắt đầu kết tinh O b3 T T3 T4 T5 Kết thúc kết tinh lg τ To ∆T nv - Mối quan hệ nhiệt độ kết tinh đẳng nhiệt với tốc độ sinh mầm tốc độ phát triển mâm độ nguội ∆T biểu thị hình - Giản đồ tởng hợp động học kết tinh chung có dạng hai đường cong chữ ‘C’ (aa bb) đường nối điểm bắt đầu a kết thúc kết tinh b - Khi độ nguội ∆T bé trị số nv3 cũng bé nên thời gian chuẩn bị oa khoảng thời gian kết tinh ab lớn Các điểm a,b cách xa trục tung - Nếu giảm nhiệt độ kết tinh tức tăng độ q ngi ∆T trị số nv3 tăng nên điểm a,b gần phía trục tung - Khi tăng độ nguội ∆T vượt điểm cực đại nv3 nv3 giảm khoảng thời gian chuẩn bị oa khoảng thời gian kết tinh ab lại tăng dần Các điểm a,b lại cách xa trục tung Do làm cho đường cong q trình kết tinh có dạng chữ ‘C’ - Giản đồ chữ ‘C’ chai làm vùng + Vùng phía bên trái đường aa vùng kim loại còn tồn trạng thái lỏng ổn định gọi vùng kim loại lỏng nguội + Vùng nằm aa bb tương ứng với trình kết tinh xảy + Vùng bên phải đường bb vùng kim loại đã kết tinh xong - Trong thực tế kim loại kết tinh chủ yếu xảy theo chế mầm ký sinh với độ nguội bé nên thực độ nguội ∆T lớn đường cong chữ C xác định thực nghiệm chỉ có nhánh phía hình Câu : Độ hạt sau kết tinh định hướng làm nhỏ hạt và phương pháp nhỏ hạt * Độ hạt sau kết tinh - ĐN: Độ hạt đặc tính quan trọng tiêu chuẩn đánh giá chất lượng kim loại ... tạp đòi hỏi phải cơng nghệ cao, chi phí kinh tế lớn Các tinh thể dạng sợ thu kích thước bé, chưa có khả làm chi tiết bé ~ Ứng dụng: Làm loại vật liệu kết hợp- loại vật liệu dang phát triển... tưởng, tức khơng chứa lệch độ bền cao, gàn đạt đến độ bền lý thuyết Hiện vật liệu học đã chế tạo đơn tinh thể siêu đường kính cơ? ? micromet, có độ bền cao độ bền tinh thể thông thường hang chục đến... thường gặp: * Hợp kim hóa học hóa trị thường: - Đây pha có mạng tinh thể phức tạp khác hẳn với nguyên tố thành phần, có thành phần hóa học cố định (tương ứng với cơng thức hóa học tuân theo qui tắ́c