Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư

Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư Vật liệu học kỹ thuật PGS. TS. Nguyễn Văn Tư

vật liệu học kỹ thuật Chơng : Bài mở đầu Chơng : Cấu trúc tinh thể Chơng : Biến dạng dẻo tính Chơng : Hợp kim giản đồ pha Chơng : Nhiệt luyện thép Chơng : Thép gang Chơng : Hợp kim màu bột Chơng : Vật liƯu ceramic Ch−¬ng : VËt liƯu polyme Ch−¬ng : Vật liệu copozit Tác giả PGS TS Nguyễn Văn T Bộ môn : Vật liệu học Nhiệt luyện Đại học Bách khoa Hà nội Ngày sinh: 19 tháng năm 1951 Nơi sinh: Phú cờng, Ba vì, Hà tây Kỹ s: 1975, ĐHBK Hà nội Tiến sỹ: 1988, INPG Cộng Hoà Pháp, PGS: 1996 Đà xuất bản: Vật liƯu häc, nxb KHKT, 1996 Xư lý bỊ mỈt, nxb ĐHBK Hà nội, 1999 Ăn mòn bảo vệ vật liƯu, nxb KHKT, 2002 Trë l¹i Menu chÝnh 8/15/2003 Mở đầu a) Mục đích nghiên cứu môn học ã Vật liệu học khoa học nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc tính chất vật liệu, sở đề biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất sử dụng thích hợp ngày tốt b) Đối tợng nghiên cứu - Vật liệu ã Vật liệu dùng để vật rắn mà ngời sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình để thay phận thể thể ý đồ nghệ thuật ã Nh tất chất láng, khÝ cho dï rÊt quan träng song cịng kh«ng phải đốib tợng nghiên cứu môn học c) Bốn nhóm vật liệu (hình 0.1): Kim loại Hình 0.1 Sơ đồ minh hoạ nhóm vật liệu quan hẹ chúng polym Compoz cerami bán dẫn siêu dẫn silicon polyme dẫn điện Vật liệu kim loại: chủ yếu hợp kim= h2 KL+ ákim KL khác - dẫn nhiệt, dẫn điện cao, có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thờng qua, dẻo, dễ biến dạng (cán, kéo, rèn, ép) tính công nghệ tốt - có độ bền học, nhng bền hóa học, trừ Al, kim loại thông dụng khác nh: Fe, Cu, nặng, nhiệt độ chảy biến đổi phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng đợc yêu cầu đa dạng kỹ thuật Ceramic (vật liệu vô cơ) : Là hợp chất KL, silic với kim (ôxit, nitrit, cacbit), bao gồm loại: gốm VLCL, thủy tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông - cứng, giòn, bền nhiệt độ cao, bền hóa học - dẫn nhiệt dẫn điện (cách nhiệt cách điện) Polyme (vật liệu hữu cơ): Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu C, H ¸ kim, cã cÊu tróc ph©n tư lín - nhĐ, dÉn nhiƯt, dÉn ®iƯn kÐm - nãi chung dƠ n dẻo, đặc biệt nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấp - bền vững hóa học nhiệt độ thờng khí Compozit: kết hợp hai hay ba loại vật liệu kể trên, mang hầu nh đặc tính tốt vật liệu thành phần Ví dụ bêtông cốt thép (vô - kim loại) vừa chịu kéo tốt (nh thép) lại chịu nén cao (nh bêtông) Hiện dùng phổ biến compozit hệ kép: kim loại - polyme, kim loại - ceramic, polyme - ceramic víi nh÷ng tÝnh chÊt míi lạ, hấp dẫn Ngoài bốn loại - bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian kim loại ceramic (trong hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau gần với ceramic hơn) - silicon nằm trung gian vật liệu vô với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu d) Vai trò vật liệu Lịch sử phát triển vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển loài ngời ắ Sử dụng vật liệu có sẵn tự nhiên đồ đá ắ Chế tạo, sử dụng vật liƯu theo kinh nghiƯm, KL ph¸t triĨn → m¸y mãc t ngời Việt luyện thép 3000 năm TCN, La mà cổ đại thép từ TK 10-15 TCN Cét thÐp New Dehli, 6,5 tÊn kho¶ng TK SCN, không gỉ? ắ Luyện thép quy mô CN TK 19 tạo tháp Eiffel cao 320m, nặng 7341 Bê tông cốt thép, năm 1875 (Hoa kỳ), gốm Việt nam Trung hoa lâu đời ắ Sử dụng vi tính máy tính công nghệ cao với nÒn kinh tÕ tri thøc →? o BÊt kú mét sáng tạo ngời phải sử dụng vật liệu, phải khai thác đặc tính khác vật liệu ắ Cơ khí (vật liệu kim loại) máy tính học (vài chục phép tính/phút) máy tính điện tử MHCK22 (vài trăm phép tính/phút) ắ Đèn điện tử ắ Bán dẫn (vi xử lý) (90-130)MHz → 200MHz (P) → (330-400)MHz (PII) → (400700)MHz (PIII), PIV 1GHz, ? Máy hút bụi: gỗ (hộp) kim loại (trụ) polyme (cầu) công suất gấp 10, kÝch th−íc 1/3 o Xu h−íng ph¸t triĨn cđa vật liệu Ôtô (Mỹ) 1978: thép (60)%, polyme (10-20)%, HK Al (3-5)%, VL khác lại 1993: thép (50-60)%, polyme (10-20)%, HK Al (5-10)%, VL khác lại Polyme, compozit xu hớng tăng, kim loại giảm nhng quan trọng Au Cu brông kim loại Fe gang thép thÐp polyme hỵp kim elastome hỵp kim keo nhĐ caosu hợp kim vô định hình HK Al-Li thép đối ngẫu HK vi lợng siêu HK kim loại chủ yếu chất lợng, CN polyme polyme elastome compoZit chịu nhiệt đá polyme compozit bakêlit đồ gốm mô đun cao comp nylon thuỷ tinh polyeste comp.nền cer xi măng PE ceramic KL VL chịu lửa ceramic PC PS PP xi măng ceramic độ dai cao thuû tinh poclan (Al2O3-Si3N4, PSZ,… HK cøng 10000 5000 1960 1980 1990 2000 2010 2020 1800 1900 siêu hợp kim Ti, Zr, TCN TCN Hình 1.1 Phân bố vật liệu e) Nội dung môn học gồm bốn phần chính: - Cấu trúc tính: quan hệ cấu trúc tính có nhấn mạnh cho kim lo¹i gåm cÊu tróc tinh thĨ, t¹o pha, tỉ chøc, biến dạng, phá hủy - Hợp kim biến đổi tỉ chøc: cÊu tróc cđa hỵp kim, chun pha → nhiệt luyện - Vật liệu kim loại: tổ chức, thành phần hóa học, tính, nhiệt luyện công dụng - Vật liệu phi kim loại: cấu trúc, thành phần, tính, tạo hình công dụng Lựa chọn & Sử dụng hợp lý vật liệu: đảm bảo tiêu cơ, lý, hoá tính, tính công nghệ đồng thời rẻ, nhẹ bảo vệ môi trờng CMS (Cambridge Materials Selector) Quan hƯ tỉ chøc - tÝnh chÊt hay sù phơ thc cđa tÝnh chÊt cđa vËt liƯu vµo cấu trúc nội dung toàn môn học Tổ chức hay cấu trúc xếp thành phần bên bao gồm tổ chức vĩ mô vi mô vật liệu Tổ chức vĩ mô gọi tổ chức thô đại (macrostructure) hình thái xếp phần tử lớn, quan sát đợc mắt thờng (0,3mm) kính lúp (0,01mm) Tổ chức vi mô hình thái xếp phần tử nhỏ, không quan sát đợc mắt hay lúp Bao gồm loại: - Tổ chức tế vi (microstructure) hình thái xếp nhóm nguyên tử hay phân tử (pha) với kích thớc cỡ micromet hay cỡ hạt tinh thĨ (mm) víi sù gióp ®ì cđa kÝnh hiĨn vi quang học (0,15àm) hay kính hiển vi điện tử (10nm) - Cấu tạo tinh thể hình thái xếp tơng tác nguyên tử không gian, dạng khuyết tật mạng tinh thể tia X phơng tiện khác Tính chất bao gồm: tính, vËt lý tÝnh, hãa tÝnh, tÝnh c«ng nghƯ & sư dụng f) Các tiêu chuẩn vật liệu - Tiêu chuẩn ViƯt Nam - TCVN - Tiªu chn 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), AA (Aluminum Association), CDA (Copper Development Association), UNS (Unified Numbering System) - Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS - Tiêu chuẩn Châu Âu EN - Đức DIN, Pháp NF, Anh BS tiêu chuẩn quan trọng cần biết Chơng Cấu trúc tinh thể hình thành 1.1 Cấ u tạ o liê n kế t nguyê n tử nguyê n tử = hạ t nhâ n + electron = (proton + nơtron) + electron nơtron không mang điệ n proton mang điệ n d ng = điệ n tí ch electron ng/tử trung hoà Khá i niệ m bả n cấ u tạ o nguyê n tư CÊ u h× nh electron (electron configuration) chØ râ: sè l−ỵng tư chÝ nh (1, 2, ), ký hiƯ u ph© n líp (s, p, d ), số l ợng electron thuộc phâ n lớp (số mũ trê n ký hiệ u phâ n lớ p) Ví dô : Cu cã Z = 29 cã cÊ u hì nh electron 1s22s22p6 3s23p63d104s1 qua biế t đ ợc số electron ngoà i (ở đâ y 1, hóa trị 1) Cá c kim loạ i chuyÓ n tiÕ p: Fe cã Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2 1.1.2 Cá c dạng liê n kế t nguyê n tử chất rắn Cá c loạ i vậ t liệ u c tồn tạ i cá c ng liê n kế t riê ng Sự c cá c ng liê n kế t nguyê n nhâ n tạ o nê n cá c tí nh chấ t c a Liê n kế t đồ đồng ng hó hóa a trị Là liê n kế t hai (hoặ c nhiề u) nguyê n tử góp chung số electron hóa trị đ ể có đ ủ tá m electron lớ p ngoà i cïng Cã thĨ lÊ y ba vÝ dơ nh− sau (hì nh 1.1) ã Clo có Z=17 (1s22s22p63s23p5), có 7e lớp ngoà i cùng, nguyê n tử Cl nguyê n tử gó p chung electron để lớp ngoà i 8e (hì nh 1.1a) Cl + Cl Cl a) Cl H Ge b) Ge Ge Ge H c) Ge C H H H× nh 1.1 Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hóa trị a phân tử clo, b giecmani (Ge), c mêtan (CH4) ã Giecmani (Ge, z=32) cã 4e líp ngoµ i cïng (4s2, 4p2), nguyê n tử góp chung (hì nh 1.1b) Liê n kế t giữ a cá c nguyê n tư cïng lo¹ i (tõ IVB VIIB nh− Cl, Ge) loạ i đ ng cực, cò n giữ a cá c nguyê n tố c loạ i nh CH4 loạ i dị cực ã Mê tan (CH4) Cacbon (z=6), cã 4e líp ngoµ i cïng vµ nguyê n tử H để nguyê n tử nµ y gã p cho nã electron lµ m cho lớp electron ngoà i đủ (hì nh 1.1c) b Liª n kÕ t ion KL nhã m IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e cá c nguyê n tố : VIB (O, S ), VIIB (H, F, Cl, Br, I) Cá c ô xit kim lo¹ i nh− Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO có xu mạ nh vớ i tạ o liê n kế t ion ã Liê n kế t ion cà ng mạ nh lớp ngoà i (cho) chøa Ý t e, nhË n n» m cµ ng gầ n hạ t nhâ n ã Liê n kế t khô ng đị nh h ớng (đị nh hớng xá c suấ t liê n kế t lớn nhấ t theo ph ng nối tâ m cá c nguyª n tư), vË t liƯ u cã liª n kế t ion tí nh giòn cao Ion dơng Mâ y Electron Li+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ F- Hì nh 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết ion phân tử LiF Hì nh 1.3 Sơ đồ liên kết kim loại c Liê n kế t kim loại (hì ( nh 1.3) o Đ/n: liê n kế t cá c cation kim loạ i nhấ n chì m đá m mâ y electron tự o Nă ng l ợ ng liê n kế t tổ ng hợp (câ n bằ ng) cá c ion kim loạ i có vị trí xá c đị nh Cá c nguyê n tè nhã m Ia cã tÝ nh kim lo¹ i điể n hì nh, cà ng dị ch sang bê n phả i tí nh chấ t kim loạ i cà ng giả m, tí nh đồng hóa trị liê n kế t cà ng tă ng o Tí nh chấ t kim loạ i : liê n kế t nà y tạ o cho kim loạ i cá c tí nh chấ t điể n hì nh: ánh kim hay vẻ sá ng, dẫ n nhiệ t dẫ n điệ n tốt tí nh dẻ o, dai cao d Liê n kế t hỗn hợp Thự c cá c liê n kế t cá c chấ t, vậ t liệ u thông dụng thờng mang tí nh hỗn hợ p nhiề u loạ i Ví dụ : Na Cl có tí nh â m điệ n lầ n l ợt 0,9 3,0 Vì liê n kế t giữ a Na Cl NaCl gồm khoả ng 52% liê n kế t ion 48% liê n kế t đồng hó a trị e Liê n kÕ t yÕ u (Van de derr Waals) Do sù c tí nh â m điệ n tạ o nh phâ n tử phâ n cùc C¸ c cù c tr¸ i dÊ u hó t tạ o liê n kế t Van der Waals Liê n kế t nà y yế u, rấ t dễ bị phá vỡ tă ng nhiệ t độ 1.2 Sắp xế p nguyê n tử vËt chÊt 1.2.1 ChÊ t khÝ Trong chÊ t khÝ có sắ p xế p nguyê n tử cá ch hỗn loạ n hì nh ng, kí ch thớc xá c đị nh 1.2.2 ChÊ t r¾n tinh thĨ ChÊ t r¾ n tinh thể : - Trật tự gần, mà có trật tự xa - Cá c kiể u mạ ng tinh thể xá c đ ị nh: lậ p ph ơng, lụ c giá c, (hì nh 1.4) Hì nh 1.4 Sơ đ mạ ng tinh thể 1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh vi tinh thể a Chất lỏng Trong phạ m vi hẹ p (khoả ng 0,25nm) cá c nguyê n tư chÊ t láng cã xu thÕ tiÕ p xó c (xí t) tạ o nh cá c đ m nhỏ, vậ y không co lạ i nÐ n nh− chÊ t khÝ , c¸ c đ m nguyê n tử nà y luô n hì nh nh tan rà Chấ t lỏng có trậ t tự gầ n, khô ng có trậ t tự xa Giữa cá c đ m có khoả ng trố ng mậ t ®é xÕ p cđa chÊ t láng thÊ p, đông đặ c th ng kè m theo gi¶ m thĨ tÝ ch (co ngãt) b ChÊ t rắn vô đị nh hì nh mộ t số chấ t, trạ ng thá i lỏng có độ sệ t cao, cá c nguyê n tử không đủ đ ộ linh hoạ t đ ể sắ p xế p lạ i đ ô ng đ ặ c; chấ t rắ n tạ o nh có cấ u tróc gièng nh− chÊ t ng tr−íc ®ã gäi chấ t rắ n vô đị nh hì nh Thủy tinh (mà cấ u tạ o bả n SiO2) chấ t rắ n vô đị nh hì nh Nh vậ y mặ t cấ u trú c, cá c chấ t rắ n gồm loạ i: tinh thể vô đị nh hì nh Kim loạ i, hợ p kim phầ n lớn cá c chấ t vô cơ, rấ t nhiề u polyme - tinh thĨ T theo b¶ n chÊ t vậ t liệ u tốc độ m nguội đông đặ c tinh thể hoặ c vô đ ị nh hì nh Thủ y tinh ng chả y, cá c phâ n tử SiO2 [trong ®ã ion O2- ë c¸ c ®Ø nh khèi tø diệ n (bốn mặ t) tam giá c đề u, tâ m khối ion Si4+ nh biể u thị hì nh 1.5a] m nguộ i bì nh th ng vô đ ị nh hì nh (hì nh 1.5b); m nguội vô chậ m cá c phâ n tử SiO2 có đủ thời gian sắ p xế p lạ i theo trậ t tự xa đợc thủy tinh (có cấ u trúc) tinh thĨ (h× nh 1.5c) a) - Oxy - Si (b) c) H× nh 1.5 CÊu tróc khèi tø diƯn [ SiO4]4- (a), thñy tinh th−êng SiO2 (b) thñy tinh tinh thĨ SiO2 (c) c ChÊ t r¾n vi tinh thĨ Cịng víi vË t liƯ u tinh thĨ kĨ trê n m nguội từ trạ ng thá i láng rÊ t nhanh (trª n d− í i 104đ ộ /s) nhậ n đ ợc cấ u tróc tinh thĨ nh−ng víi kÝ ch th−íc h¹ t rấ t nhỏ (cỡ nm), vậ t liệ u có tê n gọ i vi tinh thể (còn gọi finemet hay nanomet) Tó m lạ i c¸ c vË t liƯ u cã ba kiĨ u cÊ u tróc: tinh thĨ (th−êng gỈ p nhÊ t), vô đị nh hì nh vi tinh thể (í t gặ p) 1.3 Khái niệ m mạng tinh thể Đ/n: mạ ng tinh thể mô hì nh không gian biể u diễ n quy luậ t hì nh học sắ p xế p nguyê n tư PhÇ n lín vË t liƯ u cã cÊ u tró c tinh thĨ , tÝ nh chÊ t rấ t đa ng phụ thuộc o kiể u mạ ng 1.3.1 Tí nh đố i xứng ã Mạ ng tinh thể mang tí nh đ ối xứng, đặ c điể m quan trọng, thể hiệ n hì nh dá ng bê n ngoà i, cấ u trúc bê n cịng nh− c¸ c tÝ nh chÊ t cđa vË t rắ n tinh thể ã Tí nh đ ố i xứng tí nh chấ t hì nh học quay điể m hay phầ n tư xung quanh ® iĨ m hay mét ®−êng víi mét gãc α chóng sÏ trïng lỈ p Điể m hay đ ờng đ ợc quay xung quanh đ ợc gọi tâ m hay trục đối xứng Đối xứ ng qua mặ t phẳ ng đợc gọi đối xứng gơng Gọi n = 2/ bậ c đối xứng, có n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hiÖ u L1, L2, L3, L4, L6 L n=2 (L2) n=3 (L3) n=4 (L4) n=6 (L6) 1.3.2 Ô sở - ký hiệ u phơng, mặt tinh thể a Ô sở ã Đ/n: hì nh khố i nhỏ nhấ t có cá ch sắ p xế p nguyê n tử đạ i diệ n cho n mạ ng tinh thể ã Do tí nh đối xứng bằ ng phơng phá p xoay tị nh tiế n ta suy n mạ ng tinh thể a ã Thô ng số mạ ng (hằ ng số mạ ng) kí ch thớc ô sở, th ng kí ch th ớc cá c cạ nh ô sở từ Hì nh 1.6 Ô sở hệ tọa độ xá c đị nh n kí ch th ớc ô sở (hì nh 1.6) b Nút mạng Nú t mạ ng tơng ứng với vị trí cá c nguyê n tử mạ ng tinh thể c Chỉ số phơng Ph ơng đ ờng thẳ ng qua cá c nút mạ ng, đợc ký hiÖ u b» ng [u v w]; Ba chØ số u, v, w ba số nguyê n tỷ lệ thuậ n với tọa độ nút mạ ng nằ m trê n phơng đ ó gầ n gốc tọa độ nhấ t (hì z nh 1.7) [001] [111] y [010] [100] x a [110] Hì nh 1.7 Các phơng điển hì nh Hì nh 1.8 Các mặt điển hì nh hệ cđa lËp ph−¬ng hƯ lËp ph−¬ng Chó ý: Ph− ¬ng mặ t tinh thể có kí ch thớc vô hạ n Trê n hì nh 1.7 giớ i thiệ u ba phơng điể n hì nh mạ ng tinh thĨ cđa hƯ lË p ph− ¬ ng: - ®− ê ng chÐ o khèi [111], ®− êng chÐ o mặ t [110], cạ nh [100] Cá c ph ơng có cá c giá trị tuyệ t đối u, v, w giống nhau, tạ o nê n họ phơng VÝ dơ hä gå m c¸ c ph− ơng sau đâ y chúng có quy luậ t sắ p xế p nguyê n tử: [110], [011], [101], [1 0], [01 ], [ 01], [ 10], [0 1], [10 1], [ 110], [0 11 ], [ 1 ] (c¸ c ® − êng chÐ o) d ChØ sè Miller cña mặt tinh thể Mặ t tinh thể tậ p hợ p cá c mặ t có cá ch sắ p xÕ p nguyª n tư gièng hƯ t nhau, song song cá ch đ ề u nhau, ng cã cïng mét ký hiÖ u Ng−êi ta ký hiƯ u mỈ t b» ng chØ sè Miller (h k l) Cá c số h, k, l đợc xá c đị nh theo cá c bớc nh sau: tì m giao điể m mặ t phẳ ng trª n ba trơc theo thø tù Ox, Oy, Oz, xá c đ ị nh tọ a đ ộ cá c giao đ iể m, lấ y cá c giá trị nghị ch đả o, quy ®å ng mÉ u sè, lÊ y c¸ c gi¸ trị tử số, chí nh cá c chØ sè h, k, l VÝ dơ , x¸ c đ ị nh cá c số Miller cho cá c mặ t mặ t điể m cắ t cá c trục 1, 1, 1/2 1, 1, 1, 1, ∞ 1, ∞, ∞ 1, 1, nghị ch đả o 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1/2 chØ sè (112) (111) (110) (100) (221) Hì nh 1.8 Sơ đồ ký hiƯ u mỈ t tinh thĨ theo chØ sè Miller Cá c mặ t có cá c số giá trị tuyệ t đối h, k, l giống tạ o nê n họ mặ t {h k l} Ví dụ , cá c mặ t hộ p tạ o nª n hä {100} gåm (100), (010), (001), (100), (010), (001) e ChØ sè Miller - Bravais hƯ lơc gi¸c ChØ sè Miller - Bravais ví i hƯ cã bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (hì nh 1.9) Chỉ số Miller - Bravais đ ợc ký hiƯ u b» ng (h k i l), ®ã chØ sè thø ba i (cđa trơc Ou) cã quan hÖ : i = - (h + k) H· y thử so sá nh hai số nà y cho cá c mặ t hệ lục giá c đợc trì nh bà y hì nh z 1.9: J K mỈ t chØ sè Miller chØ sè Miller - Bravais ABHG (100) (10 10) L I BCIH (010) (01 10) AGLF (110) (1 00) G H ABCDEF (001) (0001) u E D ACIG (1120) C F x y A B Hì nh 1.9 Hệ tọa độ hệ lục giá c mặt Cá ch ký hiệ u theo Miller - Bravais thể hiệ n đợc cá c mặ t bê n họ cá ch sắ p nguyê n tử 1.3.3 Mật độ nguyê n tử a Mậ t độ xế p Là mứ c đ ộ dà y đặ c củ a nguyê n tư m¹ ng tinh thĨ MË t độ xế p theo phơng (chiề u dà i) Ml, theo mặ t Ms hay n thể tí ch mạ ng Mv đợc xá c đị nh theo cá c cô ng thức: Ml = l / L, Ms = s / S, Mv = v / V 128 - l < lc sợi không đủ dài để lực bám không gây biến dạng bao quanh sợi không đủ truyền tải đợc coi nh compozit hạt Trên hình 9.3 trình bày sơ đồ cấu trúc loại compozit cốt sợi loại cốt sợi liên tục thẳng hàng (thờng gọi ngắn gọn liên tục) nh hình (a) loại quan trọng đợc khảo sát dới Hì nh 9.3 Sơ đồ phân bố sợi: a liên tục song song b gián đoạn thẳng hàng, c hỗn độn phơng ngang a) b) c) 9.3.2 Compozit cốt sợi liên tục song song a Khi kéo dọc Gọi tỷ lệ thể tí ch sợi VS Vn = 1-VS Khi chịu kéo theo phơng dọc trục sợi coi liên kết - cốt hoàn hảo: C = S = n Tải trọng tác dụng lên compozit PC = PS+Pn, PS, Pn lần lợt tải trọng lên sợi lên Do ®ã: σC.AC = σS AS + σn An Trong ®ã: (AC, AS, An) lµ tiÕt diƯn ngang cđa compzit, sợi Chia cho AC ta có: C = σS AS A +σm n = óSVS +ónVn AC AC sợi phân bố nên AS/AC=VS vµ An/AC=Vn , VS vµ Vn lµ tû lƯ thĨ tÝ ch, ®ã: σc = σSVS + σnVn = σSVS + σn(1-VS), thay σ=Eε Ec = ESVS + EnVn = ESVS + En(1-VS) v× (εC=εS=εn=ε) b Khi kÐo ngang Lực kéo vuông góc với trục sợi (sợi không chịu đợc lực ngang) ứng suất tác dụng lên pha nh ứng suất tác dụng lên compozit là: c = S = n = nên độ biến dạng compozit tổng biến dạng cốt nền: c = S.VS + n.Vn = nên E = VS + Vn EC ES En Chia c¶ hai vÕ cho σ, ta cã: En.ES En.ES VS Vn = = + → EC = (9.13) Vn.ES + VS.En (1− VS ).ES + VS.En EC ES En biĨu thøc nµy giống (9.2), giới hạn dới môđun đàn hồi compozit hạt thô c ảnh hởng hàm l−ỵng sỵi 129 Ta thÊy nÕu tû lƯ thĨ tÝ ch VS (hay gọi hàm lợng) sợi nhỏ sợi không đủ tác dụng gia cờng cho compozit ChØ VS > VSmin th× míi cã tác dụng hoá bền Giá trị VSmin xác định theo công thức: VSmin = ( b )n n ( b )S Trong đó: (b)n, (b)S lần lợt giới hạn bền sợi Nh compozit cốt sợi liên tục phải thỏa mÃn hai điều kiện: sợi dài l > 15lc lợng sợi phải đủ lớn VS > VSmin 9.3.3 Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng đợc trình bày hình 9.6b Chiều dài sợi ngắn (l < 15lc) hiệu gia cờng sợi compozit cao nh loại cốt sợi liên tục thẳng hàng Môđun đàn hồi giới hạn bền khoảng 50-90% loại cốt sợi dài liên tục Cơ tí nh phụ thuộc vào tỷ lệ thể tí ch sợi chiều dài hay yếu tố hình học sợi S = l/d, đợc tí nh toán riêng rẽ cho trờng hợp sau: - Khi lc < l < 15lc th×: - Khi l < lc th× : (σb )c = (σb )S.VS 1 − lc  + σn (1 − VS )  2l  (σb )c = τc VS + σn (1 − Vn ) d đó: n - ứng suất tác dụng vào compozit bị phá hỏng, c - giới hạn bền cắt nền, l, d - chiều dài, đờng kí nh sợi 9.3.4 Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn Bảng 9.1 Giá trị thông số k ứng với định hớng khác sợi ứng suất Định hớng sợi Phơng ứng suất k Tất sợi song song dọc theo trục sợi ngang với trục sợi Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng theo phơng mặt mặt chứa sợi Phân bố sợi ngẫu nhiên, ®ång theo ph−¬ng bÊt kú nhÊt theo ba chiỊu không gian Môđun đàn hồi đợc biểu thị nh sau: Ec = k ES.VS + En.Vn Trong ®ã k - thông số biểu thị hiệu hóa bền mà độ lớn phụ thuộc vào hàm lợng thể tí ch VS sợi tỷ lệ ES/En, k dao động khoảng 0,1 ữ 0,6 xem bảng 9.1 Dựa vào đờng kí nh đặc tí nh ngời ta phân cốt sợi thành ba loại: râu, sợi dây nhỏ Râu (râu đơn tinh thể): (whiskers) đờng kí nh nhỏ (cỡ ữ 2àm), l/d > 1000, tạo kỹ thuật nuôi đơn tinh thể Các đơn tinh thể (râu) có mức độ hoàn thiện tinh thể cao (hầu nh có lệch xoắn) nứt, rỗng nên có độ bền cao (gần độ bền lý thuyết) Tuy nhiên râu cha đợc dùng rộng 130 rÃi đắt khó gắn kết vào Vật liệu để chế tạo râu grafit, SiC, Si3N, Al2O3 Sợi : tạo công nghệ kéo, chuốt, d khoảng vài chục đến vài trăm àm, l/d khác Vật liệu làm sợi polyme nh polyamit, sọi thủy tinh, sợi cacbon, Dây: loại có đờng kí nh nhỏ, thờng kim loại: thép cacbon cao, vonfram, môlipđen, berili, titan Loại cốt đợc dùng để gia bền lốp ôtô, khung tên lửa, ống dẫn cao áp Nhận biết tiêu chuẩn thép quốc tế z iso Tiªu chuÈn DIN Tiªu chuÈn NF z Tiªu chuÈn JIS z Tiªu chn Bs z z Tiªu chn Quy −íc x số chữ Tiêu chuẩn iso Thép chế tạo máy Thép cacbon C xx cacbon Ví dụ: C20 thép cacbon 0,2%C z z Thép hợp kim phần vạn cacbon xx phần vạn cacbon xx %nt HK nh©n hƯ sè ký hiƯu HH cđa nt HK HÖ sè cho Cr,Co,Mn,Ni,Si,W 10:Al,Be,Cu,Mo,Nb,Pb,Ta,Ti,V,Zr 100: Ce,N,P,S 1000: B Ví dụ: 36CrNiMo4 thép HK 0,36%C, Cr=4/4=1% Tiêu chuẩn iso z ThÐp dông cô z ThÐp cacbon chØ thÐp dụng cụ z Thép gió TC xxx phần vạn cacbon HS -x x- x %nt cña W - z ThÐp kh«ng gØ Type x sè thø tù Mo - -V C o Tiªu chn DiN DIN 17006 (phỉ biÕn) z Thép chế tạo máy z z z Thép cacbon Thép hỵp kim Gièng nh− ISO ThÐp dơng z z ThÐp cacbon nh− ISO, thay T b»ng W ThÐp hỵp kim nh ISO Tiêu chuẩn DiN DIN 17007, chữ số (ít gặp) x xx xx xx loại vật liệu 0-gang 1-thÐp nhãm thÐp 00÷06=thÐp C th−êng 11,12= thÐp C tốt phơng pháp chế tạo hàm lợng cacbon HK Tiêu chuẩn NF Thép chế tạo máy Khá giống DIN 17006, NTHK b»ng: ký hiƯu HH: Be,Nb,Pb,Ta,Zr ngo¹i lƯ: Cr-C, Ni-N, Mn-M, Si-S, N-Az z z ThÐp dông cô chØ cacbon Phần vạn cacbon C xxx ExU x có Cr hay V chất lợng (P, S) Tiêu chuẩn jis Thép bắt đầu chữ S Thép chế tạo máy ThÐp cacbon S xx C chØ thÐp chØ cacbon phÇn vạn cacbon Thép hợp kim S thép nguyên tố hợp kim 2,4,6,8=% NTHK nhân hệ số x xx chất lợng phần vạn cacbon Tiêu chuẩn jis Thép bắt đầu chữ S Thép dụng cụ Thép cacbon SKx (thø tù) ƒ ThÐp hỵp kim gåm: SKSx (S - đặc biệt) SKDx (D - n guội) SKTx (T - nãng) SKCx (C - va ®Ëp) ƒ ThÐp giã Hx (x thø tù) ƒ ThÐp kh«ng gØ SUS xxx (theo AISI) Tiêu chuẩn BS x xx loại thép 0-thÐp C cã Mn 1-thÐp C Mn cao 2- dÔ cắt 3,4-không gỉ ữ 9- thép khác đặc tính thép xx hàm lợng cacbon điều kiện cung ứng Tiêu chuÈn BS VÝ dô 40 M 10 thÐp C có 0,4%Mn 0,15%C bảo đảm tính 25 H 41 thép có 1,25%Mn 0,41%C bảo đảm tính thấm Tiêu chuẩn Bs Thép dụng cụ Có nhóm số ch÷ nh− AISI VÝ dơ:BW1, BT1 víi W1, T1 nh− cđa AISI ThÐp kh«ng gØ gièng AISI Stainless xxx S xx điểm khác so với mác ... bản: Vật liệu học, nxb KHKT, 1996 Xử lý bề mặt, nxb ĐHBK Hà nội, 1999 Ăn mòn bảo vệ vật liệu, nxb KHKT, 2002 Trở lại Menu 8/15/2003 Mở đầu a) Mục đích nghiên cứu môn học ã Vật liệu học khoa học. .. silicon nằm trung gian vật liệu vô với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu d) Vai trò vật liệu Lịch sử phát triển vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển loài ngời ắ Sử dụng vật liệu có sẵn tự nhiên... quan hệ cấu trúc tính chất vật liệu, sở đề biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất sử dụng thích hợp ngày tốt b) Đối tợng nghiên cứu - Vật liệu ã Vật liệu dùng để vật rắn mà ngời sử dụng để