Cơ sở khoa học vật liệu chuong8m

13 386 0
Cơ sở khoa học vật liệu chuong8m

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

60 CHƯƠNG 8: KHUYẾT TẬT TRONG CẤU TRÚC 8.2 Khái niệm Cấu trúc tinh thể vật liệu thường gồm số lớn nguyên tử chứa thể tích nhỏ nên dễ xảy sai lệch xếp nguyên tử Ví dụ: Với Fe (Bcc), a = 2,87.10-8cm, n = 2, 2/(2,87.10-8)3 = 8,5.1022 nguyên tử/cm3 Các sai lệch xếp nguyên tử gọi khuyết tật, trật tự, sai lệch, sai hỏng, sai sót (defect) tồn dạng:  Sai lệch nguyên tử riêng lẽ gọi khuyết tật điểm (Point defects)  Sai lệch dãy nguyên tử gọi khuyết tật đường (Linear defects)  Sai lệch mặt nguyên tử gọi khuyết tật mặt (Planar defects)  Sai lệch cụm nguyên tử gọi khuyết tật thể tích (Volume defects) Trong thực tế để sản xuất vật liệu quy mô công nghiệp thường khó đạt độ tinh khiết 100%, sản phẩm thường chứa tạp chất Ngoài vài trường hợp, để nhận tính chất vật liệu, người ta lại cố ý thêm vào nguyên tử khác (thường gọi phụ gia) Trong giáo trình này, người ta xem nguyên tử lạ dù thêm vào vô tình hay cố ý tạo khuyết tật gọi tạp chất Ví dụ: Thêm Sn, Bi vào Pb để giảm nhiệt độ nóng chảy (làm vật liệu hàn) Các khuyết tật (sai lệch tạp chất) ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu Ví dụ: Độ dẫn điện Si thêm lượng nhỏ P để tạo bán dẫn loại n độ dẫn điện tăng lên đáng kể 8.3 Khuyết tật điểm 8.3.1 Tạo nút trống, nguyên tử xen kẽ (Vacancies, interstitials) Trong tinh thể, nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân Khi số nguyên tử lượng đủ lớn, biên độ dao động lớn, bứt khỏi vị trí cân để lại nút trống Sau rời khỏi vị trí cân bằng, nguyên tử xen kẽ nút mạng (tạo nút trống nguyên tử xen kẽ theo chế sai hỏng Frenkel) nguyên tử di chuyển biên giới tinh thể tạo nút trống (tạo nút trống theo chế sai hỏng Schottky) Các nút trống nguyên tử xen kẽ không đứng yên mà trao đổi vị trí với nguyên tử bên cạnh theo chế khuếch tán chất rắn (khuếch tán nhờ ion xen kẽ di chuyển nhờ trao đổi nút trống) 8.3.2 Tạp chất: Các nguyên tử tạp chất thay nguyên tử nút mạng xen kẽ nút mạng Nói chung lỗ trống, nguyên tử xen kẽ, tạp chất làm mạng tinh thể bị xô lệch tạo khuyết tật điểm 61 8.3.3 Khuyết tật điểm cấu trúc tinh thể ion 8.3.3.1 Ký hiệu khuyết tật điểm theo Kröger – Vink Giả sử mạng MX tạp chất LY X, M: anion, cation hóa trị M M M X M X M X Y, L: anion, cation hóa trị X M Y X M X Tích điện dương → •; dương → • • M X M X L M âm → ′ ; âm → ″ M X M X X X M X M: nguyên tử M vị trí M X: nguyên tử X vị trí X MM XX L: nguyên tử L vị trí M Y: nguyên tử Y vị trí X : Trống vị trí M LM Y'X V'M : Trống vị trí X VX M : M vị trí xen kẻ Mi X : X vị trí xen kẻ X'i M : M thay vị trí X X : X thay vị trí M M X X"M 62 Tổng quát AB C A: muốn nói → ion: L, M, X, Y → trống: V B: vị trí → M, X → xen kẻ → i C: Điện tích 8.3.3.2 Nguyên tắc trật tự  Nguyên tắc trung hòa điện: ∑ điện tích dương = ∑ điện tích âm  Nguyên tắc bảo tồn vật chất Ví dụ: Khi thêm CaCl2 vào NaCl CaCl2 → Ca Na + 2ClCl + V'Na Ca thay Na Cl vị trí Trống 1Na 8.3.3.3 Các loại trật tự thường gặp a) Sai hỏng Frenkel cation M X M X M vào vị trí xen kẻ, để lại trống M M M •i + VM' = X X M b) Sai hỏng Frenkel anion M X M X X X X M X vào xen kẻ, để lại trống X VX• + X i' = c) Sai hỏng Schottky M X M X M X X X M M Trống M trống X VX• + VM' = 8.3.4 Mật độ khuyết tật Đối với mạng tinh thể loại nguyên tử (kim loại, kim cương, graphit) 8.3.4.1 Số nút trống N v = N T exp(−Q fv / RT ) Nv: số nút trống nhiệt độ T ( 0K), (R = 8,31 J / mol 0K) NT: tổng số nút mạng (= tổng số nút trống + tổng số nút chứa nguyên tử) Qfv: lượng hoạt hóa để tạo lỗ trống (= lượng để đẩy nguyên tử khỏi vị trí cân nó) (J/ mol) 63 8.3.4.2 Mật độ nút trống N C v = v = exp(−Q fv / RT ) NT Số nguyên tử xen kẽ mật độ nguyên tử xen kẽ tính nút trống, thay Qfv Qfi (năng lượng hoạt hóa để tạo nguyên tử xen kẽ) 8.3.4.3 Đối với mạng tinh thể ion  Sai hỏng Frenkel N N C v = v = exp(− Wf / 2RT ) = i = C i NT NT Cv, Ci: mật độ nút trống ion xen kẽ Wf: lượng để tạo nút trống ion xen kẽ = lượng để tạo sai hỏng Frenkel Hệ số 2: khuyết tật tạo thành trình  Sai hỏng Schottky cho hợp chất MX (NaCl) N v ,cation N v ,anion C v ,cation = = exp(− Ws / 2RT ) = = C v ,anion NT NT Cv,cation , Cv,anion: mật độ nút trống cation trống anion Ws: lượng để tạo cặp trống anion, cation = lượng để tạo sai hỏng Schottky  Sai hỏng Schottky cho hợp chất MnXp pC v ,cation = (np) exp{− Wsc /[n + p ]RT } = nC v ,anion Wsc: lượng để tạo cụm: n trống cation p trống anion 8.4 Khuyết tật đường (còn gọi Lệch: dislocation) 8.4.1 Biến dạng dẻo: Tác dụng lực học lên mẫu vật liệu, sau bỏ tác dụng lực mà mẫu trở hình dạng, kích thước ban đầu biến dạng gọi biến dạng đàn hồi, giữ nguyên gọi biến dạng dẻo Biến dạng dẻo kết dịch chuyển nguyên tử từ vị trí cân đến vị trí cân khác tác dụng lực với biên độ đủ lớn Ứng suất tỉ số lực diện tích Nếu lực song song với pháp tuyến ứng suất gọi ứng suất pháp tuyến σ, lực vuông góc với pháp tuyến ta ứng suất trượt τ (shear stress) 64 Biến dạng dẻo sinh tác dụng ứng suất trượt xảy mặt phương xếp chặt Đối với mặt phương, giá trị ứng suất trượt tới hạn mà biến dạng dẻo bắt đầu xảy 65 Mặt, phương mà biến dạng dẻo xảy gọi mặt trượt phương trượt Hệ gồm mặt trượt phương trượt gọi hệ trượt Quan hệ ứng suất pháp tuyến ứng suất trượt θ: Góc phương lực F phương trượt φ: Góc phương trượt pháp tuyến mặt trượt (chỉ số phương pháp tuyến = số mặt trượt) FS = F cos θ FS F = τ = cos θ cos φ AS A A S = A / cos φ τ = σ cos θ cos φ θ = φ = 45 o ⇒ σ = 2τ Giá trị ứng suất trượt mà biến dạng dẻo bắt đầu xảy ra, gọi ứng suất trượt tới hạn τth, giá trị số hệ trượt cho trước loại tinh thể cho trước  Dự đoán giá trị τ th Mô hình lý thuyết để dự đoán τth giả thiết mặt nguyên tử trượt qua mặt khác thể thống Quá trình đòi hỏi phải lực lớn để bẻ gãy đồng thời tất liên kết nguyên tử dọc theo mặt trượt Từ mô hình này, người ta dự đoán τth = E/10 với E môđun đàn hồi vật liệu, giá trị lớn so với giá trị thực nghiệm 8.4.2 Lệch biên Năm 1934, Geoffrey Taylor giả sử tinh thể chứa khuyết tật gọi lệch biên (Edge dislocations) để giải thích không thống tính toán giá trị ứng suất trượt tới hạn theo lý thuyết thực tế Tuy nhiên đến năm 50, tồn lệch biên công nhận nhờ quan sát trực tiếp kính hiển vi điện tử 66 Lệch biên khuyết tật đường xày xung quanh đường biên nửa mặt phẳng nguyên tử dư Đường biên vuông góc với mặt phẳng tờ giấy gọi trục lệch biên Xung quanh trục lệch biên xảy biến dạng cục mạng tinh thể Phía trục lệch, nguyên tử bị nén lại, phía trục lệch chúng bị kéo dãn Cang xa trục lệch, mạng tinh thể bị biến dạng Các nguyên tử trục lệch số xếp nhỏ nguyên tử xung quanh Ký hiệu lệch biên ⊥ vị trí trục lệch 8.4.2.1 chế xuất lệch tinh thể • Do bất thường trình phát triển mầm đóng rắn tinh thể • Do ứng suất nội kết hợp với khuyết tật khác tinh thể • Do tương tác lệch sẵn trình biến dạng dẻo 8.4.2.2 chế di chuyển lệch: Nếu áp đặt ứng suất trượt τ tạo lực bẻ gãy liên kết hàng nguyên tử A C tạo liên kết hàng A B Trước tác dụng lực, nguyên tử hàng B không đủ số xếp, sau tác dụng lực, nguyên tử hàng C lại không đủ số xếp Như lệch di chuyển sang phải đoạn khoảng cách nguyên tử Quá trình gọi trượt lệch (dislocation glide) tiếp diễn đến lệch di chuyển tinh thể 67 Theo chế τth tính nhỏ nhiều so với mô hình cũ cần bẻ gãy liên kết hàng thay bẻ gãy tất liên kết mặt Giá trị τth tính theo mô hình phù hợp với thực nghiệm 8.4.2.3 Vectơ Burgers  Lệch đặc trưng vectơ Burgers ( b ) biểu thị độ lớn phương di chuyển  nguyên tử Để xác định b , vẻ vòng Burgers vòng vectơ kín bao quanh trung tâm lệch theo chiều kim đồng hồ bề mặttinh thể lý tưởng, sau lặp lại tinh thể chứa lệch vòng không kín Vectơ b dùng để nối từ điểm cuối đến điểm đầu  Vectơ b đại lượng không đổi cho dù tính chất lệch thay đổi từ vị trí sang vị trí khác  Vectơ tiếp tuyến t : biểu thị cho phương trục lệch  Vòng Burgers vẽ theo chiều kim đồng hồ nhìn theo hướng t 68      Đối với lệch biên: b ⊥ trục lệch nghĩa b ⊥ t Mặt trượt mặt chứa b t Khi    số mặt trượt biểu thị vectơ pháp tuyến n tích vectơ b t    i j k       n = bx t = x y1 z = ( y1 z − y z ) i + (z x − z x ) j + ( x y − x y1 )k x2 y2 z2 8.4.3 Các loại lệch khác 8.4.3.1 Lệch xoắn Lệch xoắn tạo thành ứng suất trượt gây biến dạng hình vẽ: phần vùng tinh thể bị dời khoảng cách nguyên tử so với phần Các lớp nguyên tử vùng sai lệch theo hình xoắn ốc, vẽ đường cong uốn quanh trục lệch với điểm bắt đầu mặt I phía Khi vòng quanh trục đường cong hạ xuống mặt II, tiếp tục hạ xuống mặt III, mặt IV, tạo hình xoắn ốc nên gọi lệch xoắn    Đối với lệch xoắn b // trục lệch, b // t 8.4.3.2 Lệch hỗn hợp   Là lệch trung gian lệch biên lệch xoắn Trong lệch hỗn hợp b tạo với t góc α với < α < 900 69 8.4.3.3 chế leo lệch Lệch di chuyển theo chế trượt mặt trượt mặt xếp chặt Hệ tinh thể Mặt trượt Phương trượt Fcc {111} Bcc {110} {211} {321} Hcp Mặt // mặt đáy Phương trục tọa độ x1, x2, x3 Khi lệch trượt được, di chuyển theo chế khác chế bao gồm khuếch tán nguyên tử, nút trống theo lệch chế gọi leo lệch, nguyên tử trục lệch trao đổi vị trí với dãy nút trống Khi lệch di chuyển lên mặt nguyên tử   Chuyển động vuông góc với mặt trượt b x t khác với chế trượt lệch chế đóng vai trò quan trọng nhiệt độ cao mật độ nút trống cao việc tạo dãy nút trống xảy dễ dàng 8.4.3.4 Ảnh hưởng lệch đến tính chất Ngoài ảnh hưởng đến biến dạng dẻo, lệch ảnh hưởng lớn đến tính chất khác Ví dụ miền sai lệch chung quanh lệch biên thuận lợi cho việc khuếch tán dọc theo trục (pipe diffusion) trình khuếch tán đóng vai trò quan trọng việc khuếch tán nhiệt độ thấp Lệch ảnh hưởng đến tính chất điện, quang, từ vật liệu Ví dụ muốn kim loại đạt tính chất điện cao phải giảm tối đa mật độ lệch tinh thể Lệch đóng vai trò quan trọng trình gia công vật liệu kỹ thuật Ví dụ trình phát triển tinh thể từ pha hơi, diện lệch xoắn bề mặt gia tăng đáng kể tốc độ phát triển mầm tinh thể 8.5 Khuyết tật mặt 8.5.1 Mặt tinh thể Các nguyên tử bề mặt liên kết với số nguyên tử phía nên số xếp nhỏ trị số quy định loại cấu trúc Điều dẫn đến nguyên tử bề mặt lượng cao Phần lượng tự tăng thêm đơn vị diện tích bề mặt gọi sức căng bề mặt Để giảm lượng này, vật liệu khuynh hướng giảm tổng diện tích bề mặt bên Ví dụ chất lỏng dạng giọt hình cầu để diện tích bề mặt nhỏ Bề mặt tự xem khuyết tật thường vị trí dễ xảy phản ứng hóa học 70 8.5.2 Biên giới hạt Vùng tiếp giáp tinh thể (hạt) đa tinh thể gọi vùng biên giới hạt Các nguyên tử vùng thường rời khỏi vị trí cân số xếp khác với nguyên tử phía nên lượng cao Phần lượng dư gọi sức căng biên giới hạt giá trị khoảng 1-3 J/m2 Trong đa số trường hợp, sức căng bề mặt tất hạt tiếp xúc khuynh hướng đạt đến cân ba hạt gần tạo góc ≈ 120o Do lượng cao nên biên giới hạt vùng dễ xảy phản ứng hóa học dễ thay đổi cấu trúc Vì biên giới hạt thường đóng vai trò quan trọng việc xác định tính chất vật liệu 8.5.3 Siêu hạt Trong hạt, phương mạng không hoàn toàn cố định Hạt chia thành vô số vùng nhỏ kích thước 10–5 - 10–3 cm gọi siêu hạt phương mạng siêu hạt lệch góc nhỏ, thường nhỏ 1o Biên giới siêu hạt gồm lệch xếp thành hàng khoảng cách  Khi khoảng cách lệch D ≈ b/θ , b: độ dài vectơ b θ góc lệch hai siêu hạt lân cận 8.6 Khuyết tật thể tích Khuyết tật thể tích vùng kích thước ba chiều không gian mà đặc tính trật tự tinh thể không Thông thường khuyết tật thể tích lỗ xốp ( cụm lỗ trống) kết tủa (cụm tạp chất vị trí xen kẽ thay thế) 8.7 chế tăng bền kim loại Biến dạng dẻo tinh thể xảy dịch chuyển lệch Vì nguyên lý chế tăng bền kim loại loại bỏ lệch làm ngừng dịch chuyển lệch Đối với tinh thể ion cộng hóa trị, lệch di chuyển khó khăn việc tăng bền vật liệu chống lại biến dạng dẻo ý nghĩa 8.7.1 Hợp kim hóa để tăng độ bền Sự mặt nguyên tử tạp chất (khi hợp kim hóa) dù vị trí thay xen kẽ làm giảm khả di chuyển lệch Xét trường hợp nguyên tử tạp chất vị trí xen kẽ Khi mặt nguyên tử tạp chất làm nguyên tử dung môi lệch khỏi vị trí cân làm tăng lượng biến dạng tinh thể Vùng tinh thể nguyên tử dung môi chịu ảnh hưởng nguyên tử tạp 71 chất gọi trường biến dạng Tương tự, lệch nguyên tử xung quanh lệch bị lệch khỏi vị trí cân lệch làm cho lượng hệ tăng lên Tùy thuộc vào chất nguyên tử tạp chất mà nằm vùng dãn vùng bị ép xung quanh lệch Khi làm giảm lượng hệ Nếu lệch muốn di chuyển ngang qua vùng tạp chất, lượng hệ phải tăng lên cách tăng tăng ứng suất áp đặt, làm cho độ bền vật liệu tăng lên Ví dụ: Nếu nguyên tử C kích thước lớn lỗ hổng mạng Fe C nằm vị trí xen kẽ, làm nguyên tử Fe xung quanh bị nén lại Nếu nguyên tử C khuếch tán đến nằm vùng bị kéo dãn xung quanh lệch, làm giảm độ biến dạng tinh thể giảm lượng khuyết tật Muốn di chuyển lệch ngang qua nguyên tử C cần phải tác động ứng suất cao hơn, Fe tăng bền Hiệu việc tăng bền tùy thuộc vào trường biến dạng nguyên tử tạp chất Thông thường, hiệu lớn tạp chất chiếm vị trí xen kẽ lỗ hổng bốn mặt kim loại Bcc Do nguyên tử tạp chất vị trí thay thế, thường kích thước với dung môi, nên biến dạng mạng đáng kể ý nghĩa đến việc tăng bền 72 8.7.2 Hóa cứng biến dạng Khi mật độ lệch tăng độ bền tinh thể tăng lên Đó công để di chuyển trường biến dạng lệch, tăng lên ngang qua trường biến dạng kết hợp lệch khác tinh thể Trong trình biến dạng dẻo, số lượng lệch tăng lên đột ngột làm cho ứng suất để tạo biến dạng dẻo phải lúc cao Sự gia tăng ứng suất để làm lệch di chuyển trình biến dạng dẻo gọi hóa cứng biến dạng Mật độ lệch, ρdisl tính theo ρ dist = ∑l V i [cm-2] ∑li: Chiều dài tất lệch (cm); V: thể tích tinh thể (cm3) ρdisl vật liệu chưa bị biến dạng ≈ 108 cm-2 ρdisl vật liệu bị biến dạng nhiều ≈ 1012 cm-2 Đối với đa số kim loại, ứng suất để làm lệch di chuyển tính theo: τ = τ + k ρ disl τ0 k số vật liệu 8.7.3 Giảm dịch chuyển lệch nhờ biên giới hạt Sự mặt biên giới hạt cản trở di chuyển lệch làm tăng ứng suất cần thiết để di chuyển lệch (tạo biến dạng dẻo) Do vật liệu kích thước hạt nhỏ mật độ biên giới hạt đơn vị thể tích cao hơn, nên độ bền chảy (ứng suất bắt đầu gây biến dạng dẻo) tăng giảm kích thước hạt Hiệu việc tăng bền cản trở biên giới hạt lớn so với phương pháp tăng bền khác 8.7.4 Hóa cứng nhờ kết tủa Một cách khác để tăng bền kết hợp tạp chất kết tủa vào tinh thể Sự di chuyển lệch bị cản trở biến dạng mạng xung quanh kết tủa nên ứng suất để di chuyển lệch lớn kết tủa Tóm lại để tăng bền kim loại chống lại biến dạng dẻo, phải xen vào cấu trúc chướng ngại di chuyển lệch làm tăng ứng suất tinh thể ... ρdisl vật liệu chưa bị biến dạng ≈ 108 cm-2 ρdisl vật liệu bị biến dạng nhiều ≈ 1012 cm-2 Đối với đa số kim loại, ứng suất để làm lệch di chuyển tính theo: τ = τ + k ρ disl τ0 k số vật liệu 8.7.3... tính chất điện, quang, từ vật liệu Ví dụ muốn kim loại đạt tính chất điện cao phải giảm tối đa mật độ lệch tinh thể Lệch đóng vai trò quan trọng trình gia công vật liệu kỹ thuật Ví dụ trình phát... này, vật liệu có khuynh hướng giảm tổng diện tích bề mặt bên Ví dụ chất lỏng có dạng giọt hình cầu để có diện tích bề mặt nhỏ Bề mặt tự xem khuyết tật thường vị trí dễ xảy phản ứng hóa học 70

Ngày đăng: 15/09/2017, 15:13

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan