Ch ng 1 cau truc VL

sbc bg dvc nmfbựedbjqbdjkqb djkqgựdb qhjwfgqưdbjkấciudgdsikụbvchsdjcgksdhhclạdiuagduakbdạhvdáhda cjkkahjaksdnbkjáhdjká jchạkdnạksd ádhádkjad jáhlkándkjáhdklá hklạkdla dákldhalkdhlkahdklhưkl ckạcklanklandklándklsandklahskd kjadk,andlksad

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 đạt tính chất mong muốn Vật liệu gì?  vật rắn sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng cơng trình…… VẬT LIỆU HỌC 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: 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 Ceramic (VL vơ cơ): nguồn gốc vơ cơ, hợp chất KL, silic với kim: ôxit, nitrit, cacbit (khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh…) Đặc điểm: - dẫn nhiệt dẫn điện (cách nhiệt cách điện) - cứng, giòn, bền nhiệt độ cao - bền hóa học vật liệu kim loại vật liệu hữu Polyme (VL hữu cơ): nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu cacbon, hyđrơ kim, có cấu trúc đại phân tử Đặc điểm: - rẻ -dẫn nhiệt, dẫn điện kém, - khối lượng riêng nhỏ, - nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt nhiệt độ cao, - bền vững hóa học T thường khí quyển; - nóng chảy, phân hủy nhiệt độ tương đối thấp Compozit: tạo thành kết hợp hai hay ba loại vật liệu kể trên, mang đặc tính tốt vật liệu thành phần Ví dụ: bêtơng cốt thép (vơ - kim loại) Nội dung môn học: Vai trò vật liệu  nghiên cứu mối quan hệ tính chất cấu trúc vật liệu • Cần thiết lĩnh vực sống: - Điện ( pin, pin mặt trời….) - Điện tử viễn thông: cáp quang, bảng mạch, vi mạch… - Môi trường: chất xử lý nước thải, chất làm môi trường - Sinh học CN sinh học: chất tăng trưởng, chất thay thể người… - Chế tạo chi tiết máy - Dụng cụ thể thao… ……… • Sự phát triển xã hội lồi người gắn liền với phát triển cơng cụ sản xuất kỹ thuật  định phần lớn nhờ vật liệu - Xã hội loài người phát triển qua thời kỳ khác gắn liền với vật liệu Thời kỳ đồ sắt: 1000-3000 năm trước Thép bê tông: 100-1000 năm trước Polymer: năm 1900 Silicon: khoảng 1960 Hiện nay: Vật liệu sinh học vật liệu cấu trúc nanô - Cấu trúc : xếp thành phần bên Cấu trúc vĩ mơ (tổ chức thơ 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 mơ (microstructure): hình thái xếp nhóm nguyên tử hay phân tử với kích thước cỡ micromet hay cỡ hạt tinh thể với hỗ trợ kính hiển vi quang học (phân ly giới hạn cỡ 0,15 m) hay kính hiển vi điện tử (cỡ chục nanơmet (10nm)) - Tính chất: Các tiêu chuẩn vật liệu: Thép C thông thường Tổ chức thô đại - học (cơ tính) - vật lý (lý tính) - hóa học (hố tính) - cơng nghệ sử dụng TCVN, Nga, Mỹ, Nhật, Châu Âu… Gang xám Sau xử lý nhiệt Tổ chức tế vi Siêu hợp kim (Ni-Cr cao) Chương 1: Cấu trúc tinh thể hình thành 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử: Cấu tạo nguyên tử: -Các e chuyển động bao quanh hat nhân  trung hòa điện -Hạt nhân gồm proton (mang điện tích +) nơtron ( khơng mang điện) -Các e bao quanh hạt nhân tuân theo mức lượng từ thấp tới cao 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 10 1.2 Sự xếp nguyên tử vật chất Chất khí: nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn Chất lỏng: có trật tự gần, khơng có trật tự xa 1.3 Khái niệm mạng tinh thể Vì cần nghiên cứu mạng tinh thể Chất rắn tinh thể: ngun tử có vị trí hồn tồn xác định (có trật tự xa) Tính chất vật liệu bị đinh cấu trúc mạng tinh thể Chất rắn vơ định hình: ngun tử xếp khơng có trật tự  vơ định hình: trạng thái lỏng có độ sệt cao→chuyển từ lỏng sang rắn →không đủ độ linh hoạt Đ/n: Mạng không gian tạo ng.tử (ion), xếp theo qui luật chặt chẽ, biểu diễn dạng hình học định→mạng tinh thể VD: thủy tinh SiO2 Chất rắn vi tinh thể: có cấu trúc tinh thể trạng thái cỡ hạt nano Vng>10.0000/s Tính đối xứng:thể hình dạng bên ngồi, cấu trúc bên tính chất - tâm đối xứng - trục đối xứng : bậc trục đối xứng n= / - mặt đối xứng Ơ 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 sở Ơ sở cách biểu diễn - Xây dựng ô sở: véc tơ a, b c (trên trục Ox, Oy Oz ) véc tơ đơn vị Coi nguyên tử cầu - Độ lớn a, b c  số mạng - Các góc ,   góc tạo véc tơ đơn vị rắn giống hệt nhau, xếp xít Nối tâm cầu  mạng TT 13 hệ tinh thể khác phụ thuộc vào mối quan hệ cạnh góc Ba nghiêng (tam a  b  c tà) 900 Một nghiêng ==900 Nút mạng [[x,x,x]]: biểu thị toạ độ nguyên tử - Đơn vị đo: Chiều dài số mạng trục A [[1,1,0]] ; B [[1,1,1]] ; C [[0,1,1]] z D 3.Chỉ số phương [uvw]: abc  Trực thoi abc === 900 Ba phương (thoi) a=b=c == 900 Sáu phương a =b  c = =900 =1200 Bốn phương a =b  c === 900 Lập phương a = b = c === 900 đường thẳng qua hai nút mạng E biểu diễn phương O  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]; C B H y F A x OE [101] 15 4 Chỉ số mặt (chỉ số Miller) (hkl): - Các phương không song song với có trị tuyệt đối số giống nhaucó t/c giống tạo nên họ phương Cách xác định: -Giao mặt phẳng với trục tọa độ ( m.f không qua gốc tọa độ) -Họ phương, ký hiệu -Viết tọa độ điểm -VD: họ  có 12 phương -Lấy nghịch đảo, qui đồng mẫu số z D C → giá trị tử số tương ứng với h,k,l E B DFH (111), EFAB (100), FECH (110) Hãy viết phương họ Chú ý: Không cho phép xác định mặt qua gốc tọa độ H O Họ mặt, ký hiệu {hkl} y F A x 17 Mật độ nguyên tử 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) Mật độ xếp: 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 19 kích thước lỗ hổng xác định cầu lớn lọt vào khơng gian trống 1.4 Mạng tinh thể vật rắn với liên kết kim loại Lập phương tâm khối (A2) Số nguyên tử: n=2; dngt=a /2; Mặt xếp chặt {110}; Phương xếp chặt : Mv = 68% Ms {110} =83,4% •Lỗ hổng mặt: tâm mặt bên + cỏc cnh, d=0,154dng.t ãL hng mt: ẳ trờn cnh nối điểm cạnh đối diện, d=0,291dng.t •KL điển hình: Feα, Cr, Mo, W…… 22 Mạng tinh thể vật rắn với liên kết kim loại (tiếp) Lập phương tâm mặt (A1) Số nguyên tử: n=4 d nt = a /2 • Lỗ hổng mặt: tâm khối + cạnh, d=0,414dng.t Mặt xếp chặt : {111} ; ã L hng mt: ẳ trờn đường chéo khối tính từ đỉnh, d=0,225dng.t Phương xếp chặt: VD: Mạng tinh thể Feγ, Ni, Cu, Al… Mv = 74% Ms {111} =92% 24 Mạng tinh thể vật rắn với liên kết kim loại (tiếp theo) Sáu phương xếp chặt (A3) 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 c a - Số nguyên tử: n=6 -tỷ số c/a 1,57-1,64  mạng xếp chặt - tỷ số c/a  1,57-1,64  mạng không xếp chặt VD: Mạng tinh thể Ti, Mg, Zn… 1.6 Các sai lệch mạng tinh thể Các yếu tố dẫn đến chuyển biến thù hình : nhiệt độ, áp suất • Fe : < 911oC Fe mng A2 ã 911 ữ 1392oC → Feγ, mạng A1 • 1392oC - 1539oC → 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%) 27 Khuyết tật điểm 1.Sai lệch điểm: • Sai lêch có kích thước nhỏ cỡ ngun tử ( theo chiều khong gian) • Do có xuất nút trống hay nguyên tử xen kẽ • Mạng TT xung quanh sai lệch điểm bị xơ lệch tạo trường ứng suất • Số lượng sai lệch điểm phụ thuộc: T, độ KL Sai lệch đường: có dạng đường ; có loại • Hình thành dãy sai lệch điểm tạo nên •Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa mạng tinh thể lý tưởng xơ lệch có kích thước vài thơng số mạng kéo dài hàng ngàn thơng sơ mạng; có tác dụng lớn q trình trượt Lệch biên chuyển động Ứng suất gây có lệch Trục lệch 29 30 Lệch xoắn Lệch thực tế Hợp kim Titan, đường đen lệch TEMX50000 Lệch xoắn có ý nghĩa q trình kết tính 31 32 Sai lệch mặt: có kích thước lớn theo chiều nhỏ theo chiều 1.7 Đơn tinh thể đa tinh thể -Thường có dạng mặt cong Đơn tinh thể:  khối đồng có kiểu mạng số mạng, có phương khơng đổi tồn thể tích -Điển hình: biên giới hạt, siêu hạt -có tính dị hướng Đa tinh thể:  tập hợp nhiều đơn tinh thể có cấu trúc thơng số mạng định hướng khác nhau, gắn bó với qua biên giới hạt 33 • Đặc điểm đa tinh thể: - Trong hạt phương mạng đồng nhất, hạt không đồng công nghệ "nuôi" đơn tinh thể Độ hạt: ASTM có 16 cấp, số lớn  hạt nhỏ : 00; 0; ….14 • Thường dùng cấp : 1-8 - Có tính đẳng hướng bình cơng tính chất theo phương mạng khác - Biên hạt bị xô lệch không tuân theo quy luật xếp tinh thểcó tính chất khác hẳn hạt : + Mv thấp, có nhiều lỗ hổng khả hịa tan nguyên tố khác + Như lớp vỏ cứng cản trở hạt biến dạng + Dễ bị ăn mịn hóa học 35 36 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 < c Độ nguội -Hiệu số Ts T kết tinh thực tế (Tkt ): ΔT= Ts - Tkt - Kết tinh xảy với độ nguội - 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) 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 Năng lượng tự do, G 1.8 Sự kết tinh hình thành tổ chức KL ΔG GR GL Ts T Nhiệt độ, T 38 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, ln 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 40 10 Mầm tự sinh - Là mầm tạo thành từ KL lỏng đồng nhất, khơng có 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: rth  2 f v đó: rth - bán kính tới hạn mầm - sức căng bề mặt rắn lỏng, Δfv - độ chênh lượng tự (Fl - Fr) tính cho đơn vị thể tích →ΔT lớn → fv lớn, rth nhỏ→ có nhiều mầm 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 ngun chất ln 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