Đề cương bài giảng vật liệu học cơ khí

- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể.. Liên kết này thường tạo ra trong các KL có ít điện tử ho

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Bài mở đầu: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HỌC 6

Chương 1: CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH 9

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử 9

1.1.1 Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử 9

1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử 9

1.2 Sắp xếp nguyên tử trong vật chất 11

1.2.1 Không trật tự hoàn toàn – chất khí 11

1.2.2 Trật tự lý tưởng – chất rắn tinh thể 11

1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể 11

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể 12

1.3.1 Tính đối xứng của tinh thể 12

1.3.2 Ô cơ sở – ký hiệu phương, mặt 12

1.3.3 Mật độ nguyên tử 13

1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 14

1.4.1 Cấu trúc tinh thể của chất rắn với liên kết KL (KL nguyên chất) 14

1.4.2 Mạng tinh thể vật rắn có liên kết đồng hoá trị 15

1.4.3 Mạng tinh thể vật rắn có liên kết ion 17

1.4.5 Dạng thù hình 17

1.5 Sai lệch mạng tinh thể 18

1.5.1 Sai lệch điểm 18

1.5.3 Sai lệch mặt 19

1.6 Đơn tinh thể và đa tinh thể 20

1.6.1 Đơn tinh thể 20

1.6.2 Đa tinh thể 20

1.7 Sự kết tinh và sự hình thành tổ chức kim loại 20

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh 20

1.7.2 Hai quá trình của sự kết tinh 21

1.7.3 Sự hình thành hạt 23

1.7.4 Các phương pháp tạo nhỏ hạt khi đúc 23

1.7.5 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc 25

Chương 2: BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH 27

2.1 Biến dạng dẻo và phá huỷ 27

2.1.1 Khái niệm 27

2.1.2 Trượt đơn tinh thể 28

2.1.3 Trượt đa tinh thể 29

2.1.4 Phá huỷ 30

2.2 Các đặc trưng cơ tính thông thường và ý nghĩa 31

2.2.1 Độ bền (tĩnh) 31

2.2.2 Độ dẻo 33

2.2.3 Độ dai va đập 33

2.2.4 Độ cứng 34

2.3 Nung KL đã qua biến dạng dẻo-thải bền-biến dạng nóng 36

2.3.1 Trạng thái KL đã qua biến dạng dẻo 36

2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung 36

2.3.3 Biến dạng nóng 37

Chương 3: HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA 38

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim 38

3.1.1 Khái niệm về hợp kim 38

3.1.2 Dung dịch rắn 39

3.2 Giản đồ pha hai cấu tử 41

3.2.1 Quy tắc pha và ứng dụng 41

3.2.2 Giản đồ pha và công dụng 42

3.2.3 Giản đồ loại I 43

3.2.4 Giản đồ loại II 44

3.2.5 Giản đồ loại III 45

3.2.6 Giản đồ loại IV 45

3.2.7 Quan hệ giữa giản đồ pha và tính chất của hợp kim 46

3.3 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3 C) 47

3.3.1 Tương tác giữa Fe và C 47

3.3.2 Giản đồ pha Fe - Fe3 C và các tổ chức 48

3.3.3 Phân biệt thép và gang trên giản đồ 52

Chương 4: NHIỆT LUYỆN THÉP 54

4.1 Khái niệm về nhiệt luyện thép 54

4.1.1 Sơ lược về nhiệt luyện 54

4.1.2 Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí 55

4.2 Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép 55

4.2.1 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép – Sự tạo thành austenit 55 4.2.4 Các chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh – Chuyển biến mactenxit 60

4.2.5 Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi 62

4.3 Ủ và thường hoá 64

4.3.1 Ủ thép 64

4.3.2 Thường hoá thép 66

4.4 Tôi thép 66

4.4.1 Định nghĩa và mục đích 66

4.4.2 Chọn nhiệt độ tôi thép 67

4.4.3 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 68

4.4.4 Các phương pháp tôi thể tích và công dụng Các môi trường tôi 69

4.4.5 Cơ nhiệt luyện thép 72

4.5 Ram thép 72

4.5.1 Mục đích và ý nghĩa 72

4.5.2 Các phương pháp ram 72

4.6 Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép 73

4.6.1 Biến dạng và nứt 73

4.6.2 Ôxy hoá và thoát các bon 74

4.6.3 Độ cứng không đạt 74

4.6.4 Tính giòn cao 74

4.7 Hoá bền bề mặt 75

4.7.1 Khái niệm về hoá bền bề mặt 75

4.7.2 Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện 75

4.7.3 Hoá - nhiệt luyện 75

Chương 5: THÉP VÀ GANG 79

5.1 Khái niệm về thép các bon và thép hợp kim 79

5.1.1 Thép các bon 79

5.1.2 Thép hợp kim 83

5.2 Thép xây dựng 89

5.2.1 Đặc điểm chung – phân loại 89

5.2.2 Thép thông dụng 90

5.2.3 Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA 91

5.2.4 Thép làm cốt bêtông 91

5.3 Thép chế tạo máy 92

5.3.1 Các yêu cầu chung 92

5.3.2 Thép thấm cácbon 94

5.3.3 Thép hoá tốt 96

5.3.4 Thép đàn hồi 98

5.3.5 Các thép kết cấu có công dụng riêng 99

5.4 Thép dụng cụ 101

5.4.1 Các yêu cầu chung 101

5.4.2 Thép làm dụng cụ cắt 102

5.4.3 Thép làm dụng cụ đo 105

5.4.4 Thép làm dụng cụ biến dạng nguội 105

5.4.4 Thép làm dụng cụ biến dạng nóng 106

5.5 Thép hợp kim đặc biệt 108

5.5.1 Đặc điểm chung và phân loại 108

5.5.2 Thép không gỉ 108

5.5.3 Thép bền nóng 109

5.5.4 Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dưới tải trọng va đập (thép Hađfiel) 110

5.6 Gang 110

5.6.1 Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy 110

5.6.2 Gang xám 112

5.6.3 Gang cầu 113

5.6.4 Gang dẻo 114

Chương 6 : HỢP KIM MÀU VÀ BỘT 116

6.1 Hợp kim nhôm 116

6.1.1 Nhôm nguyên chất và phân loại nhôm 116

6.1.2 HK nhôm biến dạng không hoá bền bằng nhiệt luyện 117

6.1.3 Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền bằng nhiệt luyện 118

6.1.4 Hợp kim nhôm đúc 119

6.2 Hợp kim đồng 120

6.2.1 Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng 120

6.2.2 Latông 121

6.2.3 Brông 122

6.2.4 Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni 122

6.3 Hợp kim ổ trượt 122

6.3.1 Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trượt 122

6.3.2 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp 123

6.3.3 Hợp kim nhôm 123

6.3.4 Các hợp kim khác 123

6.4 Hợp kim bột 124

6.4.1 Khái niệm chung 124

6.4.2 Vật liệu cắt và mài 124

Chương 7: CERAMIC (Vật liệu vô cơ) 127

7.1 Khái niệm chung 127

7.1.1 Bản chất và phân loại 127

7.1.2 Liên kết nguyên tử 127

7.1.3 Trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình 128

7.1.4 Cơ tính 128

7.2 Gốm và vật liệu chịu lửa 129

7.2.1 Bản chất và phân loại 129

7.2.2 Gốm silicát 129

7.2.3 Gốm ôxyt 130

7.3 Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh 131

7.3.1 Bản chất và phân loại 131

7.3.2 Thuỷ tinh thông dụng 132

7.3.3 Các thuỷ tinh khác 132

7.3.4 Gốm thuỷ tinh 132

Chương 8: VẬT LIỆU POLYME 133

8.1 Khái niệm chung 133

8.2 Cấu trúc phân tử 133

8.2.1 Phân tử hyđrôcacbon 133

8.2.2 Phân tử polyme 133

8.2.3 Cấu trúc mạch của polyme 135

8.2.4 Cấu trúc tinh thể của polyme 136

8.3 Tính chất của polyme 137

8.4 Các loại VL polyme và ứng dụng 138

8.4.1 Phân loại 138

8.4.2 Phối liệu của polyme 139

8.4.3 Các loại VL polyme - ứng dụng 139

Chương 9: COMPOZIT 142

9.1 Khái niệm về compozit 142

9.1.1 Đặc điểm và phân loại 142

9.1.2 Liên kết nền – cốt 142

9.2 Compozit hạt 143

9.2.1 Compozit hạt thô 143

9.2.1 Compozit hạt mịn 143

9.3 Compozit cốt sợi 143

9.4 Compozit cấu trúc 145

9.4.1 Compozit dạng lớp 145

9.4.2 Compozit cấu trúc ba lớp (panel sandwich) 145

Bài mở đầu: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HỌC

Vật liệu học là khoa học nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của VL, trên cơ sở đó tìm ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử

dụng thích hợp ngày một tốt hơn

1 Khái niệm về VL

VL để chỉ những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng và để cả thay thế các bộ phận cơ thể và thể hiện ý đồ nghệ thuật Đối

tượng nghiên cứu của môn học là các vật rắn

Theo cấu trúc - tính chất đặc trưng phân ra bốn nhóm VL chính sau:

H 0.1 Sơ đồ minh hoạ các nhóm VL và quan hệ giữa chúng:

1 bán dẫn, 2 siêu dẫn, 3 silicon, 4 polyme dẫn điện

VL kim loại Thường là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố KL, trong đó có

nhiều điện tử là chung không thuộc về nguyên tử nào Có các tính chất điển hình:

- dẫn nhiệt, dẫn điện cao,

- có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng đi qua,

- dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn ,ép),

- có độ bền cơ học, kém bền hoá học

VL vô cơ (ceramic) Có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa KL, silic với á kim

(ôxyt, nitrit, cacbit), gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thuỷ tinh Có các tính chất điển

hình:

- dẫn nhiệt, dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện),

- cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hoá học hơn VL KL và hữu cơ

VL hữu cơ (polyme) Phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà thành phần hoá học

chủ yếu là cacbon, hyđrô và các á kim, có cấu trúc đại phân tử Có các tính chất điển hình:

- dẫn điện kém, khối lượng riêng nhỏ,

- dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao,

- bền vững hoá học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy, phân huỷ

ở nhiệt độ tương đối thấp

Compozit Được tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả ba loại VL kể trên,

mang hầu như các đặc tính tốt của các VL thành phần VD bêtông cốt thép (vô cơ -

KIM LOẠI

HỮU CƠ -

POLYME

VÔ CƠ - CERAMIC

KL) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao (như bêtông) Hiện nay dùng phổ biến các loại compozit hệ kép: KL - polyme, KL - ceramic, polyme - ceramic với những tính chất mới lạ, rất hấp dẫn

Ngoài ra còn những nhóm phụ khó ghép vào một trong bốn loại trên:

- bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa

KL và ceramic (nhóm đầu gần với KL, nhóm sau gần với ceramic),

- silicon nằm trung gian giữa VL vô cơ với hữu cơ (gần với VL hữu cơ hơn)

2 Vai trò của VL

- Muốn thực hiện được các giá trị vật chất đều phải thông qua sử dụng VL cụ

thể, như để chế tạo máy móc, ôtô, năng lượng phải có KL và HK; thiết bị, đồ dùng

điện tử phải có chất bán dẫn; xây dựng nhà cửa, công trình phải có ximăng và thép; các đồ dùng hàng ngày thường là chất dẻo; máy bay, xe đua rất cần compozit, tượng đài thường bằng HK đồng - thiếc

- Sự phát triển của xã hội loài người gắn liền với sự phát triển của công cụ

sản xuất và kỹ thuật mà cả hai điều này được quyết định một phần lớn nhờ VL Xã

hội loài người phát triển qua các thời kỳ khác nhau gắn liền với VL để chế tạo công

cụ

Hiện nay VLKL thực sự đóng vai trò quyết định trong tiến hoá của loài người

KL và HK đang chiếm vị trí chủ đạo trong chế tạo công cụ và máy móc thường: công

cụ cầm tay, máy công cụ, máy móc nói chung, ôtô, tàu biển, máy bay, đường sắt, cầu, tháp, cột, truyền dẫn điện, nhiệt và trong sản xuất vũ khí Tóm lại cho đến nay VLKL vẫn có tầm quan trọng hàng đầu trong sản xuất cơ khí, giao thông vận tải, năng lượng, xây dựng và quốc phòng

Chất dẻo - polyme từ giữa thế kỷ trước đã trở thành nhóm VL mới, hiện đang

đóng vai trò ngày càng quan trọng và chiếm tỷ lệ ngày càng cao trong đời sống hàng ngày cũng như trong thiết bị máy móc

VL vô cơ - ceramic có lịch sử lâu đời hơn cả (từ thời kỳ đồ đá) Trong quá trình

phát triển, VL này được sử dụng một cách phổ biến, rộng rãi trong xây dựng và đời sống hàng ngày từ đồ gốm, sứ đến ximăng - bê tông, thuỷ tinh, VL chịu lửa cho đến các ceramic hiện đại và thuỷ tinh siêu sạch làm cáp quang

VL compozit phát triển mạnh trong những năm gần đây, đáp ứng được các yêu

cầu rất cao của chế tạo máy mà ba loại VL trên không có được như rất nhẹ lại rất bền Tương lai VL này sẽ tạo ra những thay đổi quan trọng trong ngành cơ khí

3 Đối tượng của VL học cho ngành cơ khí

Quan hệ cấu trúc - tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của VL vào cấu

trúc là nội dung cơ bản của toàn bộ môn học

Cấu trúc (hay tổ chức) là sự sắp xếp của các thành phần bên trong, bao gồm cả

cấu trúc vĩ mô và vi mô

• Cấu trúc vĩ mô (tổ chức thô đại): là hình thái sắp xếp của các phần tử lớn với

kích thước quan sát được bằng mắt thường (tới giới hạn khoảng 0,3 mm), bằng kính lúp (0,01 mm)

• Cấu trúc vi mô: là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát được

bằng mắt hay kính lúp Nó bao gồm:

- Tổ chức tế vi hay vi mô là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân

tử với kích thước cỡ micromet hay cỡ các hạt tinh thể với sự giúp đỡ của kính hiểm vi

quang học hay kính hiển vi điện tử

- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử trong

không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể Để làm được việc này phải sử dụng tới phương pháp nhiễu xạ tia rơnghen cũng như một số kỹ thuật khác

4 Các tiêu chuẩn

- Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN: Dùng từ ký hiệu để mã hoá các HK được qui

định tổng quát trong TCVN 1759 - 75 ( dựa theo các tiêu chuẩn ГOCT)

- Tiêu chuẩn Liên xô hay tiêu chuẩn Nga ГOCT

- Các tiêu chuẩn VLKL phổ biến trên thế giới của Mỹ theo các hệ thống: ASTM, AI SI, SAE, A A, CDA, ACI, UNS

- Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS thông dụng ở châu Á và trên thế giới

- Tiêu chuẩn châu Âu EN và các nước châu Âu: Đức DIN, Pháp NF, Anh BS

Chương 1: CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử (tự đọc- tự nghiên cứu)

1.1.1 Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử

Nguyên tử là một hệ thống bao gồm: Hạt nhân mang điện dương và các điện tử (electron) bao quanh mang điện âm mà ở trạng thái bình thường được trung hoà về điện Hạt nhân gồm prôtôn (điện tích dương) và nơtrôn (không mang điện) Các điện

tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo các mức năng lượng từ thấp đến cao

- Liên kết đồng hoá trị là loại liên kết mạnh, cường độ của nó phụ thuộc vào

đặc tính liên kết giữa điện tử hoá trị với hạt nhân VD: cacbon có 6 điện tử thì có 4

điện tử hoá trị hầu như liên kết trực tiếp với hạt nhân, nếu nó ở dạng kim cương sẽ có cường độ liên kết rất mạnh - T nóng chảy tới 35500C; còn thiếc có tới 50 điện tử nhưng chỉ có 4 điện tử hoá trị nằm xa hạt nhân nên có liên kết yếu với hạt nhân - T nóng chảy tới 2700C

- Liên kết đồng hoá trị là loại có liên kết định hướng vì các điện tử tham gia

liên kết lớn nhất theo phương nối tâm các nguyên tử

b Liên kết ion

Xảy ra giữa nguyên tử có ít điện tử hoá trị dễ cho bớt để tạo thành ion dương với nguyên tử có nhiều điện tử hoá trị dễ nhận thêm điện tử để trở thành ion âm

- Liên kết ion là loại liên kết mạnh, nó càng mạnh khi các nguyên tử càng

chứa ít điện tử, tức là các điện tử cho và nhận nằm càng gần hạt nhân

- Liên kết ion là loại không định hướng, nó thể hiện tính giòn cao

H1.2 biểu diễn liên kết ion trong phân tử LiF

c Liên kết kim loại

Liên kết KL là liên kết đặc trưng cho các VLKL, nó quyết định tính chất đặc

trưng của VL Được hình dung như:

H1.1 Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hoá trị

điên tử góp chung của C điên tử góp của H

Các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt trong không gian điện tử tự do

“chung” Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) của lực hút (giữa ion dương và

điện tử tự do bao quanh) và lực đẩy (giữa các ion dương) Nhờ sự cân bằng này các

nguyên tử, ion KL luôn luôn có vị trí cân bằng và xác định trong đám mây điện tử

Liên kết này thường tạo ra trong các KL có ít điện tử hoá trị, chúng liên kết yếu

với hạt nhân dễ dàng bứt ra khỏi nguyên tử trở nên tự do, tạo nên ―mây‖ hay ―biển‖

Liên kết này tạo cho KL có các tính chất điển hình:

- Ánh kim hay vẻ sáng Bề mặt KL (khi chưa bị ôxi hoá) sáng khi bị ánh sáng

chiếu vào, điện tử tự do nhận năng lượng và bị kích thích, có mức năng lượng cao hơn

song không ổn định, khi trở về mức cũ sẽ phát ra sóng ánh sáng

- Dẫn nhiệt và dẫn điện cao Nhờ có điện tử tự do rất dễ chuyển động định

hướng dưới một hiệu điện thế làm KL có tính dẫn điện cao Tính dẫn nhiệt cao được

giải thích do sự truyền động năng của các điện tử tự do và ion dương

- Tính dẻo Là đặc tính quan trọng, nhờ có nó mà KL có thể cán, dát mỏng

thành tấm, lá, cán kéo thành sợi, dây, Sự có mặt của điện tử tự do là nguyên nhân

của tính dẻo cao

Dưới tác dụng cơ học, các ion dương KL rất dễ dịch chuyển giữa các lớp đệm

là mây điện tử, hơn nữa khi KL bị biến hình (tức là các ion chuyển chỗ) liên kết KL

vẫn được bảo tồn do vị trí tương quan giữa các ion dương và điện tử tự do không thay

đổi Ngoài ra KL có cấu tạo mạng đơn giản và xít chặt, trong đó các mặt tinh thể có

mật độ chênh lệch nhau, dưới tác dụng cơ học thì các mặt dày đặc hơn có liên kết bền

chắc hơn, dễ dàng trượt lên nhau

d Liên kết hỗn hợp

Trong các chất, VL thông dụng không mang tính chất thuần tuý của một loại

liên kết duy nhất nào, mà mang tính hỗn hợp của nhiều loại, như trong KL vẫn có liên

kết đồng hoá trị

e Liên kết yếu (Van der Walls)

Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hoá trị, do sự khác nhau về tính âm điện

của các nguyên tử, trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu

cực điện được tạo thành và phân tử bị phân cực Liên kết yếu là do hiệu ứng hút nhau

giữa các nguyên tử hay phân tử bị phân cực như vậy Liên kết này rất yếu, rất dễ bị

phá vỡ khi tăng nhiệt độ nên VL có liên kết này có nhiệt độ chảy thấp

H1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết ion trong phân tử LiF H 1.3 Sơ đồ biểu diễn liên kết KL

+

+

+

+ +

1.2 Sắp xếp nguyên tử trong vật chất

1.2.1 Không trật tự hoàn toàn – chất khí (tự đọc- tự nghiên cứu)

Trong chất khí các nguyên tử sắp xếp hỗn loạn, hoàn toàn không trật tự Khoảng cách giữa các nguyên tử không cố định mà phụ thuộc thể tích của bình chứa, nó không chịu nén

1.2.2 Trật tự lý tưởng – chất rắn tinh thể

Trong chất rắn tinh thế mỗi nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định với các

nguyên tử bên cạnh – gọi là trật tự gần và cả những nguyên tử khác ở xa hơn – gọi là

trật tự xa

Chất rắn tinh thể có cấu trúc tinh thể do các nguyên tử sắp xếp có trật tự nên

được xác định bằng kiểu mạng tinh thể, tức là các nguyên tử của nó được sắp xếp thành hàng lối với

qui luật nhất định Nối tâm các nguyên tử bằng các đường thẳng tưởng tượng sẽ được hình ảnh của mạng tinh thể, nơi giao nhau của các đường thẳng được gọi là nút mạng

VD H1.4 biểu diễn một phần mạng tinh thể lập phương (không thể và cũng không cần vẽ hết cả mạng tinh thể gồm vô vàn nguyên tử, do tuân theo qui luật hình học vị trí của các nút

tiếp theo hoàn toàn xác định trên cơ sở tịnh tiến theo cả ba chiều đo)

Do có sắp xếp trật tự (qui luật, lập lại theo ba chiều trong không gian) nên theo các phương khác nhau hình thái sắp xếp và mật độ nguyên tử cũng khác nhau, tạo nên tính dị hướng hay có hướng

1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể (tự đọc- tự nghiên cứu)

a Chất lỏng

Cấu trúc giống chất rắn tinh thể là có các nguyên tử có xu thế tiếp xúc (xít) nhau

trong những nhóm nhỏ của một không gian hình cầu khoảng 0,25 nm, nên nó không

chịu nén

H1.4 Cấu trúc mạng tinh thể lập phương (đơn giản)

Sự khác nhau với chất rắn tinh thể:

- Vị trí nguyên tử không xác định, tức là trong không gian nhỏ các nguyên tử tuy có sắp xếp có trật tự nhưng không ổn định, luôn bị phá vỡ do ba động nhiệt rồi lại hình thành với các nguyên tử khác và ở ni khác – cấu trúc trật tự gần

- Mật độ xếp chặt của chất lỏng kém hơn chất rắn nên khi kết tinh hay đông đăc thường kèm theo giảm thể tích (co ngót)

b Chất rắn vô định hình

Một số chất, ở trạng thái lỏng có độ sệt cao, các nguyên tử không đủ độ linh hoạt để sắp xếp lại theo chuyển pha lỏng – rắn; chất rắn tạo thành không có cấu trúc

tinh thể và gọi là chất rắn vô định hình - điển hình thuỷ tinh (cấu tạo cơ bản SiO2)

Về mặt cấu trúc, các chất rắn thường gặp chia làm hai nhóm là tinh thể và không tinh thể (vô định hình) Sự phân chia này là không hoàn toàn tuyệt đối vì chỉ phù hợp với điều kiện sản xuât (chủ yếu làm nguội) thông thường, VD:

- Làm nguội bình thường với thuỷ tinh lỏng, các phân tử SiO2 không đủ thời gian sắp xếp lại tạo nên thuỷ tinh thường Còn khi làm nguội chậm các phân tử SiO2 có

đủ thời gian sắp xếp lại theo trật tự xa sẽ được thuỷ tinh tinh thể

- KL và HK khi làm nguội bình thường từ trạng thái lỏng sẽ cho cấu trúc tinh thể, nếu làm nguội với tốc độ vô cùng lớn (> 10000C/s) sẽ nhận được cấu trúc vô định hình

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể

1.3.1 Tính đối xứng của tinh thể (tự đọc- tự nghiên cứu)

Mạng tinh thể bao giờ cũng mang tính đối xứng, nó là đặc điểm quan trọng, thể hiện cả bên ngoài, bên trong cũng như các tính chất Tính đối xứng là là tính chất ứng với một biến đổi hình học, các điểm, các đường, mặt tự trùng lặp lại, gồm có:

- Tâm đối xứng: bằng phép nghịch đảo qua tâm chúng trùng lại nhau

- Trục đối xứng: các điểm có thể trùng lặp lại nhau bằng cách quay quanh trục một góc

- Mặt đối xứng: bằng phép phản chiếu gương qua một mặt phẳng, các mặt sẽ trùng lặp lại

1.3.2 Ô cơ sở – ký hiệu phương, mặt

Mật độ xếp là mức độ dày đặc trong sắp xếp nguyên tử Mật độ xếp theo

phương (chiều dài) Ml, theo mặt Ms hay trong mạng Mv : Ml = l / L; Ms = s / S; Mv

= v / V;

Trong đó: - l, s, v lần lượt là chiều dài, diện tích, thể tích bị nguyên tử (ion) chiếm chỗ,

- L, S, V lần lượt là tổng chiều dài, diện tích, thể tích đem xét

b Số sắp xếp

Số sắp xếp là số lượng nguyên tử cách đều gần nhất một nguyên tử đã cho

Số sắp xếp càng lớn chứng tỏ mạng tinh thể càng dày đặc

c Lỗ hổng

Lỗ hổng là không gian trống bị giới hạn bởi hình khối nhiều mặt mà mỗi

đỉnh khối là tâm nguyên tử, ion nút mạng Kích thước lỗ hỏng được đánh giá bằng

đường kính hay bán kính của quả cầu lớn nhất có thể đặt lọt vào không gian trống đó Hình dạng, kích thước lỗ hổng phụ thuộc vào cấu trúc (kiểu) mạng Kích thước lỗ hỏng đóng vai trò quyết định cho phép các nguyên tử khác loại hoà trộn vào, đặc biệt

là á kim vào KL

H1.5 Ô cơ sở và hệ toạ độ

Phương là đường thẳng đi qua các nút của

mạng, được ký hiệu [u, v, w], chỉ cần biết hai nút

mạng sẽ xác định được phương đã cho Do tính qui

luật sắp xếp nguyên tử mà các phương song song

với nhau có tính chất hoàn toàn như nhau nên sẽ có

cùng một chỉ số phương lấy theo phương đi qua gốc

toạ độ O H1.6 biểu diễn ba phương điển hình

trong mạng tinh thể của hệ lập phương:

Ô cơ sở được xây dựng trên ba vectơ đơn vị

a, b, c tương ứng với ba trục toạ độ Ox, Oy, Oz đặt

trên ba cạnh của ô như H1.5 Mô đun của ba vectơ

đó a, b, c là kích thước của ô cơ sở còn gọi là hằng

số mạng hay thông số mạng, vì chúng đặc trưng cho

từng nguyên tố hoá học hay đơn chất Các góc α, β,

γ hợp bởi các vectơ đơn vị

1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn

1.4.1 Cấu trúc tinh thể của chất rắn với liên kết KL (KL nguyên chất)

a Lập phương tâm khối A2

- Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và các trung tâm khối như ở các H1.7 a, b và c

- Tuy có 9 nguyên tử để biểu thị cho một ô, song thuộc về ô này chỉ có: nv = 8 đỉnh 1/8 + 1 giữa = 2 nguyên tử (mỗi nguyên tử ở đỉnh thuộc về 8 ô bao quanh nên thuộc về ô đang xét chỉ là 1/8, nguyên tử ở trung tâm khối thuộc về ô đang xét)

H1.7 Ô cơ sở mạng lập phương tâm khối (a, b, c)

- Các nguyên tử xếp xít nhau theo phương đường chéo khối, về mặt hình học thấy: đường kính dng.t và bán kính rng.t lần lượt bằng a.31/2/2 và a.31/2/4,

- mỗi nguyên tử trong mạng này được bao quanh bằng 8 nguyên tử gần nhất với khoảng cách ngắn nhắt là a.31/2

/2 (và 6 nguyên tử tương đối gần với khoảng cách là a), nên có số sắp xếp là 8 (hay đôi khi biểu thị bằng 8 + 6)

- Các KL có kiểu mạng này là Fe, crôm, môlipđen, vonfram với hằng số mạng

a lần lượt bằng 0,2866; 0,2884; 0,3147; 0,3165 nm

Mạng chính phương tâm khối chỉ khác mạng A2 ở a = b ≠ c, hay nói cách

khác là có hai thông số mạng a và c, tức là c/a ≠ 1, đó là kiểu mạng của mactenxit thường gặp khi nhiệt luyện (tôi) được trình bày ở chương 4

b Lập phương tâm mặt A1

H1.8 Ô cơ sở mạng lập phương tâm mặt (a, b, c)

- Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và nằm ở trung tâm các mặt bên, như H1.8 a, b và c

- Tuy có 14 nguyên tử để biểu thị cho một ô, song thuộc về ô chỉ có: nv = 8 đỉnh 1/8 + 6 mặt 1/2 = 4 nguyên tử

- Các nguyên tử xếp xít nhau theo phương đường chéo mặt, về mặt hình học thấy:

Ô cơ sở là khối lăng trụ lục giác (6 lăng trụ tam giác đều), các nguyên tử nằm

trên 12 đỉnh, tâm của hai mặt đáy và tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách nhau như

ở H1.9 a, b, c Để biểu thị một ô cần tới 17 nguyên tử, song thực tế thuộc về ô này chỉ có:

nv = 12 đỉnh 1/6 + 2 giữa mặt 1/2 + 3 = 6 nguyên tử.

H1.9 Ô cơ sở mạng sáu phương xếp chặt (a, b, c)

Các nguyên tử xếp xít nhau theo các mặt đáy (0001) [hiểu là mặt gồm 3 nguyên

khe lõm do mặt đáy trước tạo nên

- nếu tỉ số c/a nằm trong khoảng 1,57 - 1,64 thì mạng được coi là xếp chặt,

- Khi tỉ số c/a nằm ngoài khoảng trên thì mạng được coi là không xếp chặt

Trường hợp xếp xít chặt mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử bao quanh gần nhất với khoảng cách a, nên có số sắp xếp là 12 Còn trường hợp không xếp xít chặt có số sắp xếp là 6 + 6

Các KL có kiểu mạng này ít thông dụng hơn là:

- titan ( Tiα ) với a = 0,2951 nm, c = 0,4679 nm, c/a = 1,5855 (xếp chặt),

- magiê với a = 0,3209 nm, c = 0,5210 nm, c/a = 1,6235 (xếp chặt),

- kẽm với a = 0,2664 nm, c = 0,4945 nm, c/a = 1,8590 (không xếp chặt)

1.4.2 Mạng tinh thể vật rắn có liên kết đồng hoá trị (tự đọc - tự nghiên cứu)

a Kim cương A 4

Kim cương là một dạng tồn tại của cacbon với số sắp xếp là 4 tức là mỗi một nguyên tử cacbon có 4 nguyên tử bao quanh gần nhất Như vây ô cơ sở của nó được tạo thành trên cơ sở của A1 có thêm 4 nguyên tử bên trong với các toạ độ như hình vẽ (nếu chia ô cơ sở A1thành tám khối lập phương nhỏ thì 4 nguyên tử này nằm ở tâm của

4 khối cách nhau trong 8 khối đó)

Cứ 4 nguyên tử cacbon tạo nên một khối tứ diện tam giác đều Các khối xếp chung đỉnh tạo nên mạng kim cương Mỗi nguyên tử cách đều 4 nguyên tử khác với

khoảng cách gần nhất a.31/2/4(a = 0,375nm) và liên kết đồng hoá trị (H.c) Góc cố định giữa các liên kết đồng hoá trị trong mạng kim cương là 109,50 Với các nguyên tử cacbon đều có liên kết đồng hoá trị với năng lượng lớn nên kim cương có độ cứng rất cao (cao nhất trong thang đo độ cứng)

b Mạng grafit

Grafit là dạng tồn tại của cacbon, phổ biến trong thiên nhiên và VL (gang) Nó

có mạng tinh thể 6 phương như H.a, các nguyên tử được phân bố trên các mặt phẳng

tại các đỉnh của hình lục giác đều, trong đó mỗi nguyên tử đều tạo nên liên kết đồng

hoá trị mạnh với 3 nguyên tử bao quanh và có góc lệch 120 0 , khoảng cách giữa các nguyên tử trong mặt lục giác đều khá nhỏ, a = 0,246 nm, giữa các lớp lục giác đều lớn hơn, c = 0,671 nm tương ứng với liên kết yếu Van der Walls Do vậy Grafit rất

dễ bị tách lớp và có tính chất gần như hoàn toàn trái ngược với kim cương là rất mềm,

nó được coi là chất rắn có độ cứng thấp nhất

c Cấu trúc sợi cacbon và fullerene

Những chất cấu tạo bằng nguyên tử cacbon với cấu trúc mạng là các mặt lục giác đều như của grafit chỉ gồm các liên kết đồng hoá trị nên sẽ cho độ bền cao hơn rất nhiều

- Cấu trúc của sợi cacbon (H.b) như những lớp ―vỏ‖ nguyên tử cacbon, sắp xếp theo hình lục giác, có liên kết đồng hoá trị mạnh, cuốn quanh trục sợi Nó được làm cốt trong compzit cho độ bền gấp ba lần song lại nhẹ hơn tơid bốn lần so với thép

- Phân tử cacbon C60 (H.c) gọi là fullerene (được tìm ra năm 1985), cấu trúc của

nó gồm 60 nguyên tử cabon xếp trên một mặt cầu theo đỉnh của 12 ngũ giác đều và 20 ngũ giác đều, các ngũ giác không itếp xúc nhau mà liên kết với nhau qua các lục giác đều Một phần tử fullerene C60 có hình dáng giống quả bóng đá nhiều múi Cấu trúc

H1.11 Cấu trúc mạng của grafit sợi, cacbon và fullerene

H1.10 Ô cơ sở của mạng tinh thể kim cương (a), vị trí nguyên tử (b) và liên kết (c)

đối xứng tròn, ứng với độ bền và độ cứng rất cao tương lai sẽ có nhiều ứng dụng kỳ lạ trong kỹ thuật

1.4.3 Mạng tinh thể vật rắn có liên kết ion (tự đọc- tự nghiên cứu)

Cấu trúc tinh thể của hợp chất hoá học có liên kết ion phụ thuộc vào hai yếu tố:

- Tỷ số lượng ion âm trên lương ion dương: tỷ số này cố định đối với từng hợp

chất, phụ thuộc vào số điện tử tham gia liên kết, đảm bảo tính trung hoà về điện của hệ thống

- Tương quan kích thước giữa ion âm và ion dương: liên kết ion không định

hướng nên trong mạng tinh thể, các ion có xu hướng sắp xếp sao cho đạt được độ xếp chặt và tính đối xứng cao nhất

Mạng tinh thể của hợp chất hoá học có liên kết ion vẫn có kiểu mạng đơn giản (A1, A2) nhưng sự phân bố cácion trong đó khá phức tạp nên được coi là mạng phức

tạp Có thể hình dung nó được tạo thành trên cơ sở của ion âm, các ion dương còn

lại chiếm một phần hay toàn bộ các lỗ trống

1.4.4 Cấu trúc polyme (tự đọc- tự nghiên cứu)

Ô cơ sở của polyme được tạo nên bởi rất nhiều phân tử mà mỗi phân tử lại gồm hàng triệu nguyên tử (ion) Vdpolyme trên cơ sở của polyêtylen (C2H4)n lần lượt như sau:

Các mạch polyme sắp xếp và liên kết với nhau bằng liên kết yếu Van der Walls,

sự sắp xếp có trật tự tạo nên cấu trúc tinh thể, hoặc không trật tự tạo nên trạng thái vô định hình

1.4.5 Dạng thù hình

Thù hình hay đa hình là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác

nhau của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hoá học, mỗi cấu trúc khác biệt đó được gọi là dạng thù hình và theo chiều nhiệt độ tăng được ký hiệu lần lượt bằng các

chữ cái Hy lạp , β, γ, δ, ε, Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thù hình

này sang dạng thù hình khác được gọi là chuyển biến thù hình

Thù hình là hiện tượng thuộc về bản chất của một số nguyên tố và hợp chất, nó thể hiện rất rõ ở một số VL thường dùng: thép, gang (trên cơ sở của sắt), cacbon với ứng dụng rất quan trọng Các yếu tố dẫn đến chuyển biến thù hình thường là nhiệt độ, sau đó là áp suất

VD sắt: dưới 9110C gọi là Feα và từ 13920C đến nhiệt độ chảy 15390C gọi là Feδ

tồn tại mạng A2; trong khoảng nhiệt độ còn lại 911- 13920C gọi là Fγ tồn tại mạng A1 Khi chuyển biến thù hình bao giờ cũng đi kèm theo sự thay đổi về thể tích (nở hay co) và cơ tính VD: khi nung nóng sắt qua 9110C sắt co lại đột ngột (do tăng mật

độ xếp từ 68 lên 74% khi chuyển từ Fα → Feγ) và hoàn toàn ngược lại khi làm nguội (điều này trái với quan niệm thường gặp là nung nóng thì nở ra, còn làm nguội thì co lại)

1.5 Sai lệch mạng tinh thể

Trong thực tế không phải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định, gây nên

những sai hỏng được gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng, ảnh hưởng xấu

về cơ tính dưới tác dụng của ngoại lực Phụ thuộc vào kích thước ba chiều trong không gian, có các dạng:

có nguyên tử gọi là nút trống Sau khi rời khỏi nút mạng, nguyên tử có thể chuyển

sang vị trí xen kẽ giữa các nút mạng trở thành nguyên tử xen kẽ (H1.12a)

Mật độ nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ, nó tăng rất nhanh theo nhiệt độ và có giá trị lớn nhất khi sắp chảy lỏng Nút trống có ảnh hưởng đến cơ chế và tốc độ khuếch tán của KL và HK ở trạng thái rắn

H1.12 Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử xen kẽ (a)

và các nguyên tử tạp chất (b)

- Nguyên tử tạp chất

Trong thực tế không thể có VL hoặc KL sạch tuyệt đối (thường sạch nhất cũng

chỉ đạt tới 99,99 hay 99,999%) Phụ thuộc vào kích thước, nguyên tử lẫn vào - thường gọi là tạp chất, có thể thay thế các nguyên tử nền ở các nút mạng hoặc xen vào giữa các nút (H1.12 b)

Do sự khác nhau về đường kính giữa các nguyên tố nền và tạp chất nên khi thay

thế cho nhau bao giờ cũng làm cho mạng của nền giãn nở hay co lại Còn khi tự xen kẽ bao giờ cũng làm nền giãn ra vì kích thước của lỗ hổng luôn nhỏ hơn đường

kính nguyên tử Các nguyên tử nền xung quanh lỗ hổng có khuynh hướng xích lại gần nhau

1.5.2 Sai lệch đường (tự đọc- tự nghiên cứu)

Là loại có kích thước nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo hai chiều và lớn theo

chiều thứ ba - tức là có dạng đường (thẳng, cong, xoáy trôn ốc) Cũng có thể coi sai lệch đường là tập hợp các sai lệch điểm - song cơ bản là lệch

a Lệch biên

- Mô hình tạo thành (H a) : chèn thêm bán mặt ABCD vào nửa phân trên của mạng tinh thể lý tưởng, làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phía không hoàn toàn song song với nhau nữa

- Sự sắp xếp nguyên tử (H b) trên mặt cắt vuông góc vuông góc với trục AD: vùng bị xô lệch quá nhỏ, chỉ 4-5 thông số mạng trong phạm vi vòng tròn, sự xô lệch này kéo dài theo đường AD gọi là trục lệch, nó chính là biên của bán mặt nên có tên là lệch biên

b Lệch xoắn

Lệch xoắn được hình dung như mô hình trượt dịch (H a) : cắt tinh thể lý tưởng theo bán mặt ABCD rồi trượt dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau đi một hằng số mạng trên đường BC, làm cho các nguyên tử trong vùng hẹp giữa hai đường AD và

BC sắp xếp lại có dạng đường xoắn ốc giống như mặt vít nên gọi là lệch xoắn (H b) Đường AD là tâm của sự xô lệch nên được gọi là trục lệch

H1.13 Lệch biên: mô hình tạo thành lệch(a), sự sáp xếp nguyên tử trong vùng lệch(b) và mô

hình không gian(c) Lệch xoắn: Mô hình tạo thành (a), mô hình không gian (b) và sự sắp xếp

nguyên tử trong vùng lệch

1.5.3 Sai lệch mặt (tự đọc- tự nghiên cứu)

Sai lệch mặt là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng của một mặt (có thể là mặt phẳng, cong hay uốn lượn) Có các dạng điển hình của sai lệch mạng là:

- biên giới hạt và siêu hạt,

- bề mặt tinh thể

1.6 Đơn tinh thể và đa tinh thể (tự đọc- tự nghiên cứu)

H1.14 Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b)

Trong thiên nhiên tìm được một số khoáng vật có thể tồn tại dưới dạng đơn tinh thể Chúng có bề mặt ngoài nhẵn, hình dáng xác định, đó là những mặt phẳng nguyên

tử giới hạn (thường các mặt xếp chặt nhất) Các đơn tinh thể KL không tồn tại trong tự nhiên, muốn có phải dùng công nghệ ―nuôi‖ đơn tinh thể

Đơn tinh thể có tính chất rắt đặc thù là dị hướng vì theo các phương mật độ xếp

chặt nguyên tử khác nhau Trong sản xuất cơ khí hầu như không sử dụng đơn tinh thể,

nó chỉ sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử ở dạng bán dẫn

1.6.2 Đa tinh thể

Trong thực tế chỉ gặp các VL đa tinh thể Đa tinh thể gồm rất nhiều (đơn) tinh

thể nhỏ (cỡ m) được gọi là hạt tinh thể hay đơn giản là hạt, chúng tuy có cùng cấu trúc và thông số mạng song phương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu

nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là biên giới hạt

1.7 Sự kết tinh và sự hình thành tổ chức kim loại

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh

a Cấu trúc ở trạng thái lỏng

Chất lỏng chỉ có trật tự gần (không có trật tự xa), nghĩa là trong nó có những

nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự, chúng ở trạng thái cân bằng động tức là chỉ có khả năng tồn tại trong thời gian ngắn, nhanh chóng tan ra rồi lại tạo thành chỗ khác Về mặt cấu trúc trạng thái lỏng gần trạng thái tinh thể hơn là trạng thái khí, điều này giúp

nó kết tinh (tạo nên mạng tinh thể và hạt) một cách dễ dàng

b Biến đổi năng lượng khi kết tinh

Sự biến đổi năng lượng quyết định chiều hướng của mọi chuyển biến (như phản

ứng hoá học, chuyển pha, kết tinh…) Động lực thúc đẩy để chuyển trạng thái xảy ra

theo chiều hướng giảm năng lượng dự trữ - chuyển động của nguyên tử, phân tử, ion - được đặc trưng bằng đại lượng được gọi là năng lượng tự do F (vì không đo

được giá trị tuyệt đối nên biểu thị bằngF) Năng lượng tự do của các trạng thái phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ

- ở nhiệt độ T > T s vật thể tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lượng tự do của trạng thái lỏng nhỏ hơn rắn, F1 < Fr , sự kết tinh chưa xảy ra

- ở nhiệt độ T < T s vật thể tồn tại trạng thái tinh thể vì Fr < F1

Khi làm nguội qua Ts (tại đó F1 = Fr) sẽ có sự chuyển trạng thái từ lỏng sang

tinh thể, tức là xảy ra kết tinh, nên T s được gọi là nhiệt độ kết tinh (hay nóng chảy) nhưng chỉ có tính lý thuyết Vì trong điều kiện thông thường, tại đúng nhiệt đó (T =

Ts) khi làm nguội vẫn chưa xảy ra kết tinh, khi nung nóng vẫn chưa xảy ra nóng chảy

do hai trạng thái lỏng – rắn cân bằng nhau, tức là vẫn duy trì trạng thái ban đầu

Điều kiện xảy ra kết tinh: sự kết tinh chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ

kết tinh (lý thuyết) T s một khoảng nhất định để tại đó F r < F 1 một cách rõ rệt

c Độ quá nguội

Là hiệu số giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết T s và nhiệt độ kết tinh thực tế T kt :

T = T s - T kt

Vậy: sự kết tinh chỉ xảy ra với độ quá nguội

Độ quá nguội có thể thay đổi từ rất nhỏ ( từ 1 20C ) đến rất lớn (hàng chục đến hàng trăm 0C ) tuỳ theo tốc độ làm nguội khi kết tinh là chậm hay nhanh Vì vậy không thể có nhiệt độ kết tinh thực tế nói chung (cho mọi trường hợp), VD: với cùng một KL, nhiệt độ kết tinh thực tế trong khuôn cát cao hơn trong khuôn KL

Tương tự khi nung nóng: sự nóng chảy thực tế sẽ xảy ra ở nhiệt độ Tnc > Ts, độ

chênh lệch giữa chúng gọi là độ quá nung

1.7.2 Hai quá trình của sự kết tinh

Tại nhiệt độ T < Ts sự kết tinh xảy ra được là nhờ hai quá trình cơ bản nối tiếp nhau là tạo mầm và phát triển mầm

a Tạo mầm

Tạo mầm là quá trình sinh ra các phân tử rắn có cấu trúc tinh thể tức những

nhóm trật tự gần (luôn có sẵn trong KL lỏng) với kích thước đủ lớn, được cố định lại,

H1.15 Sơ đồ biến đổi năng lượng tự

Nhiệt độ

v F



F R

F L

chúng không bị tan đi như trước đó mà phát triển lên như trung tâm của tinh thể (hạt)

Có hai loại mầm:

- Mầm tự sinh: Tạo thành từ KL lỏng đồng nhất không có sự trợ giúp của các

phần tử rắn có sẵn ở trong nó Những nhóm nguyên tử trật tự gần nào có kích thước

đủ lớn r  r th (với giả thiết chúng là các khối hình cầu bán kính r) trở nên ổn định,

không bị tan đi, phát triển lên thành hạt Đó là các mầm tự sinh

Theo tính toán nhiệt động học, rth (bán kính tới hạn của mầm) được tính theo

công thức:

r th = 2/f v

trong đó: - sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng

fv - độ chênh năng lượng tự do (F1 - Fr) tính cho một đơn vị thể tích

Khi kết tinh ở nhiệt độ càng thấp, độ quá nguội T càng lớn thì fv cũng càng

lớn, rth càng nhỏ; đồng nghĩa với có càng nhiều nhóm trật tự gần có sẵn trong chất lỏng

dễ dàng thoả mãn điều kiện về kích thước này nên càng có nhiều mầm

- Mầm ký sinh: Tạo thành ở trên bề mặt phân tử rắn có sẵn ở trong KL lỏng

không đồng nhất và là dạng tạo mầm thực tế và đơn giản hơn nhiều

Thực tế KL nguyên chất luôn luôn có tạp chất trong đó các phân tử rắn khó

chảy hơn nữa trong sản xuất không thể tránh được sự lẫn vào của những phân tử rắn

khác như: bụi tường lò, bụi than, bụi chất sơn khuôn … và ngay cả thành khuôn

Nhiều trường hợp người ta cố ý tạo ra và đưa các phần tử rắn vào để giúp cho quá

trình kết tinh

b Phát triển mầm

Khi đạt đến kích thước tới hạn rth, sự phát triển lên về kích thước của mầm là

quá trình tự nhiên vì làm giảm năng lượng tự do Trong các điều kiện thông thường

(làm nguội tương đối nhanh) đầu tiên sự phát triển mầm mang tính dị hướng tức rất

nhanh theo một số phương tạo nên nhánh cây (H1.16): lúc đầu mầm phát triển theo

trục chính bậc I (A), rồi từ trục chính này tạo nên trục bậc II (B) vuông góc với trục

bậc I, rồi từ trục bậc II phân nhánh tiếp tạo nên trục bậc III (C) … cứ như vậy nhánh

cây được hình thành

Sau đó KL giữa nhánh cây mới kết tinh tạo nên hạt (tinh thể) đặc kín Cần chu

ý là mầm cũng phát triển nhanh theo phương tản nhiệt mạnh hơn

H1.16 Các trục nhánh cây (a) và tinh thể

nhánh cây (b)

1.7.3 Sự hình thành hạt

Hạt là yếu tố quan trọng của tổ chức tinh thể, ta xét sự hình thành của hạt như sau

a Tiến trình kết tinh

Ta hình dung kết tinh như là sự tiếp nối liên tục của hai quá trình cơ bản trên:

Trong khi các mầm sinh trước phát triển lên thì trong KL lỏng vẫn tiếp tục sinh

ra các mầm mới, quá trình cứ xảy ra như vậy cho đến khi các mầm đi đến gặp nhau và

KL lỏng hết, cuối cùng được tổ chức đa tinh thể gồm các hạt Ta thấy:

- từ mỗi mầm tạo nên một hạt

- các hạt xuất phát từ mầm sinh ra trước có nhiều thời gian và KL lỏng bao quanh, có điều kiện phát triển nên hạt sẽ to hơn; còn các hạt từ mầm sinh sau sẽ nhỏ hơn, nên các hạt không thể có kích thước hoàn toàn đồng nhất

- Do các mầm định hướng trong không gian một cách ngẫu nhiên nên phương mạng ở các hạt cạnh nhau không đồng hướng, lệch nhau làm xuất hiện vùng biên giới

hạt với mạng tinh thể bị xô lệch

- Khi tốc độ phát triển mạnh theo hai phương (tức theo một mặt nào đó), hạt sẽ

có dạng tấm, lá, phiến như grafit trong gang xám

- Khi tốc độ phát triển mạnh theo một phương nào đó, hạt sẽ có dạng đũa, cột, hình trụ

- Dạng tinh thể hình kim (đầu nhọn) tồn tại trong một số trường hợp (khi nhiệt luyện)

1.7.4 Các phương pháp tạo nhỏ hạt khi đúc

Thường VLKL sử dụng có hạt nhỏ mịn sẽ cho cơ tính cao hơn đặc biệt là độ dai

H1.17 Quá trình tạo mầm và phát triển theo thời gian

a Nguyên lý

Kích thước hạt phụ thuộc tương quan hai quá trình cơ bản trên Số mầm được

tạo ra càng nhiều thì hạt càng nhỏ, nhưng mầm phát triển càng nhanh thì hạt càng lớn Bằng thực nghiệm xác định kích thước hạt A:

A = 1,14  3

n v

Trong đó: n tốc độ sinh mầm trong một đơn vị thời gian (…/s)

v tốc độ phát triển theo chiều dài của mầm (mm/s)

Vậy nguyên lý tạo hạt nhỏ khi đúc: là tăng tốc độ sinh mầm n và giảm tốc độ

phát triển dài v của mầm

b Các phương pháp làm hạt nhỏ khi đúc

• Tăng độ quá nguội

Khi tăng độ quá nguội T, tốc độ sinh mầm và tốc độ phát triển dài của mầm đều tăng

Để tăng T, khi đúc phải làm nguội nhanh, có các phương pháp:

- Làm nguội trong khuôn cát là phương pháp đúc nguội chậm nhất, nhất là trong khuôn đẵ được sấy khô

- Thay VL làm khuôn bằng KL như gang, thép, đồng có tính dẫn nhiệt cao hơn làm tốc độ nguội tăng lên

- Làm nguội thêm khuôn KL bằng nước

0

• Biến tính

Cho vào KL lỏng trước khi rót vào khuôn một lượng rất nhỏ (nó không ảnh

hưởng đến thành phần hoá học) chất đặc biệt được gọi là chất biến tính có tác dụng

làm nhỏ hạt, thậm chí đôi khi thay đổi cả hình dạng Theo cơ chế sau:

- Khi hoà tan vào KL lỏng nó kết hợp với tạp chất hoặc khí hoà tan để tạo ra

các hợp chất khó chảy, không tan, ở dạng các phân tử rắn nhỏ, lơ lửng, phân tán đều trong thể tích, chúng giúp cho sự tạo mầm ký sinh

VD1: Cho nhôm vào thép lỏng với lượng nhỏ (khoảng vài trăm gam/tấn thép)

chỉ đủ kết hợp với ôxy, nitơ thành ôxyt (Al2O3), nitrit (AlN) khó chảy tạo nên các phần

tử rắn nhỏ mịn, phân tán đều, là bề mặt để mầm ký sinh phát triển, nhờ vậy tạo ra hạt

nhỏ đều trong cả thể tích lớn, cỡ hạt giảm từ 0,2 – 0,3 nm xuống 0,01 – 0,002 nm

- Khi hoà tan vào KL lỏng nó bị hấp thụ vào bề mặt mầm, làm giảm tốc độ

phát triển dài của mầm Số chất tác dụng theo cơ chế này là không nhiều

VD2: khi đúc HK Al – Si cho vào HK lỏng một lượng muối natri, khi hoà tan

nó làm chậm sự phát triển của các tinh thể Si, làm chúng rất nhỏ mịn

1.7.5 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc

a Ba vùng tinh thể của thỏi đúc

Một thỏi thép đúc điển hình (H1.19), từ ngoài vào trong có ba vùng tinh thể lần lượt sau

• Vỏ ngoài cùng là lớp hạt nhỏ đẳng trục1 Ban đầu KL lỏng tiếp xúc với

thành khuôn nguội nên được kết tinh với T lớn, cộng thêm tác dụng tạo mầm của bề mặt khuôn nên hạt tạo thành khá nhỏ mịn Do thành khuôn có độ nhấp nhô (nhờ chất sơn khuôn) các mầm phát triển theo các phương ngẫu nhiên, nên trục hạt phát triển theo đều mọi phía

• Vùng tiếp theo là lớp hạt tương đối lớn theo hình trụ 2 kéo dài vuông góc

với thành khuôn, do thành khuôn bắt đầu nóng lên, KL lỏng kết tinh với T nhỏ dần, hạt tạo thành có xu hướng lớn hơn Hạt phát triển mạnh theo chiều ngược với chiều tản nhiệt, do vậy có phương vuông góc với thành khuôn Kết quả nhận được vùng hạt tương đối lớn kéo dài (hình trụ) theo phương vuông góc với thành kh

• Vùng ở giữa là vùng các hạt lớn đẳng trục 3 Cuối cùng khi KL lỏng ở giữa kết tinh

thì thành khuôn đã nóng lên nhiều, dẫn đến:

- KL lỏng kết tinh với T nhỏ hơn nên hạt trở nên lớn

- Phương tản nhiệt qua thành khuôn không rõ ràng nên hạt lại phát triển đều thêo mọi phương (đẳng trục)

Trong ba vùng, vùng ngoài cùng luôn là lớp vỏ mỏng, hai vùng sau có mối

tương quan phụ thuộc vào điều kiện làm nguội:

+ Khi khuôn được làm nguội mãnh liệt thì vùng 2 sẽ lấn áp vùng 3, thậm chí có khi mất hẳn vùng 3, lúc đó thỏi đúc như chỉ có vùng tinh thể hình trụ vuông góc với thành khuôn như bó đũa Tổ chức này tuy có mật độ cao nhưng khó dạng dẻo

+ Khi khuôn được làm nguội chậm thì vùng 3 lại lấn áp vùng 2, thỏi trở nên dễ cán hơn

b Các khuyết tật của vật đúc

Các khuyết tật khi đúc làm giảm rất nhiều chất lượng của vật đúc

• Rỗ co và lõm co: Chúng đều là nguyên nhân do thể tích KL khi kết tinh bị co

lại nhưng hình thức thể hiện thì khác nhau

H1.19 Ba vùng tinh thể của thỏi đúc

- Rỗ co c¸c lỗ hổng nhỏ nằm giữa nhánh cây hay biên giới hạt tạo nên do sự co

của KL lỏng khi kết tinh được phân bố rải rác trên khắp vật đúc Rỗ co làm giảm mật

độ KL, làm xấu cơ tính vật đúc, nếu được qua biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao thì chúng được hàn kín lại

- Lõm co lµ phần lỗ hổng ở trên cùng và ở phần dày nhất thỏi đúc Đây là phần kết tinh sau cùng, nó tạo ra lỗ hổng tập trung Phần khuyết của lõm co phải được cắt

bỏ triệt để vì thế tỷ lệ thể tích sử dụng của thỏi chỉ còn khoảng 85 - 95%.Cách tốt nhất

để làm dạng khuyết tật này nằm ngoài sản phẩm đúc là đúc liên tục

• Rỗ khí: Khi nấu chảy thông thường, KL lỏng có khả năng hoà tan một lượng

khí đáng kể, sau khi kết tinh độ hoà tan của khí trong KL rắn giảm đi đột ngột, khí thoát ra không kịp, tạo nên các túi rỗng nhỏ (thường thấy được bằng mắt thường) được

gọi là rỗ khí hay bọt khí

Rỗ khí làm giảm mạnh mật độ và cơ tính mạnh hơn rỗ co do kích thước lớn hơn Mặt khác nó dễ bị ôxy hoá nên ngay cả biến dạng nóng cũng không thể hàn kín được, gây ra nứt khi sử dụng

Để tránh khuyết tật này bằng cách khử khí tốt trước khi rót khuôn, sấy khuôn cát hoặc đúc trong chân không

• Thiên tích: Là sự không đồng nhất về thành phần và tổ chức của sản phẩm

đúc, xảy ra không những đối với HK (khi thành phanà phức tạp) mà cả KL do tích tụ tạp chất Nó dẫn đến sự sai khác nhau về tính chất giữa các phần, sử dụng kém hiệu quả

Chương 2: BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH

2.1 Biến dạng dẻo và phá huỷ

2.1.1 Khái niệm

Khi kéo từ từ theo chiều trục một mẫu KL tròn, dài ra ta được biểu đồ kéo hay còn gọi là biểu đồ tải trọng (hay ứng suất) - biến dạng (H 2.1)

H2.1 Sơ đồ biểu đồ tải trọng – biến dạng điển hình của KL

- Khi tải trọng đặt vào nhỏ, F < F đh, độ biến dạng (độ giãn dài Äl) tỷ lệ bậc

nhất với tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng mất đi - đó là biến dạng đàn hồi VD,

dưới tải trọng F1 mẫu bị dài thêm một đoạn O1, khi bỏ tải trọng đi thì mẫu lại trở lại kích thước ban đầu

- Khi tải trọng đặt vào lớn, F > F đh, độ biến dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi

bỏ tải trọng biến dạng không bị mất đi mà vẫn còn lại một phần - đó là biến dạng dẻo

VD, khi đặt tải trọng Fa, mẫu bị kéo dài theo đường oea tức là bị dài thêm đoạn oa‖, khi bỏ tải trọng mẫu bị co lại theo đường song song với đoạn thẳng oe nên cuối cùng vẫn bị dài thêm một đoạn oa’ Phần này chính là phần biến dạng dẻo hay dư còn lại sau quá trình; còn a’a‖ là phần biến dạng đàn hồi bị mất đi sau quá trình

Nhờ biến dạng dẻo ta có thể thay đổi hình dạng, kích thước KL tạo ra nhiều chủng loại phong phú đáp ứng nhu cầu sử dụng

- Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao nhất F = F b, lúc đó trong KL xảy ra biến dạng cục bộ (hình thành cổ thắt), tải trọng tác dụng giảm đi mà biến dạng vẫn

tăng (cổ thắt hẹp lại) dẫn đến đứt và phá huỷ ở điểm c

Cả hai trường hợp biến dạng trên lực liên kết giữa các nguyên tử vẫn được bảo tồn, còn khi phá huỷ các liên kết bị huỷ dẫn đến đứt rời VL

Ta khảo sát biến dạng dẻo dưới hình thức trượt sau

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

- Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những

mặt và phương nhất định gọi là mặt và phương trượt (H 2.2)

- §Æc ®iÓm: Khi hai mặt nguyên tử dịch chuyển tương đối với nhau, liên kết

giữa các nguyên tử đối diện nhau sẽ bị đứt, trong khi đó mối liên kết giữa các nguyên

tử cạnh nhau trong mỗi mặt vẫn được bảo tồn

- Điều kiện: Các mặt nguyên tử này phải có mật độ nguyên tử lớn nhất (hay

khoảng cách nguyên tử nhỏ nhất) và nhờ đó có liên kết vững chắc nhất Khoảng cách

giữa hai mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất này cũng là lớn nhất (do mật độ khối

không thay đổi) do đó có liên kết yếu nhất, dễ bị đứt, vì thế hai mặt này dễ dịch

chuyển đi với nhau

- Mặt trượt là mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc

nhất mà theo đó sự trượt xảy ra

Lý luận tương tự khi trượt các phần của tinh thể sẽ dịch chuyển tương đối với

nhau theo các mặt trượt và trên mặt đó theo phương có mật độ lớn nhất vì có liên kết

H 2.3 Các mặt và phương trượt cơ bản của KL

a lập phương tâm khối b lập phương tâm mặt, c lục giác xếp chặt

H 2.2 Sơ đồ biểu diễn sự trượt:

a hình dạng đơn tinh thể và mạng tinh thể trước khi trượt, b

hình dạng đơn tinh thể và mạng tinh thể sau khi trượt,

mặt trượt

phương

trượt

mặt trượt

+ Mạng lập phương tâm khối A2: Các mặt dày đặc nhất là mặt chéo chữ nhật

đi qua nguyên tử ở giữa tâm khối, tất cả có sáu mặt Trên mỗi mặt lại có hai phương dày đặc nhất thuộc họ <111> là các phương đối đỉnh của khối lập phương Mạng này

có 12 (6 mặt x 2 phương) hệ trượt chính khác nhau

+ Mạng lập phương tâm mặt A1: Các mặt dày đặc nhất là mặt chéo tạo bởi ba

đường chéo của ba mặt bên có chung một đỉnh, tất cả có bốn mặt Trên mỗi mặt có ba

phương dày đặc nhất là đường chéo thuộc họ <110> Mạng này có 12 (4 mặt x 3

phương) hệ trượt chính khác nhau

+ Mạng lục giác xếp chặt: chỉ có một mặt dày đặc nhất là mặt đáy, có ba phương dày đặc nhất Mạng có 3 (1mặt x 3phương) hệ trượt chính khác nhau

Khả năng biến dạng dẻo của KL tỉ lệ thuận với hệ trượt chính Do KL có hệ

trượt càng cao khả năng thích ứng với sự trượt càng lớn nên KL với mạng hệ lập phương dễ biến dạng dẻo hơn hệ lục giác Thực tế : sắt, nhôn, bạc, vàng, đồng rất dẻo và dễ dát mỏng, còn kẽm thì kém hơn Trong cùng hệ lập phương, KL nào có số phương trượt cao hơn sẽ có tính dẻo cao hơn, tức loại tâm mặt dẻo hơn tâm khối, ở

nhiệt độ thường đồng, nhôm dẻo hơn sắt

2.1.3 Trượt đa tinh thể

a Các đặc điểm

Trượt ®a tinh thÓ kh«ng ph¶i là tổng rời rạc của sự trượt của từng tinh thể hay hạt trong nó, mµ có những đặc điểm:

• Các hạt bị biến dạng không đều:

Hạt nào có định hướng thuận lợi với sự trượt sẽ trượt trước với ứng suất bé, ngược lại hạt nào có định hướng không thuận lợi sẽ trượt sau với ứng suất lớn hơn,

thậm chí có hạt không thể trượt được

• Có tính đẳng hướng:

Do sự định hướng phương và mặt của các hạt mang tính ngẫu nhiên cho nên dù

lực bên ngoài tác dụng như thế nào cũng cho một kết quả chung như nhau, tức là có tính đẳng hướng (tuy từng hạt vẫn có tính dị hướng nhưng tổng hợp lại không còn)

• Có độ bền cao hơn:

Các hạt không rời rạc mà gắn bó với nhau qua vùng biên Thực tế sự trượt của

hạt này đều kéo theo các hạt bên cạnh, rồi chính nó lại bị các hạt này cản trở Vùng biên giới hạt có sắp xếp không trật tự rất khó tạo nên mặt và phương trượt nên có thể coi nó như lớp vỏ cứng cản trượt Do có nhiều cản trượt như vậy, để trượt được nói

chung phải tác dụng lực cao hơn, nói cách khác có độ bền cao hơn độ bền trung bình

(theo các phương) của đơn tinh thể

việt hơn hẳn hạt lớn

b Tổ chức và tính chất của KL sau khi biến dạng dẻo

Biến dạng dẻo làm thay đổi rất mạnh tổ chức, tính chất đặc biệt là cơ tính của

KL

- Trong và sau khi trượt mạng tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xô lệch, các

hạt bị biến dạng không đều, song đều có khuynh hướng bị kéo dài, bẹt ra theo phương biến dạng

- Trong KL tồn tại ứng suất dư do xô lệch mạng, biến dạng không đều giữa các

hạt và trên tiết diện Nói chung ứng suất bên trong có hại cho cơ tính, song cũng có trường hợp cố ý tạo nên lớp ứng suất dư để nâng cao giới hạn mỏi bằng cách lăn ép, phun bi

- Do mạng tinh thể bị xô lệch, cơ tính KL thay đổi rất mạnh theo chiều hướng:

tăng độ cứng và độ bền song giới hạn đàn hồi ζđh và giới hạn chảy ζ 0,2 tăng mạnh hơn

KL có xu hướng biến cứng, hoá bền, làm giảm độ dẻo, độ dai, dễ biến giòn - gọi là

hoá bền biến dạng

2.1.4 Phá huỷ (tự đọc- tự nghiên cứu)

Thường khi tiếp tục tăng ứng suất lên cao nữa VL bị phá huỷ do gãy, vỡ hoặc đứt Sự phá huỷ tuân theo cơ chế chung là: đầu tiên bao giờ cũng xuất hiện vết nứt tế

vi ở trên bề mặt hay ở sâu bên trong, tiếp theo vết nứt phát triển lên rồi cuối cùng mới dẫn đến tách đứt, rời

a Trong điều kiện tải trọng tĩnh

Phá huỷ giòn và phá huỷ dẻo: tuỳ theo vùng gãy có tiết diện biến đổi hay không

mà phân biệt hai dạng này Khi vùng gãy vỡ có tiết diện biến đổi gọi là phá huỷ dẻo Khi vùng gãy có tiết diện hầu như không biến đổi gọi là phá huỷ giòn

Phá huỷ dẻo phát triển rất chậm, cần nhiều năng lượng, còn phá huỷ giòn phát

triển với tốc độ rất lớn (khoảng 1000 m/s), chỉ cần năng lượng nhỏ

Phá huỷ ở dạng nào chủ yếu là phụ thuộc loại VL: VL dẻo như thép thường bị phá huỷ dẻo, còn VL giòn như gang thường bị phá huỷ giòn

• Cơ chế phá huỷ: Có thể cho rằng sự phá huỷ cũng theo cơ chế tạo mầm nứt

và mầm nứt phát triển dẫn đến tách rời, theo năm giai đoạn sau

Vết nứt tế vi có thể là có sẵn hay sinh ra trong giai đoạn biến dạng dẻo Trong

VL khó tránh khỏi những vết rỗng đã có như rỗ co, bọt khí, nứt khi kết tinh, các pha có

độ bền quá thấp như grafit trong gang , chúng đóng vai trò của mầm khi phá huỷ

b Trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Thực tế nhiều kết cấu và chi tiết máy như cầu, trục, bánh răng chịu tác dụng của

tải trọng không lớn (ngay cả <ζ0,2 khá nhiều) nhưng thay đổi theo chu kỳ, có thể bị phá huỷ sau thời gian dài và tương đố dài ( > 105

- 106 chu kỳ) - gọi là phá huỷ mỏi

Phá huỷ mỏi cũng xuất phát từ vết nứt đầu tiên song với đặc điểm là nó thường nằm ở trên bề mặt là nơi chịu ứng suất kéo lớn nhất, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tạo

thành và phát triển vết nứt Vết nứt tế vi trên bề mặt có thể có sẵn như rỗ co, bọt khí, tạp chất, xước, lồi lõm; do vậy tăng độ bóng bề mặt khi gia công cắt có ý nghĩa quan trọng để chống phá huỷ mỏi

2.2 Các đặc trưng cơ tính thông thường và ý nghĩa

Cơ tính của VL được biểu thị bằng các đặc trưng cơ học, chúng cho biết: khả năng chịu tải của VL trong các điều kiện tương ứng, là cơ sở của tính toán sức bền, khả năng sử dụng vào một mục đích nhất định và để so sánh các loại VL với nhau

2.2.1 Độ bền (tĩnh)

Thử tĩnh là dạng thử phổ biến nhất trong đó tải trọng đặt vào một cách từ từ hay

với tốc độ tăng tải trọng không đáng kể

Độ bền là tập hợp của các đặc trưng cơ học phản ánh sức chịu đựng tải

trọng trong cơ học tĩnh của VL, chúng được xác định bằng ứng suất quy ước của tải trọng gây ra các đột biến về hình học cho mẫu đo

a Các chỉ tiêu

Các chỉ tiêu độ bền tĩnh là: giới hạn đàn hồi, chảy và bền, đo theo đơn vị của

ứng suất: kG/mm 2

, Pa, MPa, N/mm 2 , psi, ks (theo xu hướng chung, sách dùng đơn vị

• Giới hạn đàn hồi σ đh: là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu khi bỏ tải

trọng mẫu không bị thay đổi hình dạng và kích thước (thường quy định tạo ra độ

H 2.4 Các dạng mặt gãy khi phá huỷ:

a dạng co thắt mạnh thành điểm

b dạng co thắt côn về hai phía

c dạng co thắt vừa phải kiểu chén - đĩa

d dạng không thắt, bằng phẳng ngang

biến dạng dư là 0,01 - 0,05% của chiều dài ban đầu, lúc đó ký hiệu là σ 0,01 hay σ 0,05) theo công thức:

σ đh = F đh / S 0 MPa hay σ0,01 = F 0,01 / S 0 MPa hay σ0,05 = F 0,05 / S 0

MPa

Trong đó: - Fđh , F0,01 , F0,05 lần lượt là tải trọng (lực) kéo ứng với đoạn nằm nghiêng trên biểu đồ kéo và gây nên biến dạng dư rất nhỏ nhưng có thể nhận thấy 0,01% hay

0,05%, tính theo N,

- S0 diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu tính theo mm 2

• Giới hạn chảy vật lý σ ch là ứng suất tại đó VL bị “chảy”, tức là ứng suất bé nhất bắt đầu gây nên biến dạng dẻo, thường được xác định với đoạn nằm ngang trên

biểu đồ kéo Đa số KL và HK không có đoạn nằm ngang này nên thường dùng giới hạn chảy quy ước

Giới hạn chảy quy ước σ 0,2 là ứng suất dưới tác dụng của nó sau khi bỏ tải trọng mẫu bị biến dạng dư là 0,20% của chiều dài ban đầu

σ 0,2 = F 0,2 / S 0 MPa

trong đó: - F 0,2 tải trọng (lực) kéo ứng với tạo ra độ biến dạng dư là 0,20% của chiều

dài ban đầu của mẫu, N

• Giới hạn bền σ b là ứng suất cao nhất gây ra biến dạng cục bộ rồi dần đến

phá huỷ

σ b = F b / S 0 MPa

Trong đó: F b tải trọng (lực) kéo cao nhất trên biểu đồ kéo, N

Các chỉ tiêu này có thể xác định khả năng làm việc của VL dưới tải trọng kéo:

- Giới hạn đàn hồi rất quan trọng đối với lò xo, nhíp vì khi làm việc quá σ đh VL

không còn đàn hồi hoàn toàn

- Giới hạn chảy rất quan trọng với các chi tiết lắp ghép không cho phép làm việc

quá σ 0,2 vì VL bị biến dạng dẻo

- Các kết cấu thông thường được tính toán trên cơ sở của σ b chỉ với yêu cầu không bị gãy, vỡ

b Các biện pháp hoá bền VL

Độ bền là chỉ tiêu cơ tính quan trọng nhất Nâng cao độ bền trong khi vẫn đảm bảo tốt độ dẻo, độ dai là phương hướng chủ yếu của VL học Độ bền thoả mãn được các yêu cầu:

- tăng khả năng chịu tải

- tăng tuổi thọ

- giảm nhẹ khối lượng VL sử dụng,

• Các biên pháp hoá bền VL:

- Biến dạng dẻo Ngoài tác dụng làm thay đổi hình dạng, kích thước còn làm

tăng xô lệch mạng nên khó tạo nên mặt trượt và tăng mật độ lệch, làm tăng độ bền

- Hợp kim hoá (đưa thêm nguyên tố thứ hai vào KL nguyên chất) để tạo nên

dung dịch rắn (thay thế hoặc xen kẽ) làm tăng xô lệch mạng và mật độ lệch, có khi giảm giá thành tạo nên hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao Thực tế chủ yếu nhằm tăng độ bền nhưng không làm giảm độ dẻo, độ dai - đáp ứng tốt yêu cầu của VL kết cấu

- Tạo các pha cứng phân tán hay hoá bền tiết pha Đưa vào HK một nguyên

tố thứ hai (với lượng nhỏ) để tạo nên các phần tử có độ cứng cao song có kích thước rất nhỏ và phân tán, có tác dụng như những chốt cản trở trong nền dung dịch rắn bền

và dẻo trên, làm tăng độ bền lên mức cao hơn nữa

- Nhiệt luyện tôi + ram Tạo nên sự quá bão hoà cao của nguyên tố thứ hai trong

dung dịch rắn thông thường nên làm tăng độ bền của HK lên mức cao hơn nữa Được ứng dụng rộng rãi trong cơ khí để tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết máy và dụng cụ

- Làm nhỏ hạt Các phương pháp trên có nhược điểm là ít nhiều làm giảm độ

dẻo dai, riêng phương pháp này làm tăng tất cả các chỉ tiêu bền, dẻo, dai

Để đạt được độ bền càng cao càng phải áp dụng tổng hợp nhiều phương pháp hoá bền

2.2.2 Độ dẻo

Là tập hợp của các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của VL khi bị

phá huỷ dưới tải trọng tĩnh, nó quyết định khả năng chịu biến dạng dẻo của VL

a Các chỉ tiêu

Được đánh giá bằng đo sự thay đổi tương đối của độ dài và tiết diện mẫu sau khi

bị phá huỷ qua hai chỉ tiêu: độ giãn dài tương đối và độ thắt tiết diện tương đối

Độ giãn dài tương đối  % và độ thắt tiết diện tương đối  % được xác định

theo:

 % = [(l1 – l 0 ) / l 0 ] 100% ;  % = [(S0 - S 1 )/ S 0 ] 100%

trong đó: - l0 , S0 chiều dài, diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử,

- l1, S1 chiều dài, diện tích mặt cắt ngang sau khi đứt của mẫu thử

b Tính siêu dẻo

VL khi có độ giãn dài tương đối khoảng vài chục phần trăm, trong một số điều

kiện có thể đạt tới giá trị cao hơn 100% (từ 100% - 1000%) - gọi là siêu dẻo Nó được

sử dụng để chế tạo các sản phẩm có dạng rỗng, dài với tiết diện không đồng đều như chai, lọ, ống

Độ dai va đập đánh giá khả năng chống phá huỷ của VL khi chịu tải trọng

động Nhiều chi tiết máy làm việc dưới tải trọng đặt vào với tốc độ lớn, đột ngột hay

nói khác là chịu va đập, như ôtô khi gặp chướng ngại, bị xóc hay phanh đột ngột

Ký hiệu độ dai va đập theo TCVN bằng ak, là công phá huỷ một đơn vị diện tích mặt cắt ngang của mẫu thử, tính theo công thức:

a k = A k/ S Nm/cm 2 hay kJ/m 2 hay kGm /cm 2

trong đó: - Ak là công phá huỷ

- S tiết diện mặt cắt ngang hình chữ nhật

• Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dai va đập là:

- Làm cho hạt nhỏ mịn là phương pháp tốt nhất

- Để tránh tác hại đó áp dụng kiểu hoá bền bề mặt (lõi vẫn giữ nguyên tổ chức ban đầu với độ dẻo cao) - như tôi bề mặt, hoá - nhiệt luyện - có tác dụng tốt vừa nâng cao độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn mà vẫn duy trì độ dai cao, chống va đập tốt

Độ dai va đập không đưa vào các công thức tính toán sức bền, tuy vậy vẫn được sử dụng độc lập để so sánh khả năng chịu tải va đập giữa các VL với nhau

2.2.4 Độ cứng (tự đọc- tự nghiên cứu)

a Đặc điểm

• Kh¸i niÖm: ấn (ép) một tải trọng xác định lên bề mặt VL cần đo thông qua

mũi đâm làm bằng VL hầu như không chịu biến dạng dẻo (thép tôi cứng, HK cứng,

kim cương) sẽ để lại trên bề mặt một vết lõm; lõm càng sâu thì độ cứng càng thấp và ngược lại

Vậy độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của VL thông qua

mũi đâm

H 2.5 Sơ đồ tác dụng tải trọng của các phương pháp đo độ cứng:

a Brinen, b Rôcvel, c Vicke

Tất cả độ cứng được ký hiệu bắt đầu bằng chữ H (hardeness) với chữ tiếp theo

chỉ loại

b Độ cứng Brinen HB

• Được xác định bằng cách ấn một tải trọng F xác định lên bề mặt phẳng VL

qua viên bi cứng có đường kính D, sau khi thôi tác dụng, tải trọng để lại trên bề mặt

vết lõm với đường kính d (H 2.6a) Ký hiệu bằng chữ HB và số đo được, VD HB 229

- Số đo độ cứng được xác định:

HB = F / S = 2F / π D [ D - ( D 2 - d 2 ) 1/2] kG/mm 2

§ối với thép, gang dùng bi có D = 10 mm, F = 3000 kG, thời gian giữ tải trọng

15s - được coi là điều kiện tiêu chuẩn và ký hiệu HB

- Gang xám σ b ≈ (HB - 60)/6

+ Không thể đo được các vật có độ cứng cao hơn HB 450 (vì bi chỉ làm bằng thép được tôi cứng, lúc đó chính nó sẽ bị méo, làm sai kết quả đo), không đo

cho thép tôi, lớp hoá bền, chỉ đo các VL có độ cứng thấp và trung bình

+ Mẫu đo phải có mặt bằng phẳng và đủ dày,

+ Không cho phép đo trên các loại trục (vì có mặt cong)

+ Tương đối chậm vì quy trình hơi dài

c Độ cứng Rôcvel HR ( HRC, HRA, HRB)

• Đo độ cứng Rôcvel (H2.6b) nhanh, cho ngay kết quả đo trên máy và đo được

các VL từ tương đối mềm đến cứng, vết lõm lại khá nhỏ, có thể đo các vật mỏng, lớp hoá bền và ngay trên thành phẩm

HR là loại độ cứng quy ước, xác định bởi chiều sâu dư quy ước e gây ra bởi tác

dụng của việc đặt vào rồi bỏ đi của tải trọng chính F Số đo Rôcvel được xác định: cứ

chiều sâu thực h tăng thêm 0,002 thì độ cứng giảm đi một đơn vị so với mức khởi tính,

• Độ cứng Rôcvel phổ biến có ba thang A, B, C:

+ Theo thang C, A ký hiệu HRC, HRA được đo bằng mũi hình nón bằng kim

cương (là VL cứng nhất) nên đo được VL cứng như thép tôi, lớp hoá - nhiệt luyện

Tải trọng F = 140 kG cho thang C và F = 50 kG cho thang A HRC dùng cho thép sau

khi tôi, tôi + ram, thấm cacbon; còn HRA dùng cho thép với các lớp thấm mỏng như thấm nitơ, cacbon - nitơ Do vết lõm khá nhỏ nên có thể đo ngay trên thành

phẩm và trên mặt trục rất tiện lợi

+ Theo thang B ký hiệu HRB được đo bằng mũi bi bằng thép tôi song có đường kính nhỏ hơn, D = 1,588 mm (1/16 in), nên chỉ có thể đo các VL có độ cứng vừa phải

như thép ủ, thường hoá, gang đúc Tải trọng chính F = 90 kG

Thường dùng cách đo Rôcvel vì áp dụng được cho thép, gang ở mọi dạng nhiệt luyện

d Độ cứng Vicke HV

Là loại độ cứng có phương pháp đo tương tự như Brinen, tức là cũng đo bằng tỷ

số F / S và có thứ nguyên ứng suất (kG/mm 2), song có những khác biệt sâu:

- Mũi đâm làm bằng kim cương hình tháp bốn mặt đều với góc ở đỉnh giữa hai

mặt đối diện là 1360 như H2.6c,

- Tải trọng tác dụng nhỏ, từ 1 - 100 kG, trong đó mức 30 kG với thời gian giữ

tải trọng 10 - 15s được coi là điều kiện tiêu chuẩn,

- Khi thay đổi tải trọng tỷ lệ giữa tải trọng và bình phương đường chéo vết lõm nhận được luôn không đổi, nên cho phép tải trọng thay đổi mà không ảnh hưởng đến kết quả đo, với vật mỏng có thể dùng tải trọng nhỏ thích hợp

Vì vậy độ cứng Vicke dùng để đo độ cứng cho mọi VL từ rất mềm đến rất

cứng với lớp cần đo rất mỏng (tới 0,04 - 0,06 mm) trong các mẫu mỏng (dày 0,3 - 0,5 mm), được coi là độ cứng chuẩn trong nghiên cứu khoa học

Số đo được xác định theo công thức:

HV = F / S = 2Psin(α/2) / d 2 = 1,854 F/d 2 kG/mm 2

trong đó: - F tải trong, kG,

- α = 1360,

- d giá trị trung bình số học của hai đường chéo vết lõm, mm

Cũng giống như HB, độ cứng Vicke ở điều kiện tiêu chuẩn chỉ cần viết bằng

HV với số đo, VD HV300 Nếu ở điều kiện phi tiêu chuẩn ghi thêm về tải trọng, thời gian giữ, VD HV 10/30300 khi đo dưới tải trọng 10 kG, thời gian giữ 30s là 300kG /

mm2

e Chuyển đổi giữa các thang độ cứng

Giữa các loại, thang độ cứng trên không có công thức chuyển đổi bằng toán học Muốn biết tương quan giữa chúng phải dùng bảng tra được xác lập bằng thực nghiệm Các giá trị trên cùng một hàng ngang là cứng như nhau

Quy ước, đối với thép có thể phân chia các mức độ cứng như sau:

2.3.1 Trạng thái KL đã qua biến dạng dẻo

Sau biến dạng dẻo KL bị biến cứng, hoá bền (do mạng tinh thể bị xô lệch, tồn tại ứng suất bên trong ) ở trạng thái không cân bằng với năng lượng dự trữ cao và có

xu hướng trở về cân bằng với các diễn biến ngược lại, trở về mạng cân bằng ban đầu không có xô lệch mạng

Đa số KL và HK quá trình xảy ra rất chậm ở nhiệt độ thường, còn khi nung nóng sẽ làm tăng khả năng dịch chuyển của nguyên tử, làm quá trình nhanh hơn Nếu biến đổi tính chất chủ yếu khi biến dạng dẻo là hoá bền thì khi nung nóng nó (KL đã qua biến dạng dẻo) là thải bền

Ta phải khôi phục lại trạng thái ban đầu: dẻo, mềm bằng cách nung nóng lại

Vì :

- để tiếp tục biến dạng

- có thể dễ gia công cắt gọt

- khử bỏ ứng suất bên trong để tránh phá huỷ giòn

2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung

a Hồi phục

Xảy ra ở nhiệt độ thấp (< 0,1  0,2 Ts), có sự biến đổi nhỏ trong mạng tinh thể

bị xô lệch : giảm sai lệch mạng (chủ yếu sai lệch điểm và nút trống), giảm độ lệch và ứng suất bên

trong khi đó tổ chức tế vi chưa biến đổi, tính chất vật lý có thay đổi chút ít (giảm điện trở), cơ tính hầu như chưa thay đổi, vẫn còn ở trạng thái hoá bền

b Kết tinh lại (lần thứ nhất)

- Bản chất: Khi nung nóng cao hơn nhiệt độ nhất định (gọi là nhiệt độ kết tinh),

trong mạng tinh thể bị xô lệch có quá trình hình thành các hạt mới không có sai lệch

do biến dạng dẻo gây ra theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm

- Nhiệt độ kết tinh (Tkt): là nhiệt độ nhỏ nhất mà tại đó xảy ra quá trình kết tinh lại (tạo mầm và phát triển mầm) với tốc độ đáng kể: Tkt = a Ts (Ts- là nhiệt độ nóng chảy tính theo 0K, a phụ thuộc vào độ sạch của Kl, mức độ biến dạng và thời gian giữ nhiệt)

- Tổ chức tế vi: Sau kết tinh được các hạt mới đa cạnh, đẳng trục, độ hạt nhỏ

c Kết tinh lại lần hai

Sau kết tinh lần một nếu tiếp tục nâng cao nhiệt độ hay kéo dài thời gian giữ nhiệt sẽ có quá trình sát nhập các hạt nhỏ hơn bao quanh hạt lớn, hạt lớn nuốt hạt bé làm hạt to thêm Sự phát triển hạt là quá trình tự nhiên vì nó làm giảm tổng biên giới hạt, do đó giảm tổng năng lương dự trữ - được gọi là kết tinh lần hai và thường phải loại bỏ

< 00C Thường biến dạng nóng ở nhiệt độ 0,7 – 0,8 T s

b Các quá trình

Bao giờ cũng là hai quá trình đối lập nhau :

- biến dạng dẻo làm xô lệch mạng tạo nên hoá bền, biến cứng, nhưng sau đó là

- kết tinh lại làm mất xô lệch mạng gây ra thải bền, giảm độ cứng

Chương 3: HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA 3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

3.1.1 Khái niệm về hợp kim

a Định nghĩa

HK là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính KL (dẫn điện, dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim) HK được tạo thành trên cơ sở KL: giữa hai KL (latông: Cu và Zn), giữa một KL với một á kim (thép, gang: Fe và C), song nguyên tố

chính vẫn là KL, là HK đơn giản, hay giữa nguyên tố chính là KL với hai hay nhiều nguyên tố khác, là HK phức tạp

b Ưu việt của HK

1) Tăng độ bền, độ cứng để chịu được tải cao, tăng tuổi bền lên rất nhiều,

thường dẫn đến giảm độ dẻo, dai gây ra giòn song vẫn còn đủ tốt khi sử dụng

2) Tính công nghệ đa dạng và thích hợp Tính công nghệ là khả năng chế biến

VL thích hợp để tạo thàmh sản phẩm KL nguyên chất tuy dễ biến dạng dẻo nhưng khó

cắt gọt, đúc và không hoá bền được bằng nhiệt luyện HK có tính trái lại, cụ thể:

- HK có thể tạo hình bằng một trong hai phương pháp: biến dạng dẻo (cán, kéo,

ép chảy, rèn, dập) và đúc

- HK có tính gia công cắt nhất định để đảm bảo sản phẩm có kích thước, hình

dáng chính xác, bề mặt nhẵn bóng

- Nhiều HK, đặc biệt là thép (chiếm tới 90% tổng sản lượng VLKL) rất nhạy

cảm với nhiệt luyện để tạo ra cơ tính đa dạng phù hợp với điều kiện làm việc và

gia công

3) Nhiều trường hợp luyện HK đơn giản và rẻ hơn so với luyện KL nguyên

chất, do không phải chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào VD:

- Luyện HK Fe - C (thép và gang) đơn giản hơn luyện sắt nguyên chất do nhiệt

độ chảy thấp, không hay ít phải khử bỏ cácbon

- Khi pha Zn vào KL chủ Cu ta được latông vừa bền lại vừa rẻ hơn (do Zn rẻ

hơn Cu khá nhiều)

c Một số khái niệm

• Cấu tử là các nguyên tố (hay hợp chất hoá học bền vững) cấu tạo nên HK VD

latông (HK Cu - Zn) có hai cấu tử là Cu và Zn

• Hệ là từ dùng để chỉ một tập hợp vật thể riêng biệt của HK trong điều kiện xác

định hoặc là một loạt HK khác nhau với các cấu tử giống nhau

• Pha là tổ phần đồng nhất của hệ (HK) có cấu trúc và các tính chất cơ - lý - hoá

xác định, giữa các pha có bề mặt phân cách Các đơn chất, các dung dịch lỏng, dung dịch rắn, chất khí, các dạng thù hình là các pha khác nhau

• Trạng thái cân bằng (ổn định): khi các pha của nó đều có năng lượng tự do

nhỏ nhất trong các điều kiện về nhiệt độ, áp suất và thành phần xác định Năng lượng

tự do là đại lượng phụ thuộc vào năng lượng dự trữ (nội năng) của hệ cũng như mức

độ sắp xếp trật tự của các nguyên tử, phân tử Có nghĩa là trong các điều kiện đó các đặc tính (cấu trúc, tính chất) của hệ hoàn toàn không biến đổi theo thời gian, cứ tồn tại như vậy mãi

• Trạng thái không cân bằng (không ổn định): Khi thay đổi nhiệt độ và áp suất

sẽ kéo theo sự tăng năng lượng tự do, hệ trở nên không cân bằng, lúc đó rất có thể hệ

biến đổi đột ngột sang trạng thái cân bằng mới có năng lượng tự do nhỏ hơn tức là có chuyển pha

Trạng thái không cân bằng có ý nghĩa quan trọng vì thường đáp ứng được các yêu cầu về cơ tính (bền, cứng) cao hơn; nó được hình thành với tốc độ nguội nhanh và rất nhiều HK, đặc biệt là thép được sử dụng (làm việc) ở trạng thái này

• Trạng thái giả ổn định: Khi trạng thái cân bằng hay ổn định tuyệt đối chỉ tồn

tại trên lý thuyết, đòi hỏi phải làm nguội vô cùng chậm đến mức rất khó xảy ra trong thực tế Vậy giả ổn định thực chất là không ổn định nhưng thực tế lại tồn tại một cách

ổn định ngay cả khi bị nung nóng trong một phạm vi nào đó

d Phân loại các tương tác

Có hai trường hợp xảy ra: không và có tương tác với nhau

• Khi hai cấu tử A và B không có tương tác với nhau, các nguyên tử, ion của

từng cấu tử không đan xen vào nhau, chúng giữ lại cả hai kiểu mạng của các cấu tử thành phần, dưới dạng các hạt riêng rẽ của hai pha nằm cạnh nhau với tổ chức tế vi

biểu thị ở H3.1a, hỗn hợp A + B

• Khi hai cấu tử A và B có tương tác với nhau, tức nguyên tử của các cấu tử đan

xen vào nhau tạo nên một pha duy nhất, không còn lại các hạt riêng rẽ của từng cấu tử, lúc này có thể có hai trường hợp xảy ra:

- hoà tan thành dung dịch rắn, lúc đó HK giữ lại một trong hai kiểu mạng ban đầu làm nền, có tổ chức một pha như KL nguyên chất (H3.1b)

- phản ứng hoá học với nhau thành hợp chất hoá học, lúc đó không còn cả hai kiểu mạng ban đầu, mà tạo nên kiểu mạng mới khác hẳn

H 3.1 Tổ chức tế vi của HK của hai KL: a không tương tác với nhau A+B,

b hoà tan với nhau thành dung dịch rắn A (B)

3.1.2 Dung dịch rắn

a Khái niệm - phân loại

Cấu tử nào giữ được kiểu mạng được gọi là dung môi, cấu tử nào không giữ được kiểu mạng gọi là cấu tử hoà tan, các cấu tử hoà tan sắp xếp lại trong mạng dung

môi một cách đều đặn và ngẫu nhiên

Dung dịch rắn là pha đồng nhất có cấu trúc mạng như của dung môi nhưng

với thành phần (nồng độ) có thể thay đổi trong một phạm vi mà không làm mất đi

sự đồng nhất đó Ký hiệu dung dịch rắn là A(B) có kiểu mạng của A là cấu tử dung

môi, B là cấu tử hoà tan; như vậy B(A) có kiểu mạng của B là dung môi, A - chất tan

A(B)

AA

B

b) a)

H 3.2 Sơ đồ sắp xếp nguyên tử

hoà tan thay thế và xen kẽ vào dung môi có mạng lập phương tâm mặt

Các nguyên tử hoà tan được sắp xếp lại trong mạng tinh thể dung môi theo hai kiểu khác nhau, tương ứng với hai loại dung dịch rắn: thay thế và xen kẽ như biểu thị ở H3.2

trong đó: - vòng tròn gạch chéo và tô đen biểu thị các nguyên tử hoà tan,

- vòng tròn trắng biểu thị các nguyên tử dung môi

b Dung dịch rắn thay thế

Các nguyên tử hoà tan chiếm chỗ hay thay thế vào đúng các vị trí nút mạng

của KL chủ, tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở đúng như của cấu

tử dung môi Sự thay thế ít nhiều đều gây ra xô lệch mạng vì không có hai nguyên tố

nào có đường kính nguyên tử giống nhau

Sự thay thế thường là có hạn vì nồng độ chất tan càng tăng mạnh càng bị xô lệch cho đến nồng độ bão hoà Tuy nhiên trong thực tế có một số cặp KL (như: Ag -

Au, Cu - Ni có mạng A1, Feỏ - Cr có mạng A2) có thể hoà tan vô hạn vào nhau, tạo nên một dãy các dung dịch rắn có nồng độ thay đổi một cách liên tục từ 100%A + 0%B qua 50%A + 50%B cho đến 0%A + 100%B như biểu thị H3.3

H 3.3 Sơ đồ thay thế để tạo nên dãy dung dịch rắn liên tục (hoà tan vô hạn) giữa hai KL

A và B: a nguyên tố A; b, c, d dãy dung dịch rắn liên tục của A và B; e nguyên tố B

c Dung dịch rắn xen kẽ

Các nguyên tử hoà tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể “lọt” vào lỗ

hổng trong mạng của KL chủ (dung môi), tức là vẫn có kiểu mạng như KL chủ nhưng

số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên

Tất cả các lỗ hổng đều rất nhỏ nên chỉ một số á kim với bán kính nguyên tử bé

như hyđrô (0,046nm), nitơ (0,071nm), cacbon (0,077nm), bo (0,091nm) mới có khả

năng xen kẽ vào các nguyên tử chuyển tiếp có bán kính nguyên tử lớn như sắt

(0,1241nm), crôm (0,1249 nm), vonfram (0,1371nm), môlipđen (0,136nm), Lỗ hổng

lớn nhất trong các mạng tinh thể KL là loại tám mặt của A1 có rlỗ / rchủ là 0,414, trong thực tế trừ H ra không có á kim nào nhỏ đến mức vừa kích thước này, tuy nhiên vẫn có thể chen vào ở một số lỗ hổng và đẩy các nguyên tử chủ bao quanh giãn ra, gây ra xô lệch mạng (H3.4a)