Đang tải... (xem toàn văn)
Như vậy chúng ta có thể hình dung rằng, có một phần tử nhỏ nhất có cấu tạo đặc trưng cho toàn bộ kiểu mạng và khi đó mạng tinh thể được hình thành là do vô số các phần tử đó xếp sít n[r]
(1)MỤC LỤC
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO TINH THỂ
1.1 Cấu tạo nguyên tử dạng liên kết vật rắn
1.1.1 Cấu tạo nguyên tử
1.1.2 Các dạng liên kết vật rắn
1.2 Cấu tạo tinh thể lý tưởng vật rắn
1.2.1 Vật tinh thể vật vơ định hình
1.2.2 Cấu tạo tinh thể lý tưởng vật rắn
1.3 Cấu tạo mạng tinh thể thực tế kim loại nguyên chất 15
1.3.1 Sai lệch mạng tinh thể : 15
1.3.2.Đơn tinh thể 18
1.3.3 Đa tinh thể 18
CHƯƠNG 2: KẾT TINH TỪ THỂ LỎNG CỦA KIM LOẠI 20
2.1 Cấu tạo kim loại lỏng điều kiện lượng trình kết tinh 20
2.1.1 Cấu tạo kim loại lỏng 20
2.1.2 Điều kiện lượng trình kết tinh 21
2.2 Qúa trình tạo mầm phát triển mầm kết tinh 22
2.2.1 Quá trình tạo mầm 22
2.2.2 Quá trình phát triển mầm 25
2.3 Khái niệm độ hạt kết tinh yếu tố ảnh hưởng 26
2.3.1 Khái niệm độ hạt 26
2.3.2 Ý nghĩa độ hạt 26
2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt 27
2.3.4.Biện pháp làm nhỏ hạt 27
2.3.5 Cách xác định độ hạt thực tế 28
2.4 Quá trình kết tinh thực tế kim loại khuôn đúc 28
2.4.1 Cơ chế kết tinh nhánh 28
2.4.2 Cấu tạo thỏi đúc thực tế 29
2.4.3 Khuyết tật thỏi đúc 30
CHƯƠNG CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI 32
3.1 Các khái niệm 32
3.1.1 Khái niệm hợp kim 32
3.1.2 Đặc điểm hợp kim 32
3.1.3 Các định nghĩa hợp kim 32
3.2 Các dạng cấu trúc hợp kim 33
3.2.1 Dung dịch rắn 33
3.2.2 Các pha trung gian 35
3.2.3 Hỗn hợp học 35
3.3 Giản đồ trạng thái hợp kim 36
3.3.1 Khái niệm 36
3.3.2 Ý nghĩa phương pháp xây dựng giản đồ trạng thái 36
CHƯƠNG BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI 38
4.1 Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo phá hủy 38
4.1.1 Biểu đồ kéo kim loại 38
4.1.2 Bản chất biến dạng đàn hồi Định luật Hooke 39
4.1.3 Biến dạng dẻo 39
4.1.4.Phá hủy 39
4.2 Biến dạng dẻo đơn tinh thể 40
4.2.1 Dạng ứng suất gây biến dạng dẻo 40
(2)4.3 Đặc điểm biến dạng dẻo đa tinh thể ảnh hưởng biến dạng dẻo đến tổ chức tính chất
của kim loại 42
4.4 Nung kim loại sau biến dạng dẻo 44
4.4.1 Mục đích 44
4.4.2 Các giai đoạn xảy nung kim loại qua biến dạng dẻo 44
4.5 Các đặc trưng tính kim loại 45
4.5.1 Độ bền tĩnh độ dẻo 45
4.5.2 Độ cứng 46
4.6 Chỉ tiêu tính tác dụng tải trọng động 48
4.7 Độ bền vật liệu tác dụng tải trọng chu kỳ (giới hạn bền mỏi 1) 48
CHƯƠNG GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 50
5.1 Cacbon sắt 50
5.1.1 Cacbon 50
5.1.2 Sắt 50
5.2 Giản đồ trạng thái Fe - C 51
5.2.1 Giản đồ trạng thái 51
5.2.2 Các tổ chức hợp kim Fe - C 52
5.2.3 Quá trình kết tinh hợp kim Fe-C 53
5.3 Phân loại hợp kim Fe – C theo giản đồ trạng thái 53
5.3.1 Thép 54
5.3.2 Gang 55
5.4 Các nhiệt độ tới hạn hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái 56
CHƯƠNG CÁC CHUYỂN BIẾN XẢY RA KHI NUNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP 57
6.1 Khái niệm nhiệt luyện 57
6.1.1 Định nghĩa 57
6.1.2 Các thơng số q trình nhiệt luyện 57
6.1.3 Tác dụng nhiệt luyện 58
6.1.4 Phân loại nhiệt luyện 58
6.2 Các chuyển biến xảy nung thép 58
6.2.1 Cơ sở xác định chuyển biến pha nung 58
6.2.2 Sự tạo thành Austenit nung 59
6.3 Các chuyển biến xảy làm nguội 62
6.3.1 Khái niệm chung 62
6.3.2 Chuyển biến Austenit thành Peclit làm nguội chậm đẳng nhiệt 62
6.3.3 Với thép trước sau tích 64
6.3.5 Chuyển biến Austenit thành Peclit làm nguội nhanh (chuyển biến Mactenxit) 64
6.4 Chuyển biến nung thép (chuyển biến xảy ram) 66
CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN THÉP 69
7.1 Ủ thường hóa thép 69
7.1.1 Ủ thép 69
7.1.2 Thường hóa thép 72
7.2 Tôi thép 73
7.2.1 Định nghĩa 73
7.2.2 Đặc điểm 74
7.2.3 Mục đích tơi thép 74
7.2.4 Tốc độ tới hạn độ thấm 74
7.2.5 Cách xác định nhiệt độ 77
7.2.6 Môi trường 78
7.2.7 Các phương pháp thông thường 80
7.3 Ram thép 82
7.3.1 Khái niệm 82
(3)7.4 Các tượng xảy nhiệt luyện 83
7.4.1 Biến dạng, nứt 83
7.4.2 Oxi hóa cacbon 84
7.4.3 Độ cứng không đạt 85
7.4.4 Tính dịn cao 85
CHƯƠNG HOÁ BỀN BỀ MẶT THÉP 87
8.1 Bề mặt chi tiết phương pháp hóa bền bề mặt 87
8.1.1 Bề mặt chi tiết yêu cầu làm việc bề mặt 87
8.1.2 Các phương pháp hóa bền bề mặt thép 87
8.2 Phương pháp học 87
8.2.1 Nguyên lý 87
8.2.2 Các phương pháp học 88
8.3 Phương pháp nhiệt luyện bề mặt 88
8.3.1 Định nghĩa 88
8.3.2 Nguyên lý 88
8.3.3 Các phương pháp bề mặt 88
8.4 Phương pháp hóa nhiệt luyện 91
8.4.1 Khái niệm 91
8.4.2 Mục đích 91
8.4.3 Cơ sở lý thuyết q trình hố nhiệt luyện 91
8.4.4 Công nghệ thấm cacbon 91
8.4.5 Thấm Nitơ 94
8.4.6 Thấm Cacbon - Nitơ 95
CHƯƠNG GANG VÀ NHIỆT LUYỆN GANG 97
9.1 Giới thiệu chung gang 97
9.1.1 - Thành phần hóa học 97
9.1.2 Tổ chức tế vi 97
9.1.3 Cơ tính cơng nghệ 98
9.1.4 Công dụng 98
9.2 Tổ chức tế vi tính loại gang 98
9.2.1 Tổ chức tế vi tính gang xám 98
9.2.2 Tổ chức tế vi tính gang dẻo 101
9.2.3 Gang cầu 102
CHƯƠNG 10 THÉP 104
10.1.Thép cacbon 104
10.1.1 Khái niệm 104
10.1.2 Đặc điểm thép Cacbon 104
10.1.3 Phân loại 105
10.2 Thép hợp kim 107
10.2.1 Khái niệm 107
10.2.2 Phân loại thép hợp kim 107
10.2.3 Các đặc tính thép hợp kim 109
10.3.Thép kết cấu 110
10.3.1 Khái niệm, đặc điểm phân loại thép kết cấu 110
10.3.2 Thép thấm cacbon 110
10.3.3 Thép hóa tốt 111
10.3.4 Thép lò xo: 112
10.3.5 Thép kết cấu có cơng dụng riêng 113
10.4 Thép dụng cụ 116
10.4.1 Khái niệm phân loại 116
10.4.2 Thép dao cắt 117
(4)10.4.4 Hợp kim cứng 120
10.4.5 Thép làm dụng cụ đo 121
10.5 Thép tính chất vật lý hóa học đặc biệt 121
10.5.1 Thép không gỉ 121
10.5.2 Thép làm việc điều kiện nhiệt độ cao 123
10.5.3 Thép hợp kim chịu mài mòn 126
CHƯƠNG 11 HỢP KIM MẦU 128
11.1.Hợp kim nhơm 128
11.1.1 Các đặc tính nhơm 128
11.1.2 Phân loại hợp kim nhôm 129
11.2 Hợp kim đồng 132
11.2.1 Đồng nguyên chất 132
11.3 Hợp kim ổ trượt 137
113.1 Điều kiện làm việc 137
11.3.2 Yêu cầu hợp kim ổ trượt 137
11.3.3 Phân loại hợp kim ổ trượt 138
Câu 4: Đọc ký hiệu hợp kim màu 140
(5)PHẦN I: VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO TINH THỂ
Tuỳ theo điều kiện tạo thành (nhiệt độ, áp suất …) tương tác phần tử cấu thành (dạng lực liên kết …), vật chất tồn trạng thái rắn, lỏng khí (hơi) Tính chất vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào lực liên kết cách xắp xếp phần tử cấu tạo nên chúng
1.1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ CÁC DẠNG LIÊN KẾT TRONG VẬT RẮN
1.1.1 Cấu tạo nguyên tử
Theo quan điểm học lượng tử nguyên tử hệ thống phức tạp bao gồm hạt nhân lớp điện tử bao quanh Đặc điểm quan trọng cấu tạo nguyên tử số điện tử hóa trị, điện tử dễ bị bứt trở thành điện tử tự do, hành vi điện tử tự định nhiều tính chất đặc trưng kim loại
1.1.2 Các dạng liên kết vật rắn
Theo điều kiện bên (P, T) vật chất tồn ba trạng thái: rắn, lỏng, Độ bền vật liệu trạng thái rắn phụ thuộc vào dạng liên kết vật rắn 1.1.2.1 Liên kết cộng hoá trị
Đây dạng liên kết mà nguyên tử tham gia liên kết góp chung điện tử lớp ngồi cùng, tạo lớp đạt trị số bão hoà số điện tử (s2p6) Như tạo liên kết cộng hoá trị tạo lớp ngồi ngun tử có tám điện tử, với dạng liên kết có đặc điểm sau:
- Là loại liên kết có định hướng, nghĩa xác suất tồn điện tử tham gia liên kết lớn theo phương nối tâm nguyên tử (hình 1.1)
Hình 1.1 Liên kết cộng hố trị khí Cl2
A B
(6)1.1.2.2 Liên kết Ion
Là loại liên kết mạnh, hình thành lực hút điện tích trái dấu (lực hút tĩnh điện Coulomb) Liên kết xảy nguyên tử cho bớt điện tử lớp trở thành Ion dương nhận thêm điện tử để trở thành Ion âm
Cũng giống liên kết cộng hoá trị, liên kết Ion mạnh (bền vững) nguyên tử chứa điện tử dạng liên kết không định hướng
1.1.2.3 Liên kết kim loại
Đặc điểm chung nguyên tử nguyên tố kim loại có điện tử hố trị lớp ngồi cùng, chúng dễ (bứt ra) điện tử tạo thành Ion dương bị bao quanh mây điện tử tự Các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt không gian điện tử tự chung, mơ hình liên kết kim loại
Hình 1.2 Liên kết kim loại 1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp
Thực tế, tồn dạng liên kết tuý có kiểu liên kết Liên kết đồng hoá trị tuý xảy trường hợp đồng cực Khi liên kết dị cực, điện tử hố trị góp chung, tham gia liên kết đồng thời chịu hai tác dụng trái ngược:
- Bị hút hạt nhân
- Bị hút hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo điện tử chung 1.1.2.5 Liên kết yếu (liên kết Vander Waals)
Liên kết Vander Waals liên kết hiệu ứng hút nguyên tử phân tử bị phân cực (hình 1.3) Liên kết loại liên kết yếu, dễ bị phá vỡ ba động nhiệt (khi tăng nhiệt độ) Vì vật rắn có liên kết Vander Waals có nhiệt độ nóng chảy thấp (nước đá nóng chảy 00C)
Hình 1.3 Q trình tạo thành liên kết Vander Waals a: Trung hoà b: Phân cực c: Tạo liên kết
Ion dương
Mây e- tự
a,
b,
(7)1.2 CẤU TẠO TINH THỂ LÝ TƯỞNG CỦA VẬT RẮN
Các vật rắn tự nhiên phân thành hai nhóm vật rắn tinh thể vật vơ định hình Việc phân loại để tạo thuận lợi cho qúa trình mơ hình hố nghiên cứu vật liệu Các vật liệu kim loại loại vật liệu kết cấu chủ yếu vật có cấu tạo tinh thể Do để nghiên cứu cấu tạo chúng trước hết cần tìm hiểu khái niệm vật tinh thể và vật vơ định hình
1.2.1 Vật tinh thể vật vơ định hình
Theo quan điểm vật lý chất rắn, vật rắn gọi vật tinh thể chúng đồng thoả mãn điều kiện sau:
- Là vật ln tồn với hình dáng xác định khơng gian, hình dáng bên ngồi chúng thể phần tính chất bên
- Vật tinh thể ln ln tồn nhiệt độ nóng chảy (hoặc kết tinh) xác định Có nghĩa nung nóng vật tinh thể ln có nhiệt độ chuyển biến từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng xác định Điều làm nguội vật tinh thể từ thể lỏng
- Vật tinh thể bị đập gãy (phá huỷ), bị gãy theo mặt xác định bề mặt vết gãy không nhẵn bóng Tính chất thể rõ rệt khác biệt tính chất vật tinh thể với vật vơ định hình
- Vật tinh thể ln có tính dị hướng, có nghĩa tính chất (cơ, lý, hố tính) theo phương khác ln có khác biệt Điều thể rõ xắp xếp nguyên tử vật tinh thể tuân theo quy luật xác định
Ngược lại với vật tinh thể vật vô định hình Vật vơ định hình vật khơng tồn hình dạng xác định khơng gian (có hình dáng vật chứa nó) Khơng có nhiệt độ nóng chảy kết tinh xác định, khơng thể tính dị hướng Một số vật vơ định hình tiêu biểu nhựa đường, parafin, thuỷ tinh
1.2.2 Cấu tạo tinh thể lý tưởng vật rắn 1.2.2.1 Khái niệm đặc điểm mạng tinh thể
Khái niệm mạng tinh thể
Mạng tinh thể mơ hình khơng gian, dùng để nghiên cứu quy luật xắp xếp nguyên tử (hoặc ion, phân tử) vật tinh thể Từ mô hình cho phép xác định đặc trưng bản, định hướng tính chất vật liệu sử dụng Như để xây dựng mơ hình mạng tinh thể, ta cần phải xác định hệ toạ độ đơn vị đo xây dựng mạng tinh thể
Phương pháp xây dựng mạng tinh thể:
(8)các chất điểm cách Qua chất điểm ta dựng đ-ờng thẳng song song với trục toạ độ Các đ-ờng thẳng cắt tạo thành mơ hình mạng tinh thể (hình 1.4)
Hình 1.4.Mơ hình mạng tinh thể
Với mơ hình mạng tinh thể vậy, thấy để xác định vị trí mạng tinh thể, ta có véc tơ định vị là:
c . j b . n a . m
rn
(1.7)
Trong đó:
a : Véc tơ đơn vị theo trục Ox, có trị số khoảng cách hai chất điểm gần theo trục Ox
b: Véc tơ đơn vị theo trục Oy c: Véc tơ đơn vị theo trục Oz
m, n, j: Chỉ số theo ba trục toạ độ Ox, Oy, Oz
Như mơ hình mạng tinh thể xác định có sáu thơng số ba véc tơ đơn vị a, b, c ba góc (zOx, yOx), (zOy, yOx), (zOy, zOx)
Mạng tinh thể lý tưởng mạng mà đáp ứng hoàn hảo quy luật xắp xếp chất điểm vị trí, xác suất bắt gặp chất điểm một, chất điểm hoàn toàn giống kích thước chất
Khái niệm mạng tinh thể thông số mạng:
Với cách xây dựng mạng tinh thể nêu thấy rằng, kiểu mạng tinh thể hoàn toàn xác định với sáu thơng số Như hình dung rằng, có phần tử nhỏ có cấu tạo đặc trưng cho tồn kiểu mạng mạng tinh thể hình thành vơ số phần tử xếp sít Phần tử gọi ô mạng tinh thể Và nghiên cứu tính chất mạng tinh thể vô tận chuyển nghiên cứu thông qua ô có kích thước hình dáng cụ thể Kích thước để từ xác định kích thước khác mạng tinh thể gọi thông số mạng hay số mạng, đơn vị đo tính A0
Ơ phải đảm bảo đặc trưng hoàn chỉnh cho cấu tạo kiểu mạng, bao gồm thoả mãn điều kiện đối xứng tinh thể (đối xứng gương, đối xứng tâm, đối xứng trục quay) đỉnh ô phải có chất điểm, thể tích phải nhỏ
z
x y
(9)Với kiểu mạng tinh thể có đặc trưng nó, thơng qua xác định kiểu mạng tinh thể
Để phân loại mạng tinh thể người ta chia thành:
- Hệ mạng tinh thể phân loại theo hình khối (ví dụ lập phương, lục giác ) - Kiểu mạng tinh thể hình thức phương pháp xếp chất điểm ô mạng
Sự kết hợp hệ kiểu cho loại mạng tinh thể bản, loại mạng tinh thể thống kê thành 14 kiểu mạng tinh thể Bravais
Tính chất mạng tinh thể:
- Mật độ nguyên tử lỗ hổng mạng tinh thể:
Nếu coi chất điểm mạng tinh thể ngun tử có dạng hình cầu mạng tinh thể ln có khoảng trống, gọi lỗ hổng mạng tinh thể Để đánh giá mức độ xếp chặt người ta dùng khái niệm mật độ nguyên tử
Mật độ nguyên tử định chế biến dạng dẻo, mật độ nguyên tử lỗ hổng mạng tinh thể định khả hòa tan xen kẽ nguyên tử khác vào mạng tinh thể đó.Phân biệt hai loại mật độ nguyên tử: mật độ nguyên tử mặt tinh thể Ms mật độ nguyên tử mạng tinh thể Mv
% 100 . . % 100
.
mat nt S
mat nt S
S S n S
S
M (1.1)
Trong đó:
nS: Số nguyên tử thuộc mặt
S1nt: Diện tích tiết diện mặt cắt qua tâm nguyên tử Smat: Diện tích mặt tính mật độ mặt
.100%
V V . n % 100 . V
V M
ocoban nt V ocoban
nt
v
(1.2)
Trong đó:
nv : Số nguyên tử ô V1nt: Thể tích nguyên tử Vocoban: Thể tích -Tính thù hình vật tinh thể:
Khá nhiều kim loại có đặc tính: nhiệt độ áp suất khác nguyên tố tồn với kiểu mạng khác Tính chất gọi tính thù hình, kiểu mạng tinh thể khác kim loại gọi dạng thù hình
Ví dụ: Sắt nhiệt độ 9110C nhiệt độ từ 13920C đến 15390C có kiểu mạng lập phương thể tâm; cịn khoảng từ 9110C đến 13920C có kiểu mạng lập phương diện tâm
(10)Trong kỹ thuật cần ý đến dạng thù hình vật liệu chuyển biến thù hình thay đổi cấu trúc, thể tích tính chất vật liệu
-Tính dị hướng tinh thể
Tính dị hướng (cịn gọi tính có hướng) khác tính chất lý hóa theo phương khác
Nguyên nhân tính dị hướng tinh thể mật độ nguyên tử khác theo mặt phương khác nhau: phương có mật độ nguyên tử lớn, lực liên kết nguyên tử mạnh nên tính chất thể khác với thử theo phương có mật độ nguyên tử bé
1.2.2.2 Một số kiểu mạng tinh thể thường gặp kim loại
* Mạng lập phương thể tâm (A2, K8): Xét ô mạng khối lập phương, nguyên tử bố trí đỉnh tâm khối Số xếp K: số nguyên tử gần quanh nguyên tử K =
Hình 1.5 Mạng lập phương thể tâm mặt xếp sít nguyên tử - Thông số mạng : a
- Cách xếp nguyên tử: nguyên tử xếp xít theo đường chéo khối (hình 1.5)
- Bán kính nguyên tử: r nt
r nt =
3 a
Mật độ mặt mạng tinh thể:
% 100 S
S n % 100 S
S M
mat nt S mat
nt
S
- Số nguyên tử thuộc mặt
a
2 a
a
(11)nS =
4
-Diện tích tiết diện mặt cắt qua tâm nguyên tử
S1nt = .r2nt =
2 a
- Diện tích mặt cần tính mật độ mặt(mặt chéo ô bản) Smat = a.a 2 = a2 2
Thay vào biểu thức ta có:
% , 83 % 100 a a % 100 S S n M 2 mat nt S S
Ý nghĩa: đánh giá mức độ liên kết nguyên tử mặt xét, mật độ mặt lớn mặt bền vững - Mật độ khối mạng tinh thể:
% 100 V V n % 100 V V M ocoban nt V ocoban nt v
- Số nguyên tử ô (số nguyên tử thuộc khối nV):
nV = 1 2 8 1 .
8 (nguyên tử) V1nt: Thể tích nguyên tử
3
3 nt
1 a
16 a r
V
Vocoban: Thể tích ô Vocoban = a3
Thay vào biểu thức ta có:
% 68 % 100 a a 16 % 100 V V n M 3 ocoban nt V v
Ý nghĩa: cho biết mức độ điền đầy vật chất kiểu mạng, cho biết sơ đánh giá khối lượng riêng vật liệu có kiểu mạng
- Những kim loại có kiểu mạng A2: Fe(), Cr, W, Mo
(12)Hình 1.6.Mạng lập phương diện tâm mặt xếp sít nguyên tử - Thông số mạng: a
- Cách xếp nguyên tử: nguyên tử xếp xít theo đường chéo mặt bên khối (hình 1.6)
- Bán kính nguyên tử: r nt
r nt =
2 a
- Mật độ mặt mạng tinh thể:
% 100 S S n % 100 S S M mat nt S mat nt S Trong đó:
nS: Số nguyên tử thuộc mặt
nS =
2
3
S1nt: Diện tích tiết diện (mặt cắt) nguyên tử thuộc mặt
S1nt = .r2nt =
2 a
Smat: Diện tích mặt tính mật độ mặt
Smat =
2 3
2
a
Thay vào biểu thức ta có:
% 90 % 100 % 100 2 a a S S n M mat nt S S
- Mật độ khối mạng tinh thể:
(13)- Số nguyên tử ô
nV = 4
2 1 . 6 8 1 .
8 (nguyên tử)
V1nt: Thể tích nguyên tử
3
3 nt
1 a
24 a r
V
Vocoban: Thể tích ô Vocoban = a3
Thay vào biểu thức ta có:
% 74 % 100 . a a . 24 2 . 4 % 100 . V V . n M 3 ocoban nt V v
- Những kim loại có kiểu mạng A1: Fe(), Ni, Mn, Au
* Mạng lục giác xếp chặt (A3, L12): Các nguyên tử nằm đỉnh, hai mặt đáy hình lăng trụ lục giác tâm ba khối lăng trụ tam giác khác Số xếp K: số nguyên tử gần quanh nguyên tử K = 12
- Thông số mạng: a, c
663 , a c
: Độ phương mạng tinh thể
Hình 1.7 Mạng lục giác xếp chặt mặt xếp sít nguyên tử - Số nguyên tử ô
nV =
2
12 (nguyên tử)
- Cách xếp nguyên tử: nguyên tử xếp xít theo mặt đáy khối (hình 1.7) - Bán kính nguyên tử: r nt
a
a
(14)r nt = a
- Mật độ mặt mạng tinh thể:
% 100 S S n % 100 S S M mat nt S mat nt S Trong đó:
nS: Số nguyên tử thuộc mặt
nS = 3
6
S1nt: Diện tích tiết diện (mặt cắt) nguyên tử thuộc mặt
S1nt = .r2nt =
4 a
a
Smat: Diện tích mặt tính mật độ mặt
Smat = a 3
Thay vào biểu thức ta có:
% 91 % 100 a 3 a % 100 S S n M 2 mat nt S S
- Mật độ khối mạng tinh thể:
% 100 V V n % 100 V V M ocoban nt V ocoban nt v Trong đó:
V1nt: Thể tích ngun tử
3
3 nt
1 a
6 a r
V
Vocoban: Thể tích
Vocoban = Smat.c = a 3 1,663a = a 663 , 3
Thay vào biểu thức ta có:
% 73 % 100 a 663 , a % 100 V V n M 3 ocoban nt V v
(15)1.3 CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ THỰC TẾ CỦA KIM LOẠI NGUYÊN CHẤT
1.3.1 Sai lệch mạng tinh thể :
Khái niệm: Khuyết tật mạng tinh thể dạng sai lệch, làm thay đổi quy luật, vị trí, kích thước mạng tinh thể, đó:
- Quy luật: quy luật xếp chất điểm mặt tinh thể
- Vị trí: xuất thiếu hụt chất điểm vùng tinh thể khơng theo quy luật ban đầu
- Kích thước: tăng hay giảm thông số mạng
Ảnh hưởng sai lệch mạng: làm thay đổi tính chất tinh thể, dẫn đến thay đổi tính chất vật liệu
Với kết nghiên cứu cấu trúc vật liệu ta đưa loại khuyết tật mạng tinh thể chủ yếu là:
1.3.1 1.Sai lệch điểm
Sai lệch điểm sai lệch mạng có kích thước nhỏ (vài thông số mạng) theo ba chiều đo Bao gồm nút trống, nguyên tử xen kẽ nguyên tử lạ
Nút trống nguyên tử xen kẽ: mạng tinh thể nguyên tử (ion) luôn dao động quanh vị trí cân chúng nhờ lượng dao động Năng lượng dao động phụ thuộc vào nhiệt độ phân bố không nguyên tử, tức thời điểm ln có ngun tử có lượng bé lớn giá trị trung bình nhiệt độ cho Một số nguyên tử có lượng đủ lớn với biên độ dao động lớn, chúng có khả bứt khỏi vị trí cân mình, để lại nút trống khơng có nguyên tử chiếm chỗ Sau rời khỏi vị trí cân bằng, nguyên tử di chuyển bề mặt tinh thể (hình a) vào vị trí xen kẽ nút mạng (hình b)
Hình 1.8 Sai lệch điểm mạng tinh thể
a: Nút trống b: Nguyên tử xen kẽ c: Nguyên tử lạ
Ảnh hưởng: tạo vùng xô lệch mạng tinh thể gây ứng suất dư mạng
Chú ý: nút trống không đứng yên mà luôn đổi chỗ cách trao đổi vị trí với nguyên tử bên cạnh
Nguyên tử lạ: kim loại dù nguyên chất đến đâu chứa lượng định nguyên tử nguyên tố khác gọi tạp chất hay nguyên tử lạ (hình c)
(16)Các nguyên tử tạp chất thay vị trí nguyên tử sở nút mạng nằm xen kẽ nút mạng
Ảnh hưởng: tạo trường ứng suất dư có dấu khác phụ thuộc vào đường kính nguyên tử lạ
1.3.1.2 Sai lệch đường
Sai lệch đường sai lệch mạng có kích thước nhỏ theo hai chiều đo lớn theo chiều đo cịn lại, tức có dạng đường (thẳng cong)
Các dạng lệch chủ yếu lệch thẳng, lệch xoắn lệch hỗn hợp Lệch thẳng (lệch biên)
Nguyên nhân: Do xuất mặt tinh thể khơng hồn chỉnh dẫn đến tạo trục có lượng cao hơn, ổn định nên tạo trục lệch
Để đánh giá cường độ lệch người ta dùng véc tơ Burgers: b
Hình 1.9.Mơ hình lệch thẳng
Lệch thẳng hình dung cách sau: Giả sử có mạng tinh thể hồn chỉnh gồm mặt nguyên tử song song cách Bây chèn thêm nửa mặt phẳng ABCD vào nửa phần tinh thể mặt nguyên tử thẳng đứng nằm hai phía mặt ABCD khơng cịn hồn tồn song song nữa, chúng bị cong vùng gần đường AD Các nguyên tử nằm vùng bị xê dịch khỏi vị trí cân cũ mình: Các nguyên tử vùng phía đường AD bị đẩy xa (vùng có ứng suất kéo) cịn nguyên tử phía đường AD bị ép lại (vùng có ứng suất nén) Như vùng có sai lệch nằm xung quanh đường thẳng AD người ta gọi lệch thẳng Đường AD gọi trục lệch thẳng
Lệch xoắn
Nguyên nhân: Do dịch chuyển mặt tinh thể khơng hồn chỉnh tạo bề mặt nhấp nhô tế vi mạng tinh thể
Lệch xoắn hình dung cách sau: Cắt tinh thể hoàn chỉnh nửa mặt phẳng ABCD xong xê dịch hai mép ngược chiều làm để mặt nguyên tử nằm ngang thứ bên phải trùng với mặt nguyên tử thứ hai bên trái Kết làm cho nguyên tử nằm gần đường AB bị xê dịch khỏi vị trí cân cũ Sở dĩ có danh từ lệch xoắn lớp nguyên tử vùng sai lệch mạng theo hình xoắn ốc
Mặt phẳng ABCD gọi mặt trượt lệch Các nguyên tử nằm vùng dọc theo trục L Trục L gọi trục lệch xoắn
Véc tơ Burgers lệch xoắn luôn song song với trục lệch A
B
C
D
(17)Hình 1.10.Mơ hình lệch xoắn
a: Tinh thể hồn chỉnh b: Tinh thể có lệch xoắn c: Cách bố trí nguyên tử hai phía mặt trượt Lệch hỗn hợp
Lệch hỗn hợp lệch trung gian thẳng xoắn mang đặc điểm hai loại lệch nêu
Hình 1.11 Mơ hình lệch hỗn hợp 1.3.1.2.Sai lệch mặt
Sai lệch mặt sai lệch mạng có kích thước nhỏ theo chiều đo lớn theo hai chiều đo lại Bao gồm
Biên giới hạt
Các nguyên tử biên giới hạt chịu nhiều quy định Do tạo mặt biên giới hạt có xếp sai quy luật tạo thành sai lệch
Hình 1.12 Cách xếp nguyên tử vùng biên giới hạt theo thuyết "vô định hình"
Biên giới siêu hạt
Nếu sâu nghiên cứu , hạt phương mạng khơng tuyệt đối ổn định Hạt cịn gồm nhiều phận nhỏ với kích thước 10-6÷10-4cm , phương mạng chúng lệch góc nhỏ khoảng vài phút đến 10, gọi siêu hạt hay block Như mạng tinh thể block bị xô lệch với mức độ thấp so với biên giới hạt
Mặt tinh thể
Mặt ngồi tinh thể có trạng thái xếp nguyên tử khác với vùng phía Trên bề mặt nguyên tử liên kết với số nguyên tử nằm phía số xếp bé trị
(18)số quy định lực liên kết khơng cân Đó nguyên nhân làm cho nguyên tử mặt ngồi xếp khơng có trật tự, tạo nên sai lệch mặt
Do mạng tinh thể bị xơ lệch nên mặt ngồi có lượng tự cao Phần lượng tự tăng thêm đơn vị diện tích bề mặt gọi lượng bề mặt sức căng bề mặt
Hình 1.13 Mơ hình xếp ngun tử mặt tinh thể 1.3.1.3 Sai lệch khối (sai lệch thể tích)
Sai lệch khối mạng tinh thể vật liệu dạng sai lệch có kích thước lớn theo ba chiều đo
Trong sai lệch khối chia làm hai loại sau, theo ảnh hưởng chúng đến tính chất vật liệu:
- Loại xuất ngẫu nhiên qúa trình sản xuất vật liệu (nấu luyện, đúc kim loại, hợp kim )
- Loại xuất cố ý người sản xuất, thực chất tiết pha thứ hai phân huỷ dung dịch rắn bão hoà
1.3.2.Đơn tinh thể
Nếu khối kim loại đem dùng tinh thể, tức có mạng tinh thể mà phương giữ đồng điểm gọi đơn tinh thể, tức gồm tinh thể (hình1.15a) Song trường hợp gặp thực tế gặp đơn tính thể tự nhiên nên phải chế tạo phương pháp riêng
Hình 1.14: Sơ đồ cấu tạo đơn tinh thể (a) đa tinh thể (b) 1.3.3 Đa tinh thể
Kim loại có cấu tạo gồm nhiều tinh thể gọi đa tinh thể tinh thể gọi hạt (hình 1.15b) Kim loại thực tế thường gặp đa tinh thể
Một số đặc tính đa tinh thể là:
(19)+ Mỗi hạt tinh thể nên có tính dị hướng, song phương mạng hạt lệch nên khoảng cách trung bình thống kê nguyên tử theo tất phương làm cho tính dị hướng khơng cịn Nói chung đa tinh thể có tính đẳng hướng giả
+ Ở vùng biên giới hạt, nguyên tử chịu quy luật định hướng tất hạt xung quanh nên có xếp khơng trật tự
CÂU HỎI ƠN TẬP
Câu 1: Trình bày kiểu mạng tinh thể thường gặp kim loại Câu 2: Các sai lệch mạng tinh thể
(20)CHƯƠNG 2: KẾT TINH TỪ THỂ LỎNG CỦA KIM LOẠI
Trong thực tế vật liệu kim loại hợp kim hầu hết chế tạo phương pháp kết tinh từ thể lỏng Nghiên cứu trình kết tinh bao gồm nhiệm vụ chủ yếu là:
- Điều kiện nhiệt động học qúa trình kết tinh - Các giai đoạn (quá trình) kết tinh
- Các yếu tố đặc trưng cho trình kết tinh sản phẩm sau kết tinh - Chất lượng vật liệu sau kết tinh biện pháp nâng cao chất lượng vật liệu - Động học trình kết tinh
- Cấu tạo thực tế dạng khuyết tật xuất sản phẩm sau kết tinh Để thực việc nghiên cứu vấn đề vào nội dung sau:
2.1 CẤU TẠO KIM LOẠI LỎNG VÀ ĐIỀU KIỆN NĂNG LƯỢNG CỦA QUÁ TRÌNH KẾT TINH
2.1.1 Cấu tạo kim loại lỏng
Trước theo quan điểm cũ, trạng thái lỏng kim loại coi có cấu tạo gần với trạng thái Tuy nhiên nay, với phát triển khoa học, việc áp dụng phương pháp nghiên cứu kỹ thuật cao phân tích tia Rơnghen, tia , kính hiển vi điện tử cho thấy cấu tạo kim loại lỏng có số đặc điểm sau:
- Ở gần nhiệt độ kết tinh, thể tích kim loại trạng thái lỏng xấp xỉ với thể tích kim loại trạng thái rắn
- Nhiệt dung riêng đẳng áp kim loại lỏng xấp xỉ nhiệt dung riêng đẳng áp kim loại trạng thái rắn
- Nhiệt nóng chảy (từ rắn sang lỏng) nhỏ nhiều so với nhiệt hóa (từ lỏng sang hơi) - Cả kim loại lỏng kim loại trạng thái rắn dẫn điện dẫn nhiệt tốt
Từ đặc điểm trên, rút số kết luận sau:
- Khoảng cách nguyên tử kim loại trạng thái lỏng trạng thái rắn xấp xỉ (do thể tích gần giống nhau), có ổn định mặt xếp nguyên tử kim loại trạng thái lỏng
- Dao động nhiệt nguyên tử kim loại quanh vị trí cân hai trạng thái gần giống (do nhiệt dung riêng xấp xỉ nhau), có mức độ ổn định nguyên tử gần giống
- Trong kim loại lỏng tồn mây điện tử tự (thể qua tính dẫn điện)