Kim loại chịu nhiệt. Hợp kim Magie[r]
(1)VẬT LIỆU HỌC
(Material Science )
ThS.Đoàn Mạnh Tuấn http://www.doanmanhtuan.name.vn
Chương 1
GIỚI THIỆU MÔN HỌC (1tiết)
Chương 1
GIỚI THIỆU MÔN HỌC (1tiết)
MK : Caolinite@12
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
2 GIỚI THIỆU MƠN HỌC
Cung cấp kiến thức sở mối tương quan yếu tốcơbản ngành khoa học cơng nghệ vật liệu:Cấu trúc vi mơ(tinh thể),tính chất, q trình gia cơng đánh giá vật liệu
Sau kết thúc môn học, sinh viên có thểvận dụng đểphân tíchvà dự đốnthiết kếvật liệu theo yêu cầu
Mục tiêu môn học
Khoa CN Hóa GIỚI THIỆU MƠN HỌC
William D Callister, David G Rethwisch, Material Science and Engineering: An Introduction, 9th Edition, John Wiley & Sons, Inc, 2014 Nguyễn Đình Phổ, Vật liệu
học, NXBĐHQG Tp.HCM, 2013 Lê Công Dưỡng ,Vật liệu học,
NXB KHKT, 1997
Tài liệu tham khảo
Khoa CN Hóa GIỚI THIỆU MÔN HỌC
1.TỔNG QUAN VẬT LIỆU
2 CẤU TRÚC TINH THỂ VẬT LIỆU
RẮN
3 QUÁ TRÌNH KHUẾCH
TÁN TRONG VẬT LIỆU
4 TÍNH CHẤT CỦA VẬT
LIỆU
5 TỔNG HỢP, GIA CÔNG VẬT LIỆU
6 Phân tích, đánh
(2)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
5 GIỚI THIỆU MƠN HỌC
Phân bốchương trình
Chương Nội dung Số tiết
1 Tổng quan vật liệu Cấu trúc tinh thể vật liệu rắn 14 Q trình khuếch tán vậtliệu Tính chất vật liệu 16 Tổng hợp, gia cơng vật liệu 10 Phân tích, đánh giá vật liệu
Tổng 60
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
6 GIỚI THIỆU MƠN HỌC
Hình thứcđánh giá
Thường kỳ:
Thơng qua tập, thái độ học tập, tiểu luận (20%)
Giữa kỳ:
Tựluận (chương 1, 2, 3) (30%) Cuối kỳ:
Tựluận (chương 4, 5, 6) (50%)
Khoa CN Hóa
Thanks!
VẬT LIỆU HỌC
(Material Science )
Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG (4 tiết)
Chương 1
(3)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
9 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Developed history of material
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
10 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Developed history of materials
Khoa CN Hóa 1 GIỚI THIỆU CHUNG
The importance of materials science
- Hiểu rõ tính chất
→chọn vật liệu
- Độ bền vật liệu q trình làm việc - Tính kinh tế áp dụng thực tiễn
- Phát triển ứng dụng
Khoa CN Hóa
Chất hợp chất
được người dùng
để làm sản phẩm khác
Làđầu vào trình sản xuất hay chếtạo
Vật liệu (Materrials) gì?
(4)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
13
Khoa học liên ngành
nghiên cứu mối quan hệ thành phần, cấu trúc, công nghệchế tạo, xử
lý tính chất vật liệu
Khoa học vật liệu?
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
14
Các tính chất nghiên cứu cấu trúc, tính chất điện, từ, nhiệt, tổ hợp tính chấtđó→ Tạo vật liệuđápứng nhu cầu kỹthuật
Khoa học vật liệu?
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Khoa CN Hóa 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1 Bán dẫn Siêu dẫn Silicon
4 Polyme dẫnđiện
1.2 Phân loại vật liệu
Khoa CN Hóa 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Kim loại
Kim loại & Hợp kim
Chứa sắt Không chứa sắt
Thép Gang
Hợp kim nhôm
Hợp kim Đồng
Kim loại quý
Kim loại chịu nhiệt
Hợp kim Magie
Hợp kim Titan
(5)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
17 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Vật liệu Silicat
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
18 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Vật liệu Polyme
Theo nguồn gốc hình thành
Polymer thiên nhiên Polymer tổng hợp
Khoa CN Hóa 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Theo cấu trúc
Mạch thẳng Mạch nhánh Mạch lưới Mạch khơng gian
Vật liệu Polyme
Khoa CN Hóa 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Vật liệu Composite
COMPOSITE
Nền polymer Nền kim loại Nền ceramic Nền hỗn hợp
Composite cấu trúc
Cốt hạt Cốt sợi
Hạt thô Hạt mịn Liên tục Gián đoạn
…
(6)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
21 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.3.Ứng dụng vật liệu kim loại
Động máy bay (Siêu hợp kim) Trang sức
Chi tiết vật dụng
Dụng cụ bếp-gang Thép kết cấu
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
22 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Tàu thủy Bánh răng
Dây dẫn điện
Đường ống Dụng cụ gia đình
Vật liệu kim loại
Nha khoa - implant
Khoa CN Hóa 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Vật liệu silicat
Khoa CN Hóa 1 GIỚI THIỆU CHUNG
(7)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
25 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Vật liệu Polyme
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
26 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Vật liệu Composite
Khoa CN Hóa 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Vật liệu Composite
Khoa CN Hóa
Vật liệu có cấu trúc nano: vật liệu có cấu trúcởcấpđộnanometer Vật liệu y sinh: vật liệu có tính
tương thích sinh học cao, có thểthay
các bộphận cơthểngười
Vật liệu thông minh:là loại vật liệu hiệnđại Có thểthay đổiđặc tính theo
điều kiện môi trường, đáp ứng lại thayđổi theo hướngđãđịnh sẵn
Vật liệu cao cấp
(8)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
29
Thanks!
VẬT LIỆU HỌC
(Material Science )
ThS.Đoàn Mạnh Tuấn http://www.doanmanhtuan.name.vn
Chương 2
CẤU TRÚC TINH THỂ VẬT LIỆU RẮN
(14 tiết) Chương 2
CẤU TRÚC TINH THỂ VẬT LIỆU RẮN
(14 tiết)
Khoa CN Hóa CẤU TRÚC TINH THỂ VẬT LIỆU RẮN
2.1 LIÊN KẾT CẤP ĐỘ NGUYÊN TỬ
2.2 CẤU TRÚC TINH THỂ VẬT LIỆU
RẮN
2.3 SAI LỆCH MẠNG TINH
THỂ
Nội dung
Khoa CN Hóa 2.1.1 LIÊN KẾT SƠ CẤP
Liên kết ion
(9)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
33 2.1.1 LIÊN KẾT SƠ CẤP
Liên kết ion
Đặc điểm:
Hai nguyên tử liên kết với lực hút tĩnh
điện
Năng lượng liên kết ion: lượng tương tác tĩnh điện ion
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
34 2.1.1 LIÊN KẾT SƠ CẤP
Liên kết cộng hóa trị
Liên kết cộng hố trị hình thành sựghépđơi 2e có spin trái dấu
H - H
1S1 1S1
Khoa CN Hóa 2.1.1 LIÊN KẾT SƠ CẤP
Liên kết cộng hóa trị
Đặc điểm:
Sự xen phủ hai đám mây
điện tử tham gia liên kết lớn liên kết bền
Liên kết hình thành theo phương có xen phủ đám mây điện tử lớn
H - H
1S1 1S1
Khoa CN Hóa 2.1.1 LIÊN KẾT SƠ CẤP
Liên kết cộng hóa trị
Cơ chế tạo thành cặp e góp chung: nguyên tử đóng góp (cơ chế ghép đơi)
Điều kiện: phải có e độc thân
H - H
(10)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
37 2.1.1 LIÊN KẾT SƠ CẤP
Liên kết cộng hóa trị
Liên kết s (sigma bonding) xen phủ AO theo trục liên kết
H - H H-Cl Cl – Cl
p – p p – d
π π
Liên kết xen phủ
của AO hai bên trục liên kết
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
38 2.1.1 LIÊN KẾT SƠ CẤP
Liên kết kim loại
Các ion dương tạo thành mạng xácđịnh không gianđiện tử
tựdo "chung"
Năng lượng liên kết: Tổng hợp lực hút (giữa ion dương
điện tử tự do) lực đẩy (giữa ion dương)→các ion kim loại luôn có vị trí cân xác
địnhtrongđám mâyđiện tử
Khoa CN Hóa 2.1.1 LIÊN KẾT SƠ CẤP
Tính chất kim loại
Ánh kim: Ánh sáng → e tự nhận
năng lượng → nhảy lên mức cao, song
không ổn định trở mức cũ→ ánh sáng Dẫn điện: Nhờ có điện tử tự dễ
chuyển động định định hướng trường hiệu điện
Dẫn nhiệt: Sự truyền động cácđiện tửtựdo ion dương
Khoa CN Hóa 2.1.2 LIÊN KẾT THỨ CẤP
Liên kết Hydro Nguyên tử hydro có điện tử
duy → liên kết với
nguyên tử có độ âm điện lớn
hơn →đôi điện tử dùng chung
bị lệch phía ngun tửđó Nguyên tử hyđro bị mang điện
tích dương nên có khả tạo thêm liên kết thứ hai với nguyên tử nguyên tố có độ
(11)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
41 2.1.2 LIÊN KẾT THỨ CẤP
Liên kết Van Der Waals
Khi hai nguyên tử tiến lại gần nhau, chúng tạo lực hút yếu không đặc hiệu Nguyên nhân: Do lưỡng
cực điện tạm thời gây
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
42 molecular bonding energy
lượng cần tiêu tốn để phá hủy liên kết đặc trưng cho độ bền
của liên kết, lượng liên kết lớn liên kết bền
phụ thuộc vào độ dài liên kết, độ bội liên kết,
độ bền liên kết
2.1.3 NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT
Khoa CN Hóa 2.1.3 NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT
Bảng so sánh năng lượng liên kết của một sốliên kết
Loại liên kết Năng lượng liên kết Đặc điểm Ion Lớn Khơng định hướng (ceramics) Hóa trị
Tùy thuộc vào nguyên tố - Lớn: Kim cương - Nhỏ: Bismuth
Định hướng (bán dẫn, ceramics, chuỗi polymers) Kim loại Tùy thuộc vào nguyên tố- Lớn: Tungsten
- Nhỏ: Thủy ngân
Không định hướng (kim loại )
Thứ cấp Nhỏ Định hướng- Tương tác mạch (polymers) - Tương tác phân tử
Khoa CN Hóa Khái niệm về tinh thể
sắp xếp cách đối xứng tuần hoàn theo hướng
trong khơng gian cấu trúc
(12)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
45 Khái niệm ô mạng cơ sở, hệ tinh thể
Chất điểm: Các phần tử (nguyên tử, ion, phân tử) cấu tạo nên tinh thể
phân bốở mắt nút
Mạng lưới không gian: Cácđường nối chất điểm tạo thành mạng lưới
Chu kỳ mạng: Khoảng cách hai nút mạng gần
2.2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ TINH THỂ HỌC
O A
B C
D
E F
G x
y z
a
b c
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
46 Bravais: có hệtinh thểvới 14 dạng ô mạng cơsở
2.2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ TINH THỂ HỌC
Khoa CN Hóa 2.2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ TINH THỂ HỌC
lập phương (cubic)
a = b = c α = β = γ = 900
bốn phương (tetragonal)
a =b ≠ c α = β = γ = 900 I
F
I
Khoa CN Hóa 2.2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ TINH THỂ HỌC
trực thoi (Orthorhombic)
a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 900
ba phương (Rhombohedral)
a =b = c
α = β = γ ≠ 900
I
F
I
(13)Khoa CN Hóa
Đoàn Mạnh Tuấn
49 2.2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ TINH THỂ HỌC
sáu phương (Hexagonal)
a = b ≠ c
α = β = 900, γ = 1200
một nghiêng (Monoclinic)
a ≠ b ≠ c
α = β = 90o, γ ≠ 900
ba nghiêng (Triclinic)
a ≠ b ≠ c
α ≠ β ≠ γ ≠ 900
C
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
50 2.2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ TINH THỂ HỌC
HỆ TINH THỂ DẠNG Ơ MẠNG CƠ SỞ CÁC CẠNH CÁC GĨC Ba nghiêng
2 Một nghiêng Trực thoi Ba phương Sáu phương Bốn phương Lập phương
P P, C P, C, I, F P P P, I P, I, F
abc abc abc a = b = c a = bc a = bc a = b = c
90o
== 90o
=== 90o
== 90o
== 90o,= 120o
=== 90o
=== 90o Bravais: có hệ tinh thể với 14 dạng ô mạng cơ sở
Khoa CN Hóa Tính chất mặt mạng tinh thể
có nhiều họ mặt phẳng
song song cách
trong mạng tinh thể
họ mặt phẳng song song với đặc trưng số h k l (gọi chỉ số Mile (Miller)
2.2.2 MẶT MẠNG TINH THỂ, CHỈ SỐ MILLER
Khoa CN Hóa Cách tìm chỉ số Miller
Tìm giao điểm ba trục Ox, Oy, Oz Ví dụ: A,B,C
2.2.2 MẶT MẠNG TINH THỂ, CHỈ SỐ MILLER
x y z A B C 2
Xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ tới giao
điểm : 3,2,2
(14)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
53 Một sốchỉsốMiller
2.2.2 MẶT MẠNG TINH THỂ, CHỈ SỐ MILLER
ChỉsốMiller mặt tinh tinh thể
(111) (101) (010)
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
54 Biểu diễn chỉsốMiller theo họmạng
2.2.2 MẶT MẠNG TINH THỂ, CHỈ SỐ MILLER
ChỉsốMiller mặt tinh tinh thể
(001) (110) (111)
Khoa CN Hóa Ý nghĩa chỉsốMiller
2.2.2 MẶT MẠNG TINH THỂ, CHỈ SỐ MILLER
Thông qua số (hkl) ta tính khoảng cách mặt tinh thể song song
Đây thông số quan trọng khảo sát cấu trúc phương trình Vulf-Bragg : n λ = dhkl sinθ
Khoa CN Hóa Khoảng cách mặt (interplanar spacing)
2.2.2 MẶT MẠNG TINH THỂ, CHỈ SỐ MILLER
2 2 hkl c l b k a h d 2 2 c l a k h d 2
2 k l
h a d
hệ phương a = b
(15)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
57 Bán kính ion (ionic radius)
2.2.2.SẮP XẾP CÁC PHẦN TỬ
Là bán kính lớpđiện tử sau
đã nhận cho
điện tử hóa trị
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
58 Sốphối trí (coordination numbers)
Số ion khác loại trực tiếp bao quanh ion
2.2.2.SẮP XẾP CÁC PHẦN TỬ
Khoa CN Hóa
Đa diện phối trí (Coordination polyhedron)
1: Tứ diện 2: lục diện 3: Bát diện 4: Thập nhị diện 5: Nhị thập diện
2.2.2.SẮP XẾP CÁC PHẦN TỬ
Khoa CN Hóa Nguyên lý sắp xếp chấtđiểm phối trí
cho phép ta vẽ lý thuyết
đánh giá mức độ bền vững
của cấu trúc
Nếu cấu trúc bền vững anion với anion anion với cation phải tiếp xúc với
b/bền vững a/ c/ bền
a/ b/
c/
(16)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
61 Tỷsốgiữa caction anioncấu trúc ô mạng cơsở
2
3 1 0,155
ra=1, AM= 3→ AO =
2.2.2.SẮP XẾP CÁC PHẦN TỬ
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
62 Tỷ sốgiữa caction anioncấu trúc ô mạng cơsở
2 2
2 1 2 1
0,414 2.2.2.SẮP XẾP CÁC PHẦN TỬ
Khoa CN Hóa Tỷsốgiữa caction anioncấu trúc ô mạng cơsở
Tỷ lệ rc/ra Số phối trí Đa diện phối trí rc/ra= 1
1 > rc/ra> 0,732 0,732 > rc/ra> 0,414 0,414 > rc/ra> 0,225 0,225 > rc/ra> 0,155
10, 12 8 6 4 3
Lập phương bán diện Lập phương
Bát diện Tứ diện Tam giác 2.2.2.SẮP XẾP CÁC PHẦN TỬ
Khoa CN Hóa
Ví dụ: Đối với SiO2 :
Tỷsốrc/ ralà 0,39
Tra bảng ta có số
phối trí 4, tứdiện
Tỷ sốgiữa caction anioncấu trúc ô mạng cơsở
(17)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
65 Cấu trúc mạng tinh thể phổbiến
2.2.3.CẤU TRÚC VẬT LIỆU KIM LOẠI
Khoa CN Hóa
Đoàn Mạnh Tuấn
66 centered cubic unit cell
Mậtđộnguyên tử:
.
100%
8 1 2, r a 2.2.3.CẤU TRÚC VẬT LIỆU KIM LOẠI
M 2 43
a 3 4
a 100% 68%
Khoa CN Hóa face-centered cubic
Mậtđộnguyên tử:
.
100%
8 6 4, r a 2.2.3.CẤU TRÚC VẬT LIỆU KIM LOẠI
M 4 43
a 2 4
a 100% 74%
Khoa CN Hóa hexagonal close-packed crystal structure
Các nguyên tử nằmở cácđỉnh hình lục giác nguyên tử nằm trung tâm khối lăng trụ
1 6 12
1
2 2 3 6
1,663 a 2r
(18)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
69 hexagonal close-packed crystal structure
Mậtđộnguyên tử:
.
100% 74%
2.2.3.CẤU TRÚC VẬT LIỆU KIM LOẠI
V a 3
4 6 a 1,633
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
70 Tính thù hình của kim loại
2.2.3.CẤU TRÚC VẬT LIỆU KIM LOẠI
có nhiều kiểu mạng khác
các khoảng nhiệtđộ
Khoa CN Hóa 2.2.3.CẤU TRÚC VẬT LIỆU KIM LOẠI
1392 1539
911 1392
911
Tính thù hình của kim loại
Khoa CN Hóa 2.2.3.CẤU TRÚC VẬT LIỆU KIM LOẠI
Hợp kim (alloy)
Hợp kim: nguyên tốkim loại nấu chảy với hay nhiều nguyên tố
(19)Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
73 2.2.3.CẤU TRÚC VẬT LIỆU KIM LOẠI
Hợp kim (alloy)
Phân loại:
Hợp kim có cấu tạo pha dung dịch rắn Dung dịch rắn hệ đồng có thành phần biếnđổi gồm từ2 cấu tửtrởlên Hợp kim có cấu tạo pha
hợpchất hoá học
Hợp kim có cấu tạo hay nhiều pha
Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
74 2.2.3.CẤU TRÚC VẬT LIỆU KIM LOẠI
Đặc trưng của dung dịch rắn
Kim loại dung môi bảo tồn kiểu mạng tùy theo đặc tính phân bố nguyên tử
hòa tan dung môi
KL dung môi
DD rắn thế
DD rắn lẫn
Khoa CN Hóa 2.2.4.CẤU TRÚC VẬT LIỆU GỐM SỨ
Đơn vị cấu trúc cơ bản của silicát
Silicát hợp chất sở đa diện phối trí cation Si4+,
Các tứ diện [SiO4]4- liên
kết với liên kết với cation khác để đảm bảo mạng lưới cấu trúc trung hòa điện
[SiO4]
4-Khoa CN Hóa 2.2.4.CẤU TRÚC VẬT LIỆU GỐM SỨ
Đơn vịcấu trúc cơbản của silicát
tứ diện [SiO4]4- tồn
tại độc lập liên kết với qua đỉnh, đường mặt, chúng tạo cấu trúc mạch vơ hạn hữu hạn, tạo cấu trúc vòng, chuỗi, băng, lớp, khung…
(20)4-Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
77 2.2.4.CẤU TRÚC VẬT LIỆU GỐM SỨ
Đơn vị cấu trúc cơ bản của silicát
Cation Al3+có số phối trí
Bát diện nhơm kết hợp tứ diện SiO2 tạo thành cấu trúc
và tồn khống vật liệu vơ
[AlO6]
9-Khoa CN Hóa
Đồn Mạnh Tuấn
78 2.2.4.CẤU TRÚC VẬT LIỆU GỐM SỨ
Cácđa diện [SiO4]4-độc lập (Nesosilicates).
tứ diện [SiO4]4- không liên
kết trực tiếp với nhau, chúng liên kết thơng qua ion loại khác Các khống [SiO4]4- độc lập
thường có mật độ độ cứng cao, khó bóc tách Các khống Olivin, thuộc nhóm cấu trúc
Khoa CN Hóa 2.2.4.CẤU TRÚC VẬT LIỆU GỐM SỨ
Đa diện cặpđôi [Si2O7]6-(sorosilicate)
Hai đa diện [SiO4]4- nối
bằng oxy cầu, tạođơn vị
cấu trúc [Si2O7]6- đặc
trưng cho nhóm cặpđơi Trong cấu trúc có thểcịn
có tứ diện [SiO4]4- tồn tại độc lập
Rankinite Ca3[Si2O7]
Khoa CN Hóa 2.2.4.CẤU TRÚC VẬT LIỆU GỐM SỨ
Đa diện [SiO4]4-tạo vịng (xyclosilicate)
Các silicát tạo vịng cócác nhóm cấu trúc đặc trưng [Si3O9]6-,
[Si4O12]8-, [Si6O8]
12- Các silicát cấu trúc vịng cómật độthấp,độcứng tươngđối cao Cordierite