Bài giảng Vật liệu học - ThS. Đoàn Mạnh Tuấn

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

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

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!

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG (4 tiết)

Chương 1

(3)

Khoa CN Hóa

9 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Developed history of material

Khoa CN Hóa

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

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

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

1 Bán dẫn Siêu dẫn Silicon

4 Polyme dẫnđiện

1.2 Phân loại vật liệu

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

Vật liệu Silicat

Khoa CN Hóa

Vật liệu Polyme

Theo nguồn gốc hình thành

Polymer thiên nhiên Polymer tổng hợp

Theo cấu trúc

Mạch thẳng Mạch nhánh Mạch lưới Mạch khơng gian

Vật liệu Polyme

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

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

Tàu thủy Bánh răng

Dây dẫn điện

Đường ống Dụng cụ gia đình

Vật liệu kim loại

Nha khoa - implant

Vật liệu silicat

(7)

Khoa CN Hóa

Vật liệu Polyme

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

29

Thanks!

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

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

Liên kết cộng hóa trị

Liên kết cộng hố trị hình thành sựghépđơi 2e có spin trái dấu

H - H

1S1 1S1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

abc abc abc a = b = c a = bc a = bc 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

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

53 Một sốchỉsốMiller

 ChỉsốMiller mặt tinh tinh thể

(111) (101) (010)

Khoa CN Hóa

54 Biểu diễn chỉsốMiller theo họmạng

 ChỉsốMiller mặt tinh tinh thể

(001) (110) (111)

Khoa CN Hóa Ý nghĩa chỉsốMiller

 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 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

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

58 Sốphối trí (coordination numbers)

 Số ion khác loại trực tiếp bao quanh ion

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

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

61 Tỷsốgiữa caction anioncấu trúc ô mạng cơsở

2

3 1 0,155

ra=1, AM= 3→ AO =

Khoa CN Hóa

62 Tỷ sốgiữa caction anioncấu 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 anioncấu 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 anioncấu trúc ô mạng cơsở

(17)

Khoa CN Hóa

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

.

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

69 hexagonal close-packed crystal structure

.

100% 74%

V a 3

4 6 a 1,633

Khoa CN Hóa

70 Tính thù hình của 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

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

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

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

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

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]

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