Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Sai sót trong cấu trúc chất rắn - Cao Xuân Việt

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Sai sót trong cấu trúc chất rắn - Cao Xuân Việt cung cấp cho học viên những kiến thức về tinh thể thực, sai sót điểm trong kim loại, sai sót điểm trong ceramic, cân bằng nồng độ sai sót điểm,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

SAI SÓT TRONG CẤU TRÚC CHẤT RẮN TINH THỂ THỰC Thực tế hay tinh thể thực: Không có tinh thể hồn thiện Nhiều vật liệu có tính chất ứng dụng nhờ tạp chất (hợp kim, bán dẫn, lazer…) CÁC LOẠI SAI LỆCH HAY SAI SĨT • Ơ (NÚT) trống ngun tử • Ngun tử xen kẽ • Nguyên tử thay • Lệch mạng Sai sót điểm 1-2 atoms Sai sót đường 1-dimensional • Biên hạt Sai sót mặt 2-dimensional Sai sót khối SAI SĨT ĐIỂM TRONG KIM LOẠI • Ơ TRỐNG: Vacancy distortion of planes • XEN GIỮA MẠNG: self-interstitial distortion of planes XEN GIỮA MẠNG  In metals, a self interstitial introduces relatively large distortions (strain) in the surrounding lattice since the atom is substantially larger than the interstitial site SAI SĨT ĐIỂM TRONG CERAMIC • Ơ trống vị trí cation anion Cation Interstitial Cation Vacancy Anion Vacancy Adapted from Fig 5.2, Callister & Rethwisch 3e (Fig 5.2 is from W.G Moffatt, G.W Pearsall, and J Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol 1, Structure, John Wiley and Sons, Inc., p 78.) SAI SĨT FRENKEL VÀ SCHOTTKY • Frenkel Defect To maintain the charge neutrality, a cation vacancy-cation interstitial pair occur together The cation leaves its normal position and moves to the interstitial site • Schottky Defect To maintain the charge neutrality, remove cation and anion; this creates vacancies Schottky Defect Frenkel Defect Adapted from Fig 5.3, Callister & Rethwisch 3e (Fig 5.3 is from W.G Moffatt, G.W Pearsall, and J Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol 1, Structure, John Wiley and Sons, Inc., p 78.) CÂN BẰNG NỒNG ĐỘ SAI SĨT ĐIỂM • Nồng độ lỗ trống biến đổi theo nhiệt độ T≠0 Năng lượng hoạt hóa– energy required for formation of vacancy Số lỗ trống Số nút mạng  Q Nv = exp   v  k T N     Nhiệt độ Hằng số Boltzmann -23 (1.38 x 10 J/atom-K) -5 (8.62 x 10 eV/atom-K) Each lattice site is a potential vacancy site T≠0K NV ≠ XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG HOẠT HĨA • Qv từ thực nghiệm Q Nv v   exp =  k T N • Đo T Nv • Replot it Nv ln N Số mũ T Nồng độ sai sót Nv N     Độ nghiêng -Qv /k 1/ T TÍNH NỒNG ĐỘ SAI SĨT • Ex 5.1: xác định nồng độ sai sót m3 Cu 1000C • Biết: r = 8.4 g /cm A Cu = 63.5 g/mol Qv = 0.9 eV/atom NA = 6.02 x 1023 atoms/mol 0.9 eV/atom Q  Nv = -4  v   exp   k T = 2.7 x 10 N For m3 , N= r x NA A Cu 1273 K 8.62 x 10-5 eV/atom-K x m3 = 8.0 x 1028 sites • Đáp số: Nv = (2.7 x 10-4)(8.0 x 1028) sites = 2.2 x 1025 10 vacancies ĐƠN TINH THỂ, ĐA TINH THỂ, TEXTUA      ĐƠN TINH THỂ VÀ ĐA TINH THỂ  TEXTUA  Là cấu trúc đa tinh thể có hạt Đơn: mạng thống & định hướng ưu tiên (trục định phương khơng đổi tồn hướng gọi trục textua) Ví dụ: thể tích  Kéo Al: hướng [111]//hướng kéo Dị hướng Rất khó tạo  Khi kết tinh, textua kim loại theo hướng nguội (T giảm) Đa: gồm nhiều tinh thể nhỏ  Đa tinh thể có textua dị hướng (hạt) Độ hạt (kích thước trung bình) (tăng theo textua, giảm theo hướng cng góc textua)  Ứng dụng: Lõi biến thép Si nhằm giảm tổn thất điện lõi thép làm biến 36 KHV QUANG HỌC • Useful up to 2000X magnification • Polishing removes surface features (e.g., scratches) • Etching changes reflectance, depending on crystal orientation crystallographic planes Micrograph of brass (a Cu-Zn alloy) 37 0.75mm KHV QUANG HỌC Biên hạt • có nhiều sai sót, • dễ tẩm thực hơn, • thể đường tối, • thay đổi tinh thể (đổi hướng qua biên) polished surface surface groove grain boundary (a) ASTM grain size number N = 2n-1 grains/in2 number of at 100x magnification Fe-Cr alloy (b) Adapted from Fig 5.19(a) and (b), Callister & Rethwisch 3e (Fig 5.19(b) is courtesy of L.C Smith and C Brady, the National Bureau of Standards, Washington, DC [now the National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD].) 38 KHV QUANG HỌC Optical (light) resolution (0.1 m = 100 nm = 10-7 m) For higher resolution need higher frequency X-Rays are difficult to focus  Electrons  wavelengths are roughly pm (0.003 nm) (Magnification - 1,000,000X) Atomic resolution possible Electron beam focused by magnetic lenses  39 40 SAI SÓT MẶT – XOẮN Lực trượt gây chuyển dịch ng.tử Các ng.tử nằm phía mặt (xoắn biên) nguyên tử khác đối xứng gương, mặt đối xứng mặt xoắn  Mức độ chuyển vị vùng xoắn tỷ lệ với khoảng cách ng.tử từ mặt xoắn  Xảy dọc theo mặt xác định hướng phụ thuộc vào hệ   Ex: BCC xoắn theo hệ (112)[111] XOẮN (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Lực tác dụng lên tinh thể lý tưởng (a) gây chuyển vị ng.tử, (b) hình thành xoắn Tinh thể bị biến dạng xoắn • Lỗi xếp chồng – For FCC metals an error in ABCABC packing sequence – Ex: ABCABABC TÍNH CHẤT CỦA XOẮN Of the three common crystal structures BCC, FCC and HCP, the HCP structure is the most likely to twin  FCC structures will not usually twin because slip is more energetically favorable  Twinning occurs at low temperatures and high rates of shear loading (shock loading) conditions where there are few present slip systems (restricting the possibility of slip) Small amount of deformation when compared with slip  SO SÁNH TRƯỢT XOẮN Hướng nguyên tử giữ Định hướng lại lại nguyên tử qua mặt bị xoắn Sự chuyển vị xảy khơng gian ngun tử cách xác Sự chuyển vị nguyên tử nhỏ không gian nguyên tử HỆ THỐNG TRƯỢT  Thường có mặt trượt hướng ưu tiên tinh thể  Kết hợp mặt hướng hình thành hệ thống trượt  Mặt trượt thường mặt xếp chặt hệ  Hướng trượt hướng bề mặt trượt với mật độ đường cao HỆ THỐNG TRƯỢT Các vật liệu FCC & BCC có số hệ thống trượt lớn (ít 12) coi dẻo  Hệ HCP có hệ thống trượt hồn tồn dịn  HỆ THỐNG TRƯỢT (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning A micrograph of twins within a grain of brass (x250) Brass (90 micron scale bar) 49 THỬ NGHIỆM BẰNG KHV QUANG HỌC  Kim loại học – chuẩn bị mẫu (metals, ceramics, polymers)  Mài đánh bóng bề mặt  Cấu trúc vi mơ (kích thước hạt, hình dạng, hướng) cách dùng tác nhân hóa học (tẩm thực etching solution)  Tẩm thực làm rõ biên hạt 50 ... Varne)  D.d rắn hệ chất rắn đồng  Ng.tử tạp chất (Cu) phân bố ngẫu nhiên ch .rắn  Sai sót tạp chất d.d rắn sai sót sai sót lẫn  13 SAI LỆCH TRONG KIM LOẠI Điều xảy tạp chất (B) đưa vào vật chủ... điểm 1-2 atoms Sai sót đường 1-dimensional • Biên hạt Sai sót mặt 2-dimensional Sai sót khối SAI SĨT ĐIỂM TRONG KIM LOẠI • Ô TRỐNG: Vacancy distortion of planes • XEN GIỮA MẠNG: self-interstitial... ES - lượng bề mặt toàn phần g - sức căng bề mặt q - nhiệt hấp thụ tạo đơn vị bề mặt 31 SAI LỆCH KHỐI Sai lệch có kích thước lớn không gian ba chiều tinh thể Vĩ mô: -Rỗ,co đúc -Nứt Vi mô: -Tạp chất