Do xô lệch mạng nên năng lượng tí ch lũy trong đó tăng thêm chủ yếu nằm ở vùng trục lệch. Để đặc trưng cho xô lệch mạng người ta dùng vectơ Burgers b.
Vectơ này được xác định bằng cách vẽ ô vuông trên mặt tinh thể. Trong tinh thể lý tưởng ô vuông được khép kí n (điểm xuất phát gặp điểm kết thúc), song trong tinh thể có lệch ô vuông đó không khép kí n, xuất hiện vectơ nối hai điểm đầu, cuối đó chí nh là vectơ Burgers như biểu thị ở hình 1.18c.
Mật độ lệch (ký hiệu là ρ) là tổng chiều dài trục lệch trong một đơn vị thể tí ch của tinh thể, có thứ nguyên là cm/cm3 hay cm-2. Rõ ràng là mật độ lệch phụ thuộc rất mạnh vào độ sạch và trạng thái gia công. Ví dụ, đối với kim loại ρ có giá trị nhỏ nhất (~ 108 cm-2) ứng với độ sạch cao và trạng thái ủ; còn đối với hợp kim và ở các trạng thái gia công hóa bền như biến dạng nguội, tôi... ρ có giá trị lớn hơn (tới 1010ữ1012cm-2)(có thể hiểu mật độ lệch ρ = 1012 hay 108 cm-2 là qua mỗi một cm2 mặt cắt ngang của tinh thể có khoảng 1012 hay 108 trục lệch chạy qua).
Lệch biên có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng dẻo: nó là nguồn gốc của quá trình trượt (giảm độ bền) song khi quá nhiều nó lại gây cản trượt (tăng bền), sẽ được giải thí ch ở chương sau. Ngoài ra sự có mặt của lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh.
1.5.3.Sai lệch mặt
Sai lệch mặt là loại sai lệch có kí ch thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng của một mặt (mặt ở đây có thể là phẳng, cong hay uốn lượn). Các dạng điển hình của sai lệch mặt là:
- biên giới hạt và siêu hạt (sẽ trình bày ở mục sau), - bề mặt tinh thể.
1.6.Đơn tinh thể và đa tinh thể
1.6.1.Đơn tinh thể
Nếu chất rắn tinh thể chỉ là một khối mạng đồng nhất tức cùng kiểu và hằng số mạng cũng như ph ương không đổi hướng trong toàn bộ thể tí ch thì được gọi là
đơn tinh thể (hình 1.20a). Trong thiên nhiên tìm thấy 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 là các mặt xếp chặt nhất). Các đơn tinh thể kim loại không tồn tại trong tự nhiên, muốn có phải dùng công nghệ
"nuôi" đơn tinh thể.
Đơn tinh thể có tí nh chất rất đặc thù là dị hướng vì theo các phương mật độ xếp chặt nguyên tử khác nhau như đ∙ trình bày ở trên. Trong sản xuất cơ khí hầu như không sử dụng đơn tinh thể, nó được dùng rộng r∙i trong công nghiệp điện tử ở dạng bán dẫn.
1.6.2.Đa tinh thể
Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể. Đa tinh thể gồm rất nhiều (đơn) tinh thể nhỏ (cỡ àm) 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 tí nh ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là
biên hạt (hay biên giới hạt) như trình bày ở hình 1.20b.
Từ mô hình đó thấy rõ:
- Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, xét về mặt này từng hạt
đều thể hiện tí nh dị hướng.
- Các hạt tuy có mạng và thông số giống nhau nhưng có phương lệch nhau tức tí nh đồng nhất về phương mạng không giữ được trong toàn khối mạng vì thế lại thể hiện tí nh đẳng hướng (đôi khi còn gọi là đẳng hướng giả vì mỗi phần của
nó - hạt vẫn thể hiện tí nh dị hướng).
- Biên hạt chịu ảnh hưởng quy luật phương mạng của các hạt xung quanh nên có cấu trúc “hỗn hợp” và vì vậy không duy trì được cấu trúc quy luật (tinh thể) mà lại có sắp xếp không trật tự (xô lệch) như là vô định hình, thường là kém xí t chặt với tí nh chất khác với bản thân hạt.
- Có thể thấy rõ cấu trúc đa tinh thể hay các hạt qua tổ chức tế vi (ảnh thấy được qua kí nh hiển vi, thường là quang học). Qua mài phẳng và mài nhẵn đến bóng như gương, rồi ăn mòn nhẹ, mẫu kim loại được đặt vào trong kí nh hiển vi để quan sát. Chùm tia sáng vuông góc tới bề mặt nhẵn (trừ các phần lồi lõm) đều được phản xạ trở lại nên ảnh có màu sáng. Qua ăn mòn nhẹ (còn gọi là tẩm thực) biên hạt bị ăn mòn mạnh hơn, lõm xuống làm tia sáng chiếu tới bị hắt đi, bị tối, nên thấy rõ các đường viền tối như ở hình 1.20c. Thực chất tổ chức tế vi biểu thị cấu trúc của mặt cắt ngang qua các hạt theo quy luật ngẫu nhiên.
b. Độ hạt
Người ta có thể cảm nhận được độ lớn của hạt hay tinh thể khi quan sát chỗ vỡ của kim loại qua độ xù xì, gợn hạt của nó. Như sau này sẽ biết hạt to hay nhỏ
Hình 1.20.Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b), tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể: đ!ờng tối là biên hạt (c), cấu trúc của siêu hạt (d).
ảnh hưởng rất lớn đến cơ tí nh nên rất cần đánh giá chúng về mặt định lượng. Trong nghiên cứu kim loại thường dùng khái niệm độ hạt, biểu diễn bằng kí ch thước (khoảng cách giữa hai mép đối diện, đôi khi còn gọi là đường kí nh) trung bình các hạt trên tổ chức tế vi.
Để xác định độ hạt người ta hay dùng các cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM. Các hạt có độ lớn khác nhau được phân thành 16 cấp chí nh đánh số từ 00, 0, 1, 2...., 14 theo trật tự hạt nhỏ dần, trong đó tám cấp thường dùng là từ 1 đến 8. Gọi Z là số hạt có trong hình vuông của tổ chức tế vi với độ phóng đại x100, cạnh khoảng 2,5cm (đó chí nh là 1inch2 ≈ 6,25cm2) và N là cấp hạt, chúng có quan hệ Z = 2N-1
.
Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh ở cùng độ phóng đại (thường là x100) giữa tổ chức tế vi với thang ảnh cấp hạt chuẩn (hình 1.21). Với các cấp thông dụng từ 1 đến 8 kí ch thước (đường kí nh) hạt thay đổi từ cỡ trên dưới 300àm đến trên dưới 25àm như biểu thị ở bảng 1.2.
Bảng 1.2.Các cấp hạt chuẩn chí nh theo ASTM
Cấp Số hạt có trong 1inch2
(ở độ phóng đại x100)
Số hạt có trong
1mm2thật của mẫu Diện tí ch thật của một hạt, mm2
00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4096 8200 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4096 8200 16400 32800 65600 131200 0,258 0,129 0,0645 0,0323 0,0161 0,00807 0,00403 0,00202 0,001008 0,000504 0,000252 0,000126 0,000063 0,0000315 0,0000158 0,00000788 c. Siêu hạt
Nếu như khối đa tinh thể gồm các hạt (kí ch thước hàng chục - hàng trăm
àm) với phương mạng lệch nhau một góc đáng kể (hàng chục độ), đến lượt mỗi hạt nó cũng gồm nhiều thể tí ch nhỏ hơn (kí ch thước cỡ 0,1 ữ10àm) với phương mạng lệch nhau một góc rất nhỏ (không quá 1-2o) chúng được gọi là siêu hạt hay
block như biểu thị ở hình 1.20d. Như vậy biên giới siêu hạt cũng bị xô lệch nhưng với mức độ thấp hơn và có chiều dày nhỏ hơn.
Hình 1.21.Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100.
1.6.3.Textua
Hình 1.22. Mô hình textua trong dây nhôm sau khi kéo sợi (vectơ vbiểu thị h!ớng kéo, trục textua là [111]).
Như đ∙ biết trong đa tinh thể phương mạng giữa các hạt định hướng ngẫu nhiên song trong một số điều kiện nào đó (chủ yếu do biến dạng dẻo hay một phần do kết tinh lại) phương mạng của chúng được sắp xếp theo hướng ưu tiên, tức một phương cùng chỉ số nào đó của các hạt lại phân bố song song (tức cùng một hướng) với nhau tạo nên textua (texture, TCVN 1660 - 75 gọi là tổ chức định hướng). Ví dụ, khi kéo sợi nhôm với lượng biến dạng cao các hạt nhôm từ chỗ có phương mạng phân bố ngẫu nhiên trở nên định hướng sao cho phương [111]
của tất cả các hạt đều song song với hướng kéo (hình 1.22). Khi đa tinh thể có textua (hay còn gọi là hạt định hướng) vật liệu sẽ mất tí nh đẳng hướng mà lại thể hiện tí nh dị hướng. Cấu trúc textua được ứng dụng cho thép kỹ thuật điện và đ∙ đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn.
1.7.Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại
Trong các mục trước đ∙ khảo sát cấu trúc mạng tinh thể của các nguyên tố, hợp chất và tổ chức (hạt), bây giờ h∙y xem chúng được hình thành như thế nào cùng các quy luật chi phối. Phần lớn kim loại hợp kim được chế tạo (luyện) ra ở trạng thái lỏng rồi làm nguội trong các khuôn đúc, tức qua kết tinh, sau đó mới qua các dạng gia công khác nhau (ví dụ, biến dạng dẻo: cán) để thành bán thành phẩm và sản phẩm. Như vậy kết tinh được coi là bước khởi tạo của sự hình thành tổ chức: các hạt với cấu trúc tinh thể. Nghiên cứu quá trình kết tinh sẽ làm sáng tỏ các quy luật chi phối sự tạo thành hạt nhờ đó có thể tìm ra các biện pháp nhận được độ hạt theo ý muốn, nâng cao chất lượng vật liệu. Hơn nữa các quy luật kết tinh (từ trạng thái lỏng) cũng có những đặc điểm chung như các quy luật chuyển pha ở trạng thái rắn (nhiệt luyện, kết tinh lại...), nên sẽ giúp nắm vững các quá trình tương ứng.
1.7.1.Điều kiện xảy ra kết tinh
Trước tiên h∙y xét xem sự kết tinh có thể xảy ra được trong các điều kiện nào? Để trả lời câu hỏi này h∙y đi từ trạng thái xuất phát của nó - trạng thái lỏng.