Quá trình ăn mòn kim loại là quá trình t−ơng tác giữa kim loại với môi tr−ờng. Cấu tạo kim loại có ảnh h−ởng nhất định đến quá trình ăn mòn kim loại.
ở điều kiện th−ờng các kim loại và hợp kim đều ở trạng thái rắn, có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt có tính công nghệ ... Có đ−ợc các tính chất đó là do cấu tạo kim loại.
Khi kim loại chuyển trạng thái rắn thì các nguyên tử (ion) kim loại đ−ợc sắp xếp theo một trật tự nhất định tạo nên mạng không gian.
Cấu tạo nguyên tử (ion) đ−ợc tạo thành do một hay nhiều điện tử hoá trị của nguyên tử (ion) kim loại chuyển rời từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Các nguyên tử bị mất điện tử hoá trị trở thành điện tử mang điện tích d−ơng gọi là ion d−ơng hay cation kim loại. Kết quả là trong kim loại tồn tại nguyên tử cùng các điện tử tự do.
Các nguyên tử (ion) trong kim loại không chuyển động hỗn loạn mà nó chỉ giao động xung quanh một vị chí nhất định. Giữa các nguyên tử có khoảng cách.
Nếu nối tâm của các vị chí các nguyên tử lại ta sẽ đ−ợc mạng không gian gọi là mạng tinh thể.
Tuỳ thuộc vào sự sắp xếp trong không gian các nguyên tử mà tạo nên các dạng mạng tinh thể khác nhau. Phần thể tích nhỏ nhất của mạng không gian đại diện cho một nguyên tố hoá học gọi là ô mạng cơ bản (ô mạng cơ sở).
3.1.2.1. Kiểu mạng lập ph−ơng thể tâm A2
Ô cơ sở là hình lập ph−ơng với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh, các trung tâm khối. Các thông số cơ bản của kiểu mạng lập ph−ơng thể tâm.
Ô cơ bản: là phần thể tích nhỏ nhất của mạng tinh thể nếu đi theo X,Y,Z thì các tính chất lặp lại đúng nh− ô ban đầu (độ dài OX,OY,OZ phải chia hết cho a). Trong ô cơ bản của mạng A2 có 8 nguyên tử ở 8 đỉnh và ở tâm O có một nguyên tử. Tuy vậy phần thể tích chứa trong một ô cơ bản chỉ có 2 (n = 2). Bởi vì mỗi nguyên tử ở đỉnh O thuộc về 8 ô cơ bản chỉ có nguyên tử ở tâm khối là trọn vẹn thuộc về ô đó. Do đó ta có:
Hình 3.3. Ô mạng lập ph−ơng thể tâm
ở kiểu mạng A2 các nguyên tử ở 8 đỉnh không tiếp xúc với nhau, mà chúng chỉ tiếp xúc với nguyên tử ở tâm khối bởi vậy kiểu mạng A2 tạo ra các lỗ trống 8 mặt, đây là cơ sở để các nhà nghiên cứu đặt vấn đề tạo hợp kim. Để đánh giá sơ bộ độ bền của các kiểu mạng, ng−ời ta th−ờng thông qua đại l−ợng.
% 100 . V v n Mv = (mật độ thể tích) Trong đó, v: thể tích nguyên tử V: thể tích ô cơ bản
n: số nguyên tử trong ô cơ bản
s: tiết diện nguyên tử trong mặt tinh thể S: tiết diện mặt tinh thể của ô cơ bản
Đại l−ợng này nói lên năng l−ợng liên kết giữa các nguyên tử với nhau trong mạng, Mv càng lớn có nghĩa là năng l−ợng liên kết càng lớn và mạng tinh thể có độ bền lớn.
Đại l−ợng thứ hai: % 100 . . S s n Ms = ( mật độ diện tích)
Nếu trong các họ mặt tinh thể có Ms lớn thì sự tr−ợt của kim loại theo ph−ơng vuông góc càng khó xảy ra.
3.1.2.2. Kiểu mạng lập ph−ơng tâm mặt A1
ở kiểu mạng A1 có cấu trúc của ô cơ bản khác với A2. ngoài các nguyên tử ở đỉnh, còn các nguyên tử nằm ở trung tâm của 6 mặt các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc nhau mà chỉ tiếp với các nguyên tử nằm ở tâm. Bởi vậy kiểu mạng A1 tạo ra các lỗ trống 8 mặt ở tâm khối và lỗ trống 4 mặt nh− trên hình 3.4. ở mạng A1 việc tính toán mật độ thể tích và mật độ diện tích nh− sau:
t−ơng tự nh− mạng A2, các nguyên tử nằm ở các đỉnh khối đều thuộc 8 ô cơ bản trong mạng. Ngoài ra mỗi nguyên tử nằm tâm mặt thuộc về 2 ô cơ bản. Do đó nguyên tử trong ô cơ bản của kiểu mạng A2 đ−ợc tính
n = 1/8.8 + 1/2.6 = 4
còn việc tính mật độ thể tích và mật độ diện tích ta dùng công thức ở kiểu mạng A2. Nếu đem mật độ nguyên tử Mv để so sánh A1và A2 ta thấy đ−ợc các dạng lỗ trống ở mạng A2 lớnhơn và số l−ợng lỗ trống cũng ít hơn ở kiểu mạng A1. Đó chính là tiền đề các nhà nghiên cứu của vật liệu đặt ra để tạo điều kiện hình thành loại dung dịch rắn xen kẽ.
3.1.2.3. Kiểu mạng lục giác xếp chặt A3
Kiểu mạng A3 đ−ợc cấu trúc nh− một lăng trụ lục giác. Hai đáy là hai tiết diện lục giác đều, trên mỗi đáy có 6 nguyên tử ở 6 đỉnh còn có một nguyên tử nằm ở tâm đáy. ở kiểu mạng A3 này tâm đáy còn có 3 nguyên tử nằm cách đều nhau và cách đều 2 đáy. Các nguyên tử trên một đáy không tiếp xúc với nhau mà chỉ tiếp xúc với 3 nguyên tử ở tâm khối. Ng−ợc lại, 3 nguyên tử ở tâm khối cũng không tiếp xúc với nhau.
Kiểu mạng A3 cũng có các lỗ trống 8 mặt và lỗ trống 4 mặt, trong thực tế các kiểu mạng đ−ợc coi là lục giác xếp chặt khi tỷ số chiều cao khối với cạnh đáy c/a = 1,633. Nh−ng trong thực tế khó tìm đ−ợc kim loại nào đạt đ−ợc tỷ số đó. Bởi vậy, khi mạng lục giác của kim loại có tỷ số nằm trong khoảng:
64 , 1 57 , 1 ≤ ≤ a c
đều đ−ợc coi là mạng lục giác xếp chặt.
Một trong những yếu tố ảnh h−ởng tới tính chất của kim loại là mật độ của nguyên tử trong mạng tinh thể. Đ−ợc đặc tr−ng bởi hằng số mật độ (hệ số gối).
Hệ số mật độ là tỷ số giữa thể tích chiếm chỗ của nguyên tử so với thể tích của ô cơ bản .
V
v Kv =
Trong đó, v: thể tích chiếm chỗ của nguyên tử v = . 4 π.r3.nv
3
V: thể tích ô cơ bản
V = a3 r: bán kính của nguyên tử
nv: số nguyên tử có trong ô cơ bản a: cạnh của ô cơ bản (a tính theo r)
Hay mật độ nguyên tử: Mv = Kv.100%.
Hình 3.5. Ô mạng lập ph−ơng xếp chặt
a) vị trí A,B,C trên mặt dày đặc nhất của mạng A1 và A3 b) thứ tự xếp chồng ABABA của mạng A3
c) ABCABCA của mạng A1
Để đặc tr−ng cho cấu tạo mạng tinh thể ta còn dùng hệ số phối trí.
Hệ số phối trí của mạng tinh thể là số l−ợng các nguyên tử gần nhất bao quanh một nguyên tử.
Bảng 3.1. Hệ số mật độ và hệ số phối trí của ô mạng tinh thể
Cấu tạo mạng tinh thể Số nguyên tử có
trong ô cơ bản (nv)
Hệ số mật độ (Kv)
Hệ số phối trí - Ô mạng lập ph−ơng đơn giản
- Ô mạng lập ph−ơng thể tâm - Ô mạng lục giác đơn giản - Ô mạng lập ph−ơng diện tâm - Ô mạng lục giác xếp chặt 1 2 3 4 6 0,52 0,68 0,52 0,74 0,74 6 8 12 12 12
Hệ số mật độ và hệ số phối trí càng lớn tức khoảng không gian tự do còn lại càng nhỏ thì cấu tạo mạng l−ới tinh thể càng bền.