Khoa học vật liệu pdf

Mở đầu
* khoa học vật liệu nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất
của vật liệu
Vật liệu là gì?
Æ
là các vật rắn có thể sử dụng để chế tạo các dụng cụ, máy móc,
thiết bị, xây dựng các công trình…….
Mở đầu
Kim
loại
Polymer
Ceramic
Composite
4
1
2
3
4 nhóm vật liệu chính: VL kim loại,
Ceramic, Polymer và Composite
1- VL bán dẫn
2- VL siêu dẫn
3- VL silicon
4- VL polymer dẫn điện
Mở đầu
(tiếp theo)
Vai trò của vật liệu:
Đối tượng của vật liệu học cho chuyên ngành cơ khí:
Æ
nghiên cứu mối quan hệ giữa tính chất và cấu trúc của vật liệu
Tính chất: - cơ học (cơ tính)
-vật lý (lý tính)
- hóa học (hoá tính)
- công nghệ và sử dụng
Cấu trúc: - nghiên cứu tổ chức tế vi
-cấu tạo tinh thể
Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:
Cấu tạo nguyên tử: các e chuyển động bao quanh hat nhân (p+n)
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
6
4s
2
K L M N
Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:
Các dạng liên kết trong chất rắn:
* Liên kết đồng hoá trị: hình thành do các nguyên tử góp chung điện
tử hoá trị
Æ
liên kết (Cl
2
, CH
4
….). Liên kết có tính định hướng
Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:
Các dạng liên kết trong chất rắn:
* Liên kết ion: hình thành do lực hút giữa các nguyên tố dễ nhường e
hoá trị (tạo ion dương) với các nguyên tố dễ nhận e hoá trị (tạo ion âm)
Æ
liên kết (LiF….). Liên kết không có tính định hướng
Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:
Các dạng liên kết trong chất rắn:
* Liên kết kim loại: hình thành do sự tương tác giữa các e tự do chuyển
động trong mạng tinh thể là các ion dương
Tính kim loại :
+ Ánh kim
+ Dẫn điện, dẫn nhiệt
+ Tính dẻo cao
Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:
Các dạng liên kết trong chất rắn:
* Liên kết hỗn hợp: hình thành do trong vật liệu tồn tại nhiều loại liên kết
khi có sự góp mặt của nhiều loại nguyên tố
* Liên kết yếu (Van de Waals): do có sự tương tác giữa các phần tử
bị phân cực
Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật chất
Chất khí: các nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:
Chất rắn tinh thể: các nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định (có trật tự
gần và trật tự xa)
Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật chất
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:
Chất lỏng: có trật tự gần, không có trật tự
xa
Chất rắn vô định hình: cấu trúc giống chất
lỏng trước khi đông đặc
Chất rắn vi tinh thể:cócấu trúc tinh thểở
trạng thái cỡ hạt nano
Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật chất
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử:
1.2 Khái niệm về mạng tinh thể
Nối tâm các nguyên tử bằng các đường thẳng tưởng tượng
-> Mạng tinh thể
Ô cơ sở:
Ælà hình không gian thể tích nhỏ nhất nhỏ nhất đặc
trưng cho tính đối xứng của mạng tinh thể
Æ Tịnh tiến ô cơ sở theo ba chiều không gian sẽ
xây dựng được toàn bộ mạng tinh thể
Ô cơ sở và cách biểu diễn

b

a

c
3 véc tơ a, b và c lần lượt nằm trên các
trục Ox, Oy và Oz
Æ
3 véc tớ đơn vị
Độ lớn a, b và c
Æ
các hằng số
mạng
Các góc
α
,
β

γ
là góc
tạo bởi các véc tơ đơn vị
Ba nghiêng (tam tà)
a≠b≠c α≠β≠γ
Một nghiêng (đơn tà)
a≠b≠c α=β=90
0
≠γ
Trực thoi
a≠b≠c α=β=γ=90
0
Ba phương (mặt thoi)
a=b=c α=β=γ≠90
0
Sáu phương (lục giác)
a=b ≠c α=β=90
0
, γ=120
0
Chính phương (bốn phương)
a=b ≠c α=β=γ=90
0
Lập phương
a=b=c α=β=γ=90
0
Các hệ tinh thể khác nhau phụ thuộc vào mối quan hệ giữa cạnh và góc
Nút mạng [[x,x,x]]:
dùng để biểu thị toạ độ của các nguyên tử
O
A
B
C
D
E
F
H
x
y
z
A [[1,1,0]]
B [[1,1,1]]
C [[0,1,1]]
Chỉ số phương [uvw]:
Æbiểu diễn phương của đường thẳng đi
qua hai nút mạng
ÆHai phương // có cùng chỉ số
OH [010]
OB [111]
OE [101]
Họ phương, ký hiệu <uvw> :các phương có giá trị tuyệt đối u,v,w giống nhau
không kể thứ tự có cùng quy luật sắp xếp nguyên tử.
Chỉ số mặt (chỉ số Miller) (hkl):
Họ mặt, ký hiệu {hkl}: các mặt có giá trị tuyệt đối u,v,w giống nhau không kể thứ
tự có cùng quy luật sắp xếp nguyên tử.
Cách xác định chỉ số mặt:
Mặt tinh thể : Mặt phẳng chứa các nút
mạng, không đi qua gốc tọa độ.
•Hai mặt tinh thể // có cùng chỉ số
O
A
B
C
D
E
F
H
x
y
z
DFH (111), EFAB (100), ABCH(010)
Chỉ số mặt (chỉ số Miller-Bravais) (hkil):
i = - (h+k)
1.3. Một số cấu trúc tinh thể điển hình của vật rắn
a) Lập phương tâm khối (A2)
Số nguyên tử trong một ô cơ sở: N
ô
= 2
Bán kính nguyên tử: r
nt
= a.√3/4
Mặt xếp chặt nhất: {110}
Phương xếp chặt nhất: <111>
M
v
= v
nt
/V
ô
= 68%
Ô cơ sở : Khối lập phương cạnh bằng a.
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
a) Lập phương tâm khối (A2)
Lỗ hổng 8 mặt: tâm các mặt bên + giữa các cạnh, d
lh
= 0,154d
ng.t
Kim loại có kiểu mạng A2: Fe
α
, Cr, Mo, W……
Lỗ hổng 4 mặt: ¼ trên cạnh nối điểm giữa 2 cạnh đối diện, d
lh
= 0,291d
ng.t
Lỗ hổng : Không gian trống giữa các nguyên tử;
Kích thước lỗ hổng = đường kính quả cầu lớn nhất đặt lọt trong lỗ hổng
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
a) Lập phương tâm khối (A2)
Kim loại có kiểu mạng A2: Fe
α
, Cr, Ti
β
, Mo, W, V……
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
Số nguyên tử trong một ô cơ sở: N
ô
= 4
Bán kính nguyên tử: r
nt
= a.√2/4
Mặt xếp chặt nhất: {111}
Phương xếp chặt nhất: <110>
M
v
= v
nt
/V
ô
= 74%
Ô cơ sở : Khối lập phương cạnh bằng a.
b) Lập phương tâm mặt (A1)
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
Lập phương tâm mặt (A1)
Lỗ hổng 8 mặt: tâm khối + giữa các cạnh, d=0,414d
ng.t
Lỗ hổng 4 mặt: ¼ trên các đường chéo
khối tính từ đỉnh, d=0,225d
ng.t
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
Kim loại có kiểu mạng A1: Fe
γ
, Au, Ag, Al, Cu, Ni,…
b) Lập phương tâm mặt (A1)
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
c) Sáu phương xếp chặt (A3)
c
a
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
Số nguyên tử trong một ô cơ sở: N
ô
= 6
Bán kính nguyên tử: r
nt
= a/2; c/a = 1,633
Mặt xếp chặt nhất: (0001)
Phương xếp chặt nhất: <1120>
M
v
= v
nt
/V
ô
= 74%
Ô cơ sở : Khối lục lăng cạnh đáy a, chiều cao c.
Kim loại có kiểu mạng A3: Ti
α
Zn, Mg, Mg, Be, Cd, Zr
Sáu phương xếp chặt (A3)
1.3.1. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
1.3.2. Một số mạng tinh thể của vật liệu phi kim
1.3. Một số cấu trúc tinh thể điển hình của vật rắn
a) Chất rắncó liên kết cộng hóa trị
Kim cương, graphit, fullerence, và ống nano cacbon
1.3.2. Một số mạng tinh thể của vật liệu phi kim
a) Chất rắn có liên kết cộng hóa trị
Thạch anh
Cristobalit
1.3.2. Một số mạng tinh thể của vật liệu phi kim
b) Chất rắn có liên kết ion
1.3.2. Một số mạng tinh thể của vật liệu phi kim
c) Cấu trúc của polyme
1.3.2. Một số mạng tinh thể của vật liệu phi kim
c) Cấu trúc của polyme
c
a
1.3.3. Dạng thù hình
Ký hiệu: α, β, γ, δ…tăng dần theo nhiệt độ.
Fe
α
– A2, T < 911
o
C
Fe
γ
– A1, T= 911 ÷ 1392
o
C
Fe
δ
– A2, T= 1392 ÷ 1539
o
C
Tồn tại nhiều cấu trúc tinh thể khác nhau của cùng một nguyên tố
→ Tính chất khác nhau
c
a
1.3.3. Dạng thù hình
1.4. Các sai lệch trong mạng tinh thể
Phân loại: Sai lệch điểm, Sai lệch đường, Sai lệch mặt
Sai lệch điểm: kích thước rất nhỏ (nguyên tử) theo 3 chiều không gian
K/n: các nguyên tử nằm sai vị trí quy định → a/h tính chất
Nguyên tử tạp chất
thay thế
xen kẽ
Nút trống và nguyên tử xen kẽ: nguyên tử chuyển động bứt khỏi nút mạng
1.4. Các sai lệch trong mạng tinh thể
Sai lệch đường – lệch: kích thước rất nhỏ (nguyên tử) theo 2 chiều và
lớn theo chiều thứ ba.
Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa trên của mạng tinh
thể lý tưởng.
Trục lệch
Véctơ Burger: đóng kín
vòng tròn vẽ trên mặt
phẳng vuông góc với
trục lệch khi chuyển từ
tinh thể không lệch sang
có lệch. b trục lệch.

1.4. Các sai lệch trong mạng tinh thể
b // trục lệch.
trục lệch
Lệch xoắn: hai phần của mạng tinh thể trượt tương đối so với nhau một
hằng số mạng.
Các nguyên tử trong vùng lệch sắp xếp theo hình xoắn ốc.
1.4. Các sai lệch trong mạng tinh thể
Mật độ lệch
ρ :
Ý nghĩa của lệch:
+ Lệch biên có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng dẻo
+ Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh
Đặc trưng về hình thái lệch
[]
2
3

=






=

cm
cm
cm
V
l
lêch
+ Phụ thuộc độ sạch và trạng thái gia công
- Kim loại sạch ở trạng thái ủ
ρ = 10
8
cm
-2
- Hợp kim và kim loại sau biến dạng nguội :
ρ = 10
10
-10
12
cm
-2
Mô hình bong bóng xà phòng
Lệch trong thực tế
Hợp kim Titan
50000 lần
1.4. Các sai lệch trong mạng tinh thể
Sai lệch mặt : kích thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba,
tức có dạng của một mặt.
biên giới hạt và siêu hạt
bề mặt tinh thể.
1.5. Đơn tinh thể và đa tinh thể
Đơn tinh thể:
Æ
là một khối đồng nhất có cùng kiểu mạng và hằng số
mạng, có phương không đổi trong toàn bộ thể tích
+ bề mặt ngoài nhẵn, hình dáng
xác định
+ các đơn tinh thể kim loại không
tồn tại trong tự nhiên, muốn có
phải dùng công nghệ "nuôi" đơn
tinh thể.
1.5. Đơn tinh thể và đa tinh thể
Đơn tinh thể:
+ có tính dị hướng
+ ứng dụng:
Tuốc bin động cơ phản lực
Vật liệu bán dẫn
Hạt mài
1.5. Đơn tinh thể và đa tinh thể
Đa tinh thể:
Æ
là tập hợp của nhiều đơn tinh thể có cùng cấu trúc
thông số mạng nhưng định hướng khác nhau
Đặc điểm của đa tinh thể:
-các hạt là các đơn tinh thể đồng nhất
-các đơn tinh thể (hạt) ngăn cách nhau bởi các biên giới hạt
-biên hạt luôn bị xô lệch không tuân theo quy luật sắp xếp như trong tinh thể
- không có sự đồng nhất về phương mạng trong toàn khối
Æ
tính đẳng hướng
1.5. Đơn tinh thể và đa tinh thể
Quan sát được cấu trúc đa tinh thể qua tổ chức tế vi
1.6. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.6.1. Điều kiện kết tinh
a) Cấu trúc ở trạng thái lỏng:
+ có trật tự gần, cân bằng động
+ cấu trúc gần với trạng thái rắn
+ các đám nguyên tử là tâm mầm kt
1.6. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.6.1. Điều kiện kết tinh
b) Biến đổi năng lượng khi kết tinh
+ T >T
0

G
L
< G
R
+ T <T
0

G
L
> G
R
+ T =
T
0
→ Quá trình kết tinh chưa
xảy ra.
T
0
-nhiệt độ kết tinh (đông đặc)
c) Độ quá nguội :
∆T = T -
T
0
< 0 ( 1-2
0
C ÷ 1000
o
C)
Điều kiện kết tinh : ∆T
< 0 (
∆G < 0)
G
L
G
R
T
0
Nhiệt độ, T
∆G
T
1.6. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.6.2. Hai quá trình của sự kết tinh
1.6. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.6.3. Sự hình thành hạt tinh thể
+ Mỗi mầm phát triển thành 1 hạt, hạt phát triển trước to hơn
+ Các hạt định hướng ngẫu nhiên, không đồng hướng
+ Vùng biên hạt có mạng tinh thể bị xô lệch → sai lệch mặt
Quá trình kết tinh (Movie)
1.6.3. Sự hình thành hạt tinh thể
Hình dạng hạt tinh thể phụ thuộc phương thức làm nguội
+ Nguội đều theo mọi phương
+ Nguội nhanh theo hai phương
+ Nguội nhanh theo một phương
+ Nguội nhanh khi nhiệt luyện
1.6. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.6.4. Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc
Kích thước hạt A phụ thuộc tốc độ sinh
mầm (n) và phát triển mầm (v)
+
∆T < ∆T
1
(10
30
C/s) : ∆T tăng
→ n, v tăng
→ kích thư

c h

t nh

;
+
∆T
1
< ∆T < ∆T
2
: ∆T tăng
→ n tăng, v giảm
→ vật liệu nano;
+
∆T > ∆T
2
: ∆T tăng

n giảm, v giảm

VL vô định hình
;
VD : Đúc khuôn cát vs khuôn kim loại
1.6. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.6.4. Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc
Biến tính: thêm vào kim loại lỏng lượng ít chất biến tính làm nhỏ hạt,
thay đổi hình dạng hạt.
Tác động vật lý : rung, siêu âm, đúc ly tâm,…
Tạo mầm ngoại lai: Kim loại có kiểu mạng tương tự (Ti),
hoặc chất tạo oxyt, nitrit Al
2
O
3
, AlN, khi đúc thép.
Hấp phụ: Na (0,01%) cho hợp kim nhôm đúc
Cầu hóa: Mg, Ce, các
nguyên tố đất hiếm
1.6. Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.6.5. Cấu tạo thỏi đúc
a) Ba vùng tinh thể của thỏi đúc
+ Lớp vỏ ngoài, hạt nhỏ mịn
+ Vùng tiếp theo hạt lớn hình trụ vuông
góc với thành khuôn
+ Vùng ở giữa có các hạt lớn đẳng trục
b) Khuyết tật của vật đúc:
+ Rỗ co và lõm co do khi kết tinh kim loại
co lại, không được bù
+ Rỗ khí do khí hòa tan không kịp thoát ra
+ Thiên tích : sự không đồng nhất về
thành phần và tổ chức do tạp chất
tích tụ.
2
1
3