Vật liệu kim loại - Lê Quý Dũng

8/11/2019 Vật liệu kim loại - Lê Quý Dũng

http://slidepdf.com/reader/full/vat-lieu-kim-loai-le-quy-dung 1/47

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

--oOo--

VẬT LIỆU HỌC NGÀNH HÓA

Chương 2

VẬT LIỆU KIM LOẠI

Th.S. Lê Quý Dũng

Học kỳ 2

Năm học 2011 - 2012



2.1. Cấu trúc của vật liệu kim loại

• Đặc tính cấu trúc kim loại: nguyên tử luôn cóxu hướng sắp xếp chặt với kiểu mạng đơn giản( như lập phương tâm mặt, lập phương tam

khối, sáu phương xếp chăt) và các liên kếtngắn, mạnh. – Lập phương tâm mặt

– Lập phương tâm khối – Sáu phương xếp chặt



Lập phương tâm mặt

• Ô cơ sở là hình lập phương vớicạnh bằng a, các nguyên tử(ion) nằm ở các đỉnh và tâm các

mặt bên như biểu diễn ở cáchình• Số nguyên tử thực tế thuộc về

một ô

• n = 8 đỉnh .1/8 6 mặt .1/2 = 4nguyên tử.




• Trong mạng A1 này các nguyên tử xếp xítnhau theo phương đường chéo mặt *110+,như vậy về mặt hình học dễ nhận thấy rằng:

• -Bán kính nguyên tử:

• - Đường kính nguyên tử :




• 2 Loại lỗ hổng: lỗ hổng bát diện và lỗhổng tứ diện => là yếu tố quyết địnhcho sự hòa tan hợp chất khác dưới

dạng xen kẽ • Khá nhiều kim loại điển hình có kiểu

mạng này: sắt (Fe), niken (Ni), đồng(Cu), nhôm (Al) với hằng số a mạng

lần lượt bằng: 0,3656; 0,3524;0,3615; 0,4049mm ngoài ra còn cóchì, bạc, vàng.



Lập phương tâm khối

• Ô cơ sở là hình lập phương vớicạnh bằng a, các nguyên tử (ion)nằm ở các đỉnh và các trung tâm

khối như biểu diễn ở hình• Số nguyên tử thuộc về ô mạng cơ

sở: n = 8 đỉnh. 1/8 1 giữa = 2

nguyên tử




• Các nguyên tử xếp xít nhau theo phươngđường chéo *111+, như vậy về mặt hình họcdễ dàng nhận thấy rằng

• -Bán kính nguyên tử:

• - Đường kính nguyên tử :




• 2 Loại lỗ hổng: lỗ hổng bát diện và lỗ hổng tứdiện

• Các kim loại có kiểu mang này là Feα, crôm (Cr),molipden (Mo) ,vonfram (W) với hằng số mạng alần luợt là 0,2866 ; 0,2884; 0,3147; 0,3165mm.



Sáu phương xếp chặt

• Ô cơ sở là khối lăng trụ lục giác (gồm6 lăng trụ tam giác đều ), các nguyêntử nằm trên 12 đỉnh, tâm của hai mặt

đáy và tâm của ba khối lăng trụ tamgiác cách nhau như biểu thị ở hình

• Để biểu thị một ô cần tới 17 nguyêntử, song thực tế thuộc về ô này chỉ

là:

• n = 12 đỉnh. 1/6 2 giữa mặt. 1/2 3 = 6 nguyên tử



Sáu phương xếp chặt

• Trong mạng sáu phương xếp chặt và chiều cao c của ô phụthuộc vào cạnh a của lục giác đáy mà c/a luôn bằng √8/3hay 1,633 (hình 2.8). Tuy nhiên trong thực tế c/a của kiểumạng này thay đổi rất nhiều và không bao giờ đạt đượcđúng giá trị lý tưởng trên. Vì thế người ta qui ước:

• -Nếu tỉ số c/a nằm trong khoảng 1,57 ÷ 1,64 thì mạng đượccoi là mạng xếp chặt.

• -khi tỉ số c/a nằm ngoài khoảng trên thì mạng được coi làmạng không xếp chặt.





Các dạng thù hình

• Thù hình hay đa hình là sự tồn tại hai hay nhiềucấu trúc mạng tinh thể khác nhau của cùng mộtnguyên tố hay một hợp chất hóa học, mỗi cấu

trúc khác biệt đó được gọi là dạng thù hình vàtheo chiều nhiệt độ tăng được ký hiệu lần lượtbằng các chữ cái Hy Lạp α, β, γ, δ, ε…

•

Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thùhình này sang dạng thù hình khác được gọi làchuyển biến thù hình.




• Ảnh hưởng tới thù hình: – Nhiệt độ

– Áp suất




• Ta đã biết rằng sắt có hai kiểu mạng là LPTK và LPTM.trong đó mạng LPTK tồn tại trong 2 khoảng nhiệt độ:dưới 9110C gọi là Fe alpha và từ 1392oC đến nhiệt độchảy 15390C gọi là Fe beta, còn mạng LPTM tồn tại

trong khoảng nhiệt độ còn lại 911 dến 1392o

C gọi là Fegamma. Sự khác nhau về cấu trúc, đặc biệt là kíchthước các lỗ hổng dẫn đến hai dạng thù hình Fe alphavà Fe gamma có khả năng hòa tan cacbon và cácnguyên tố hợp kim khác nhau, đó là cơ sở của các

chuyển pha khi nhiệt luyện thép và tạo ra các loại thépkhác nhau về tính chất thỏa mãn các yêu cầu đa dạngcủa kỹ thuật.



2.2. Sự kết tinh của kim loại

• Cấu trúc của trạng thái lỏng: chỉ có trật tựgần, tức trong nó có những nhóm nguyên tửsắp xếp trật tự. Một dạng tồn tại như vậy cho

thấy về mặt cấu trúc trạng thái lỏng gần trạngthái tinh thể hơn là trạng thái khí, điều nàygiúp chúng kết tinh (tạo thành tinh thể và hạt)

một cách dễ dàng.




• Mọi sự chuyển trạng thái đều được quyếtđịnh đặt trưng bởi sự biến đổi năng lượng.

• Năng lượng tự do của các trạng thái lại chịu sựchi phối của nhiệt độ




• Ở nhiệt độ T>Tos vật liệu tồn tại ở trạng thái lỏngvì năng lượng tự do của trạng thái lỏng nhỏ hơnrắn.

•

Ở nhiệt độ T<Tos, vật liệu tồn tại ở trạng thái tinhthể

• Như thế khi làm nguội qua Tos sẽ có sự chuyểntrạng thái từ lỏng sang trạng thái tinh thể




• Độ quá nguội: là nhiệt độ chênh lệch giữanhiệt độ kết tinh lý thuyết và nhiệt độ kết tinhthực tế

• Như vậy thực tế sự kết tinh chỉ xảy ra với độquá nguội. Khi làm nguội một cách rất chậmmột cách cố ý với kim loại có độ tinh khiết rất

cao thì nhiệt độ kết tinh sẽ rất gần với nhiềuđộ lý thuyết.




• Sự kết tinh xảy ra được là nhờ hai quá trình cơbản nối tiếp nhau là tạo mầm và phát triểnmầm

• a. tạo mầm: là quá trình sinh ra các phần tử cócấu trúc tinh thể tức những chỏm trật tự gầnvới kích thước đủ lớn và cố định. Có 2 loạimầm là mầm tự sinh (tự sinh ra trong dungdịch) và mầm ký sinh (thêm từ ngoài vào dungdịch)




• b. Phát triển mầm: các nguyên tử trong dungdịch tiếp tục bám vào mầm tinh thể, và làmcho tinh thể phát triển về kích thước.

• Trong các điều kiện thông thường, sự pháttriển của mầm tinh thể là dị hướng, tức là tinhthể lớn lên theo một số hướng. Điều này có lẻ

là lúc mầm phát triển nhanh theo phương tảnnhiệt mạnh hơn.




• Sự hình thành hạt: gồm có 2 vấn đề chính: quátrình kết tinh và hình dạng hạt

• Quá trình kết tinh: – Có thể hình dung quá trình kết tinh như sau: khi

quá trình kết tinh đang diễn ra thì các mầm tinhthể mới vẫn tiếp tục được xuất hiện. Kết quả là:

• Mỗi mầm tạo nên một hạt • Các hạt xuất phát từ mầm sinh ra trước có kích thước

lớn hơn.




• Hình dạng hạt: do tương quan về tốc độ pháttriểnmầm theo các phưng mà hạt tạo nên cóhình khác nhau

• Khi hạt phát triển theo mọi phương thì ta thuđược dạng cạnh hay dạng cầu

• Khi tốc độ phát triển theo hai phương thì thu

được dạng tấm, lá • Khi tốc độ phát triển theo một phương nào đó

thì hạt có hình trụ






2.3. Sai lệch mạng tinh thể

• Cấu trúc tinh thể như trên là cấu trúc tinh thể lý tưởng. • Thực tế: luôn có các dao động nhiệt và các sai hỏng,

khuyết tật trong trật tự sắp xếp của các nguyên tử(ion, phân tử…)

• Những sai hỏng này được gọi là những sai lệch mạngtinh thể

• Sai lệch này làm ảnh hưởng trực tiếp tới những tínhchất vật lý của tinh thể (ngoại lực tác dụng, màu sắc…)

• Phụ thuộc vào kích thước theo ba chiều trong khônggian, sai lệch mạng chia thành: sai lệch điểm, sai lệchđường, sai lệch mặt.




• Sai lệch điểm: Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡkích thước nguyên tử) theo ba chiều không gian, có dạngbao quanh một điểm.

• Trong mạng tinh thể của chất rắn luôn luôn tồn tại các núttrống và nguyên tử xen kẽ nằm giữa các nút mạng gọi tắt lànguyên tử tự xen kẽ như trình bày ở hình 1.12.b. Trong tinhthể, nguyên tử luôn bị dao động nhiệt quanh vị trí quy địnhgọi là vị trí cân bằng. Do ba động nhiệt (phân bố nănglượng không đều) một số nguyên tử có năng lượng cao,biên độ lớn có khả năng bức ra khỏi nút mạng để lại nút

không có nguyên tử gọi là nút trống. sau khi rời khỏi nútmạng, nguyên tử có thể chuyển sang vị trí sang kẽ giữa cácnút mạng trở thành nguyên tử tự xen kẽ (hay đi ra vị trí cânbằng trên bề mặt). Nút trống có ảnh hưởng rất lớn đến cơchế và tốc độ phát tán của kim loại và hợp kim ở trạng thái

rắn.




Mạng tinh thể

Thông thường

Sai lệch lỗtrống

Sai lệch xen kẽ

Sai lệch thaythế




• Dạng thứ hai của sai lệch điểm: nguyên tử tạp chất

• Trong thực tế không thể có vật liệu hoặc kim loại sạch tuyệtđối thường sạch nhất cũng chỉ đạt 99.99% hay 99.999% làcùng. Phụ thuộc vào kích thước, nguyên tử lẫn vào (thườnggọi là tạp chất) có thể thay thế các nguyên tử nền ở nútmạng hoặc xen giữa các nút

• Do sự sai khác về đường kính nguyên tử giữa các nguyên tốnền và tạp chất nên khi thay thế cho nhau bao giờ cũng làmcho mạng của nền dãn nở ra hay co rút lại gây nên sai lệchcó dạng bao quanh một điểm. Còn khi xen kẽ (hay tự xenkẽ) bao giờ cũng làm mạng nền dãn ra vì kích thước lỗ hổngluôn nhỏ hơn đường kính nguyên tử. Các nguyên tử nềnxung quanh lỗ hổng có khuynh hướng xích lại gần nhau.Trong nhiều trường hợp người ta chủ động tạo ra dạng sailệch này bằng cách đưa thêm một lượng đáng kể nguyên tố

(cấu tử) thứ hai vào nền.




• Sai lệch đường: gồm có 2 loại: lệch biên và lệchxoắn.

• Sai lệch đường là loại có kích thước nhỏ (cỡ kích

thước nguyên tử) theo hai chiều và lớn theochiều thứ ba, tức có dạng của một đường (đườngở đây có thể là thẳng, cong, xoáy trôn ốc). Sailệch đường có thể là một dãy các sai lệch điểm kể

trên, song cơ bản và chủ yếu vẫn là lệch(dislocation) với hai dạng là biên và xoắn.

•




• Lệch biên: Sự xuất hiện thêm bánmặt ở nửa phần trên của mạngtinh thể lý tưởng làm cho các mặtphẳng nguyên tử khác nằm về haiphía rở nên không hoàn toàn song

song với nhau nữa.• Sự sắp xếp nguyên tử thuộc

vùng mép dưới của bán mặt bị xôlệch dọc theo trục gọi là trục lệch,nó chính là biên của bán mặt nên

có tên là lệch biên. Với sự phân bốnhư vậy nửa tinh thể có chứa bánmặt sẽ chịu ứng suất nén, nửa cònlại chịu ứng suất kéo.




• Lệch xoắn: Có thể hình dunglệch xoắn như mô hình trượtdịch ở hình sau. Mạng tinhthể bị cắt theo bán mặt, rồi

trượt dịch hai mép ngoàingược chiều nhau đi mộthằng số mạng. Điều này sẽlàm cho các nguyên tử trongvùng hẹp giữa trên và dưới

bán mặt sắp xếp lại có dạngđường xoắn ốc nên lệch cótên là lệch xoắn.




• Sai lệch mặt: là loại sai lệch cókích thước lớn theo hai chiềuđo và nhỏ theo chiều thứ ba,

tức có dạng của một mặt (mặtở đây có thể là phẳng, conghay uốn lượn). Dạng điển hình

của sai lệch mặt là biên giớihạt



2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể

• Nếu chất rắn tinh thể chỉ là một khối mạng đồng nhất tứccùng kiểu và hàng số mạng cũng như phương không đổihướng trong toàn bộ thể tích thì được gọi là đơn tinh thể(hình 1.20a). Trong thiên nhiên có thể tìm thấy một sốkhoáng vật có thể tồn tại dưới dạng đơn tinh thể. Chúng có

bề mặt ngoài nhẵn, hình dáng xác định, đó là những mặtphẳng nguyên tử giới hạn thường là các mặt xếp chặt nhất)theo can tinh thể kim loại không tồn tại trong tự nhiên,muốn có phải dùng công nghệ “nuôi” đơn tinh thể.

• Đơn tinh thể có tính chất rất đặt thù là dị hương vì theo các

phương mật độ xếp chặt dụng đơn tinh thể, nó trình bày ởtrên. Trong sản xuất ca tinh thể không sử dụng đơn tinhthể, nó được dùng rộng rãi trong công nghiệp điện tử ởdạng bán dẫn.




• A: Hạt

• Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinhthể. Đa tinh thể gồm rất nhiều đơn tinh thể cỡ

nhỏ (cỡ µm) được gọi là hạt tinh thể hay đơn giảnlà hạt, chúng tuy có cùng cấu trúc và thông sốmạng nhưng phương lại định hướng khác nhau

(mang tính ngẫu nhiên) và liên kết với nhau quavùng ranh giới hạn gọi là biên hạt hay biên giớihạn như trình bày ở hình




• A: Hạt

• Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinhthể. Đa tinh thể gồm rất nhiều đơn tinh thể cỡ

nhỏ (cỡ µm) được gọi là hạt tinh thể hay đơn giảnlà hạt, chúng tuy có cùng cấu trúc và thông sốmạng nhưng phương lại định hướng khác nhau

(mang tính ngẫu nhiên) và liên kết với nhau quavùng ranh giới hạn gọi là biên hạt hay biên giớihạn như trình bày ở hình




• Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, xét về mặt này từng hạtdều thể hiện tính dị hướng.

• Các hạt tuy có amngj và thông số giống nhau nhưng có phương lệch nhautức tính đồng nhất về phương mạng không giữ được trong toàn khối mạngvì thế lại thể hiện tính đẳng hướng (đôi khi cònủa nó hạt vẫn thể hiện tínhdị hướng).

• Biên hạt chịu ảnh hưởng quy luật phương mạng của các hạt xung quanhnên có cấu trúc”hỗn hợp” và vì vậy không duy trì được cấu trúc quy luậttinh thể mà lại có sắp xếp không trật tự xô lệch như là vô định hình.

• Có thể thấy rõ cấu trúc đa tinh thể hay các hạt qua tổ chức tế vi (ảnh thấyđược qua kính hiển vi, thường làquang học).Qua mài phẳng và mài nhẵnđến bóng như gương, rồi ăn mòn nhẹ, mẫu kim loại được đặt vào trong

kính hiển vi để quan sát. Chùm tia sáng vuông góc tới bề mặt hẵn đềuđược phản xạ trở lại nên ảnh coa màu sáng. Qua ăn mòn nhẹ biên hạt bịăn mòn mạnh hơn, lõm xuống làm tia sáng chiếu tới bị hắt đi, bị tối, nênthấy rõ các đường viền tối như ở hình 1.20c. Thực chất tổ chức tế vi thểhiện cấu trúc của mặt cắt ngang qua các hạt theo quy luật ngẫu nhiên




• B: độ hạt – Độ to nhỏ của hạt tinh thể

• Tinh thể thông thường: dùng mắt thường quan sát

• Tinh thể kim loại: quan sát độ sù xì của bề mặt bị vỡ




Cấp Số hạt có trong 1

inch2

(ở độ phóng đại x

100)

Số hạt trong 1 mm2

thật của mẫu

Diện tích thật của 1

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

4906

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



2.5. Hợp kim

• Định nghĩa: Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố vàmang tính kim loại (dẫn điện, dẫn nhiệt cao;dẻo, dễ biếndạng,có ánh kim). Hợp kim được tạo thành trên cơ sở kimloại: giữa kim loại với nhau (như latông:Cu và Zn) mà cũngcó thể là giữa 1 kim loại và một á kim (như thép,gang :Fe và

C), song nguyên tố chính vẫn là kim loại ,đó là hợp kim đơngiản hay giữa nguyên tố chính là kim loại với hai hay nhiềunguyên tố khác , đó là hợp kim phức tạp. Nguyên tố kimloại chính, chứa nhiều nhất (> 50%) được gọi là nền haynguyên tố chủ. Thành phần của các nguyên tố trong hợp

kim(và trong ceramic) thường được biểu thị bằng phầntrăm khối lượng (khi bằng phần trăm nguyên tử phải chỉđịnh rõ kèm theo),trong polyme được biểu thị bằng phầntrăm thể tích.



2.5. Hợp kim

• Phân loại các tương tác:• Phương pháp chế tạo hợp kim thông dụng nhất là hoà trộn (nấu

chảy rồi làm nguội) các cấu tử.• Ở trạng thái lỏng nói chung các cấu tử đều tương tác với nhau tạo

nên dung dịch lỏng-pha đồng nhất. Người ta đặc biệt quan tâm đếncác tương tác giữa các cấu tử ở trạng thái rắn vì chính điều này mới

quyết định cấu trúc và do đó tính chất của hợp kim. Ở đây có thểcó hai trường hợp lớn xảy ra :không và có tương tác với nhau.

• Khi hai cấu tử A và B không có tương tác với nhau, tức “trơ” vớinhau, các nguyên tử, ion của từng cấu tử không đan xen vào nhau,chúng giữ lại cả 2 kiểu mạng của các cấu tử thành phần, dưới dạngcác hạt riêng rẽ của 2 pha nằm cạnh nhau.

• Khi 2 cấu tử A và B có tương tác với nhau, tức nguyên tử của cáccấu tử đan xen vào nhau tạo nên 1 pha duy nhất, không còn lại cáchạt riêng rẽ của từng cấu tử, lúc này có thể có 2 trường hợp xảy ra:

– Hoà tan thành dung dịch rắn, lúc đó hợp kim giữ lại một trong 2 kiểumạng ban đầu làm nền, có tổ chức 1 pha như kim loại nguyên chất

–

Phản ứng hoá học với nhau thành hợp chất hoá học, lúc đó không còncả hai kiểu mạng ban đầu, mà tạo nên kiểu mạng mới khác hẳn.



2.5. Hợp kim

• Các tổ chức của hợp kim: gồmcó dung dịch rắn và hợp chấthóa học

• Dung dịch rắn: Dung dịch rắn làtổ chức của hợp kim tạo bởi 2hay nhiều nguyên tố, có khảnăng hòa tan vào nhau ở trạng

thái rắn và tạo nên một thể rắnđồng nhất



2.5. Hợp kim

• Dung dịch rắn có 2 loại: dung dịch rắn thay thếvà dung dịch rắn xen kẽ

Dung dịch rắn thay thế Dung dịch rắn xen kẽ



2.5. Hợp kim

• Dung dịch rắn: ký hiệu: A(B), trong đó A là nguyêntố dung môi với nồng độ > 50% và B là nguyên tốhòa tan với nồng độ < 50%

• Dung dịch rắn có đặc điểm sau : • -Mạng tinh thể là mạng của dung môi• -Tính chất: mang tính chất dung môi• Ví dụ: sắt hòa tan cacbon là một tổ chức có trong

thép , gọi là Ferit Fe(C). Tổ chức này có cấu trúcmạng tinh thể của sắt. Do vậy nó mang tính chấtcủa Fe : có độ bền thấp, độ dẻo và độ dai cao



2.5. Hợp kim

• Hợp chất hóa học: là tổ chức củahợp kim được cấu thành bởi 2hay nhiều nguyên tố, có khả

năng tác dụng hóa học với nhauở trạng thái rắn để tạo ra mộtchất mới với tích chất mới.



2.5. Hợp kim

• Hợp chất hóa học: ký hiệu: AmBn

• Hợp chất hóa học có những đặc điểm sau :• - Mạng tinh thể mới: khác mạng tinh thể A và

mạng tinh thể B.• - Tính chất: mạng tính chất mới, cứng nhưng giòn

hơn các nguyên tố hợp kim (khác tính chất A vàkhác tính chất của B).

•

Ví dụ: hợp chất cacbit sắt Fe3C chứa trong thépcacbon làm cho thép cứng & giòn hơn sắt (Fe) vàcacbon (C) nguyên chất



2.5. Hợp kim

• Hỗn hợp cơ học: là tổ chức của hợp kim đượccấu thành bởi 2 hay nhiều nguyên tố hỗn hợp lạivới nhau ở trạng thái rắn.

• Hỗn hợp cơ học được ký hiệu : (A B)• Hỗn hợp cơ học có những đặc điểm sau đây :

• -Mạng tinh thể là tổ hợp mạng A và mạng B• -Tính chất của hỗn hợp : phụ thuộc vào tính

chất của A và tính chất của B.

• Ví dụ: Thép cacbon có tổ chức : Feα(C ) +Fe3C

•

Tính chất của Feα(C ): dẻo và tính chất Fe3C:cứng, giòn hợp thành tính chất của thép: dẻo vàbền, thích hợp cho chế tạo máy.

hé ồ à h k



2.6. Gang – Thép – Đồng và hợp kimĐồng

• Tự tìm hiểu



Hết chương 2

Documents

Vật liệu kim loại - Lê Quý Dũng