Bài giảng Vật liệu Kỹ Thuật

Chia sẻ: Phung Minh Toan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:190

Thêm vào BST

Báo xấu

181
lượt xem 55
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng c àng ngày càng cao hơn. Đ ầu tiên là thời kỳ đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt.v .v. Cho đến ng ày nay là một loạt các loại vật liệu mới như: composit, ceramit, pôlyme. v.v.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật liệu Kỹ Thuật

LỜI MỞ ĐẦU Trong lịch sử phát triển của x ã hội loài người chúng ta đ ã sử dụng rất nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng c àng ngày càng cao hơn. Đ ầu tiên là thời kỳ đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt.v .v. Cho đến ng ày nay là m ột loạt các loại vật liệu mới như: composit, ceramit, pôlyme. v.v. Các lo ại vật liệu n ày (đặc biệt l à kim lo ại & hợp kim, cùng v ới các loại vật liệu mới) đ ã góp ph ần thúc đẩy sự phát triển của x ã hộ loài người một cách nhanh chóng. Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc ph òng, đời sống... đ òi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau. Ví dụ: khi th ì cần có tính dẫn điện rẩt cao để dùng trong ngành đi ện lực, lúc lại y êu cầu có độ cứng lớn để l àm các lo ại dụng cụ cắt gọt k im loại, khi lại cần có độ bền lớn để l àm các c ấu kiện xây dựng, hoặc phải có tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nh ưng khối lượng riêng nhỏ để dùng trong công nghiệp hàng không... Tất cả các y êu cầu này đều có thể đ ược đáp ứng bởi vật liệu kim loại cũng như các lo ại vật liệu mới. Môn vật liệu học sẽ trang bị cho sinh vi ên những kiến thức c ơ bản của các loại vật liệu chính: tinh th ể, các hợp kim, bán dẫn v à ion, c ộng hóa trị ... cũng nh ư kiến thức về xử lý nhiệt của chúng. Mục đích của m ôn học này giúp cho sinh viên hi ểu rõ các lo ại vật liệu khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa cấu trúc (li ên kết hóa học, kiểu mạng tinh thể) và cơ lý tính, th ực hành được các thí nghiệm c ơ bản để xác định c ơ tính c ủa vật liệu và biết lựa chọn vật liệu phù hợp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng sau n ày. Khi nghiên c ứu một vật liệu bất kỳ chúng ta đều dựa v ào bốn cực c ơ bản sau đây: Kết cấu của cấu trúc, các tính ch ất, sự tổng hợp các phương pháp gia công và hi ệu quả sử dụng của nó. Một sản phẩm có thể gồm h àng chục loại vật liệu khác nhau tạo n ên. Ví dụ ô tô RENAULT CLIO 1,2 RN c ủa Pháp cần m ười một loại vật liệu: 1- Thép tấm 40,9% 2 -Thép hình 10,9% 2- Gang 11,3% 4 -Hợp kim nhôm 4,2% 5- Các kim lo ại màu khác 3,9% 6- Chất dẻo 10,2% 7 -Chất dẻo đ àn hồi 3,4% 8- Vật liệu hữu cơ khác 3,4% 9- Thủy tinh 4,2% 10 -Sơn 1,7% 11- Chất lỏng 5,9% Yêu cầu của một cán bộ kỹ thuật, ngo ài khả năng hiểu biết về chuy ên môn sâu của ngành học, còn phải nắm được những tính chất c ơ bản của các loại vật liệu để từ đó có thể sử dụng một cách hợp lý nhất nhằm nâng cao tuổi thọ của máy móc, công trình, hạ giá thành sản phẩm ... Môn học này kế thừa kiến thức của khá nhiều các lĩnh vực khác nhau: tinh thể học, cơ lượng tử, vật lý tia r ơn ghen, ăn m òn và bảo vệ kim loại ... do đó kh ối lượng kiến thức khá lớn và có nhi ều mặt. V ì vậy đòi hỏi người học phải nắm vững các kiến thức c ơ bản về vật liệu v à thực hành nghiêm túc các thí nghi ệm. Khi nghi ên cứu môn học n ày phải nắm chắc mối quan hệ giữa th ành phần hóa học, cấu trúc v à tính chất của vật liệu. Bất kỳ sự thay đổi n ào của thành ph ần hóa học v à cấu trúc sẽ dẫn tới sự biến đổi của tính chất vật liệu.
MỤC LỤC TỔNG QUAN ................................ ................................ ................................ ............................ 7 CHƯƠNG 1 ................................ ................................ ................................ .............................. 13 CẤU TRÚC TINH THỂ V À SỰ HÌNH THÀNH ................................ ................................ ... 13 1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử................................ ................................ ......................... 13 1.1.2. Các d ạng liên kết nguyên tử trong chất rắn ................................ ............................. 13 1.2.1. Ch ất khí................................ ................................ ................................ .................... 14 1.3. Khái ni ệm về mạng tinh thể ................................ ................................ ........................ 15 1.3.1. Tính đ ối xứng ................................ ................................ ................................ .......... 15 1.3.2. Ô cơ s ở - ký hiệu phương, m ặt tinh thể ................................ ................................ ... 16 1.3.3. M ật độ nguy ên tử ................................ ................................ ................................ ..... 17 1.4. Cấu trúc tinh thể điển h ình của chất rắn ................................ ................................ ........ 18 1.4.1. Ch ất rắn có li ên kết kim loại (kim loại nguy ên chất) ................................ .............. 18 1.4.2. Ch ất rắn có li ên kết đồng hóa trị ................................ ................................ .............. 20 1.4.3. Ch ất rắn có li ên kết ion ................................ ................................ ............................ 21 1.4.4. C ấu trúc của polyme ................................ ................................ ................................ 21 1.4.5. D ạng thù hình ................................ ................................ ................................ .......... 22 1.5. Sai l ệch mạng tinh thể ................................ ................................ ................................ .... 22 1.5.1. Sai l ệch điểm ................................ ................................ ................................ ........... 22 1.5.3. Sai lệch mặt ................................ ................................ ................................ ............. 24 1.6. Đơn tinh th ể và đa tinh th ể ................................ ................................ ............................. 24 1.6.1. Đơn tinh th ể ................................ ................................ ................................ ............. 24 1.6.2. Đa tinh th ể ................................ ................................ ................................ ............... 24 1.6.3. Textua ................................ ................................ ................................ ...................... 26 1.7. Sự kết tinh v à hình thành t ổ chức của kim loại ................................ .............................. 26 1.7.1. Đi ều kiện xảy ra kết tinh ................................ ................................ .......................... 26 1.7.2. Hai quá trình c ủa sự kết tinh ................................ ................................ .................... 26 1.7.3. Sự hình thành h ạt ................................ ................................ ................................ ..... 27 1.7.4. Các phương pháp t ạo hạt nhỏ khi đúc ................................ ................................ ..... 28 1.7.5. C ấu tạo tinh thể của thỏi đúc ................................ ................................ ................... 28 CHƯƠNG 2 ................................ ................................ ................................ .............................. 31 BIẾN DẠNG DẺO V À CƠ TÍNH ................................ ................................ ........................... 31 2.1. Biến dạng dẻo v à phá hủy ................................ ................................ .............................. 31 2.1.1. Khái ni ệm ................................ ................................ ................................ ................ 31 2.1.2. Trư ợt đơn tinh th ể ................................ ................................ ................................ .... 32 2.1.3. Trư ợt đa tinh thể: ................................ ................................ ................................ ..... 33 2.1.4. Phá hủy................................ ................................ ................................ ...................... 34 2.2.3. Đ ộ dai và đập: ................................ ................................ ................................ .......... 38 2.2.4. Đ ộ dai phá hủy biến dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), K IC ............. 38 2.2.5. Đ ộ cứng ................................ ................................ ................................ ................... 40 2.3. Nung kim lo ại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng ................................ .... 41 2.3.1. Trạng thái kim loại đ ã qua biến dạng dẻo ................................ ................................ ... 41 2.3.2. Các giai đo ạn chuyển biến khi nung nóng ................................ ................................ .. 41 2.3.3. Bi ến dạng nóng ................................ ................................ ................................ ........ 42 2.4. Ăn m òn và bảo vệ kim loại: ................................ ................................ ........................... 42 2.4.1. Phân lo ại: Theo c ơ chế xảy ra ăn m òn:................................ ................................ .... 43 2
2.4.2. Cơ ch ế của quá tr ình ăn mòn kim loại: ................................ ................................ .... 43 2.4.5. Ch ống ăn m òn kim lo ại ................................ ................................ ........................... 45 PHẦN II ................................ ................................ ................................ ................................ ... 47 HỢP KIM V À BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC ................................ ................................ ..................... 47 CHƯƠNG 3 ................................ ................................ ................................ .............................. 47 HỢP KIM V À GIẢN ĐỒ PHA ................................ ................................ ................................ 47 3.1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM ................................ ................................ ..... 47 3.1.1. Khái ni ệm về hợp kim ................................ ................................ ............................. 47 3.1.2 DUNG D ỊCH RẮN ................................ ................................ ................................ .. 48 3.2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ HAI CẤU TỬ ................................ ................................ ...... 50 3.2.2. Quy t ắc đòn bẩy ................................ ................................ ................................ ....... 51 3.2.3. Gi ản đồ loại I ................................ ................................ ................................ ........... 51 3.2.4. Gi ản đồ loại II ................................ ................................ ................................ .......... 52 3.2.5. Gi ản đồ loại III ................................ ................................ ................................ ........ 52 3.2.6. Giản đồ loại IV ................................ ................................ ................................ ........ 53 3.2.7. Các gi ản đồ pha với các phản ứng khác ................................ ................................ .. 53 3.2.8. Quan h ệ giữa dạng giản đồ pha v à tính chất của hợp kim ................................ ....... 54 3.3. GIẢN ĐỒ PHA Fe – C (Fe - Fe3C) ................................ ................................ .............. 55 3.3.1. Tương tác gi ữa Fe và C ................................ ................................ ........................... 55 CHƯƠNG 4 ................................ ................................ ................................ .............................. 60 NHIỆT LUYỆN THÉP ................................ ................................ ................................ ............ 60 4.1. KHÁI NI ỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP ................................ ................................ ..... 60 4.1.1. Sơ lư ợc về nhiệt luyện thép ................................ ................................ ..................... 60 4.2. CÁC T Ổ CHỨC ĐẠT Đ ƯỢC KHI NUNG NÓNG V À LÀM NGU ỘI THÉP ............ 61 4.2.1. Các chuy ển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo th ành austenit ....................... 61 4.2.2. M ục đích của giữ nhiệt ................................ ................................ ............................ 62 4.2.3. Các chuy ển biến khi l àm nguội ................................ ................................ ............... 62 4.2.4. Chuy ển biến của austenit khi l àm nguội nhanh - Chuyển biến mactenxit (khi tôi) 64 4.2.5. Chuy ển biến khi nung nóng thép đ ã tôi (khi ram) ................................ ................... 65 4.3. Ủ VÀ THƯ ỜNG HÓA THÉP ................................ ................................ ....................... 66 4.3.1. Ủ thép ................................ ................................ ................................ ...................... 66 4.3.2. Thư ờng hóa thép ................................ ................................ ................................ ...... 67 4.4. TÔI THÉP ................................ ................................ ................................ ...................... 68 4.4.1. Định nghĩa v à mục đích ................................ ................................ ........................... 68 4.4.2. Ch ọn nhiệt độ tôi thép ................................ ................................ ............................. 68 4.4.3. T ốc độ tôi tới hạn v à độ thấm tôi ................................ ................................ ............. 69 4.4.4. Các phương pháp tôi th ể tích và công d ụng. Các môi tr ường tôi ............................ 70 4.5.RAM THÉP ................................ ................................ ................................ .................... 73 4.5.1. M ục đích và định nghĩa ................................ ................................ ........................... 73 4.5.2. Các phương pháp ram thép cacbon ................................ ................................ ......... 73 4.6. CÁC KHUY ẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP ................................ ...... 74 4.6.1. Bi ến dạng và nứt ................................ ................................ ................................ ...... 74 4.6.2. Ôxy hóa và thoát cacbon ................................ ................................ ......................... 75 4.6.3. Đ ộ cứng không đạt: ................................ ................................ ................................ . 75 4.6.4. Tính giòn cao ................................ ................................ ................................ ........... 75 3
4.6.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ v à tầm quan trọng của kiểm nhiệt ................................ .... 75 4.7. HOÁ B ỀN BỀ MẶT ................................ ................................ ................................ ...... 76 4.7.1. Tôi b ề mặt nhờ n ung nóng b ằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) ................................ . 76 4.7.2. Hóa - nhiệt luyện ................................ ................................ ................................ ..... 77 PHẦN III ................................ ................................ ................................ ................................ .. 82 VẬT LIỆU KIM LOẠI ................................ ................................ ................................ ............ 82 CHƯƠNG 5 ................................ ................................ ................................ .............................. 82 THÉP VÀ GANG ................................ ................................ ................................ ..................... 82 5.1. KHÁI NI ỆM VỀ THÉP CACBON V À HỢP KIM ................................ ....................... 82 5.1.1. Thép cacbon ................................ ................................ ................................ ............. 82 5.1.2. Thép h ợp kim ................................ ................................ ................................ ........... 85 Trong k ỹ thuật d ùng ngày càng nhi ều thép hợp kim v ào các m ục đích quan trọng. ......... 85 5.2. THÉP XÂY D ỰNG ................................ ................................ ................................ ....... 91 5.2.1. Đ ặc điểm chung - phân lo ại ................................ ................................ ..................... 91 5.2.2. Thép thông d ụng ................................ ................................ ................................ ...... 91 5.2.3. Thép h ợp kim thấp độ bền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel) ................ 92 5.2.4. Thép làm c ốt bêtông ................................ ................................ ................................ 92 5.2.5. Các thép khác ................................ ................................ ................................ ........... 93 5.3. THÉP CH Ế TẠO MÁY (Thé p kết cấu) ................................ ................................ ......... 93 5.3.1. Các yêu c ầu chung ................................ ................................ ................................ ... 93 5.3.2. Thép th ấm cacbon ................................ ................................ ................................ .... 93 5.3.3. Thép hóa t ốt ................................ ................................ ................................ ............. 95 5.3.4. Các chi ti ết máy điển h ình bằng thé p ................................ ................................ ...... 97 5.3.5. Thép đàn h ồi ................................ ................................ ................................ ............ 97 5.3.6. Các thép k ết cấu có công dụng ri êng ................................ ................................ ....... 99 5.4. Thép d ụng cụ ................................ ................................ ................................ ................ 100 5.4.1. Các yêu c ầu chung ................................ ................................ ................................ . 100 5.4.2. Thép làm d ụng cụ cắt ................................ ................................ ............................. 101 5.4.3. Thép làm d ụng cụ đo ................................ ................................ ............................. 105 5.5. Thép h ợp kim đặc biệt (có tính chất vật lý - hóa học đặc biệt) ................................ .... 108 5.5.1. Đ ặc điểm chung v à phân loại ................................ ................................ ................ 108 5.5.2. Thép không g ỉ ................................ ................................ ................................ ........ 108 5.5.3. Thép b ền nóng (Heat - Resistant Steel) ................................ ................................ . 110 5.5.4. Thép có tính ch ống mài mòn đặc biệt cao d ưới tải trọng v à đập (thép Hadfield) . 111 5.6. GANG ................................ ................................ ................................ .......................... 111 5.6.2. Gang xám ................................ ................................ ................................ ............... 112 5.6.3. Gang c ầu ................................ ................................ ................................ ................ 113 5.6.4. Gang d ẻo ................................ ................................ ................................ ................ 114 CHƯƠNG 6................................ ................................ ................................ ............................ 116 HỢP KIM M ÀU VÀ B ỘT ................................ ................................ ................................ ..... 116 6.1. Hợp kim nhôm (Al) ................................ ................................ ................................ ...... 116 6.1.1. Nhôm nguyên ch ất và phân lo ại hợp kim nhôm ................................ .................... 116 6.1.2. Nhôm và h ợp kim nhô m biến dạng không hóa bền đ ược bằng nhiệt luyện .......... 117 6.1.3. H ợp kim Al biến dạng hóa bền đ ược bằng nhiệt luyện ................................ ......... 118 6.1.4. Hợp kim Al đúc ................................ ................................ ................................ ....... 119 6.2. Hợp kim đồng ................................ ................................ ................................ .............. 119 4
6.2.1. Đ ồng nguyên chất và phân lo ại hợp kim đồng ................................ ...................... 119 6.2.2. Latông (đ ồng thau, Pháp - laiton, Anh - brass, Nga - латунь ) .............................. 120 6.2.3. Brông: ................................ ................................ ................................ .................... 120 6.2.4. H ợp kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni ................................ ................................ .......... 121 6.3. Hợp kim ổ tr ượt ................................ ................................ ................................ ........... 121 6.3.1. Yêu c ầu đối với hợp kim l àm ổ trượt ................................ ................................ .... 121 6.3.2. H ợp kim ổ tr ượt có nhiệt độ chảy thấp ................................ ................................ .. 122 6.3.3. H ợp kim nhôm ................................ ................................ ................................ ....... 122 6.3.4. Các h ợp kim khác ................................ ................................ ................................ .. 122 6.4. Hợp kim bột ................................ ................................ ................................ ................. 123 6.4.1. Khái ni ệm chung ................................ ................................ ................................ .... 123 6.4.2. Vật liệu cắt v à mài ................................ ................................ ................................ . 124 6.4.3. V ật liệu kết cấu ................................ ................................ ................................ ...... 127 6.4.4. H ợp kim xốp v à thấm ................................ ................................ ............................ 127 PHẦN 4 .VẬT LIỆU KHÁC ................................ ................................ ................................ . 128 CHƯƠNG 7 ................................ ................................ ................................ ........................... 128 VẬT LIỆU VÔ C Ơ – CERAMIC ................................ ................................ .......................... 128 7.1. Quan h ệ giữa cấu trúc v à tính chất của ceramic ................................ .......................... 128 7.2. Các vật liệu vô c ơ điển hình................................ ................................ ......................... 129 7.2.1. G ốm và vật liệu chịu lửa ................................ ................................ ........................ 129 7.2.2. Thu ỷ tinh và gốm thuỷ tinh ................................ ................................ ................... 130 7.2.3. Ximăng ................................ ................................ ................................ .................. 131 7.2.4. Bêtông ................................ ................................ ................................ .................... 133 7.2.5. Bêtông c ốt thép ................................ ................................ ................................ ...... 133 CHƯƠNG 8 ................................ ................................ ................................ ............................ 134 VẬT LIỆU HỮU C Ơ ................................ ................................ ................................ ............. 134 8.1. Đặc điểm của vật liệu hữu c ơ................................ ................................ ....................... 135 8.1.1. Hình thành v ật liệu polyme ................................ ................................ ................... 135 8.1.2. Phân t ử Polyme ................................ ................................ ................................ ...... 137 8.1.3. Kh ối lượng phân tử v à sự phân bố khối l ượng phân tử ................................ ......... 137 8.1.4. M ức độ kết tinh của P olyme và tính ch ất cơ học ................................ .................. 138 8.2. Các polyme thông d ụng và ứng dụng ................................ ................................ .......... 138 8.2.1. Ch ất dẻo: Sản l ượng cao nhất hiện nay ................................ ................................ 138 8.2.2. Cao su (Elastome) ................................ ................................ ................................ .. 139 8.2.3. Sợi polyme ................................ ................................ ................................ ............. 139 8.2.4. Màng ................................ ................................ ................................ ...................... 139 8.2.5. Ch ất dẻo xốp (foarms) ................................ ................................ ........................... 140 CHƯƠNG 9 ................................ ................................ ................................ ............................ 141 COMPOZIT ................................ ................................ ................................ ........................... 141 9.1. Khái ni ệm về compozit ................................ ................................ ................................ 141 9.1.1. Quy lu ật kết hợp ................................ ................................ ................................ .... 141 9.1.2. Đ ặc điểm và phân lo ại ................................ ................................ ........................... 141 9.1.3. Liên k ết nền - cốt ................................ ................................ ................................ ... 141 9.2. Compozit c ốt hạt ................................ ................................ ................................ .......... 142 9.2.1. Compozit h ạt thô ................................ ................................ ................................ ... 142 9.2.2. Compozit h ạt mịn (hóa bền phân tán) ................................ ................................ ... 142 5
9.3. Compozit c ốt sợi ................................ ................................ ................................ .......... 142 9.3.1. Ảnh hưởng của yếu tố h ình học sợi ................................ ................................ ....... 143 9.3.2. Compozit c ốt sợi liên tục song s ong ................................ ................................ ...... 144 9.3.3. Compozit c ốt sợi gián đoạn thẳng h àng ................................ ................................ 145 9.3.4. Compozit c ốt sợi gián đoạn hỗn độn ................................ ................................ ..... 146 CHƯƠNG 10 ................................ ................................ ................................ .......................... 147 LỰA CHỌN V À SỬ DỤNG HỢP LÝ VẬT LIỆU ................................ ............................... 147 1.1.NHỮNG TÍNH CHẤT C Ơ BẢN CỦA VẬT LIỆU. ................................ .................... 147 1.2.1.Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu ................................ ................................ .......... 147 1.2.2.Những tính chất c ơ bản của vật liệu ................................ ................................ ....... 147 1.3 Lựa chon vật liệu ................................ ................................ ................................ ........... 156 1.3.1 Yêu c ầu về tính năng sử dụng ................................ ................................ ................ 156 PHỤ LỤC 1 ................................ ................................ ................................ ............................ 158 TỔNG QUAN TI ÊU CHU ẨN VẬT LIỆU KIM LOẠI ................................ ....................... 158 1.1.Tiêu chu ẩn quốc tế ISO (International Standard Organisation) ................................ . 158 1.2.Các tiêu chu ẩn Nga, Trung Quốc v à Việt Nam. ................................ .......................... 159 1.2.1.Tiêu chu ẩn Nga OCT : ................................ ................................ ...................... 159 1.2.2.Tiêu chu ẩn Trung Quôc GB : ................................ ................................ ................ 159 1.2.3.Tiêu chu ẩn Việt Nam TCVN : ................................ ................................ ............... 160 1.3.Tiêu chu ẩn Mỹ : ................................ ................................ ................................ .......... 160 1.4.Tiêu chu ẩn Nhật : ................................ ................................ ................................ ......... 161 1.5.Các đi ểm chú ý vê ký hi ệu và đơn vị đo : ................................ ................................ ... 161 1.5.1. Các b ội số và ước số : ................................ ................................ ........................... 161 1.5.2. Ký hiệu về độ bền : ................................ ................................ ................................ .. 162 1.5.3.Các ký hi ệu độ dẻo v à độ dai : ................................ ................................ ............... 162 TIÊU CHU ẨN KÝ HIỆU V ẬT LIỆU KIM LOẠI ................................ .............................. 163 2.1.Ký hi ệu gang : ................................ ................................ ................................ .............. 163 2.1.1.Gang xám : ................................ ................................ ................................ ............. 163 2.1.2.Gang d ẻo : ................................ ................................ ................................ .............. 164 2.1.3.Gang c ầu................................ ................................ ................................ ................. 165 2.2.Ký hi ệu thép : ................................ ................................ ................................ ............... 166 2.2.1.Thép các bon thông d ụng (thép các bon chất l ượng th ường) ............................... 166 2.2.2.Thép kêt c ầu : ................................ ................................ ................................ ......... 168 2.2.3.Thép d ụng cụ : ................................ ................................ ................................ ....... 170 2.2.4.Thép, h ợp kim chuy ên dùng và đ ặc biệt : ................................ ............................. 171 2.2.5.Kim lo ại màu và h ợp kim mau thông dụng : ................................ ........................ 174 PHỤ LỤC 4 ................................ ................................ ................................ ............................ 181 THÀNH PH ẦN HÓA HÓA H ỌC CỦ A CÁC MÁC KIM LO ẠI ................................ ....... 181 6
TỔNG QUAN 1.1 KHÁI NI ỆM VỀ VẬT LIỆU 1.1.1 Khái niệm chung Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất l à những vật rắn m à con ngư ời dùng để chế tạo ra các máy móc, thi ết bị, dụng cụ, v.v… trong các ng ành công nghi ệp, nông nghi ệp, giao thông vận tải, trong xây dựng các công tr ình, nhà c ửa hay thay thế các bộ phận c ơ thể con người hoặc để thể hiện các ý đồ nghệ thuật, v.v. Vật liệu học l à một khoa học ứng dụng về quan hệ giữa th ành phần, cấu tạo v à tính ch ất của vật liệu, nhằm giải quyết những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhất, li ên quan đến việc tiết kiệm vật liệu, giảm khối l ượng thiết bị máy móc v à dụng cụ, nâng cao độ chính xác, độ tin cậy và khả năng l àm việc của các chi tiết máy v à dụng cụ. Cơ sở lý thuyết của vật l iệu học l à các phần tương ứng của vật lý v à hóa học nhưng về cơ bản thì khoa h ọc về vật liệu đ ược phát triển bằng con đ ường thực nghiệm. Việc đ ưa ra nh ững phương pháp th ực nghiệm mới để nghi ên cứu cấu tạo (cấu trúc) v à các tính ch ất cơ, lý của vật liệu sẽ tạo điều kiện để môn vật liệu học tiếp tục phát triển. Nghiên c ứu các tính chất vật lý nh ư mật độ, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, v.v… hay c ơ tính như độ bền, độ dẻo, độ cứng, môđun đ àn hồi, ... hoặc tính công nghệ nh ư độ chảy loãng, khả năng gia công c ắt gọt,... và các tính năng làm vi ệc như tính ch ống ăn mòn, tính ch ống mài mòn và m ỏi, tính d òn lạnh, tính bền nhiệt,... của vật liệu sẽ cho phép xác định lĩnh vực ứng dụng hợp lý các vật liệu khác nhau, tuy nhi ên có tính đ ến các đ òi hỏi của tính kinh tế. Tóm lại, vật liệu học l à môn khoa h ọc phục vụ cho sự phát triển v à sử dụng vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm c ải thiện tính chất và sử dụng thích hợp ngày một tốt hơn. Nó liên quan tr ực tiếp đến tất cả những ng ười làm việc trong lĩnh vực chế tạo, gia công và s ử dụng vật liệu. 1.1.2 Phân loại vật liệu Dựa theo các tính chất đặc tr ưng, ngư ời ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính l à vật liệu kim loại, vật liệu vô c ơ - ceramíc và v ật liệu hữu c ơ - polyme. Tuy nhiên nh ững năm gần đây đ ã xuất hiện một n hóm vật liệu quan trọng thứ t ư đó là vật liệu kết hợp - vật liệu compozít. 1.1.3 Vật liệu kim loại Thành ph ần chủ yếu là hợp kim gồm: KL+ á kim hoặc KL khác Là những vật thể dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với m àu sắc đặc tr ưng, không cho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, r èn, ép) Có độ bền c ơ học, nhưng kém b ền vững hóa học, trừ nhôm (Al), các kim loại thông dụng khác như: Fe, Cu, ... đều khá nặng, nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật. Ðặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại l à sự sắp xếp trật tự của các nguy ên tử để tạo thành mạng tinh thể với độ xếp chặt cao v à liên kết với nhau nhờ khí điện tử tự do. 7
Trong m ạng tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật v à trong m ột số điều kiệ n chúng có thể chuyển ho àn toàn sang tr ạng thái không trật tự thuộc dạng vô định h ình. Vật liệu kim loại được chia làm hai nhóm l ớn: Kim loại và hợp kim sắt l à những vật liệu m à trong thành ph ần chủ yếu có nguy ên tố sắt. Thuộc nhóm n ày chủ yếu là thép và g ang. Kim loại và hợp kim không sắt l à loại vật liệu m à trong thành ph ần của chúng không chứa hoặc chứa rất ít sắt. Thí dụ nh ư đồng, nhôm, kẽm, niken v à các loại hợp kim của chúng. Nhóm này còn có tên g ọi là kim loại và hợp kim m àu. 1.1.2.2 V ật liệu vô c ơ – ceramíc Là hợp chất giữa kim lo ại, silic với á kim: thành ph ần cấu tạo của vật liệu vô c ơ - ceramíc chủ yếu là các hợp chất giữa kim loại nh ư Mg, Al, Si, Ti, ... và các phi kim dư ới dạng các ôxýt, cácbít, hay nitrít, ... v ới liên kết bền vững kiểu ion ho ặc kiểu đồng hóa trị có sắp xếp trật tự để tạo th ành mạng tinh thể hoặc có sắp xếp không trật tự nh ư trạng thái thủy tinh hay vô định hình. Tên gọi ceramíc được bắt nguồn từ tiếng Hylạp "keramikos" có nghĩa l à "vật nung" n ên khi chế tạo vật liệu loại n ày thường phải qua nung nóng, thi êu kết. Các vật liệu vô c ơ - ceramíc truy ền thống có thể kể đến l à: gốm và vật liệu chịu lửa , thủy tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông. Ngày nay, nhi ều loại vật liệu vô c ơ - ceramíc m ới tìm thấy có những tính năng rất quí nh ư nhẹ, chịu nhiệt tốt, rất bền vững hóa học v à có tính ch ống mài mòn t ốt được ứng dụng ng ày càng nhi ều trong công nghiệp điện, điện tử v à hàng không v ũ trụ. 1.1.2.3 V ật liệu hữu c ơ – polyme Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học c hủ yế u là C, H và các á kim, có cấu trúc phân tử lớn. - Nhẹ, dẫn nhiệt, dẫn điện kém. - Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt khi nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấp. - Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển. Vật liệu hữu c ơ – polyme bao g ồm các chất hữu c ơ chứa các bon có cấu trúc đa phân tử với hai nguy ên tố thành phần chủ yếu l à các bon và hydrô có th ể chứa th êm ôxy, clo, nitơ, ... liên kết với nhau trong các mạch phân tử kích th ước lớn sắp xếp trật tự đ ược gọi trạng thái tinh thể hoặc không trật tự – trạng thái vô định hình . Tuy nhiên chúng có th ể có cấu trúc hỗn hợp vừa tinh thể vừa vô định h ình. Ngoài các v ật liệu hữu c ơ tự nhiên như cao su, xenlulo v.v ra ph ần lớn vật liệu hữu c ơ được sử dụng rộng r ãi trong công nghi ệp cũng nh ư trong cu ộc sống l à các polyme t ổng hợp, chúng là s ản phẩm của quá tr ình trùng h ợp (polyme hóa) các phân tử đ ơn (monome) và do đó tùy theo ngu ồn gốc chất tr ùng hợp, chúng có các t ên gọi khác nhau nh ư polyetylen (PE), polypropylen (PP) hay polystyren (PS), v.v. 1.1.2.4 V ật liệu kết hợp – compo zit Là loại vật liệu đ ược kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với tính chất đặc trưng khác h ẳn nhau , mang hầu như các đặc tính tốt c ủa các vật liệu thành phần. Ví dụ: bê 8
tông cốt thép l à sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt v à bê tông (là vật liệu vô c ơ) có tính ch ịu nén tốt, v ì thế bê tông c ốt thép l à loại vật liệu kết cấu vừa chịu kéo và vừa chịu nén tốt. Sự kết hợp giữa kim loại với polyme, giữa polyme với ceramíc, giữa ceramíc với kim loại, v.v… là cơ s ở để chế tạo các loại vật liệu kết hợp -compozít v ới những tính năng khác nhau phục vụ tốt trong các ng ành công nghi ệp và sản xuất c ơ khí nói chung. M ột số vật liệu kết hợp - compozít đư ợc ứng dụng trong ng ành hàng không r ất có hiệu quả nh ư sợi thủy tinh độ bền cao và s ợi các bon. Kim loại 1 Compozít 4 2 Hữu cơ - Vô cơ - 3 polyme ceramíc Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu v à quan hệ giữa chúng. 1. Bán dẫn; 2. Si êu dẫn; 3. Silicon; 4. Polyme dẫn điện. Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa đ ược nêu trên còn có các nhóm v ật liệu khác có tính năng và thành ph ần rất riêng biệt như: - Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn). - Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn. 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU Lịch sử phát triển k hoa học vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển của lo ài người, có thể chia ra làm 3 giai đo ạn lớn sau: 1.2.1 Giai đo ạn tiền sử của lo ài người Từ hàng ngàn, hàng v ạn năm tr ước công nguy ên con ngư ời nguyên thủy đã biết sử dụng công c ụ lao động để duy tr ì và phát triển cộng đồng, ng ày đó họ đã biết sử dụng các vật liệu có sẵn trong tự nhi ên như: Vật liệu vô c ơ là đất sét, đá, v à các loại khoáng vật v.v. Vật liệu hữu c ơ như da, sợi thực vật, gỗ, tre v.v. Vật liệu kim loại như vàng, b ạc, đồng tự nhi ên và sắt thiên thạch v.v. 9
Trong giai đo ạn này, các vật liệu đ ược sử dụng đa phần ở dạng nguy ên thủy, không qua chế biến. Các vật dụng đ ược chế tạo chủ yếu bằng các cắt, m ài, đập hay nghiền v.v. Tại thời kỳ này riêng ngư ời Ai Cập cổ, ng ười Babylon, ng ười La M ã và người Tru ng Quốc đã biết chế tạo ra gạch để xây cất bằng cách ph ơi khô đất sét ngo ài nắng. 1.2.2 Giai đo ạn chế tạo v à sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm. Phải trải qua một thời gian rất lâu, nghĩa l à sau hàng nghìn n ăm để tích lũy các quan sát ngẫu nhiên và các kinh nghi ệm, thực hiện các thí nghiệm một cách rời rạc v à mò m ẫm, con người thời tr ước Công nguy ên cũng đã tạo ra được nhiều sự kiện quan trọng về lĩnh vực vật liệu. Có thể kể ra đây v ài ví dụ: Trước Công nguy ên kho ảng 6.000 năm, ng ười ta đã biết luyện đồng từ quặng để chế tạo ra những công cụ lao động v à vũ khí. Những cục xỉ đồng với tuổi 8.500 năm, m à người ta phát hiện được ở cao nguy ên Anotolia Th ổ Nhĩ Kỳ đ ã nói lên s ự xuất hiện rất sớm nghề luyện đồng từ quặng tr ên trái đất của chúng ta. Sắt thép cũng xuất hiện khá sớm. Vào khoảng thế kỷ 15 tr ước Công nguy ên người ta đã biết sử dụng công cụ bằng thép v à sau đó kho ảng 4 thế kỷ, ng ười Hy Lạp v à La Mã đã biết sử dụng phương pháp nhi ệt luyện tôi thép để l àm tăng đ ộ cứng cho thép. Kỹ thuật n ày đạt được đỉnh cao vào thời trung cổ với các thanh kiếm nổi tiếng nh ư Damascus (Syrie) cho đ ến ngày nay vẫn còn là m ột bí mật về công nghệ. Các nh à khảo cổ học khi khai quật ở Ninevia - kinh đô của đồ sứ cổ Assiria trong cung điện vua Sargon đệ nhị thế kỷ thứ VIII tr ước Công nguy ên đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt nh ư mũ sắt, l ưỡi cưa và các công c ụ rèn v.v. Một kỳ tích về công nghệ luyện kim của nhân loại cổ x ưa đã được tìm thấy như cây cột trụ bằng sắt nổi tiếng của Ấn độ gần nh ư nguyên chất (nó chứa tới 99,72% sắt) nặng tới 6,5 tấn, cao hơn 7m được xây dựng từ năm 415 để t ưởng niệm vị vua Chanđragupta đệ nhị. Những l ò luyện sắt đầu tiên có ở Trung Quốc và Ai cập từng xuất hiện từ h ơn 3.000 năm trư ớc Công nguyên. Vào cuối thế kỷ thứ XVIII kỹ thuật chế tạo thép với qui mô lớn đ ã xuất hiện, mà nhờ đó con người đã sử dụng phổ biến để chế tạo ra các máy h ơi nước, tầu thủy, xây dựng cầu cống, nh à cửa và đường sắt v.v… Một công trình bằng thép đồ sộ phải kể đến tháp Effen tại thủ đô Pari của Pháp. Tháp này n ặng 7.341 tấn và cao tới 320 m được xây dựng xong năm 1889 không những l à niềm tự hào và là biều tượng văn minh của n ước Pháp mà còn là một kỳ quan của thế giới. Ngoài sự phát triển mạnh của những vật liệu kim loại đ ã nêu trên, v ật liệu vô c ơ cũng đã có những bước tiến rất sớm. Từ thế kỷ XV tr ước Công nguy ên, ở Ai Cập, Babylon v à La Mã người ta đã biết sử dụng hỗn hợp đá nghiền với vôi tôi rồi tới đầu thế kỷ XIX xi măng portlan đã xuất hiện ở Anh, Mỹ, Nga v à sau đó k ỹ thuật đúc b ê tông c ốt thép sử dụng trong xây dựng đã xuất hiện ở Mỹ v ào năm 1875 và ngày nay lo ại vật liệu n ày ngày càng đư ợc sử dụng rộng rãi trong các công trình xây d ựng cầu đ ường, nhà cửa v.v. 1.2.3 Giai đo ạn chế tạo v à sử dụng vật li êu theo ki ến thức khoa học Người ta đã đi sâu t ìm hiểu bản chất của vật liệu, t ìm hiểu nguyên nhân c ủa sự hình thành các tính ch ất khác nhau của chúng. Chính nhờ những kiến thức khoa học đó m à con ngư ời đã đánh giá đư ợc định tính chiều h ướng phát triển của vật liệu v à định hướng các công nghệ chế tạo vật liệu với những tính chất mong muốn. 10
Có thể kể ra đây một v ài bước tiến nổi bật về công nghệ vật liệu: Năm 1930 công ngh ệ chế tạo hợp kim nhôm cứng có t ên Ðuara (duaralumin) xu ất hiện nhờ quá trình hóa già bi ến cứng. Năm 1940 công ngh ệ chế tạo chất dẻo polyme ra đời nhờ quá trình trùng h ợp. Năm 1955 công ngh ệ chế tạo bán dẫn bằng kỹ thuật tinh luyện v à tạo lớp chuyển tiếp. Năm 1965 m ột loạt vật liệu mới ra đời nh ư thép xây dựng vi hợp kim hóa, thép kết cấu độ bền cao và đặc biệt là sự xuất hiện vật liệu kết hợp compozít. Năm 1975 ch ế tạo vật liệu nhớ h ình. Năm 1980 ch ế tạo th ành công kim lo ại thủy tinh v.v… Bất kỳ một sáng tạo nào của con người cũng đều phải sử dụng vật liệu, đều phải khai thác các đặc tính khác nhau của vật liệu Các sự kiện nổi bật: Cột thép New Dehli, 6,5 tấn khoảng TK 5 SCN, không gỉ? Luyện thép ở quy mô CN TK 19 tạo ra tháp Eiffel cao 320m, nặng 7341 tấn Bê tông cốt thép, năm 1875 (Hoa kỳ), gốm Việt nam Trung hoa rất lâu đời Sử dụng vi tính máy tính công nghệ cao với nền kinh tế tri thức ? Cơ khí (vật liệu kim loại) máy tính cơ học (vài chục phép tính/phút) Đèn điện tử máy tính điện tử MИHCK2 2 (vài trăm phép tính/phút) Bán dẫn (vi xử lý) (90 - 130)MHz 200MHz (P) (330 - 400)M Hz (PII) (400 -700)MHz (PIII), PIV 1GHz,.. ? Máy hút bụi: gỗ (hộp) kim loại (trụ) polyme (cầu) công suất gấp 10, kích thước 1/3. Xu hướng phát triển của vật liệu : Ôtô (Mỹ) 1978: thép (60)%, polyme (10-20)%, HK Al (3-5)%, VL khác còn lại 1993: thép (50-60)%, polyme ( 10-20)%, HK Al (5-10)%, VL khác còn lại Polyme, compozit xu hướng tăng, kim loại giảm nhưng vẫn quan trọng nhất. Tuy nhiên còn có r ất nhiều loại vật liệu hiện c òn đang trong quá tr ình nghiên c ứu tại các phòng thí nghi ệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng r ãi vào th ực tế trong tương lai. Hình 1.1. Phân b ố vật liệu 11
1.3 Nội dung môn học Gồm bốn phần c hính - Cấu trúc và cơ tính: quan hệ giữa cấu trúc và cơ tính có nhấn mạnh hơn cho kim loại gồm cấu trúc tinh thể, tạo pha, tổ chức, biến dạng, phá hủy. - Hợp kim và biến đổi tổ chức: cấu trúc của hợp kim, chuyển pha nhiệt luyện. - Vật liệu kim loại: tổ chức, thành phần hóa học, cơ tính, nhiệt luyện và công dụng - Vật liệu phi kim loại: cấu trúc, thành phần, cơ tính, tạo hình và công dụng Lựa chọn & Sử dụng hợp lý vật liệu: đảm bảo các chỉ tiêu cơ, lý, hoá tính, tính công nghệ đồng thời rẻ, nhẹ và bảo vệ môi trường CMS (Cambridge Materials Selector). Quan hệ tổ chức - tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của vật liệu vào cấu trúc là nội dung cơ bản của toàn bộ môn học. Tổ chức hay cấu trúc là sự sắp xếp của các thành phần bên trong bao gồm tổ chức vĩ mô và vi mô của vật liệu. Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắp xếp của các phần tử lớn, quan sát được bằng mắt thường (0,3mm) hoặc bằng kính lúp (0,01mm). Tổ chức vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát được bằng mắt hay lúp. Bao gồm 2 loại: - Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắ p xếp của các nhóm nguyên tử hay phân tử (pha) với kích thước cỡ micromet ha y ở cỡ các hạt tinh thể (mm) với sự giúp đỡ của kính hiển vi quang học (0,15mm) hay kính hiển vi điện tử (10nm). - Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể tia X và phương tiện khác. Tính chất bao gồm: cơ tính, vật lý tính, hóa tính, tính công nghệ & sử dụng. Các tiêu chuẩn vật liệu - Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN - Tiêu chuẩn Nga ΓOCT - Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ: A S TM (American Society for Testing and Materials), A IS I (American Iron and Steel Institute), SAE (Society of Automotive Engineers), AA (Aluminum Association), CDA (Copper Developme nt Association), UNS (Unified Numbering System) ....... - Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS - Tiêu chuẩn Châu Âu EN - Đức DIN, Pháp NF, Anh BS cũng là các tiêu chuẩn quan trọng cần biết. 12
PHẦN I CẤU TRÚC V À CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU CHƯƠNG 1 CẤU TRÚC TINH THỂ V À SỰ HÌNH THÀNH 1.1. Cấu tạo v à liên kết nguyên tử Cấu tạo nguy ên tử: Nguyên t ử = hạt nhân + electron = (proton + n ơtron) + electron Nơtron không mang đi ện, Proton mang điện d ương = đi ện tích của electron nguyên t ử trung hoà. Cấu hình electron (electron configuration) ch ỉ rõ: số lượng tử chính (1, 2 , 3...), ký hi ệu phân lớp (s, p, d...), số l ượng electron thuộc phân lớp (số mũ tr ên ký hi ệu phân lớp). Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu h ình electron là 1s 22s22p63s23p63d104s1 qua đó bi ết được số electron ngoài cùng ( ở đây là 1, hóa tr ị 1). Các kim lo ại chuyển tiếp: Fe có Z = 26: 1s 22s22p63s23p63d64s2 1.1.2. Các d ạng liên kết nguyên tử trong chất rắn Các loại vật liệu khác nhau có thể tồn tại các dạng li ên kết riêng. Sự khác nhau của các dạng liên kết đó cũng l à nguyên nhân t ạo nên các tính ch ất khác nhau. 1.1.2.1. Liên k ết đồng hóa trị Là liên k ết của hai (hoặc nhiều) nguy ên tử góp chung nhau một số electron hóa trị để có đủ tám electron ở lớp ngo ài cùng. Có th ể lấy ba ví dụ nh ư sau (h ình 1.1). Clo có Z=17 (1s22s22p63s23p5), có 7e ở lớp ngo ài cùng, 2 nguyên t ử Cl mỗi nguyên tử góp chung 1 electron đ ể lớp ngo ài cùng 8e (hình 1.1a). Hình 1.1 . Sơ đồ biểu diễn li ên kết đồng hóa trị a:phân t ử clo; b: giecmani (Ge); c: m êtan (CH4) Giecmani (Ge, z=32) có 4e l ớp ngoài cùng (4s2, 4p2), 4 nguyên t ử góp c hung (hình 1.1b). Liên k ết giữa các nguy ên tử cùng loại (từ IVB VIIB nh ư Cl, Ge) là lo ại đồng cực, c òn giữa các nguy ên tố khác loại nh ư CH4 là lo ại dị cực. Mê tan (CH4). Cacbon (z=6), có 4e l ớp ngoài cùng và 4 nguyên t ử H để mỗi nguy ên tử này góp cho nó 1 electron làm cho l ớp electron ngo ài cùng đ ủ 8 (hình 1.1c). 1.1.2.2. Liên k ết ion Kim loại nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e các nguy ên tố: VIB (O, S...), VIIB (H, F, Cl, Br, I). Các ô xit kim lo ại như Al2O3, MgO, CaO, Fe 3O4, NiO... có xu th ế mạnh với tạo liên kết ion. 13
Liên kết ion càng mạnh khi lớp ngo ài cùng (cho) ch ứa ít e, nhận nằm c àng gần hạt nhân. Liên kết không định h ướng (định h ướng thì xác suất liên kết lớn nhất theo ph ương nối tâm các nguyên t ử), vật liệu có li ên kết ion thì tính giò n cao. Hình 1.2. Sơ đ ồ biể u diễ n liên kế t ion trong phâ n tử Hình 1.3. Sơ đ ồ liên kế t kim loại 1.1.2.3. Liên k ết kim loại (h ình 1.3) Định nghĩa: là liên kết trong đó các cation kim loại nhấn ch ìm trong đám mây electron t ự do. Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) các ion kim lo ại có vị trí xác đ ịnh. Các nguyên t ố nhóm Ia có tính kim loại điển h ình, càng d ịch sang b ên phải tính chất kim loại c àng giảm, tính đồng hóa trị trong li ên kết càng tăng. Tính chất của kim loại : liên kết này tạo cho kim loại các tính chất điển h ình: Ánh kim hay vẻ sáng, dẫn nhiệt v à dẫn điện tốt v à tính dẻo, dai cao. 1.1.2.4. Liên k ết hỗn hợp Thực ra các li ên kết trong các chất, vật liệu thông dụng th ường mang tính hỗn hợp của nhiều loại. Ví dụ : Na v à Cl có tính âm đi ện lần lượt là 0,9 và 3,0. Vì th ế liên kết giữa Na và Cl trong NaCl g ồm khoảng 52% li ên kết ion và 48% liên k ết đồng hóa trị. 1.1.2.5. Liên k ết yếu (Van der Waals) Do sự khác nhau về tính âm điện tạo th ành và phân tử phân cực. Các cực trái dấu hút nhau tạo ra li ên kết Van der Waals. Liên kết này yếu, rất dễ bị phá vỡ khi tăng nhiệt độ. 1.2. Sắp xếp nguy ên tử trong vật chất 1.2.1. Chất khí Trong ch ất khí có sự sắp xếp nguyên t ử một cách hỗn loạn không có hình d ạng, kích th ước xác định. 1.2.2. Chất rắn tinh thể Chất rắn tinh th ể : Hình 1.4. Sơ đ ồ mạn g tinh thể - Trật tự gần, mà còn có c ả trật tự xa. - Các kiểu mạng tinh thể xác định: lập ph ương, lục giác (hình 1.4) . 1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô định h ình và vi tinh th ể 1.2.3.1. Ch ất lỏng Trong ph ạm vi hẹp (khoảng 0,25nm) các nguy ên tử chất lỏng có xu thế ti ếp xúc (xít) nhau 14
tạo thành các đám nh ỏ, do vậy không co lại khi nén nh ư chất khí, các đám nguy ên tử này luôn hình thành và tan rã. Ch ất lỏng chỉ có trật tự gần, không có trật tự xa. Giữa các đám có khoảng trống do đó mật độ xếp của chất lỏng thấp, khi đôn g đặc thường kèm theo gi ảm thể tích (co ngót). 1.2.3.2. Ch ất rắn vô định h ình Ở một số chất, trạng thái lỏng có độ sệt cao, các nguy ên tử không đủ độ linh hoạt để sắp xếp lại khi đông đặc; chất rắn tạo th ành có c ấu trúc giống nh ư chất lỏng tr ước đó gọi l à chất rắn vô định h ình. Thủy tinh (m à cấu tạo c ơ bản là SiO2) là ch ất rắn vô định h ình. Như vậy về mặt cấu trúc, các chất rắn gồm 2 loại: tinh thể v à vô định hình. Kim lo ại, hợp kim và ph ần lớn các chất vô c ơ, rất nhiều polyme - tinh thể. Tuỳ theo bản chất của vật liệu và tốc độ làm nguội khi đông đặc tinh thể hoặc vô định hình. Thủy tinh nóng chảy, các phân tử SiO2 [trong đó ion O2 - ở các đỉnh khối tứ diện (bốn mặt) tam giác đều, tâm của khối l à ion Si4+ như bi ểu thị ở h ình 1.5a] là m nguội bình thường vô định hình (hình 1.5b); làm ngu ội vô c ùng chậm các phân tử SiO2 có đủ thời gian sắp xếp lại theo trật tự xa sẽ đ ược thủy tinh (có cấu trúc) tinh thể (h ình 1.5c). Hình 1.5. Cấu trúc khối tứ diện [ SiO 4]4- (a), thủy tinh thường SiO2 (b) thủy tinh tinh thể SiO2 (c) 1.2.3.3. Ch ất rắn vi tinh thể Cũng với vật liệu tinh thể kể tr ên khi làm ngu ội từ trạng thái lỏng rất nhanh (tr ên dưới 4 10 độ/s) sẽ nhận đ ược cấu trúc tinh thể nh ưng với kích th ước hạt rất nhỏ (cỡ nm), đó là vật liệu có tên gọi là vi tinh th ể (còn gọi là finemet hay nanomet). Tóm lại các vật liệu có ba kiểu cấu trúc tinh thể (th ường gặp nhất), vô định h ình và vi tinh thể (ít gặp). 1.3. Khái ni ệm về mạng tinh thể Định nghĩa: Mạng tinh thể là mô hình không gian biểu diễn quy luật h ình học của sự sắp xếp nguy ên tử. Phần lớn vật liệu có cấu trúc tinh thể, tính chất rất đa dạng phụ thuộc v ào kiểu mạng. 1.3.1. Tính đ ối xứng Mạng tinh thể mang tính đối xứng, l à một trong những đặc điểm quan trọng, thể hiện cả ở hình dáng bên ngoài, c ấu trúc bên trong c ũ ng như các tính ch ất của vật rắn tinh thể. Tính đối xứng l à tính ch ất hình học khi quay một điểm hay một phần tử xung quanh 1 điểm hay một đ ường với một góc a chúng sẽ tr ùng lặp nhau. Điểm hay đ ường đ ược quay xung quanh đó đư ợc gọi l à tâm hay tr ục đối xứng. Đối xứng qua mặt phẳng đ ược gọi l à đối 15
xứng gương. Gọi n = 2p/a l à bậc đối xứng, chỉ có n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hiệu L 1, L2, L3, L4, L6. 1.3.2. Ô cơ s ở - ký hiệu phương, mặt tinh thể 1.3.2.1. Ô cơ s ở Đ/n: là hình kh ối nhỏ nhất có cách sắp xếp nguy ên tử đại diện cho to àn bộ mạng tinh thể. Do tính đ ối xứng bằng ph ương pháp xoay và t ịnh tiến ta sẽ suy ra toàn b ộ mạng tinh thể. Thông s ố mạng (hằng số mạng ) là kích thư ớc của ô c ơ sở, thường là kích thư ớc các cạn h của ô c ơ sở từ đó có thể xác định toàn bộ kích th ước của ô c ơ sở (hình 1.6) Hình 1.6. Ô cơ sở và hệ tọ a đ ộ 1.3.2.2. Nút m ạng Nút mạng tương ứng với vị trí các nguy ên tử trong mạng tinh thể. 1.3.2.3. Ch ỉ số ph ương Phương là đư ờng thẳng đi qua các nút mạng, đ ược ký hiệu bằng [u v w]; Ba chỉ số u, v, w l à ba số nguyên tỷ lệ thuận với tọa độ của nút mạng nằm tr ên phương đó ở gần gốc tọa độ nhất. Chú ý: Ph ương và m ặt tinh thể có kích th ước vô hạn. Hình 1.7. Cá c phư ơ ng đ iể n hình của Hình 1.8. Cá c mặ t đ iể n hình của hệ lậ p phư ơ ng hệ lậ p phư ơ ng Trên hình 1.7 giới thiệu ba ph ương đi ển hình trong m ạng tinh thể của hệ lập ph ương: Đường chéo khối [111], đ ường chéo mặt [110], đ ường chéo cạnh [100]. Các phương có các giá tr ị tuyệt đối u, v, w giống nhau, tạo n ên họ phương . Ví dụ họ gồm các ph ương sau đây chúng có cùng quy lu ật sắp xếp nguy ên tử: [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [01 1], [101] (các đư ờng chéo). 16
1.3.2.4. Ch ỉ số Miller của mặt tinh thể Mặt tinh thể l à tập hợp các mặt có cách sắp xếp nguy ên tử giống hệt nhau, song song v à cách đều nhau, chúng c ó cùng m ột ký hiệu. Ng ười ta ký hiệu mặt bằng chỉ số Miller (h k l). Các chỉ số h, k, l đ ược xác định theo các b ước như sau: Tìm giao điểm của mặt phẳng tr ên ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz, Xác định tọa độ các giao điểm, rồi lấy các giá trị nghịch đảo, Quy đồng mẫu số, lấy các giá trị của tử số, đó chính l à các ch ỉ số h, k, l Ví dụ , xác định các chỉ số Miller cho các mặt: Mặt Điểm cắt các Nghịch Chỉ số trục đảo 1 1,1,1/2 1,1,2 (112) 2 1,1,1 1,1,1 (111) 3 1,1, 1,1,0 (110) 4 1, , 1,0,0 (100) 5 1,1,2 1,1,1/2 (221) Hình 1.9 Sơ đ ồ ký hiệu mặt tinh thể theo chỉ số M iller Các mặt có các chỉ số giá trị tuyệt đối h, k, l giống nhau tạo nên họ mặt {h k l}. Ví dụ , các mặt hộp tạo n ên họ{100} gồm (100), (010), (001), (100), (010), (001). 1.3.2.5. Chỉ số Miller - Bravàis trong h ệ lục giác Chỉ số Miller - Bravàis với hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (h ình 1.9). Chỉ số Miller - Bravàis được ký hiệu bằng (h k i l), trong đó chỉ số thứ ba i của trục Ou) có quan hệ: i = - (h + k) Hãy thử so sánh hai chỉ số này cho các m ặt trong hệ lục giác đ ược trình bày ở hình 1.10 Mặ t Chỉ số Miller Chỉ số Miller - Bravais ABHG (100) (10 1 0) BCIH (010) (01 1 0) AGLF (110) (1 1 00) ABCDEF (001) (0001) ACIG ( 11 20 ) Cách ký hi ệu theo Miller - Bravàis th ể hiện đ ược các Hình 1.10. H ệ tọa độ trong mặt bên cùng h ọ và cùng cách sắp nguyên tử. h ệ lục giác v à các m ặt 1.3.3. M ật độ nguy ên tử 1.3.3.1. M ật độ xếp Là mức độ dày đặc của nguy ên tử trong m ạng tinh thể. Mật độ xếp theo ph ương (chi ều dài) Ml, theo mặt Ms hay trong toàn b ộ thể tích mạng M v được xác định theo các công th ức: Ml = l / L, Ms = s / S, Mv = v / V Trong đó: - l, s, v lần lượt là chiều dài, diện tích, thể tích bị nguy ên tử (ion) chi ếm chỗ. - L, S, V l ần lượt là tổng chiều d ài, diện tích, thể tích xem xét. 17
1.3.3.2. S ố phối trí (số sắp xếp): Là số lượng nguyên tử cách đều gần nhất một nguy ên tử đã cho. Số sắp xếp c àng lớn chứng tỏ mạng tinh thể c àng dày đ ặc. 1.3.3.3. L ỗ hổng Là không gian tr ống giữa các nguy ên tử (coi nguy ên tử là hình cầu đặc). Kích th ước lỗ hổng được đánh giá bằng đ ường kính hay bán kính quả cầu lớn nhất có thể đặt lọt v ào. 1.4. Cấu trúc tinh thể điển h ình của chất rắn 1.4.1. Chất rắn có li ên kết kim loạ i (kim lo ại nguy ên chất) Đặc tính cấu trúc của kim loại l à: nguyên t ử (ion) luôn có xu h ướng xếp xít chặt với kiểu mạng đơn giản (như lập phương tâm m ặt, lập ph ương tâm kh ối, lục giác xếp chặt). 1.4.1.1. L ập phương tâm kh ối A2 Ô cơ sở là hình lập phương, c ạnh bằng a, các nguy ên tử (ion) nằm ở các đỉnh v à tâm kh ối (hình 1.10a, b và c). S ố lượng nguyên tử cho mỗi ô: n v = 8 đỉnh. 1/8 + 1 giữa = 2 nguyên t ử Hình 1.10. Ô cơ sở mạng lập ph ương tâm khối (a, b), các lỗ hổng (c) v à cách xếp các mặt tinh thể {100} và {110} (d) Thường dùng cách vẽ tượng trưng (hình c). Nguyên t ử nằm xít nhau theo ph ương , do đó: 3 - Đường kính nguy ên tử d ng .t a số sắp xếp l à 8. 2 Các mặt tinh thể xếp d ày đặc nhất là họ {110}. Mật độ xếp thể tích M v = 68%. Có hai loại lỗ hổng: h ình 4 m ặt và hình 8 m ặt như trình bày ở hình d. Lo ại 8 mặt có kích thước bằng 0,154 dng.tu nằm ở tâm các mặt b ên {100} và gi ữa các cạnh a. Loại 4 mặt có kích th ước lớn hơn một chút, bằng 0,291 d nguyên tử nằm ở 1/4 tr ên cạnh nối điểm giữa các c ạnh đối diện của các mặt bên. Như vậy trong mạng A2 có nhiều lỗ hổng nh ưng kích thư ớc đều nhỏ, lớn nhất cũng không quá 30% kích th ước (đường kính) nguy ên tử . Các kim lo ại có kiểu mạng A1 th ường gặp l à: Fea, Cr, Mo, W. Mạng chính ph ương tâm kh ối chỉ khác mạng A2 ở a = b c 18
1.4.1.2. L ập phương tâm m ặt A1 Khác với kiểu mạng A2 l à thay cho nguyên t ử nằm ở trung tâm khối l à nguyên t ử nằm ở trung tâm các m ặt bên, như bi ểu thị ở các h ình 1.11a, b và c. Hình 1.11. Ô cơ sở mạng lập ph ương tâm mặt (a, b), các lỗ hổng (c) và cách xếp các mặt tinh thể {100} v à {111} (d) +Số nguyên tử trong 1 ô l à : nv = 8 đ ỉnh. 1/8 + 6 mặ t. 1/2 = 4 nguy ên tử . +Trong m ạng A1, các nguy ên tử xếp xít nhau theo ph ương đư ờng chéo mặt , do đó: 2 đường kính d ng .t số sắp xếp l à 12. a 2 +Các mặt tinh thể d ày đặc nhất l à họ {111}. Mật độ xếp thể tích M v =74%, mạng A1 n ày là kiểu xếp dày đặc hơn A2 và là m ột trong hai kiểu xếp d ày đặc nhất. Có 2 loại lỗ hổng h ình 4 m ặt và hình 8 m ặt như trình bày ở các hình 1.11c. Lo ại bốn mặt có kích thư ớc 0,225 d ng.t (đỉnh 1 và tâm ba m ặt 2,3,4). Đáng chú ý l à loại lỗ hổng h ình tám mặt, nó có kích th ước lớn h ơn cả, bằng 0,414d ng.t, nằm ở trung tâm khối và giữa các cạnh a. So với mạng A2, mạng A1 tuy d ày đặc hơn song số lượng lỗ hổng lại ít h ơn mà kích thư ớc lỗ hổng lại lớn h ơn hẳn (0,225 v à 0,41 so v ới 0,154 v à 0,291). Chính đi ều này (kích thư ớc lỗ hổng) mới l à yếu tố quyết định cho sự h òa tan d ưới dạng xen kẽ. Khá nhi ều kim loại điển h ình có ki ểu mạng n ày: sắt (Feg), Ni, Cu, Al v ới hằng số a mạng lần lượt bằng 0,3656, 0,3s524, 0,3615, 0,4049nm; ngo ài ra còn có Pb, Ag, Au. 1.4.1.3. L ục giác xếp chặt A3 Các nguyên t ử nằm tr ên 12 đỉnh, tâm của 2 mặt đáy v à tâm c ủa ba khối lăng trụ tam giác cách đều nhau (h ình 1.12a, b và c). Số lượng nguyên tử trong 1 ô: nv = 12 đỉnh/6 + 2 giữa mặ t/2 + 3 tâm = 6 nguy ên tử Nguyên t ử xếp xít nhau theo các mặt đáy (0001). 3 nguy ên tử ở giữa song song với mặt đáy sắp xếp nguy ên tử giống nh ư 2 mặt đáy, nh ưng nằm ở các h õm cách đều nhau ( hình 1.12d). M ạng lục giác xếp chặt th ì c/a = 8 / 3 hay 1,633. 19
Hình 1.12. Ô c ơ sở mạng lục giác xếp chặt (a,b,c) v à cách xếp các mặt tinh thể {0001}(d) Tuy nhiên trong th ực tế c/a có x ê dịch nên quy ư ớc: c/a = 1,57 1,64 thì m ạng được coi l à xếp chặt, 1,57 < c/a < 1,64 không xếp chặt. Các kim lo ại có kiểu mạng n ày ít thông d ụng hơn là: Ti với a = 0,2951nm, c = 0,4679nm, c/a = 1,5855 (xếp chặt), Mg với a = 0,3209nm, c = 0,5210nm, c/a = 1,6235 (xếp chặt), Zn với a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, c/a = 1,8590 (không x ếp chặt). 1.4.2. Chất rắn có li ên kết đồng hóa trị 1.4.2.1. Kim cương A4 Kim cương là m ột dạng tồn tại (th ù hình) c ủa cacbon với cấu h ình electron là 1s2 2s2 2p 2, vậy số e l ớp tham gia li ên kết là N = 4, s ố sắp xếp sẽ l à 4 tức là mỗi một nguy ên tử cacbon có 4 nguyên t ử bao quanh gần nhất. Hình 1.14. ô cơ sở của mạng tinh thể kim c ương (a), v ị trí các nguy ên tử (b) và liên kết (c) Ô cơ sở mạng kim c ương (hình 1.14a), được tạo thành trên cơ s ở của ô c ơ sở A1 có th êm bốn nguyên tử bên trong với các tọa độ (xem h ình 1.14b): 1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2); 1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4). n ằm ở tâm của bốn khối 1/8 cách đều nhau. Các nguyên t ử cacbon đều có li ên kết đồng hóa tr ị với năng l ượng lớn n ên kim cương có độ cứng rất cao (cao nhất trong thang độ cứng). 1.4.2.2. M ạng grafit Có mạng lục giác lớp (h ình 1.15a), trong m ột lớp khoảng cách giữa các nguy ên tử a=0,246nm, liên k ết đồng hoá trị. Khoảng cách giữa các lớp c = 0,671nm, tương ứng với li ên kết yếu V àn der Waals, grafit r ất dễ bị tách lớp, rất mềm, nó đ ược coi nh ư là một trong những chất rắn có độ cứng thấp nhất. 1.4.2.3. C ấu trúc của sợi cacbon v à fullerene Phân tử cacbon C 60 gọi là fullerene do hai nhà khoa h ọc H. Kroto (Anh) và R. Smalley (Mỹ ) tạo ra 1985 (Nobel năm 1995) (h ình 1.15c): 60 nguyên t ử C nằm trên mặt cầu gồm 12 ngũ giác và 20 lục giác đều, nằm xen kẽ nhau tạo đối xứng tr òn, ứng với độ bền v à độ cứng rất cao của nó chắc chắn hứa hẹn sẽ có những ứn g dụng kỳ lạ trong kỹ thuật. 20