08/2010 Vật liệu kim loại Giảng viên: Hoàng Văn Vương Mở đầu 0.1 Khái niệm khoa học vật liệu 0.2 Vật liệu 0.3 Phân loại vật liệu 0.4 Lịch sử phát triển vật liệu 08/2010 0.1 Khái niệm khoa học vật liệu • Khoa học vật liệu khoa học liên ngành nghiên cứu mối quan hệ thành phần, cấu trúc, công nghệ chế tạo, xử lý tính chất vật liệu: - Liên ngành nghiên cứu: + Vật lý, Hóa học, Tốn học - Nghiên cứu về: + Cấu trúc; tính chất điện, từ, nhiệt, quang, → Tạo vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc 0.2 Vật liệu • Vật liệu vật rắn sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng cơng trình… 08/2010 0.3 Phân loại vật liệu • • • • • Có bốn nhóm vật liệu chính: Vật liệu kim loại Vật liệu ceramic Vật liệu Polyme Vật liệu Composit VL bán dẫn VL siêu dẫn Silicon VL polyme dẫn điện 0.3 Phân loại vật liệu • - + + + + • + + + + Vật liệu kim loại VD: + Thép: C20; C45; 40Cr;18CrMnTi; SKD61, SKD11 + Đồng thau (Latông): LCuZn30 + Dura: AlCu4Mg1,2 Các tính chất điển hình vật liệu kim loại: Dẫn nhiệt, dẫn điện cao, Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường qua Dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép), Có độ bền học, bền hóa học Ceramic (vật liệu vơ cơ) Vật liệu có nguồn gốc vơ cơ, hợp chất kim loại, silic với kim (ơxit, nitrit, cacbit), bao gồm khống vật đất sét, ximăng, thủy tinh Các tính chất điển hình vật liệu vô - ceramic: Rẻ rẻ; Khá nặng; Dẫn nhiệt dẫn điện (cách nhiệt cách điện); Cứng, giòn, bền nhiệt độ cao, bền hóa học vật liệu kim loại vật liệu hữu 08/2010 0.3 Phân loại vật liệu • + + + + + • - Polyme (vật liệu hữu cơ) Vật liệu phần lớn có nguồn gốc hữu mà thành phần hóa học chủ yếu cacbon, hyđrơ kim, có cấu trúc đại phân tử Liên kết cao phân tử liên kết yếu Ví dụ: - PE - PVC Các tính chất điển hình vật liệu hữu - polyme: Rẻ rẻ, Dẫn nhiệt, dẫn điện kém, Khối lượng riêng nhỏ, Dễ uốn dẻo, đặc biệt nhiệt độ cao, Bền vững hóa học nhiệt độ thường khí quyển; nóng chảy, phân hủy nhiệt độ tương đối thấp Vật liệu compozit Là kết hợp hai hay ba loại vật liệu kể trên, mang đặc tính tốt vật liệu thành phần Ví dụ bêtơng cốt thép (vô - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao (như bêtông) Hiện dùng phổ biến compozit hệ kép: kim loại - polyme, kim loại ceramic, polyme - ceramic với tính chất lạ, hấp dẫn 0.4 Lịch sử phát triển vật liệu • Thời kỳ đồ đá: 2triệu năm trước • Thời kỳ đồ đồng: 3300-1200 TCN • Thời kỳ đồ sắt: Từ 1200 TCN 08/2010 Chương Cấu trúc tinh thể hình thành 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử vật rắn 1.2 Khái niệm mạng tinh thể 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.4 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại Chương Cấu trúc tinh thể hình thành 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử vật rắn Cấu tạo nguyên tử: gồm electron chuyển động xung quanh hạt nhân (p, n): - Số lượng tử chính: n = 1, 2, 3, 4, K, L, M, N… - Số lượng tử quỹ đạo l = 0, 1, 2, (n-1) - Số lượng tử từ ml = 0, ±1, ±2, ±3…±l - Số lượng tử spin ms = ±1/2 Ví dụ: Cu có Z = 29: 1s22s22p63s23p63d104s1 08/2010 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử kim loại Các dạng liên kết vật rắn a) Liên kết đồng hóa trị (LKĐHT): Hình thành ngun tử góp chung điện tử hóa trị - Liên kết có tính định hướng - LKĐHT phân cực - LKĐHT không phân cực Clo Z = 17: 1s22s22p63s23p5 Cacbon: Z = 6: 1s22s22p2 Nitơ: Z = 7: 1s22s22p3 Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hoá trị a) Phân tử Clo, b) Metan c) NH4+ 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử kim loại Các dạng liên kết vật rắn b) Liên kết ion: Hình thành lực hút tĩnh điện nguyên tử, nguyên tử dễ nhường e hóa trị (ion dương), nguyên dễ nhân e hóa trị (ion âm) - Liên kết khơng có tính định hướng Clo Z = 17: 1s22s22p63s23p5 Natri Z = 11: 1s22s22p63s1 08/2010 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử kim loại Các dạng liên kết vật rắn c) Liên kết kim loại: Hình thành tương tác tĩnh điện điện tử tự ion dương mạng tinh thể Đặc trưng cho kim loại: - Tính ánh kim - Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt - Tính dẻo cao 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử kim loại Các dạng liên kết vật rắn d) Liên kết hỗn hợp: hình thành vật liệu có nhiều nguyên tố tham gia liên kết - Liên kết ion - đồng hóa trị: hợp chất muối NaCl; NaF - Liên kết kim loại - đồng hóa trị: kim loại chuyển tiếp: W; Cr - Liên kết kim loại – Ion : NaZn13 - Fe5Zn12 – liên kết kim loại 08/2010 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử kim loại Các dạng liên kết vật rắn e) Liên kết yếu (Van De Waals): hình thành tương tác phân tử bi phân cực Chương Cấu trúc tinh thể hình thành 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Mạng tinh thể gồm nhóm nguyên tử xếp có trật tự vị trí xác định Tính đối xứng mạng tinh thể: - Tâm đối xứng - Mặt đối xứng - Trục đối xứng, n = 2π/ α bậc trục đối xứng: 1, 2, 3, 4, 08/2010 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Ơ sở: hình khơng gian tích nhỏ đặc trưng cho tính đối xứng mạng tinh thể - Tịnh tiến ô sở theo ba chiều khơng gian xây dựng tồn mạng tinh thể Biểu diễn ô sở không gian → → → - Ba véc tơ đơn vị (hằng số mạng): a b c - Các góc α, β, γ hợp vectơ đơn vị → thông số gọi số cấu trúc mạng 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Ô sở: Trong 3D có bảy hệ tinh thể khác Ba nghiêng (tam tà) Một nghiêng (đơn tà) Trực thoi Ba phương (mặt thoi) Sáu phương (lục giác) Chính phương (bốn phương) Lập phương a≠b≠c a≠b≠c a≠b≠c a=b=c a=b≠c a=b≠c a=b=c α≠β≠γ α = β = 900 ≠ γ α = β = γ = 900 α = β = γ ≠ 900 α = β = 900, γ = 1200 α = β = γ = 900 α = β = γ = 900 08/2010 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Chỉ số Miller nút mạng, phương mạng mặt nguyên tử Nút mạng: để biểu thị tọa độ nguyên tử → → → → OM = na a + nb b + nc c [[na, nb, nc]] số Miller nút mạng M - Trị số âm biểu thị dấu “-” đầu Chỉ số nút mạng: A [[0,0,1]] B [[1,0,0]] C [[1,1,1]] D [[0,1/2,0]] 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Chỉ số Miller nút mạng, phương mạng mặt nguyên tử Phương mạng: - Đường thẳng qua nút mạng - Hai phương song song có số nút mạng (cùng cách xếp NT) - Kí hiệu [uvw] - Họ phương - Quy tắc xác định số phương: + Qua gốc O kẻ phương OM song song với phương cần xác định; + Xác định chí số nút mạng M[[na, nb, nc]]; + Quy đồng mẫu số chung nhỏ (nếu cần) cho toạ độ: na, nb, nc; + Tử số phân số sau quy đồng u, v, w số Miller [u v w] phương cho Chỉ số Miller phương: OE [101] OB [111] OH [010] 08/2010 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Chỉ số Miller nút mạng, phương mạng mặt nguyên tử Mặt tinh thể: - Mặt phẳng chứa nút mạng không qua gốc tọa độ - Hai mặt song song có số Miller - Kí hiệu (hkl) - Họ mặt {hkl} - Quy tắc xác định số mặt (h k l): + Xây dựng mặt phẳng P song song với mặt cần xác định; + Tìm toạ độ giao điểm [[na,0,0]]; [[0,nb,0]]; [[0,0,nc]] P ba trục Ox, Oy, Oz; + Lấy giá trị nghịch đảo na, nb, nc, quy đồng mẫu số chung; + Các giá trị tử số, số h, k, l tương ứng cần tìm Chỉ số Miller mặt: ABEF (100) ABCH (010) EBCD (001) DFH (111) 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Chỉ số Miller – Bravais mạng sáu phương - Trong hệ tọa độ có bốn trục Ox, Oy, Oz, Ou - Kí hiệu (hkil) i = - (h + k) Chỉ số Miller mặt: ABHG BCIH GHIKLM AGMF ACIH (100) (010) (001) (110 ) (110) (1010) (0110) (0001) (1100) (1120) 08/2010 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Mật độ nguyên tử - Mật độ xếp theo phương: Ml = l/L - Mật độ xếp theo mặt Ms = s/S - Mật độ xếp theo thể tích Mv = v/V Trong đó: - l, s, v: chiểu dài, diện tích, thể tích nguyên tử chiếm chỗ - L, S, V: chiểu dài, diện tích, thể tích đem xét Số xếp (số phối trí) - Số lượng nguyên tử cách gần nguyên tử cho Lỗ hổng - Không gian trống bị giới hạn nguyên tử mạng tinh thể - Lỗ hỏng tám mặt 8m lỗ hổng bốn mặt 4m Chương Cấu trúc tinh thể hình thành 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại a) Mạng lập phương tâm mặt A1 - Ô sở hình lập phương cạnh a - Số nguyên tử ô sở nv = Phương xếp sít Mặt xếp xít {111} Bán kính nguyên tử rnt = a√2/4 Mật độ Mv = v/V = 74% (Ml, Ms = ?) 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại a) Mạng lập phương tâm mặt A1 - Lỗ hổng 4m: + Vị trí: ¼ đường chéo khối + n4m = + d4m = 0,225dnt - Lỗ hổng 8m: + Vị trí: tâm khối trung điểm cạnh bên + n8m = + d8m = 0,414dnt Kim loại có kiểu mạng A1: Feγ, Au, Ag, Al, Ni, Cu… 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại b) Mạng lập phương tâm khối A2 - Ô sở hình lập phương cạnh a - Số nguyên tử ô sở nv = Phương xếp sít Mặt xếp xít {110} Bán kính nguyên tử rnt = a√3/4 Mật độ Mv = v/V = 68% (Ml, Ms = ?) 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại b) Mạng lập phương tâm khối A2 - Lỗ hổng 4m: + Vị trí: ¼ đường nối trung điểm cạnh đối diện mặt bên + n4m = 12 + d4m = 0,291dnt - Lỗ hổng 8m: + Vị trí: tâm mặt trung điểm cạnh bên + n8m = + d8m = 0,154dnt Kim loại có kiểu mạng A2: Fe α, Cr, Mo, W, V,… 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.1 Mạng tinh thể điển hình vật liệu kim loại c) Sáu phương xếp chặt A3 - Ô sở khối lăng trụ lục giác cạnh a, chiều cao c - Số nguyên tử ô sở nv = - Phương xếp sít < 1120 > - Mặt xếp xít (0001) - Bán kính nguyên tử rnt = a/2, c/a = 1,633 - Mật độ Mv = v/V = 74% Kim loại có kiểu mạng A3: Ti α, Zn, Mg, Be, Cd, Zr,… 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.2 Một số mạng tinh thể điển hình vật liệu phi kim a) Chất rắn có liên kết cộng hóa trị - Tinh thể kim cương A4: Ô sở mạng A1, nt bên - Kiểu mạng graphit A3: Cấu trúc sợi, ống cacbon fullerene 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.2 Một số mạng tinh thể điển hình vật liệu phi kim b) Chất rắn có liên kết ion - Ion NaCl C) Cấu trúc polymer 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể K/N: Các nguyên tử nằm sai vị trí quy định → a/h đến tính chất vật liệu Phân loại: sai lệch điểm, sai lệch đường, sai lệch mặt a) Sai lệch điểm - Có kích thước nhỏ theo chiều không gian, gồm: nút trống, nguyên tử xen kẽ, tạp chất Nút trống Xen kẽ Tạp chất 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể K/N: Các nguyên tử nằm sai vị trí quy định → a/h đến tính chất vật liệu Phân loại: sai lệch điểm, sai lệch đường, sai lệch mặt a) Sai lệch đường – Lệch (Dislocation) Có kích thước nhỏ theo chiều lớn theo chiều thứ 3: Lệch biên lệch xoắn Lệch biên (edge dislocation, line dislocation): Chèn thêm nửa mặt vào nửa tinh thể lý tưởng - Véc tơ Burger: đóng kín vịng burger vẽ mặt phẳng trục lệch, chuyển từ tinh thể khơng có lệch sang tinh thể có lệch → b ⊥ AB 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể b) Sai lệch đường – Lệch (Dislocation) Lệch xoắn (screw dislocation): - Hai phần mạng tinh thể trượt tương số mạng - Các nguyên tử vùng AD BC xếp có dạng đường xoắn ốc → - Véc tơ Burger: b// AD 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể b) Sai lệch đường – Lệch Các đặc trưng hình thái lệch: - Mật độ lệch ρ: Trong đó: l chiều dài trục lệch, V thể tích khối xem xét - Phụ thuộc vào độ trạng thái gia công: + Đơn tinh thể siêu sạch: ρ < 10-3 + Sợi đơn tinh thể có đượng kính vài micromet: chứa vài lệch + Đơn tinh thể trạng thái ủ: ρ < 104 - 106 + Đa tinh thể trạng thái ủ: ρ < 108 + Kim loại sau biến dạng mạnh: ρ < 1011 – 1012 - Dịch chuyển lệch: theo phương, mặt thường phương mặt trượt - Ý nghĩa lệch: + Lệch biên ảnh hưởng lớn đến biến dạng dẻo (dễ trượt, tăng bền) + Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh kết tinh 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể c) Sai lệch mặt: Đơn tinh thể đa tinh thể Đơn tinh thể: - Khối vật liệu đồng có kiểu số mạng số mạng, có phương khơng đổi tồn thể tích vật liệu - Bề mặt ngồi nhẵn, hình dáng xác định - Các đơn tinh thể kim loại tự nhiên không tồn tại, cần nuôi đơn tinh thể: Zôranxki Flux - Có tính dị hướng, theo hướng khác nhau, mật độ xếp tính chất khác - Sử dụng công nghiệp bán dẫn kỹ thuật điện 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể c) Sai lệch mặt: Đa tinh thể: - Tập hợp nhiều đơn tinh thể (hạt tinh thể) liên kết với ranh giới gọi biên hạt - Do định hướng ngẫu nhiên hạt nên phương mạng hạt ln lệch với góc đó; - Tại vùng biên giới hạt mạng tinh thể bị xơ lệch - Đa tinh thể có tính đẳng hướng 08/2010 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể c) Sai lệch mặt: Đa tinh thể: - Xác định độ hạt + Xác định tiết diện ngang hạt + Xác định đường kính trung bình hạt + So sánh với số hạt đơn vị diện tích ảnh tổ chức với mẫu chuẩn x100 - Siêu hạt: hạt có phương mạng lệch góc nhỏ (< 1-20), gọi biên giới siêu hạt 1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể c) Sai lệch mặt: - Biên giới hạt: vùng hạt đa tinh thể pha - Biên giới pha: vùng pha đa tinh thể đa pha - Bề mặt tinh thể 08/2010 Chương Cấu trúc tinh thể hình thành 1.4 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.4.1 Điều kiện kết tinh a) Cấu trúc trạng thái lỏng: Vơ định hình - Có trật tự gần, cân động - Cấu trúc gần trạng thái rắn - Các đám nguyên tử tâm mầm kết tinh 1.4 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.4.1 Điều kiện kết tinh b) Biến đổi lượng kết tinh: + T > T0: GL < GR + T < T0: GL > GR + T = T0: trình kết tinh chưa xảy + T0: nhiệt độ kết tinh (đông đặc) c) Độ nguội: ΔT = T – T0 Điều kiện kết tinh: ΔT < 0, ΔG < 08/2010 1.4 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.4.2 Hai trình kết tinh a) Tạo mầm - Mầm phần tử rắn có cấu trúc tinh thể, kích thước đủ lớn phát triển lên thành hạt tinh thể - Mầm tự sinh: r > rth = 2σ/ΔGv - Mầm ký sinh: hạt rắn chất lỏng, nhấp nhô thành khuôn đúc b) Phát triển mầm: nguyên tử chất lỏng bám bề mặt mềm, đặc biệt bậc lệch xoắn 1.4 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.4.3 Sự hình thành hạt tinh thể - Mỗi mầm phát triển tạo thành hạt, hạt phát triển trước to - Các hạt định hướng ngẫu nhiên, không đẳng hướng - Vùng biên hạt mạng tinh thể bị xô lệch (sai lệch mặt) 08/2010 1.4 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.4.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ đúc - Kích thước hạt (A) phụ thuộc vào tốc độ sinh mầm (n) phát triển mầm (v) ⎛v⎞ A = 1,1 ⎜ ⎟ ⎝n⎠ - ΔT < ΔT1 (103 0C/s): ΔT tăng n v tăng → Kích thước hạt nhỏ - ΔT1 < ΔT < ΔT2: ΔT tăng, n tăng, v giảm → Vật liệu nano - ΔT > ΔT2: ΔT tăng, n giảm, v tăng → Vật liệu vô định hình → Tăng tốc độ nguội làm nhỏ hạt (Đúc khuôn kim loại khuôn cát) 1.4 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.4.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ đúc Biến tính: Thêm vào kim loại lỏng lượng nhỏ chất biến tính làm nhỏ hạt, thay đổi hình dạng hạt - Tạo mầm ngoại lai: kim loại có kiểu mạng, gần giống nhau: FeSi (gang) Chất tạo oxit, nitrit: Al2O3, AlN đúc thép - Hấp thụ Na cho hợp kim nhơm đúc (silumin) - Cầu hóa graphit: Mg, Ce, ngun tố đất Tác động vật lý: rung siêu âm, đúc ly tâm 08/2010 1.4 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.4.5 Cấu tạo thỏi đúc a) Ba vùng tinh thể thỏi đúc - Lớp vỏ hạt nhỏ mịn - Lớp tiếp theo, hạt tương đối lớn hình trụ vng góc với thành khn - Vùng hạt lớn đẳng trục b) Khuyết tật thỏi đúc - Rỗ co, lõm co kim loại kết tinh co lại không bù - Rỗ khí, khí hịa tan khơng kịp - Thiên tích, khơng đồng thành phần tổ chức tích tụ tạp chất ... ACIH (1 0 0) (0 1 0) (0 0 1) (1 10 ) (1 1 0) (1 01 0) (0 11 0) (0 00 1) (1 10 0) (1 12 0) 08/2010 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Mật độ nguyên tử - Mật độ xếp theo phương: Ml = l/L - Mật độ xếp theo mặt Ms = s/S - Mật... tinh thể pha - Biên giới pha: vùng pha đa tinh thể đa pha - Bề mặt tinh thể 08/2010 Chương Cấu trúc tinh thể hình thành 1.4 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.4 .1 Điều kiện kết tinh a)... nguyên tử kim loại Các dạng liên kết vật rắn e) Liên kết yếu (Van De Waals): hình thành tương tác phân tử bi phân cực Chương Cấu trúc tinh thể hình thành 1.2 Khái niệm mạng tinh thể Mạng tinh thể gồm