bài giảng môn Vật liệu học

1

MC LC
mở đầu
4
Chơng 1 cấu trúc tinh thể v sự hình thnh 6
1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử 6
1.1.1. Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn 6
1.2. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất 8
1.2.1. Chất rắn tinh thể 8
1.2.2. Chất rắn vô định hình và vi tinh thể 8
1.3. Khái niệm về mạng tinh thể 9
1.3.1. Tính đối xứng 9
1.3.2. Ô cơ sở - ký hiệu phơng, mặt 9
1.3.3. Mật độ nguyên tử 11
1.4. Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 12
1.4.1. Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất) 12
1.4.2. Chất rắn có liên kết đồng hóa trị 14
1.5. Sai lệch mạng tinh thể 16
1.5.1. Sai lệch điểm 17
1.5.2. Sai lệch đờng - Lệch 17
1.5.3. Sai lệch mặt 18
1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể 18
1.6.1. Đơn tinh thể 18
1.6.2. Đa tinh thể 18
1.7. Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại 20
1.7.1. Điều kiện xảy ra kết tinh 20
1.7.2. Hai quá trình của sự kết tinh 21
1.7.3. Sự hình thành hạt 21
1.7.4. Các phơng pháp tạo hạt nhỏ khi đúc 22
1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc 23

CHƯƠNG 2: BIếN DạNG DẻO V CƠ TíNH 25
2.1. Biến dạng dẻo và phá hủy 25
2.1.1. Khái niệm 25
2.1.2. Trợt đơn tinh thể 27
2.1.3. Trợt đa tinh thể 29
2.1.4. Phá hủy 31
2.2. Các đặc trng cơ tính thông thờng và ý nghĩa 33
2.2.1. Độ bền (tĩnh) 33
2.2.2. Độ dẻo 36
2.2.3. Độ dai va đập 36
2.2.4. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng: 38
2.2.5. Độ cứng 38
2.3. Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng 40
2

2.3.1. Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo 40
2.3.2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng 40
2.3.3. Biến dạng nóng 42
CHơNG 3 Hợp kim v giản đồ pha 44
3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim 44
3.1.1. Khái niệm về hợp kim 44
3.1.2. Dung dịch rắn 46
3.1.3. Pha trung gian 48
3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử 49
3.2.1. Giản đồ pha và công dụng 49
3.2.2. Giản đồ loại I 51
3.3. Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe
3
C) 53
3.3.1. Tơng tác giữa Fe và C 53

3.3.2. Giản đồ pha Fe - Fe
3
C 54
3.3.3. Phân loại 59
CHƯƠNG 4 NHIệT LUYệN THéP 62
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép 62
4.1.1. Sơ lợc về nhiệt luyện 62
3.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí 63
4.2. Các tổ chức đạt đợc khi nung nóng và làm nguội thép 63
4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit 64
4.2.2. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt 66
4.2.3. Các chuyển biến của austenit khi làm nguội chậm 66
4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram) 72
4.3. ủ và thờng hóa thép 73
4.3.1. ủ thép 73
4.3.2. Thờng hóa thép 76
4.4. Tôi thép 77
4.4.1. Định nghĩa và mục đích 77
4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép 77
4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 78
4.4.4. Các phơng pháp tôi thể tích và công dụng. Các môi trờng tôi (tôi thể
tích) 79

4.5. Ram thép 82
4.5.1. Mục đích và định nghĩa 82
4.5.2. Các phơng pháp ram 82
4.6. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép 83
4.7. Tôi bề mặt: 84
4.7.1. Tôi cảm ứng: 84
CHơNG 5: thép v gang 88

5.1 Khái niệm chung về thép: 88
3

5.1.1. Khái niệm về thép C: 88
5.1.2. Thép hợp kim: 91
5.1.3. Thép kết cấu: 94
5.2. Thép dụng cụ và đặc biệt: 97
5.2.1. Thép dụng cụ: 97
5.2.2. Thép đặc biệt: 101
5.3. Gang: 103
5.3.1.Gang xám: 103
5.3. 2. Gang cầu: 104
5.3.3. Gang dẻo: 105
Chơng 6. Hợp kim mu 106
Kim loại đen Fe & HK Fe-C 106
6.1. Hợp kim nhôm: 106
6.1.1. Nhôm nguyên chất: 106
6.1.2. Hợp kim nhôm biến dạng : (hoá bền bằng NL) 107
6.1.3. Hợp kim nhôm đúc: HK trên cơ sở Al-Si

Silumin 108
6.2. Hợp kim đồng: 108
6.2.1. Đồng nguyên chất : 108
6.2.2. Latông: Hợp kim Cu- Zn ( chủ yếu) 108
6.2.3. Brông: 109
6.3. Hợp kim bột: 110
6.3.1. Khái niệm chung: 110
6.3.2. Vật liệu cắt và mài: 110
Chơng 7. Vật liệu phi kim7.1. Vật liệu vô cơ: 111
7.1.2 Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh: 114

7.1.3 Gốm và vật liệu chịu lửa: 115
7.1.4. Bêtông và ximăng: 117
7.2. Vật liệu kết hợp ( composit) 118
7.2.1. Khái niệm: 118
7.2.2. Liên kết nền- cốt: 119
7.2.3. Composit cốt hạt: 119
7.2.4. Composit cốt sợi: 121
7.3.5. Một số composit thông dụng: 124











4

mở đầu

1. Khái niệm về vật liệu
Vật liệu những vật rắn mà con ngời sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây
dựng công trình và ngay cả để thay thế các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật.
Nh vậy tất cả các chất lỏng, khí cho dù rất quan trọng song cũng không phải là đối tợng
nghiên cứu của môn học.
Khoa học Vật liệu : nghiên cứu quan hệ cấu trúc và tính chất
Kỹ thuât Vật liệu : thiết kế ( tạo ra) những cấu trúc mới đạt đợc các tính chất mong
muốn











- Dựa theo cấu trúc - tính chất đặc trng, ngời ta phân biệt bốn nhóm vật liệu chính :
1. bán dẫn, 2. siêu dẫn,
3. silicon,
4. polyme dẫn điện

Vật liệu kim loại: là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố kim loại, cấu trúc mạng tinh thể
Các tính chất chung:
- dẫn nhiệt, dẫn điện cao,
- có ánh kim, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trng
- dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép),
- bền cơ học, nhng kém bền hóa học.
5

Ceramic (vật liệu vô cơ): có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim (ôxit, nitrit,
cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh.
Các tính chất điển hình là:
- dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện),
- cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao
- bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ.
Polyme (vật liệu hữu cơ): có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu là cacbon, hyđrô và
các á kim, có cấu trúc đại phân tử.
Các tính chất điển hình của :
- rẻ và khá rẻ,
- dẫn nhiệt, dẫn điện kém,
- khối lợng riêng nhỏ,
- nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao,
- bền vững hóa học ở nhiệt độ thờng và trong khí quyển;
- nóng chảy, phân hủy ở nhiệt độ tơng đối thấp.
Compozit: tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả ba loại vật liệu kể trên, mang hầu nh các đặc
tính tốt của các vật liệu thành phần.
Ví dụ bêtông cốt thép (vô cơ - kim loại) vừa chịu kéo tốt (nh thép) lại chịu nén cao (nh bêtông).
Ngoài ra có những nhóm trung gian:
- bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao (nằm trung gian giữa kim loại và ceramic )
- silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ ( gần với vật liệu hữu cơ)
2. Vai trò của vật liệu

Cần thiết trong mọi lĩnh vực của cuộc sống:
- Điện ( pin, pin mặt trời.)
- Điện tử viễn thông: cáp quang, bảng mạch, vi mạch
- Môi trờng: chất xử lý nớc thải, chất làm trong sạch môi trờng
- Sinh học và CN sinh học: chất tăng trởng, chất thay thế trong cơ thể con ngời.
- Chế tạo các chi tiết máy
- Dụng cụ thể thao.

Sự phát triển của xã hội loài ngời gắn liền với sự phát triển của công cụ sản xuất và kỹ thuật
quyết định một phần lớn nhờ vật liệu.
- Xã hội loài ngời phát triển qua các thời kỳ khác nhau gắn liền với vật liệu
Thòi kỳ đồ sắt: 1000-3000 năm trớc
Thép và bê tông: 100-1000 năm trớc
Polymer: những năm 1900
Silicon: khoảng 1960
Hiện nay: Vật liệu sinh học và vật liệu cấu trúc nanô
3. Nội dung môn học
- Nghiên cứu 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.
- Cấu trúc : sự sắp xếp của các thành phần bên trong.
Cấu trúc vĩ mô và vi mô.
6

Cấu trúc vĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắp xếp của các phần tử lớn
với kích thớc quan sát đợc bằng mắt thờng (giới hạn khoảng 0,3mm) hoặc bằng kính lúp
(0,01mm).
Cấu trúc vi mô (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân tử với kích
thớc cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể với sự giúp đỡ của kính hiển vi quang học (phân ly đợc
tới giới hạn cỡ 0,15

m) hay kính hiển vi điện tử (cỡ chục nanômet (10nm).
Thờng gặp : tổ chức tế vi quang học cho phép.
Tính chất bao gồm:
- cơ học (cơ tính)
- vật lý (lý tính)
- hóa học (hóa tính)
- công nghệ và sử dụng.
- tính kinh tế
Môn học Vật liệu đại cơng gồm bốn phần chính:
- Cấu trúc và cơ tính: trình bày các nguyên lý chung về mối quan hệ giữa cấu trúc và cơ tính
cho vật liệu nói chung, 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: trình bày các tổ chức của hợp kim cũng nh các biến đổi pha
và tổ chức dạng điển hình và quan trọng nhất, thiết thực nhất là nhiệt luyện thép.
- Vật liệu kim loại: trình bày tổ chức, thành phần hóa học, cơ tính, chế độ nhiệt luyện và công
dụng của các mác thép, gang, hợp kim màu và bột .
- Vật liệu phi kim loại: trình bày cấu trúc, thành phần hóa học, cơ tính, các phơng pháp tạo
hình và công dụng của ceramic, polyme và compozit.
Cần nhấn mạnh là sử dụng hợp lý vật liệu là một trong những mục tiêu quan trọng hàng đầu
của môn học, không thể tách rời tiêu chuẩn hóa cũng nh các phơng pháp kiểm tra, đánh giá. Một
trong các yêu cầu đề ra là ngời học phải đạt đợc khả năng xác định đợc mác hay ký hiệu vật liệu
theo tiêu chuẩn Việt Nam và các nớc công nghiệp phát triển.

Chơng 1 cấu trúc tinh thể v sự hình thnh
1.1. Cấu tạo v liên kết nguyên tử
1.1.1. Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn
a. Liên kết đồng hóa trị
Liên kết tạo ra khi hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau một số điện tử hóa trị để có đủ tám
điện tử ở lớp ngoài cùng.
ví dụ :

Clo có 7 điện tử ở lớp ngoài cùng, mỗi nguyên tử góp chung 1 điện tử làm cho lớp điện tử ngoài
cùng của nguyên tử nào cũng đủ 8






7




Đặc điểm :
- là liên kết mạnh, cờng độ phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính liên kết giữa điện tử hóa trị với hạt
nhân.
Ví dụ: C có 6 điện tử trong đó 4 là điện tử hóa trị hầu nh liên kết trực tiếp với hạt nhân (dạng kim
cơng) cờng độ liên kết rất mạnh, T chảy lên tới 3550
o
C; trong khi đó Sn có tới 50 điện tử, trong
đó chỉ có 4 là điện tử hóa trị, nằm xa hạt nhân liên kết yếu với hạt nhân, có nhiệt độ chảy rất thấp,
chỉ 232
o
C.
b. Liên kết ion
Là loại liên kết mạnh , xảy ra giữa nguyên tử có ít điện tử hóa trị (dễ cho điện tử cation (ion
dơng)) (VD các nguyên tố nhóm IB Cu, Ag, Au) với nguyên tử có nhiều điện tử hóa trị (dễ nhận
thêm điện tử để tạo thành anion (ion âm)) (VD: Các ôxit kim loại nh Al
2
O

3
, MgO, CaO, Fe
3
O
4
,
NiO có xu thế mạnh với tạo liên kết ion)








Sơ đồ biểu diễn liên kết liên kết kim loại ion trong phân tử LiF.
Đặc điểm :
- liên kết ion càng mạnh khi các nguyên tử càng chứa ít điện tử, tức các điện tử cho và nhận nằm
càng gần hạt nhân.
- liên kết ion là loại không định hớng.
- đặc điểm quan trọng của liên kết ion là thể hiện tính giòn cao.
c. Liên kết kim loại
- Là loại liên kết đặc trng cho các vật liệu kim loại, quyết định các tính chất rất đặc trng của loại
vật liệu này.
- Các ion dơng tạo thành mạng xác định, đặt trong không gian điện tử tự do "chung"
- Năng lợng liên kết là tổng hợp (cân bằng) của lực hút (giữa ion dơng và điện tử tự do bao quanh)
và lực đẩy (giữa các ion dơng). ion kim loại luôn luôn có vị trí cân bằng xác định trong đám mây
điện tử.
- Liên kết kim loại thờng đợc tạo ra trong kim loại là các nguyên tố có ít điện tử hóa trị, chúng liên
kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt ra khỏi nguyên tử trở nên tự do (không bị ràng buộc bởi nguyên tử

nào)
VD: Các nguyên tố nhóm IA có tính kim loại điển hình, càng dịch sang bên phải tính chất kim loại
càng giảm, tính đồng hóa trị trong liên kết càng tăng.
Cần nhấn mạnh : liên kết này tạo cho kim loại các tính chất điển hình, rất đặc trng và đợc gọi là
tính kim loại.
d. Liên kết hỗn hợp
8

- Thực tế các liên kết trong các chất, vật liệu thông dụng không mang tính chất thuần túy của một
loại duy nhất nào, mà mang tính hỗn hợp của nhiều loại
Ví dụ : liên kết đồng hóa trị chỉ có đợc trong liên kết đồng cực (giữa các nguyên tử của cùng một
nguyên tố).
Do nhiều yếu tố khác nhau trong đó có tính âm điện (khả năng hút điện tử của hạt nhân) mà các liên
kết dị cực (giữa các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau) đều mang đặc tính hỗn hợp giữa liên
kết ion và đồng hóa trị.
Na và Cl có tính âm điện lần lợt là 0,9 và 3,0,. Vì thế liên kết giữa Na và Cl trong NaCl gồm khảng
52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị.
e. Liên kết yếu (Van der Waals)
- Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do sự khác nhau về tính âm điện của các nguyên tử
trọng tâm điện tích dơng và điện tích âm không trùng nhaungẫu cực điện đợc tạo thành và phân
tử bị phân cực.
- Liên kết Van der Waals là liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên tử hay phân tử bị phân
cực
- Liên kết này yếu, rất dễ bị phá vỡ khi tăng nhiệt độ nên vật liệu có liên kết này có nhiệt độ chảy
thấp.
1.2. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất
1.2.1. Chất rắn tinh thể
- Trong chất rắn tinh thể mỗi nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định không những với các nguyên tử
bên cạnh hay ở gần - trật tự gần, mà còn cả với các nguyên tử khác bất kỳ xa hơn - trật tự xa .
Nh vậy chất rắn tinh thể có cả trật tự gần lẫn trật tự xa (trong khi đó chất khí hoàn toàn không có

trật tự, tức không có cả trật tự gần lẫn trật tự xa).











1.2.2. Chất rắn vô định hình và vi tinh thể
a. Chất rắn vô định hình

ở một số chất, trạng thái lỏng có độ sệt cao, các nguyên tử không đủ độ linh hoạt để sắp xếp lại
theo chuyển pha lỏng - rắn; chất rắn tạo thành không có cấu trúc tinh thể và đợc gọi là chất rắn vô
định hình.
- Nh vậy về mặt cấu trúc, các chất rắn thờng gặp đợc chia thành hai nhóm tinh thể và không tinh
thể (vô định hình).
- Phần lớn các chất rắn có cấu tạo tinh thể trong đó bao gồm toàn bộ kim loại, hợp kim và phần lớn
các chất vô cơ, rất nhiều polyme.
Sự phân chia này cũng chỉ là quy ớc không hoàn toàn tuyệt
b. Chất rắn vi tinh thể
9

Cũng với vật liệu tinh thể kể trên khi làm nguội từ trạng thái lỏng rất nhanh (trên dới 10000
o
C /s)
sẽ nhận đợc cấu trúc tinh thể với kích thớc hạt rất nhỏ (cỡ nm), đó là vật liệu có tên gọi là vi tinh

thể (còn gọi là finemet hay nanomet).
1.3. Khái niệm về mạng tinh thể
Trong số các loại vật liệu, loại có cấu trúc tinh thể chiếm tỷ lệ lớn và thờng mang các tính chất rất
đa dạng phụ thuộc vào kiểu sắp xếp nguyên tử.
1.3.1. Tính đối xứng
Mạng tinh thể bao giờ cũng mang tính đối xứng, nó là một trong những đặc điểm quan trọng,
thể hiện cả ở hình dáng bên ngoài, cấu trúc bên trong cũng nh thể hiện ra các tính chất.
- Tính đối xứng là tính chất ứng với một biến đổi hình học, các điểm, đờng, mặt tự trùng lặp lại,
gồm có:
+ tâm đối xứng: bằng phép nghịch đảo qua tâm chúng trùng lại nhau;
+trục đối xứng: các điểm có thể trùng lặp nhau bằng cách quay quanh trục một góc , số
nguyên n = 2/ đợc gọi là bậc của trục đối xứng, chỉ tồn tại các n = 1, 2, 3, 4, 6;
+ mặt đối xứng: bằng phép phản chiếu gơng qua một mặt phẳng, các mặt sẽ trùng lặp lại.
1.3.2. Ô cơ sở - ký hiệu phơng, mặt
a. Ô cơ sở














- Định nghĩa: Phần thể tích nhỏ nhất, có cách sắp xếp các nguyên tử đại diện cho mạng tinh thể với

các đặc trng hình học của mạng
- khi trình bày các kiểu mạng tinh thể ta chỉ biểu diễn bằng một ô cơ sở
- Do tính đối xứng, từ một ô cơ sở tịnh tiến theo ba chiều đo trong không gian sẽ đợc mạng tinh
thể.
- Ô cơ sở đợc xây dựng trên ba vectơ đơn vị
a

,
b

,
c

, đặt trên ba trục của hệ trục Ox, Oy, Oz .
- Môđun của ba vectơ đó a, b, c là kích thớc của ô cơ sở còn gọi hằng số mạng (hay thông số
mạng), đặc trng cho từng nguyên tố hóa học hay đơn chất.
- Các góc , , hợp bởi các vectơ đơn vị.
- Tùy thuộc vào tơng quan giữa các cạnh và góc của ô cơ sở có bảy hệ tinh thể khác nhau là:

tam tà (ba nghiêng) a b c
đơn tà (một nghiêng) a b c = = 90
o

10

trực giao a b c = = = 90
o

mặt thoi (ba phơng) a = b = c = = 90
o

*lục giác (sáu phơng) a = b c = = 90
o
, = 120
o

*chính phơng (bốn phơng) a = b c = = = 90
o

*lập phơng a = b = c = = = 90
o


b. Nút mạng
- là vị trí cân bằng của các ion mà nó dao động xung quanh
- Nút mạng tơng ứng với các tọa độ lần lợt trên các trục tọa độ Ox, Oy, Oz đã chọn đợc đặt trong
dấu móc vuông [ x,x,x ] , giá trị âm biểu thị bằng dấu " - " trên chỉ số tơng ứng
c. Chỉ số phơng
- Phơng là đờng thẳng đi qua 2 nút mạng, ký hiệu [u v w ]
- Do tính đối xứng trong sắp xếp nguyên tử mà các phơng song song với nhau có tính chất hoàn
toàn nh nhau có cùng một chỉ số phơng với phơng đi qua gốc tọa độ O.
chỉ số phơng là ba số nguyên tỷ lệ thuận với tọa độ của một nút mạng nằm trên phơng đó
song gần gốc tọa độ nhất.
VD: Trong ô mạng lập phơng
đờng chéo khối [111],
đờng chéo mặt [ 110 ],
cạnh [ 100 ].
- Những phơng không song song với nhau nhng có các chỉ số (giá trị tuyệt đối ) u, v, w giống
nhau có các tính chất giống nhau, tạo nên họ phơng <u v w>.
Ví dụ họ < 110 > gồm các phơng sau đây:

- [110], [011], [101],
- [1
1
0], [01
1
], [
1
01],
- [
1
10], [0
1
1], [10
1
],
- [
11
0], [0
11
], [
1
0
1
].
d. Chỉ số Miller của mặt tinh thể
- Mặt tinh thể là mặt phẳng đợc tạo nên bởi các (ít nhất là ba) nút mạng.
- Có thể coi mạng tinh thể nh gồm bởi các mặt tinh thể giống hệt nhau, song song với nhau và cách
đều nhau.
- Các mặt tinh thể song song với nhau có tính chất hoàn toàn giống nhau có cùng một ký hiệu.
- Ký hiệu mặt : chỉ số Miller (h k l).

Xác định theo các bớc nh sau:
- tìm giao điểm của mặt phẳng trên ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz,
- xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ đến các giao điểmlấy các giá trị nghịch đảo
- quy đồng mẫu số chungcác giá trị của tử số các chỉ số h, k, l tơng ứng cần tìm





11








VD: Xác định chỉ số mặt tinh thể
Chú ý
: không cho phép xác định các mặt đi qua gốc tọa độ.
Các mặt tuy không song song với nhau nhng có các chỉ số (giá trị tuyệt đối) h, k, l giống nhau họ
mặt h k l.
Ví dụ: họ 100 gồm (100), (010), (001), (100), (010), (001).


e. Chỉ số Miller - Bravais trong hệ sáu phơng
- Với hệ sáu phơng (lục giác) không dùng đợc chỉ số Miller với hệ có ba trục tọa độdùng chỉ số
Miller - Bravais với hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz, trong đó ba trục đầu tiên nằm trên cùng
một mặt phẳng đáy của ô ( goc gia chúng là 120

0
)
-Chỉ số Miller - Bravais đợc ký hiệu bằng (h k i l)
trong đó chỉ số thứ ba i (của trục Ou) i = - ( h + k )
VD: So sánh hai chỉ số hệ Miller ( hệ 3 phơng) và Miller Bravais (hệ sáu phơng)
mặt chỉ số Miller chỉ số Miller - Bravais
BCIH (010) (0110)
ABHG (100) (1010)
AGLF (110) (1100)













1.3.3. Mật độ nguyên tử
- Quan niệm nguyên tử (ion) nh những quả xếp chặt không thể đặc kín hoàn toàn khái

niệm về mật độ nguyên tử
-Nhiều tập tính, hành vi (nh khả năng hòa tan) và tính chất (đặc biệt là cơ tính) liên quan đến khái
niệm này.
12

a. Mật độ xếp
- Mức độ dày đặc trong sắp xếp nguyên tử đợc đánh giá chủ yếu qua mật độ xếp. Mật độ xếp theo
phơng (chiều dài) M
l
, theo mặt M
s
hay trong mạng M
v
đợc xác định theo các công thức:
M
l
= l / L, M
s
= s / S, M
v
= v / V
trong đó: - l, s, v lần lợt là chiều dài, diện tích, thể tích bị nguyên tử (ion) chiếm chỗ,
- L, S, V lần lợt là tổng chiều dài, diện tích, thể tích đem xét.
b. Lỗ hổng
- Lỗ hổng là không gian trống bị giới hạn bởi hình khối nhiều mặt mà mỗi đỉnh khối là tâm nguyên
tử, ion tại nút mạng
- Kích thớc lỗ hổng đợc đánh giá bằng đờng kính hay bán kính của quả cầu lớn nhất có thể đặt
lọt vào không gian trống đó.
- Hình dạng, kích thớc lỗ hổng phụ thuộc vào cấu trúc (kiểu) mạng.
- Kích thớc của lỗ hổng đóng vai trò quyết định cho phép các nguyên tử khác loại hòa trộn vào, đặc
biệt là á kim vào kim loại.
- Có 2 loại : lỗ hổng khối 4 mặt và 8 mặt
1.4. Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.4.1. Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất)

Đặc tính cấu trúc của kim loại là:
nguyên tử (ion) luôn có xu hớng xếp xít chặt với kiểu mạng đơn
giản (lập phơng tâm mặt, lập phơng tâm khối, sáu phơng xếp chặt) và các liên kết ngắn,
mạnhTrong kim loại thờng không gặp các kiểu mạng không xếp chặt nh lập phơng đơn giản
a. Lập phơng tâm khối A2
- Thờng gặp ở các KL nh Fe, Cr, Mo, W
- Ô cơ sở là hình lập phơng, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh của ô lập phơng và tâm khối
Ô cơ sở mạng lập phơng tâm khối (a, b, c) và các lỗ hổng (d).









Thông số mạng a
- Số nguyên tử thuộc về một ô mạng : n
v
= 8 đỉnh . 1/8 + 1 giữa = 2
- phơng xít chặt : <111>
- đờng kính d
ng.t
bằng a.
2
3

- Các mặt xếp chặt là họ {110}.
- M

v
: 68% 32% là lỗ trống
- Lỗ hổng:
Loại tám mặt có kích thớc bằng 0,154 d
ng.t
nằm ở tâm các mặt bên và giữa các cạnh a.
13

Loại bốn mặt có kích thớc lớn hơn một chút, bằng 0,291 d
ng.t
nằm ở
4
1
trên cạnh nối điểm giữa các
cạnh đối diện của các mặt bên.
mạng A2 có nhiều lỗ hổng nhng kích thớc đều nhỏ (max = 30% kích thớc nguyên tử)
b. Lập phơng tâm mặt A1
- Các nguyên tử nằm ở đỉnh ô mạng và tâm của các mặt bên
- số nguyên tử thuộc về một ô mạng : 8 đỉnh . 1/8 + 6 mặt . 1/2 = 4
- phơng xếp chặt : đờng chéo mặt <110>,
- đờng kính d
ng.t
a.
2
2


- Các mặt xếp chặt là họ 111.
- M
v

là 0,74 , lỗ trống là 26%
























- lỗ hổng hình bốn mặt và hình tám mặt
Loại bốn mặt có kích thớc 0,225 d
ng.t
nằm ở
4

1
các đờng chéo khối tính từ đỉnh
Loại lỗ hổng hình tám mặt, ( kích thớc lớn nhất), bằng 0,414d
ng.t
, nằm ở trung tâm khối và giữa các
cạnh a.
So sánh mạng A2, mạng A1 tuy dày đặc hơn song số lợng lỗ hổng lại ít hơn kích thớc lỗ hổng lớn
quyết định cho sự hòa tan.
14

- Điển hình là Fe, Ni, Al, Cu
c. Sáu phơng xếp chặt A3
- Các kim loại có kiểu mạng này ít thông dụng hơn là : Ti; Mg; Zn
- Ô cơ sở là khối lăng trụ lục giác (gồm sáu lăng trụ tam giác đều ), các nguyên tử nằm trên 12 đỉnh,
tâm của hai mặt đáy và tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách nhau.
- n
v
= 12 đỉnh . 1 / 6 + 2 giữa mặt . 1 / 2 + 3 = 6 nguyên tử

a
c
= 1,633. ( dao động trong khoảng 1,57 1,64 thì mạng đợc coi là xếp chặt)
- khi tỷ số
a
c
nằm ngoài khoảng trên thì mạng đợc coi là không xếp chặt.
- Mv= 74%).
- Trong mạng A3 cũng có các lỗ hổng bốn mặt và tám mặt.

1.4.2. Chất rắn có liên kết đồng hóa trị
- Mỗi nguyên tử tham gia liên kết đồng hóa trị góp chung một điện tử hóa trị sao
cho lớp điện tử
ngoài cùng đủ 8 nếu số điện tử ngoài cùng (hóa trị) tham gia liên kết là N thì mỗi nguyên tử của
nó phải liên kết với 8- N nguyên tử khác để tạo nên liên kết đồng hóa trị có 8-N nguyên tử cách
đều gần nhất có số sắp xếp là 8-N.
a. Kim cơng A4
15

- Kim cơng là một thù hình của cacbon , số điện tử lớp L tham gia liên kết là 4 ( N = 4 ), số sắp xếp
sẽ là 4 tức là mỗi một nguyên tử cacbon có 4 nguyên tử bao quanh gần nhất.











- ô cơ sở A1 có thêm bốn nguyên tử bên trong (nếu chia ô cơ sở A1 này thành tám khối lập phơng
nhỏ hơn thì bốn nguyên tử này nằm ở tâm của bốn khối cách nhau trong số tám khối đó).

- Cứ bốn nguyên tử cacbon tạo nên một khối tứ diện (bốn mặt) tam giác đều. Các khối xếp chung
đỉnh tạo nên mạng kim cơng.
- Góc cố định giữa các liên kết đồng hóa trị trong mạng kim cơng là 109,5
o
. Với các nguyên tử
cacbon đều có liên kết đồng hóa trị với năng lợng lớn nên kim cơng có độ cứng rất cao (cao nhất
trong thang độ cứng).
b. Mạng grafit
- Grafit là dạng thù hình khác của cacbon, khá phổ biến trong thiên nhiên và vật liệu (gang).
- Mạng tinh thể của grafit là sáu phơng lớp , trong đó các nguyên tử đợc phân bố trên các mặt
phẳng tại các đỉnh của hình lục giác đều, trong mặt này mỗi nguyên tử đều tạo nên liên kết đồng hóa
trị mạnh với ba nguyên tử bao quanh và các góc lệch là 120
o

- Khoảng cách giữa các lớp lục giác đều lớn hơn (c = 0,671nm ) với liên kết yếu Van der Waals.
grafit rất dễ bị tách lớp , tính chất gần nh hoàn toàn trái ngợc với kim cơng là rất mềm, nó
đợc coi nh là một trong những chất rắn có độ cứng thấp nhất.
c. Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene
Đặc điểm rõ rệt của sợi cacbon và fullerene là những chất cấu tạo bằng nguyên tử cacbon với cấu
trúc mạng là các mặt lục giác đều nh của grafit chỉ gồm các liên kết đồng hóa trị (triệt tiêu đợc
liên kết yếu Van der Waals) nên sẽ cho độ bền cao hơn rất nhiều.
16

- đợc dùng làm "cốt" trong compozit cho độ bền có thể gấp ba lần song lại nhẹ hơn tới bốn lần so
với thép
* Phân tử cacbon C
60
gọi là fullerene do hai nhà khoa học H. Kroto (Anh) và R. Smalley (Mỹ) tổng
hợp đợc lần đầu tiên vào năm 1985 (công trình này đã đợc tặng giải Nobel năm 1995). Cấu trúc
của fullerene : 60 nguyên tử cacbon sắp xếp trên một mặt cầu theo đỉnh của 12 ngũ giác đều và 20
lục giác đều
- Một phân tử fullerene C
60

có hình dáng giống quả bóng đá nhiều múi. Cấu trúc đối xứng tròn, ứng
với độ bền và độ cứng rất cao của nó chắc chắn hứa hẹn sẽ có những ứng dụng kỳ lạ trong kỹ thuật.
1.4.3. Chất rắn có liên kết ion
Cấu trúc tinh thể của hợp chất hóa học có liên kết ion phụ thuộc vào hai yếu tố:
Tỷ số của số lợng ion âm trên số lợng ion dơng : tỷ số này là cố định đối với từng hợp chất, phụ
thuộc vào số lợng điện tử tham gia liên kết, đảm bảo tính trung hòa về điện của hệ thống.

Tơng quan kích thớc giữa ion âm và ion dơng : liên kết ion là loại không định hớng các ion
luôn có xu hớng sắp xếp sao cho đạt đợc độ xếp chặt và tính đối xứng cao nhất.
- Mạng tinh thể của hợp chất với liên kết ion vẫn có các kiểu mạng (A1, A2) nhng sự phân bố các
ion trong đó khá phức tạp coi là có mạng phức tạp.
- Mạng tinh thể các hợp chất hóa học với liên kết ion tạo thành trên cơ sở của ô cơ sở của ion âm,
các ion dơng còn lại chiếm một phần hay toàn bộ các lỗ hổng.
1.4.5. Dạng thù hình
- Thù hình là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau của cùng một nguyên tố hay
một hợp chất hóa học
- Theo chiều nhiệt độ tăng ký hiệu dạng thù hình lần lợt bằng các chữ cái Hy Lạp , , , ,
- Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng này sang dạng khác đợc gọi là chuyển biến thù hình.
- Các yếu tố dẫn đến chuyển biến thù hình : nhiệt độ, áp suất.
VD: C tồn tại dới nhiều dạng thù hình: kim cơng (A4), grafit (A9). sợi cacbon (cấu trúc lớp cuộn),
fullerene (cấu trúc mặt cầu C
60
). Grafit là dạng thờng gặp và ổn định nhất, còn kim cơng rất ít gặp
song có thể chế tạo kim cơng (nhân tạo) bằng cách ép grafit ở nhiệt độ rất cao (hàng nghìn độ C) và
áp suất cao (hàng nghìn at).
Fe : < 911
o
C Fe

mạng A2

911 1392
o
C Fe

, mạng A1
1392
o
C - 1539
o
C Fe

; mạng
chú ý
: chuyển biến thù hình bao giờ cũng đi kèm với sự thay đổi về thể tích (nở hay co) và cơ tính.
Ví dụ: khi nung nóng sắt qua 911
o
C sắt lại co lại đột ngột (do tăng mật độ xếp từ 68 lên 74% khi
chuyển từ Fe

Fe

)
1.5. Sai lệch mạng tinh thể
- Các cấu trúc tinh thể trình bày ở trên là cấu trúc của tinh thể lý tởng bỏ qua dao động nhiệt và
các sai hỏng (lệch lạc) trong trật tự sắp xếp

gây nên những sai hỏng đợc sai lệch mạng tinh thể
hay khuyết tật mạng.
- Số nguyên tử nằm lệch vị trí quy định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1 2%)

gây ra các ảnh hởng rất
xấu đến các hành vi của tinh thể dới tác dụng của ngoại lực (biến dạng dẻo, biến cứng ) độ bền
- chỉ tiêu cơ tính hàng đầu
17

1.5.1. Sai lệch điểm
- Đ/n: Đó là loại sai lệch có kích thớc rất nhỏ (cỡ kích thớc nguyên tử) theo ba chiều không gian
- Nút trống và nguyên tử tự xen kẽ
Do ba động nhiệt (phân bố năng lợng không đề
u) một số nguyên tử có năng lợng cao, biên độ dao
động lớn bứt khỏi nút mạng để lại nút không có nguyên tử gọi là nút trống.
Sau khi rời khỏi nút mạng, nguyên tử có thể chuyển sang vị trí xen kẽ giữa các nút mạng trở thành
nguyên tử tự xen kẽ

Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử
tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b).
- Mật độ của nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ tăng rất nhanh theo nhiệt độ và có giá trị lớn nhất
khi sắp chảy lỏng ( 1-2%).
- Nguyên tử tạp chất
- Do sự sai khác về đờng kính nguyên tử giữa các nguyên tố nền và tạp chất

thay thế cho nhau
bao giờ cũng làm cho mạng giãn nở ra hay co rút lại

sai lệch có dạng bao quanh một điểm.
khi xen kẽ (hay tự xen kẽ) bao giờ cũng làm mạng nền giãn ra vì kích thớc lỗ hổng luôn nhỏ hơn
đờng kính nguyên tử. Các nguyên tử nền xung quanh lỗ hổng có khuynh hớng xích lại gần nhau.

1.5.2. Sai lệch đờng - Lệch
- Đ/n: Sai lệch đờng là loại có kích thớc nhỏ (cỡ kích thớc nguyên tử) theo hai chiều và lớn theo

chiều thứ ba, tức có dạng của một đờng (đờng ở đây có thể là thẳng, cong, xoáy trôn ốc).
- Sai lệch đờng 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.
a. Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line)
Có thể hình dung lệch biên: chèn thêm bán mặt ABCD vào nửa phần trên của mạng tinh thể lý
tởng, sự xuất hiện thêm của bán mặt làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phía trở
nên không hoàn toàn song song
với nhau

gây ra vùng xô lệch trong đó vùng bị xô lệch khá nhỏ - chỉ 4 5 thông số mạng







18



trong phạm vi vòng tròn), rõ ràng là sự xô lệch này kéo dài theo đờng AD đợc gọi là trục lệch, nó
chính là biên của bán mặt nên có tên là lệch biên . Với sự phân bố nh vậy nửa tinh thể có chứa bán
mặt sẽ chịu ứng suất nén, nửa còn lại chịu ứng suất kéo.
b. Lệch xoắn (screw dislocation)
- Có thể hình dung lệch xoắn : cắt tinh thể lý tởng theo bán mặt ABCD rồi trợt dịch hai mép ngoài
ngợc chiều nhau đi một hằng số mạng trên đờng BC. Điều này sẽ làm cho các nguyên tử trong
vùng hẹp giữa hai đờng AD và BC sắp xếp lại có dạng đờng xoắn ốc giống nh mặt vít lệch
xoắn
- AD là tâm của sự xô lệch nên đợc gọi là trục lệch.

Lệch xoắn: mô hình tạo thành (a), mô hình không gian (b) và sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch
(c).






- Lệch biên có ảnh hởng rất lớn đến quá trình biến dạng dẻo
- Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh.
1.5.3. Sai lệch mặt
- Sai lệch mặt là loại sai lệch có kích thớc lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có
dạng của một mặt (mặt ở đây có thể là phẳng, cong hay uốn lợn). Các dạng điển hình của sai lệch
mặt là:
+ biên giới hạt và siêu hạt (sẽ trình bày ở mục sau),
+ bề mặt tinh thể.
1.6. Đơn tinh thể v đa tinh thể
1.6.1. Đơn tinh thể
- Nếu chất rắn tinh thể chỉ là một khối mạng đồng nhất tức cùng kiểu và hằng số mạng cũng nh
phơng không đổi hớng trong toàn bộ thể tích thì đợc gọi là đơn tinh thể
- Các đơn 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 đặc thù là dị hớng vì theo các phơng mật độ xếp chặt nguyên tử
khác nhau
- Trong sản xuất cơ khí hầu nh không sử dụng đơn tinh thể, nó đợc dùng rộng rãi trong công
nghiệp điện tử ở dạng bán dẫn.
1.6.2. Đa tinh thể
a. Hạt
- Trong thực tế hầu nh chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể.
- Đa tinh thể gồm rất nhiều (đơn) tinh thể nhỏ (cỡ

m) đợc gọi là hạt tinh thể hay đơn giản là hạt
, chúng tuy có cùng cấu trúc và thông số mạng song phơng lại định hớng khác nhau (mang tính
ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới đợc gọi là biên hạt (hay biên giới hạt)

19

- Các hạt tuy có mạng và thông số giống nhau nhng có phơng lệch nhau tức tính đồng nhất về
phơng mạng không giữ đợc trong toàn khối mạng vì thế lại thể hiện tính đẳng hớng (đôi khi còn
gọi là đẳng hớng giả vì mỗi phần của nó - hạt vẫn thể hiện tính dị hớng).
- Biên hạt chịu ảnh hởng quy luật phơng mạng của các hạt xung quanh nên có cấu trúc hỗn hợp ,
sắp xếp không trật tự (xô lệch) nh là vô định hình, thờng là kém xít chặt với tính chất khác với bản
thân hạt.










b. Độ hạt
- Hạt to hay nhỏ ảnh hởng rất lớn đến cơ tính cần đánh giá chúng về mặt định lợng.
- Để xác định độ hạt ngời ta hay dùng các cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM. Các hạt có độ lớn khác
nhau đợc phân thành 16 cấp chính đánh số từ 00, 0, 1, 2 , 14 theo trật tự hạt nhỏ dần, tám cấp
thờng dùng là từ 1 đến 8.
- Ngời ta thờng xác định cấp hạt bằng cách so sánh ở cùng độ phóng đại (thờng là x100) giữa tổ
chức tế vi với thang ảnh cấp hạt chuẩn

20

Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100.

1.7. Sự kết tinh v hình thnh tổ chức của kim loại
1.7.1. Điều kiện xảy ra kết tinh
a. Cấu trúc kim loại lở trạng thái lỏng
- có liên kết KL và có điện tử tự do
- chất lỏng chỉ có trật tự gần (mà không có trật tự xa) có những nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự
- các nhóm này tồn tại trong thời gian rất ngắn, nhanh chóng tan ra rồi lại tạo thành ở chỗ khác.
điều này giúp nó kết tinh một cách dễ dàng.

b. Biến đổi năng lợng khi kết tinh
- Trong tự nhiên mọi quá trình tự phát đều xảy ra theo chiều hớng giảm năng lợng dự trữ.
- Đối với chuyển trạng thái, động lực thúc đẩy nó cũng là năng lợng dự trữ - chuyển động của
nguyên tử, phân tử, ion - đợc đặc trng bằng đại lợng đợc gọi là năng lợng tự do F (F).
- Năng lợng tự do của các trạng thái phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
+ T > T
s
, F
l
< F
r
tồn tại ở trạng thái lỏng
+ T < T
s
, F
r

< F
l
tồn tại ở trạng thái rắn
- T
s
đợc gọi là nhiệt độ kết tinh (hay nóng chảy) nhng chỉ có tính lý thuyết

kết tinh thực tế
chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh (lý thuyết) T
s
kể trên một khoảng nhất định để
F
r
<F
l
một cách rõ rệt.
điều kiện để xảy ra kết tinh.












c. Độ quá nguội

- Hiệu số giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết T
s
và nhiệt độ kết tinh thực tế T
kt
là độ quá nguội T:
T = T
s
- T
kt

- Kết tinh chỉ xảy ra với độ quá nguội.
- Đa số kim loại nguyên chất kỹ thuật có thể kết tinh với độ quá nguội thay đổi từ rất nhỏ (chỉ 1
2
o
C) đến rất lớn (hàng chục, trăm đến nghìn
o
C) tùy theo tốc độ làm nguội khi kết tinh là chậm hay
nhanh.
- Cũng với lý luận tơng tự cho khi nung nóng: sự nóng chảy thực tế sẽ xảy ra ở nhiệt độ T
ch
> T
s
, độ
chênh lệch giữa chúng đợc gọi là độ quá nung.
21

1.7.2. Hai quá trình của sự kết tinh
ở nhiệt độ T<T
s
sự kết tinh xảy ra do hai quá trình cơ bản nối tiếp nhau xảy ra là tạo mầm và phát

triển mầm.
a. Tạo mầm
- Mầm là quá trình sinh ra các phần tử rắn có cấu trúc tinh thể tức những nhóm trật tự gần (luôn có
sẵn trong kim loại lỏng) với kích thớc đủ lớn, đợc cố định lại, chúng không bị tan đi phát triển
lên nh là trung tâm của tinh thể (hạt).
- có 2 loại mầm : tự sinh và ký sinh.
Mầm tự sinh
- Là sự tạo mầm từ kim loại lỏng đồng nhất (đồng thể) không có sự trợ giúp của các phần từ rắn có
sẵn ở trong nó.
- Những nhóm nguyên tử trật tự gần nào có kích thớc đủ lớn r r
th
(giả thiết chúng là các khối hình
cầu bán kính r), theo tính toán về nhiệt động học r
th
=
v
f
2




trong đó:
r
th
- bán kính tới hạn của mầm
ơ - sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng,
f
v
- độ chênh năng lợng tự do (F

l
- F
r
) tính cho một đơn vị thể tích.
- Khi r r
th
nhóm trật tự gần trở nên ổn định, không bị tan đi, phát triển lên thành hạt. Đó là các
mầm tự sinh.
- Khi kết tinh ở nhiệt độ càng thấp, độ quá nguội T càng lớn thì f
v
cũng càng lớn, r
th
càng nhỏ
càng có nhiều mầm.
- Mầm ký sinh
- Là sự tạo mầm ở trên bề mặt phân tử rắn có sẵn ở trong kim loại lỏng không đồng nhất (dị thể) và
là dạng tạo mầm thực tế và đơn giản hơn nhiều.
+ thực tế ở chỗ kim loại lỏng dù nguyên chất đến đâu cũng còn tạp chất trong đó có các phần tử rắn
khó chảy nh: bụi tờng lò, bụi than, bụi chất sơn khuôn và ngay cả thành khuôn.
+Mầm (nhóm trật tự gần có sẵn trong kim loại lỏng) sẽ gắn lên các bề mặt có sẵn theo những mặt
tơng thích (cấu trúc gần giống nhau)

R-R
<<
R-L
r
th
nhỏ đidễ dàng cho tạo mầm.
- Thực tế là trong nhiều trờng hợp ngời ta còn cố ý tạo ra và đa các phần tử rắn vào để giúp kết
tinh.

b. Phát triển mầm
- Khi đạt đến kích thớc tới hạn r
th
, sự phát triển lên về kích thớc của mầm là quá trình tự nhiên vì
làm giảm năng lợng tự do.
- trong quá trình phát triển mầm, lệch xoắn đóng vai trò quan trọng nhờ bậc thang trên bề mặt không
bao giờ mất đi, để các nguyên tử bám dựa vào một cách chắc chắn.
1.7.3. Sự hình thành hạt
Hạt là yếu tố quan trọng của tổ chức tinh thể.
a. Tiến trình kết tinh
- Khi các mầm sinh ra trớc phát triển lên thì trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm
mới
- Quá trình xảy ra nh vậy cho đến khi các mầm đi đến gặp nhau và kim loại lỏng hếtcuối
cùng đợc tổ chức đa tinh thể gồm các hạt.
22

- Từ mỗi mầm tạo nên một hạt
- Các hạt xuất phát từ mầm sinh ra trớc có nhiều thời gian và kim loại lỏng bao quanh
hạt sẽ
to hơn; song thờng sự chênh lệch nhỏ ( do kết tinh ngắn)
- Do các mầm định hớng khi kết tinh ngẫu nhiêncác hạt có phơng mạng lệch nhau xuất hiện
vùng biên hạt với mạng tinh thể bị xô lệch.
b. Hình dạng hạt
Do tơng quan về tốc độ phát triển mầm theo các phơng (phụ thuộc vào bản chất KL và điều
kiện tản nhiệt) hạt tạo nên có hình dạng khác nhau
- Khi tốc độ phát triển đều theo mọi phơng hạt có dạng đa cạnh hay cầu.
- Khi tốc độ phát triển mạnh theo hai phơng (tức theo một mặt) nào đó, hạt sẽ có dạng tấm, lá,
phiến (grafit trong gang xám)
- Khi tốc độ phát triển mạnh theo một phơng nào đó, hạt sẽ có dạng đũa, cột hay hình trụ
(VD: Dạng tinh thể hình kim khi nhiệt luyện).

Quá trình tạo và phát triển mầm theo thời gian
1.7.4. Các phơng pháp tạo hạt nhỏ khi đúc
a. Nguyên lý
- Số mầm đợc tạo ra càng nhiều
hạt càng nhỏ
- Mầm lớn lên (phát triển) càng nhanh hạt càng lớn.
nguyên lý tạo hạt nhỏ khi đúc là tăng tốc độ sinh mầm n và giảm tốc độ phát triển dài v của
mầm.
b. Các phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc
Thờng áp dụng hai phơng pháp chính là tăng độ quá nguội và biến tính. Tăng độ quá
nguội
23

- Khi tăng độ quá nguội T, n và v đều tăng (hình 1.26) nhng n tăng nhanh hơn vẫn làm hạt nhỏ
đi.
- Để tăng độ quá nguội khi đúc phải làm nguội nhanh bằng cách thay đổi vật liệu làm khuôn.









ảnh hởng của độ quá nguội
T đến n và v.
VD:
*Đúc trong khuôn cát nguội chậm nhất

*Đúc trong khuôn bằng kim loại (nh gang, thép, đồng) có tính dẫn nhiệt cao hơn tốc độ nguội
tăng lên một cách đáng kể đúc trong khuôn kim loại (vĩnh cửu) không những không phải làm lại
khuôn, cho năng suất cao hơn nâng cao chất lợng vật đúc
* Làm nguội thêm khuôn kim loại bằng nớc, làm tăng thêm tốc độ nguội và độ quá nguội : đúc ly
tâm, đúc áp lực, đúc liên tục năng suất rất cao và chất lợng tốt.
- Tăng tốc độ nguội để làm nhỏ hạt đơn giản, hiệu quả, đợc áp dụng rất rộng rãi cho các sản
phẩm nhỏ và hình dạng đơn giản.
- Hạn chế:
*Khi làm nguội quá nhanh tạo ra độ chênh nhiệt độ quá lớn giữa các phần của vật đúc (hình dạng
phức tạp, có thành quá dày và quá mỏng) gây ra ứng suất làm biến dạng, thậm chí nứt.
* Phơng pháp này không có hiệu quả với vật đúc (có tiết diện) lớn.
Biến tính (modification)
- Là phơng pháp cho vào kim loại lỏng (trớc khi rót khuôn) một lợng rất nhỏ (< 0,1% KL lỏng

hầu nh không ảnh hởng đến thành phần hóa học) chất đặc biệt có tác dụng làm nhỏ hạt, thậm
chí đôi khi thay đổi cả hình dạng hạt.
VD:
- Khi hòa tan vào kim loại lỏng
kết hợp với tạp chất hoặc khí hòa tan tạo ra các hợp chất khó
chảy, ở dạng các phần tử rắn nhỏ, lơ lửng, phân tán đều trong thể tích
giúp cho sự tạo mầm ký
sinh:Cho bột Al vào thép lỏng
kết hợp với ôxy, nitơ ôxyt (Al
2
O
3
), nitrit (AlN
- Biến tính hợp kim magiê bằng manhêzit (khoảng 1% mẻ nấu) cỡ hạt giảm từ 0,2-0,3mm (cấp 1)
xuống 0,01-0,02mm (cấp 8).
1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc

- Thỏi đúc là loại có dạng đơn giản nhất để khảo sát
làm cơ sở để xác định cho các trờng hợp
khác.
a. Ba vùng tinh thể của thỏi đúc
-Đối với một thỏi thép đúc điển hình (hình 1.25), từ ngoài vào trong có ba vùng tinh.
*Vỏ ngoài cùng - lớp hạt nhỏ đẳng trục :
24

- Thoạt tiên kim loại lỏng tiếp xúc với thành khuôn nguội kết tinh với T lớn + tác dụng tạo mầm
ký sinh của bề mặt khuôn hạt tạo thành khá nhỏ mịn.
Do thành khuôn có độ nhấp nhô (nhờ chất sơn khuôn) các mầm định hớng theo các phơng ngẫu
nhiên trục hạt phát triển đều theo mọi phía (đẳng trục)
* Vùng tiếp theo là lớp hạt tơng đối lớn hình trụ:
Dạng hạt dài vuông góc với thành khuôn: sau khi vỏ ngoài đã kết tinh xong thành khuôn mới bắt
đầu nóng lên T ngày càng nhỏ hạt tạo thành có khuynh hớng ngày càng lớn hơn.
Hạt phát triển mạnh theo chiều ngợc với chiều tản nhiệt có phơng vuông góc với thành khuôn
(phơng thoát nhiệt) Kết quả nhận đợc vùng hạt tơng đối lớn kéo dài (hình trụ ) theo phơng
vuông góc với thành khuôn.











Hình 1.27. Ba vùng tinh

thể của thỏi đúc
*Vùng ở giữa là vùng các hạt lớn đẳng trục .
Thành khuôn đã nóng lên nhiều: dẫn đến hai hiệu ứng :
+kim loại lỏng kết tinh với T nhỏ hơn nữa hạt lớn,
+ phơng tản nhiệt qua thành khuôn không rõ ràng hạt lại phát triển đều theo mọi phơng (đẳng
trục)
Chú ý :
- vùng ngoài cùng luôn luôn là lớp vỏ mỏng
- hai vùng sau có mối tơng quan với nhau phụ thuộc vào điều kiện làm nguội khuôn: Khi khuôn
đợc làm nguội mãnh liệt thì vùng 2 sẽ lấn át vùng 3, thậm chí có khi làm mất hẳn vùng 3,
thỏi
nh là chỉ có vùng tinh thể hình trụ vuông góc với thành khuôn (tổ chức này đợc gọi là xuyên tinh)
khó biến dạng dẻo không phù hợp với thỏi cán.
b. Các khuyết tật của vật đúc
Các khuyết tật khi đúc làm xấu rất nhiều chất lợng vật đúc. Có các dạng khuyết tật sau.
Rỗ co và lõm co

- Nguyên nhân là do thể tích kim loại khi kết tinh bị co lại, hình thức thể hiện thì khác nhau:

- Các lỗ hổng nhỏ đợc phân bố rải rác trên khắp vật đúc đợc gọi là rỗ co. Rỗ co làm giảm mật độ
kim loại, làm xấu cơ tính vật đúc, qua gia công áp lực (biến dạng dẻo) ở nhiệt độ cao thì chúng
đợc hàn kín lại (bẹp lại) và quá trình khuếch tán làm liền kín
ảnh hởng không đáng kể đến cơ
tính.
25

- Phần lỗ hổng ở trên cùng và ở phần dày nhất thỏi đợc gọi là lõm co (là phần kết tinh sau cùng),
bản thân kim loại lỏng ở đây đã bù co cho các phần kết tinh trớc ở phía dới tạo ra lỗ hổng tập
trung đợc cắt bỏ triệt để ( thể tích sử dụng chỉ còn 85 đến 95%)
Chú ý:

+Đối với mỗi kim loại, hợp kim, lợng (tỷ lệ) co khi kết tinh là một giá trị cố định (nh là hằng số
vật lý) khi thể tích lõm co tăng lên thì tổng thể tích rỗ co giảm đi và ngợc lại không thể làm
mất đợc dạng khuyết tật này ( bản chất của kim loại).
+Cách tốt nhất để làm dạng khuyết tật này nằm ngoài sản phẩm đúc là đúc liên tục (khi kết tinh kim
loại bị co đợc bổ xung kịp thời) nên sản phẩm đúc ra có cấu trúc xít chặt hơn hiệu quả kinh tế
- kỹ thuật cao khi đúc ống, thỏi thép nhỏ đem cán.
Rỗ khí
Khi nấu chảy, kim loại lỏng có khả năng hòa tan một lợng khí đáng kể khi kết tinh độ hòa
tan của khí trong kim loại rắn giảm đi đột ngột khí thoát ra không kịp tạo nên các túi rỗng nhỏ
(thờng thấy đợc bằng mắt thờng) gọi là rỗ khí hay bọt khí.
So với rỗ co, rỗ khí thờng làm giảm mạnh mật độ và cơ tính mạnh hơn do có kích thớc lớn
hơn. Khi rỗ khí phân bố ở ngay dới lớp vỏ của thỏi thép nguy hiểm hơn do dễ bị ôxy hóa khi
bị biến dạng nóng cũng không thể hàn kín đợc gây ra tróc vỏ hoặc nứt khi sử dụng.
Ngăn ngừa bằng cách khử khí tốt trớc khi rót khuôn, sấy khô khuôn cát hoặc đúc trong chân
không.
Thiên tích (segregation)
Là sự không đồng nhất về thành phần và tổ chức của sản phẩm đúc, xảy ra không những đối
với hợp kim (khi thành phần phức tạp) mà cả kim loại do tích tụ tạp chất.
Sự không đồng nhất sự sai khác nhau về tính chất giữa các phần, sử dụng kém hiệu quả.

CHƯƠNG 2: BIếN DạNG DẻO V CƠ TíNH
- Các hành vi của vật liệu (chủ yếu là kim loại) dới tác dụng của lực cơ học bên ngoài ( biến dạng
dẻo và các đặc trng của nó) rút ra những nguyờn lý làm cho vật liệu trở nên bền hơn, có cơ tính
phù hợp với điều kiện làm việc và gia công.
- Đối với vật liệu, đặc biệt là kim loại, chủ yếu sử dụng các bán thành phẩm dạng dây, thanh, hình,
ống, tấm, nhờ biến dạng dẻo (cán) hoặc qua rèn để tạo phôi (có dạng gần giống với sản phẩm)
trớc khi cắt gọt
Việc khảo sát biến dạng dẻo hiểu biết quá trình đó và làm rõ đợc bản chất
của các đặc trng cơ tính cùng các biện pháp nâng cao hoặc khắc phục những hiệu ứng không
thuận.

2.1. Biến dạng dẻo v phá hủy

2.1.1. Khái niệm
Khi kéo từ từ theo chiều trục một mẫu kim loại tròn, dài ta đợc biểu đồ kéo
gọi là biểu đồ tải
trọng (ứng suất) - biến dạng (hình 2.1).
- Khi tải trọng đặt vào nhỏ, F < F
đh
độ biến dạng (độ giãn dài l) tỷ lệ bậc nhất với tải trọng, khi
bỏ tải trọng biến dạng mất đi.
biến dạng đàn hồi.