Bài giảng vật liệu học

MSE2228 (2-0-1-4) - Vật liệu học

om

GV: Nguyễn Thị Vân Thanh
Bộ môn: C5-301A
email:

.c

Bài giảng: share qua gmail

du
on
g

th
an

co

ng

Khối lượng: 30 (lý thuyết) + 15 (6 bài thí nghiệm)
Đánh giá kết quả: (đề cương mơn học)
Điểm q trình (0.4) = Thi giữa kỳ + KT+ điểm chuyên cần
Điểm cuối kỳ (0.6)
Điều kiện thi cuối kỳ: hồn thành tất cả các bài thí nghiệm
Nội dung: sv xem đề cương môn học

cu

u

Tài liệu môn học:

1 Nghiêm Hùng. Vật liệu học cơ sở, NXB Khoa họa kỹ thuật, Hà nội 2002
2 Lê Công Dưỡng (chủ biên). Vật liệu học, NXB Khoa họa kỹ thuật, Hà nội 2000;
3 Bài giảng : Phùng Thị Tố Hằng, Nguyễn Văn Đức; Vật liệu kim loại, 2011
Sách tham khảo:
4 William D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering; , John Wiley & Sons, Inc.
USA, 2007
1
5 Armazov. Vật liệu học. NXB Giáo dục 2000;
CuuDuongThanCong.com

/>

Mở đầu

cu
u

du
on
g

th
an

co

ng

.c

Vật liệu là gì?

om

Vật rắn, sử dụng để chế tạo các dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng
các cơng trình…….

2
CuuDuongThanCong.com

/>

Mở đầu

GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU
4 nhóm vật liệu chính:
- Ceramic

ng

Kim
loại

du
on
g

th
an

- Composite Dẫn điện, nhiệt kém
Dẻo, nhẹ
Kém bền nhiệt
Bền hóa học @RT

co

- Polymer

cu
u

4 nhóm vật liệu trung gian
2- VL siêu dẫn

om
.c

- Vật liệu kim loại

1- VL bán dẫn

Dẫn điện, nhiệt tốt
Nặng, Bền cơ học
Kém bền hóa học

Fe, Al, Cu, Zn, Ti
…và Hợp kim

3- VL silicone
4- VL polymer dẫn điện
CuuDuongThanCong.com

4

1

Composite

Polymer

VL hữu cơ,
TPHH chính C,
H, các á kim, có
cấu trúc cao
phân tử.

3

Dẫn điện, nhiệt rất kém
Nặng, Cứng, giịn
Bền nhiệt
2 Bền hóa học

Ceramic
VL vô cơ, h/c KL,

silic với á kim: ôxit,
nitrit, cacbit (đất,
đá, ximăng, thủy
3
tinh…)
/>

Mở đầu

om

Tính sử

- Độ bền/khối lượng riêng?
- Tạo hình?
- Tính an tồn?
dụng - Giá cả?

.c

Kỹ thuật vật liệu
Gia cơng, chế tạo vật liệu có tính
chất vật liệu theo u cầu sử dụng

Thép, Hk Al?
Ntố hợp kim, lượng?
Độ hạt?
Pha? Kth pha?

Gia cơng/

chế tạo

Tính chất

cu
u

-

du
on
g

th
an

co

ng

Tổ chức
/cấu trúc

Khoa học vật liệu
Nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu
trúc và tính chất vật liệu

-

Độ bền?

Độ dẻo?
Độ dai?
Độ cứng?

- Tạo ra loại thép có độ
dai va đập cao, có tính
tạo hình tốt bằng cách
nào?
- Tạo hình khí động học
cho xe như thế nào?
4

CuuDuongThanCong.com

/>

Mở đầu
Ví dụ: Sự phụ thuộc của tính chất vào tổ chức của vật liệu
Cứng, giịn, khó biến dạng,
dễ bị ăn mịn

.c

om

Dẻo, dễ biến dạng,
dễ bị ăn mịn

ng

Thép C
thơng thường

Giảm %C,
thêm %Cr
%Ni
Thép không gỉ

cu
u

du
on
g

th
an

co

Gang
xám

Dẻo, dễ biến dạng, khả
năng bền ăn mòn tốt

5
CuuDuongThanCong.com

/>

Nội dung môn học Vật liệu học – sv cơ khí
Chế tạo, xử lý ↔ Tổ chức, cấu trúc ↔ Tính chất ↔ Sử dụng

co

th
an

om

- Cơng nghệ và tính sử dụng

du
on
g

Chương 4: Nhiệt luyện thép

Tính chất:
- Cơ tính

ng

Chương 2: Cơ tính của vật liệu kim loại
Chương 3: Hợp kim và giản đồ pha

Tổ chức, - Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc - Tổ chức tế vi

.c

Chương 1: Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại

cu
u

Chế tạo, xử lý: Các phương pháp xử lý
để đạt được cơ tính mong muốn

Chương 5: Vật liệu kỹ thuật
Hợp kim trên cơ sở sắt (thép, gang)
Kim loại và hợp kim phi sắt (nhôm, đồng)
Vật liệu phi kim (polymer)
CuuDuongThanCong.com

Ứng dụng của các vật
liệu điển hình
6
/>

ng

.c

om

Chương 1
Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại

co

1.1. Cấu tạo nguyên tử. Liên kết kim loại

th
an

1.2. Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại

du
on
g

1.3. Khuyết tật cấu trúc

cu
u

1.4. Sự hình thành tổ chức vật liệu kim loại

7
CuuDuongThanCong.com

/>

du
on
g

th

an

co

ng

.c

om

1.1 Cấu tạo nguyên tử
Cấu tạo nguyên tử: Nguyên tử = Hạt nhân (p+n) + điện tử (Ze-)

Số lượng tử chính: n = 1,2, 3…(K, L, M,…)

K
L
M
N
2
2
6
2
6
6
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s2

cu
u

Số lượng tử phương vị: l =0, 1, 2, 3,.., n-1 (s, p, d, f, …)
Số lượng tử từ: ml = 0, ±1, ±2, …. ±l

Số lượng tử spin: ms = ± 1/2

Điện tử hóa trị: Những electron ngồi cùng chưa ghép đơi, tham gia vào tính chất
hóa, lý của nguyên tố.
Nguyên tử: cấu hình ổn định, cấu hình có số điện tử hóa trị bằng 0
(cho hoặc nhận thêm e-)
CuuDuongThanCong.com

/>
8


Liên kết kim loại

• Liên kết là lực tĩnh điện giữa
mạng tinh thể của ion dương và
các e tự do bao quanh

.c

om

VD: Cu (Z=29)

co

ng

• Liên kết chính trong vật liệu KL

+ Ánh kim
+ Dẫn điện, dẫn nhiệt
+ Tính dẻo cao

cu
u

du
on
g

th
an

• Tính kim loại :

9
CuuDuongThanCong.com

/>

Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật rắn tinh thể

th
an

co

ng

.c

om

Chất khí: các nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn

tự gần và trật tự xa)

cu
u

• Trật tự gần: TT duy
trì trong khoảng
cách vài nguyên tử

du
on
g

Chất rắn tinh thể: các ngun tử có vị trí hồn tồn xác định (có trật

• Trật tự xa: TT duy
trì trong khoảng
cách rất lớn
CuuDuongThanCong.com

10

/>

Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật rắn tinh thể

.c

du
on
g

cu
u

Có trật tự gần,
Khơng có trật tự xa

th
an

co

ng

Chất rắn vơ định hình: cấu trúc giống chất
lỏng trước khi đơng đặc

om

Chất rắn khơng có cấu trúc tinh thể

VD: Thủy tinh thường ,SiO2

11
CuuDuongThanCong.com

/>

om

Chương 1
Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại

.c

1.1. Cấu tạo nguyên tử. Liên kết kim loại

ng

1.2. Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại

th
an

co

1.2.1. Khái niệm mạng tinh thể
1.2.2. Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại

du
on

g

Mạng lập phương tâm mặt
Mạng lập phương tâm khối

cu
u

Mạng sáu phương xếp chặt

1.3. Khuyết tật cấu trúc
1.4. Sự hình thành tổ chức vật liệu kim loại
12
CuuDuongThanCong.com

/>

1.2 Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại
1.2.1 Khái niệm mạng tinh thể

.c

om

Quả cầu rắn (Nguyên tử, ion,…)

th
an

co

ng

Đường thẳng tưởng tượng

Ơ cơ sở:

du
on
g

Mạng tinh thể

cu
u

Là hình khơng gian thể tích nhỏ nhất nhỏ nhất
đặc trưng cho tính đối xứng của mạng tinh thể

 Tịnh tiến ô cơ sở theo ba chiều khơng gian sẽ
xây dựng được tồn bộ mạng tinh thể
13
CuuDuongThanCong.com

/>

Ô cơ sở và cách biểu diễn


c

  
a , b , c : véc-tơ đơn vị

ng
co
th
an

Mỗi chất rắn có 1 kiểu mạng tinh
thể xác định → ô cơ sở xác định


a


b

.c

a, b, c : hằng số mạng
  
Ô cơ sở xác định ↔ a , b , c xác định

om

, ,  : góc tạo bởi các véc tơ đơn vị

du
on

g

07 hệ tinh thể khác nhau phụ thuộc vào mối quan hệ giữa cạnh và góc

cu
u

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


==900
===900
==900
==900, =1200
===900
===900

14

CuuDuongThanCong.com

/>

Chỉ số phương mạng, mặt nguyên tử
Nút mạng [x,y,z]:

biểu thị toạ độ của các nguyên tử

B [1,1,1]

z

.c

C [0,1,1]

D

co

th
an

A

Hai phương // có cùng chỉ số (vì sắp
xếp ngun tử giống nhau)

M

H
y

F

E

cu
u

OE [210]

B

O

du
on
g

VD: OB [111]

C

ng

Chỉ số Miller của phương mạng [uvw]:

Phương: đường thẳng đi qua hai nút
mạng bất kỳ có hướng

om

VD: A [1,0,1]

MK [22-1]

x

Quy tắc: + Qua gốc tọa độ kẻ véc-tơ OM song song với phương cần xác định
+ Xác định chỉ số Miller của M[[x,y,z]]
𝑢
𝑣
𝑤
+ Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất: x=
;y=
;z=
𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁

+ [uvw] là chỉ số Miller của phương cần tìm.
CuuDuongThanCong.com

K

𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁

𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁

/>
15


z

Chỉ số Miller của mặt nguyên tử (hkl)

D

• Mặt nguyên tử : Mặt phẳng chứa các
nút mạng (nguyên tử)

E

co

B

om
.c

• Chỉ xác định chỉ số Miller cho MF gần
O nhất và khơng đi qua O

ng

• Hai mặt ngun tử // có sắp xếp
nguyên tử như nhau → có cùng chỉ số

H

O

y
F

th
an

Quy tắc:
+ Rời mặt phẳng khỏi gốc tọa độ
x
+ Xác định giao điểm của MF với 3 trục Ox, Oy, Oz:
P[[x,0,0]]; Q[[0,y,0]]; R[[0,0,z]]
1 1 1
+ Lấy nghịch đảo: ; ;
𝑥 𝑦 𝑧
+ Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất:

C

ℎ
𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁

;

cu
u

du
on
g

A

𝑘
𝑙
;
𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁 𝑀𝑆𝐶𝑁𝑁

+ (hkl) là chỉ số Miller của MF cần tìm.
VD:DFH (111), EFAB (100), ABCH(010)
CuuDuongThanCong.com

16
/>

Họ phương, họ mặt

om

Hệ lập phương, có tính đối xứng cao: sự sắp xếp nguyên tử trên Ox, Oy, Oz là
như nhau → có thể giao hốn các trục cho nhau mà không làm thay đổi bản chất
của mạng tinh thể

.c

Họ phương, ký hiệu <uvw>

co

ng

Các phương có giá trị tuyệt đối u,v,w giống nhau khơng kể thứ tự có cùng
quy luật sắp xếp nguyên tử.

th
an

Họ mặt, ký hiệu {hkl}:

cu
u

du
on
g

Các mặt có giá trị tuyệt đối h, k, l giống nhau khơng kể thứ tự có cùng
quy luật sắp xếp ngun tử.

17
CuuDuongThanCong.com

/>

Chỉ số mặt (chỉ số Miller-Bravais) (hkil) cho hệ tinh thể sáu phương

cu

u

du
on
g

th
an

co

ng

.c

om

i = - (h+k)

18
CuuDuongThanCong.com

/>

Bài tập 1.1

cu
u

du

on
g

th
an

co

ng

.c

om

Mạng tinh thể lập phương như hình 1, D là gốc tọa độ:
1, Xác định chỉ số miller cho các phương sau: KL; PE
2,Xác định chỉ số miller cho các mặt: APF, KLNX, AEGC
3, Vẽ phương [221], [123] trên ô cơ sở
4, Vẽ mặt (312), (310) trên ô cơ sở

CuuDuongThanCong.com

/>

1.2.2 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
a. Lập phương tâm mặt (A1)

om

Ô cơ sở :

th
an

co

ng

.c

Khối lập phương cạnh a.
Sắp xếp ngtử:
8 ngtử ở 8 đỉnh
6 ngtử ở tâm 6 mặt bên

du
on
g

Đặc điểm:

Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô = 4

cu
u

Phương xếp chặt nhất: <110>

Bán kính nguyên tử: rnt = a√2/4
Mặt xếp chặt nhất: {111}; Ms = snt/S(111) = ?%

Mật độ thể tích: Mv = vnt /Vơ = 74%
→ 26% cịn lại là lỗ hổng
CuuDuongThanCong.com

21
/>

Lỗ hổng trong mạng A1

Lỗ hổng 4 mặt

du
on
g

Kích thước: d=0,414dng.t

th
an

Vị trí: tâm khối và giữa các cạnh

co

ng

Lỗ hổng 8 mặt

.c

Kích thước lỗ hổng = đường kính quả cầu
lớn nhất đặt lọt trong lỗ hổng

om

Lỗ hổng : Không gian trống giữa các
ngun tử;

cu
u

Vị trí: ¼ trên các đường chéo khối tính từ đỉnh
Kích thước: d=0,225dng.t

22
CuuDuongThanCong.com

/>

cu
u

du
on
g

th
an

co

ng

.c

om

Kim loại có kiểu mạng A1: Feγ, Au, Ag, Al, Cu, Ni,…

23
CuuDuongThanCong.com

/>

b. Lập phương tâm khối (A2)
Ô cơ sở :

co

ng

.c

om

Khối lập phương cạnh a.
Sắp xếp ngtử:
8 ngtử ở 8 đỉnh
1 ngtử ở tâm ô cơ sở

th
an

Đặc điểm:

du
on
g

Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô = 2
Phương xếp chặt nhất: <111>

cu
u

Bán kính nguyên tử: rnt = a√3/4

Mặt xếp chặt nhất: {110} Ms = snt/S(110) = ?%
Mv = vnt /Vô = 68%
24
CuuDuongThanCong.com

/>

Lỗ hổng trong mạng A2

Lỗ hổng 8 mặt

Lỗ hổng 4 mặt

du
on
g

th
an

co

ng

.c

Kích thước: dlh = 0,154dng.t

om

Vị trí: tâm các mặt bên và giữa các cạnh

cu
u

Vị trí: ¼ trên cạnh nối điểm giữa 2 cạnh
đối diện
Kích thước: dlh = 0,291dng.t
25
CuuDuongThanCong.com

/>

cu
u

du
on
g

th
an

co

ng

.c

om

Kim loại có kiểu mạng A2: Fe, Cr, Tiβ, Mo, W, V……

26
CuuDuongThanCong.com

/>