Giáo trình môn vật liệu học

LỜI MỞ ĐẦU
Trong lịch sử phát triển của x ã 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. Các lo ại vật liệu này (đặc biệt là kim loại & hợp
kim, cùng với các loại vật liệu mới) đ ã góp phần 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... đòi 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 yêu cầu có độ cứng lớn để l àm các loại dụng cụ cắt gọt kim
loại, khi lại cần có độ bền lớn để l àm các cấu 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 yêu cầu này đều có thể được đáp ứng bởi vật liệu kim loại
cũng như các loại vật liệu mới.
Môn vật liệu học sẽ trang bị cho sinh vi ên những kiến thức cơ bản của các loại vật liệu
chính: tinh thể, các hợp kim, bán dẫn v à ion, cộng 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 loại 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, thực
hành được các thí nghiệm c ơ bản để xác định cơ tính của vật liệu và biết lựa chọn vật liệu
phù hợp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng sau n ày. Khi nghiên cứu một vật liệu bất kỳ chúng ta
đều dựa vào bốn cực cơ bản sau đây: Kết cấu của cấu trúc, các tính chất, 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 của Pháp cần mười 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 loại màu khác 3,9%
6- Chất dẻo 10,2% 7-Chất dẻo đàn 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 chuyên môn sâu của ngành
học, còn phải nắm được những tính chất cơ 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 rơn ghen, ăn mòn và bảo vệ kim loại ... do đó khối lượng kiến thức khá lớn
và có nhiều mặt. Vì vậy đòi hỏi người học phải nắm vững các kiến thức c ơ bản về vật liệu và
thực hành nghiêm túc các thí nghi ệm. Khi nghiên cứu môn học này phải nắm chắc mối quan
hệ giữa thành phần hóa học, cấu trúc v à tính chất của vật liệu. Bất kỳ sự thay đổi nào của
thành phần hóa học và cấu trúc sẽ dẫn tới sự biến đổi của tính chất vật liệu.
2
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 dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn ................................ ............................. 13
1.2.1. Chất khí................................ ................................ .................................................... 14
1.3. Khái niệm về mạng tinh thể ................................ ........................................................ 15
1.3.1. Tính đối xứng ................................ ................................................................ .......... 15
1.3.2. Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt tinh thể ................................ ................................ ... 16
1.3.3. Mật độ nguyên tử................................ ................................................................ ..... 17
1.4. Cấu trúc tinh thể điển h ình của chất rắn ................................ ........................................ 18
1.4.1. Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguy ên chất) ................................ .............. 18
1.4.2. Chất rắn có liên kết đồng hóa trị................................ .............................................. 20
1.4.3. Chất rắn có liên kết ion................................................................ ............................ 21
1.4.4. Cấu trúc của polyme ................................ ................................ ................................ 21
1.4.5. Dạng thù hình ................................ ................................ .......................................... 22
1.5. Sai lệch mạng tinh thể ................................ ................................ .................................... 22
1.5.1. Sai lệch điểm ................................ ................................................................ ........... 22
1.5.3. Sai lệch mặt ................................................................ ............................................. 24

1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể................................ ............................................................. 24
1.6.1. Đơn tinh thể ................................................................ ................................ ............. 24
1.6.2. Đa tinh thể ................................ ................................ ............................................... 24
1.6.3. Textua ................................ ................................................................ ...................... 26
1.7. Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại ................................ .............................. 26
1.7.1. Điều kiện xảy ra kết tinh ................................ .......................................................... 26
1.7.2. Hai quá trình c ủa sự kết tinh................................................................ .................... 26
1.7.3. Sự hình thành hạt
................................................................................................ ..... 27
1.7.4. Các phương pháp t ạo hạt nhỏ khi đúc ................................................................ ..... 28
1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc ................................ ................................................... 28
CHƯƠNG 2................................ .............................................................................................. 31
BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH................................ ........................................................... 31
2.1. Biến dạng dẻo và phá hủy................................ .............................................................. 31
2.1.1. Khái niệm ................................ ................................ ................................................ 31
2.1.2. Trượt đơn tinh thể................................ ................................ .................................... 32
2.1.3. Trượt đa tinh thể: ................................ ..................................................................... 33
2.1.4. Phá hủy................................ ................................................................ ...................... 34
2.2.3. Độ dai và đập:................................ ................................ .......................................... 38
2.2.4. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), K
IC
............. 38
2.2.5. Độ cứng ................................ ................................................................................... 40
2.3. Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng.................................... 41
2.3.1. Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo................................ ................................... 41
2.3.2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng ................................ .................................. 41
2.3.3. Biến dạng nóng ................................ ................................ ........................................ 42
2.4. Ăn mòn và bảo vệ kim loại: ................................ ................................ ........................... 42
2.4.1. Phân loại: Theo cơ chế xảy ra ăn mòn:................................ ................................ .... 43
3

2.4.2. Cơ chế của quá trình ăn mòn kim loại:................................ ................................ .... 43
2.4.5. Chống ăn mòn kim loại ................................ ................................ ........................... 45
PHẦN II ................................ ................................................................ ................................ ... 47
HỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC ................................ ................................ ..................... 47
CHƯƠNG 3................................ .............................................................................................. 47
HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA................................ ................................................................ 47
3.1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM ................................ ..................................... 47
3.1.1. Khái niệm về hợp kim ................................ ................................ ............................. 47
3.1.2 DUNG DỊCH RẮN ................................ ................................ .................................. 48
3.2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ HAI CẤU TỬ ................................ ...................................... 50
3.2.2. Quy tắc đòn bẩy................................ ................................ ....................................... 51
3.2.3. Giản đồ loại I ................................ ........................................................................... 51
3.2.4. Giản đồ loại II ................................ .......................................................................... 52
3.2.5. Giản đồ loại III ................................................................ ................................ ........ 52
3.2.6. Giản đồ loại IV ................................................................ ........................................ 53
3.2.7. Các giản đồ pha với các phản ứng khác ................................................................ .. 53
3.2.8. Quan hệ giữa dạng giản đồ pha v à tính chất của hợp kim ................................ ....... 54
3.3. GIẢN ĐỒ PHA Fe – C (Fe - Fe
3
C)
.............................................................................. 55
3.3.1. Tương tác giữa Fe và C
........................................................................................... 55
CHƯƠNG 4
................................................................................................ .............................. 60
NHIỆT LUYỆN THÉP
................................................................................................ ............ 60
4.1. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP
..................................................................... 60
4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện thép ................................ ..................................................... 60

4.2. CÁC TỔ CHỨC ĐẠT Đ ƯỢC KHI NUNG NÓNG V À LÀM NGUỘI THÉP ............ 61
4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit....................... 61
4.2.2. Mục đích của giữ nhiệt ................................................................ ............................ 62
4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội ............................................................................... 62
4.2.4. Chuyển biến của austenit khi l àm nguội nhanh - Chuyển biến mactenxit (khi tôi) 64
4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đ ã tôi (khi ram)................................ ................... 65
4.3. Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP ................................ ....................................................... 66
4.3.1. Ủ thép ................................ ................................ ...................................................... 66
4.3.2. Thường hóa thép ................................ ................................ ...................................... 67
4.4. TÔI THÉP ................................ ................................ ...................................................... 68
4.4.1. Định nghĩa và mục đích................................ ................................ ........................... 68
4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép ................................................................ ............................. 68
4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi................................ ............................................. 69
4.4.4. Các phương pháp tôi th ể tích và công dụng. Các môi trường tôi............................ 70
4.5.RAM THÉP ................................ ................................................................ .................... 73
4.5.1. Mục đích và định nghĩa ................................ ................................ ........................... 73
4.5.2. Các phương pháp ram thép cacbon ................................ ......................................... 73
4.6. CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP ...................................... 74
4.6.1. Biến dạng và nứt................................ ................................................................ ...... 74
4.6.2. Ôxy hóa và thoát cacbon ................................ ......................................................... 75
4.6.3. Độ cứng không đạt: ................................ ................................ ................................. 75
4.6.4. Tính giòn cao ................................ ................................................................ ........... 75
4
4.6.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ v à tầm quan trọng của kiểm nhiệt .................................... 75
4.7. HOÁ BỀN BỀ MẶT ................................ ................................................................ ...... 76
4.7.1. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng 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 NIỆM VỀ THÉP CACBON V À HỢP KIM ....................................................... 82
5.1.1. Thép cacbon ................................ ................................ ............................................. 82
5.1.2. Thép hợp kim................................ ................................ ........................................... 85
Trong kỹ thuật dùng ngày càng nhiều thép hợp kim v ào các mục đích quan trọng. ......... 85
5.2. THÉP XÂY DỰNG ................................ ................................ ....................................... 91
5.2.1. Đặc điểm chung - phân loại..................................................................................... 91
5.2.2. Thép thông dụng................................ ................................................................ ...... 91
5.2.3. Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel) ................ 92
5.2.4. Thép làm cốt bêtông ................................ ................................................................ 92
5.2.5. Các thép khác ................................................................................................ ........... 93
5.3. THÉP CHẾ TẠO MÁY (Thé p kết cấu)................................ ................................ ......... 93
5.3.1. Các yêu cầu chung................................................................ ................................ ... 93
5.3.2. Thép thấm cacbon................................................................................................ .... 93
5.3.3. Thép hóa tốt................................................................................................ ............. 95
5.3.4. Các chi tiết máy điển hình bằng thép ................................ ................................ ...... 97
5.3.5. Thép đàn hồi ................................................................................................ ............ 97
5.3.6. Các thép kết cấu có công dụng ri êng....................................................................... 99
5.4. Thép dụng cụ................................ ................................................................ ................ 100
5.4.1. Các yêu cầu chung................................................................ ................................ . 100
5.4.2. Thép làm dụng cụ cắt............................................................................................. 101
5.4.3. Thép làm dụng cụ đo ................................ ................................ ............................. 105
5.5. Thép hợp kim đặc biệt (có tính chất vật lý - hóa học đặc biệt)................................ .... 108
5.5.1. Đặc điểm chung và phân loại ................................ ................................ ................ 108
5.5.2. Thép không gỉ................................ ........................................................................ 108
5.5.3. Thép bền nóng (Heat - Resistant Steel) ................................ ................................. 110
5.5.4. Thép có tính ch ống mài mòn đặc biệt cao dưới tải trọng và đập (thép Hadfield) .111
5.6. GANG ................................ ................................ .......................................................... 111
5.6.2. Gang xám ................................................................ ................................ ............... 112
5.6.3. Gang cầu................................ ................................................................................ 113

5.6.4. Gang dẻo................................ ................................................................................ 114
CHƯƠNG 6................................................................................................ ............................ 116
HỢP KIM MÀU VÀ BỘT................................................................ ................................ ..... 116
6.1. Hợp kim nhôm (Al) ................................ ...................................................................... 116
6.1.1. Nhôm nguyên ch ất và phân loại hợp kim nhôm ................................ .................... 116
6.1.2. Nhôm và hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền đ ược bằng nhiệt luyện .......... 117
6.1.3. Hợp 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
5
6.2.1. Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng ................................ ...................... 119
6.2.2. Latông (đồng thau, Pháp - laiton, Anh - brass, Nga - латунь).............................. 120
6.2.3. Brông: ................................ ................................................................ .................... 120
6.2.4. Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni.......................................................................... 121
6.3. Hợp kim ổ trượt ................................ ........................................................................... 121
6.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim l àm ổ trượt ................................ ................................ .... 121
6.3.2. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp .................................................................. 122
6.3.3. Hợp kim nhôm ................................ ....................................................................... 122
6.3.4. Các hợp kim khác ................................ ................................ .................................. 122
6.4. Hợp kim bột ................................ ................................ ................................................. 123
6.4.1. Khái niệm chung................................ ................................ .................................... 123
6.4.2. Vật liệu cắt và mài ................................................................ ................................ . 124
6.4.3. Vật liệu kết cấu ................................ ................................................................ ...... 127
6.4.4. Hợp kim xốp và thấm ................................ ................................ ............................ 127
PHẦN 4 .VẬT LIỆU KHÁC ................................................................................................ . 128
CHƯƠNG 7................................ ................................ ........................................................... 128
VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC ................................ .......................................................... 128
7.1. Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của ceramic ................................ .......................... 128
7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình................................ ......................................................... 129
7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa................................ ................................ ........................ 129

7.2.2. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh ................................ ................................................... 130
7.2.3. Ximăng ................................ ................................................................ .................. 131
7.2.4. Bêtông................................ ................................................................ .................... 133
7.2.5. Bêtông cốt thép................................................................................................ ...... 133
CHƯƠNG 8................................ ............................................................................................ 134
VẬT LIỆU HỮU CƠ ................................ ................................ ............................................. 134
8.1. Đặc điểm của vật liệu hữu c ơ....................................................................................... 135
8.1.1. Hình thành vật liệu polyme ................................ ................................................... 135
8.1.2. Phân tử Polyme................................ ................................ ...................................... 137
8.1.3. Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử ................................ ......... 137
8.1.4. Mức độ kết tinh của P olyme và tính chất cơ học ................................ .................. 138
8.2. Các polyme thông d ụng và ứng dụng .......................................................................... 138
8.2.1. Chất dẻo: Sản lượng 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. Chất dẻo xốp (foarms) ................................................................ ........................... 140
CHƯƠNG 9................................ ............................................................................................ 141
COMPOZIT ................................ ................................ ........................................................... 141
9.1. Khái niệm về compozit ................................................................ ................................ 141
9.1.1. Quy luật kết hợp ................................................................................................ .... 141
9.1.2. Đặc điểm và phân loại ................................ ........................................................... 141
9.1.3. Liên kết nền - cốt................................ ................................................................ ... 141
9.2. Compozit cốt hạt ................................................................ ................................ .......... 142
9.2.1. Compozit hạt thô ................................ ................................................................... 142
9.2.2. Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán) ................................................................ ... 142
6
9.3. Compozit cốt sợi ................................ ................................ .......................................... 142
9.3.1. Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi................................ ................................ ....... 143
9.3.2. Compozit cốt sợi liên tục song song................................ ...................................... 144

9.3.3. Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng h àng ................................................................ 145
9.3.4. Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn ................................ ................................ ..... 146
CHƯƠNG 10................................ ................................ .......................................................... 147
LỰA CHỌN VÀ 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 cơ bản của vật liệu ................................ ....................................... 147
1.3 Lựa chon vật liệu................................ ................................................................ ........... 156
1.3.1 Yêu cầu về tính năng sử dụng ................................................................ ................ 156
PHỤ LỤC 1................................ ................................................................ ............................ 158
TỔNG QUAN TI ÊU CHUẨN VẬT LIỆU KIM LOẠI ................................ ....................... 158
1.1.Tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Standard Organisation) ................................. 158
1.2.Các tiêu chuẩn Nga, Trung Quốc v à Việt Nam................................. .......................... 159
1.2.1.Tiêu chuẩn Nga OCT : ................................ ...................................................... 159
1.2.2.Tiêu chuẩn Trung Quôc GB : ................................ ................................................ 159
1.2.3.Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN : ................................ ............................................... 160
1.3.Tiêu chuẩn Mỹ : ................................................................ ................................ .......... 160
1.4.Tiêu chuẩn Nhật : ................................ ................................ ......................................... 161
1.5.Các điểm chú ý vê ký hiệu và đơn vị đo : ................................ ................................... 161
1.5.1. Các bội số và ước số : ................................ ................................ ........................... 161
1.5.2. Ký hiệu về độ bền : ................................ ................................................................ .. 162
1.5.3.Các ký hi ệu độ dẻo và độ dai :
............................................................................... 162
TIÊU CHUẨN KÝ HIỆU V ẬT LIỆU KIM LOẠI ................................ .............................. 163
2.1.Ký hiệu gang : ................................................................ ................................ .............. 163
2.1.1.Gang xám : ................................ ................................................................ ............. 163
2.1.2.Gang dẻo : ................................................................................................ .............. 164
2.1.3.Gang cầu................................ ................................ ................................................. 165
2.2.Ký hiệu thép : ................................................................................................ ............... 166
2.2.1.Thép các bon thông d ụng (thép các bon chất l ượng thường) ............................... 166

2.2.2.Thép kêt cầu :................................................................................................ ......... 168
2.2.3.Thép dụng cụ : ................................ ................................ ....................................... 170
2.2.4.Thép, hợp kim chuyên dùng và đặc biệt : ............................................................. 171
2.2.5.Kim loại màu và hợp kim mau thông dụng : ........................................................ 174
PHỤ LỤC 4................................ ................................................................ ............................ 181
THÀNH PHẦN HÓA HÓA HỌC CỦA CÁC MÁC KIM LO ẠI ................................ ....... 181
7
TỔNG QUAN
1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU
1.1.1 Khái niệm chung
Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất l à những vật rắn mà con người dùng để chế tạo ra
các máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v… trong các ng ành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông
vận tải, trong xây dựng các công tr ình, nhà cửa 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 là một khoa học ứng dụng về quan hệ giữa th ành phần, cấu tạo và tính chất
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 làm việc của các chi tiết máy v à dụng cụ.
Cơ sở lý thuyết của vật liệu học là các phần tương ứng của vật lý và hóa học nhưng về cơ
bản thì khoa học về vật liệu được phát triển bằng con đ ường thực nghiệm. Việc đ ưa ra những
phương pháp thực nghiệm mới để nghi ên cứu cấu tạo (cấu trúc) v à các tính chất cơ, lý của vật
liệu sẽ tạo điều kiện để môn vật liệu học tiếp tục phát triển.
Nghiên cứu 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 cắt gọt,... và các tính năng làm vi ệc như tính chống ăn mòn, tính chống mài
mòn và mỏi, tính dòn 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 đến các đòi hỏi của tính kinh tế.
Tóm lại, vật liệu học là môn khoa học phục vụ cho sự phát triển v à sử dụng vật liệu, trên
cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp ngày
một tốt hơn. Nó liên quan trực tiếp đến tất cả những ng ười làm việc trong lĩnh vực chế tạo, gia

công và sử dụng vật liệu.
1.1.2 Phân loại vật liệu
Dựa theo các tính chất đặc tr ưng, người ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính l à vật liệu kim
loại, vật liệu vô cơ - ceramíc và vật liệu hữu cơ - polyme. Tuy nhiên nh ững năm gần đây đã
xuất hiện một nhóm vật liệu quan trọng thứ t ư đó là vật liệu kết hợp - vật liệu compozít.
1.1.3 Vật liệu kim loại
Thành phần 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 trưng, không
cho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, r èn, ép)
Có độ bền cơ học, nhưng kém bền 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 đ
ư
ợc 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.
8
Trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật v à trong một số điều kiện chúng có
thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự thuộc dạng vô định h ình. Vật liệu kim loại
được chia làm hai nhóm lớn:
 Kim loại và hợp kim sắt là những vật liệu mà trong thành phần chủ yếu có nguyên tố
sắt. Thuộc nhóm này chủ yếu là thép và gang.
 Kim loại và hợp kim không sắt l à loại vật liệu mà trong thành phần 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 màu.
1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc
Là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim: thành phần 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 thành 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" nên
khi chế tạo vật liệu loại này thường phải qua nung nóng, thi êu kết.
Các vật liệu vô cơ - ceramíc truyền thống có thể kể đến l à: gốm và vật liệu chịu lửa , thủy
tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông.
Ngày nay, nhiều loại vật liệu vô c ơ - ceramíc mới tìm thấy có những tính năng rất quí nh ư
nhẹ, chịu nhiệt tốt, rất bền vững hóa học v à có tính chống mài mòn tốt được ứng dụng ngày
càng nhiều trong công nghiệp điện, điện tử v à hàng không vũ trụ.
1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme
Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu 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 th
ư
ờng và trong khí quyển.
Vật liệu hữu cơ – polyme bao gồm các chất hữu c ơ chứa các bon có cấu trúc đa phân tử
với hai nguyên tố thành phần chủ yếu là các bon và hydrô có th ể chứa thêm 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 vật liệu hữu cơ tự nhiên như cao su, xenlulo v.v ra ph ần lớn vật liệu hữu c ơ
được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống là các polyme tổng hợp,
chúng là sản phẩm của quá tr ình trùng hợp (polyme hóa) các phân tử đ ơn (monome) và do đó
tùy theo nguồn gốc chất trùng hợp, chúng có các tên gọi khác nhau như polyetylen (PE),
polypropylen (PP) hay polystyren (PS), v.v.
1.1.2.4 Vật liệu kết hợp – compozit
Là loại vật liệu được kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với tính chất đặc
trưng khác hẳn nhau, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần. Ví dụ: bê
9

tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt và bê
tông (là vật liệu vô cơ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông cốt thép là 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 sở để chế tạo các loại vật liệu kết hợp -compozít với những tính năng khác nhau
phục vụ tốt trong các ng ành công nghiệp và sản xuất cơ khí nói chung. M ột số vật liệu kết hợp
- compozít được ứng dụng trong ng ành hàng không rất có hiệu quả như sợi thủy tinh độ bền
cao và sợi các bon.
Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa đ ược nêu trên còn có các nhóm v ật liệu khác có tính
năng và thành phần 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 đoạn tiền sử của loài người
Từ hàng ngàn, hàng vạn năm trước công nguyên con người nguyên thủy đã biết sử dụng
công cụ lao động để duy tr ì và phát triển cộng đồng, ngày đó họ đã biết sử dụng các vật liệu
có sẵn trong tự nhiên như:
 Vật liệu vô cơ là đất sét, đá, và các loại khoáng vật v.v.
 Vật liệu hữu cơ như da, sợi thực vật, gỗ, tre v.v.
 Vật liệu kim loại như vàng, bạc, đồng tự nhiên và sắt thiên thạch v.v.
Kim loại
Compozít
Hữu cơ -
polyme
Vô cơ -

ceramíc
3
3
4
3
3
1
2
Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu v à quan hệ giữa chúng.
1. Bán dẫn; 2. Siêu dẫn; 3. Silicon; 4. Polyme dẫn điện.
10
Trong giai đoạn này, các vật liệu được 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 người Ai Cập cổ, người Babylon, người La Mã và người Trung Quốc đã biết chế
tạo ra gạch để xây cất bằng cách ph ơi khô đất sét ngoài nắng.
1.2.2 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm.
Phải trải qua một thời gian rất lâu, nghĩa l à sau hàng nghìn năm 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 mẫm, con
người thời trước Công nguyên 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 nguyên khoảng 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 nguyên Anotolia Thổ Nhĩ Kỳ đã nói lên sự xuất hiện rất sớm nghề luyện
đồng từ quặng trên trái đất của chúng ta.
Sắt thép cũng xuất hiện khá sớm. Vào khoảng thế kỷ 15 trước Công nguyên người ta đã
biết sử dụng công cụ bằng thép v à sau đó khoảng 4 thế kỷ, người Hy Lạp và La Mã đã biết sử
dụng phương pháp nhiệt luyện tôi thép để l àm tăng độ 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 đến ngày
nay vẫn còn là một 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 nguyên

đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt nh ư mũ sắt, lưỡi cưa và các
công cụ 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 hơn 3.000 năm trước 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 nặng 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 nước 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, vật liệu vô cơ cũng đã
có những bước tiến rất sớm. Từ thế kỷ XV tr ước Công nguyên, ở Ai Cập, Babylon và 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 kỹ thuật đúc bê tông cốt thép sử dụng trong xây dựng
đã xuất hiện ở Mỹ vào năm 1875 và ngày nay lo ại vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng
rãi trong các công trình xây d ựng cầu đường, nhà cửa v.v.
1.2.3 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thức khoa học
Người ta đã đi sâu tìm hiểu bản chất của vật liệu, tìm hiểu nguyên nhân của sự hình thành
các tính chất khác nhau của chúng. Chính nhờ những kiến thức khoa học đó m à con người đã
đánh giá được 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.
11
Có thể kể ra đây một vài 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) xuất hiện
nhờ quá trình hóa già biến cứng.
 Năm 1940 công nghệ chế tạo chất dẻo polyme ra đời nhờ quá trình trùng hợp.
 Năm 1955 công nghệ chế tạo bán dẫn bằng kỹ thuật tinh luyện v à tạo lớp chuyển tiếp.
 Năm 1965 một 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 chế tạo vật liệu nhớ h ình.
 Năm 1980 chế tạo thành công kim loại thủy tinh v.v…
Bất kỳ một sáng tạo nào của con ng
ư
ời 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 MИHCK22 (vài trăm phép tính/phút)
 Bán dẫn (vi xử lý) (90 - 130)MHz

200MHz (P)


(330 - 400)MHz (P
II
)

(400
-7
00)MHz (P
III
), P
IV

1GHz,.. ?
 Máy hút bụi: gỗ (hộp)

kim loại (trụ)

polyme (cầu) công suất gấp 10, kích th
ư
ớc 1/3.
Xu h
ư
ớng 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 trình nghiên cứu tại các
phòng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng r ãi vào thực tế trong tương lai.
Hình 1.1. Phân bố vật liệu

12
1.3 Nội dung môn học
Gồm bốn phần chính
- 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 tr
ư
ờng

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 đ
ư
ợc bằng mắt th
ư
ờng (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 đ
ư
ợc bằng mắt
hay lúp. Bao gồm 2 loại:

- Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân
tử (pha) với kích th
ư
ớc cỡ micromet hay 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 t
ư
ơng tác giữa các nguyên tử trong không
gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể

tia X và ph
ư
ơng 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:
ASTM (American Society for Testing and Materials),
AISI (American Iron and Steel Institute),
SAE (Society of Automotive Engineers),
AA (Aluminum Association),
CDA (Copper Development 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.
13
PHẦN I

CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU
CHƯƠNG 1
CẤU TRÚC TINH THỂ V À SỰ HÌNH THÀNH
1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử
Cấu tạo nguyên tử: Nguyên tử = hạt nhân + electron = (proton + n ơtron) + electron
Nơtron không mang đi ện, Proton mang điện d ương = điện tích của electron

nguyên tử
trung hoà.
Cấu hình electron (electron configuration) ch ỉ rõ: số lượng tử chính (1, 2 , 3...), ký hiệu
phân lớp (s, p, d...), số lượng electron thuộc phân lớp (số mũ tr ên ký hiệu phân lớp).
Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu h ình electron là 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
1
qua đó biết được số
electron ngoài cùng ( ở đây là 1, hóa trị 1).
Các kim loại chuyển tiếp: Fe có Z = 26: 1s
2
2s

2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
6
4s
2
1.1.2. Các dạng 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 là nguyên nhân tạo nên các tính chất khác nhau.
1.1.2.1. Liên kết đồng hóa trị
Là liên kết 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 thể lấy ba ví dụ như sau (hình 1.1).
 Clo có Z=17 (1s22s22p63s23p5), có 7e ở lớp ngoài cùng, 2 nguyên t ử Cl mỗi nguyên tử
góp chung 1 electron đ ể lớp ngoài cùng 8e (hình 1.1a).
Hình 1.1.
Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hóa trị
a:phân tử clo; b: giecmani (Ge); c: m êtan (CH
4
)
 Giecmani (Ge, z=32) có 4e l ớp ngoài cùng (4s2, 4p2), 4 nguyên t ử góp chung (hình
1.1b). Liên kết giữa các nguyên tử cùng loại (từ IVB VIIB nh ư Cl, Ge) là loại đồng cực, còn
giữa các nguyên tố khác loại như CH4 là loại dị cực.
 Mê tan (CH4). Cacbon (z=6), có 4e l ớp ngoài cùng và 4 nguyên t ử H để mỗi nguyên tử
này góp cho nó 1 electron làm cho l ớp electron ngoài cùng đủ 8 (hình 1.1c).
1.1.2.2. Liên kết 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 Al
2
O
3
, MgO, CaO, Fe
3
O
4
, NiO... có xu thế
mạnh với tạo liên kết ion.
14
 Liên kết ion càng mạnh khi lớp ngoài cùng (cho) chứa ít e, nhận nằm càng gần hạt nhân.
 Liên kết không định hướng (định hướng thì xác suất liên kết lớn nhất theo ph ương nối
tâm các nguyên tử), vật liệu có liên kết ion thì tính giòn cao.
1.1.2.3. Liên kết kim loại (hình 1.3)
Định nghĩa: là liên kết trong đó các cation kim loại nhấn ch ìm trong đám mây electron tự do.
Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng)

các ion kim loại có vị trí xác định. Các
nguyên tố nhóm Ia có tính kim loại điển h ình, càng dịch sang bên 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: Á
nh kim hay
vẻ sáng, dẫn nhiệt và dẫn điện tốt và tính dẻo, dai cao.
1.1.2.4. Liên kết hỗn hợp
Thực ra các liên 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 điện lần lượt là 0,9 và 3,0. Vì thế liên kết giữa Na và
Cl trong NaCl gồm khoảng 52% li ên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị.
1.1.2.5. Liên kết 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 nguyên tử trong vật chất
1.2.1. Chất khí
Trong chất khí có sự sắp xếp
nguyên tử một cách hỗn loạn

không
có hình dạng, kích thước xác định.
1.2.2. Chất rắn tinh thể
Chất rắn tinh thể :
- Trật tự gần, mà còn có cả trật tự xa.
- Các kiểu mạng tinh thể xác định: lập phương, lục giác (hình 1.4).
1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô định h ình và vi tinh thể
1.2.3.1. Chất lỏng
Trong phạm vi hẹp (khoảng 0,25nm) các nguy ên tử chất lỏng có xu thế ti ếp xúc (xít) nhau
Hình 1.2. Sơ đồ biểu diễn liên kết ion trong phân tử
Hình 1.3. Sơ đồ liên kết kim loại
Hình 1.4. Sơ đồ mạng tinh thể
15
tạo thành các đám nhỏ, 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 giảm thể tích (co ngót).
1.2.3.2. Chất rắn vô định hình
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 cấu trúc giống như chất lỏng trước đó gọi là chất
rắn vô định hình. Thủy tinh (mà cấu tạo cơ bản là SiO2) là chất rắn vô định hình.
Như vậy về mặt cấu trúc, các chất rắn gồm 2 loại: tinh thể v à vô định hình. Kim loại, hợp

kim và phần 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 biểu thị ở hình 1.5a] làm nguội bình thường

vô định hình (hình 1.5b); làm ngu ội vô cùng 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 SiO
2
(b)
thủy tinh tinh thể SiO2 (c)
1.2.3.3. Chất rắn vi tinh thể
Cũng với vật liệu tinh thể kể tr ên khi làm nguội từ trạng thái lỏng rất nhanh (tr ên dưới
10
4
độ/s) sẽ nhận được cấu trúc tinh thể nh ưng với kích thước hạt rất nhỏ (cỡ nm), đó là vật
liệu có tên gọi là vi tinh thể (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 niệm về mạng tinh thể
Định nghĩa:
Mạng tinh thể là mô hình không gian biểu diễn quy luật hình học của sự sắp xếp nguyên 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 đối 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 cũ ng như các tính chất của vật rắn tinh thể.
Tính đối xứng là tính chất hình học khi quay một điểm hay một phần tử xung quanh 1
điểm hay một đường với một góc a chúng sẽ tr ùng lặp nhau. Điểm hay đ ường được quay
xung quanh đó được gọi là tâm hay trục đối xứng. Đối xứng qua mặt phẳng đ ược gọi là đối
16
xứng gương. Gọi n = 2p/a là bậc đối xứng, chỉ có n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hiệu L
1
, L
2
, L
3
, L
4
, L
6
.
1.3.2. Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt tinh thể
1.3.2.1. Ô cơ sở
 Đ/n: là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp nguy ên tử đại
diện cho toàn bộ mạng tinh thể.
 Do tính đối xứng bằng phương pháp xoay và t ịnh tiến ta sẽ
suy ra toàn bộ mạng tinh thể.
Thông số mạng (hằng số mạng
)
là kích thước của ô cơ sở,
thường là kích thước các cạnh của ô cơ sở từ đó có thể xác định
toàn bộ kích thước của ô cơ sở (hình 1.6)
1.3.2.2. Nút mạng
Nút mạng tương ứng với vị trí các nguy ên tử trong mạng tinh thể.

1.3.2.3. Chỉ số phương
Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng, đ ược ký hiệu bằng [u v w]; Ba chỉ số u, v, w là
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: Phương và mặt tinh thể có kích th ước vô hạn.
Trên hình 1.7 giới thiệu ba phương điển hình trong mạng tinh thể của hệ lập phương:
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 <uvw>.
Ví dụ họ <110> gồm các ph ương sau đây chúng có cùng quy lu ật sắp xếp nguyên tử: [110],
[011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [01 1], [101] (các đư ờng chéo).
Hình 1.7. Các ph
ư
ơng điển hình
của
hệ
lập ph
ư
ơng
Hình 1.8. Các mặt điển hình của
hệ lập ph
ư
ơng
Hình 1.6. Ôcơ sở và hệ tọa độ
17
Mặ t Chỉ số Miller Chỉ số Miller - Bravais
ABHG (100) (1010)
BCIH (010) (0110)
AGLF (110) (1100)
ABCDEF (001) (0001)
ACIG (1120)
1.3.2.4. Chỉ số Miller của mặt tinh thể

Mặt tinh thể là tập hợp các mặt có cách sắp xếp nguy ên tử giống hệt nhau, song song v à
cách đều nhau, chúng có cùng một ký hiệu. Người ta ký hiệu mặt bằng chỉ số Miller (h k l).
Các chỉ số h, k, l được xác định theo các b ước như sau:
 Tìm giao điểm của mặt phẳng trên 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 chỉ số h, k, l
Ví dụ , xác định các chỉ số Miller cho các mặt:
Mặt Điểm cắt các
trục
Nghịch
đảo
Chỉ số
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)
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 hệ 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 mặt trong hệ lục giác đ ược trình bày ở hình 1.10

Cách ký hiệu theo Miller - Bravàis thể hiện được các
mặt bên cùng họ và cùng
cách sắp nguyên tử.
1.3.3. Mật độ nguyên tử
1.3.3.1. Mật độ xếp
Là mức độ dày đặc của nguyên tử trong mạng tinh thể. Mật độ xếp theo ph ương (chiều
dài)
M
l
, theo mặt M
s
hay trong toàn bộ thể tích mạng M
v
được xác định theo
các công thức:
M
l
= l / L, M
s
= s / S, M
v
= v / V
Trong đó: - l, s, v lần lượt là chiều dài, diện tích, thể tích bị nguy ên tử (ion) chiếm chỗ.
- L, S, V lần lượt là tổng chiều dài, diện tích, thể tích xem xét.
Hình 1.9 Sơ đồ ký hiệu mặt
tinh thể theo chỉ số M iller
Hình 1.10. Hệ tọa độ trong
hệ lục giác v à các mặt
18
1.3.3.2. Số phối trí (số sắp xếp):

Là số lượng nguyên tử cách đều gần nhất một nguy ên tử đã cho. Số sắp xếp càng lớn
chứng tỏ mạng tinh thể c àng dày đặc.
1.3.3.3. Lỗ hổng
Là không gian trống giữa các nguyên tử (coi nguyên tử là hình cầu đặc). Kích thước lỗ
hổng được đánh giá bằng đường 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 liên kết kim loại (kim loại nguyên chất)
Đặc tính cấu trúc của kim loại l à: nguyên tử (ion) luôn có xu h ướng xếp xít chặt với kiểu
mạng đơn giản (như lập phương tâm mặt, lập phương tâm khối, lục giác xếp chặt).
1.4.1.1. Lập phương tâm khối A2
Ô cơ sở là hình lập phương, cạnh bằng a, các nguy ên tử (ion) nằm ở các đỉnh v à tâm khối
(hình 1.10a, b và c). S ố lượng nguyên tử cho mỗi ô: n
v
= 8 đỉnh. 1/8 + 1 giữa = 2
nguyên tử
Hình 1.10. Ô cơ sở mạng lập phương
tâm khối (a, b),
các lỗ hổng (c) và cách xếp các mặt tinh thể {100} và {110} (d)
Thường dùng cách
vẽ tượng
trưng (hình c). Nguyên tử nằm xít nhau theo phương <111>, do đó:
- Đường kính nguyên tử
2
3
.
ad
tng

số sắp xếp là 8.
Các mặt tinh thể xếp dày đặc nhất là họ {110}. Mật độ xếp thể tích M

v
= 68%. Có hai loại
lỗ hổng: hình 4 mặt và hình 8 mặt như trình bày ở hình d. Loại 8 mặt có
kích
thước
bằng
0,154 d
ng.tu
nằm ở tâm các mặt b ên {100} và giữa các cạnh a. Loại 4
mặt có kích thước lớn
hơn một chút, bằng 0,291 d
nguyên tử
nằm ở 1/4 trên 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 thước đều nhỏ, lớn nhất
cũng không quá 30% kích th ước (đường kính) nguyên tử .
Các kim loại có kiểu mạng A1 th ường gặp là: Fe
a
, Cr, Mo, W.
Mạng chính phương tâm khối chỉ khác mạng A2 ở a = b

c
19
1.4.1.2. Lập phương tâm mặt A1
Khác với kiểu mạng A2 l à thay cho nguyên t ử nằm ở trung tâm khối l à nguyên tử nằm ở
trung tâm các mặt bên, như biểu thị ở các hình 1.11a, b và c.
Hình 1.11. Ô cơ sở mạng lập phương 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 là : n
v

= 8 đ ỉnh. 1/8 + 6 mặ t. 1/2 = 4 nguy ên tử .
+Trong mạng A1, các nguyên tử xếp xít nhau theo ph ương đường chéo mặt <110>,
do đó:
đường kính
2
2
.
ad
tng

số sắp xếp là 12.
+Các mặt tinh thể dày đặc nhất là họ {111}. Mật độ xếp thể tích M
v
=74%,
mạng A1 này
là kiểu xếp dày đặc hơn A2 và là một trong hai kiểu xếp d ày đặc
nhất.
Có 2 loại lỗ hổng hình 4 mặt và hình 8 mặt như trình bày ở các hình 1.11c. Loại bốn mặt
có kích thước 0,225 d
ng.t
(đỉnh 1 và tâm ba mặt 2,3,4). Đáng chú ý l à loại lỗ hổng hình tám
mặt, nó có kích thước lớn hơn 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 hơn mà kích thước lỗ
hổng lại lớn hơn hẳn (0,225 và 0,41 so với 0,154 và 0,291). Chính đi ều này (kích thước lỗ
hổng) mới là yếu tố quyết định cho sự h òa tan dưới dạng xen kẽ.
Khá nhiều kim loại điển h ình có kiểu mạng này: sắt (Fe

g
), Ni, Cu, Al với 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. Lục giác xếp chặt A3
Các nguyên tử nằm trên 12 đỉnh, tâm của 2 mặt đáy v à tâm của ba khối lăng trụ tam giác
cách đều nhau (hình 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 tử xếp xít nhau theo các mặt đáy (0001). 3 nguy ên tử ở giữa song song với mặt
đáy sắp xếp nguyên tử giống như 2 mặt đáy, nhưng nằm ở các hõm cách đều nhau (hình
1.12d). Mạng lục giác xếp chặt th ì c/a =
3/8
hay 1,633.
20
Hình 1.12. Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt (a,b,c) v à cách xếp các mặt tinh thể {0001}(d)
Tuy nhiên trong thực tế c/a có xê dịch nên quy ước:
c/a = 1,57

1,64 thì mạng được coi là xếp chặt, 1,57 < c/a < 1,64 không xếp chặt.
Các kim loại có kiểu mạng này ít thông dụng 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 xếp chặt).
1.4.2. Chất rắn có liên kết đồng hóa trị
1.4.2.1. Kim cương A4
Kim cương là m ột dạng tồn tại (thù hình) của cacbon với cấu h ình electron là 1s2 2s2 2p
2
,
vậy số e lớp tham gia liên kết là N = 4, số sắp xếp sẽ là 4 tức là mỗi một nguyên tử cacbon có

4 nguyên tử bao quanh gần nhất.
Hình 1.14. ô cơ sở của mạng tinh thể kim c ương (a), vị trí các nguyên tử (b) và liên kết (c)
Ô cơ sở mạng kim cương (hình 1.14a), được tạo thành trên cơ sở của ô cơ sở A1 có thêm
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 tử cacbon đều có liên kết đồng hóa trị với năng lượng lớn nên kim cương có
độ cứng rất cao (cao nhất trong thang độ cứng).
1.4.2.2. Mạng 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 liên
kết yếu Vàn der Waals, grafit r ất dễ bị tách lớp, rất mềm, nó đ ược coi như là một trong những
chất rắn có độ cứng thấp nhất.
1.4.2.3. Cấu 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 và độ cứng
rất cao của nó chắc chắn hứa hẹn sẽ có những ứn g dụng kỳ lạ trong kỹ thuật.
21
Sợi cacbon được trình bày ở hình 1.15b
Hình 1.15.
Cấu trúc mạng của
grafit(a),
sợi cacbon (b)
và fullerene(c).
1.4.2.4. Cấu trúc của SiO
2
Hình 1.5a, là mô hình s ắp xếp không của các khối tứ diện tam giác đều

SiO
4
4-
của SiO
2
.
Thạch anh với cấu trúc lục giác (h ình 1.16a), cristobalit

với cấu trúc lập phương (hình
1.16b). Trong điều kiện nguội nhanh sẽ nhận đ ược thủy tinh (vô định h ình) như ở hình 1.5b.
Hình 1.16. Sắp xếp khối tứ diện (SiO
4
)
4-
trong thạch anh (a), cristobalit b (b).
1.4.3. Chất rắn có liên kết ion
Cấu trúc tinh thể của hợp chất hóa học có li ên kết ion phụ thuộc vào hai yếu tố:
- Tỷ số của ion âm v à ion dương đảm bảo trung hòa về điện.
- Tương quan kích thư ớc giữa ion âm và ion dương: trong tinh thể ion, các ion luôn có xu
hướng sắp xếp để độ xếp chặt v à tính đối xứng cao nhất.
Mạng tinh thể của hợp chất với li ên kết ion vẫn có các kiểu mạng đ ơn giản (A1, A2)
nhưng sự phân bố các ion trong đó khá phức tạp n ên vẫn được coi là có mạng phức tạp.
Có thể hình dung mạng tinh thể các hợp chất hóa học với li ên kết ion được tạo thành trên
cơ sở của ô cơ sở của ion âm, các ion d ương còn lại chiếm một phần hay to àn bộ các lỗ hổng.
Tỉ mỉ về cấu trúc của chất rắn có li ên kết ion được trình bày ở chữơng7.
1.4.4. Cấu trúc của polyme
Ví dụ PE (C
2
H
4

)
n
:
Khác với kim loại và các chất
vô cơ, ô cơ sở chỉ tạo nên bởi số
lượng hạn chế (từ vài đến vài
chục) nguyên tử (ion), mỗi phân
tử polyme có thể gồm h àng triệu
nguyên tử.
Mạch kín
Bẻ liên kết kép Tạo mạch thẳng
22
Các phân tử (mạch) polyme đ ược liên kết Vàn der Waals với nhau (liên kết yếu). Một số
vùng các mạch sắp xếp có trật tự tạo n ên cấu trúc tinh thể, phần c òn lại là vô định hình.
1.4.5. Dạng thù hình
Thù hình hay đa 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, mỗi cấu trúc khác biệt đó đ ược
gọi là dạng thù
hình: ký hiệu , , , , .... Quá trình thay đổi từ dạng thù
hình này sang dạng thù hình khác
được gọi là chuyển biến thù hình. Các yếu tố dẫn đến chuyển biến th ù hình thường gặp hơn cả
là nhiệt độ, sau đó là áp suất.
Cacbon ngoài dạng vô định hình còn tồn tại: các dạng th ù hình (các hình 1.13, 1.14): kim
cương (A4), grafit (A9), s ợi cacbon (cấu trúc lớp cuộn), fullerene (cấu trúc mặt cầu C
60
) trong
đó, grafit là dạng thường gặp và ổn đinh nhất.
Sắt (Fe) có hai kiểu mạng l à: Fe

-A2, T < 911

o
C, Fe

-A1, T= 911

1392
o
C, Fe

T>
1392
o
C -1539
o
C;

tính chất khác.
Chuyển biến thù hình bao giờ cũng đi kèm với sự thay đổi về thể tích (nở h ay 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 l ên
74% khi chuyển từ Fe

 Fe

) và hoàn toàn ngược lại khi làm nguội (điều này hơi trái với
quan niệm thường gặp là nung nóng thì nở ra, còn làm nguội thì co lại)

rèn khuôn?
1.5. Sai lệch mạng tinh thể

Trong thực tế không phải 100% nguy ên tử đều nằm đúng vị trí quy định, gây n ên những
sai lệch được gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng. Tuy số nguy ên tử nằm lệch vị
trí quy định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1

2%) song ảnh hưởng lớn đến cơ tính: khả năng biến
dạng dẻo, biến cứng...).
Phụ thuộc vào kích thước theo ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia th ành: điểm,
đường và mặt.
1.5.1. Sai lệch điểm
Đó là loại sai lệch có kích th ước rất nhỏ (cỡ kích th ước nguyên tử) theo ba chiều không
gian, có dạng bao quanh một điểm. H ình 1.17 trình bày tổng quát các dạng sai lệch điểm n ày.
1.5.1.1. Nút trống và nguyên tử tự xen kẽ (Hình 1.17a)
Do dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng, ở mức phân bố năng l ượng không đều, một số
nguyên tử bứt khỏi nút mạng để lại nút trống v à tạo nguyên tử xen kẽ giữa.
Hình 1.17. Các dạng sai lệch điểm: nút trống v à nguyên tử tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b).
Mật độ của nút trống tăng nhanh theo nhiệt độ (n=e
Q/KT
),
khi sắp chảy lỏng n
max
.
Nút trống có ảnh hưởng lớn đến cơ chế và tốc độ khuếch tán của kim loại v à hợp
kim ở
trạng thái rắn.
23
1.5.1.2. Nguyên tử tạp chất
Trong thực tế vật liệu hoặc kim loại th ường có tạp chất: xen kẽ (hình 1.17b).
Do sự sai khác về đường kính nguyên tử giữa các nguyên tố nền và tạp chất

sai lệch.

1.5.2. Sai lệch đường - Lệch
Sai lệch đường là loại có kích thước nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo hai chiều và lớn
theo chiều thứ ba, tức có dạng của một đ ường (có thể là thẳng, cong, xoáy trôn ốc). Sai lệch
đường có thể là một dãy các sai lệch điểm kể trên. Chúng gồm: hai dạng là biên và xoắn.
1.5.2.1. Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line) (hình 1.18a)
Có thể hình dung lệch biên được tạo thành nhờ chèn thêm bán mặt ABCD vào
nửa phần
trên của mạng tinh thể lý t ưởng (hình 1.18a), khi đó, các mặt nguyên tử
khác ở hai phía trở
nên không còn song song v ới nhau.
Hình 1.18. Lệch biên: tinh thể không lệch (a), mô hình tạo thành (b), sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c)
Như thấy rõ ở hình 1.18b: đường AD được gọi là trục lệch, nó chính l à biên của bán mặt
nên có tên là lệch biên. Với sự phân bố nh ư vậy nửa tinh thể có chứa bán mặt sẽ chịu ứng suất
nén, nửa còn lại chịu ứng suất kéo.
Véc tơ Burgers: là véc tơ đóng kín v òng tròn Burgers v ẽ trên mặt phẳng vuông góc với
trục lệch khi chuyển từ tinh thể không lệch sang tinh thể có lệch. Lệch thẳng b

AL
1.5.2.3. Lệch xoắn (screw dislocation) (h ình 1.19a)
Hình 1.19. Lệch xoắn: tinh thể không lệch (a), mô h ình tạo thành (a),
đặc điểm sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c).
Các nguyên tử trong vùng hẹp giữa hai đường AD và BC sắp xếp lại có dạng đ ường xoắn
ốc giống như mặt vít nên lệch có tên là lệch xoắn như thấy rõ ở hình 1.19c.
Véc tơ Burgers song song v ới trục lệch AD=L
1.5.2.4. Đặc trưng về hình thái của lệch
Mật độ lệch (ký hiệu l à

) là tổng chiều dài trục lệch trong một đ ơn vị thể tích của tinh
thể, có thứ nguyên là cm/cm
3

hay cm
2
. Mật độ lệch phụ thuộc rất mạnh v ào độ sạch và trạng
24
thái gia công. Ví d ụ, đối với kim loại  có giá trị nhỏ nhất (~ 10
8
cm
-2
) ứng với độ sạch cao v à
trạng thái ủ; hợp kim v à kim loại sau biến dạng nguội, tôi...

tới 10
10

10
12
cm
-2
) (có thể
coi mật độ lệch là trục lệch chạy qua/1 cm
2
).
Ý nghĩa: lệch biên giúp cho dễ biến dạng (trượt), khi mật độ quá lớn lại gây cản tr ượt (tăng
bền). Ngoài ra, 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 th ước lớn theo hai chiều đo v à nhỏ theo chiều thứ ba,
tức có dạng của một mặt (có thể l à phẳng, cong hay uốn l ượn).
Các dạng điển hình của sai lệch mặt là: biên giới hạt và siêu hạt (sẽ trình bày ở mục sau)
và bề mặt tinh thể.
1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể

1.6.1. Đơn tinh thể
Đơn tinh thể (hình 1.20a): là một khối chất rắn có mạng đồng nhất (c ùng kiểu và hằng số
mạng), có phương mạng không đổi trong to àn bộ thể tích. Trong thi ên nhiên: một số khoáng
vật có thể tồn tại d ưới dạng đơn tinh thể. Chúng có bề mặt ngo ài nhẵn, hình dáng xác định, đó
là những mặt phẳng nguy ên tử giới hạn (thường là các mặt xếp chặt nhất). Các đ ơn tinh thể
kim loại không tồn tại trong tự nhi ên, muốn có phải dùng công nghệ "nuôi" đơn tinh thể.
Đặc điểm: có tính chất rất đặc th ù là dị hướng vì theo các phương mật độ xếp chặt
nguyên tử khác nhau. Đơn tinh thể chỉ được dùng trong bán dẫn.
1.6.2. Đa tinh thể
1.6.2.1. Hạt
Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể. Đa ti nh thể gồm rất nhiều (đ ơn)
tinh thể nhỏ (cỡ m) được gọi là hạt tinh thể, các hạt có c ùng cấu trúc và thông số mạng song
phương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu nhi ên) và liên kết với nhau qua vùng ranh
giới được gọi là biên hạt (hay biên giới hạt) như trình bày ở hình 1.20b.
Từ mô hình đó thấy rõ :
- Mỗi hạt là một khối tinh thể ho àn toàn đồng nhất, thể hiện tính dị h ướng.
- Các hạt định hướng ngẫu nhiên với số lượng rất lớn nên thể hiện tính đẳng hướng.
- Biên hạt chịu ảnh hưởng của các hạt xung quanh nên có cấu trúc “trung gian” và vì vậy sắp
xếp không trật tự (xô lệch) nh ư là vô định hình, kém xít chặt với tính chất khác với bản thân hạt.
- Có thể quan sát cấu trúc hạt đa tinh thể hay các hạt nhờ kính hiển vi quang học (h ình 1.20c).
Hình 1.20. Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b), tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể (c),
cấu trúc của siêu hạt (d).
25
1.6.2.2. Độ hạt
Độ hạt có thể quan sát định tính qua mặt g ãy, để chính xác phải xác định tr ên tổ chức tế vi.
Cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM: phân thành 16 cấp chính đánh số từ 00, 0, 1, 2...., 14 theo
trật tự hạt nhỏ dần, trong đó từ 1 đến 8 l à thông dụng.
Cấp hạt N=3,322lgZ+1, với Z l à số hạt có trong 1 inch
2
(2,54

2
 6,45cm
2
dưới độ phóng
đại 100 lần.
Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh với bảng chuẩn ở độ phóng đại
(thường là x100) hoặc xác định trên tổ chức tế vi. Các số liệu phân cấp hạt xem bảng 1.2.
Bảng 1.2. Các cấp hạt chuẩn chính theo ASTM
Cấp hạt 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Z(x100)/inch
2 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 0128
Z thực/mm
2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048
S hạt, mm
2 0,258 0,129 0,06
45
0,032 0,016 0,008 0,004 0,002 0,001 0,0005
Cấp hạt 9 10 11 12 13 14
Z(x100)/inch
2
256 512 1024 2048 4096 8200
Z thực/mm
2
4096 8200 16400 32800 65600 131200
S hạt, mm
2
2.10
-4
1.10
-4

6.10
-5
3.10
-5
1,6.10
-5
7,88.10
-6
Hình 1.21. Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100
1.6.2.3. Siêu hạt
Nếu như khối đa tinh thể gồm các hạt (kích th ước hàng chục - hàng trăm m) với
phương mạng lệch nhau một góc đáng kể (h àng chục độ), đến lượt mỗi hạt nó cũng gồm
nhiều thể tích nhỏ hơn (kích thước cỡ 0,1

10m) với phương mạng lệch nhau một góc rất
nhỏ ( 1-2
o
) gọi là siêu hạt hay block (hình 1.20d). Biên giới siêu hạt cũng bị xô lệch nh ưng
với mức độ rất thấp.