Week1 2 crystal structure

1/25/2015

NỘI DUNG
•
•
•
•
•
•
•
•
•

KIM LOẠI HỌC VẬT LÝ
Nguyễn Văn Hoàng – VL & CNVL


Chương 1: Cấu trúc tinh thể
Chương 2: Kết tinh
Chương 3: Biến dạng kim loại
Chương 4: Giản đồ pha
Chương 5: Ủ và thường hóa thép
Chương 6: Tôi và ram thép
Chương 7: Hóa bền bề mặt
Chương 8: Thép và gang
Chương 9: Hợp kim màu

1/25/2015 9:59 PM

KHÁI NIỆM

Nguyễn Văn Hoàng

2

Vật liệu là những vật rắn

• Vật liệu là gì?
• Vật liệu học là gì?

Nguyễn Văn Hoàng

1/25/2015 9:59 PM

3

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

4

ỨNG DỤNG

PHÂN LOẠI
Kim loại

Siêu dẫn

Polyme
dẫn điện

Polyme

1/25/2015 9:59 PM

Compozit

Silicon

Nguyễn Văn Hoàng

Bán dẫn

Gốm

5

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

6

1


1/25/2015

NỘI DUNG 30/15WEEK

ỨNG DỤNG

Chất dẻo 1020%

Các chất
khác

Nhôm 5-10%

1/25/2015 9:59 PM

Hợp kim sắt 5060%
(15-20 HSLA)

Nguyễn Văn Hoàng

7

Phần 1
Cơ sở vật liệu học
(9 LT)

• Cấu tạo vật liệu
• Kết tinh
• Biến dạng dẻo

Phần 2
Nhiệt luyện thép
(12LT)

• Giản đồ pha
• Ủ và thường hóa
• Tôi và ram
• Hóa bền bề mặt

Phần 3
Các loại vật liệu
(9LT)

• Thép và gang
• Hợp kim màu

1/25/2015 9:59 PM

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Nguyễn Văn Hoàng

8

THI - KIỂM TRA

• Vật liêu học – Bộ môn vật liệu – HVKTQS,
2007
• Vật liệu học – Lê Công Dưỡng – NXB KHKT Hà Nội 1997
• Kim loại học và nhiệt luyện – Nghiêm Hùng –
Hà Nội 1979

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

9

•
•
•
-

Điểm chuyên cần
Điểm danh trên lớp
Điểm thường xuyên
Kiểm tra giữa kỳ 2 bài
Làm bài tập
Điểm thi (Viết)
ĐK dự thi: Nghỉ học không quá 20%(≤3B), thi
giữa kỳ ít nhất 1 bài ≥ 5đ;
- Thi viết: 2 câu (60 phút)
1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

10

Các trạng thái tồn tại của vật chất

CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VẬT LIỆU

• Các khái niệm cơ bản
• Các kiểu mạng tinh thể

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

11

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

12

2


1/25/2015

CÁC TRẠNG THÁI TỒN TẠI CỦA VẬT CHẤT

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

Tinh thể muối ăn
14

13

How do atoms assemble into solid structures?

How does the density of a material depend on
its structure?
When do material properties vary with the
sample (i.e., part) orientation?

Tinh thể thạch anh – SiO2
1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

15

Nguyễn Văn Hoàng

1/25/2015 9:59 PM

16

KHÁI NIỆM TINH THỂ
Vật có hình dáng đối xứng nhất định, phản ánh quy luật sắp xếp
nguyên tử bên trong vật liệu

Tinh thể đường
1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

17

1/25/2015 9:59 PM

Hoa tuyết
Nguyễn Văn Hoàng

Tinh thể silic
18

3


1/25/2015

MẠNG TINH THỂ

Ô CƠ BẢN

Mạng tinh thể: Là
mạng không gian
được tạo nên bởi
các ion, nguyên
tử, phân tử sắp
xếp theo một quy
luật hình học
nhất định
Ô cơ bản: Phần thể tích nhỏ nhất đặc trưng cho tinh thể
1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

19

Ô CƠ BẢN NaCl

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

Nguyễn Văn Hoàng

20

CÁCH CHỌN Ô CƠ BẢN

21

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

22

CÁCH CHỌN Ô CƠ BẢN

CÁCH CHỌN Ô CƠ BẢN

•
•
•
•

1/25/2015 9:59 PM

Tính đối xứng
Số cạnh và số góc bằng nhau nhiều nhất
Số góc vuông nhiều nhất
Thể tích nhỏ nhất

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

23

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

24

4


1/25/2015

THÔNG SỐ MẠNG
1811-1863
a French physicist

• Kích thước cơ bản của mạng
tinh thể (các cạnh và các góc)

• Từ thông số mạng có thể tính
ra được các khoảng cách bất
kỳ trong mạng
• Đơn vị đo là Ăng-strôn (Å):
1Å = 10-8 cm

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

25

KÝ HIỆU PHƯƠNG , MẶT TINH THỂ
- CHỈ SỐ MILLER

William
Hallowes
Miller (6 April 1801
20 May 1880), British
mineralogist
and
crystallographer.
1/25/2015 9:59 PM

Các phương hoặc mặt
song song nhau, cách
sắp xếp nút mạng giống
nhau sẽ có cùng ký hiệu
Nguyễn Văn Hoàng

27

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

26

CÁCH XÁC ĐỊNH PHƯƠNG TINH THỂ
• Từ gốc trục tọa độ vẽ đường thẳng song song với
phương cần xác định
• Tìm tọa độ nút mạng gần gốc tọa độ nhất trên
đường thẳng đó. Nếu tọa độ nút mạng là số
nguyên (p, q, r) thì ký hiệu phương là [pqr]
• Nếu tọa độ là phân số thì qui đồng mẫu số. Tử số
là u, v, w thì ký hiệu là [uvw]
• Nếu tọa độ có dấu âm thì trên đầu chỉ số tương
ứng ghi dấu –
1/25/2015 9:59 PM

Ex:

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

Nguyễn Văn Hoàng

28

Ex:

29

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

30

5


1/25/2015

CÁCH XÁC ĐỊNH MẶT TINH THỂ

Ex:

• Tìm giao điểm mặt với 3 trục x, y, z. Tọa độ 3
giao điểm là (p,0,0) (0,q,0) (0,0,r).
• Lấy nghịch đảo
• Quy đồng mẫu số. Tử số là h, k, l thì ký hiệu mặt
là (hkl)
• Nếu tọa độ có dấu trừ thì đặt dấu – ở trên đầu chỉ
số tương ứng
NX: Các mặt song song có cách sắp xếp các nút giống nhau được
đại diện bằng ký hiệu mặt gần gốc nhất (nằm trong ô cơ sở) trong
số các mặt song song đó
1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

C(0,0,
1)

B(0,1,
0)
A(1,0,
0)

31

Ex:

Ex

Characteristics of Selected Elements at 20C

Các kiểu mạng tinh thể

Element
Aluminum
Argon
Barium
Beryllium
Boron
Bromine
Cadmium
Calcium

Carbon
Cesium
Chlorine
Chromium
Cobalt
Copper
Flourine
Gallium
Germanium
Gold
Helium
Hydrogen

Symbol
Al
Ar
Ba
Be
B
Br
Cd
Ca
C
Cs
Cl
Cr
Co
Cu
F
Ga

Ge
Au
He
H

Crystal
Structure
FCC
-----BCC
HCP
Rhomb
-----HCP
FCC
Hex
BCC
-----BCC
HCP
FCC
-----Ortho.
Dia. cubic
FCC
-----------

Atomic radius
(nm)
0.143
-----0.217
0.114
----------0.149
0.197

0.071
0.265
-----0.125
0.125
0.128
-----0.122
0.122
0.144
-----------

Adapted from
Table, "Characteristics of
Selected
Elements",
inside front
cover,
Callister 6e.

6


1/25/2015

LẬP PHƯƠNG THỂ TÂM – A2 (K8)
Ⅻ 90% of the metals have either Body Centered
Cubic (BCC), Face Centered Cubic (FCC) or
Hexagonal Close Packed (HCP) crystal structure.

BCC Structure

FCC Structure

HCP Structure

- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , Cr, W, Mo...
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 +1 = 2
- Số sắp xếp(số phối trí) của mạng: K = 8
- Mật độ khối: Mv = 68%
- Mật độ mặt sít chặt nhất: Ms(110) = 83,3%

LẬP PHƯƠNG THỂ TÂM – A2 (K8)

- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , Cr, W, Mo...
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 +1 = 2
- Số sắp xếp(số phối trí) của mạng: K = 8
- Mật độ khối: Mv = 68%
- Mật độ mặt sít chặt nhất: Ms(110) = 83,3%

Số sắp xếp, hay số phối trí K: Số lượng các nút bao
quanh gần nhất

LẬP PHƯƠNG THỂ TÂM – A2 (K8)

- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , Cr, W, Mo...
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 +1 = 2
- Số sắp xếp(số phối trí) của mạng: K = 8
- Mật độ khối: Mv = 68%
- Mật độ mặt sít chặt nhất: Ms(110) = 83,3%

7

1/25/2015

Mật độ xếp: Là đại lượng đánh giá mức độ sắp xếp sít
chặt của các chất điểm đối với mỗi kiểu mạng.

n s πr 2
. 100 %
S

Ms

Mv

4
n. πr 3
3
. 100 %
V

LẬP PHƯƠNG THỂ TÂM – A2 (K8)

- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , Cr, W, Mo...
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 +1 = 2
- Số sắp xếp(số phối trí) của mạng: K = 8
- Mật độ khối: Mv = 68%
- Mật độ mặt sít chặt nhất: Ms(110) = 83,3%

LẬP PHƯƠNG THỂ TÂM – A2 (K8)

4r

a 3
4
a 3 3
4
)
x(
2x
4
3
x 100%
a3

a 3

Mv

r

68%
- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , Cr, W, Mo...
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 +1 = 2
- Số sắp xếp(số phối trí) của mạng: K = 8
- Mật độ khối: Mv = 68%
- Mật độ mặt sít chặt nhất: Ms(110) = 83,3%

a

2
r
r

M s (110 )

a 3 2
2.π .(
)
4
.100% 83,3 %
2
a 2

r

a

r

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

48

8


1/25/2015

LẬP PHƯƠNG DIỆN TÂM – A1

- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , Cu, Ni, Al, Pb
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 + 6.1/2 = 4
- Số sắp xếp(số phối trí) của mạng: K = 12
- Mật độ khối: Mv = 74%
- Mật độ mặt sít chặt nhất: Ms(111) = 91%

LẬP PHƯƠNG DIỆN TÂM – A1

4x
Mv

a 2 3
4
)
x(
4
3
x 100%
a3

74%

- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , Cu, Ni, Al, Pb
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 + 6.1/2 = 4
- Số sắp xếp(số phối trí) của mạng: K = 12
- Mật độ khối: Mv = 74%
- Mật độ mặt sít chặt nhất: Ms(111) = 91%

LẬP PHƯƠNG DIỆN TÂM – A1

S(111)

n s (111)
- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , Cu, Ni, Al, Pb
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 + 6.1/2 = 4
- Số sắp xếp(số phối trí) của mạng: K = 12
- Mật độ khối: Mv = 74%
- Mật độ mặt sít chặt nhất: Ms(111) = 91%

a 3
1
xa 2x
2
2

a2 3
2

1
1
x3
x3 2
6
2
a 2 2
)
4

x 100% 91%
a2 3
2

2 (
M s (111)

a

2

9


1/25/2015

LẬP PHƯƠNG DIỆN TÂM – A1

- Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , Cu, Ni, Al, Pb
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 + 6.1/2 = 4
- Số sắp xếp(số phối trí) của mạng: K = 12
- Mật độ khối: Mv = 74%
- Mật độ mặt sít chặt nhất: Ms(111) = 91%
Nguyễn Văn Hoàng

1/25/2015 9:59 PM

KHUYẾT TẬT MẠNG

KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI

• Khuyết tật mạng là những sai hỏng trong trật tự
sắp xếp của các chất điểm trong mạng tinh thể
• Có bốn loại khuyết tật mạng:
- Khuyết tật điểm – 0D
- Khuyết tật đường – 1D
- Khuyết tật mặt – 2D
- Khuyết tật khối – 3D

• Khái niệm, phân loại
• Khuyết tật điểm
• Lệch

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

57

DEFECT DEFINITION

Nguyễn Văn Hoàng

Nguyễn Văn Hoàng

1/25/2015 9:59 PM

58

KÍCH THƯỚC CỦA KHUYẾT TẬT MẠNG

Defects may be classified into four categories depending on their
dimension:
• 0D- Point defects: atoms missing or in irregular places in the
lattice (vacancies, interstitials, impurities)
• 1D- Linear / line defects: groups of atoms in irregular positions
(e.g. screw and edge dislocations)
• 2D- Planar / area / interfacial defects: the interfaces between
homogeneous regions of the material (grain boundaries, external
surfaces)
• 3D- Volume / bulk defects: extended defects (pores, cracks,
precipitates)
1/25/2015 9:59 PM

56

59

Khuyết tật mặt
Khuyết
tật điểm

10-12

10-8

1/25/2015 9:59 PM

Khuyết tật
đường
10-6

10-4

Khuyết tật
khối
10-2

100

Nguyễn Văn Hoàng

101

102

cm

60

10


1/25/2015

KHUYẾT TẬT ĐIỂM

RELATIVE SIZE RANGES OF DEFECTS

Interfacial defect
Electronic

point
defect

Atomic
point
defect
Line defect

10-12

10-8

10-6

10-4

Bulk defect

10-2

100

101

102

Nguyễn Văn Hoàng

1/25/2015 9:59 PM

cm

61

Nguyên t t p ch t xen k

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

62

KHUYẾT TẬT ĐƯỜNG – LỆCH

KHUYẾT TẬT ĐIỂM
Nút tr ng

1/25/2015 9:59 PM

Nguyên t t p ch t thay th

Nguyên t t xen k

Nguyễn Văn Hoàng

63

CÁCH HÌNH DUNG LỆCH BIÊN

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

64

MÔ HÌNH CHÈN BÁN MẶT

• Mô hình chèn bán mặt
• Mô hình trượt ép

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

65

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

66

11


1/25/2015

MÔ HÌNH TRƯỢT ÉP

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

KÝ HIỆU – TÊN GỌI

67

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

68

BURGER’S VECTORS
đại lượng đặc trưng cho mức độ xô lệch của mạng tinh thể =
năng lượng được tăng thêm khi mạng tinh thể chứa lệch.

Martin Julian Burger
(1903-1986)

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

69

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

70

MẬT ĐỘ LỆCH
số lượng đường lệch trong mạng

BURGER’S VECTORS

cm-2
• Trong đó:
l – tổng chiều dài các đường lệch (cm);
V – thể tích kim loại (cm3).
Vòng Burger trong
mạng lý tưởng
1/25/2015 9:59 PM

Mật độ lệch phụ thuộc vào trạng thái kim loại, phương pháp gia công và
chế tạo: trạng thái ủ mật độ lệch là thấp nhất ρ = 104 – 106 cm-2, trạng
thái sau biến dạng thì ρ = 1010 – 1012 cm-2

Vòng Burger chứa trục lệch
trong mạng có lệch
Nguyễn Văn Hoàng

71

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

72

12


1/25/2015

TỔNG KẾT
•
•
•
•
•
•

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

73

1/25/2015 9:59 PM

CÂU HỎI

Nguyễn Văn Hoàng

Nguyễn Văn Hoàng

74

NỘI DUNG CHUẨN BỊ TIẾP THEO

•
-

• Vật rắn tinh thể là gì?
• Trình bày về kiểu mạng A1, A2?
• Nêu cách hình dung lệch biên?

1/25/2015 9:59 PM

Vật rắn tinh thể
Ô cơ bản
Ký hiệu phương mặt tinh thể
A1, A2
Khuyết tật điểm
Lệch biên

75

Kết tinh
Khái niệm?
Các giai đoạn xảy ra khi kết tinh?
Cách làm nhỏ hạt khi kết tinh?
Cấu tạo thỏi đúc?

1/25/2015 9:59 PM

Nguyễn Văn Hoàng

76

13