Microsoft powerpoint 1presentation chuong 1 cau tao cua vat lieu (9t)

Chương 1. Cấu tạo vật liệu

- Vật thể ở trạng thái rắn có hình dáng hoàn
toàn xác định
- Tuỳ theo điều kiện hình thành mà một
chất rắn lại có thể tồn tại ở trạng thái tinh thể
hoặc vô định hình.
- Các tinh thể có hình dáng tương đối ổn
định và có tính đối xứng.
Tinh thể là những vật rắn trong đó các
phần tử tạo nên chúng sắp xếp với nhau
theo những quy luật nhất định có chu kỳ
trong không gian 3 chiều (mạng tinh thể).

1


I. Mạng tinh thể và ô cơ bản
1.1. Mạng tinh thể:
Là một mô hình hình học mô tả quy luật
phân bố các nguyên tử của tinh thể: mỗi
nguyên tử, nhóm nguyên tử, iôn hoặc phân
tử như một chất điểm được nối liền với
nhau bằng một hệ thống đường thẳng song
song trên ba phương không gian. Nơi giao
nút mạng
nhau của các đường thẳng
(cũng chính là vị trí của hạt (nguyên tử...).

Mô hình mạng tinh thể

2


1.2. Ô cơ bản (cơ sở)
- Ô cơ bản là đơn vị thể tích nhỏ nhất đặc
trưng cho sự sắp xếp các chất điểm trong
toàn mạng.
- Đặc trưng của một ô cơ bản bao gồm:
+ Các cạnh của ô cơ bản, tức là các thông
số mạng tinh thể a, b, c.
+ Góc giữa các cạnh ô cơ bản: α (góc
giữa cạnh a và b), β (b và c) và γ (c và a).

Ô cơ bản

3


Bảy hệ tinh thể

14 kiểu mạng tinh thể Bravais

(1) tam tà đơn giản, (2) đơn tà đơn giản, (3) đơn tà
tâm đáy, (4) trực giao đơn giản, (5) trực giao tâm đáy,
(6) trực giao thể tâm, (7) trực giao diện tâm,

4


(8) lục giác, (9) mặt thoi, (10) chính phương đơn

giản, (11) chính phương thể tâm, (12) lập phương
đơn giản, (13) lập phương thể tâm, (14) lập phương
diện tâm.

1.3. Ký hiệu mặt và phương tinh thể
a. Chọn hệ tọa độ và đơn vị đo
+ Nút mạng: ứng với các
trục tọa độ Ox, Oy, Oz:
[x,x,x]; giá trị âm: [ x, x,x]
+ Gốc O: nút mạng dưới
cùng bên trái, phía sau ô
cơ bản.
+ Các trục toạ độ Ox, Oy,
Oz chọn dọc theo các cạnh
ô cơ bản, đơn vị là a, b, c.

Chọn hệ toạ độ

5


b. Chỉ số Miller cho hệ trực giao
Ký hiệu phương:
- Phương t bất kỳ, dựng qua O đường t’//t,
trên t’ tìm tọa độ gần O nhất. Nếu toạ độ đó là
các số nguyên
dùng làm ký hiệu cho
phương t đã cho: ký hiệu [uvw] theo thứ tự
trục toạ độ Ox, Oy, Oz. Tọa độ âm: [uvw ]
- Hệ phương: tập hợp các phương không

song song nhưng có cùng cách sắp xếp
nguyên tử: <uvw>

Ký hiệu một số phương trong mạng
LP đơn giản

6


Ký hiệu mặt tinh thể
- Mặt phẳng P: ký hiệu bằng bộ 3 chữ số: (hkl).
+ Tìm giao điểm (P) với 3 trục Ox, Oy, Oz.
+ Xác định độ dài từ gốc O đến giao điểm
lấy nghịch đảo.
+ Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất, lấy giá trị
tử số
(hkl)
- Họ mặt: tập hợp các mặt cùng cách sắp xếp
nguyên tử: {hkl}.

Mặt phẳng P

Chỉ số Miller các mặt điển hình trong hệ LP

7


1.4. Mật độ nguyên tử
a. Mật độ xếp: mức độ dày đặc trong sắp
xếp nguyên tử:

- Mật độ mặt Ms: Ms=sngtử /Smặt
- Mật độ khối Mv: Mv=vngtử /Vocb
s, v: diện tích, thể tích nguyên tử chiếm chỗ
Smặt, Vocb: diện tích, thể tích đem xét
MV =

NV Vng.t
VO.CB

4NV πr 3
=
VO.CB

MS =

NS .Sng.t
S

NS .πr 2
=
S

b. Số phối trí K: số lượng nguyên tử
cách đều gần nhất một nguyên tử đã cho.
K càng lớn

mạng tinh thể càng dày

đặc.
c. Lỗ hổng: không gian trống bị giới hạn

bởi hình khối nhiều mặt mà mỗi đỉnh là
tâm các nguyên tử (ion) tại nút mạng.

8


1.5. Các kiểu mạng tinh thể lý tưởng
thường gặp của kim loại và hợp kim
1.5.1. Mạng LPDT (A1, K12)

Kim loại kiểu mạng
LPDT gặp ở γ-Fe,
Al, Au Cu, Ni...

Mạng LPDT (A1, K12)

9


Đặc điểm ô cơ bản:
- Thông số mạng là a.
- Số nguyên tử trong một ô cơ bản:

NV = (1/2).6 + (1/8).8 = 4
- Đường kính nguyên tử dA:
dA =

a 2
2

- Số phối trí: K=12
- Phương sít chặt: hệ
phương <110>
- Mặt sít chặt thuộc hệ
mặt {111}
- Mật độ mặt sít chặt
(111): MS = 92%
- Mật độ khối MV = 74%.

10


Số phối trí mạng tinh thể LPDT – K12

Lỗ hổng 8 mặt

Lỗ hổng 4 mặt

11


Lỗ hổng 8 mặt

Lỗ hổng 4 mặt

Lỗ hổng 8 mặt nằm ở tâm khối
d8 = 0,41dA;
Một ô cơ bản có 4 lỗ hổng d8

Lỗ hổng 4 mặt nằm ở 1/4

đường chéo chính tính từ mỗi
góc; d4 = 0,225dA;
Một ô cơ bản có 8 lỗ d4.

Lỗ hổng 8 mặt (A1)

12


Lỗ hổng 4 mặt (A1)

1.5.2. Mạng LPTT (A2, K8)

Kiểu mạng LPTT
gặp ở α-Fe, Cr,
Mo, Nb, W, V,
Ta...

Ô cơ bản mạng LPTT

13


Đặc điểm ô cơ bản:
- Thông số mạng a
- Số nguyên tử NV trong 1 ô cơ bản:

NV = 1(tâm) + (1/8).8(góc) = 2
- Đường kính nguyên tử dA:

dA =

a 3
2

14


- Số phối trí: K=8
- Phương sít chặt: hệ phương
<111>
- Mặt sít chặt: họ mặt {110}
- Mật độ mặt sít chặt MS:
MS = 83,4%
- Mật độ khối MV:
MV = 68%

Lỗ hổng 8 mặt

Lỗ hổng 4 mặt

15


- Lỗ hổng 8 mặt nằm ở
tâm của các mặt bên và
đáy của ô cơ bản.
- d8 = 0,154dA
- Có 6 lỗ hổng 8 mặt

- Lỗ hổng 4 mặt nằm ở 1/4
đường nối điểm giữa của hai
cạnh đối diện mặt đáy (hay
mặt bên) của ô cơ bản.
- d4 = 0,291dA
- Có 12 lỗ hổng 4 mặt

Mạng LP đơn giản, LPTT, LPDT

16


1.5.3. Mạng LGXC (A3, L12)

- Ô cơ bản là lăng trụ lục giác đều (coi là 6
lăng trụ tam giác đều), nguyên tử nằm ở
12 đỉnh, tâm của 2 mặt đáy và tâm của 3
lăng trụ tam giác đều cách đều nhau.

Ô cơ bản lục giác xếp chặt

17


- Kiểu mạng LGXC hay gặp: Be, Mg, α-Ti,
Zr, Zn, Cd....
- Thông số mạng: cạnh đáy a, chiều cao c:
c/a=1,633
- Số nguyên tử trong 1 ô cơ bản:
NV= 1/6.12đỉnh + 1/2.2 tâm đáy + 3 = 6

- MV = 74%
- MS = 92%

Lỗ hổng 8 mặt

Lỗ hổng 4 mặt

18


Mạng LGXC

Giản đồ pha dưới áp suất thấp của sắt nguyên chất

19


Tám dạng thù hình của
carbon:
(a) Kim cương
(b) Than chì (graphit)
(c) Lonsdaleite
(d) C60 (fullerene)
(e) C540
(f) C70
(g) Carbon vô định hình
(h) Ống nano carbon

1.6. Tính thù hình
Tính chất mà một chất rắn có khả năng tồn tại

ở các dạng cấu trúc tinh thể khác nhau, trong
các điều kiện khác nhau.
- Dưới 911oC sắt có kiểu mạng LPTT, gọi là
α-Fe
- Từ 911-1392oC sắt có kiểu mạng LPDT,
gọi là γ-Fe
- Từ 1392-1539oC sắt có kiểu mạng LPTT,
gọi là δ-Fe

20


Kiểu mạng của một số kim loại thường gặp
Thông số mạng Ao
a
c

Kim loại

Kiểu mạng

Al

LPDT (A1)

0,4049

Cu

LPDT (A1)

0,3615

Ni

LPDT (A1)

0,3524

(950oC)

LPDT (A1)

0,3656

α-Fe

LPTT (A2)

0,3165

Cr

LPTT (A2)

0,2884

Mo

LPTT (A2)

0,3147

W

LPTT (A2)

0,2866

β-Ti

LPTT (A2)

0,3306

α-Ti

LGXC (A3)

0,2951

0,4679

Mg

LGXC (A3)

0,3209

0,5210

Zn

LGXC (A3)

0,2664

γ-Fe

0,4945

1.7. Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn
Trong chất rắn, tồn tại 4 kiểu liên kết cơ bản. Các
vật liệu khác nhau có các liên kết khác nhau
tạo
nên cơ tính khác nhau của vật liệu.
1.7.1 Liên kết đồng hóa trị
- 2 hoặc nhiều nguyên tử
góp chung điện tử hoá trị
tạo ra lớp ngoài cùng đầy
đủ 8 điện tử thì dạng liên
kết giữa chúng được gọi
là liên kết đồng hoá trị.

Liên kết đồng hóa trị
trong phân tử clo

21

- Liên kết đồng hóa trị là
liên kết mạnh, điển hình
cho các chất hữu cơ.
- Có tính định hướng rõ
rệt
Liên kết đồng hóa trị
trong phân tử metan CH4

1.7.2 Liên kết ion
- Nguyên tử cho nhận điện tử hoá trị
iôn +
và ion - liên kết giữa hai iôn khác dấu.
- Đây là dạng liên kết
mạnh.

Liên kết ion trong phân
tử NaCl

22


1.7.3 Liên kết kim loại
- Liên kết kim loại: tương
tác giữa tập thể điện tử
dùng chung và mạng lưới
các ion dương ở nút mạng.
- Năng lượng liên kết là
tổng hợp của lực hút (giữa
ion + và điện tử tự do) và
lực đẩy (giữa các ion +)

ion kim loại luôn có vị trí cân
bằng

Mô hình liên kết
kim loại

1.7.4 Liên kết Van der Waals
- Liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các
nguyên tử hay phân tử bị phân cực ở trạng
thái rắn.
- Liên kết rất yếu, dễ bị các dạng liên kết
khác che lấp, dễ bị phá vỡ khi tăng nhiệt độ
- Liên kết thường chỉ thấy rõ trong liên kết
giữa các nguyên tử nhóm khí trơ.

23


1.7.5 Liên kết hỗn hợp
Thực tế, không có liên kết thuần tuý đồng
hoá trị, ion hay kim loại mà tồn tại dạng liên
kết hỗn hợp.
Ví dụ liên kết trong NaCl có khoảng 52%
liên kết iôn và 48% liên kết đồng hoá trị.

1.8. Đơn tinh thể và đa tinh thể
a. Đơn tinh thể
- Chất rắn tinh thể là 1 khối
đồng nhất: cùng kiểu
mạng, hằng số mạng và

phương không đổi hướng
trong toàn thể tích
- Đặc thù: là tính dị hướng

Mô hình
đơn tinh thể

24


b. Đa tinh thể
- Vật rắn là tổ hợp của
nhiều đơn tinh thể
- Phương mạng giữa các
đơn tinh thể lệch nhau
những góc lớn hơn 10o
nên biên giới hạt còn
được gọi là biên giới góc
lớn.

Mô hình
đa tinh thể

- Trong từng hạt vật rắn đa tinh thể gồm nhiều
thể tích nhỏ hơn, phương mạng lệch nhau
góc nhỏ 1-2o
siêu hạt.
- Thực tế sản xuất phần lớn vật liệu kỹ thuật
là những đa tinh thể.
- Mẫu kim loại đã qua tẩm thực dưới kính

hiển vi quang học có thể thấy rõ các hạt tinh
thể và ranh giới giữa chúng

25