Vật liệu kỹ thuật bài giảng dành cho sinh viên Đại học và cao đẳng

TR

UBNDăT NHăQU NGă NGÃI
NGă IăH CăPH MăV Nă
-------------------

NG

BÀIăGI NG
V TăLI UăK ăTHU T
DÀNHăCHOăB C CAOă

NGă

BIÊN SO N: NGUY N V NH PH I
TR N THANH TÙNG

Qu ng Ngãi, tháng 12 n m 2013


L IăNịIă

U

Nhi u ng d ng trong khoa h c và k thu t nh : c khí, xây d ng, hóa h c, đi n
t …đ u liên quan đ n v n đ v t li u. Máy móc đ c c u t o t nhi u chi ti t đòi h i
tính ch t có khi r t khác nhau và đi u quan tr ng đ i v i sinh viên ngành c khí là ph i
bi t ch n đúng v t li u c ng nh ph ng pháp gia công đ thõa mãn cao nh t đi u ki n
làm vi c v i giá thành th p nh t. T vi c tính toán thi t k k t c u đ n gia công, ch
t o, l p ráp v n hành máy, thi t b , t t c đ u liên quan m t thi t đ n l a ch n và s
d ng v t li u. Ví d : m t chi c xe ô tô mu n ho t đ ng t t thì vi c ch n l a v t li u có

vai trò h t s c quan tr ng.
Do v y, v t li u k thu t là môn h c nghiên c u m i quan h gi a c u trúc và
tính ch t c a v t li u, trên c s đó đ ra các bi n pháp công ngh nh m c i thi n tính
ch t và s d ng thích h p v t li u ngày m t t t h n.
có th l a ch n và s d ng chúng m t cách t t nh t. N i dung bài gi ng s
cung c p ki n th c chung v c u t o kim lo i, h p kim và phi kim lo i, cách s d ng
v t li u trong k thu t nói chung và l nh v c c khí nói riêng. i u quan tr ng nh t đ i
v i ng i h c là ph i n m đ c c tính và tính công ngh c a các v t li u k trên.
Song đi u quy t đ nh đ n c tính và tính công ngh l i n m c u trúc bên trong. Bài
gi ng s trang b nh ng ki n th c v y u t nh h ng đ n c u trúc bên trong nh
thành ph n hóa h c, công ngh ch t o v t li u (bi n d ng d o, đúc và đ c bi t là nhi t
luy n.
Ngoài ra, trong th c t s d ng v t li u, đ c bi t là v t li u kim lo i, không th
l a ch n v t li u m t cách chung chung (ví d : thép) mà ph i c th (thép lo i gì, v i
mác nào, ký hi u nào) theo các quy đ nh nghiêm ng t v đi u ki n k thu t do các tiêu
chu n t ng ng. Do v y bài gi ng s gi i thi u c th đ giúp sinh viên có th s
d ng đúng, chính xác v t li u trong l nh v c c khí.
Bài gi ng đ c biên so n trên c s tham kh o các tài li u chuyên ngành v t li u
k thu t trong n c và qu c t . Ngoài ra, bài gi ng d a trên nh ng hi u ch nh thi u sót
tr c đây trong quá trình gi ng d y môn h c này và trong các bài gi ng tr c. Hy v ng
bài gi ng là tài li u tham kh o chính cho sinh viên, giáo viên gi ng d y môn v t li u k
thu t.
Trong quá trình biên so n bài gi ng không th tránh kh i nh ng thi u sót. M i
ph n h i góp ý cho nhóm tác gi xin g i v B môn c khí - Khoa K Thu t Công
Ngh - i H c Ph m V n
ng.

Nhóm tác gi

M CL C
----

L iănóiăđ u
Ch

ngă 1 ậ C U TRÚC TINH TH VÀ S

HÌNH THÀNH

1.1 Khái ni m m ng tinh th ................................................................................1
1.2 Các d ng liên k t .............................................................................................2
1.3 Ký hi u m tăvàăph

ngă m ng tinh th .........................................................3

1.4 Các ki u m ng thông d ng ............................................................................7
1.5 Sai l ch trong m ng tinh th ..........................................................................10

Ch

ngă 2 ậ BI N D NG D OăVÀăC ăTÍNH C A V T LI U
2.1. Các khái ni m ..................................................................................................15
2.2. Cácăđ cătr ngă c ătínhă c a v t li u.................................................................24

Ch

ngă 3 ậ S

K T TINH VÀ CHUY N PHA

3.1. C u t o kim lo i l ngă vàăđi u ki năn ngă l

ng c a quá trình k t tinh ......28

3.2. Quá trình t o m m và phát tri n m m..........................................................30
3.3. Khái ni mă đ h t khi k t tinh, ý ngh aă c aăđ h t .......................................32
3.4. Quá trình k t tinh th c t c a kim lo iătrongă khuônă đúc............................34

Ch

ngă 4 ậ C U T O H P KIM VÀ GI Nă

TR NG THÁI

4.1. Các khái ni mă c ăb n......................................................................................37
4.2. Các d ng c u trúc h pă kimăc ăb n ................................................................39
4.3. Gi nă đ tr ng thái c a h p kim .....................................................................42
4.4. Gi nă đ tr ng thái Fe - C................................................................................48
4.5. Phân lo i h p kim Fe - C theo gi năđ tr ng thái ........................................53
4.6. Các nhi tăđ t i h n Fe - C theo gi năđ tr ng thái .....................................56


Ch

ngă ă5ăậ NHI T LUY N THÉP
5.1. Khái ni m nhi t luy n thép ............................................................................58
5.2. Các t ch căđ tăđ
5.3.

vàăth

c khi nung nóng và làm ngu i thép .............................60

ng hóa thép......................................................................................70

5.4. Tôi thép.............................................................................................................72
5.5. Ram thép ..........................................................................................................75
5.6. Các khuy t t t x y ra khi nhi t luy n thép ..................................................76
5.7. Hóa b n b m t ................................................................................................78

Ch

ngă ă6ăậ THÉP VÀ GANG
6.1. Khái ni m chung v Thép và Gang................................................................80
6.2. Cácălo iăgangăvàăcôngăd ng ........................................................................82
6.3. Cácălo iăthépăvàăcôngăd ng .........................................................................85

Ch

ngă 7 ậ KIM LO I VÀ H P KIM MÀU
7.1. Nhômă vàăh pă kimănhôm ..............................................................................94
7.2.

ngăvàă h pă kimăđ ngăă ..............................................................................97

7.3. H pă kimălàmă ătr

Ch

t ....................................................................................99

ng 8 ậ V Tă LI Uă PHIăKIMă LO I
8.1. Kháiă ni măchung ......................................................................................... 101
8.2. V tă li uăvôăc ăsilicat................................................................................... 101
8.3. V tă li uăpolyme ........................................................................................... 102
8.4. V t li u composites ........................................................................................ 104
8.5. D uă m .......................................................................................................... 105

Ph l c
Tài li u tham kh o


Ch
Ch

ng 1

ngă1. C UăTRÚCăTINHăTH ăVÀăS ăHÌNHăTHÀNH

Tính ch t (đ c bi t là c tính) c a v t li u ph thu c ch y u vào cách s p x p
c a các ph n t c u thành (nguyên t , phân t , ion) và l c liên k t c a chúng. V m t
thành ph n, v t li u th

ng c u thành b i s hòa tr n c a các nguyên t , các ch t hóa

h c v i c u trúc đ c l p, c đ nh. Chính vì v y các ki n th c trong ch
c s và t m quan tr ng đ c bi t. Sau khi h c xong ch
đ

ng này có tính

ng này, sinh viên c n n m

c:
+ C u t o nguyên t , các d ng liên k t và đ c đi m c a chúng.
+ Các đ c tr ng c a các ki u m ng đi n hình, kí hi u ph

ng và m t c a m ng

tinh th .
+ Khái ni m và tính ch t c a các d ng sai l ch trong m ng tinh th .
1.1. Kháiăni măm ng tinhăth
1.1.1. C uăt oănguyênăt
C u t o nguyên t bao g m h t nhân và các electron, c u t o h t nhân nguyên t bao
g m h t proton và h t n tron. Trong đó h t n tron không mang đi n. Khi nguyên t
trung hòa v đi n thì proton mang đi n d ng b ng đi n tích c a electron
C u hình electron ch rõ: s l ng t chính (1,2,3….) kí hi u phân l p (s,p,d…) s
l ng electron thu c phân l p (s m trên ký hi u phân l p)
Ví d :

ng (Cu) có Z= 29 có c u hình elctron là: 1s 2 2s 2 2 p6 3s 2 3 p6 3d 10 4s1

1.1.2. Ch tăk tătinhăvàăch tăvôăđ nhăhình
1.1.2.1. Ch t k t tinh (ch t tinh th ):
Là nh ng ch t k t c u r n có d ng hình h c xác đ nh và có nh ng đ c đi m:
- Các nguyên t s p x p có h th ng.
- Luôn luôn t n t i m t nhi t đ nóng ch y (ho c k t tinh) xác đ nh. Khi nung lên nhi t
đ cao thì chuy n t th r n sang th l ng.
- Luôn có tính d h ng, có ngh a là tính ch t c a nó (c , lý, hoá tính) theo các ph

khác nhau luôn có s khác bi t

ng

1.1.2.2. Ch t vô đ nh hình:
Là nh ng ch t có hình d ng không xác đ nh nh thu tinh, keo, sáp, nh a thông,
V t li u k thu t

1


Ch

ng 1

parafin, thu ngân… và có nh ng đ c đi m sau:
- Các nguyên t s p x p không có h th ng.
- Khi nung lên nhi t đ cao thì chuy n t th r n sang th nhão r i sang th l ng.
- B m t g y nh n không có d ng h t.
1.2.ăCácăd ngăliênăk t
1.2.1. Liênăk tăc ngăhóaătr
ây là d ng liên k t mà các nguyên t tham gia liên k t góp chung đi n t

l p

ngoài cùng, t o ra l p ngoài cùng đ t tr s bão hoà v s đi n t có th (s 2p6).
Là lo i liên k t có đ nh h ng, ngh a là xác su t t n t i các đi n t tham gia liên
k t l n nh t theo ph ng n i tâm các nguyên t .

Hình 1.1. Liên k t c ng hoá tr trong khí Cl2

- C ng đ liên k t ph thu c r t m nh vào m c đ liên k t c a các đi n t hoá
tr v i h t nhân.
- Liên k t c ng hoá tr có th x y ra gi a các nguyên t c a cùng m t nguyên t
(đ ng c c) thu c các nhóm t IV A đ n VII A (ví d Cl2, F2, Br2, ...) ho c các nguyên t
c a các nguyên t khác nhau (d c c) thu c các nhóm III A và V A ho c II A và VI A
1.2.2.ăLiênăk tăIon
Là lo i liên k t m nh, hình thành b i l c hút gi a các đi n tích trái d u (l c hút
t nh đi n Coulomb). Liên k t này x y ra do các nguyên t cho b t đi n t l p ngoài
cùng tr thành Ion d

ng ho c nh n thêm đi n t đ tr thành Ion âm. Vì v y liên k t

Ion th ng x y ra và th hi n rõ r t v i các nguyên t có nhi u đi n t hoá tr (á kim
đi n hình) và các nguyên t có ít đi n t hoá tr (kim lo i đi n hình). Ví d LiF, NaCl,
Al2O3, Fe2O3, ...
C ng gi ng liên k t c ng hoá tr , liên k t Ion càng m nh (b n v ng) khi nguyên
t ch a càng ít đi n t . Và nó là d ng liên k t không đ nh h ng.

V t li u k thu t

2


Ch

ng 1

1.2.3.ăLiênăk tăkimălo i
Là liên k t trong đó các cation(ion d
electron t do

ng) kim lo i nh n chìm trong đám mây

c đi m chung c a các nguyên t nguyên t kim lo i là có ít đi n t hoá tr l p
ngoài cùng, do đó chúng d m t (b t ra) đi n t t o thành các ion d ng b bao quanh
b i các mây đi n t t do. Các ion d ng t o thành m t m ng xác đ nh, đ t trong không
gian đi n t t do chung, đó là mô hình c a liên k t kim lo i.

Hình 1.2. Liên k t kim lo i
Liên k t kim lo i là d ng h n h p: g m l c hút gi a các đi n tích trái d u và l c
đ y gi a các đi n tích cùng d u.
Tính ch t: có ánh kim, d n đi n, d n nhi t t t và tính d o, dai cao
1.2.4.ăLiênăk tăy uă(liênăk tăVan der Waals)
Liên k t Van der Waals là liên k t do hi u ng hút nhau gi a các nguyên t ho c phân
t b phân c c. Liên k t này là lo i liên k t r t y u, d b phá v khi t ng nhi t đ .

Hình 1.3. Liên k t Van der Waals
1.2.5.ăLiênăk tăh năh p
Trong th c t , liên k t trong các ch t, v t li u thông d ng th ng mang tính h n h p
c a nhi u lo i.Ví d : Na và Cl có tính âm đi n l n l t là 0,93 và 3,16. Vì th liên k t
gi a Na và Cl trong NaCl g m 25% liên k t ion và 48% liên k t c ng hóa tr
1.3.ăKýăhi uăm tăvàăph ngăm ngătinhăth
1.3.1.ăKháiăni măm ngătinhăth
M ng tinh th là mô hình không gian, dùng đ nghiên c u quy lu t x p x p c a
nguyên t (ho c ion, phân t ) trong v t tinh th .
M ng tinh th có các tính ch t c b n sau:
V t li u k thu t

3

Ch

ng 1

- M ng tinh th là vô t n, không t n t i khái ni m kích th c m ng mà ch có
giá tr xác đ nh là các véc t đ n v và các góc đ nh v (do s l ng nguyên t trong v t
r n là vô t n).
- Khi d ch chuy n m ng tinh th đi m t kho ng cách b ng kho ng cách gi a hai
ch t đi m theo ph

ng n i hai ch t đi m đó, m ng t

trùng l p v i chính mình.

Kho ng cách đó g i là chu k l p c a m ng. N u kho ng cách đó đ
tr c to đ thì đ

c đo theo các

c g i là chu k m ng hay thông s m ng.

- M ng tinh th là mô hình không gian, t n t i nhi u y u t đ i x ng khác nhau.
- Tu thu c vào b các thông s xác đ nh m ng tinh th , chúng ta có các ki u
m ng khác nhau và do đó có các quy lu t x p x p ch t đi m khác nhau.

Hình 1.4. Mô hình m ng tinh th
 Ọăc ăb nătrongăm ngătinhăth :

Hình 1.5. Ô c b n

Ph n t nh nh t có c u t o đ c tr ng cho toàn b ki u m ng và khi đó m ng
tinh th đ c hình thành là do vô s các ph n t đó x p sít nhau. Ph n t đó g i là ô c
b n c a m ng tinh th .
Nh v y v i t cách là ô c b n c a m ng tinh th , c n ph i tho mãn các nguyên t c
sau:
- Ô c b n ph i đ m b o đ c tr ng hoàn ch nh cho c u t o m t ki u m ng, bao
g m tho mãn các đi u ki n đ i x ng c a tinh th (đ i x ng g ng, đ i x ng tâm, đ i
x ng tr c quay) và đ nh c a ô c b n ph i có ch t đi m.
- Th tích c a ô c b n ph i là nh nh t.
- Thông s m ng(h ng s m ng) là kích th c ô c b n, th ng là kích th
các c nh c a ô c b n t đó xác đ nh toàn b kích th c c a ô c b n.

c

V i m t ki u m ng tinh th chúng ta có ô c b n đ c tr ng c a nó, thông qua ô
c b n chúng ta xác đ nh đ

V t li u k thu t

c các ki u m ng tinh th c b n.

4


Ch
1.3.2. Kýăhi uăm tăvàăph

ng 1

ngătinhăth

Vi c xác đ nh m t và ph ng tinh th có ý ngh a vô cùng quan tr ng trong
nghiên c u tinh th . Khi nghiên c u c u trúc tinh th b ng các thi t b hi n đ i, ng i
ta phân tích c u trúc thông qua các tín hi u s trên c s s ph n h i d
c a các y u t phân tích. Do đó ng

i ta đã đ a ra các ph

i tác d ng

ng pháp ký hi u m t và

ph ng tinh th b ng các b s nguyên. V i các h m ng khác nhau ta dùng các b ch
s khác nhau, đây ta xét hai h ch s là ch s Miller và Miller - Bravais cho hai h
m ng hay g p là l p ph

ng và l c giác.

1.3.2.1. Ch s Miller cho h l p ph

ng

 Ch s cho m t tinh th :
Ch s Miller cho m t tinh th là m t b s nguyên (h, k, l) không có th a s
chung đ c xác đ nh theo trình t nh sau:
- Tìm to đ giao đi m c a m t c n ký hi u v i ba m t ph ng to đ c a m ng
tinh th .
- L y ngh ch đ o ba to đ đó.
- Quy đ ng m u s (n u c n) và đ t th a s chung (n u có). Thu đ

c b ba s

nguyên (h, k, l) không có th a s chung. Khi xác đ nh ch s m t ta có th th y r ng, có
r t nhi u m t có cùng tr s tuy t đ i c a b ch s , ch khác nhau v th t ch s ho c
d u c a chúng. Các m t nh v y h p thành m t h m t. Do đó khi c n xác đ nh s m t
thu c m t h ta ch c n th c hi n phép hoán v và đ i d u cho các ch s đã xác đ nh
đ c c a m t m t. Các m t thu c cùng m t h có tính ch t hoàn toàn gi ng nhau và
đ

c ký hi u là {h, k, l}.
M t

đi m c t các tr c

ngh ch đ o

ch s

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)

V t li u k thu t

5


Ch

Hình 1.6. Các h m t tinh th trong m ng l p ph
 Ch s ph

ng 1

ng

ng tinh th trong m ng:

Ch s Miller cho ph ng tinh th trong m ng l p ph
không có th a s chung, đ c xác đ nh nh sau:

ng là m t b s u, v, w

- Xác đ nh to đ c a ch t đi m thu c ph ng đó, g n nh t v i g c to đ , theo
ba tr c to đ (Ox, Oy, Oz). L u ý là v i ph ng không đi qua g c to đ thì ta xác
đ nh ch s theo ph ng song song v i nó, đi qua g c to đ . Do cách xây d ng m ng
tinh th chúng ta th y rõ ràng các ph
đây c n hi u r ng ph

ng song song v i nhau s có cùng tính ch t (

ng tinh th là các ph

ng có ch t đi m thu c nó).

- Quy đ ng m u s và đ t th a s chung ta có b ch s u, v, w đ ký hi u cho
ph ng c ng t ng t nh đ i v i m t tinh th , các ph ng tinh th có cùng tr s
tuy t đ i c a b ch s thu c cùng m t h và đ c ký hi u là [u, v, w]. Các ph ng
trong cùng m t h c ng có cùng tính ch t nh nhau.
1.3.2.2. Ch s Miller - Bravais cho m ng l c giác
đ

Ch s Miller-Bravais v i t a đ 4 tr c Ox, Oy, Ou, Oz. ch s Miller-Bravais
c kí hi u (h k i l), trong đó ch s th ba i( c a tr c Ou) coa quan h i= - (h+k)
M t

ch s Miller

Ch s Miller-Bravais

ABHG

(100)

(10 10)

BCIH

(010)

(01 10)

AGLF

(110)

(1 100)

ABCDEF

(001)

(0001)

V t li u k thu t

6


Ch

ng 1

Hình 1.7. Các h m t tinh th trong m ng l c giác
1.4. Cácăki uăm ngăthôngăd ng
1.4.1. M ngăl păph ngăth ătâmă(A2):
Xét ô c b n c a m ng là m t kh i l p ph

ng, các nguyên t b trí

8 đ nh và tâm

c a kh i.

- Thông s m ng: a
- S nguyên t

trong m t ô c

b n (s nguyên t

1
thu c kh i nV): nnt= 8.  1  2
8

(nguyên t )
- S s p x p K: s các nguyên t g n nh t quanh m t nguyên t

Hình 1.8. M ng l p ph
- Bán kính nguyên t : r nt =

K=8

ng th tâm và m t x p sít c a nguyên t

a 3
4

- L h ng trong m ng tinh th : do các nguyên t là hình c u, khi x p sít nhau mà
không b bi n d ng s t n t i các l h ng.
V t li u k thu t

7

Ch
L h ng kh i tám m t n m
c nh bên.

ng 1

tâm c a các m t bên, l h ng kh i b n m t thu c

Ý ngh a: cho phép s xâm nh p khu ch tán c a v t ch t trong tinh th đ cho phép t o
ra h p kim.
- M t đ m t c a m ng tinh th : là t l c a ti t di n nguyên t thu c m t m t ph ng
gi i h n trong m t ô c b n so v i di n tích c a m t đó (ch tính cho m t đ nguyên t
dày nh t là m t b n v ng).
2

a 3

2..

4
n S .S1nt
 .100 %  83,4 %

MS 
.100 % 
2
Smat
a 2

Trong đó: MS: m t đ m t c a m ng tinh th
nS: s m t c t c a m t nguyên t trên m t m t tinh th
S1nt: di n tích m t c t c a m t nguyên t
Smat: di n tích m t tinh th
Ý ngh a: đánh giá m c đ liên k t c a nguyên t trong m t đang xét, m t đ m t càng
l n thì m t càng b n v ng.
- M t đ kh i c a m ng tinh th : là t l ph n tr m th tích nguyên t trong m t ô c
b n v i th tích ô c b n.
n .V
M v  V 1nt .100 % 
Vocoban

2.

3 3
.a
16
.100 %  68 %
a3

Trong đó: MV: m t đ kh i c a m ng tinh th
nV: s nguyên t trên m t ô c b n
V1nt: th tích c a m t nguyên t
Vocoban: th tích c a ô c b n
Ý ngh a: cho bi t m c đ đi n đ y v t ch t c a ki u m ng, do đó cho bi t s b đánh
giá kh i l

ng riêng c a v t li u có ki u m ng đó.

- Nh ng kim lo i có ki u m ng A2: Fe(), Cr, W, Mo ...

1.4.2. M ngăl păph

ngădi nătâmă(A1):

Xét ô c b n c a m ng là m t kh i l p ph

ng, các nguyên t b trí

8 đ nh và tâm

c a 6 m t bên.
V t li u k thu t

8


Ch

ng 1

- Thông s m ng: a
1
8

1
2

- S nguyên t trong m t ô c b n : nnt = 8.  6.  4 (nguyên t )
- S s p x p K: s các nguyên t g n nh t quanh m t nguyên t K = 12
- Cách s p x p c a nguyên t : các nguyên t đ

bên c a kh i.
- Bán kính nguyên t : r nt =

c x p xít nhau theo đ

ng chéo m t

a 2
4

Hình 1.9. M ng l p ph

ng di n tâm và m t x p sít c a nguyên t

- M t đ m t c a m ng tinh th :
2

a 2 

2..

4
n S .S1nt
 .100 %  78,5 %

.100 % 
MS 
Smat
a2

- M t đ kh i c a m ng tinh th :
Mv 

n V .V1nt
.100 % 
Vocoban

4.

2 3
.a
24
.100 %  74 %
a3

- Nh ng kim lo i có ki u m ng A1: Fe(), Ni, Mn, Au ...
1.4.3. M ngăl căgiácăx păch tă(A3):
Các nguyên t n m các đ nh, gi a hai m t đáy hình l ng tr l c giác và
kh i n ng tr tam giác khác nhau.

tâm ba

- Thông s m ng: a, c

V t li u k thu t

9


Ch

c
1,663 :
a

ph

ng 1

chính

ng c a m ng tinh

th
 =  = 900
 = 1200

Hình 1.10. M ng l c giác x p ch t và m t x p sít c a nguyên t
- S nguyên t trong m t ô c b n (s nguyên t thu c kh i nV): nnt
1
6

1
2

nnt = nV = 12.  2.  3  6 (nguyên t )
- S s p x p K: s các nguyên t g n nh t quanh m t nguyên t
- Cách s p x p c a nguyên t : các nguyên t đ
- Bán kính nguyên t : r nt =

K = 12

c x p xít nhau theo m t đáy c a kh i

a
2

a2
n .S
4 .100 %  91%
- M t đ m t c a m ng tinh th : M S  S 1nt .100 % 
Smat
3 3 2
a
2
3..

- M t đ kh i c a m ng tinh th :
1
6. ..a 3
n V .V1nt
6
.100 %  73 %
.100 % 
Mv 
Vocoban
3.1,663. 3 3
a
2

- Nh ng kim lo i có ki u m ng A3: Uran (U), Platin (Pt), Osmi (Os) ...

1.5.ăSaiăl chătrongăm ngătinhăth
1.5.1.ăSaiă l chăđi m: là sai l ch m ng có kích th c nh (vài thông s m ng) theo
c ba chi u. Bao g m nút tr ng, nguyên t xen k và nguyên t l .
1.5.1.1. Nút tr ng và nguyên t xen k
Trong m ng tinh th các nguyên t (ion) luôn luôn dao đ ng quanh v trí cân
b ng c a chúng nh n ng l
V t li u k thu t

ng dao đ ng. M t s nguyên t nào đó có n ng l

ng đ
10


Ch

ng 1

l n v i biên đ dao đ ng l n, chúng có kh n ng b t kh i v trí cân b ng c a mình, đ
l i đó các nút tr ng không có nguyên t chi m ch . Sau khi r i kh i v trí cân b ng,
nguyên t ho c di chuy n ra ngoài b m t c a tinh th (hình a) ho c đi vào v trí xen k
gi a các nút m ng (hình b).
1.5.1.2. Nguyên t l
Kim lo i dù nguyên ch t đ n đâu c ng ch a m t l
các nguyên t khác g i là t p ch t hay nguyên t l

ng nh t đ nh nguyên t c a

Các nguyên t t p ch t có th thay th v trí c a nguyên t c s

nút m ng ho c

n m xen k gi a các nút m ng.
nh h

ng: t o các tr

ng ng su t d có d u khác nhau ph thu c vào đ

ng

kính nguyên t l .

a) Nút tr ng

b) Nguyên t xen k

c) Nguyên t l

Hình 1.11. Sai l ch đi m trong m ng tinh th
1.5.2.ăSaiăl chăđ

ng

Sai l ch đ ng là sai l ch m ng có kích th c nh theo hai chi u đo và l n theo
chi u đo còn l i, t c là có d ng đ ng (th ng ho c cong).
Các d ng l ch ch y u là l ch th ng, l ch xo n và l ch h n h p.
1.5.2.1. L ch th ng (l ch biên)
Nguyên nhân: Do s xu t hi n các m t tinh th không hoàn ch nh d n đ n t o ra
các tr c có n ng l ng cao h n, do đó kém n đ nh h n nên t o ra tr c l ch.

đánh
giá c

ng đ l ch ng

i ta dùng véc t Burgers: b .

L ch th ng có th hình dung b ng cách sau: Gi s có m ng tinh th hoàn ch nh
g m nh ng m t nguyên t song song và cách đ u nhau. Bây gi n u chúng ta chèn
thêm n a m t ph ng ABCD vào n a ph n trên c a tinh th thì các m t nguyên t th ng
đ ng n m v hai phía m t ABCD s không còn hoàn toàn song song nhau n a, chúng
b cong đi vùng g n đ ng AD. Các nguyên t n m trong vùng này b xê d ch kh i
v trí cân b ng c c a mình: Các nguyên t
V t li u k thu t

vùng phía d

iđ

ng AD b đ y xa ra
11


Ch

ng 1

m t ít (vùng có ng su t kéo) còn các nguyên t
phía trên đ ng AD b ép l i m t ít
(vùng có ng su t nén). Nh v y vùng có sai l ch n m xung quanh đ ng th ng AD và

vì v y ng

i ta g i là l ch th ng.

ng AD đ

ng g i là tr c có l ch th ng.

Hình 1.12. Mô hình l ch th ng
1.5.2.2. L ch xo n
Nguyên nhân: Do s d ch chuy n c a các m t tinh th không hoàn ch nh t o ra
các b m t nh p nhô t vi trong m ng tinh th .
L ch xo n có th hình dung b ng cách sau: Các tinh th hoàn ch nh b ng n a m t
ph ng ABCD xong xê d ch hai mép ngoài ng c chi u nhau làm th nào đ m t
nguyên t n m ngang th nh t bên ph i trùng v i m t nguyên t th hai bên trái. K t
qu làm cho các nguyên t n m g n đ ng AB b xê d ch kh i v trí cân b ng c c a
mình. S d có danh t l ch xo n vì các l p nguyên t trong vùng sai l ch m ng đi theo
hình xo n c.M t ph ng ABCD g i là m t tr

t c a l ch. Các nguyên t n m trong

vùng d c theo tr c 1. Tr c L g i là tr c c a l ch xo n.
Véc t Burgers: là vect đóng kín vòng tròn Burgers v trên m t ph ng vuông
góc v i tr c l ch khi chuy n t tinh th không l ch sang tinh th l ch. Véc t Burgers
luôn luôn song song v i tr c l ch ( AD=L).

Hình 1.13. Mô hình l ch xo n
a) Tinh th không l ch
c)
V t li u k thu t

b) Mô hình t o thành l ch

c đi m s p x p nguyên t trong vùng l ch
12


Ch

ng 1

1.5.3.ăSaiăl chăm tă
Sai l ch m t là nh ng d ng sai l ch có kích th c nh theo m t chi u đo và l n
theo hai chi u đo còn l i. Sai l ch m t trong m ng tinh th g m các d ng ch y u: biên
gi i h t, biên gi i siêu h t và m t ngoài tinh th .
1.5.3.1. Biên gi i h t
Các nguyên t trên biên gi i h t ch u nhi u s quy đ nh. Do đó t o ra m t biên
gi i h t có s s p x p sai quy lu t t o thành sai l ch.
Vùng ti p giáp gi a các h t trong đa tinh th là m t d ng sai l ch m t, vì đây
các nguyên t s p x p không theo tr t t nh t đ nh, đ c tr ng cho các vùng phía bên
trong. Vì v y kim lo i

vùng biên gi i có c u t o gi ng nh v t th vô đ nh hình. Gi

thi t này cho phép gi i thích m t s tính ch t c a vùng biên gi i nh n ng l

ng t do,

kh n ng hòa tan t p ch t

Hình 1.14. Cách s p x p nguyên t trong vùng biên gi i h t
theo thuy t "vô đ nh hình"
Biên gi i h t ch a r t nhi u sai l ch m ng. kim lo i ch a nhi u t p ch t bao
nhiêu thì vùng biên gi i càng dày b y nhiêu vì nó có kh n ng hòa tan nhiêu nguyên t
t p ch t. N ng l ng t do c a biên gi i cao h n so v i các vùng phía trong và th ng
đ c đánh giá b ng s c c ng biên gi i h t (t
ngoài).

ng t nh s c c ng b m t c a m t

Do đ c đi m v c u t o, vùng biên gi i h t có m t s tính ch t sau:
- Có nhi u đ nóng ch y th p h n m t ít so v i các vùng phía bên trong.
- Có ho t tính hóa h c cao h n th hi n

t c đ b n mòn hóa h c cao.

- Khi chuy n bi n pha, biên gi i là n i đ sinh ra tâm m m nh t
- Có kh n ng khu ch tán cao v i t c đ nhanh h n so v i vùng bên trong
- Góp ph n khá l n vào đi n tr c a kim lo i.
-

nhi t đ cao trên vùng biên gi i h t x y ra quá trình ch y d o

V t li u k thu t

13


Ch
- Biên gi i có tác d ng c n tr quá trình tr

ng 1

t khi bi n d ng.

1.5.3.2. Khái ni m v siêu h t (block) và biên gi i siêu h t
H tđ

c phân chia thành vô s vùng nh có kích th

ph ng m ng l ch nhau m t góc r t nh , th
h t g i là siêu h t (ho c block).

c kho ng (10 -5  10-3) và

ng nh h n 10. Nh ng vùng nh này c a

1.5.4.ăSaiăl chăkh iă(saiăl chăth ătích)
Sai l ch kh i trong m ng tinh th c a v t li u là các d ng sai l ch có kích th

c

l n theo c ba chi u đo.

V t li u k thu t

14


Ch

Ch

ng 2

ngă2. BI NăD NGăD OăVÀăC ăTệNHăC AăV TăLI U

Vi c kh o sát bi n d ng d o không nh ng giúp hi u bi t chính quá trình bi n
d ng c a kim lo i, mà đi u quan tr ng là còn làm rõ đ

c b n ch t c a quá trình đó và

các bi n pháp nâng cao c tính c a v t li u.
Sau khi h c xong ch

ng này, sinh viên c n n m đ

c:

+ Khái ni m và đ c tr ng c a bi n d ng đàn h i, bi n d ng d o và phá h y.
+ Nêu đ

c c ch c a bi n d ng d o.

+ Gi i thích đ

c phá h y d o hay phá h y dòn khi nhìn vào m t phá h y c

th .
+ Trình bày s thay đ i t ch c và c u trúc tinh th sau bi n d ng d o, các
ph

ng pháp nâng cao đ b n v t li u.

+ Nêu các hi n t

ng x y ra khi nung kim lo i sau bi n d ng d o và các ch tiêu

c tính.
2.1. Cácăkháiăni m
2.1.1.ăBi năd ngăđànăh i,ăbi năd ngăd oăvàăpháăh y
2.1.1.1. Bi u đ kéo kim lo i

Hình 2.1. Gi n đ t i tr ng – bi n d ng
Kh o sát quá trình bi n d ng c a m u, ta có th rút ra 3 y u t bi n d ng sau
đây: Bi n d ng đàn h i là bi n d ng b m t đi ngay sau khi kh t i tr ng, bi n d ng d o
có kèm theo s thay đ i hình d ng sau khi kh t i tr ng và s phá h y làm cho m u
V t li u k thu t

15


Ch
tách r i thành nh ng ph n riêng l . T
d ng.

ng 2

ng ng v i 3 y u t đó là 3 giai đo n c a bi n

+ Bi n d ng đàn h i (đo n OA)

+ Bi n d ng d o - đ
+ Bi n c ng - đ

ng cong AB

ng cong BC

+ Giai đo n phá h y - đ

ng cong CD

Bi n d ng đàn h i không nh ng x y ra trong giai đo n đàn h i mà ngay c trong
giai đo n bi n d ng d o và phá h y. Chính vì v y, đ bi n d ng c a 2 giai đo n này
g m 2 ph n: đàn h i và d o nên L = lđh + ld
2.1.1.2. Bi n d ng d o
c tr ng c a bi n d ng d o là bi n d ng sau khi b t i tr ng mà v n t n t i
m tl

ng bi n d ng d làm m u b thay đ i v hình d ng và kích th

c.

Ý ngh a: Làm thay đ i hình d ng, kích th c mà kim lo i không b phá h y cho
phép gia công các s n ph m có hình d ng xác đ nh, làm c s lý thuy t gia công kim
lo i b ng áp l c.
2.1.2.ăBi năd ngăd oăđ nătinhăth
-D ng ng su t gây bỄ n d ng d o
Xét ng su t trên m t tinh th :
* Khi ng su t là ng su t pháp ()

Hình 2.2.

ng su t tác d ng lên m ng tinh th

N u tác d ng lên tinh th

ng su t pháp thu n túy (kéo theo nén) thì kho ng

cách nguyên t theo chi u tr c giao v i m t tinh th s t ng ho c gi m. N u ng su t
bé thì s thay đ i kho ng cách nguyên t c ng bé và khi kh ng su t, l c hút ho c
đ y s đ a nguyên t v v trí c , t c là đ bi n d ng s m t đi. N u ng su t pháp l n
làm cho s thay đ i kho ng cách nguyên t v

t quá giá tr cho phép thì s x y ra quá

trình phá h y. Nh v y, ng su t pháp không làm cho tinh th bi n d ng d o mà ch có
V t li u k thu t

16


Ch

ng 2

bi n d ng đàn h i và sau đó phá h y dòn, t c phá h y không kèm theo bi n d ng d o.
* Khi ng su t là ng su t ti p ()

Hình 2.3. S thay đ i m ng tinh th khi bi n d ng
Khi ng su t ti p có tr s nh , các l p nguyên t b xê d ch đàn h i m t góc 

(hình b) và khi kh
kích th

ng su t, các nguyên t tr l i v trí c , do đó tinh th tr l i v i

c và hình dáng ban đ u. Khi ng su t đ l n, ngoài s xê d ch đàn h i có th

x y ra hi n t

ng tr

t (hình c) ph n trên c a tinh th tr

t kh i ph n d

i m t đo n

b ng m t kho ng cách nguyên t . M t ph ng n i x y ra tr t g i là m t tr t. Khi
tr t, nguyên t phá v m i liên k t v i nguyên t c xong, l i t i m i liên k t m i v i
nguyên t m i nên m i liên k t gi a các nguyên t không b phá h y. Kích th

c và

hình dáng c a tinh th thay đ i mà không b phá h y và nh v y đã x y ra bi n d ng
d o. Vì v y ch có ng su t ti p m i gây ra bi n d ng d o.
2.1.3.ăCácăc ăch ăbi năd ngăd o
2.1.3.1. Tr
t

t

Là c ch bi n d ng d o mà trong quá trình bi n d ng m t ph n tinh th tr t
ng đ i so v i m t m t c đ nh g i là m t tr t. Trong m t tr t theo các ph ng

xác đ nh g i là ph

ng tr

t.

Hình 2.4. Quá trình tr
+ M t tr
+ Ph

t là m t có m t đ m t sít ch t Ms l n nh t.

ng tr

V t li u k thu t

t

t là ph

ng có s nguyên t l n nh t
17


Ch
+ H tr t là tích s gi a m t tr

l n thì kh n ng bi n d ng càng cao.

t và ph

ng tr

ng 2

t. Ki u m ng nào có h tr

t

2.1.3.2. Song tinh
Song tinh là quá trình bi n d ng d o mà các ph n tinh th d ch chuy n đ i x ng
nhau qua m t m t ph ng c đ nh g i là m t song tinh (đ i tinh)

Hình 2.5. Song tinh (đ i tinh)
c đi m :
+ Gi ng nh tr

t, đ i tinh c ng x y ra theo nh ng m t và ph

ng xác đ nh.

+ Khi bi n d ng, quá trình đ i tinh b t đ u khi ng su t v

t quá tr s nh t

đ nh.
+

trình tr
nhanh.

i tinh x y ra đ t ng t ch không ph i t t v i t c đ xác đ nh nh quá
t. Vì v y, nó có kh n ng ti n hành đ d dàng trong đi u ki n t i tr ng

+ Vì s chuy n d ch c a nguyên t trên m i m t ph ng x y ra ch m t l n trên
kho ng cách ng n nên đ bi n d ng d t o ra khi đ i tinh có tr s r t, bé nên nh ng
tinh th khi bi n d ng d o b ng đ i tinh thì quá trình phá h y là phá h y dòn.
+

i tinh x y ra thì nó có tác d ng làm cho quá trình tr

t c ng x y ra d dàng

h n.
2.1.3.3. Vai trò c a m t tr

t và ph

ng tr

t trong bi n d ng d o

Khi kéo đ n tinh th theo m t tr c nh trên hình v . L c kéo F làm v i pháp
tuy n c a m t tr t đã cho m t góc và ph ng tr t đã cho m t góc . N u m t c t
ngang c a tinh th có di n tích S0 thì m t tr t có di n tích là S0/cos và ng su t ti p
trên ph

ng tr



t là:

F
F
cos  cos cos
S
S0

V t li u k thu t

(2.1)

18


Ch

ng 2

Trong đó  0  F S là ng su t do l c F tác d ng lên ti t di n ngang, nên
0

   0cos cos

Khi

(2.2)

có đ l n v

t quá m t giá tr t i h n nh t đ nh

lo i v t li u) thì quá trình tr

ng h p

vuông góc v i ph
d ng d o.

= 900 hay
ng tr

(ph thu c vào t ng

t m i x y ra.

Hình 2.6. Tr
Tr

th

t trong đ n tinh th

= 900 t c ngo i l c song song v i m t tr

t hay

t thì = 0 lúc này tinh th b phá h y mà không x y ra bi n

ng su t đ t c c đ i

max

khi = =450

2.1.4.ăS ăthayăđ iăt ăch că vàăc uătrúcătinhăth ăsauăbi năd ngăd o,ăcácăph
phápănângăcaoăđ ăb năv tăli u

ngă

2.1.4.1. S thay đ i t ch c và c u trúc c a tinh th
+ T o thành các t ch c h t nh và có tính đ nh h

ng

Hình 2.7. T ch c sau bi n d ng d o
+ T o thành th làm t ng tính d h

ng c a v t li u

+ Nâng cao m t đ l ch và khuy t t t trong tinh th
+ S t o thành Textua bi n d ng đó là t ch c sau bi n d ng không đúng v i
góc c a m t tr t do b h n ch ph ng tr t hay còn g i là hi n t ng quay m t tr t.
V t li u k thu t

19

Ch

ng 2

+ T o thành ng su t d sau bi n d ng d o nên t o ra các trung tâm ng su t d
do t ng m t đ khu ch tán.
+ T o ra ng su t d thô đ i t n t i trong toàn b th tích sau khi bi n d ng
+ T o ra ng su t d t vi t n t i trong n i b m t h t tinh th do đó t o nên
trung tâm gây ra các v t n t đ u tiên làm phá h y kim lo i vì v y sau bi n d ng d o
ph i kh

ng su t d .

+ Làm thay đ i c tính c a kim lo i mà đi n hình làm t ng đ c ng, gi i h n
đàn h i, gi i h n ch y và gi i h n b n. Làm gi m đ d o, đ dai, va đ p
+ Bi n d ng d o làm t ng m c đ sai l ch m ng làm t ng ng su t d và đ h t
nh vì v y làm gi m tính d n đi n, tính d n nhi t.
2.1.4.2. Các ph

ng pháp nâng cao đ b n v t li u

Hình 2.8. S ph thu c c a gi i h n b n vào m t đ l ch
Do s có m t c a sai l ch m ng nên chúng có đ b n th p vì bi n d ng d o gây
ra ch y u là do chuy n đ ng c a l ch. Mu n có đ b n cao thì c n có bi n pháp c n
tr chuy n đ ng c a l ch t c là t o ra các y u t hãm l ch.
+ T ng m t đ l ch và phân b đ u trong th tích. M t đ l ch càng l n, kho ng
cách gi a chúng càng nh , t ng tác gi a chúng càng m nh.
+ T ng c ng tác d ng hãm l ch c a biên gi i h t và biên gi i siêu h t b ng
cách t o ra kim lo i có h t nh v kích th c h t siêu bé.

+ T o ra pha th 2 có đ b n cao h n d

i d ng nh ng h t nh phân tán.

+ T o ra sai l ch m ng b ng cách chuy n bi n pha
2.1.5.ă

căđi măbi năd ngăd oăđaătinhăth

a) Do các h t đ nh h

ng khác nhau : nên khi tác d ng t i tr ng t nh lên đa tinh

th , các h t s b bi n d ng khác nhau : h t nào có ph ng m ng đ nh h ng thu n l i
cho tr t s b bi n d ng d o tr c v i ng su t t ng đ i bé, ng c l i h t nào có
V t li u k thu t

20


Ch

ng 2

đ nh h ng không thu n l i cho tr t thì ho c là s b bi n d ng sau v i ng su t l n
h n ho c là không th bi n d ng đ c. Chính vì v y gi a các h t có đ bi n d ng d
không đ u.
b) Các h t trong đa tinh th không đ ng đ c l p mà g n bó v i nhau, do đó s
bi n d ng d o c a m i h t luôn luôn nh h

ng đ n h t bên c nh và b chúng c n tr .

Do v y các h t trong đa tinh th có th b tr
x y ra đ ng th i s quay c a các m t và ph

t ngay theo nhi u h tr
ng tr

t khác nhau và

t.

c) Vùng biên gi i h t có s p x p không tr t t , do đó s tr t r t khó phát tri n
đây, vì không hình thành đ c các m t và ph ng tr t. Ngoài các y u t hãm l ch
trong đ n tinh th nh đã nói trên, trong đa tinh th biên gi i h t là m t y u t hãm
l ch r t có hi u qu . Khi l ch chuy n d n đ n g n biên gi i nó b d ng l i và do đó
đây có m t đ l ch khá cao. Trong kim lo i đa tinh th , khó có th tr
này sang h t khác, không nh ng là do ph

t liên t c t h t

ng các h t c nh nhau đ nh h

ng khác nhau

mà ch y u là còn do tác d ng c n tr c a biên gi i h t.
T nh ng đ c đi m và quy lu t bi n d ng d o đa tinh th trình bày

đây có th

rút ra k t lu n là làm nh h t kim lo i không nh ng làm t ng c đ b n mà còn c đ
d o. H t kim lo i càng nh , t c s h t càng nhi u, tác d ng c n tr t c a biên gi i h t
càng nhi u, do đó mu n tr t đ c ng su t ph i t ng lên, đ b n t ng lên.
ng th i
khi s h t t ng lên do h t nh đi, s h t có ph

ng m ng đ nh h

ng thích ng v i s

tr t t ng lên, s h t ch u bi n d ng d o s nhi u h n, do đó t ng bi n d ng d t ng
lên, t c đ d o t ng thêm.
2.1.6.ăNungăkimălo iăsauăbi năd ngăd o
2.1.6.1. M c đích
Kim lo i sau bi n d ng d o có m t đ khuy t t t t ng, ng su t d xu t hi n làm
n ng l ng t do t ng lên. Vì v y, kim lo i sau khi bi n d ng d o luôn có xu h ng tr
v tr ng thái n đ nh v i n ng l ng bé. Mu n tr v tr ng thái n đ nh này c n ph i
cung c p n ng l

ng cho h b ng cách nung tr l i kim lo i đã qua bi n d ng d o.

2.1.6.2. Các giai đo n x y ra khi nung kim lo i qua bi n d ng d o
* Giai đo n h i ph c: là quá trình nung kim lo i đã qua bi n d ng d o v t qua
m t nhi t đ xác đ nh tùy thu c vào b n ch t kim lo i g i là nhi t đ h i ph c, T0hp =
0,2T0nóng ch y.
Các hi n t
V t li u k thu t

ng x y ra trong giai đo n h i ph c là:
21