Bài giảng Vật liệu kỹ thuật Bai giang Vat lieu ky thuat

LỜI MỞ ĐẦU
Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vật
liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng càng ngày càng cao hơn. Đầu tiên là thời kỳ
đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt.v .v. Cho đến ngày nay là một loạt các loại vật
liệu mới như: composit, ceramit, pôlyme. v.v. Các loại vật liệu này (đặc biệt là kim loại & hợp
kim, cùng với các loại vật liệu mới) đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hộ loài người
một cách nhanh chóng.
Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống... đòi hỏi vật liệu sử
dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau. Ví dụ: khi thì cần có tính dẫn điện rẩt cao để
dùng trong ngành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm các loại dụng cụ cắt gọt kim
loại, khi lại cần có độ bền lớn để làm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải có tính dẻo cao để
cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nhưng 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 viên những kiến thức cơ bản của các loại vật liệu
chính: tinh thể, các hợp kim, bán dẫn và ion, cộng hóa trị ... cũng như kiến thức về xử lý nhiệt
của chúng. Mục đích của môn học này giúp cho sinh viên hiểu rõ các loại vật liệu khác nhau
dựa trên mối quan hệ giữa cấu trúc (liên kết hóa học, kiểu mạng tinh thể) và cơ lý tính, thực
hành được các thí nghiệm cơ 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 này. 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 hiệu quả sử dụng của nó. Một sản phẩm có thể gồm hàng chục loại
vật liệu khác nhau tạo nên. 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, ngoài 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 cơ bản về vật liệu và
thực hành nghiêm túc các thí nghiệm. Khi nghiên cứu môn học này phải nắm chắc mối quan
hệ giữa thành phần hóa học, cấu trúc và 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.


MỤC LỤC
TỔNG QUAN .......................................................................................................................... 15
1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ........................................................................................... 15
1.1.1 Khái niệm chung ............................................................................................................. 15
1.1.2 Phân loại vật liệu ............................................................................................................. 15
1.1.2.1 Vật liệu kim loại................................................................................................................................. 15
1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc .................................................................................................................. 16
1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme.................................................................................................................. 16
1.1.2.4 Vật liệu kết hợp – compozit............................................................................................................. 16
1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU. ............................................................................... 17
1.2.1 Giai đoạn tiền sử của loài người...................................................................................... 17
1.2.2 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm. ............................................... 18
1.2.3 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thức khoa học ...................................... 18
1.3 Nội dung môn học .............................................................................................................. 19
1.3 Nội dung môn học .............................................................................................................. 20
CHƯƠNG 21CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH ............................................. 21
1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử ............................................................................................ 21
1.1.2. Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn .................................................................... 21

1.1.2.1. Liên kết đồng hóa trị......................................................................................................................... 21
1.1.2.2. Liên kết ion........................................................................................................................................ 21
1.1.2.3. Liên kết kim loại (hình 1.3) ............................................................................................................. 22
1.1.2.4. Liên kết hỗn hợp ............................................................................................................................... 22
1.1.2.5. Liên kết yếu (Van der Waals).......................................................................................................... 22
1.2. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất ...................................................................................... 22
1.2.1. Chất khí .......................................................................................................................... 22
1.2.2. Chất rắn tinh thể ............................................................................................................. 22
1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể .............................................................. 22
1.2.3.1. Chất lỏng ........................................................................................................................................... 23
1.2.3.2. Chất rắn vô định hình ....................................................................................................................... 23
1.2.3.3. Chất rắn vi tinh thể............................................................................................................................ 23
1.3. Khái niệm về mạng tinh thể .............................................................................................. 23
1.3.1. Tính đối xứng ................................................................................................................. 23
1.3.2. Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt tinh thể .......................................................................... 24
1.3.2.1. Ô cơ sở ............................................................................................................................................... 24
1.3.2.2. Nút mạng ........................................................................................................................................... 24
1.3.2.3. Chỉ số phương ................................................................................................................................... 24
1.3.2.4. Chỉ số Miller của mặt tinh thể ......................................................................................................... 25
1.3.2.5. Chỉ số Miller - Bravàis trong hệ lục giác ....................................................................................... 25
1.3.3. Mật độ nguyên tử ........................................................................................................... 26
1.3.3.1. Mật độ xếp......................................................................................................................................... 26
2




1.3.3.2. Số phối trí (số sắp xếp):.................................................................................................................... 26
1.3.3.3. Lỗ hổng.............................................................................................................................................. 26
1.4. Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn ............................................................................ 26

1.4.1. Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất) ..................................................... 26
1.4.1.1. Lập phương tâm khối A2................................................................................................................. 26
1.4.1.2. Lập phương tâm mặt A1.................................................................................................................. 27
1.4.1.3. Lục giác xếp chặt A3........................................................................................................................ 28
1.4.2. Chất rắn có liên kết đồng hóa trị .................................................................................... 28
1.4.2.1. Kim cương A4 .................................................................................................................................. 28
1.4.2.2. Mạng grafit ........................................................................................................................................ 29
1.4.2.3. Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene .............................................................................................. 29
1.4.2.4. Cấu trúc của SiO2 ............................................................................................................................. 29
1.4.3. Chất rắn có liên kết ion .................................................................................................. 30
1.4.4. Cấu trúc của polyme ....................................................................................................... 30
1.4.5. Dạng thù hình ................................................................................................................. 30
1.5. Sai lệch mạng tinh thể ....................................................................................................... 30
1.5.1. Sai lệch điểm .................................................................................................................. 31
1.5.1.1. Nút trống và nguyên tử tự xen kẽ (Hình 1.17a)............................................................................. 31
1.5.1.2. Nguyên tử tạp chất............................................................................................................................ 31
1.5.2. Sai lệch đường - Lệch .................................................................................................... 31
1.5.2.1. Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line) (hình 1.18a) ................................................... 31
1.5.2.3. Lệch xoắn (screw dislocation) (hình 1.19a)................................................................................... 32
1.5.2.4. Đặc trưng về hình thái của lệch....................................................................................................... 32
1.5.3. Sai lệch mặt .................................................................................................................... 32
1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể ................................................................................................ 33
1.6.1. Đơn tinh thể .................................................................................................................... 33
1.6.2. Đa tinh thể ...................................................................................................................... 33
1.6.2.1. Hạt ...................................................................................................................................................... 33
1.6.2.2. Độ hạt................................................................................................................................................ 33
1.6.2.3. Siêu hạt .............................................................................................................................................. 34
1.6.3. Textua ............................................................................................................................. 35
1.7. Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại ................................................................. 35
1.7.1. Điều kiện xảy ra kết tinh ................................................................................................ 35

1.7.1.1. Cấu trúc ở trạng thái lỏng................................................................................................................. 35
1.7.1.2. Biến đổi năng lượng khi kết tinh..................................................................................................... 35
1.7.1.3. Độ quá nguội ..................................................................................................................................... 35
1.7.2. Hai quá trình của sự kết tinh .......................................................................................... 36
1.7.2.1. Tạo mầm............................................................................................................................................ 36
1.7.2.2. Phát triển mầm .................................................................................................................................. 36
1.7.3. Sự hình thành hạt............................................................................................................ 36
1.7.3.1. Tiến trình kết tinh.............................................................................................................................. 36
1.7.3.2. Hình dạng hạt .................................................................................................................................... 37


3


1.7.4. Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc ............................................................................ 37
1.7.4.1. Nguyên lý .......................................................................................................................................... 37
1.7.4.2. Các phương pháp làm hạt nhỏ khi đúc........................................................................................... 37
1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc .......................................................................................... 38
1.7.5.1. Ba vùng tinh thể của thỏi đúc .......................................................................................................... 38
1.7.5.2. Các khuyết tật của vật đúc ............................................................................................................... 38
CHỮƠNG 2 BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH...................................................................... 41
2.1. Biến dạng dẻo và phá hủy ................................................................................................. 41
2.1.1. Khái niệm ....................................................................................................................... 41
2.1.2. Trượt đơn tinh thể .......................................................................................................... 42
2.1.2.1. Các mặt và phương trượt ................................................................................................................. 42
2.1.2.2. Ứng suất gây ra trượt........................................................................................................................ 42
2.1.2.3 Tính dễ trượt, cơ chế trượt ................................................................................................................ 43
2.1.3. Trượt đa tinh thể: ............................................................................................................ 43
2.1.3.1. Các đặc điểm ..................................................................................................................................... 43
2.1.3.2. Tổ chức và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo............................................................. 44

2.1.4. Phá hủy ........................................................................................................................... 44
2.1.4.1. Tải trọng tĩnh ..................................................................................................................................... 45
2.1.4.2. Trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ.............................................................................. 46
2.2. Các đặc trưng cơ tính thông thường và ý nghĩa ................................................................ 46
2.2.1. Độ bền (tĩnh) .................................................................................................................. 47
2.2.1.1. Các chỉ tiêu ........................................................................................................................................ 47
2.2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng ...................................................................................................................... 47
2.2.1.3. Các biện pháp hóa bền vật liệu........................................................................................................ 47
2.2.2. Độ dẻo: Độ dẻo là khả năng biến dạng của vật liệu dưới tải trọng ................................ 47
2.2.2.1. Hai chỉ tiêu: ....................................................................................................................................... 47
2.2.2.2. Tính siêu dẻo ..................................................................................................................................... 47
2.2.3. Độ dai và đập: ................................................................................................................ 48
2.2.4. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), KIC .................... 48
2.2.5. Độ cứng .......................................................................................................................... 50
2.2.5.1. Đặc điểm............................................................................................................................................ 50
2.2.5.2. Độ cứng Brinen HB: HB=F/S, F là tải trọng, kg hay N, S diện tích hình chỏm cầu. ............... 50
2.2.5.3. Độ cứng Rô cvel HR (HRC, HRA, HRB)..................................................................................... 50
2.2.5.4. Độ cứng Vicke HV........................................................................................................................... 51
2.2.5.5. Chuyển đổi giữa các thang độ cứng ............................................................................................ 51
2.3. Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng ....................................... 51
2.3.1. Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo ......................................................................... 51
2.3.2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng ........................................................................ 51
2.3.2.1. Hồi phục ........................................................................................................................................... 51
2.3.2.2. Kết tinh lại (kết tinh lại lần thứ nhất) .......................................................................................... 51
2.3.2.3. Kết tinh lại lần thứ hai ...................................................................................................................... 52
4

2.3.3. Biến dạng nóng............................................................................................................... 52
2.3.3.1. Khái niệm .......................................................................................................................................... 52
2.3.3.2. Các quá trình xảy ra.......................................................................................................................... 52
2.3.3.3. Các đặc điểm ..................................................................................................................................... 52
2.4. Ăn mòn và bảo vệ kim loại: .............................................................................................. 53
2.4.1. Phân loại: Theo cơ chế xảy ra ăn mòn: .......................................................................... 53
2.4.2. Cơ chế của quá trình ăn mòn kim loại: .......................................................................... 53
2.4.2.1. Cơ chế điện hóa của quá trình ăn mòn kim loại ............................................................................ 53
2.4.2.2. Cơ chế ăn mòn hoá học kim loại..................................................................................................... 54
2.4.3.Tốc độ ăn mòn ................................................................................................................. 54
2.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn ...................................................................... 55
2.4.4.1. Ảnh hưởng của bản chất kim loại ................................................................................................... 55
2.4.4.2. Ảnh hưởng của `môi trường ............................................................................................................ 55
2.4.4.3. Ảnh hưởng của cấu trúc và tính chất của hợp kim:....................................................................... 55
2.4.4.4. Ảnh hưởng của các công nghệ vật liệu .......................................................................................... 55
2.4.5. Chống ăn mòn kim loại .................................................................................................. 55
PHẦN II HỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC ...................................................................... 57
CHỮƠNG 3 HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA .......................................................................... 57
3.1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM ........................................................................ 57
3.1.1. Khái niệm về hợp kim .................................................................................................... 57
3.1.1.1 Định nghĩa .......................................................................................................................................... 57
3.1.1.2 Ưu việt của hợp kim so với kim loại ............................................................................................... 57
3.1.1.3 Một số khái niệm ............................................................................................................................... 57
3.1.1.4 Phân loại các tương tác ..................................................................................................................... 57
3.1.2 DUNG DỊCH RẮN ......................................................................................................... 58
3.1.2.1 Khái niệm - phân loại ........................................................................................................................ 58
3.1.2.2 Dung dịch rắn thay thế ..................................................................................................................... 58
3.1.2.3 Dung dịch rắn xen kẽ ........................................................................................................................ 58
3.1.2.4 Các đặc tính của dung dịch rắn ........................................................................................................ 59
3.1.3. Pha trung gian................................................................................................................. 59

3.1.3.1 Bản chất và phân loại ........................................................................................................................ 59
3.1.3.2 Pha xen kẽ .......................................................................................................................................... 59
3.1.3.3 Pha điện tử (Hum - Rothery) ........................................................................................................... 60
3.1.3.4 Pha Laves .......................................................................................................................................... 60
3.2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ HAI CẤU TỬ ......................................................................... 60
3.2.1. Quy tắc pha và ứng dụng................................................................................................ 60
3.2.2. Quy tắc đòn bẩy.............................................................................................................. 61
3.2.3. Giản đồ loại I .................................................................................................................. 61
3.2.4. Giản đồ loại II ................................................................................................................ 62
3.2.5. Giản đồ loại III ............................................................................................................... 62
3.2.6. Giản đồ loại IV ............................................................................................................... 63


5


3.2.7. Các giản đồ pha với các phản ứng khác ......................................................................... 63
3.2.8. Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tính chất của hợp kim ............................................. 64
3.2.8.1 Tính chất các pha thành phần ........................................................................................................... 64
3.2.8. 1 Tính chất của hỗn hợp các pha:....................................................................................................... 64
3.3. GIẢN ĐỒ PHA Fe – C (Fe - Fe3C) .................................................................................. 65
3.3.1. Tương tác giữa Fe và C .................................................................................................. 65
3.3.1.1 Sự hòa tan của C vào Fe .................................................................................................................. 65
3.3.1.2 Tương tác hóa học giữa Fe và C ...................................................................................................... 65
3.3.2. Giản đồ pha Fe - Fe3C và các tổ chức ........................................................................... 65
3.3.2.1 Giản đồ pha Fe - Fe3C .................................................................................................................... 65
3.3.2.2 Các chuyển biến khi làm nguội chậm ............................................................................................ 66
3.3.2.3 Các tổ chức một pha .......................................................................................................................... 66
3.3.2.4 Các tổ chức hai pha .......................................................................................................................... 67
3.3.3. Phân loại ......................................................................................................................... 68

3.3.3. 1. Khái niệm chung về thép, gang...................................................................................................... 68
3.3.3.2. Các loại thép, gang theo giản đồ pha Fe - C ................................................................................. 68
3.3.3.3. Các điểm tới hạn của thép................................................................................................................ 69
CHỮƠNG 4 NHIỆT LUYỆN THÉP ....................................................................................... 70
4.1. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP ......................................................................... 70
4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện thép ............................................................................................ 70
4.1.1.1. Định nghĩa: ...................................................................................................................................... 70
4.1.1.2. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện ............................................................................................. 70
4.1.1.3. Phân loại nhiệt luyện thép................................................................................................................ 70
4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí .......................................................... 70
4.1.2.1Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép: phát huy triệt để các tiềm năng của vật
liệu: bền, cứng, dai…do đó giảm nhẹ kết cấu, tăng tuổi thọ,..................................................................... 70
4.1.2.2. Cải thiện tính công nghệ .................................................................................................................. 70
4.1.2.3. Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí................................................................................................... 70
4.2. CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP ............... 71
4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit ............................. 71
4.2.1.1. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung ............................................................................................ 71
4.2.1.2. Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit ........................................................................... 71
4.2.2. Mục đích của giữ nhiệt ................................................................................................... 72
4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội ...................................................................................... 72
4.2.3.1. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tích ..... 72
4.2.3.2. Sự phân hóa γ khi làm nguội liên tục.............................................................................................. 73
4.2.3.3. Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích............................................................................... 73
4.2.4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biến mactenxit (khi tôi) ....... 74
4.2.4.1. Bản chất của mactenxit .................................................................................................................... 74
4.2.4.2. Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit ...................................................................................... 75
4.2.4.3. Cơ tính của mactenxit ...................................................................................................................... 75
6

4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram).......................................................... 75
4.2.5.1. Tính không ổn định của mactenxit và austenit .............................................................................. 75
4.2.5.2. Các chuyển biến xảy ra khi ram ...................................................................................................... 76
4.3. Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP .......................................................................................... 76
4.3.1. Ủ thép ............................................................................................................................. 76
4.3.1.1. Định nghĩa và mục đích ................................................................................................................... 76
4.3.1.2. Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha ............................................................................ 77
4.3.1.3. Các phương pháp ủ có chuyển biến pha ........................................................................................ 77
4.3.2. Thường hóa thép ............................................................................................................ 77
4.3.2.1.Định nghĩa: ......................................................................................................................................... 77
4.3.2.2. Mục đích và lĩnh vực áp dụng:........................................................................................................ 78
4.4. TÔI THÉP ......................................................................................................................... 78
4.4.1. Định nghĩa và mục đích ................................................................................................. 78
4.4.1.1. Định nghĩa: ........................................................................................................................................ 78
4.4.1.2. Mục đích:........................................................................................................................................... 78
4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép .................................................................................................... 78
4.4.2.1. Đối với thép TCT (< 0,80%C): ....................................................................................................... 78
4.4.2.2. Đối với thép CT và SCT (≥ 0,80%C): → ..................................................................................... 78
4.4.2.3. Lý do để chọn nhiệt độ tôi: .............................................................................................................. 78
4.4.2.4. Đối với thép hợp kim: ...................................................................................................................... 79
4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi ................................................................................... 79
4.4.3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn: ................................................................................ 79
4.4.3.2. Độ thấm tôi........................................................................................................................................ 79
4.4.3.3. Đánh giá độ thấm tôi: ....................................................................................................................... 79
4.4.3.4. Tính thấm tôi và tính tôi cứng: ........................................................................................................ 80
4.4.4. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng. Các môi trường tôi................................... 80
4.4.4.1 Tôi trong một môi trường ................................................................................................................. 80
4.4.4.2. Tôi trong hai môi trường (nước qua dầu) Đường b trên hình 4.18 ............................................. 81

4.4.4.3. Tôi phân cấp: đường c trên hình 4.18 ............................................................................................. 82
4.4.4.4. Tôi đẳng nhiệt: đường d trên hình 4.18 .......................................................................................... 82
4.4.4.5. Gia công lạnh .................................................................................................................................... 82
4.4.4.6. Tôi tự ram .......................................................................................................................................... 82
4.4.5. Cơ - nhiệt luyện thép ...................................................................................................... 82
4.4.5.1. Bản chất: ............................................................................................................................................ 82
4.4.5.2. Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao: ........................................................................................................ 82
4.4.5.3. Cơ – nhiệt luyện nhiệt độ thấp: ..................................................................................................... 83
4.5.RAM THÉP ........................................................................................................................ 83
4.5.1. Mục đích và định nghĩa .................................................................................................. 83
4.5.1.1. Trạng thái của thép tôi thành M: ..................................................................................................... 83
4.5.1.2. Định nghĩa: ........................................................................................................................................ 83
4.5.2. Các phương pháp ram thép cacbon ................................................................................ 83


7


4.5.2.1. Ram thấp (150 ÷ 250oC):............................................................................................................... 83
4.5.2.2. Ram trung bình (300 ÷ 450oC): ..................................................................................................... 84
4.5.2.3. Ram cao (500 ÷ 650oC):................................................................................................................. 84
4.5.2.4. Ram màu và tôi tự ram: ................................................................................................................... 84
4.5.2.5. ảnh hưởng của thời gian ram: .......................................................................................................... 84
4.6. CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP.......................................... 84
4.6.1. Biến dạng và nứt ............................................................................................................ 84
4.6.1.1. Nguyên nhân và tác hại: .................................................................................................................. 84
4.6.1.2. Ngăn ngừa: ........................................................................................................................................ 84
4.6.1.3. Khắc phục:......................................................................................................................................... 85
4.6.2. Ôxy hóa và thoát cacbon ................................................................................................ 85
4.6.2.1. Nguyên nhân và tác hại:................................................................................................................... 85

4.6.2.2. Ngăn ngừa: ........................................................................................................................................ 85
4.6.2.3. Khắc phục:......................................................................................................................................... 85
4.6.3. Độ cứng không đạt: ........................................................................................................ 85
4.6.3.1. Độ cứng quá cao: ............................................................................................................................ 85
4.6.3.2. Độ cứng quá thấp:............................................................................................................................. 85
4.6.4. Tính giòn cao .................................................................................................................. 85
4.6.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt........................................... 85
4.6.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ: ................................................................................................................. 85
4.6.5.2. Kiểm tra nhiệt độ nung: ................................................................................................................... 85
4.7. HOÁ BỀN BỀ MẶT ......................................................................................................... 86
4.7.1. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) ....................................... 86
4.7.1.1. Nguyên lý nung nóng bề mặt: (hình 4.21a). .................................................................................. 86
4.7.1.2. Chọn tần số và thiết bị:..................................................................................................................... 86
4.7.1.3. Các phương pháp tôi: ....................................................................................................................... 86
4.7.1.4. Tổ chức và cơ tính của thép tôi cảm ứng: ...................................................................................... 86
4.7.1.5. Ưu việt: .............................................................................................................................................. 86
4.7.2. Hóa - nhiệt luyện ............................................................................................................ 87
4.7.2.1. Nguyên lý chung............................................................................................................................... 87
4.7.2.2. Thấm cacbon: phổ biến nhất, dễ làm do đó hầu hết các xưởng Cơ khí đều áp dụng ................ 87
4.7.2.3. Thấm nitơ .......................................................................................................................................... 89
4.7.2.4. Thấm cacbon - nitơ........................................................................................................................... 90
PHẦN III VẬT LIỆU KIM LOẠI ........................................................................................... 91
CHỮƠNG 5 THÉP VÀ GANG ............................................................................................... 91
5.1. KHÁI NIỆM VỀ THÉP CACBON VÀ HỢP KIM .......................................................... 91
5.1.1. Thép cacbon ................................................................................................................... 91
5.1.1.1. Thành phần hóa học: ........................................................................................................................ 91
5.1.1.2. Ảnh hưởng của C đến tổ chức, tính chất và công dụng của thép thường ................................... 91
5.1.1.3. Ảnh hưởng của các tạp chất thường có .......................................................................................... 92
5.1.1.4. Phân loại thép cacbon....................................................................................................................... 92
8

5.1.1.5. Tiêu chuẩn thép cacbon ................................................................................................................... 93
5.1.1.6. Ưu nhược điểm của thép cacbon .................................................................................................... 94
5.1.2. Thép hợp kim ................................................................................................................. 94
5.1.2.1. Thành phần hóa học ......................................................................................................................... 94
5.1.2.2. Các đặc tính của thép hợp kim ........................................................................................................ 94
5.1.2.3. Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép ............................................................... 94
5.1.2.4. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện .................................................... 96
5.1.2.5. Chậm chuyển biến khi ram.............................................................................................................. 97
5.1.2.6. Các khuyết tật của thép hợp kim..................................................................................................... 97
5.1.2.7. Phân loại thép hợp kim .................................................................................................................... 98
5.1.2.8. Tiêu chuẩn thép hợp kim ................................................................................................................. 99
5.2. THÉP XÂY DỰNG ........................................................................................................ 100
5.2.1. Đặc điểm chung - phân loại.......................................................................................... 100
5.2.1.1. Đặc điểm chung .............................................................................................................................. 100
5.2.1.2. Phân loại .......................................................................................................................................... 100
5.2.2. Thép thông dụng ................................................................................................................................ 100
5.2.2.1. Đặc điểm chung (thép cacbon)...................................................................................................... 100
5.2.2.2. Phân loại theo TCVN..................................................................................................................... 100
5.2.2.3. Tiêu chuẩn các nước........................................................................................................................... 2
5.2.3. Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel) ......................... 2
5.2.3.1. Đặc điểm chung .................................................................................................................................. 2
5.2.3.2. Tiêu chuẩn Việt Nam ......................................................................................................................... 2
5.2.3.3. Tiêu chuẩn các nước........................................................................................................................... 2
5.2.4. Thép làm cốt bêtông ......................................................................................................... 2
5.2.5. Các thép khác ................................................................................................................... 3
5.3. THÉP CHẾ TẠO MÁY (Thép kết cấu) .............................................................................. 3

5.3.1. Các yêu cầu chung............................................................................................................ 3
5.3.1.1. Cơ tính: ................................................................................................................................................ 3
5.3.1.2. Tính công nghệ: .................................................................................................................................. 3
5.3.1.3. Tính kinh tế: ........................................................................................................................................ 3
5.3.1.4. Thành phần hóa học: .......................................................................................................................... 3
5.3.2. Thép thấm cacbon ............................................................................................................ 3
5.3.2.1. Đặc điểm các loại thép thấm cacbon và tác dụng của các nguyên tố............................................ 3
5.3.2.2. Thép hợp kim Cr: 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV ............................................................................... 3
5.3.2.3. Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo: ................................................................................................................. 4
5.3.3. Thép hóa tốt ...................................................................................................................... 5
5.3.3.1. Đặc điểm về thành phần hóa học ...................................................................................................... 5
5.3.3.2. Đặc điểm về nhiệt luyện: ................................................................................................................... 5
5.3.3.3. Thép cacbon: ....................................................................................................................................... 6
5.3.3.4. Thép Cr: ............................................................................................................................................... 6
5.3.3.5. Thép Cr-Mo: ....................................................................................................................................... 6
5.3.3.6. Thép Cr-Mn và Cr-Mn-Si: ................................................................................................................ 6


9


5.3.3.7. Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo: ................................................................................................................. 6
5.3.3.8. Thép chuyên dùng để thấm nitơ: ...................................................................................................... 7
5.3.4. Các chi tiết máy điển hình bằng thép ............................................................................... 7
5.3.4.1. Các loại trục......................................................................................................................................... 7
5.3.4.2. Các loại bánh răng .............................................................................................................................. 7
5.3.5. Thép đàn hồi ..................................................................................................................... 7
5.3.5.1. Điều kiện làm việc và yêu cầu đối với thép đàn hồi: ...................................................................... 7
5.3.5.2. Đặc điểm về thành phần hóa học và nhiệt luyện............................................................................. 8
5.3.5.3. Các mác thép và đặc điểm: ................................................................................................................ 8

5.3.6. Các thép kết cấu có công dụng riêng................................................................................ 8
5.3.6.1. Thép lá để dập nguội sâu: .................................................................................................................. 8
5.3.6.2. Thép dễ cắt .......................................................................................................................................... 9
5.3.6.3. Thép ổ lăn ............................................................................................................................................ 9
5.4. Thép dụng cụ ..................................................................................................................... 10
5.4.1. Các yêu cầu chung.......................................................................................................... 10
5.4.1.1. Phân loại: ........................................................................................................................................... 10
5.4.1.2. Cơ tính & chịu nhiệt: ........................................................................................................................ 10
5.4.1.3. Tính công nghệ và tính kinh tế:....................................................................................................... 10
5.4.1.4. Thành phần hóa học: ........................................................................................................................ 10
5.4.2. Thép làm dụng cụ cắt ..................................................................................................... 10
5.4.2.1. Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt: điều kiện làm việc và yêu cầu cơ tính: .................... 10
5.4.2.2. Thép làm dao có năng suất thấp...................................................................................................... 11
5.4.2.3. Thép làm dao có năng suất cao - Thép gió: ................................................................................... 12
5.4.3. Thép làm dụng cụ đo ...................................................................................................... 14
5.4.3.1. Điều kiện làm việc và yêu cầu ........................................................................................................ 14
5.4.3.2. Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác cao ........................................................................................ 14
5.4.3.3. Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác thấp....................................................................................... 15
5.4.4. Thép làm dụng cụ biến dạng nguội ................................................................................ 15
5.4.4.2. Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nguội ......................................................................... 15
5.4.4.3. Thép làm khuôn bé ........................................................................................................................... 15
5.4.4.4. Thép làm khuôn trung bình ............................................................................................................. 15
5.4.4.5. Thép làm khuôn lớn và có tính chống mài mòn rất cao: .............................................................. 16
5.4.4.6. Thép làm khuôn chịu tải trọng và đập ............................................................................................ 16
5.4.5. Thép làm dụng cụ biến dạng nóng ................................................................................. 16
5.4.5.1. Điều kiện làm việc và yêu cầu: ....................................................................................................... 16
5.4.5.2. Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nóng .......................................................................... 17
5.4.5.3. Thép làm khuôn rèn.......................................................................................................................... 17
5.4.5.4. Thép làm khuôn ép chảy:................................................................................................................. 17
5.5. Thép hợp kim đặc biệt (có tính chất vật lý - hóa học đặc biệt) ......................................... 17

5.5.1. Đặc điểm chung và phân loại ......................................................................................... 17
5.5.2. Thép không gỉ................................................................................................................. 18
5.5.2.1. Thép không gỉ hai pha:..................................................................................................................... 18
10




5.5.2.2. Thép không gỉ một pha ferit ............................................................................................................ 18
5.5.2.3. Thép không gỉ một pha austenit ...................................................................................................... 18
5.5.2.4. Thép không gỉ hóa bền tiết pha ....................................................................................................... 19
5.5.3. Thép bền nóng (Heat - Resistant Steel) .......................................................................... 19
5.5.3.1. Yêu cầu đối với thép làm việc ở nhiệt độ cao................................................................................ 19
5.5.3.2. Thép làm xupap xả ........................................................................................................................... 20
5.5.4. Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dưới tải trọng và đập (thép Hadfield) .......... 20
5.6. GANG ............................................................................................................................... 20
5.6.1. Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy ............................................................. 20
5.6.1.1. Tổ chức tế vi...................................................................................................................................... 20
5.6.1.2. Thành phần hóa học và cách chế tạo .............................................................................................. 21
5.6.2. Gang xám ....................................................................................................................... 21
5.6.2.1. Cơ tính ............................................................................................................................................... 21
5.6.2.2. Phương pháp nâng cao cơ tính ........................................................................................................ 21
5.6.2.3. Các mác gang và công dụng............................................................................................................ 22
5.6.2.4. Gang xám biến trắng ........................................................................................................................ 22
5.6.3. Gang cầu ......................................................................................................................... 22
5.6.3.1. Cơ tính ............................................................................................................................................... 22
5.6.3.2. Đặc điểm chế tạo .............................................................................................................................. 22
5.6.3.3. Các mác gang và công dụng (1kG/mm2=10MPa=1,45ksi=1,45.103psi) .................................. 23
5.6.4. Gang dẻo ........................................................................................................................ 23
5.6.4.1. Cơ tính ............................................................................................................................................... 23

5.6.4.2. Đặc điểm chế tạo .............................................................................................................................. 23
5.6.4.3. Các mác gang và công dụng............................................................................................................ 23
CHỮƠNG 6 HỢP KIM MÀU VÀ BỘT .................................................................................. 25
6.1. Hợp kim nhôm (Al) ........................................................................................................... 25
6.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại hợp kim nhôm ............................................................ 25
6.1.1.1. Các đặc tính của nhôm nguyên chất ............................................................................................... 25
6.1.1.2. Hợp kim Al và phân loại.................................................................................................................. 25
6.1.2. Nhôm và hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện ................... 26
6.1.2.1. Nhôm sạch:........................................................................................................................................ 26
6.1.2.2. Hợp kim Al biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện .................................................... 26
6.1.3. Hợp kim Al biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện .................................................. 27
6.1.3.1. Hệ Al - Cu và Al - Cu - Mg............................................................................................................. 27
6.1.3.2. Hệ Al - Mg - Si và Al - Zn - Mg .................................................................................................. 27
6.1.4. Hợp kim Al đúc ............................................................................................................... 27
6.1.4.1. Các đặc điểm: .................................................................................................................................. 27
6.1.4.2. Silumin đơn giản: ............................................................................................................................ 28
6.1.4.3. Silumin phức tạp:............................................................................................................................ 28
6.2. Hợp kim đồng .................................................................................................................... 28
6.2.1. Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng ............................................................... 28
6.1.4.2. Các loại đồng nguyên chất ............................................................................................................ 28


11


6.1.4.3. Phân loại hợp kim Cu: ................................................................................................................... 28
6.1.4.4. Hệ thống ký hiệu cho hợp kim đồng ........................................................................................... 28
6.2.2. Latông (đồng thau, Pháp - laiton, Anh - brass, Nga - латунь) ....................................... 29
6.2.3. Brông: ............................................................................................................................. 29
6.2.3.1. Brông thiếc:. ...................................................................................................................................... 29

6.2.3.2. Brông Al: ........................................................................................................................................... 29
6.2.3.3. Brông berili: ...................................................................................................................................... 29
6.2.4. Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni .................................................................................. 30
6.3. Hợp kim ổ trượt ................................................................................................................. 30
6.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trượt ............................................................................. 30
6.3.2. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp........................................................................... 30
6.3.2.1. Babit thiếc (do Babbitt (người Anh) tìm ra) .................................................................................. 30
6.3.2.2. Babit chì............................................................................................................................................. 31
6.3.3. Hợp kim nhôm................................................................................................................ 31
6.3.4. Các hợp kim khác ........................................................................................................... 31
6.4. Hợp kim bột....................................................................................................................... 31
6.4.1. Khái niệm chung ............................................................................................................ 31
6.4.1.1. Công nghệ bột ................................................................................................................................... 31
6.4.1.2. Ưu, nhược điểm của phương pháp ................................................................................................. 32
6.4.2. Vật liệu cắt và mài .......................................................................................................... 33
6.4.2.1. Hợp kim cứng ................................................................................................................................... 33
6.4.2.2. Các vật liệu siêu cứng. ................................................................................................................... 33
6.4.2.3. Vật liệu làm đĩa cắt ........................................................................................................................... 34
6.4.2.4. Vật liệu mài ....................................................................................................................................... 34
6.4.2.4. Thép gió bột ...................................................................................................................................... 35
6.4.3. Vật liệu kết cấu ............................................................................................................... 35
6.4.3.1. Trên cơ sở Al và hợp kim Al........................................................................................................... 35
6.4.3.2. Trên cơ sở sắt và thép....................................................................................................................... 35
6.4.4. Hợp kim xốp và thấm ..................................................................................................... 35
6.4.4.1. Bạc xốp tự bôi trơn ........................................................................................................................... 35
6.4.4.2. Màng lọc:........................................................................................................................................... 35
CHỮƠNG 7 VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC ...................................................................... 36
7.1. Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của ceramic ................................................................ 36
7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình .............................................................................................. 37
7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa ................................................................................................ 37

7.2.2. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh ............................................................................................ 38
7.2.2.1.Thuỷ tinh............................................................................................................................................. 38
7.2.2.2. Gốm thuỷ tinh ................................................................................................................................... 39
7.2.3. Ximăng ........................................................................................................................... 39
7.2.3.1. Bản chất ............................................................................................................................................. 39
7.2.3.2. Ximăng .............................................................................................................................................. 39
7.2.4. Bêtông ............................................................................................................................ 40
12




7.2.5. Bêtông cốt thép............................................................................................................... 41
CHỮƠNG 8 VẬT LIỆU HỮU CƠ .......................................................................................... 42
8.1. Đặc điểm của vật liệu hữu cơ ............................................................................................ 43
8.1.1. Hình thành vật liệu polyme ............................................................................................ 43
8.1.2. Phân tử Polyme .............................................................................................................. 44
8.1.3. Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử.................................................. 45
8.1.4. Mức độ kết tinh của Plyme và tính chất cơ học ............................................................. 46
8.2. Các polyme thông dụng và ứng dụng................................................................................ 46
8.2.1. Chất dẻo: Sản lượng cao nhất hiện nay ......................................................................... 46
8.2.2. Cao su (Elastome) .......................................................................................................... 47
8.2.3. Sợi polyme ..................................................................................................................... 47
8.2.4. Màng............................................................................................................................... 47
8.2.5. Chất dẻo xốp (foarms) .................................................................................................... 47
CHỮƠNG 9 COMPOZIT ........................................................................................................ 49
9.1. Khái niệm về compozit ..................................................................................................... 49
9.1.1. Quy luật kết hợp ............................................................................................................. 49
9.1.2. Đặc điểm và phân loại .................................................................................................... 49
9.1.2.1. Đặc điểm............................................................................................................................................ 49

9.1.2.2. Phân loại ............................................................................................................................................ 49
9.1.3. Liên kết nền - cốt ............................................................................................................ 49
9.1.3.1. Cốt ...................................................................................................................................................... 49
9.1.3.2. Nền ..................................................................................................................................................... 49
9.1.3.3. Liên kết nền - cốt .............................................................................................................................. 49
9.2. Compozit cốt hạt ............................................................................................................... 49
9.2.1. Compozit hạt thô ............................................................................................................ 50
9.2.1.1. Đặc điểm............................................................................................................................................ 50
9.2.1.2. Các compozit hạt thô thông dụng. .................................................................................................. 50
9.2.2. Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán) ............................................................................ 50
9.2.2.1. Đặc điểm............................................................................................................................................ 50
9.2.2.2. Các compozit hạt mịn ...................................................................................................................... 50
9.3. Compozit cốt sợi ............................................................................................................... 50
9.3.1. Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi................................................................................ 51
9.3.1.1. Sự phân bố và định hướng sợi......................................................................................................... 51
9.3.1.2. Ảnh hưởng của chiều dài sợi ........................................................................................................... 51
9.3.2. Compozit cốt sợi liên tục song song .............................................................................. 52
9.3.2.1. Khi kéo dọc ....................................................................................................................................... 52
9.3.2.2. Khi kéo ngang ................................................................................................................................... 52
9.3.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi........................................................................................................ 52
9.3.3. Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng ......................................................................... 53
9.3.4. Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn .............................................................................. 53
CHỮƠNG 10 LỰA CHON VÀ SỬ DỤNG HỢP LÝ VẬT LIỆU ......................................... 54
1.1 NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU. ......................................................... 54


13


1.2.1 Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu .................................................................................. 54

1.2.2 Những tính chất cơ bản của vật liệu ................................................................................ 54
1.2.2.1Tính chất cơ học.................................................................................................................................. 54
1.2.2.2Tính chất vật lý. .................................................................................................................................. 59
1.2.2.3Tính chất hóa học. .............................................................................................................................. 61
1.2.2.4Tính công nghệ. .................................................................................................................................. 62
1.2.2.5Ðộ tin cậy. ........................................................................................................................................... 62
1.2.2.6Tuổi thọ................................................................................................................................................ 63
1.3 Lựa chon vật liệu ................................................................................................................ 63
1.3.1 Yêu cầu về tính năng sử dụng ......................................................................................... 63

14




TỔNG QUAN
1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU
1.1.1 Khái niệm chung
Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất là những vật rắn mà con người dùng để chế tạo ra
các máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v… trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông
vận tải, trong xây dựng các công trình, nhà cửa hay thay thế các bộ phận cơ 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 thành phần, cấu tạo và tính chất
của vật liệu, nhằm giải quyết những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhất, liên quan đến việc tiết
kiệm vật liệu, giảm khối lượng thiết bị máy móc và dụng cụ, nâng cao độ chính xác, độ tin
cậy và khả năng làm việc của các chi tiết máy và 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 đường thực nghiệm. Việc đưa ra những
phương pháp thực nghiệm mới để nghiên cứu cấu tạo (cấu trúc) và 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 như mật độ, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, v.v… hay cơ tính
như độ bền, độ dẻo, độ cứng, môđun đàn hồi, ... hoặc tính công nghệ như độ chảy loãng, khả
năng gia công cắt gọt, ... và các tính năng làm việc 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 nhiên 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 và 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 người 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 trưng, người ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính là vật liệu kim
loại, vật liệu vô cơ - ceramíc và vật liệu hữu cơ - polyme. Tuy nhiên những năm gần đây đã
xuất hiện một nhóm vật liệu quan trọng thứ tư 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 màu sắc đặc trưng, không
cho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, 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 được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật.
Ðặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại là sự sắp xếp trật tự của các nguyên tử để tạo
thành mạng tinh thể với độ xếp chặt cao và liên kết với nhau nhờ khí điện tử tự do.



15


Trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật và trong một số điều kiện chúng có
thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự thuộc dạng vô định hình. 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 là loại vật liệu mà trong thành phần của chúng không
chứa hoặc chứa rất ít sắt. Thí dụ như đồng, nhôm, kẽm, niken và các loại hợp kim của chúng.
Nhóm này còn có tên gọi 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 cơ - ceramíc
chủ yếu là các hợp chất giữa kim loại như Mg, Al, Si, Ti, ... và các phi kim dưới dạng các
ôxýt, cácbít, hay nitrít, ... với liên kết bền vững kiểu ion hoặc kiểu đồng hóa trị có sắp xếp trật
tự để tạo thành mạng tinh thể hoặc có sắp xếp không trật tự như trạng thái thủy tinh hay vô
định hình.
Tên gọi ceramíc được bắt nguồn từ tiếng Hylạp "keramikos" có nghĩa là "vật nung" nên
khi chế tạo vật liệu loại này thường phải qua nung nóng, thiêu kết.
Các vật liệu vô cơ - ceramíc truyền thống có thể kể đến là: gốm và vật liệu chịu lửa, thủy
tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông.
Ngày nay, nhiều loại vật liệu vô cơ - ceramíc mới tìm thấy có những tính năng rất quí như
nhẹ, chịu nhiệt tốt, rất bền vững hóa học và có tính chống mài mòn tốt được ứng dụng ngày
càng nhiều trong công nghiệp điện, điện tử và 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 thường và trong khí quyển.
Vật liệu hữu cơ – polyme bao gồm các chất hữu cơ chứa các bon có cấu trúc đa phân tử
với hai nguyên tố thành phần chủ yếu là các bon và hydrô có thể chứa thêm ôxy, clo, nitơ, ...
liên kết với nhau trong các mạch phân tử kích thước lớn sắp xếp trật tự được gọi trạng thái
tinh thể hoặc không trật tự – trạng thái vô định hình. Tuy nhiên chúng có thể có cấu trúc hỗn

hợp vừa tinh thể vừa vô định hình.
Ngoài các vật liệu hữu cơ tự nhiên như cao su, xenlulo v.v ra phần lớn vật liệu hữu cơ
được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống là các polyme tổng hợp,
chúng là sản phẩm của quá trình trùng hợp (polyme hóa) các phân tử đơn (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
tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt và bê
16




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 ngành công nghiệp và sản xuất cơ khí nói chung. Một số vật liệu kết hợp
- compozít được ứng dụng trong ngành hàng không rất có hiệu quả như sợi thủy tinh độ bền
cao và sợi các bon.
Kim loại

1

Compozít

4

Hữu cơ polyme

23

33
3

Vô cơ ceramíc

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng.
1. Bán dẫn; 2. Siêu dẫn; 3. Silicon; 4. Polyme dẫn điện.
Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa được nêu trên còn có các nhóm vật 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 khoa học vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển của loài người, có thể
chia ra làm 3 giai đoạn 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 trì 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.
Trong giai đoạn này, các vật liệu được sử dụng đa phần ở dạng nguyên thủy, không qua
chế biến. Các vật dụng được chế tạo chủ yếu bằng các cắt, mài, đập hay nghiền v.v. Tại thời

17


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 phơi 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 là sau hàng nghìn năm để tích lũy các quan sát
ngẫu nhiên và các kinh nghiệm, thực hiện các thí nghiệm một cách rời rạc và 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 vài ví dụ:
Trước Công nguyên khoảng 6.000 năm, người ta đã biết luyện đồng từ quặng để chế tạo ra
những công cụ lao động và vũ khí. Những cục xỉ đồng với tuổi 8.500 năm, mà 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 và sau đó khoảng 4 thế kỷ, người Hy Lạp và La Mã đã biết sử
dụng phương pháp nhiệt luyện tôi thép để làm tăng độ cứng cho thép. Kỹ thuật này đạt được
đỉnh cao vào thời trung cổ với các thanh kiếm nổi tiếng như Damascus (Syrie) cho đến ngày
nay vẫn còn là một bí mật về công nghệ. Các nhà 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 trước Công nguyên
đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt như mũ sắt, lưỡi cưa và các
công cụ rèn v.v.
Một kỳ tích về công nghệ luyện kim của nhân loại cổ xưa đã được tìm thấy như cây cột trụ
bằng sắt nổi tiếng của Ấn độ gần như nguyên chất (nó chứa tới 99,72% sắt) nặng tới 6,5 tấn, cao
hơn 7m được xây dựng từ năm 415 để tưởng niệm vị vua Chanđragupta đệ nhị. Những lò 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 đã xuất hiện, mà nhờ đó con
người đã sử dụng phổ biến để chế tạo ra các máy hơi nước, tầu thủy, xây dựng cầu cống, nhà 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 là 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 đã nêu trên, vật liệu vô cơ cũng đã
có những bước tiến rất sớm. Từ thế kỷ XV trước 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 và 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 loại vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng
rãi trong các công trình xây dựng 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 mà con người đã đánh giá được định tính chiều
hướng phát triển của vật liệu và định hướng các công nghệ chế tạo vật liệu với những tính
chất mong muốn.
Có thể kể ra đây một vài bước tiến nổi bật về công nghệ vật liệu:
18




− Năm 1930 công nghệ chế tạo hợp kim nhôm cứng có tên 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 và tạo lớp chuyển tiếp.

−

Năm 1965 một loạt vật liệu mới ra đời như 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 hình.
Năm 1980 chế tạo thành công kim loại thủy tinh v.v…
Bất kỳ một sáng tạo nào của con người cũng đều phải sử dụng vật liệu, đều phải khai
thác các đặc tính khác nhau của vật liệu
Các sự kiện nổi bật:
¾ Cột thép New Dehli, 6,5 tấn khoảng TK 5 SCN, không gỉ?
¾ Luyện thép ở quy mô CN → TK 19 tạo ra tháp Eiffel cao 320m, nặng 7341 tấn
¾ Bê tông cốt thép, năm 1875 (Hoa kỳ), gốm Việt nam Trung hoa rất lâu đời
¾ Sử dụng vi tính → máy tính → công nghệ cao với nền kinh tế tri thức → ?
¾ Cơ khí (vật liệu kim loại) → máy tính cơ học (vài chục phép tính/phút)
¾ Đèn điện tử → máy tính điện tử MИHCK22 (vài trăm phép tính/phút)
¾ Bán dẫn (vi xử lý) (90 - 130)MHz → 200MHz (P) → (330 - 400)MHz (PII) → (400
-700)MHz (PIII), PIV → 1GHz,.. ?
¾ Máy hút bụi: gỗ (hộp) → kim loại (trụ) → polyme (cầu) công suất gấp 10, kích thước 1/3.
Xu hướng 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 rất nhiều loại vật liệu hiện còn đang trong quá trình nghiên cứu tại các
phòng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi vào thực tế trong tương lai.

Hình 1.1.
Phân bố
vật liệu



19


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 trường → 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 được bằng mắt thường (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 được 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 thước 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 tương tác giữa các nguyên tử trong không

gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể → tia X và phương 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.

20




PHẦN I
CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU

CHƯƠNG 1
CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH
1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử
Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử:
Nguyên tử = hạt nhân + electron = (proton + nơtron) + electron
Nơtron không mang điện, Proton mang điện dương = điện tích của electron → nguyên tử
trung hoà.
Cấu hình electron (electron configuration) chỉ rõ: số lượng tử chính (1, 2, 3...), ký hiệu
phân lớp (s, p, d...), số lượng electron thuộc phân lớp (số mũ trên ký hiệu phân lớp).
Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu hình electron là 1s22s22p6 3s23p63d104s1 qua đó biết được
số electron ngoài cùng (ở đây là 1, hóa trị 1).
Các kim loại chuyển tiếp: Fe có Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2
1.1.2. Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn
Các loại vật liệu khác nhau có thể tồn tại các dạng liên 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) nguyên tử góp chung nhau một số electron hóa trị để có
đủ tám electron ở lớp ngoài 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 tử Cl mỗi nguyên tử
góp chung 1 electron để 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: mêtan (CH4)

• Giecmani (Ge, z=32) có 4e lớp ngoài cùng (4s2, 4p2), 4 nguyên tử góp chung (hình
1.1b). Liên kết giữa các nguyên tử cùng loại (từ IVB VIIB như 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 lớp ngoài cùng và 4 nguyên tử H để mỗi nguyên tử
này góp cho nó 1 electron làm cho lớp 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 nguyên tố: VIB (O, S...),


21


VIIB (H, F, Cl, Br, I). Các ô xit kim loại như Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO... có xu thế
mạnh với tạo liên kết ion.
• 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 phương nối
tâm các nguyên tử), vật liệu có liên kết ion thì tính giòn cao.

Hình 1.2. Sơ đồ biểu diễn liên kết ion trong phân tử

Hình 1.3. Sơ đồ liên kết kim loại

1.1.2.3. Liên kết kim loại (hình 1.3)
Định nghĩa: là liên kết trong đó các cation kim loại nhấn chìm 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 hình, càng dịch sang bên phải tính chất kim loại càng
giảm, tính đồng hóa trị trong liên kết càng tăng.
Tính chất của kim loại: liên kết này tạo cho kim loại các tính chất điển hình: Ánh 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 thường mang tính hỗn hợp của
nhiều loại. Ví dụ : Na và 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% liên 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 thành và phân tử
phân cực. Các cực trái dấu hút nhau tạo ra liên 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 :

Hình 1.4. Sơ đ ồ mạng 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 hình và vi tinh thể
22




1.2.3.1. Chất lỏng
Trong phạm vi hẹp (khoảng 0,25nm) các nguyên tử chất lỏng có xu thế tiếp xúc (xít) nhau
tạo thành các đám nhỏ, do vậy không co lại khi nén như chất khí, các đám nguyên tử này luôn
hình thành và tan rã. Chất 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 đông 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 nguyên tử không đủ độ linh hoạt để sắp
xếp lại khi đông đặc; chất rắn tạo thành 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 và vô định hình. Kim loại, hợp

kim và phần lớn các chất vô cơ, 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 là ion Si4+ như biểu thị ở hình 1.5a] làm nguội bình thường
→ vô định hình (hình 1.5b); làm nguội vô cùng chậm các phân tử SiO2 có đủ thời gian sắp
xếp lại theo trật tự xa sẽ được thủy tinh (có cấu trúc) tinh thể (hình 1.5c).

Hình 1.5. Cấu trúc khối tứ diện [ SiO4]4- (a), thủy tinh thường SiO2 (b) thủy tinh tinh thể SiO2 (c)
1.2.3.3. Chất rắn vi tinh thể
Cũng với vật liệu tinh thể kể trên khi làm nguội từ trạng thái lỏng rất nhanh (trên dưới
104độ/s) sẽ nhận được cấu trúc tinh thể nhưng 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 (thường gặp nhất), vô định hình 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 vào kiểu mạng.
1.3.1. Tính đối xứng
Mạng tinh thể mang tính đối xứng, là một trong những đặc điểm quan trọng, thể hiện cả
ở hình dáng bên ngoài, cấu trúc bên trong cũ ng như các tính chất của vật rắn tinh thể.


23


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 trùng lặp nhau. Điểm hay đường được quay
xung quanh đó được gọi là tâm hay trục đối xứng. Đối xứng qua mặt phẳng được gọi là đối
xứng gương. Gọi n = 2p/a là bậc đối xứng, chỉ có n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hiệu L1, L2, L3, L4, L6.

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 nguyên
tử đại diện cho toàn bộ mạng tinh thể.

• Do tính đối xứng bằng phương pháp xoay và tịnh
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)

Hình 1.6. Ô cơ sở và hệ tọa độ

1.3.2.2. Nút mạng
Nút mạng tương ứng với vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể.
1.3.2.3. Chỉ số phương
Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng, được 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 trên phương đó ở gần gốc tọa độ nhất.
Chú ý: Phương và mặt tinh thể có kích thước vô hạn.

Hình 1.7. Các phương điển hình của hệ
lập phương

Hình 1.8. Các mặt điển hình
của hệ lập phương

Trên hình 1.7 giới thiệu ba phương điển hình trong mạng tinh thể của hệ lập phương:
24

Đường chéo khối [111], đường chéo mặt [110], đường chéo cạnh [100].
Các phương có các giá trị tuyệt đối u, v, w giống nhau, tạo nên họ phương <uvw>.
Ví dụ họ <110> gồm các phương sau đây chúng có cùng quy luật sắp xếp nguyên tử: [110],
[011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [01 1], [101] (các đường chéo).
1.3.2.4. Chỉ số Miller của mặt tinh thể
Mặt tinh thể là tập hợp các mặt có cách sắp xếp nguyên tử giống hệt nhau, song song và
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 bước như sau:
¾ Tìm giao điểm của mặt phẳng trên ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz,
¾ Xác định tọa độ các giao điểm, rồi lấy các giá trị nghịch đảo,
¾ Quy đồng mẫu số, lấy các giá trị của tử số, đó chính là các chỉ số h, k, l
Ví dụ , xác định các chỉ số Miller cho các mặt:
Mặt
1
2
3
4
5

Điểm cắt các
trục
1,1,1/2
1,1,1
1,1, ∞
1, ∞ , ∞
1,1,2

Nghịch
đảo
1,1,2
1,1,1
1,1,0
1,0,0
1,1,1/2

Chỉ số
(112)
(111)
(110)
(100)
(221)

Hình 1.9 Sơ đ ồ ký hiệu mặt
tinh thể theo chỉ số M iller

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 nên 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 (hình 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 được trình bày ở hình 1.10

Mặ t
Chỉ số Miller Chỉ số
ABHG
(100)
BCIH

(010)
AGLF
(110)
ABCDEF
(001)
ACIG

Miller - Bravais
(10 1 0)
(01 1 0)
(1 1 00)
(0001)
(1120)

Cách ký hiệu theo Miller - Bravàis thể hiện được các
mặt bên cùng họ và cùng cách sắp nguyên tử.



Hình 1.10. Hệ tọa độ trong
hệ lục giác và các mặt

25