Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại

CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA
VẬT LIỆU KIM LOẠI
KSC. Phan Anh Tú

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


NỘI DUNG
I. Phân loại vật liệu
II. Khái quát về kim loại
1. Kim loại
2. Liên kết kim loại
3. Tính chất
III. Mạng tinh thể của kim loại
1. Các khái niệm

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

2. Các kiểu mạng tinh thể
thường gặp
a. Lập phương thể tâm
b. Lập phương diện tâm
c. Lục giác xếp chặt
d. Chính phương thể tâm
3. Tính thù hình
IV. Cấu trúc của kim loại
1. Các sai hỏng trong mạng
tinh thể
2. Đơn tinh thể và đa tinh thể

3. Kết tinh và tổ chức kim
loại


Sơ lược về lịch sử sử dụng vật liệu của loài người

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


I. Phân loại vật liệu

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


So sánh tính chất của các loại vật liệu

Kim loại

Polymer

 Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt
 Có ánh kim
 Bền cơ học cao, kém bền
hóa học
 Dẻo, dễ gia công
 Khá nặng (trừ nhôm)
 Có nhiệt độ nóng chảy từ
thấp đến cao

 Độ dư gia công cao

 Dẫn điện, dẫn nhiệt không
tốt
 Dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao
 Bền hóa học
 Nhẹ
 Dễ bị phá hủy ở nhiệt độ
tương đối thấp
 Độ dư gia công thấp hơn

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


So sánh tính chất của các loại vật liệu

Gốm

Composit

 Là hợp chất giữa kim loại và
á kim
 Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ
cao
 Dẫn điện, dẫn nhiệt rất kém
(cách điện, nhiệt)

 Kết hợp của 2 hay nhiều vật
liệu kể trên

 Có hầu hết các ưu điểm của
VL thành phần
 Bền hóa học
 Nhẹ
 Dễ bị phá hủy ở nhiệt độ
tương đối thấp
 Độ dư gia công thấp hơn

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


II. Khái quát về kim loại
1. Kim loại
• Dựa trên tính chất
Có màu sắc đặc trưng
Dẻo, dễ biến dạng: uốn, gập, dát mỏng
Dẫn điện và nhiệt tốt
Có điện trở dương

• Dựa trên cấu tạo ngtử
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


2.2. Liên kết kim loại
• Các nguyên tử ràng buộc với nhau bởi liên kết
kim loại (lực hút tĩnh điện cân bằng về mọi phía
giữa Ion+ và các điện tử tự do bao quanh)

Liên kết đồng hóa trị

Liên kết kim loại

Liên kết ion

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Liên kết yếu-Van Der
Waals


2.3. Tính chất (Tính kim loại)
• Ánh kim hay vẻ sáng
• Dẫn nhiệt và dẫn điện cao
• Tính dẻo cao

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


III. Mạng tinh thể của kim loại
1. Các khái niệm
Sắp xếp nguyên tử trong vật chất

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

III. Mạng tinh thể của kim loại
Chất vô định hình:
• các ng.tử của nó sắp xếp • các ng.tử cấu tạo nên nó
có quy luật (cả trật tự gần sắp xếp không có cấu trúc
và xa) theo mạng tinh thể tinh thể
• không có nhiệt độ nóng
• có nhiệt độ nóng chảy
chảy xác định
xác định

Chất rắn tinh thể:

Tất cả kim loại và hợp kim

Chất rắn vi tinh thể:
• Khi VL tinh thể làm nguội
rất nhanh từ trạng thái
lỏng với tốc độ 10000oC/s
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Thuỷ tinh, chất rắn làm nguội từ
trạng thái lỏng với tốc độ vô cùng
lớn (> 104-105 oC/s)


3.1. Các khái niệm

• Mạng tinh thể
Tinh thể muối ăn

Là một mô hình không gian mô tả sự sắp xếp của
các nguyên tử cấu tạo nên chất rắn tinh thể

Cấu trúc mạng tinh thể lập phương nguyên thủy
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.1. Các khái niệm
• Tính đối xứng
• Khối cơ bản (ô cơ sở)
- Là thành phần nhỏ nhất đặc trưng
cho mạng tinh thể
- Nếu sắp xếp các khối cơ bản liên
tục theo ba chiều không gian sẽ
nhận được toàn bộ mạng tinh thể

• Thông số mạng

- a, b, c
-  ,  ,  [o (Radian)]
- Vector đơn vị a, b, c
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.1. Các khái niệm

• Nút mạng: Vị trí cân bằng mà nguyên tử, ion

dao động xung quanh, tương ứng với tọa độ
trên các trục Ox, Oy, Oz.
• Phương và mặt tinh thể: phương là đường
thẳng đi qua các nút mạng, ký hiệu [u v w]; mặt
tinh thể là mặt phẳng tạo nên bởi ít nhất 3 nút
mạng, ký hiệu bằng chỉ số Miller (h k l).
Hình bên giới thiệu các phương và mặt điển
hình của hệ lập phương.

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.1. Các khái niệm

• Chỉ số Miller-Bravais trong hệ lục giác:
Hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz. Chỉ
số Miller-Bravais ký hiệu bằng [h k i l].
So sánh hai chỉ số M và M-B cho các mặt
trong hệ lục giác

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

Lập phương thể tâm A2 Lập phương diện tâm A1

n2
nv
Mv 
 68%
V
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

n4
nv
Mv 
 74%
V


3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

a. Mạng lập phương thể tâm
• Cr, W, Mo, V…
• Số lượng nguyên tử trong một khối:

1
n  8 1  2
8

(nguyên tử)

• Mật độ khối: tổng V của các ngtử trên một đơn vị thể tích

nv
Mv 
 68%
V
n: số nguyên tử thuộc một khối
v: thể tích nguyên tử
V: thể tích khối cơ sở
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

a. Mạng lập phương thể tâm
* Điểm trống khối 4 mặt

- Nằm ở 1/4 đường thẳng nối điểm giữa hai
cạnh bên đối diện trên cùng một mặt bên
- dtr = 0.221d
đường
* Điểmd:
trống
khối kính
8 mặtnguyên tử kim loại
- Nằm ở tâm các mặt bên và ở giữa các cạnh bên
- dtr = 0.154d (d: đường kính ngtử kim loại)

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

b. Mạng lập phương diện tâm
• Ni, Al, Cu…
• Số lượng nguyên tử trong một khối:

• Mật độ khối:

1
1
n  8 6  4
8
2
nv
Mv 
 74%
V

• Có mật độ xếp chặt lớn nhất

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

b. Mạng lập phương diện tâm
• Điểm trống:
* Khối 4 mặt

- Nằm ở 1/4 đường chéo tính từ đỉnh
- dtr = 0.225d ờng kính nguyên tử kim
loại

* Khối 8 mặt

- Nằm ở trung tâm khối và ở giữa các cạnh bên
- dtr = 0.414d

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

Mạng lục giácxếp chặt A3

n6
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

c. Mạng lục giác xếp chặt

• Zn, Cd, Mg, Ti…
• Ô cơ sở có các nguyên tử nằm ở các đỉnh,
tâm các mặt đáy và tâm của 3 hình lăng trụ
tam giác xen kẽ nhau
• Số lượng nguyên tử trong một khối:
n = 6 (nguyên tử)
• Thông số đặc trưng: a cạnh đáy
c chiều cao lăng trụ
• Khi c/a = 1.633 thì mạng được coi là xếp chặt

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

d. Mạng chính phương thể tâm
• Các kim loại thường không có kiểu mạng này. Nó là mạng
tinh thể của tổ chức mactenxit
• Mạng chính phương thể tâm có hai thông số là: a và c
• Tỷ số c/a gọi là độ chính phương

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)