Chương 1 : Cấu trúc tinh thể

4

Chơng 1

Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
1.1. Cấ u tạ o và liê n kế t nguyê n tử
nguyê n tử = hạ t nhâ n + electron = (proton + nơtron) + electron
nơtron không mang điệ n
proton mang điệ n d ơ ng = điệ n tí ch của electron ng/tử trung hoà
Khá i niệ m cơ bả n về cấ u tạ o nguyê n tư
CÊ u h× nh electron (electron configuration) chØ râ: sè lợng tử chí nh (1, 2, 3...), ký
hiệ u phâ n líp (s, p, d...), sè l− ỵng electron thc phâ n lớp (số mũ trê n ký hiệ u ph© n
lí p). VÝ dơ : Cu cã Z = 29 có cấ u hì nh electron là 1s22s22p6 3s23p63d104s1 qua đó biế t
đ ợc số electron ngoà i cùng (ở đâ y là 1, hóa trị 1).
Cá c kim lo¹ i chu n tiÕ p: Fe cã Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2
1.1.2. Cá c dạng liê n kế t nguyê n tử trong chất rắn
Cá c loạ i vậ t liệ u khá c nhau có thể tồn tạ i cá c dạ ng liê n kế t riê ng. Sự khá c nhau của
cá c dạ ng liê n kế t đó cũng là nguyê n nhâ n tạ o nê n cá c tí nh chấ t khá c nhau.
a. Liê n kế t đồ ng hó a trị
đồng hóa
Là liê n kế t của hai (hoặ c nhiỊ u) nguyª n tư gãp chung nhau mét số electron hóa trị đ ể
có đ ủ tá m electron ë lí p ngoµ i cïng. Cã thĨ lÊ y ba ví dụ nh sau (hì nh 1.1).
ã Clo cã Z=17 (1s22s22p63s23p5), cã 7e ë líp ngoµ i cïng, 2 nguyê n tử Cl mỗi nguyê n tử
gó p chung 1 electron để lớp ngoà i cùng 8e (hì nh 1.1a).
Cl

+ Cl

Cl

a)

Cl

H

Ge

b)

Ge Ge Ge

H

c)

Ge

C

H

H

Hì nh 1.1. Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hóa trị
a. phân tử clo, b. giecmani (Ge), c. mêtan (CH4)

ã Giecmani (Ge, z=32) có 4e lớp ngoà i cùng (4s2, 4p2), 4 nguyê n tử góp chung
(hì nh 1.1b). Liê n kế t giữ a cá c nguyê n tử cùng loạ i (từ IVB VIIB nh Cl, Ge) là loạ i
đ ồ ng cực, cò n giữ a cá c nguyê n tố khá c loạ i nh CH4 là loạ i dị cực.
ã Mê tan (CH4). Cacbon (z=6), có 4e lớp ngoà i cùng và 4 nguyê n tử H để mỗi

nguyê n tư nµ y gã p cho nã 1 electron lµ m cho lớp electron ngoà i cùng đủ 8 (hì nh 1.1c).
b. Liª n kÕ t ion
KL nhã m IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e c¸ c nguyª n tè : VIB (O, S...),
VIIB (H, F, Cl, Br, I). Cá c ô xit kim loạ i nh− Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO... cã xu thÕ
m¹ nh vớ i tạ o liê n kế t ion.
ã Liê n kế t ion cà ng mạ nh khi lớp ngoµ i cïng (cho) chøa Ý t e, nhË n nằ m cà ng gầ n
hạ t nhâ n.
ã Liê n kế t khô ng đị nh h ớng (đị nh hớng thì xá c suấ t liê n kế t lớn nhấ t theo
ph ơ ng nối tâ m cá c nguyê n tử), vậ t liệ u có liê n kế t ion thì tí nh giòn cao.


5
Ion dơng
Me+

Li+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Mâ y
Electron

Me+

Me+

Me+

Me+

F-

Hì nh 1.2. Sơ đồ biểu diễn liên kết
ion trong phân tử LiF
Hì nh 1.3. Sơ đồ liên kết kim loại
(hì
c. Liê n kế t kim loại ( nh 1.3)
o Đ/n: là liê n kế t trong đó cá c cation kim loạ i nhấ n chì m trong đá m mâ y electron tự
do.
o Nă ng l ợ ng liê n kế t là tổ ng hợp (câ n bằ ng) cá c ion kim loạ i có vị trí xá c

đị nh. Cá c nguyê n tè nhã m Ia cã tÝ nh kim lo¹ i điể n hì nh, cà ng dị ch sang bê n
phả i tí nh chấ t kim loạ i cà ng giả m, tí nh đồng hóa trị trong liê n kế t cà ng tă ng.
o Tí nh chấ t của kim loạ i : liê n kế t nà y tạ o cho kim loạ i cá c tí nh chấ t điể n hì nh:
ánh kim hay vẻ sá ng, dẫ n nhiệ t và dẫ n điệ n tốt và tí nh dẻ o, dai cao
d. Liê n kế t hỗn hợp
Thự c ra cá c liê n kế t trong cá c chấ t, vË t liƯ u th«ng dơng th−êng mang tÝ nh hỗn
hợ p của nhiề u loạ i. Ví dụ : Na và Cl có tí nh â m điệ n lầ n l ợt là 0,9 và 3,0. Vì thế
liê n kế t giữ a Na và Cl trong NaCl gồm khoả ng 52% liê n kế t ion và 48% liê n kế t đồng
hó a trị .
der
e. Liê n kÕ t yÕ u (Van der Waals)
Do sù kh¸ c nhau về tí nh â m điệ n tạ o thà nh và phâ n tử phâ n cực. C¸ c cù c tr¸ i
dÊ u hó t nhau tạ o ra liê n kế t Van der Waals. Liê n kế t nà y yế u, rấ t dễ bị phá vỡ khi
tă ng nhiệ t độ.
1.2. Sắp xÕ p nguyª n tư trong vËt chÊt
1.2.1. ChÊ t khÝ
Trong chÊ t khÝ cã sù s¾ p xÕ p nguyê n tử một cá ch hỗn loạ n không có hì nh dạ ng,
kí ch thớc xá c đị nh.
1.2.2. Chấ t rắn tinh thể
Chấ t rắ n tinh thể :
- Trật tự gần, mà còn có cả trật
tự xa.
- Cá c kiể u mạ ng tinh thể xá c
đ ị nh: lậ p ph ơng, lụ c giá c,...
(hì nh 1.4)
Hì nh 1.4. Sơ đ ồ mạ ng tinh thÓ


6

1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể
a. Chất lỏng
Trong phạ m vi hẹ p (khoả ng 0,25nm) cá c nguyê n tử chấ t láng cã xu thÕ tiÕ p xó c
(xÝ t) nhau tạ o thà nh cá c đ á m nhỏ, do vậ y không co lạ i khi né n nh chấ t khí , cá c
đ á m nguyê n tử nà y luô n hì nh thà nh vµ tan r· . ChÊ t láng chØ cã trậ t tự gầ n, khô ng có
trậ t tự xa.
Giữa cá c đ á m có khoả ng trố ng do ®ã mË t ®é xÕ p cđa chÊ t lỏng thấ p, khi đông đặ c
th ờ ng kÌ m theo gi¶ m thĨ tÝ ch (co ngãt).
b. Chấ t rắn vô đị nh hì nh
ở mộ t số chấ t, trạ ng thá i lỏng có độ sệ t cao, cá c nguyê n tử không đủ đ ộ linh
hoạ t đ ể sắ p xế p lạ i khi đ ô ng đ ặ c; chấ t rắ n tạ o thà nh có cấ u trúc giống nh chấ t lỏ ng
trớc đó gọi là chấ t rắ n vô đị nh hì nh. Thủy tinh (mà cấ u tạ o cơ bả n là SiO2) là chấ t
rắ n vô đị nh hì nh
Nh vậ y về mặ t cấ u trú c, cá c chấ t rắ n gồm 2 loạ i: tinh thể và vô đị nh hì nh.
Kim loạ i, hợ p kim và phầ n lớn cá c chấ t vô cơ, rấ t nhiề u polyme - tinh thể
Tuỳ theo b¶ n chÊ t cđa vË t liƯ u và tốc độ là m nguội khi đông đặ c tinh thể hoặ c vô
đ ị nh hì nh.
Thủ y tinh nó ng chả y, cá c phâ n tử SiO2 [trong đó ion O2- ở cá c đỉ nh khối tứ diệ n (bốn
mặ t) tam giá c đề u, tâ m của khối là ion Si4+ nh biể u thị ở hì nh 1.5a] là m nguộ i bì nh
th ờ ng vô đ ị nh hì nh (hì nh 1.5b); là m nguội vô cùng chậ m cá c phâ n tử SiO2 có
đủ thời gian sắ p xế p lạ i theo trậ t tự xa sẽ đợc thủy tinh (có cấ u trúc) tinh thĨ (h× nh
1.5c).

a)

- Oxy
- Si

(b)

c)

H× nh 1.5. CÊu tróc khèi tø diƯn [ SiO4]4- (a), thđy tinh th−êng SiO2 (b)
thđy tinh tinh thĨ SiO2 (c)
c. ChÊ t r¾n vi tinh thĨ
Cịng víi vË t liƯ u tinh thĨ kĨ trê n khi là m nguội từ trạ ng thá i lỏng rấ t nhanh (trê n
d ớ i 104đ ộ /s) sẽ nhậ n đ ợc cấ u trúc tinh thĨ nh−ng víi kÝ ch th−íc h¹ t rÊ t nhỏ (cỡ
nm), đó là vậ t liệ u có tê n gọ i là vi tinh thể (còn gọi là finemet hay nanomet).
Tó m lạ i cá c vậ t liƯ u cã ba kiĨ u cÊ u tróc: tinh thể (thờng gặ p nhấ t), vô đị nh
hì nh và vi tinh thể (í t gặ p).
1.3. Khái niệ m về mạng tinh thể
Đ/n: mạ ng tinh thể là mô hì nh không gian biể u diễ n quy luậ t hì nh học của sự sắ p xế p
nguyê n tử .
Phầ n lớn vậ t liệ u cã cÊ u tró c tinh thĨ , tÝ nh chấ t rấ t đa dạ ng phụ thuộc và o kiể u
mạ ng.
1.3.1. Tí nh đố i xứng
ã Mạ ng tinh thể mang tí nh đ ối xứng, là một trong những đặ c điể m quan trọng, thể
hiệ n cả ở hì nh dá ng bê n ngoà i, cấ u trúc bê n trong cũng nh cá c tí nh chấ t của vậ t
rắ n tinh thÓ .


7

ã Tí nh đ ố i xứng là tí nh chấ t hì nh học khi quay một điể m hay một phầ n tử xung
quanh 1 đ iể m hay mét ®−êng víi mét gãc α chóng sÏ trïng lặ p nhau. Điể m hay
đ ờng đ ợc quay xung quanh đó đ ợc gọi là tâ m hay trục đối xứng. Đối xứ ng qua
mặ t phẳ ng đợc gọi là đối xứng gơng. Gọi n = 2/ là bậ c đối xứng, chỉ có n =
1, 2, 3, 4, 6; ký hiÖ u L1, L2, L3, L4, L6.
L

n=2 (L2)

n=3 (L3)

n=4 (L4)

n=6 (L6)

1.3.2. Ô cơ sở - ký hiệ u phơng, mặt tinh thể
a. Ô cơ sở
ã Đ/n: là hì nh khố i nhỏ nhấ t có cá ch sắ p xế p nguyê n tử đạ i diệ n
cho toà n bộ mạ ng tinh thể .
ã Do tí nh đối xứng bằ ng phơng phá p xoay và tị nh tiế n ta sẽ suy
ra toà n bộ mạ ng tinh thể
a
ã Thô ng số mạ ng (hằ ng số mạ ng) là kí ch thớc của ô cơ sở,
th ờ ng là kí ch th ớc cá c cạ nh của ô cơ sở từ đó có thể
Hì nh 1.6. Ô cơ sở và
hệ tọa độ
xá c đị nh toà n bộ kí ch th ớc của ô cơ sở (hì nh 1.6)
b. Nút mạng
Nú t mạ ng tơng ứng với vị trí cá c nguyê n tử trong mạ ng tinh thể .
c. Chỉ số phơng
Ph ơng là đ ờng thẳ ng đi qua cá c nút mạ ng, đợc ký hiệ u b» ng [u v w]; Ba chØ
sè u, v, w là ba số nguyê n tỷ lệ thuậ n với tọa độ của nút mạ ng nằ m trê n phơng
đ ó ở gầ n gốc tọa độ nhấ t (hì nh 1.7).
z
[001]

4

5

3

[111]

y [010]

[100]

x

a

[110]

2
1

Hì nh 1.7. Các phơng điển hì nh
Hì nh 1.8. Các mặt điển hì nh của hệ
của
lập phơng hệ lập phơng
Chú ý: Ph ơng và mặ t tinh thể có kí ch thớc vô hạ n
Trê n hì nh 1.7 giớ i thiệ u ba phơng điể n hì nh trong mạ ng tinh thể của hệ lậ p
ph ơ ng:
- đ ờ ng ché o khối [111], đ ờng ché o mặ t [110], cạ nh [100].
Cá c ph ơng có cá c giá trị tuyệ t đối u, v, w giống nhau, tạ o nê n họ phơng
<uvw>. Ví dụ họ <110> gồ m cá c ph ơng sau đâ y chúng có cùng quy luậ t sắ p xế p

nguyê n tử:


8

[110], [011], [101], [1 1 0], [01 1 ], [ 1 01], [ 1 10], [0 1 1], [10 1], [ 110], [0 11 ], [ 1 0 1 ] (cá c
đ ờng ché o)
d. Chỉ số Miller của mặt tinh thể
Mặ t tinh thể là tậ p hợ p cá c mặ t có cá ch sắ p xÕ p nguyª n tư gièng hƯ t nhau, song
song và cá ch đ ề u nhau, chú ng có cïng mét ký hiÖ u. Ng−êi ta ký hiÖ u mặ t bằ ng chỉ
số Miller (h k l). Cá c chỉ số h, k, l đợc xá c đị nh theo cá c bớc nh sau:
. tì m giao điể m của mặ t phẳ ng trê n ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz,
. xá c đ ị nh tọ a đ ộ cá c giao đ iể m, rồi lấ y cá c giá trị nghị ch đả o,
. quy đồ ng mẫ u số, lấ y cá c giá trị của tử số, đó chí nh là cá c chỉ số h, k, l
. Ví dụ , xá c đ ị nh cá c chỉ số Miller cho cá c mặ t
mặ t
1
2
3
4
5

điể m cắ t c¸ c trơc
1, 1, 1/2
1, 1, 1
1, 1, ∞
1, ,
1, 1, 2

nghị ch đả o

1, 1, 2
1, 1, 1
1, 1, 0
1, 0, 0
1, 1, 1/2

chØ sè
(112)
(111)
(110)
(100)
(221)

3

4

2

5

1

H× nh 1.8 Sơ đồ ký hiệ u mặ t tinh thể theo chỉ số Miller
Cá c mặ t có cá c chỉ số giá trị tuyệ t đối h, k, l giống nhau tạ o nê n họ mặ t {h k l}.
Ví dụ , cá c mặ t hộ p tạ o nª n hä {100} gåm (100), (010), (001), (100), (010), (001).
e. ChØ sè Miller - Bravais trong hƯ lơc gi¸c
ChØ sè Miller - Bravais ví i hƯ cã bèn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (hì nh 1.9). Chỉ số
Miller - Bravais đ ợc ký hiệ u b» ng (h k i l), trong ®ã chØ sè thø ba i (cđa trơc Ou) cã
quan hƯ : i = - (h + k)

H· y thư so s¸ nh hai chỉ số nà y cho cá c mặ t trong hệ lục giá c đợc trì nh bà y ở hì nh
z
1.9:
J
K
mặ t
chỉ số Miller
chỉ số Miller - Bravais
ABHG
(100)
(10 10)
L
I
BCIH
(010)
(01 10)
AGLF
(110)
(1 1 00)
G
H
ABCDEF
(001)
(0001)
u
E D
ACIG
(1120)
C
F

x

y
A

B

Hì nh 1.9. Hệ tọa độ trong hệ lục giá c
và các mặt

Cá ch ký hiệ u theo Miller - Bravais thể hiệ n đợc cá c mặ t bê n cùng họ và cùng
cá ch sắ p nguyê n tử.
1.3.3. Mật độ nguyê n tử
a. Mậ t độ xế p
Là mứ c đ ộ dà y đặ c củ a nguyê n tử trong mạ ng tinh thĨ . MË t ®é xÕ p theo phơng
(chiề u dà i) Ml, theo mặ t Ms hay trong toà n bộ thể tí ch mạ ng Mv đợc xá c đị nh theo
cá c cô ng thức:
Ml = l / L,
Ms = s / S,
Mv = v / V


9

trong đ ó :
ã l, s, v lầ n l ỵt lµ chiỊ u dµ i, diƯ n tÝ ch, thể tí ch bị nguyê n tử (ion) chiế m chỗ ,
ã L, S, V lầ n l ợt là tỉng chiỊ u dµ i, diƯ n tÝ ch, thĨ tÝ ch xem xÐ t.
p):
b. Sè phèi trÝ (sè s¾p xế p) là số l ợng nguyê n tử cá ch đề u gầ n nhấ t một nguyê n tử

đà cho. Số sắ p xế p cà ng lớn chứng tỏ mạ ng tinh thể cà ng dà y đặ c.
c. Lỗ hổng
Là không gian trố ng giữ a cá c nguyê n tử (coi nguyê n tử là hì nh cầ u đặ c). Kí ch
th ớc lỗ hổng đ ợc đá nh giá bằ ng đ ờng kí nh hay bá n kí nh quả cầ u lớn nhấ t có
thể đặ t lọt và o.
1.4. Cấ u trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắn
1.4.1.
1.4.1 Chấ t rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất)
Đặ c tí nh cấ u trúc của kim loạ i là : nguyê n tư (ion) lu«n cã xu h− íng xÕ p xÝ t
chặ t vớ i kiể u mạ ng đ ơ n giả n (nh lậ p phơng tâ m mặ t, lậ p phơng tâ m khối, lụ c
giá c xế p chặ t).
a. Lập phơng tâm khối A2
Ô cơ sở là hì nh lậ p ph ơ ng, cạ nh bằ ng a, cá c nguyê n tử (ion) nằ m ở cá c đỉ nh và tâ m
khố i (hì nh 1.10a, b và c). Số l ợng nguyê n tử cho mỗi ô: nv = 8 đỉ nh. 1/8 + 1 giữ a = 2
nguyê n tử
lỗ hổ ng 8
lỗ hổ ng 4 mặ t

a
a
(a)

(b)

(c)

a

{110}

{100}

Hì nh 1.10. Ô cơ sở mạng lập phơng
tâm khối (a, b), các lỗ hổng (c) và cách
xếp các mặt tinh thể {100} và {110} (d)
d)
Th ờng dù ng cá ch vẽ tợng trng (hì nh c). Nguyê n tử nằ m xí t nhau theo ph ơ ng
<111>, do đó:
- đ ờ ng kÝ nh nguyª n tư dng.t = a

3
, sè sắ p xế p là 8.
2

Cá c mặ t tinh thể xế p dà y đặ c nhấ t là hä {110}. MË t ®é xÕ p thĨ tÝ ch Mv = 68%. Có
hai loạ i lỗ hổ ng: hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh trì nh bà y ở hì nh d. Loạ i 8 mỈ t cã
kÝ ch th− íc b» ng 0,154 dng.t nằ m ở tâ m cá c mặ t bê n {100} và giữa cá c cạ nh a. Loạ i 4
mặ t có kí ch thớc lớn hơn một chút, bằ ng 0,291 dng.t nằ m ở

1
trê n cạ nh nối điể m
4

giữ a cá c cạ nh đối diệ n của cá c mặ t bê n. Nh− vË y trong m¹ ng A2 cã nhiỊ u lỗ hổng


10

nh− ng kÝ ch th− íc ®Ị u nhá, lín nhấ t cũng không quá 30% kí ch thớc (đờng kí nh)
nguyê n tử .

Cá c kim loạ i có kiể u mạ ng A1 thờng gặ p là : Fe, Cr, Mo, W.
Mạ ng chí nh phơ ng tâ m khố i chỉ khá c mạ ng A2 ở a = b c
b. Lập phơng tâm mặt A1
o Khá c với kiể u mạ ng A2 là thay cho nguyê n tử nằ m ở trung tâ m khối là nguyê n tử
nằ m ở trung tâ m cá c mặ t bê n, nh biể u thị ở cá c hì nh 1.11a, b và c.
1

4

3

a

a)
{100}

b)

2

c)
{111}

Hì nh 1.11. Ô cơ sở mạng lập phơng tâm
mặt (a, b), các lỗ hổng (c) và cách xếp
các mặt tinh thể {100} và {111} (d)
B
A

A

B

C

d)
o Số nguyê n tử trong 1 ô là : nv = 8 đỉ nh. 1/8 + 6 mặ t. 1/2 = 4 nguyê n tử.
o Trong mạ ng A1, cá c nguyê n tử xế p xí t nhau theo phơng đờng ché o mặ t <110>,
do ® ã :
®− êng kÝ nh dng.t = a

2
, số sắ p xế p là 12.
2

o Cá c mặ t tinh thể dà y đặ c nhấ t là hä {111}. MË t ®é xÕ p thĨ tÝ ch Mv =74%,
mạ ng A1 nà y là kiể u xế p dà y đặ c hơn A2 và là một trong hai kiể u xế p dà y đặ c
nhấ t.
Có 2 loạ i lỗ hổng hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh trì nh bà y ở cá c hì nh 1.11c.
Loạ i bố n mỈ t cã kÝ ch th− íc 0,225 dng.t (đỉ nh1 và tâ m ba mặ t 2,3,4). Đá ng chú ý là
loạ i lỗ hổng hì nh tá m mặ t, nó có kí ch thớc lớn hơn cả , bằ ng 0,414dng.t, nằ m ở trung
tâ m khối và giữa cá c cạ nh a. So với mạ ng A2, mạ ng A1 tuy dà y đặ c hơn song số
l ợ ng lỗ hổng lạ i í t hơn mà kí ch thớc lỗ hổng lạ i lớn hơn hẳ n (0,225 và 0,41 so với
0,154 và 0,291). Chí nh điề u nà y (kí ch thớc lỗ hổng) mới là yế u tố quyế t đị nh cho
sự hò a tan d ớ i dạ ng xen kẽ .
Khá nhiề u kim loạ i đ iể n hì nh có kiể u mạ ng nà y: s¾ t (Feγ), Ni, Cu, Al víi h» ng
sè a mạ ng lầ n l ợt bằ ng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoà i ra còn có Pb, Ag,
Au.

11

giác
chặt
c. Lục giá c xế p chặ t A3
Cá c nguyê n tử nằ m trê n 12 đỉ nh, tâ m của 2 mặ t đá y và tâ m của ba khối lă ng
trụ tam giá c cá ch đề u nhau (hì nh 1.12a, b và c).

B
A

a)

b)
c)
Hì nh 1.12. Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt (a,b,c) và
cách xếp các mặt tinh thể {0001} (d)

d)

Số l ợng nguyê n tử trong 1 ô: nv = 12 đỉ nh/6 + 2 giữa mặ t/2 + 3 tâ m = 6 nguyª n
tư
Nguyª n tư xÕ p xÝ t nhau theo cá c mặ t đá y (0001). 3 nguyê n tử ở giữa song song vớ i
mặ t đá y sắ p xế p nguyê n tử giống nh 2 mặ t đá y, nhng nằ m ở cá c hõm cá ch đề u
nhau (hì nh 1.12d). Mạ ng lụ c giá c xế p chặ t thì c/a = 8 3 hay 1,633. Tuy nhiê n trong
thự c tế c/a có xê dị ch nê n quy ớc:
c/a = 1,57 ữ 1,64 thì mạ ng đợc coi là xế p chặ t, 1,57 < c/a < 1,64 không xế p chặ t.
Cá c kim loạ i có kiể u mạ ng nà y í t thông dụng hơn là :
Ti vớ i a = 0,2951nm, c = 0,4679nm, c/a = 1,5855 (xÕ p chỈ t),
Mg víi a = 0,3209nm, c = 0,5210nm, c/a = 1,6235 (xÕ p chỈ t),

Zn ví i a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, c/a = 1,8590 (không xế p chặ t).
1.4.2. Chất rắn có liê n kế t đồng hóa trị
a. Kim cơng A4
Kim c ơng là một dạ ng tồn tạ i (thù hì nh) của cacbon với cấ u hì nh electron là
2
2s2 2p2, vậ y số e lớp tham gia liê n kế t là N = 4, số sắ p xế p sẽ là 4 tức là mỗi một
1s
nguyê n tử cacbon có 4 nguyê n tử bao quanh gầ n nhấ t.

Hì nh 1.14. ô cơ sở của mạng tinh thể kim cơng (a),
vị trí các nguyên tử (b) và liên kết (c)
Ô cơ sở mạ ng kim cơng (hì nh 1.14a), đợc tạ o thà nh trê n cơ sở của ô cơ sở A1 cã
thª m bèn nguyª n tư bª n trong víi cá c tọa độ (xem hì nh 1.14b):
1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2); 1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4).
n» m ë t© m cđa bèn khèi 1/8 cá ch đề u nhau.
Cá c nguyê n tử cacbon đề u có liê n kế t đồng hóa trị với nă ng l ợng lớn nê n kim
cơng có ®é cø ng rÊ t cao (cao nhÊ t trong thang ®é cøng).


12

b. Mạ ng grafit
Có mạ ng lục giá c lớp (hì nh 1.15a), trong một lớp khoả ng cá ch giữa cá c nguyê n tử a =
0,246nm, liê n kế t đ ồ ng hoá trị . Khoả ng cá ch giữa cá c lớp c = 0,671nm, tơng øng víi
liª n kÕ t u Van der Waals, grafit rấ t dễ bị tá ch lớp , rấ t mề m, nó đợc coi nh là
một trong những chấ t rắ n có độ cứng thấ p nhấ t.
c. Cấ u trúc của sợi cacbon và fullerene
Phâ n tư cacbon C60 gäi lµ fullerene do hai nhµ khoa học H. Kroto (Anh) và R. Smalley
(Mỹ ) tạ o ra 1985 (Nobel nă m 1995) (hì nh 1.15c): 60 nguyê n tử C nằ m trê n mặ t cầ u
gồ m 12 ngũ giá c và 20 lục giá c đề u, nằ m xen kẽ nhau tạ o đối xứng tròn, ứng với độ

bề n và độ cøng rÊ t cao cđa nã ch¾ c ch¾ n hứa hẹ n sẽ có những ứng dụng kỳ lạ trong
kỹ thuậ t.
Sợi cacbon đợc trì nh bà y ở hì nh 1.15b

Hì nh 1.15. Cấu trúc mạng của grafit (a), sợi cacbon (b) và fullerene (c).
d. Cấ u trúc của SiO2
Hì nh 1.5a, là mô hì nh sắ p xế p không của cá c khối tứ diệ n tam giá c đề u
SiO44- củ a SiO2.
Thạ ch anh với cấ u trúc lục giá c (hì nh 1.16a), cristobalit β víi cÊ u tróc lË p
ph− ¬ ng (hì nh 1.16b). Trong điề u kiệ n nguội nhanh sẽ nhậ n đ ợc thủy tinh (vô đị nh
hì nh) nh ở hì nh 1.5b.

Hì nh 1.15. Sắp xếp khèi tø diƯn (SiO4)4- trong th¹ch anh (a), cristobalit β (b).
1.4.3. Chất rắn có liê n kế t ion
Cấ u tró c tinh thĨ cđ a hỵ p chÊ t hãa häc cã liª n kÕ t ion phơ thc vµ o hai yÕ u tè:


13

ã Tỷ số củ a ion â m và ion dơng đả m bả o trung hòa về điệ n.
ã Tơ ng quan kí ch thớc giữa ion â m và ion d ơng: trong tinh thể ion, cá c ion
luô n có xu hớng sắ p xế p để độ xế p chặ t và tí nh đối xứng cao nhấ t.
Mạ ng tinh thể củ a hợ p chÊ t víi liª n kÕ t ion vÉ n có cá c kiể u mạ ng đơn giả n (A1,
A2) nhng sự phâ n bố cá c ion trong đó khá phức tạ p nê n vẫ n đ ợc coi là có mạ ng
phứ c tạ p.
Có thể hì nh dung mạ ng tinh thể cá c hợp chÊ t hãa häc víi liª n kÕ t ion đợc tạ o
thà nh trê n cơ sở của ô cơ sở của ion â m, cá c ion d ơng còn lạ i chiế m một phầ n hay
toà n bộ cá c lỗ hổng.
Tỉ mỉ về cấ u trú c củ a chấ t rắ n có liê n kế t ion đợc trì nh bà y ở chơng 7.
1.4.4. Cấu trúc của polyme

Khá c với kim loạ i và cá c chấ t vô cơ, ô cơ sở chỉ tạ o nê n bởi số lợng hạ n chế
(từ và i đế n và i chục) nguyê n tử (ion), mỗi phâ n tử polyme có thể gồm hà ng triệ u
nguyê n tử. Ví dụ PE (C2H4)n:
H H
H
H
H
H
H H






 
C = C → C C → C CCC







H
H
H
H
H
H

H H
mạ ch kí n
bẻ liê n kế t ké p
tạ o mạ ch thẳ ng
Cá c phâ n tử (mạ ch) polyme đợc liê n kế t Van der Waals víi nhau (liª n kÕ t yế u).
Một số vù ng cá c mạ ch sắ p xế p có trậ t tự tạ o nê n cấ u trúc tinh thể , phầ n còn lạ i là vô
đ ị nh hì nh.
1.4.5. Dạng thù hì nh
Thù hì nh hay đ a hì nh là sù tån t¹ i hai hay nhiỊ u cÊ u trúc mạ ng tinh thể khá c
nhau củ a cù ng mộ t nguyê n tố hay một hợp chấ t hóa học, mỗi cấ u trúc khá c biệ t đó
đợc gọ i là dạ ng thù hì nh: ký hiệ u , , , , .... Quá trì nh thay đổi từ dạ ng thù
hì nh nà y sang dạ ng thù hì nh khá c đ ợc gọi là chuyể n biế n thù hì nh. Cá c u tè
dÉ n ® Õ n chu n biế n thù hì nh thờng gặ p hơn cả là nhiệ t độ, sau đó là á p suấ t.
Cacbon ngoà i dạ ng vô đ ị nh hì nh còn tồn tạ i: cá c dạ ng thù hì nh (cá c hì nh 1.13,
1.14): kim cơ ng (A4), grafit (A9). sỵi cacbon (cÊ u tróc líp cn), fullerene (cấ u trú c
mặ t cầ u C60) trong đó . grafit là dạ ng thờng gặ p và ổn đị nh nhấ t.
Sắ t (Fe) có hai kiể u mạ ng là : Fe-A2, T < 911oC, Fe-A1, T= 911 ÷ 1392oC, Feδ T>
1392oC -1539oC; → tÝ nh chÊ t ≠.
Chu n biÕ n thï h× nh bao giê cịng ®i kÌ m víi sù thay ®ỉi vỊ thể tí ch (nở hay
co) và cơ tí nh. Ví dơ: khi nung nãng s¾ t qua 911oC s¾ t lạ i co lạ i đột ngột (do tă ng
mậ t đ ộ xế p từ 68 lê n 74% khi chu n tõ Feα → Feγ) vµ hoµ n toà n ngợc lạ i khi là m
nguộ i (điề u nà y hơ i trá i vớ i quan niệ m thờng gặ p là nung nóng thì nở ra, còn là m
nguộ i thì co lạ i) rè n khuô n?.
1.5. Sai lệ ch mạng tinh thể
Trong thực tế không phả i 100% nguyê n tử đề u nằ m đúng vị trí quy đị nh, gâ y
nê n nhữ ng sai lệ ch đợ c gọ i là sai lệ ch mạ ng tinh thể hay khuyế t tậ t mạ ng. Tuy số
nguyê n tử nằ m lệ ch vị trí quy đị nh chiế m tû lƯ rÊ t thÊ p (chØ 1 ÷ 2%) song ả nh
h ở ng lớn đ ế n cơ tí nh: khả nă ng biế n dạ ng dẻ o, biế n cứng...).
Phụ thuộc và o kí ch th−í c theo ba chiỊ u trong kh«ng gian, sai lệ ch mạ ng chia
thà nh: đ iể m, đờng và mặ t.

14

1.5.1. Sai lệ ch điể m
Đó là loạ i sai lƯ ch cã kÝ ch th−íc rÊ t nhá (cì kí ch thớc nguyê n tử) theo ba
chiề u không gian, có dạ ng bao quanh một điể m. Hì nh 1.17 trì nh bà y tổng quá t cá c
dạ ng sai lệ ch đ iể m nà y.
trố ng
a. Nút trống và nguyê n tử tự xen kẽ (Hì nh 1.17a)
Do dao đ ộ ng nhiệ t quanh vị trí câ n bằ ng, ở mức phâ n bố nă ng lợng không
đ ề u, một số nguyê n tử bứt khỏi nút mạ ng để lạ i nút trống và tạ o nguyê n tử xen kẽ
giữ a.

Hì nh 1.17. Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử
tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b).


Q

Mậ t độ của nút trống tă ng nhanh theo nhiƯ t ®é (n= e KT ), khi sắ p chả y lỏ ng nmax .
Nú t trố ng có ả nh h ởng lớn đế n cơ chế và tốc độ khuế ch tá n của kim loạ i và hợ p
kim ở trạ ng thá i rắ n.
b. Nguyê n tử tạp chất
Trong thực tế vậ t liệ u hoặ c kim loạ i thờng có tạ p chấ t: xen kẽ (hì nh 1.17b).
Do sự sai khá c về đờ ng kí nh nguyê n tử giữa cá c nguyê n tố nề n và t¹ p chÊ t →
sai lƯ ch
1.5.2. Sai lƯ ch ®−ê ng - LƯ ch
Sai lƯ ch ®− êng lµ lo¹ i cã kÝ ch th−íc nhá (cì kÝ ch thớc nguyê n tử) theo hai
chiề u và lớn theo chiỊ u thø ba, tøc cã d¹ ng cđa mét đờng (có thể là thẳ ng, cong,

xoá y trô n ốc). Sai lệ ch đ ờng có thể là một dà y cá c sai lệ ch điể m kể trê n. Chúng
gồ m: hai dạ ng là biê n và xoắ n.
a. Lệ ch biê n (edge dislocation hay dislocation line) (h× nh 1.18a)
Cã thĨ h× nh dung lƯ ch biê n đợc tạ o thà nh nhờ chè n thê m bá n mặ t ABCD và o
nử a phầ n trê n củ a mạ ng tinh thể lý tởng (hì nh 1.18a), khi đó, cá c mặ t nguyê n tử
khá c ở hai phí a trở nê n không còn song song với nhau nữa. C
2
2

3

B
A

1

4



D

1
5



vé c tơ

(a)

(b)
(c)
Hì nh 1.18. Lệch biên: tinh thể không lệch (a), mô hì nh tạo thành (b),
sự sắp xếp nguyªn tư trong vïng lƯch (c)

3
4


15

Nh thấ y rõ ở hì nh 1.18b: đ ờng AD đ ợc gọi là trục lệ ch, nó chí nh là biê n của bá n
mặ t nê n có tê n là lệ ch biê n. Với sự ph© n bè nh− vË y nưa tinh thĨ cã chứa bá n mặ t sẽ
chị u ứ ng suấ t né n, nử a cò n lạ i chị u ứng suấ t ké o.
Vé c tơ Burgers: là vé c tơ đóng kí n vòng tròn Burgers vẽ trê n mf vuông góc vớ i trục
r
lệ ch khi chu n tõ tinh thĨ kh« ng lƯ ch sang tinh thĨ cã lƯ ch. LƯ ch th¼ ng b ADL
vé c tơ
xoắ n
c. Lệ ch xoắn (screw dislocation) (hì nh 1.19a)
A
A

A

D

D

D

C

B

B

B

C

C

a)
b)
c)
Hì nh 1.19. Lệch xoắn: tinh thể không lệch (a), mô hì nh tạo thành (a),
đặc điểm sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c).
Cá c nguyê n tử trong vù ng hẹ p giữa hai đ ờng AD và BC sắ p xế p lạ i có dạ ng đờng
xoắ n ốc giống nh mặ t ví t nê n lệ ch có tê n là lệ ch xoắ n nh thấ y rõ ở hì nh 1.19c.
VÐ c t¬ Burgers song song víi trơc lƯ c AD=L
c. Đặ c trng về hì nh thái của lệ ch
Mậ t đ ộ lệ ch (ký hiệ u là ρ) lµ tỉng chiỊ u dµ i trơc lƯ ch trong một đơn vị thể tí ch
củ a tinh thể , có thứ nguyê n là cm/cm3 hay cm-2. Mậ t độ lệ ch phụ thuộc rấ t mạ nh và o
đ ộ sạ ch và trạ ng thá i gia cô ng. Ví dụ, đối với kim loạ i có giá trị nhỏ nhấ t (~ 108
cm-2) ứng vớ i đ ộ sạ ch cao và trạ ng thá i ủ; hợp kim và kim loạ i sau biế n dạ ng nguội,
tô i... tớ i 1010 ÷ 1012 cm-2) (cã thĨ coi mË t ®é lƯ ch là trục lệ ch chạ y qua/1 cm2).
ý nghĩ a: lƯ ch biª n gióp cho dƠ biÕ n dạ ng (trợt), khi mậ t độ quá lớn lạ i gâ y
cả n tr ợ t (tă ng bề n). Ngoà i ra, lệ ch xoắ n giúp cho mầ m phá t triể n nhanh khi kế t tinh.
1.5.3. Sai lệ ch mặt
Sai lệ ch mặ t là lo¹ i sai lƯ ch cã kÝ ch th−íc lín theo hai chiề u đo và nhỏ theo chiề u thứ

ba, tứ c có dạ ng củ a một mặ t (có thể là phẳ ng, cong hay uốn lợn).
Cá c dạ ng đ iể n hì nh của sai lệ ch mặ t là :
- biê n giớ i hạ t và siê u hạ t (sẽ trì nh bà y ở mục sau) và bề mặ t tinh thể .
1.6. Đơ n tinh thể và đa tinh thể
1.6.1. Đơ n tinh thể
Đơ n tinh thể (hì nh 1.20a): là một khối chấ t rắ n có mạ ng đồng nhấ t (cùng kiể u
và hằ ng số mạ ng), có phơ ng mạ ng không đổi trong toà n bé thĨ tÝ ch. Trong thiª n
nhiª n: mét số khoá ng vậ t có thể tồn tạ i dới dạ ng đơn tinh thể . Chúng có bề mặ t
ngoà i nhẵ n, hì nh dá ng xá c đị nh, đó là những mặ t phẳ ng nguyê n tử giới hạ n (thờng
là cá c mặ t xế p chặ t nhấ t). Cá c đơn tinh thể kim loạ i không tồn tạ i trong tự nhiê n,
muố n có phả i dùng công nghệ "nuôi" đơn tinh thể .
Đặ c đ iể m: có tí nh chấ t rấ t đặ c thù là dị hớng vì theo cá c phơng mậ t độ xế p
chặ t nguyê n tử khá c nhau. Đơn tinh thể chỉ đ ợc dùng trong bá n dẫ n.
1.6.2. Đa tinh thể
a. Hạt
Trong thự c tế hầ u nh chỉ gặ p cá c vậ t liệ u ®a tinh thĨ . §a tinh thĨ gåm rÊ t nhiề u
(đơ n) tinh thể nhỏ (cỡ àm) đợc gọi là hạ t tinh thể , cá c hạ t cã cïng cÊ u tró c vµ


16

thông số mạ ng song ph ơng lạ i đị nh h−íng kh¸ c nhau (mang tÝ nh ngÉ u nhiê n) và
liê n kế t vớ i nhau qua vù ng ranh giới đợc gọi là biê n hạ t (hay biê n giới hạ t) nh
trì nh bà y ở hì nh 1.20b.
Từ mô hì nh đó thấ y rõ:
- Mỗi hạ t là một khối tinh thể hoà n toà n đồng nhấ t, thể hiệ n tí nh dị hớng.
- Cá c hạ t đ ị nh h− í ng ngÉ u nhiª n víi sè lợng rấ t lớn nê n thể hiệ n tí nh đẳ ng hớng
- Biê n hạ t chị u ả nh hởng của cá c hạ t xung quanh nê n có cấ u trúc trung gian và vì
vậ y sắ p xế p khô ng trậ t tự (xô lệ ch) nh là vô đị nh hì nh , kÐ m xÝ t chỈ t víi tÝ nh chấ t
khá c với bả n thâ n hạ t.

- Có thể quan sá t cấ u trúc hạ t đa tinh thể hay cá c hạ t nhờ kí nh hiĨ n vi quang häc
(h× nh 1.20c).
H× nh 1.20. Mô hì nh đơn
tinh thể (a),
đa tinh thể (b),
tổ chức tế vi kim loại đa
tinh thể (c),
cấu trúc của siêu hạt
(d).

b. Độ hạ t
Độ hạ t có thể quan sá t đ ị nh tí nh qua mặ t gà y, để chí nh xá c phả i xá c đị nh trê n tổ
chứ c tế vi.
Cấ p hạ t theo tiê u chuẩ n ASTM: phâ n thà nh 16 cấ p chí nh đá nh số từ 00, 0, 1,
2...., 14 theo trË t tù h¹ t nhỏ dầ n, trong đó từ 1 đế n 8 là thông dụng.
Cấ p hạ t N=3,322lgZ+1, với Z là số hạ t có trong 1inch2 (2,542 6,45cm2) dới độ
phó ng đ ạ i 100 lầ n.
Ng ời ta th ờ ng xá c đ ị nh cấ p hạ t bằ ng cá ch so sá nh với bả ng chuẩ n ở độ
phó ng đ ạ i (th ờng là x100) hoặ c xá c đị nh trê n tỉ chøc tÕ vi. C¸ c sè liƯ u phâ n cấ p
hạ t xem trong bả ng 1.2.
Bả ng 1.2. Các cấp hạt chuẩn chí nh theo ASTM
Cấ p h¹ t
00
0
1
2
3
4
5
6

7
8
2
Z(x100)/inch 0,25 0,5
1
2
4
8
16
32
64 128
2
Z thù c/mm
4
8
16
32
64
128
256 512 1024 2048
2
S h¹ t, mm
0,258 0,129 0,0645 0,032 0,016 0,008 0,004 0,002 0,001 0,0005
CÊ p h¹ t
Z(x100)/inch2
Z thù c/mm2
S h¹ t, mm2

9
256

4096
2.10-4

10
512
8200
1.10-4

11
1024
16400
6.10-5

12
2048
32800
3.10-5

13
4096
65600
1,6.10-5

14
8200
131200
7,88.10-6


17

Hì nh 1.21. Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100
c. Siê u hạ t
Nế u nh khối đa tinh thể gồm cá c hạ t (kí ch thớc hà ng chục - hà ng tră m àm)
vớ i ph ơ ng mạ ng lệ ch nhau một góc đá ng kể (hà ng chục độ), đế n lợt mỗ i hạ t nó
cũ ng gồ m nhiỊ u thĨ tÝ ch nhá h¬n (kÝ ch th−íc cỡ 0,1 ữ 10àm) với phơng mạ ng lệ ch
nhau mé t gãc rÊ t nhá (≤ 1-2o) gäi lµ siê u hạ t hay block (hì nh 1.20d). Biê n giớ i siê u
hạ t cũng bị xô lệ ch nhng với mức độ rấ t thấ p.
1.6.3. Textua

Hì nh 1.22. Mô hì nh textua trong dây nhôm sau khi kéo sợi
(vectơ V biểu thị hớng kéo, trục textua là [111]).
Do biế n dạ ng dẻ o là m ph ơng mạ ng đị nh hớng tạ o nê n textua. Ví dụ, khi ké o
sợi nhôm (hì nh 1.22), tinh thể hì nh trụ khi đúc, khi phủ.
Cấ u tró c ® a tinh thĨ cã textua → vË t liƯ u cã tÝ nh dÞ h−íng. øng dông cho thÐ p
biÕ n thÕ , t/c tõ cùc ®¹ i theo chiỊ u textua, cùc tiĨ u theo phơng vuông góc giả m tổ n
thấ t.


18

1.7. Sự kế t tinh và hì nh thà nh tổ chức của kim loại
Phầ n lớn kim loạ i hợp kim đợc chế tạ o (luyệ n) ra ®óc, tøc qua kÕ t tinh, sau
® ã → c¸ n bá n thà nh phẩ m và sả n phẩ m.
Kế t tinh là bớc khởi tạ o hì nh thà nh tổ chức hạ t, tinh thể . độ hạ t, tổ chức
mong muốn.
1.7.1. Điề u kiƯ n x¶ y ra kÕ t tinh
a. CÊ u trúc ở trạng thái lỏng
Chấ t lỏ ng chỉ có trậ t tự gầ n, trong đó có những nhóm nguyê n tử sắ p xế p trậ t tự,
chú ng ở trạ ng thá i câ n bằ ng đ ộng. Về mặ t cấ u trúc trạ ng thá i lỏng gầ n trạ ng thá i

tinh thể hơ n, cá c đ á m nguyê n tử là tâ m mầ m giúp cho kế t tinh.
b. Biế n đổ i nă ng lợ ng khi kế t tinh
Hì nh 1.23 biể u thị sự biế n đổi nă ng lợng G của cá c trạ ng thá i lỏng (GL) và
rắ n (GR) (tinh thể ) theo nhiƯ t ®é:
- ë nhiƯ t ®é T > TO vË t thĨ tån t¹ i ë tr¹ ng thá i
G
lỏng GL- ở nhiệ t độ To < TO, GRTO đợc gọi là nhiệ t độ kế t tinh hay nóng chả y
T = TO → kÕ t tinh (nãng ch¶ y) ch−a x¶ y ra
∆GR
KT&NC chØ x¶ y ra khi cã ∆T ≠ 0
GL

TO

nhiệ t độ

Hì nh 1.23. Biến đổi năng lợng tự do của hệ

c. Độ quá nguộ i
Độ quá nguội T: nguéi d−íi TO
∆T = T - TO < 0
o
∆T thay ®ỉi tõ rÊ t nhá (1 ÷ 2 C) ®Õ n rấ t lớn (hà ng chục, tră m đế n nghì n oC) tù y
theo tố c độ là m nguéi khi kÕ t tinh. Nguéi chË m trong khuôn cá t T lớn hơn khi nguội
nhanh trong khuô n kim lo¹ i.
Khi nung nã ng: sù nã ng chả y sẽ xả y ra ở nhiệ t độ T > TO, T đợc gọi là độ quá
nung.
1.7.2. Hai quá trì nh của sự kế t tinh

Gồ m hai quá trì nh cơ bả n nối tiế p nhau xả y ra là tạ o mầ m và phá t triể n mầ m.
a. Tạ o mầ m
Tạ o mầ m là quá trì nh sinh ra cá c phầ n tử rắ n có cấ u trúc tinh thĨ , víi kÝ ch
th− í c ® đ lín, chúng không bị tan đi nh trớc đó mà phá t triể n lê n nh là trung tâ m
của tinh thể (hạ t), hai loạ i mầ m: tự sinh và ngoạ i lai.
Mầ m tự sinh
Cá c đ á m nguyê n tử có kí ch thớc đủ lớn r rth (coi chúng là cá c hì nh cầ u bá n
kí nh r) mà theo tí nh toá n về nhiệ t động học, rth (bá n kí nh tới hạ n của mầ m) đợc
tí nh theo công thức:

rth =

2
, trong đó:
Gv

- sức că ng bề mặ t giữ a

rắ n và lỏng, Gv - chê nh lệ ch nă ng lợng tự do (GL - GR) tí nh cho một đơn vị thể
tí ch.
Một khi mầ m có r rth phá t triể n lê n thà nh hạ t.


19

Khi độ quá nguộ i T cà ng lớn thì ∆GV cịng cµ ng lín, rth cµ ng nhá → số lợng
mầ m cà ng lớn hạ t nhỏ .
Mầ m ký sinh
Là cá c hậ t rắ n nằ m lơ lửng trong kim loạ i lỏng, thà nh khuôn đúc mầ m ngoạ i
lai. Thự c tế là trong nhiề u trờng hợp ng ời ta còn cố ý tạ o ra và đ a cá c phầ n tử rắ n

và o đ ể giúp kế t tinh, sẽ đ ợc nói tới ở mục sau.
b. Phá t triể n mầ m
Mầ m phá t triể n là nhờ cá c đá m nguyê n tử bá m lê n bề mặ t mầ m đặ c biệ t là trê n cá c
bậ c lệ ch xoắ n.
Khi đợc là m nguội tơng đối nhanh, thoạ t
tiê n sự phá t triể n mầ m mang tí nh dị hớng tức là
phá t triể n rấ t nhanh theo một số ph ơng tạ o nê n
nhá nh câ y, trục bậ c I (A) (hì nh 1.24), rồi từ trụ c
chí nh nà y tạ o nê n trục bậ c II (B) vu«ng gãc ví i
trơc bË c I, råi tõ trơc bậ c II phâ n nhá nh tiế p tạ o
nª n trơc bË c III (C)... cø nh− vË y nhá nh câ y đợc
hì nh thà nh.
Sau đó kim loạ i giữa cá c nhá nh câ y mới kế t
tinh tạ o nê n hạ t (tinh thể ) đặ c kí n, không thấ y trực
tiế p đợc nhá nh câ y nữa. Nhá nh câ y chỉ đợc
phá t hiệ n thỏi đúc lớn, phầ n kế t tinh tr ớc là m trơ
Hì nh 1.24. Kết tinh nhánh ra nhá nh câ y mà không còn kim loạ i lỏng điề n
cây (a), tinh thể nhánh cây (b) đầ y. Cũng có thể tẩ m thực hợp kim để thấ y đợc
nhá nh câ y.
1.7.3. Sự hì nh thà nh hạt
a. Tiế n trì nh kế t tinh
Ta thấ y: từ mỗi mầ m tạ o nê n một hạ t,
cá c hạ t phá t triể n trớc to hơn; hạ t sau
sẽ nhỏ hơn kí ch th ớc hạ t (chê nh lệ ch í t)
- do cá c mầ m đị nh hớng ngẫ u nhiê n
hạ t không đồng hớng, lệ ch nhau một
cá ch đá ng kể vùng biê n hạ t với mạ ng
tinh thể bị xô lệ ch.
Hì nh 1.25. Quá trì nh tạo và phát triển
mầm theo thời gian (các hì nh a,b,c) và

kết thúc ở giây thứ n (d).
b. Hì nh dạ ng hạt
Hì nh dạ ng hạ t phụ thuộc và o phơng thức là m nguội:
- Nguộ i đ ề u theo mọ i ph ơng hạ t có dạ ng đa cạ nh hay cầ u (hì nh 1.25).
- Nguộ i nhanh theo hai ph ơng (tức theo một mặ t) hạ t có dạ ng tÊ m, l¸ , phiÕ n nh−
grafit trong gang x¸ m.


20

- Nguộ i nhanh theo một phơng nà o đó, hạ t sẽ có dạ ng đũa, cột hay hì nh trụ.
- Dạ ng tinh thể hì nh kim (đ Ç u nhän) → chØ khi nhiÖ t luyÖ n.
1.7.4. Các phơ ng phá p tạo hạt nhỏ khi đúc
Hạ t nhá → c¬ tÝ nh cao h¬ n (bỊ n và dẻ o hơn = độ dai cao hơn) ? hạ t nhỏ.
a. Nguyê n lý
Kí ch thớc hạ t cũng phụ thuộc và o tơng quan của hai quá trì nh: tạ o mầ m và phá t
triể n mầ m. Số mầ m đ ợ c tạ o ra cà ng nhiề u thì hạ t cà ng nhỏ, mầ m lớn lê n (phá t
triể n) cà ng nhanh thì hạ t cà ng lớn. Kí ch thớc hạ t A phụ thuộc và o tốc độ sinh mầ m
v
n và tốc độ phá t triĨ n v (mm/s) theo c«ng thøc thùc nghiƯ m: A = 1,1 4

n

3

, đ ể tạ o

hạ t nhỏ tă ng n và giả m v
b. Cá c phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc
Tă ng tốc độ nguội

Khi tă ng đ ộ quá nguộ i To, tốc độ sinh mầ m n và tốc độ phá t triể n dà i của mầ m v
đề u tă ng (hì nh 1.26)
n,v
n

. T < T1(~103 ®é/s): ∆T ↑ → c¶ n&v ®Ị u ↑
. ∆T1<∆T < ∆T2(~104-105 ®é/s): ∆T↑ → n↑, v ↓ → nano
v
. T > T2: T vô đị nh hì nh
. Đúc khuôn cá t khuôn kim loạ i hạ t nhỏ
Biế n tí nh:
. Tạ o mầ m ngo¹ i lai : 2 lo¹ i:
∆T1
∆T2
∆T
- kim lo¹ i có cù ng kiể u mạ ng hoặ c gầ n giống nhau:
FeSi, FeSiCa (gang), Ti (thé p)
Hì nh 1.26. ảnh hởng của T đến
n và v
- cho chấ t tạ o oxit, nitrit : Al2O3, AlN khi đúc thÐ p
. HÊ p phô : Na cho Silumin (AlSi)
. Cầ u hoá graphit : Mg, Ce, Đh
Tá c đ ộng vậ t lý:
Rung, siê u â m bẻ gẫ y tinh thể hạ t nhỏ
Đú c ly tâ m hạ t nhỏ
1.7.5. Cấ u tạ o tinh thĨ cđa thá i ®óc
a. Ba vïng tinh thĨ của thỏi đúc
Cá c thỏ i (thé p) đúc thờng có tiế t diệ n tròn
hoặ c vuô ng, chúng đợc đ ú c trong khuôn kim
loạ i, đô i khi khuôn còn đợc là m nguội bằ ng

n ớ c chóng th− êng cã cÊ u tróc 3 vïng ®iĨ n
h× nh (h× nh 1.27):
H× nh 1.27. CÊ u tróc 3 vï ng cđ a thá i
®óc


21

Vỏ ngoà i cù ng là lớ p hạ t nhỏ đ ẳ ng trục 1: do T lớn, mầ m ngoạ i lai nhiề u hạ t nhỏ
mị n. Do thà nh khuôn có đ ộ nhấ p nhô cá c mầ m phá t triể n theo cá c phơng ngẫ u
nhiê n cắ t nhau, chè n é p nhau hạ t phá t triĨ n ®Ị u theo mäi phÝ a.
Vïng tiÕ p theo là lớp hạ t tơ ng đối lớn hì nh trụ 2: vuông góc với thà nh khuôn, do
thà nh khuôn mới bắ t đầ u nóng lê n To , hạ t lớn hơn và phá t triể n mạ nh theo
ph ơ ng phá p tuyế n với thà nh khuôn là phơng truyề n nhiệ t hạ t hì nh trụ.
Vùng ở giữa là vùng cá c hạ t lớn đẳ ng trục 3.
Kim loạ i lỏ ng ở giữ a kế t tinh sau cùng, thà nh khuôn đà nóng lê n nhiề u do đó:
- T hạ t lớn,
- nhiệ t tả n đ ề u theo mọ i phơng hạ t đẳ ng trục.
. Vùng ngoà i cù ng luô n luô n là lớp vỏ mỏng, 2 vùng sau phụ thuộc và o điề u kiệ n là m
nguộ i khuô n:
+ nguội mà nh liệ t thì vùng 2 sẽ lấ n á t vùng 3, thË m chÝ mÊ t vïng 3 → xuyª n tinh
khó biế n dạ ng dẻ o, không phù hợp với thỏi cá n
+ nguội chậ m thì vùng 3 lạ i lấ n á t vùng 2, thỏi trở nê n dễ cá n hơn.
b. Cá c khuyế t tật của vật đúc
Rỗ co và lõm co: Do khi kÕ t tinh kim lo¹ i co l¹ i không đợc bù co: rỗ co nằ m phâ n
tá n, rả i rá c giữa cá c nhá nh câ y trê n khắ p vậ t đúc đợc gọi là rỗ co gia công á p lự c
ở nhiệ t độ cao thì chúng đợc hà n kí n không ả nh hởng đá ng kể đế n c¬ tÝ nh.
co tË p trung → lâm co th− êng n» m ë n¬i kÕ t tinh sau cùng: chỗ dà y, phí a trê n. Phầ n
thỏ i có lõm co phả i đ ợc cắ t bỏ tỷ lệ sử dụng chỉ còn khoả ng 85 đế n 95%. Đú c
liê n tục o có lõm co

Đố i với chi tiế t đúc phả i ®Ĩ phÇ n lâm co ë ®Ë u ngãt → cắ t bỏ đi.
Rỗ khí
Khí hoà tan thoá t ra không kị p rỗ khí hay bọt khí . Khi cá n không thể hà n
kí n đ ợc (lớp ôxyt ngă n cả n khuế ch tá n là m liề n chỗ bẹ p), gâ y ra trãc vá h c nø t
khi sư dơ ng → khư khÝ tèt tr−íc khi rãt khu«n, sÊ y kh« khuôn cá t hoặ c đúc trong
châ n khô ng.
Thiê n tí ch (segregation)
Là sự không đ ồ ng nhấ t về thà nh phầ n và tổ chức của sả n phẩ m đúc, cả vớ i hợ p
kim (khi thà nh phầ n phứ c tạ p) và kim lo¹ i do tÝ ch tơ t¹ p chÊ t. Có nhiề u dạ ng thiê n
tí ch: theo trọng lợng, trong bả n thâ n hạ t, của P, S trong thÐ p.