Tập bài giảng Hoá học vô cơ

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
đồng
ng hó
hóa
a trị
Là liê n kế t của hai (hoặ c nhiề u) nguyª n tư gãp chung nhau mét sè electron hãa trị đ ể
có đ ủ tá m electron ở lớ p ngoµ i cïng. Cã thĨ lÊ y ba vÝ dụ nh sau (hì nh 1.1).
ã Clo có Z=17 (1s22s22p63s23p5), có 7e ở lớp ngoà i cùng, 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 tư cïng lo¹ i (tõ 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), cã 4e líp ngoµ i cïng vµ 4 nguyê n tử H để mỗi
nguyê n tử nà y gã p cho nã 1 electron lµ m cho líp electron ngoà i cùng đủ 8 (hì nh 1.1c).
b. Liê n kÕ t ion
KL nhã m IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e cá c nguyê 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 ví i t¹ o liê n kế t ion.
ã Liê n kế t ion cà ng mạ nh khi lớp ngoà i cùng (cho) chøa Ý t e, nhË n n» m cµ 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 tư), vË t liƯ u cã liª n kÕ t ion thì tí nh giòn cao.


5
Ion dơng

Mâ y
Electron

Li+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

Me+

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
c. Liê n kế t kim loại (hì

( 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 lợng liê n kế t là tổng hợp (câ n bằ ng) cá c ion kim loạ i có vị trí xá c
đ ị nh. Cá c nguyê n tố nhóm Ia có tí nh kim loạ 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 kÕ t trong c¸ c chÊ t, vË t liƯ u thông dụng thờng mang tí nh hỗn
hợ p của nhiề u loạ i. Ví dụ: Na và Cl có tí nh â m điệ n lầ n lợt là 0,9 và 3,0. Vì thế
liê n kế t giữa Na và Cl trong NaCl gồm khoả ng 52% liê n kế t ion và 48% liê n kế t đồng
hó a trị .
e. Liê n kế t yế u (Van de
derr Waals)
Do sự khá c nhau về tí nh â m điệ n tạ o thà nh và phâ n tử phâ n cực. Cá c cực trá i
dấ u hú 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. Sắ p xế p nguyê n tử trong vËt chÊt
1.2.1. ChÊt khÝ
Trong chÊ t khÝ cã sù s¾ p xế p nguyê n tử một cá ch hỗn loạ n không có hì nh dạ ng,
kí ch th ớc xá c đị nh.
1.2.2. Chất rắn tinh thể
Chấ t rắ n tinh thể :
- Trậ t tự gần, mà còn có cả trật
tự xa.
- Cá c kiể u mạ ng tinh thể xá c
đ ị nh: lậ p phơng, lục giá c,...
(hì nh 1.4)
Hì nh 1.4. Sơ đồ m¹ ng tinh thĨ

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 đối xứng là tí nh chấ t hì nh học khi quay một điể m hay một phầ n tử xung
quanh 1 điể m hay một đờng víi mét gãc α chóng sÏ trïng lỈ p nhau. Điể m hay
đ ờng đợc quay xung quanh đó đ ợc gọi là tâ m hay trục đối xứng. Đối xứng qua

mặ t phẳ ng đợc gọi là đối xứng gơng. Gọi n = 2/ là bậ c ®èi xøng, chØ cã 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 khối 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 thớc 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 thớc 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 đờng thẳ ng đi qua cá c nút mạ ng, đợc ký hiÖ 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

z nh 1.7).
[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: Phơng và mặ t tinh thể có kí ch thớc vô hạ n
Trê n hì nh 1.7 giới 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], đờng ché o mặ t [110], cạ nh [100].
Cá c phơng có cá c giá trị tuyệ t đối u, v, w giống nhau, tạ o nê n họ phơng
<uvw>. Ví dụ họ <110> gồm cá c phơng sau đâ y chúng có cùng quy luậ t sắ p xÕ p
nguyª n tư:


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 hợp cá c mặ t có cá ch sắ p xế p nguyê n tử giống hệ t nhau, song
song và cá ch đề u nhau, chúng có cùng một ký hiƯ u. Ng−êi ta ký hiƯ u mỈ t b» ng chØ
sè Miller (h k l). C¸ c chØ sè 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 tọa ®é c¸ c giao ®iĨ m, råi lÊ y c¸ 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 đị nh cá c chỉ số Miller cho cá c mặ t
mặ t
1
2
3
4
5

điể m cắ t cá c trục
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 số
(112)
(111)
(110)
(100)
(221)

3

4

2

5

1

Hì 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 hộp tạ o nê n họ {100} gồm (100), (010), (001), (100), (010), (001).

e. ChØ sè Miller - Bravais trong hƯ lơc gi¸c
ChØ sè Miller - Bravais víi hƯ cã bốn 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 mức độ dà y đặ c của nguyê n tử trong mạ ng tinh thể . Mậ t độ xế 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 lợt lµ chiỊ u dµ i, diƯ n tÝ ch, thĨ tí ch bị nguyê n tử (ion) chiế m chỗ,
ã L, S, V lầ n lợt là tổng chiề u dµ i, diƯ n tÝ ch, thĨ tÝ ch xem xé t.
b. Số phối trí (số sắp xế p):
p) là số lợng nguyê n tử cá ch đề u gầ n nhấ t một nguyê n tử
đ Ã cho. Số sắ p xế p cà ng lớn chứng tỏ mạ ng tinh thể cà ng dà y đặ c.
c. Lỗ hổ ng
Là không gian trống giữa 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 Chất 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 tử (ion) luôn có xu h−íng xÕ p xÝ t
chỈ t ví i kiĨ u mạ ng đơn giả n (nh lậ p phơng tâ m mặ t, lậ p phơng tâ m khối, lục
giá c xế p chặ t).
a. Lậ p phơng tâm khối A2
Ô cơ sở là hì nh lậ p phơng, 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 lợng nguyê n tử cho mỗi ô: nv = 8 đỉ nh. 1/8 + 1 giữa = 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 ờ ng dùng cá ch vẽ tợng trng (hì nh c). Nguyª n tư n» m xÝ t nhau theo phơng
<111>, do đó:
- đ ờ ng kí nh nguyê n tư dng.t = a

3
, sè s¾ p xÕ p là 8.
2

Cá c mặ t tinh thể xế p dà y đặ c nhấ t là họ {110}. Mậ t ®é xÕ p thÓ tÝ ch Mv = 68%. Cã
hai loạ i lỗ hổng: hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh trì nh bà y ở hì nh d. Loạ i 8 mặ t có
kí ch th−íc b» ng 0,154 dng.t n» m ë t© m cá c mặ t bê n {100} và giữa cá c cạ nh a. Loạ i 4
mặ t có kÝ ch th−íc lín h¬n mét chót, b» 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 vậ y trong mạ ng A2 có nhiề u lỗ hổng

10

nh− ng kÝ ch th−íc ®Ị u nhá, lín nhÊ 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 phơng tâ m khối chỉ khá c mạ ng A2 ở a = b c
b. Lậ p 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 đ ó:
đ − ê ng kÝ nh dng.t = a

2
, sè s¾ p xế p là 12.
2

o Cá c mặ t tinh thể dà y đặ c nhấ t là họ {111}. Mậ t độ xế p thể tí ch Mv =74%,
mạ ng A1 nµ y lµ kiĨ u xÕ p dµ 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 mặ t có kí ch thớc 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 đ ị nh cho
sự hò a tan dới dạ ng xen kẽ .

Khá nhiề u kim loạ i điể n hì nh có kiể u mạ ng nà y: sắ t (Fe), Ni, Cu, Al với hằ ng
số a mạ ng lầ n lợt bằ ng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoà i ra cßn cã Pb, Ag,
Au.


11

c. Lục giác xế p chặt 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 lợng 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 với
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 lục giá c xế p chặ t thì c/a = 8 3 hay 1,633. Tuy nhiª n trong
thù c tÕ 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 víi 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 víi a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, c/a = 1,8590 (kh«ng xÕ p chặ t).
1.4.2. Chất rắn có liê n kế t đồng hóa trị
a. Kim cơng A4
Kim cơng là một dạ ng tồn tạ i (thù hì nh) của cacbon với cấ u hì nh electron là
2
2
2s
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 với 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 lợng lớn nê n kim
c ơng cã ®é cøng 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 đồng hoá trị . Khoả ng cá ch giữa cá c lớp c = 0,671nm, tơng ứng với
liê n kÕ t yÕ u Van der Waals, grafit rÊ 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 tử cacbon C60 gäi lµ fullerene do hai nhµ khoa häc 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 ®Ị u, n» m xen kÏ nhau t¹ o ®èi xứng tròn, ứng với độ
bề n và độ cứng rấ t cao cđa nã ch¾ c ch¾ n høa hĐ 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 với cấ u trúc lậ p
ph ơ ng (hì nh 1.16b). Trong ®iỊ u kiƯ n ngi nhanh sÏ nhË n đợc thủy tinh (vô đị nh
hì nh) nh ở hì nh 1.5b.

Hì nh 1.15. Sắp xếp khối tứ diện (SiO4)4- trong thạch anh (a), cristobalit (b).
1.4.3. Chất rắn cã liª n kÕ t ion
CÊ u tróc tinh thĨ của hợp chấ t hóa học có liê n kế t ion phơ thc vµ o hai 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 điể m nà y.
a. Nút trống
trố ng và nguyê n tử tự xen kẽ (Hì nh 1.17a)
Do dao động 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 nhiệ t độ (n= e KT ), khi sắ p chả y láng nmax .
Nó t trè ng cã ¶ nh hởng lớn đế n cơ chế và tốc độ khuế ch tá n của kim loạ i và hợp
kim ở trạ ng thá i rắ n.
b. Nguyê n tử tạp chÊt
Trong thùc tÕ vË t liƯ u h c kim lo¹ i th−êng cã t¹ p chÊ t: xen kÏ (hì nh 1.17b).

Do sự sai khá c về đờng kí nh nguyê n tử giữa cá c nguyê n tố nề n và tạ p chấ t
sai lệ ch
1.5.2. Sai lƯ ch ®−ê ng - LƯ ch
Sai lƯ ch đờng là loạ i có kí ch thớc nhỏ (cỡ kí ch thớc nguyê n tử) theo hai
chiề u và lín theo chiỊ u thø ba, tøc cã d¹ ng của một đờng (có thể là thẳ ng, cong,
xoá y trô n ốc). Sai lệ ch đờng 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 lệ 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 của 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: đờng 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 phâ n bè nh− vË y nưa tinh thĨ cã chøa bá n mặ t sẽ
chị u ứ ng suấ t né n, nửa còn 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 vu«ng gãc
víi trơc
r
lƯ ch khi chu n tõ tinh thĨ kh«ng lƯ ch sang tinh thĨ cã lƯ ch. LƯ ch thẳ ng b ADL
vé c tơ
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 vùng 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 vÝ t nª n lƯ ch cã tª n là lệ ch xoắ n nh thấ y rõ ở hì nh 1.19c.
Vé c tơ Burgers song song với trục lệ c AD=L
c. Đặ c trng về hì nh thái cđa lƯ ch
MË t ®é lƯ ch (ký hiƯ u lµ 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 công. Ví dụ, đối với kim loạ i có giá trị nhỏ nhấ t (~ 108
cm-2) ứng với độ sạ ch cao và trạ ng thá i ủ; hợp kim và kim loạ i sau biế n dạ ng nguội,

tô i... tới 1010 ữ 1012 cm-2) (có thể coi mậ t độ lệ ch là trục lƯ ch ch¹ y qua/1 cm2).
ý nghÜ a: lƯ ch biê n giúp cho dễ biế 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 triĨ n nhanh khi kÕ t tinh.
1.5.3. Sai lƯ ch mặt
Sai lệ ch mặ t là loạ i sai lƯ ch cã kÝ ch th−íc lín theo hai chiỊ u đo và nhỏ theo chiề u thứ
ba, tứ c có dạ ng của một mặ t (có thể là phẳ ng, cong hay uốn lợn).
Cá c dạ ng điể n hì nh của sai lệ ch mặ t là :
- biê n giới 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. Đơn
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 (cù ng kiể u
và hằ ng số mạ ng), có phơng mạ ng không đổi trong toà n bộ thể tí ch. Trong thiê n
nhiê n: một 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 ®iĨ m: cã tÝ nh chÊ t rÊ t ®Ỉ 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 thực tế hầ u nh chỉ gặ p cá c vậ t liệ u đa tinh thể . Đa tinh thể gồm rấ t nhiề u
(đơ n) tinh thể nhỏ (cỡ àm) đợc gọi là hạ t tinh thể , cá c hạ t có cùng cấ u trúc và


16

thô ng số mạ ng song phơng lạ i đị nh h−íng kh¸ c nhau (mang tÝ nh ngÉ u nhiê n) và
liê n kế t với nhau qua vùng 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:
- Mỗ i 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 đị nh hớng ngẫ u nhiê n với số 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 không trậ t tự (xô lệ ch) nh là vô đị nh hì nh , ké m xí t chặ t với tí 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 h¹ t nhê kÝ nh hiĨ n vi quang học
(hì nh 1.20c).
Hì 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 đị 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 ®¸ nh sè tõ 00, 0, 1,
2...., 14 theo trË t tự hạ 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.
Ngời ta thờng xá c đị nh cấ p hạ t bằ ng cá ch so sá nh với bả ng chuẩ n ở độ
phó ng đ ạ i (thờng là x100) hoặ c xá c đị nh trê n tổ chức tế vi. Cá c số liệ 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 hạt
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 ơng mạ ng lệ ch nhau một góc đá ng kể (hà ng chục độ), đế n lợt mỗi hạ t nó
cũ ng gồ m nhiề u thể tí ch nhỏ hơn (kí ch thớc cỡ 0,1 ữ 10àm) với phơng mạ ng lệ ch
nhau mộ t góc rấ t nhỏ ( 1-2o) gọi là siê u hạ t hay block (hì nh 1.20d). Biê n giới siê u
hạ t cũ ng 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 phơng mạ ng đị nh hớng tạ o nê n textua. Ví dụ, khi ké o
sợ i nhô m (hì nh 1.22), tinh thể hì nh trụ khi đúc, khi phủ.
Cấ u trúc ®a tinh thĨ cã textua → vË t liƯ u cã tÝ nh dÞ h−íng. øng dơng cho thÐ p
biÕ n thế , t/c từ cực đạ i theo chiề u textua, cực tiể u theo phơng vuông góc gi¶ m tỉn
thÊ 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 nguội T cà ng lớn thì GV cịng cµ ng lín, rth cµ ng nhá → sè 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 ngời ta còn cố ý tạ o ra và đa cá c phầ n tử rắ n
và o đ ể giúp kế t tinh, sẽ đợc nói tới ở mục sau.
b. Phá t triể n mầm
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 phơng tạ o nê n
nhá nh câ y, trục bË c I (A) (h× nh 1.24), råi tõ trơc
chÝ nh nà y tạ o nê n trục bậ c II (B) vu«ng gãc víi
trơc bË c I, råi tõ trục bậ c II phâ n nhá nh tiế p tạ o
nê n trục bậ c III (C)... cứ nh vậ 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 trớc 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 thành 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 thớc hạ t (chê nh lệ ch í t)

- do cá c mầ m đị nh hớng ngẫ u nhiê n
hạ t không ®ång h−íng, lƯ ch nhau mét
c¸ ch ®¸ ng kĨ 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 dạng hạt
Hì nh dạ ng hạ t phụ thuộc và o phơng thức là m nguội:
- Nguộ i đề u theo mọi phơng hạ t có dạ ng đa cạ nh hay cầ u (hì nh 1.25).
- Nguộ i nhanh theo hai phơng (tức theo một mặ t) hạ t có dạ ng tấ m, lá , phiế 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 (đầ u nhän) → chØ khi nhiƯ t lu n.
1.7.4. C¸c phơng pháp tạo hạt nhỏ khi đúc
Hạ t nhỏ cơ tí nh cao hơn (bề 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 đợc 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 triể n v (mm/s) theo công thøc thùc nghiÖ m: A = 1,1 4  
n

3

, để tạ o

hạ t nhỏ tă ng n và giả m v
b. Cá c phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc
Tă ng tố c độ nguội
Khi tă ng độ quá nguội To, tốc độ sinh mầ m n và tốc độ phá t triể n dà i của mầ m v
đ ề u tă ng (hì nh 1.26)
n,v
n

. T < T1(~103 độ/s): T cả n&v đề u ↑
. ∆T1<∆T < ∆T2(~104-105 ®é/s): ∆T↑ → n↑, v ↓ nano
v
. T > T2: T vô đị nh hì nh
. Đú c khuôn cá t khuôn kim lo¹ i → h¹ t nhá
BiÕ n tÝ nh:
. Tạ o mầ m ngoạ i lai : 2 loạ i:
∆T1
∆T2
∆T
- kim lo¹ i cã cïng kiĨ u m¹ 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 chÊ t t¹ o oxit, nitrit : Al2O3, AlN khi ®óc thÐ p
. HÊ p phơ : 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. Cấu tạo tinh thĨ cđa thái ®óc
a. Ba vïng tinh thĨ cđa thỏi đúc
Cá c thỏ i (thé p) đúc thờng có tiế t diệ n tròn
hoặ c vuô ng, chúng đợc đúc trong khuôn kim
loạ i, đô i khi khuôn còn đợc là m nguội bằ ng
n ớ c chúng thờng có cấ u trúc 3 vùng điể n
hì nh (hì nh 1.27):

H× nh 1.27. CÊ u tróc 3 vïng cđa thái
®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.


36

Phần II
Hợp kim và biến đổi tổ chức
Chơng 3 Hợp kim và giản đồ pha
3.1. Cấ u trúc tinh thể của hợp kim
3.1.1. Khái niệ m về hợp kim
a. Đị nh nghĩ a
Hợp kim là hỗn hợp của kim loại với một hoặc nhiề u kim loại hoặc á kim khác.
La tô ng= hợp kim Cu + Zn hợp kim đơn giả n chỉ gồm 2 nguyê n tố
Gang: Fe+Mn+Si và C+P+S, nguyê n tố chí nh là Fe (kim loạ i) hợp kim phức tạ p.

Nguyê n tố kim loạ i chí nh (> 50%) đợc gọi là nề n hay nguyê n tố cơ sở .
b. u
u việ t của hợp kim so với kim loại
Hợ p kim: ® é bỊ n, ®é cøng, tÝ nh chố ng mà i mòn cao hơn, tí nh công nghệ tốt hơn: đúc, cắ t
gọ t, nhiệ t luyệ n để hoá bề n tốt hơn, rẻ hơn.
Kim loạ i nguyª n chÊ t: dÉ n nhiƯ t, dÉ n điệ n tốt (dâ y dẫ n, trang sức, ®iƯ n cùc Pt, Au)
c. Mé t sè kh¸i niƯ m
ã Pha: cù ng cấ u trúc, cùng trạ ng thá i, cùng kiể u và thông số mạ ng, cá c tí nh chấ t cơ - lý hó a xá c đ ị nh, phâ n cá ch nhau bởi mặ t phâ n chia pha.
ã Cấ u tử là cá c phầ n độc lậ p có khối lợng không đổi, chúng tạ o nê n cá c pha trong hợp
kim.
ã Hệ là tậ p hợp cá c pha, có thể ở câ n bằ ng hoặ c không câ n bằ ng.
3
ã Trạ ng thá i không câ n bằ ng (3) = không ổn đị nh: thờng
gặ p: khi tôicơ tí nh (bề n, cứng) cao hơn, xu
G
hớ ng(1&2)
2
ã Trạ ng thá i giả ổn đị nh (2) muốn sang (1) phả i thắ ng G
ã ổn đ ị nh (1).
1
d. Phâ n loạ i các tơng tác
Chế tạ o hợ p kim = nấ u chả y % xá c đị nh rồi là m nguội.
Hì nh 3.1. Sơ đồ cá c vị trí
Từ pha lỏng đồng nhấ t khi là m nguội sẽ có tơng tá c tạ o
ổn đị nh (1), giả ổn đị nh (2)
nê n cá c pha khá c nhau.
và không ổn đ ị nh (3)
Tạ o thà nh hỗ n hợp cơ học A + B
Khi có tơng tác: 2 trờng hợp xả y ra:
- hòa tan thà nh dung dị ch rắ n, tổ chức một pha nh kim loạ i nguyê n chấ t (hì nh 3.2b) dung

môi
- phả n ứ ng với nhau thà nh hợp chấ t hóa học, tạ o thà nh kiể u mạ ng mới khá c hẳ n.
3.1.2. Dung dị ch rắn
a. Khái niệ m - phân loại
Đ/n: là hợ p kim trong đó 1 hay nhiề u nguyê n tố hoà tan và o mạ ng tinh thể của kim loạ i
chiế m đ a số đợc gọi là nề n. Dung môi chiế m đa số, nguyê n tố chiế m tỷ lệ í t hơn là chấ t
tan.
Đ/điể m: kiể u mạ ng của dung môi, nồng ®é chÊ t tan cã thĨ thay ®ỉi trong mét phạ m vi mà
khô ng là m mấ t đi sự đồng nhấ t đó. Dung dị ch rắ n là của B trong A: A(B), mạ ng của A.


xen kẽ 37
thay thế

Cá
Cácc kiể u: thay thế và xen kẽ (hì nh 3.3)

Hì nh 3.3. Sơ đồ sắp xếp nguyên tử hòa tan thay thế
và xen kẽ vào dung môi có mạng lập phơng tâm mặt,
mặt (100)
b. Dung dị ch rắn thay thế
Đ/n: nguyê n tử chấ t tan thay thế vị trí nguyê n tử dung môi.
Đ/kiệ n: sai khá c dnguyê n tử không quá 15%. Tí nh chấ t hoá lý tơng tự nhau.
Phâ n loạ i: theo giíi h¹ n h/tan gåm 2 lo¹ i: dd rắ n hoà tan có hạ n và dd rắ n hoà tan vô hạ n
theo sự phâ n bè ng/tư chÊ t tan, cã 2 lo¹ i: dd rắ n có tr/tự và dd rắ n o có tr/tự
Giớ i hạ n hò a tan là nồng độ chấ t tan lớn nhấ t mà vẫ n bả o tồn đ ợc mạ ng tinh thể .
Điề u kiệ n hoà tan
tan vô hạn: chỉ có thể (có khi o) x¶ y ra khi tháa m· n c¶ 4 yế u tố sau:

a-thay thế

Hì nh 3.5. Sự xô lệch mạng trong dd rắn:
a. hòa tan thay thế khi rht > rchủ,
b. hòa tan xen kẽ rht> rlỗ hổng

ban đầ u

Hì nh 3.4. Sơ đồ thay thế để tạo dung dịch rắn hòa tan vô hạn giữa hai kim loại A và B
1- cù ng kiể u mạ ng,
2-đ ờng kí nh nguyê n tử khá c nhau í t (< 8%)
lftk → Ce ≤ 1,48,
3-tho¶ m· n giíi hạ n nồng độ điệ n tử: ví dụ: mạ ng lftm Ce 1,36,
4-có cù ng hoá trị , tí nh â m điệ n sai khá c nhau Ý t.
Ngoµ i ra, tÝ nh lý - hãa (đặ c biệ t là nhiệ t độ chả y) giống nhau dễ tạ o thà nh dung dị ch
rắ n hò a tan vô hạ n. Ví dụ: Ag - Au (m¹ ng A1, ∆r = 0,20%, cïng nhãm IB), Cu - Ni (m¹ ng
A1, ∆r = 2,70%, IB và VIII), Fe - Cr (mạ ng A2, r = 0,70%, VIB và VIII).
Dung dị ch rắn có trật tự:
tự : cá c nguyê n tử chấ t tan sắ p xế p có trậ t tự trong mạ ng tinh thể
dung mô i, (đợc nguội rấ t chậ m trong khoả ng nO nhấ t đị nh). Đa số trờng hợp là không
trậ t tự.
c. Dung dị ch rắn xen kẽ
Đ/n: cá c nguyê n tử hòa tan nằ m xen kẽ và o cá c lỗ hổng trong mạ ng tinh thể dung môi.
Điề u kiệ n: bá n kí nh nguyê n tử chấ t tan phả i rấ t nhỏ: N (0,071nm), C (0,077nm) và đôi khi
cả B (0,091nm) mới có khả nă ng xen kẽ và o cá c lỗ hổng giữa cá c nguyª n tư lín nh− Fe
(0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm),... Lỗ hổng lớn nhấ t trong mạ ng
A1 là loạ i 8 mặ t chỉ bằ ng 0,414dng/tử , ngoà i H, o có á kim nà o bỏ lọt đẩ y cá c nguyê n
tử chủ bao quanh già n ra, gâ y ra xô lệ ch mạ nh mạ ng (hì nh 3.5).
. chỉ có dung dị ch rắ n xen hòa tan có hạ n.
b-xen kẽ

d. Cá c đặ c tí nh của dung dị ch rắn
Có kiể u mạ ng tinh thể của kim loạ i dung môi có đặ c trng cơ, lý, hóa tí nh của kim loạ i
nề n:
1) Mạ ng tinh thể , đơn giả n và xí t chặ t (A1, A2...) của kim loạ i với liê n kế t kim loạ i
2) Cơ tí nh giống kim loạ i cơ sở:


38

. dẻ o, có giả m đ i 1 chút song vẫ n đ ủ cao, dễ biế n dạ ng dẻ o, cá biệ t tă ng độ dẻ o: Cu(Zn)
vớ i 30%Zn còn dẻ o hơn cả Cu chi tiế t dậ p sâ u, đồ dá t = latông
. tă ng độ bề n, độ cứng, khả nă ng chị u tả i hơn hẳ n kim loạ i nguyê n chấ t
. nồ ng đ ộ chấ t tan cà ng lớn dẻ o cà ng giả m, bề n cà ng tă ng. Quá lớn gâ y ra giò n, dễ
bị gà y, vỡ chọn nồng độ thí ch hợp.
3) Dẫ n nhiƯ t, dÉ n ®iƯ n tèt nh−ng kÐ m hơn kim loạ i nguyê n chấ t, thay đổi tí nh chống ă n
mòn.
Dung dị ch rắ n là pha cơ bả n chiế m tới 90% thậ m chÝ 100% trong vË t liÖ u kÕ t cấ u.
3.1.3. Pha trung gian
Trê n giả n đồ pha 2 phí a là dung dị ch rắ n, ở giữa là cá c pha trung gian.
a. Bả n chấ t và phân loại
Đặ c đ iể m: 1) Có mạ ng tinh thể phức tạ p và khá c hẳ n với nguyê n tố thà nh phầ n
2) Có tỷ lệ chí nh xá c giữa cá c nguyê n tố theo công thức hóa học AmBn
3) Tí nh chấ t : khá c hẳ n cá c nguyê n tố thà nh phầ n giòn
4) Có nhiệ t độ chả y xá c đị nh, khi tạ o thà nh tỏa nhiệ t.
5) khá c vớ i cá c hợp chấ t hóa học thông thờng, cá c pha trung gian không hoà n toà n tuâ n
theo quy luậ t hó a trị khô ng có thà nh phầ n hóa học chí nh xá c theo công thức, có liê n
kế t kim loạ i. Cá c pha trung gian trong hợp kim thờng gặ p: pha xen kẽ , pha điệ n tử và pha
Laves.
b. Pha xen kẽ
Đ/n: Là pha tạ o nê n giữ a cá c kim loạ i chuyể n tiế p (có bá n kí nh nguyê n tư lín) víi c¸ c ¸

kim cã b¸ n kÝ nh nguyê n tử bé nh C, N, H (và B): cacbit, nitrit, hyđrit (và borit).
Đ/điể m: Mạ ng tinh thĨ cđ a pha xen kÏ ∈ t−¬ng quan kÝ ch thớc nguyê n tử giữa á kim (X)
và kim lo¹ i (M):. khi rX / rM < 0,59 → một trong ba kiể u mạ ng là A1, A2, A3 (tuy khô ng giữ
lạ i kiể u mạ ng vốn có nhng vẫ n mang đặ c điể m kim loạ i), cá c nguyê n tử á kim xen kẽ
và o cá c lỗ hổng trong mạ ng, tạ o nê n hợp chấ t với cá c công thức đơn giả n nh M4X, M2X.
. khi rX / rM > 0,59 → m¹ ng tinh thĨ phøc tạ p (đợc gọi là pha xen kẽ vớ i mạ ng
phứ c tạ p) t ơng ứng với công thức M3X, M7X3, M23X6.
T/chấ t: Nhiệ t đ ộ chả y rÊ t cao (th−êng > 2000 ÷ 3000oC), rÊ t cứng (HV > 2000 ữ 5000) và
giòn hó a bỊ n, n© ng cao tÝ nh chè ng mà i mòn và chị u nhiệ t của hợp kim.
H và N có kí ch thớc nguyê n tử nhá nª n rX / rM < 0,59, → Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N...
có mạ ng đơn giả n. C có rX / rM>0,57 nê n tạ o Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6,WC, TiC, Mo2C, VC
→ m¹ ng phø c t¹ p tă ng đ ộ cứ ng và tí nh chống mà i mòn của hợp kim.
c. Pha điệ n tử (Hum - Rothery)
Đ/n: Là pha có kiể u mạ ng xá c đị nh, tạ o thà nh với nồng độ điệ n tử N xá c đị nh (số điệ n
tử hó a trị /số nguyê n tử ): 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12), mỗi tỷ lệ øng víi mét cÊ u tró c
m¹ ng phø c tạ p nhấ t đị nh. Th ờng là hợp kim cđa Cu, Ag, Au víi Zn, Sn, Cd. Víi Cu1+,
Zn2+ ta cã :
Ce = 21/14 → pha β m¹ ng A1: CuZn, AgZn, AuZn (Ce=(1.1+1.2)/2=3/2)
Ce = 21/13 → pha γ m¹ ng lf phøc t¹ p: Cu5Zn8, Ag5Sn8 (Ce=(5.1+8.2)13=21/13)
(Ce=(1.1+3.2)/4=7/4=21/12)
Ce = 21/12 → pha ε, m¹ ng lgxc: CuZn3, AgZn3
d. Pha Laves
Đ/n: Pha tạ o bở i hai nguyê n tè A, B cã tû lƯ b¸ n kÝ nh nguyê n tử rA / rB = 1,2 (1,1 ữ 1,6)
ví i c« ng thø c AB2 cã kiĨ u mạ ng A3: MgZn2, MgNi2 hay A1 (MgCu2). Do giòn nê n chỉ
đ ợc dù ng trong HKTG hoặ c c¸ c pha ho¸ bỊ n.


39

3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

Đ/n: GĐP là giả n đ ồ biể u thị sự biế n đổi thà nh phầ n và trạ ng thá i pha ở câ n bằ ng theo
nhiệ t đ ộ và thà nh phầ n của hệ d ới á p suấ t không đổi (1 at).
Cá ch biể u diễ n:
Đặ c đ iể m: GĐP chỉ đ ú ng và phù hợp với hợp kim ở trạ ng thá i câ n bằ ng (nguội rấ t chậ m
hay ủ ), Cô ng dụng: xá c đ ị nh cấ u trúc của hợp kim, xá c đị nh no chả y, chuyể n biế n pha →
nÊ u lu n vµ xư lý nhiƯ t, gia công (biế n dạ ng, đúc, rè n, cá n, kÐ o,..), rÊ t quan träng.
3.2.1. Quy t¾ c pha và ứng dụng
Quy tắ c pha của Gibbs:
T= N-F+2 khi P=1at thì T=N-F+1
o
T=0 hệ bấ t biế n, cả % và n , lúc đó F = N + 1 (sè pha=sè cÊ u tư +1). VÝ dơ kim loạ i
nguyê n chấ t (N = 1) khi nóng chả y: T=1-2+1=0 nhiệ t độ không đổi.
T=1:
Ví dơ, khi kÕ t tinh HK 2 nguyª n: (T = 2 - 2 + 1=1) kÕ t tinh h c nóng chả y
trong khoả ng nhiệ t đ ộ h c %.
T = 2:
2: hƯ cï ng mét lóc có thể thay đổi cả hai yế u tố nhiệ t độ và thà nh phầ n
Đặ c điể m: T ≥ 0 → sè pha nhiÒ u nhÊ t của hệ (ở trạ ng thá i câ n bằ ng!) Fmax = N + 1 → hÖ
mét cÊ u tö Fmax = 2, hai cÊ u tö Fmax = 3, ba cÊ u tư Fmax = 4.
3.2.2. Quy t¾c
t¾ c đòn bẩy
Đ/n: là quy tắ c cho phé p xá c đị nh tỷ lệ của cá c pha, cá c tổ chức trê n GĐP.
Biể u thức:
T
QA.XA=QB.XA
FA
X
F
XA
Trong vù ng 2 pha: đ iể m

B
B
khả o sá t cà ng gầ n pha nà o


M
thì tỷ lệ pha ấ y cµ ng lín
%α =
%β =

Xβ

Xβ

Xα

X α + Xβ

FA.XA=FB.XB
FA=FB(XB/XA)

Xα
Xα + X

%B
M.X=M .X

3.2.3. Giản đồ loại
loại I
Đ/n: Là GĐP củ a hƯ 2 cÊ u tư kh«ng cã bÊ t kỳ tơng tá c nà o với nhau.

Mô tả : AEB là đ ờ ng lỏ ng, CED (245oC) là đờng rắ n, là nhiệ t độ chả y (kế t tinh): B, A
(hì nh 3.9a), điể n hì nh là hệ Pb - Sb ở hì nh 3.9b. (Pb chả y 327oC), (Sb chả y- 631oC).
khoả ng giữ a hai đ ờ ng lỏ ng và đ ờ ng đặ c: khoả ng kế t tinh.
L

B

nhiệ t

nhiệ t

631
1

1

L
a

a

327

A

Pb+L

245
b

B+(A+B)

a)
100%A

L+Sb

E
[Pb+Sb]

A+
(A+B)

E
A+B

A+L

L+B

%B

100%B

Pb

a

13

b

b

Sb+[Pb+Sb]

b) 37

60
%Sb

Sb

Hì nh 3.9. Dạng tổng quát của giản đồ pha loại I (a) và giản đồ pha Pb - Sb (b).
Hợp kim 1: 60%Sb + 40%Pb. Bắ t đầ u đông đặ c ở 1 (500oC), kế t thúc đông đặ c ở 2 (245oC)


40

+ > 500 C → lá ng hoµ n toµ n L, < 245 C rắ n hoà n toà n, trong khoả ng (500 ữ 245 C) 2 pha
(lỏng + rắ n) = (L + Sb). Khi là m nguội thì tinh thể B (Sb) tạ o thà nh cà ng nhiề u.
áp
p dụng quy tắc cá nh tay đò n:
n:
- tạ i đ iể m a tỷ lệ pha rắ n %Sb= aa/aa=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha lỏng %L=63,5%
- tạ i đ iể m b tỷ lệ pha rắ n %Sb= bb/bb= (60-13)/(100-13)=54%, pha lỏng %L=46%
áp
p dụng quy tắc pha: tạ i điể m 1& a T=2-2+1= 1 đông đặ c trong khoả ng nocó thể thay
đổi
trê n đ iể m 1 T=2-1+1=2 thay đổi cả % và no mà pha lỏng (hệ ) vẫ n bả o tồn

tạ i ® iĨ m cï ng tinh E T=2-3+1=0 → đông đặ c cùng tinh thì no không đổi giống KL ng/chÊ t
hay
L13%Sb → (Pb + Sb).
Ph¶ n ø ng cï ng tinh:
LE → (A + B)
Hỵ p kim cã thà nh phầ n ở chí nh đ iể m E hợp kim cùng tinh, có nhiệ t độ chả y thấ p nhấ t,
Hợ p kim < 13%Sb = HK tr−íc cï ng tinh, HK>13%Sb →sau cïng tinh (tự khả o sá t HKTCT)
3.2.4. Giản đồ loại II
Đ/n: là GĐP của hệ 2 cấ u tử hoà tan vô hạ n ở trạ ng thá i rắ n và lỏng (hì nh 3.10)
Hệ đ iể n hì nh Cu - Ni ở hì nh 3.10.a và hệ Al2O3 - Cr2O3 ở hì nh 3.10b.
Sơ đồ biểu diễn sự hình thành tổ chức khi kết tinh ở các nhiệt độ khác nhau.
o

o

0
1

1455

nhiệ t

1400
2

1
L+

1200

Cu

2

40

60
%Ni

80

L+

2100
2045
2000



20

L

2200

đ ờng

1083
1000

2266

nhiệ t độ ,

L

đ ờng

o

Ni



Al2O3

20

40

60
80
%Cr2O3

Cr2O3

Hì nh 3.12. Giản đồ loại III, hệ
Pb - Sn và sơ đồ hình thành
tổ chức khi kết tinh ở trạng
thái cân bằng của hợp kim

nhiệ t độ, oC

a)
b)
Hì nh 3.10. Giản đồ pha loại II, hệ Cu-Ni (a) và hệ Al2O3 - Cr2O3 (b).
3.2.5. Giản đồ loại III
Đ/n: Là giả n ® å pha cđa hƯ hai cÊ u tư, hßa tan có hạ n ở trạ ng thá i rắ n và có tạ o thà nh
cù ng tinh, hì nh 3.12. Hệ điể n hì nh là Pb-Sn. Dạ ng khá giống với giả n đồ loạ i I, khá c nhau
ở đ â y là
cá c dung dị ch rắ n có hạ n và
1
A
thay thế cho cá c cấ u tử A và
1
L+40%S
L
300
B.
2
2
245
B
AEB - đ ờng lỏ ng, ACEDBL
2

a
a
3
200

E
đ ờng rắ n.
C
183 D
13,3%Sn



4

19,2

61,9

100

97,5

G

+Sn

F

13,3 18,5
Pb
20

3

57
40

%Sn

60

40%Sn

80

Sn

+ T ơ ng tự nh giả n đ ồ loạ i I, nhiệ t độ chả y của HK giả m khi tă ng cấ u tử thứ hai.

4


41

+ Điể m cùng tinh E với phả n ứng cïng tinh : LE → [α+β] hay L61,9 → [α19,2+ β97,5]
+ HK < 61,9%Sn → tr−íc cïng tinh (tr¸ i E) và HK> 61,9%Sn HK sau cùng tinh (phả i E)
+ CF và DG là giới hạ n hòa tan. Độ hòa tan max ở nhiệ t độ cùng tinh 183oC
+ Có thể chia cá c hợp kim của hệ thà nh ba nhóm sau.
ã Nhó m chứ a rÊ t Ý t cÊ u tư thø hai (bª n trá i F, bê n phả i G), sau khi kÕ t tinh xong chØ cã
mét dung dÞ ch rắ n hoặ c , có đặ c tí nh nh giả n đồ loạ i II.
ã Nhóm có thà nh phầ n nằ m trong khoả ng (từ Fđế n C và D đế n G), no< CF và DG II&II.
ã Nhó m già u nguyê n tố HK (tõ C ®Õ n D), sau khi tiÕ t ra dung dị ch rắ n (C hay D), pha
lỏng cò n lạ i điể m cùng tinh E.
Khả o sá t HK 40%Sn của hệ Pb - Sn (hì nh 3.12).

- Trê n 245oC HK chả y lỏng hoà n toà n, ở 245oC hợp kim bắ t đầ u kế t tinh ra 2 với
13,3%Sn, nguội tiế p tục dung dị ch rắ n AC, pha lỏng còn lạ i AE chiề u tă ng lê n của
hà m l ợ ng Sn.
áp dụ ng quy tắ c đòn bẩ y: ở 200oC pha chứa 18,5%Sn (a) và L chứa 57%Sn (a),
%rắ n= (57-40)/(57-18,5) = 44,2%, %L = 55,8%
ë nhiƯ t ® é cïng tinh (LE → [αC + βD]), %L=(61,9-40)/(61,9-19,2)=51,3%, vµ %α=48,7%
trong cï ng tinh %=(97,5-61,9)/(97,5-19,2)= 45,5% và %=54,5%

Hì nh 3.13. Tổ chức tế vi
của hợp kim Pb - Sb: a.
cùng tinh [+], màu tèi lµ
α giµu Pb, b. tr−íc cïng
tinh víi 40%Sn [α độc lập
là các hạt lớn màu đen bị
bao bọc bởi cùng tinh [+]

3.2.6. Giản đồ loại IV
Đ/n: Là GĐP hai cấ u tử có tạ o thà nh hợp chấ t hóa học
AmBn,
Dạ ng đ iể n hì nh là hệ HK Mg-Ca (hì nh 3.14) với
hợp chấ t hoá học ổn đị nh Mg4Ca3, = tổng của hai
giả n đ ồ loạ i I: Mg - Mg4Ca3 và Mg4Ca3-Ca. Đợc
khả o sá t nh 2 giả n đồ độc lậ p.

nhiệ t độ ,

Đ/điể m: hai loạ i dung dị ch rắ n : loạ i kế t tinh đầ u tiê n ở trê n 183oC và loạ i cïng kÕ t tinh
ví i β ë nhiƯ t độ không đổi (183oC) và đợc gọi là cùng tinh (bỏ qua II).
Hì nh 3.13 là tổ chức tế vi của hai hợp kim hệ nà y.
L

Mg4Ca3+L

800

600

Mg+L
L+Mg4Ca3

516
400

Mg+Mg4Ca3

L+Ca
445
Mg4Ca3+Ca

55,3
Mg
Ca
20
60
40
80
Hì nh 3.14. Giản đồ loại IV, hệ Mg-Ca
%Ca
Trê n đ â y là bốn giả n đồ pha hai cấ u tử cơ bả n nhấ t, thực tế còn có nhiề u kiể u giả n
đ ồ pha phứ c tạ p với cá c phả n ứng khá c.

3.2.7. Cá c giản đồ pha với các phản ứng khác
GĐP vớ i cá c phản
ứng bao tinh (peritectic):
p
(peritectic):L+R1R2.Ví dụ GĐP Fe-CL0,5+ δ0,1 → γ0,16


42

Đ/điể m: rắ n mới R2 nằ m giữa Lbt& R1 trê n GĐP, p/ứ bao tinh không xả y ra hoà n toà n, vì R2
tạ o thà nh bao bọc lấ y R1 tạ o nê n lớp mà ng ngă n cá ch không cho phả n ứng tiế p tục.
GĐP có phả n ứng cùng tí ch (eutectoid):
(eutectoid): R [R1+R2]
Đ/điể m: khá c với phả n ứng cùng tinh, cùng tí ch là pha rắ n 2 pha rắ n.
Ví dụ : GĐP Fe - C:
Fe(C)0,8 [Fe + Fe3C] (sẽ khả o sá t sau).
Sự tiế t pha khỏi dung dị ch rắ n
Tiế t pha II & II (hì nh 3.12) là cá c phầ n tử nhỏ mị n, phâ n tá n, phâ n bố đề u trong nề n
pha mĐ → ho¸ bỊ n → hã a bỊ n tiế t pha.
3.2.8. Quan hệ giữa dạ ng giả n đồ pha và tí nh chất của hợp kim
a. Tí nh chất các pha thành phần
Hợ p kim có tổ chøc mét pha → tÝ nh chÊ t cđa hỵp kim là tí nh chấ t của pha đó
HK có tổ chứ c bao gồ m hỗ n hợ p cđ a nhiỊ u pha th× tÝ nh chÊ t của hợp kim là sự tổ ng hợ p
hay kế t hợ p tí nh chấ t củ a cá c pha thà nh phầ n (không phả i là cộng đơn thuầ n), gồm cá c
trờng hợ p:
HK là DDR (dung dị ch rắ n) + cá c pha trung gian: Quan hÖ tÝ nh chÊ t - nång độ thô ng
th ờng đ ợ c xá c đị nh bằ ng thực nghiệ m.
Đ/điể m tí nh chấ t và sự hì nh thà nh:
Dung dị ch rắ n (tÝ nh chÊ t gÇ n gièng víi KL dung môi), thờng rấ t dẻ o, dai và mề m,
Pha trung gian : tÝ nh chÊ t kh¸ c hẳ n với cá c cấ u tử nguyê n chấ t: cứng hoặ c rấ t cứng, giòn.

Pha trung gian chØ xt hiƯ n khi ®−a cÊ u tư thứ hai và o với lợng v ợt quá giới hạ n hòa
tan.
b. Tí nh chất của hỗ n hợ p c¸ c pha:
pha: Quan hƯ tu n tÝ nh: hì nh 3.16, đơn giả n nhấ t
1

Tí nh chấ t của hỗn hợp : T = Ti X i , trong đó Ti và Xi là tí nh chấ t và tỷ lệ của pha i, đối
n

vớ i hỵp kim 2 pha: PHK = T1X1 + T2.X2 hay PHK = T1 + X2.(T2 - T1). Víi Xi ∈ GĐP (hì nh 3.16)
L

P

PB

PA

A+B
%B

A

B


P
P

+L

nhiệ t độ, P

nhiệ t độ, P

PB
PA

A

P


%B

B


P

+
%B

A

L
L+

L
L+

nhiệ t độ, P

A+L

nhiệ t độ, P

+L

L+B

B

L
L+AmBn


P

A

PAmBn
P

+AmBn
%B

AmBn

Hì nh 3.16. Tí nh chất của hợp kim và giản ®å pha - quan hÖ tuyÕn tÝ nh
q/hÖ tuyÕ n tí nh chỉ đ úng khi cù ng cỡ hạ t và cá c pha phâ n bố đề u ®Ỉ n.