VẬT LIỆU HỌC
Phạm Thị Hồng Nga
Bộ môn Hàn & Công nghệ Kim loại
http://www.sciencedirect.com/
http://link.springer.com/
CHƯƠNG 1:
Giới thiệu
Mục tiêu:
Cấu trúc kim loại
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
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
I. Phân loại vật liệu
- Kim loại
- Gốm
- Polymer
- Composite
II. Khái quát về kim loại
1. Định nghĩa kim loại
• Dựa trên tính chất
aluminum atom
- 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
- Có ít điện tử ở lớp ngoài cùng
- Điện tử hầu như tự do
- Ion dương
II. Khái quát về kim loại
2. Liên kết kim loại
Metallic Bonding
→ Quyết định tính chất đặc trưng của kim loại
“Electron Sea”
Liên kết kim loại: các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt trong
không gian điện tử tự do “chung”.
Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) của lực hút (giữa ion
dương và điện tử tự do bao quanh) và lực đẩy (giữa các ion dương).
Chính nhờ sự cân bằng này các nguyên tử, ion kim loại luôn luôn có
vị trí cân bằng xác định trong đám mây điện tử (“biển” điện tử).
Lực hút tĩnh điện cân bằng về mọi phía
giữa Ion+ và các điện tử tự do bao quanh
II. Khái quát về kim loại
3. Tính kim loại
- Dẫn nhiệt và dẫn
điện cao: nhờ có điện
tử tự do rất dễ chuyển
động định hướng
dưới một hiệu điện
thế làm kim loại có
tính dẫn điện cao, đây
chính là sự truyền
động năng của các
điện tử tự do và ion
dương
- Tính dẻo cao: sự có mặt của điện
tử tự do (mây điện tử) là nguyên
nhân của tính dẻo cao. Các ion
dương kim loại rất dễ dịch chuyển
giữa các lớp đệm là mây điện tử
dưới tác dụng cơ học, hơn nữa khi
kim loại bị biến hình (tức các ion
chuyển chỗ) liên kết kim loại vẫn
được bảo tồn do vị trí tương quan
giữa các ion dương và điện tử tự do
không thay đổi.
III. Mạng tinh thể của kim loại
1. Các khái niệm
Cấu trúc → Tính chất
- Nguyên tử tự do
- Nhóm nguyên tử (phân tử)
- Sự sắp xếp các nguyên tử
Lực liên kết
1
??
2
?? nhiệt độ nóng chảy
III. Mạng tinh thể của kim loại
1. Các khái niệm
Vật tinh thể:
•các chất điểm của nó
sắp xếp có quy luật
•có nhiệt độ nóng chảy
xác định
Vật vô định hình:
•các chất điểm cấu tạo
nên nó sắp xếp không có
trật tự
•không có nhiệt độ nóng
chảy xác định
Tất cả kim loại và
hợp kim
Thuỷ tinh, chất dẻo,
cao su…
III. Mạng tinh thể của kim loại
1. Các khái niệm
Mạng tinh thể
Tinh thể muối ăn
Là một mô hình không gian mô tả sự sắp xếp của
các chất điểm cấu tạo nên vật tinh thể
III. Mạng tinh thể của kim loại
1. Các khái niệm
Metallic Crystal Structures
Mặt tinh thể
- Là mặt phẳng đi qua một số các
chất điểm trong mạng tinh thể
- Các mặt tinh thể song song
nhau thì có tính chất giống nhau
• Phương tinh thể
- Là đường thẳng đi qua một số các
chất điểm trong mạng tinh thể
- Phương tinh thể song song nhau thì
có tính chất giống nhau
III. Mạng tinh thể của kim loại
1. Các khái niệm
Khối cơ bản (khối cơ sở)
Unit cell
- 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)]
Crystal Systems – Some Definitional
information
Unit cell: smallest repetitive volume which
contains the complete lattice pattern of a
crystal.
7 crystal systems of varying
symmetry are known
These systems are built by
changing the lattice
parameters:
a, b, and c are the edge
lengths
, , and  are interaxial
angles
III. Mạng tinh thể của kim loại
1. Các khái niệm
Điểm trống
- Hình dạng được tạo bởi các đa
diện cong
- Coi kích thước điểm trống là một
quả cầu nội tiếp trong khoảng
trống
• Nút mạng: Vị trí cân bằng mà
nguyên tử, ion dao động xung
quanh
III. Mạng tinh thể của kim loại
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 (nguyên tử)
8
• 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
Body Centered Cubic Structure (BCC)
• Atoms touch each other along cube diagonals.
--Note: All atoms are identical; the center atom is shaded
differently only for ease of viewing.
ex: Cr, W, Fe (), Tantalum, Molybdenum
• Coordination # = 8
2 atoms/unit cell: 1 center + 8 corners x 1/8
Atomic Packing Factor: BCC
• APF for a body-centered cubic structure = 0.68
3a
a
2a
R
a
Close-packed directions:
length = 4R = 3 a
atoms
volume
4
p ( 3a/4) 3
2
unit cell
atom
3
APF =
volume
3
a
unit cell
III. Mạng tinh thể của kim loại
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 = 0.221dngtử
d: đường kính nguyên tử kim loại
* Điểm trống khối 8 mặt
- Nằm ở tâm các mặt bên và ở giữa các cạnh bên
- dtr = 0.154dngtử
III. Mạng tinh thể của kim loại
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 (nguyên tử)
8
2
nv
Mv =
= 74%
V
• Có mật độ xếp chặt lớn nhất
III. Mạng tinh thể của kim loại
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 = 0.225dngtử ờng kính nguyên tử kim
loại
* Khối 8 mặt
- Nằm ở trung tâm khối và ở giữa các cạnh bên
- dtr = 0.414dngtử
FACE CENTERED CUBIC
STRUCTURE (FCC)
• Close packed directions are face diagonals.
--Note: All atoms are identical; the face-centered atoms are shaded
differently only for ease of viewing.
6
ATOMIC PACKING FACTOR: FCC
• APF for a body-centered cubic structure = 0.74
a
Unit cell contains:
6 x 1/2 + 8 x 1/8
= 4 atoms/unit cell
7
Lập phương thể tâm
Lập phương diện tâm
n=2
n=4
nv
Mv =
= 68%
V
nv
Mv =
= 74%
V
III. Mạng tinh thể của kim loại
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: a cạnh đáy
c chiều cao lăng trụ
• Khi c/a = 1.633 thì mạng được coi là xếp chặt
HEXAGONAL CLOSE-PACKED
STRUCTURE (HCP)
• ABAB... Stacking Sequence
• 3D Projection
• 2D Projection
A sites
B sites
A sites
• Coordination # = 12
• APF = 0.74
10
III. Mạng tinh thể của kim loại
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: a và c
• Tỷ số c/a: độ chính phương
III. Mạng tinh thể của kim loại
3. Tính thù hình (tính đa hình)
• Là sự tồn tại các kiểu mạng tinh thể khác nhau
khi nhiệt độ và áp suất thay đổi
iron system:
• Ký hiệu:
 ,  , , ,
liquid
BCC
1538ºC
-Fe
FCC
1394ºC
-Fe
912ºC
BCC
Sắt
-Fe
IV. Cấu trúc của kim loại
1. Các sai lệch trong mạng tinh thể
a. Sai lệch điểm
• Là sai lệch có kích thước nhỏ (chỉ vài ba
thông số mạng) theo cả ba phương đo, có
dạng bao quanh một điểm
• Gồm có:
- Xô lệch mạng
- Điểm trống
- Nguyên tử xen kẽ
- Nguyên tử lạ (tạp chất)
IV. Cấu trúc của kim loại
1. Các sai lệch trong mạng tinh thể
b. Sai lệch đường
• Là sai lệch có kích thước nhỏ theo hai
chiều và lớn theo chiều thứ ba
• Có thể là một dãy các sai lệch điểm
• Có hai dạng: lệch biên và lệch xoắn
IV. Cấu trúc của kim loại
1. Các sai lệch trong mạng tinh thể
b. Sai lệch đường
b1. Lệch biên
dislocation
• Trong mạng tinh thể hoàn chỉnh có thêm bán mặt thừa ABCD,
sẽ làm cho các nguyên tử ở vùng biên bán mặt, tức là xung
quanh trục AD bị xô lệch, gây nên lệch biên
• Lệch biên có tác dụng rất lớn đến quá trình trượt
IV. Cấu trúc của kim loại
1. Các sai lệch trong mạng tinh thể
b. Sai lệch đường
b2. Lệch xoắn
•
Trong tinh thể hoàn chỉnh được cắt bằng bán mặt ABCD rồi
dịch chuyển phần tinh thể hai bên bán mặt này ngược chiều
nhau một thông số mạng tạo nên lệch xoắn
• Lệch xoắn dùng để giải thích quá trình kết tinh lại của kim loại
kết tinh
IV. Cấu trúc của kim loại
1. Các sai lệch trong mạng tinh thể
c. Sai lệch mặt
• Là sai lệch có kích thước lớn theo hai
chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba
• Điển hình của sai lệch mặt là biên giới hạt và
siêu hạt, bề mặt tinh thể
IV. Cấu trúc của kim loại
2. Đơn tinh thể và đa tinh thể
a. Đơn tinh thể
Single crystal
• Trong một khối tinh thể:
– theo một phương bất kỳ phương mạng không
đổi hướng
– thông số mạng a, b, c và  ,  ,  là hằng số
• Có tính dị hướng
• Không phải là cấu trúc thực tế của kim loại
IV. Cấu trúc của kim loại
2. Đơn tinh thể và đa tinh thể
b. Đa tinh thể polycrystals
• Là cấu trúc thực tế của kl
• Đơn tinh thể: hạt
Đa tinh thể: đa hạt
- Phương mạng trong từng đơn tinh thể thì song song
nhau, nhưng giữa các đơn tinh thể thì lệch nhau một
góc bất kỳ 
- Tính đẳng hướng
- Vùng biên giới hạt các nguyên tử sắp xếp không trật
tự, nhiệt độ nóng chảy thấp và chứa nhiều tạp chất..