Chương Cấu tạo vật liệu - Vật thể trạng thái rắn có hình dáng hồn tồn xác định - Tuỳ theo điều kiện hình thành mà chất rắn lại tồn trạng thái tinh thể vơ định hình - Các tinh thể có hình dáng tương đối ổn định có tính đối xứng Tinh thể vật rắn phần tử tạo nên chúng xếp với theo quy luật định có chu kỳ khơng gian chiều (mạng tinh thể) I Mạng tinh thể ô 1.1 Mạng tinh thể: Là mơ hình hình học mơ tả quy luật phân bố nguyên tử tinh thể: nguyên tử, nhóm ngun tử, iơn phân tử chất điểm nối liền với hệ thống đường thẳng song song ba phương không gian Nơi giao nút mạng đường thẳng (cũng vị trí hạt (ngun tử ) Mơ hình mạng tinh thể 1.2 Ô (cơ sở) - Ơ đơn vị thể tích nhỏ đặc trưng cho xếp chất điểm tồn mạng - Đặc trưng bao gồm: + Các cạnh ô bản, tức thông số mạng tinh thể a, b, c + Góc cạnh bản: α (góc cạnh a b), β (b c) γ (c a) Ô Bảy hệ tinh thể 14 kiểu mạng tinh thể Bravais (1) tam tà đơn giản, (2) đơn tà đơn giản, (3) đơn tà tâm đáy, (4) trực giao đơn giản, (5) trực giao tâm đáy, (6) trực giao thể tâm, (7) trực giao diện tâm, (8) lục giác, (9) mặt thoi, (10) phương đơn giản, (11) phương thể tâm, (12) lập phương đơn giản, (13) lập phương thể tâm, (14) lập phương diện tâm 1.3 Ký hiệu mặt phương tinh thể a Chọn hệ tọa độ đơn vị đo + Nút mạng: ứng với trục tọa độ Ox, Oy, Oz: [x,x,x]; giá trị âm: [ x, x,x] + Gốc O: nút mạng bên trái, phía sau + Các trục toạ độ Ox, Oy, Oz chọn dọc theo cạnh ô bản, đơn vị a, b, c Chọn hệ toạ độ b Chỉ số Miller cho hệ trực giao Ký hiệu phương: - Phương t bất kỳ, dựng qua O đường t’//t, t’ tìm tọa độ gần O Nếu toạ độ số nguyên dùng làm ký hiệu cho phương t cho: ký hiệu [uvw] theo thứ tự trục toạ độ Ox, Oy, Oz Tọa độ âm: [uvw ] - Hệ phương: tập hợp phương khơng song song có cách xếp nguyên tử: Ký hiệu số phương mạng LP đơn giản Ký hiệu mặt tinh thể - Mặt phẳng P: ký hiệu chữ số: (hkl) + Tìm giao điểm (P) với trục Ox, Oy, Oz + Xác định độ dài từ gốc O đến giao điểm lấy nghịch đảo + Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất, lấy giá trị tử số (hkl) - Họ mặt: tập hợp mặt cách xếp nguyên tử: {hkl} Mặt phẳng P Chỉ số Miller mặt điển hình hệ LP 1.4 Mật độ nguyên tử a Mật độ xếp: mức độ dày đặc xếp nguyên tử: - Mật độ mặt Ms: Ms=sngtử /Smặt - Mật độ khối Mv: Mv=vngtử /Vocb s, v: diện tích, thể tích nguyên tử chiếm chỗ Smặt, Vocb: diện tích, thể tích đem xét MV = NV Vng.t VO.CB 4NV πr = VO.CB MS = NS Sng.t S NS πr = S b Số phối trí K: số lượng nguyên tử cách gần nguyên tử cho K lớn mạng tinh thể dày đặc c Lỗ hổng: khơng gian trống bị giới hạn hình khối nhiều mặt mà đỉnh tâm nguyên tử (ion) nút mạng 1.5 Các kiểu mạng tinh thể lý tưởng thường gặp kim loại hợp kim 1.5.1 Mạng LPDT (A1, K12) Kim loại kiểu mạng LPDT gặp γ-Fe, Al, Au Cu, Ni Mạng LPDT (A1, K12) Đặc điểm ô bản: - Thông số mạng a - Số nguyên tử ô bản: NV = (1/2).6 + (1/8).8 = - Đường kính nguyên tử dA: dA = a 2 - Số phối trí: K=12 - Phương sít chặt: hệ phương - Mặt sít chặt thuộc hệ mặt {111} - Mật độ mặt sít chặt (111): MS = 92% - Mật độ khối MV = 74% 10 Đặc điểm lệch biên - Lệch biên xảy xung quanh đường biên vng góc với mặt phẳng tờ giấy gọi trục lệch biên - Quanh trục lệch biên xảy biến dạng cục mạng tinh thể: + Phía trục lệch, nguyên tử bị nén + Phía trục lệch nguyên tử bị kéo + Càng xa trục lệch, mạng bị biến dạng - Mặt phẳng chứa đường lệch xảy trượt nên gọi mặt trượt Vectơ Burgers b lệch - Đặc trưng cho lệch: biểu thị độ lớn phương di chuyển nguyên tử - Cách xác định vectơ b: + vẽ vịng Burgers vịng vectơ kín bao quanh trung tâm lệch theo chiều kim đồng hồ bề mặt tinh thể lý tưởng + lặp lại tinh thể có chứa lệch vịng khơng kín Vectơ b vectơ nối từ điểm cuối đến điểm đầu - b vng góc với đường lệch - lệch biên tìm thấy mặt trượt (ln chứa trục lệch b) 36 Cách xác định vectơ b lệch biên Lệch xoắn Mơ hình lệch xoắn theo chế trượt ép 37 Mơ hình lệch xoắn: trượt ép - Cắt tinh thể mặt phẳng ABCD xê dịch mép cắt CD thông số mạng Các nguyên tử bị xô lệch quanh trục AB theo kiểu xoắn ốc tạo thành lệch xoắn - Vectơ Burger b song song trục lệch - AB gọi trục lệch Bất kỳ mặt phẳng qua trục lệch AB mặt trượt, lệch xoắn có nhiều mặt trượt Cách xác định vectơ b lệch xoắn 38 Lệch hỗn hợp Lệch hỗn hợp lệch mang đặc điểm lệch biên lệch xoắn Mơ hình lệch hỗn hợp Cách xác định thành phần vectơ b 39 Mô hình lệch hỗn hợp - Cắt tinh thể mặt phẳng ABCD, ép tinh thể thông số mạng góc theo chiều vectơ b làm cho nguyên tử bị xô lệch dọc theo AB Vectơ b tạo với trục lệch góc nằm khoảng 0-90o phân tích thành thành phần: - lệch xoắn (song song vectơ b) - lệch biên (vng góc vectơ b) 2.3 Khuyết tật mặt (Interfacial defects) Khuyết tật mặt: dạng khuyết tật có kích thước lớn theo chiều đo nhỏ theo chiều đo thứ ba có dạng mặt Các dạng khuyết tật mặt: - Biên giới hạt siêu hạt - Mặt tinh thể - Biên giới pha - Biên giới song tinh… 40 Biên giới hạt - Biên giới hạt: vùng tiếp giáp tinh thể (hạt) đa tinh thể Các nguyên tử vùng thường rời khỏi vị trí cân có số xếp khác với nguyên tử phía nên có lượng cao hơn, tạo thành dạng khuyết tật mặt - Dễ xảy phản ứng hóa học thay đổi cấu trúc đóng vai trị quan trọng việc xác định tính chất vật liệu - Biên giới hạt góc lớn: phương mạng tinh thể hạt khác nhiều, làm với góc lớn 10o biên giới hạt góc lớn - Biên giới hạt góc nhỏ: hạt tinh thể phương mạng không đồng nhất, hạt gồm nhiều phần nhỏ mà phần có phương mạng hoàn toàn đồng nhất, tạo thành siêu hạt có phương mạng lệch góc nhỏ 10o biên giới hạt góc nhỏ 41 góc lớn góc nhỏ Biên gới siêu hạt: - Biên giới siêu hạt gồm lệch xếp thành hàng khoảng cách - Khoảng cách lệch: d= b/θ b: độ dài vectơ Burgers; θ: góc hai siêu hạt 42 Mặt tinh thể - Nguyên tử bề mặt liên kết với số nguyên tử phía số xếp nhỏ trị số quy định loại cấu trúc ln có lượng cao dễ xảy phản ứng hóa học khuyết tật mặt Sơ đồ xếp nguyên từ mặt Biên giới pha - Biên giới pha tồn hệ nhiều pha (ngoài biên giới hạt) - Đóng vai trị quan trọng chuyển pha hóa bền nhiều hệ hợp kim Có loại biên giới pha: + biên giới pha liền mạng hồn tồn + biên giới pha khơng liền mạng + biên giới pha liền mạng phần 43 Biên giới song tinh - Biên giới song tinh: biên giới đặc biệt qua có đối xứng gương mạng tinh thể - Song tinh xảy mặt tinh thể xác định theo phương đặc biệt, phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể Ví dụ hệ LPTT, song tinh xảy hệ mặt (112) phương [111] 2.4 Cơ chế tăng bền kim loại Biến dạng dẻo tinh thể xảy dịch chuyển lệch Nguyên lý chế tăng bền kim loại loại bỏ lệch làm ngừng dịch chuyển lệch Các nguyên lý tăng bền Hợp kim hóa để tăng độ bền Hóa cứng biến dạng Giảm dịch chuyển lệch nhờ biên giới hạt Hóa cứng nhờ kết tủa 44 a Hợp kim hóa để tăng độ bền - Nguyên tử tạp chất (khi hợp kim hóa) dù vị trí thay xen kẽ làm giảm khả di chuyển lệch - Xét trường hợp nguyên tử tạp chất làm nguyên tử mạng lệch khỏi vị trí cân bằng, tăng lượng biến dạng tinh thể trường biến dạng - Khi có lệch: lượng hệ tăng lên - Lệch muốn di chuyển: lượng hệ phải tăng: tăng ứng suất đặt vào độ bền vật liệu tăng lên 45 b Hóa cứng biến dạng - Trong BDD, số lượng lệch tăng đột ngột ứng suất tạo biến dạng dẻo cao Sự tăng ứng suất gọi hóa cứng biến dạng Mật độ lệch, ρ tính theo công thức: ρ =∑ li V , cm − Với đa số kim loại, ưs để lệch di chuyển τ: τ =τ0 + k ρ τo k số vật liệu c Giảm dịch chuyển lệch nhờ biên giới hạt - Biên giới hạt cản trở di chuyển lệch tăng ứng suất cần thiết để di chuyển lệch (tạo biến dạng dẻo) - hạt nhỏ mật độ biên giới hạt đơn vị thể tích cao ứng suất bắt đầu gây biến dạng dẻo tăng - Hiệu tăng bền biên giới hạt lớn so với p.pháp tăng bền khác 46 Giảm dịch chuyển lệch nhờ biên giới hạt d Hóa cứng nhờ kết tủa - Kết hợp tạp chất kết tủa vào tinh thể cách để tăng bền: di chuyển lệch bị cản trở biến dạng mạng xung quanh kết tủa ứng suất để di chuyển lệch lớn khơng có kết tủa 47 III Nguồn Frank-Read 48 49 Cơ chế Orowan - Orowan mechanism 50