Bài giảng vật liệu kỹ thuật: : cấu trúc và liên kết nguyên tử trong chất rắn

MÔN HỌC:VẬT LIỆU KỸ THUẬT 2.1 Cấu trúc và liên kết nguyên tử trong chất rắn 2.2 Cấu trúc tinh thể kim loại 2.3 Khuyết t©t trong chất rắn 2.4 Hiện khuyếch tán trong chất rắn CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ TRONG CHẤT RẮN VÀ CẤU TRÚC TINH THỂ KIM LOẠI 2.1.1 Cấu trúc nguyên tử Gồm 2 thành phần: - Hạt nhân = proton + Neutron - Các điện tử c/đ bao quanh Có 2 thuyết về cấu tạo nguyên tử - Mô hình nguyên tử Bo - Mô hình cơ học sóng 2.1 Cấu trúc và liên kết nguyên tử trong chất rắn 2.1.2 Lực liên kết và năng lượng liên kết Xét 2 nguyên tử khi đưa lại gần nhau: - Lực hút giữa các ion trái dấu Fa - Lực đẩy đẩy giữa các ion cùng dấu Fr - Vị trí cân bằng Fa(ro) – Fr(ro) =0 - Năng lượng liên kết tương ứng với thế năng tương tác: Emin = E(ro) 2.1.3 Liên kết nguyên tử (cơ bản) a. Liên kết Ion Là loại liên kết thường gặp giữa kim loai và á kim: - Kim loai nhường e => ion dương - Á kim nhận e => ion âm - Lực liên kết là lực hút giưa ion (+) và ion (-) Đặc điểm: - Bền vững,chủ yếu ở vật liệu gốm - Cứng, dòn, dẫn điện, nhiệt kém b. Liên kết cộng hoá trị Là liên kết tao thành khi 2 hoặc nhiều nguyên tử dùng chung để số điện tử lớp ngoài cùng bằng 8. - Liên kết đồng hoá trị là loại liên kết mạnh, Cường độ phụ thuộc vào đặc tính liên kết giữa điên tử hoá trị với hat nhân (Tnc(kim cương)= 35500C) c. Liên kết kim loại Là liên kết kim loại là sự cân bằng giữa lực hút và lực đẩy giữa các ion dương sắp xếp thành mạng và các điên tự do dùng chung. - Đặc điểm: + Ánh kim: e- nhân photon -> kích thích ->mức năng lượng cao -> Mức cũ + Photon. + Dẫn điện tốt: các e- c/động có hướng khi đặt kl tong từ trường + Dẫn nhiệt tốt: e- giúp cho việc truyền động năng giữa các ion dương tốt hơn + Tính dẻo cao: sự dịch chuyển c¸c ion dương không phá vỡ mối liên kết kim lo¹i. d. Liên kết Van der Vaals (thứ cấp) Liên kết thø cấp thường yếu hơn liên kết cơ bản, thường gặp đối với các phân tử bị phân cực (dương, âm), và gây ra lực hút tĩnh điện. - Liên kết lưỡng cực vĩnh cữu ( phân tử HCl) - Liên kết giữa 2 nguyên tử phân cực (giữa 2 phân tử HF) . - Liên kết giữa 2 phân tử Polyme 2.2 Cấu trúc tinh thể kim loại 2.2.1 Một số khái niêm cơ bản a. Vật rắn tinh thể và vật rắn vô định hình - Vật răn tinh thể: là các vật rắn mà các nguyên tử sắp xếp theo một trật tư hình học nhất định (kim loại, hợp kim, chất vô c¬. Có nhiêt độ nóng chảy nhất định, tinha chất dị hướng… - Vật rắn vô định hình: là chất rắn có các nguyên tử không có trật tự(polyme, thuỷ tinh). Không có Tnc xác định, tính chất dẳng hướng… b. Mạng tinh thể: - Mạng tinh thể: Là mô hình không gian mô tả sự sắp xếp của các nguyên tử (gọi là các chất điểm) trong chât răn tinh thể - Ô cơ bản: là khối nhỏ nhất đặc trưng cho cách sắp xếp nguyên tử một loại m¹ng TT( ví dụ khối lập phương thÓ t©m) - Mặt tinh thể: là mặt phẳng đi qua ác chất điểm và song song với nhau. - M¹ng tinh thÓ t¹o thµnh do « c¬ b¶n ®­îc xÕp theo 3 chiÒu ®o - Cã 14 kiÓu m¹ng tinh thÓ thuéc 7 hÖ, Trong kim lo¹i th­êng gÆp 4 kiÓu m¹ng: LPTT, LPDT, LGXC, CPTT 2.2.2 Mạng lập phương thể t©m: - Quy luËt s¾p xÕp: C¸c nguyªn tö n»m ë ®Ønh vµ t©m khèi LËp ph­¬ng - §Æc ®iÓm: + C¸c nguyªn tö n»m s¸t nhau theo ®­êng chÐo m¨t, vµ c¸ch nhau theo ®­êng chÐo khèi - C¸c kim lo¹i cã kiÓu m¹ng LPTT: Feα, Cr, Mo, W… 2.2.3 Mạng lập phương diện tâm - Quy luËt s¾p xÕp: C¸c nguyªn tö n»m ë ®Ønh vµ t©m c¸c mÆt cña khèi lËp ph­¬ng - §Æc ®iÓm: C¸c nguyªn tö n»m s¸t nhau theo ®­êng chÐo mÆt, vµ c¸ch nhau theo ®­êng chÐo khèi vµ c¸c c¹nh - C¸c KL cã m¹ng LPDT: Fe, Cu, Al, Ni… 2.2.4 Mạng lục giác xếp chặt - Quy luËt s¾p xÕp: 12 nguyªn tö n»m ë ®Ønh vµ 2 nguyªn tö n»m ë t©m cña 2 mÆt ®¸y, 3 nguyªn tö n»m ë t©m cña 3 l¨ng trô tam gi¸c c¸ch nhau. - §Æc ®iÓm: Gåm 3 líp nguyªn tö n»m s¸t nhau, líp gi÷a n»m vµo chæ lâm cña 2 líp ®¸y - C¸c Kl cã m¹ng LGXC: Be, Mg, Ti, Coα 2.2.5 Mạng chính phương thể tâm - Gièng m¹ng LPTT song kÐo dµi mét chiÒu theo theo c¹nh khèi. - Mactenxit (tæ chøc cña thÐp sau khi t«i) cã kiÓu m¹ng CPTT 2.2.6 Th«ng sè m¹ng, mËt ®é nguyªn tö, Læ hæng trong m¹ng tinh thÓ a. Th«ng sè m¹ng: Lµ kÝch th­íc c¬ b¶n cña m¹ng tinh thÓ tõ ®ã cã thÓ tÝnh ra c¸c kho¶ng c¸ch bÊt kú trong m¹ng, th­êng chän c¸c c¹nh cña « c¬ b¶n + M¹ng LPTT: Th«ng sè m¹ng lµ c¹nh h×nh lËp ph­¬ng: a => tÝnh ®­îc b¸n kÝnh nguyªn R, thÓ tÝch « c¬ b¶n Vc… b. Læ hæng trong m¹ng tinh thÓ: NÕu coi c¸c nguyªn tö lµ c¸c qu¶ cÇu => Læ hæng Cã hai lo¹i læ hæng: + T¹o bëi khèi 8 mÆt + T¹o bëi khèi 4 mÆt M¹ng LPTT: T¹o bëi khèi 8 mÆt: 6 lç (d’=0,154d; ®­êng kÝnh ng/tö) T¹o bëi khèi 4 mÆt: 12 lç (d’ = 0,221d) M¹ng LPDT: T¹o bëi khèi 8 mÆt: 4 lç (d’ = 0,41d) T¹o bëi khèi 4 mÆt: 8 lç (d’ = 0,225d) c. MËt ®é nguyªn tö: §Æc tr­ng møc ®é xÝt chÆt cña m¹ng tinh thÓ Cã 2 lo¹i mËt ®é nguyªn tö: + MËt ®é nguyªn tö mÆt: Ms = (ns.pi.R2)/S ns Sè nguyªn tö trªn bÒ mÆt S + MËt ®é nguyªn tö khèi: Mv = (nv.1/3.pi.R3) nv Sè nguyªn tö trong thÓ tiÝch V 2.3 C¸c d¹ng thï h×nh Lµ sù tån t¹i cña 2 hay nhiÒu cÊu tróc tinh thÓ kh¸c nhaucña ïng mét nguyªn tè hay hîp chÊt ho¸ häc, c¸c d¹ng cÊu tróc kh¸c nhau ®ã gäi lµ c¸c d¹ng thï h×nh vµ ký hiªu b»ng α, β, … Qu¸ trinh chuyÓn ®æi gäi lµ sù chuyÓn biÕn thï hinh VÝ dô: Sù chuyÓn biÕn thï hinh cña Fe