Chương 2 Vật liệu kim loại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC --oOo-- VẬT LIỆU HỌC NGÀNH HÓA Chương 2 VẬT LIỆU KIM LOẠI Th.S. Lê Quý Dũng Học kỳ 2 Năm học 2011 - 2012 2.1. Cấu trúc của vật liệu kim loại • Đặc tính cấu trúc kim loại: nguyên tử luôn có xu hướng sắp xếp chặt với kiểu mạng đơn giản ( như lập phương tâm mặt, lập phương tam khối, sáu phương xếp chăt) và các liên kết ngắn, mạnh. – Lập phương tâm mặt – Lập phương tâm khối – Sáu phương xếp chặt Lập phương tâm mặt • Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và tâm các mặt bên như biểu diễn ở các hình • Số nguyên tử thực tế thuộc về một ô • n = 8 đỉnh .1/8 + 6 mặt .1/2 = 4 nguyên tử. Lập phương tâm mặt • Trong mạng A1 này các nguyên tử xếp xít nhau theo phương đường chéo mặt *110+, như vậy về mặt hình học dễ nhận thấy rằng: • -Bán kính nguyên tử: • - Đường kính nguyên tử : Lập phương tâm mặt • 2 Loại lỗ hổng: lỗ hổng bát diện và lỗ hổng tứ diện => là yếu tố quyết định cho sự hòa tan hợp chất khác dưới dạng xen kẽ • Khá nhiều kim loại điển hình có kiểu mạng này: sắt (Fe), niken (Ni), đồng (Cu), nhôm (Al) với hằng số a mạng lần lượt bằng: 0,3656; 0,3524; 0,3615; 0,4049mm ngoài ra còn có chì, bạc, vàng. Lập phương tâm khối • Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và các trung tâm khối như biểu diễn ở hình • Số nguyên tử thuộc về ô mạng cơ sở: n = 8 đỉnh. 1/8 + 1 giữa = 2 nguyên tử Lập phương tâm khối • Các nguyên tử xếp xít nhau theo phương đường chéo *111+, như vậy về mặt hình học dễ dàng nhận thấy rằng • -Bán kính nguyên tử: • - Đường kính nguyên tử : Lập phương tâm khối • 2 Loại lỗ hổng: lỗ hổng bát diện và lỗ hổng tứ diện • Các kim loại có kiểu mang này là Feα, crôm (Cr), molipden (Mo) ,vonfram (W) với hằng số mạng a lần luợt là 0,2866 ; 0,2884; 0,3147; 0,3165mm. Sáu phương xếp chặt • Ô cơ sở là khối lăng trụ lục giác (gồm 6 lăng trụ tam giác đều ), các nguyên tử nằm trên 12 đỉnh, tâm của hai mặt đáy và tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách nhau như biểu thị ở hình • Để biểu thị một ô cần tới 17 nguyên tử, song thực tế thuộc về ô này chỉ là: • n = 12 đỉnh. 1/6 + 2 giữa mặt. 1/2 + 3 = 6 nguyên tử Sáu phương xếp chặt • Trong mạng sáu phương xếp chặt và chiều cao c của ô phụ thuộc vào cạnh a của lục giác đáy mà c/a luôn bằng √8/3 hay 1,633 (hình 2.8). Tuy nhiên trong thực tế c/a của kiểu mạng này thay đổi rất nhiều và không bao giờ đạt được đúng giá trị lý tưởng trên. Vì thế người ta qui ước: • -Nếu tỉ số c/a nằm trong khoảng 1,57 ÷ 1,64 thì mạng được coi là mạng xếp chặt. • -khi tỉ số c/a nằm ngoài khoảng trên thì mạng được coi là mạng không xếp chặt. Sáu phương xếp chặt • Trong mạng này cũng có các lỗ hỗng bốn mặt và tám mặt. • Các kim loại có kiểu mạng này ít thông dụng hơn là: -Titan (Tiα ) với a = 0,2951mm, c = 0,4679mm, c/a = 1,5855 (xếp chặt) -Magiê (Mg) với a = 03209mm , c = 0,5210mm ,c/a = 1,6235 (xếp chặt) -Zẽm (Zn) với a = 0,2664mm ,c = 0,4945mm ,c/a = 1,8590 (không xếp chặt) • Các dạng thù hình • Thù hình hay đa hình là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học, mỗi cấu trúc khác biệt đó được gọi là dạng thù hình và theo chiều nhiệt độ tăng được ký hiệu lần lượt bằng các chữ cái Hy Lạp α, β, γ, δ, ε… • Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác được gọi là chuyển biến thù hình. Các dạng thù hình • Ảnh hưởng tới thù hình: – Nhiệt độ – Áp suất Các dạng thù hình • Ta đã biết rằng sắt có hai kiểu mạng là LPTK và LPTM. trong đó mạng LPTK tồn tại trong 2 khoảng nhiệt độ: dưới 9110C gọi là Fe alpha và từ 1392oC đến nhiệt độ chảy 15390C gọi là Fe beta, còn mạng LPTM tồn tại trong khoảng nhiệt độ còn lại 911 dến 1392 o C gọi là Fe gamma. Sự khác nhau về cấu trúc, đặc biệt là kích thước các lỗ hổng dẫn đến hai dạng thù hình Fe alpha và Fe gamma có khả năng hòa tan cacbon và các nguyên tố hợp kim khác nhau, đó là cơ sở của các chuyển pha khi nhiệt luyện thép và tạo ra các loại thép khác nhau về tính chất thỏa mãn các yêu cầu đa dạng của kỹ thuật. 2.2. Sự kết tinh của kim loại • Cấu trúc của trạng thái lỏng: chỉ có trật tự gần, tức trong nó có những nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự. Một dạng tồn tại như vậy cho thấy về mặt cấu trúc trạng thái lỏng gần trạng thái tinh thể hơn là trạng thái khí, điều này giúp chúng kết tinh (tạo thành tinh thể và hạt) một cách dễ dàng. 2.2. Sự kết tinh của kim loại • Mọi sự chuyển trạng thái đều được quyết định đặt trưng bởi sự biến đổi năng lượng. • Năng lượng tự do của các trạng thái lại chịu sự chi phối của nhiệt độ 2.2. Sự kết tinh của kim loại • Ở nhiệt độ T>Tos vật liệu tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lượng tự do của trạng thái lỏng nhỏ hơn rắn. • Ở nhiệt độ T<Tos, vật liệu tồn tại ở trạng thái tinh thể • Như thế khi làm nguội qua Tos sẽ có sự chuyển trạng thái từ lỏng sang trạng thái tinh thể 2.2. Sự kết tinh của kim loại • Độ quá nguội: là nhiệt độ chênh lệch giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết và nhiệt độ kết tinh thực tế • Như vậy thực tế sự kết tinh chỉ xảy ra với độ quá nguội. Khi làm nguội một cách rất chậm một cách cố ý với kim loại có độ tinh khiết rất cao thì nhiệt độ kết tinh sẽ rất gần với nhiều độ lý thuyết. 2.2. Sự kết tinh của kim loại • Sự kết tinh xảy ra được là nhờ hai quá trình cơ bản nối tiếp nhau là tạo mầm và phát triển mầm • a. tạo mầm: là quá trình sinh ra các phần tử có cấu trúc tinh thể tức những chỏm trật tự gần với kích thước đủ lớn và cố định. Có 2 loại mầm là mầm tự sinh (tự sinh ra trong dung dịch) và mầm ký sinh (thêm từ ngoài vào dung dịch) 2.2. Sự kết tinh của kim loại • b. Phát triển mầm: các nguyên tử trong dung dịch tiếp tục bám vào mầm tinh thể, và làm cho tinh thể phát triển về kích thước. • Trong các điều kiện thông thường, sự phát triển của mầm tinh thể là dị hướng, tức là tinh thể lớn lên theo một số hướng. Điều này có lẻ là lúc mầm phát triển nhanh theo phương tản nhiệt mạnh hơn. 2.2. Sự kết tinh của kim loại • Sự hình thành hạt: gồm có 2 vấn đề chính: quá trình kết tinh và hình dạng hạt • Quá trình kết tinh: – Có thể hình dung quá trình kết tinh như sau: khi quá trình kết tinh đang diễn ra thì các mầm tinh thể mới vẫn tiếp tục được xuất hiện. Kết quả là: • Mỗi mầm tạo nên một hạt • Các hạt xuất phát từ mầm sinh ra trước có kích thước lớn hơn. 2.2. Sự kết tinh của kim loại • Hình dạng hạt: do tương quan về tốc độ phát triểnmầm theo các phưng mà hạt tạo nên có hình khác nhau • Khi hạt phát triển theo mọi phương thì ta thu được dạng cạnh hay dạng cầu • Khi tốc độ phát triển theo hai phương thì thu được dạng tấm, lá • Khi tốc độ phát triển theo một phương nào đó thì hạt có hình trụ 2.2. Sự kết tinh của kim loại 2.3. Sai lệch mạng tinh thể • Cấu trúc tinh thể như trên là cấu trúc tinh thể lý tưởng. • Thực tế: luôn có các dao động nhiệt và các sai hỏng, khuyết tật trong trật tự sắp xếp của các nguyên tử (ion, phân tử…) • Những sai hỏng này được gọi là những sai lệch mạng tinh thể • Sai lệch này làm ảnh hưởng trực tiếp tới những tính chất vật lý của tinh thể (ngoại lực tác dụng, màu sắc…) • Phụ thuộc vào kích thước theo ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành: sai lệch điểm, sai lệch đường, sai lệch mặt. 2.3. Sai lệch mạng tinh thể • Sai lệch điểm: Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo ba chiều không gian, có dạng bao quanh một điểm. • Trong mạng tinh thể của chất rắn luôn luôn tồn tại các nút trống và nguyên tử xen kẽ nằm giữa các nút mạng gọi tắt là nguyên tử tự xen kẽ như trình bày ở hình 1.12.b. Trong tinh thể, nguyên tử luôn bị dao động nhiệt quanh vị trí quy định gọi là vị trí cân bằng. Do ba động nhiệt (phân bố năng lượng không đều) một số nguyên tử có năng lượng cao, biên độ lớn có khả năng bức ra khỏi nút mạng để lại nút không có nguyên tử gọi là nút trống. sau khi rời khỏi nút mạng, nguyên tử có thể chuyển sang vị trí sang kẽ giữa các nút mạng trở thành nguyên tử tự xen kẽ (hay đi ra vị trí cân bằng trên bề mặt). Nút trống có ảnh hưởng rất lớn đến cơ chế và tốc độ phát tán của kim loại và hợp kim ở trạng thái rắn. 2.3. Sai lệch mạng tinh thể Mạng tinh thể Thông thường Sai lệch lỗ trống Sai lệch xen kẽ Sai lệch thay thế 2.3. Sai lệch mạng tinh thể • Dạng thứ hai của sai lệch điểm: nguyên tử tạp chất • Trong thực tế không thể có vật liệu hoặc kim loại sạch tuyệt đối thường sạch nhất cũng chỉ đạt 99.99% hay 99.999% là cùng. Phụ thuộc vào kích thước, nguyên tử lẫn vào (thường gọi là tạp chất) có thể thay thế các nguyên tử nền ở nút mạng hoặc xen giữa các nút • Do sự sai khác về đường kính nguyên tử giữa các nguyên tố nền và tạp chất nên khi thay thế cho nhau bao giờ cũng làm cho mạng của nền dãn nở ra hay co rút lại gây nên sai lệch có dạng bao quanh một điểm. Còn khi xen kẽ (hay tự xen kẽ) bao giờ cũng làm mạng nền dãn ra vì kích thước lỗ hổng luôn nhỏ hơn đường kính nguyên tử. Các nguyên tử nền xung quanh lỗ hổng có khuynh hướng xích lại gần nhau. Trong nhiều trường hợp người ta chủ động tạo ra dạng sai lệch này bằng cách đưa thêm một lượng đáng kể nguyên tố (cấu tử) thứ hai vào nền. 2.3. Sai lệch mạng tinh thể • Sai lệch đường: gồm có 2 loại: lệch biên và lệch xoắn. • Sai lệch đường là loại có kích thước nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo hai chiều và lớn theo chiều thứ ba, tức có dạng của một đường (đường ở đây có thể là thẳng, cong, xoáy trôn ốc). Sai lệch đường có thể là một dãy các sai lệch điểm kể trên, song cơ bản và chủ yếu vẫn là lệch (dislocation) với hai dạng là biên và xoắn. • 2.3. Sai lệch mạng tinh thể • Lệch biên: Sự xuất hiện thêm bán mặt ở nửa phần trên của mạng tinh thể lý tưởng làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phía rở nên không hoàn toàn song song với nhau nữa. • Sự sắp xếp nguyên tử thuộc vùng mép dưới của bán mặt bị xô lệch dọc theo trục gọi là trục lệch, nó chính là biên của bán mặt nên có tên là lệch biên. Với sự phân bố như vậy nửa tinh thể có chứa bán mặt sẽ chịu ứng suất nén, nửa còn lại chịu ứng suất kéo. 2.3. Sai lệch mạng tinh thể • Lệch xoắn: Có thể hình dung lệch xoắn như mô hình trượt dịch ở hình sau. Mạng tinh thể bị cắt theo bán mặt, rồi trượt dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau đi một hằng số mạng. Điều này sẽ làm cho các nguyên tử trong vùng hẹp giữa trên và dưới bán mặt sắp xếp lại có dạng đường xoắn ốc nên lệch có tên là lệch xoắn. 2.3. Sai lệch mạng tinh thể • Sai lệch mặt: là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng của một mặt (mặt ở đây có thể là phẳng, cong hay uốn lượn). Dạng điển hình của sai lệch mặt là biên giới hạt 2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể • Nếu chất rắn tinh thể chỉ là một khối mạng đồng nhất tức cùng kiểu và hàng số mạng cũng như phương không đổi hướng trong toàn bộ thể tích thì được gọi là đơn tinh thể (hình 1.20a). Trong thiên nhiên có thể tìm thấy một số khoáng vật có thể tồn tại dưới dạng đơn tinh thể. Chúng có bề mặt ngoài nhẵn, hình dáng xác định, đó là những mặt phẳng nguyên tử giới hạn thường là các mặt xếp chặt nhất) theo can tinh thể kim loại không tồn tại trong tự nhiên, muốn có phải dùng công nghệ “nuôi” đơn tinh thể. • Đơn tinh thể có tính chất rất đặt thù là dị hương vì theo các phương mật độ xếp chặt dụng đơn tinh thể, nó trình bày ở trên. Trong sản xuất ca tinh thể không sử dụng đơn tinh thể, nó được dùng rộng rãi trong công nghiệp điện tử ở dạng bán dẫn. 2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể • A: Hạt • Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể. Đa tinh thể gồm rất nhiều đơn tinh thể cỡ nhỏ (cỡ µm) được gọi là hạt tinh thể hay đơn giản là hạt, chúng tuy có cùng cấu trúc và thông số mạng nhưng phương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới hạn gọi là biên hạt hay biên giới hạn như trình bày ở hình 2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể • A: Hạt • Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể. Đa tinh thể gồm rất nhiều đơn tinh thể cỡ nhỏ (cỡ µm) được gọi là hạt tinh thể hay đơn giản là hạt, chúng tuy có cùng cấu trúc và thông số mạng nhưng phương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới hạn gọi là biên hạt hay biên giới hạn như trình bày ở hình 2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể • Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, xét về mặt này từng hạt dều thể hiện tính dị hướng. • Các hạt tuy có amngj và thông số giống nhau nhưng có phương lệch nhau tức tính đồng nhất về phương mạng không giữ được trong toàn khối mạng vì thế lại thể hiện tính đẳng hướng (đôi khi cònủa nó hạt vẫn thể hiện tính dị hướng). • Biên hạt chịu ảnh hưởng quy luật phương mạng của các hạt xung quanh nên có cấu trúc”hỗn hợp” và vì vậy không duy trì được cấu trúc quy luật tinh thể mà lại có sắp xếp không trật tự xô lệch như là vô định hình. • Có thể thấy rõ cấu trúc đa tinh thể hay các hạt qua tổ chức tế vi (ảnh thấy được qua kính hiển vi, thường làquang học).Qua mài phẳng và mài nhẵn đến bóng như gương, rồi ăn mòn nhẹ, mẫu kim loại được đặt vào trong kính hiển vi để quan sát. Chùm tia sáng vuông góc tới bề mặt hẵn đều được phản xạ trở lại nên ảnh coa màu sáng. Qua ăn mòn nhẹ biên hạt bị ăn mòn mạnh hơn, lõm xuống làm tia sáng chiếu tới bị hắt đi, bị tối, nên thấy rõ các đường viền tối như ở hình 1.20c. Thực chất tổ chức tế vi thể hiện cấu trúc của mặt cắt ngang qua các hạt theo quy luật ngẫu nhiên 2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể • B: độ hạt – Độ to nhỏ của hạt tinh thể • Tinh thể thông thường: dùng mắt thường quan sát • Tinh thể kim loại: quan sát độ sù xì của bề mặt bị vỡ 2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể Cấp Số hạt có trong 1 inch2 (ở độ phóng đại x 100) Số hạt trong 1 mm2 thật của mẫu Diện tích thật của 1 hạt, mm2 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0.25 0.5 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4096 8200 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4906 8200 16400 32800 65600 131200 0.258 0.129 0.0645 0.0323 0.0161 0.00807 0.00403 0.00202 0.001008 0.000504 0.000252 0.000126 0.000063 0.0000315 0.0000158 0.00000788 2.5. Hợp kim • Định nghĩa: Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại (dẫn điện, dẫn nhiệt cao;dẻo, dễ biến dạng,có ánh kim). Hợp kim được tạo thành trên cơ sở kim loại: giữa kim loại với nhau (như latông:Cu và Zn) mà cũng có thể là giữa 1 kim loại và một á kim (như thép,gang :Fe và C), song nguyên tố chính vẫn là kim loại ,đó là hợp kim đơn giản hay giữa nguyên tố chính là kim loại với hai hay nhiều nguyên tố khác , đó là hợp kim phức tạp. Nguyên tố kim loại chính, chứa nhiều nhất (> 50%) được gọi là nền hay nguyên tố chủ. Thành phần của các nguyên tố trong hợp kim(và trong ceramic) thường được biểu thị bằng phần trăm khối lượng (khi bằng phần trăm nguyên tử phải chỉ định rõ kèm theo),trong polyme được biểu thị bằng phần trăm thể tích. 2.5. Hợp kim • Phân loại các tương tác: • Phương pháp chế tạo hợp kim thông dụng nhất là hoà trộn (nấu chảy rồi làm nguội) các cấu tử. • Ở trạng thái lỏng nói chung các cấu tử đều tương tác với nhau tạo nên dung dịch lỏng-pha đồng nhất. Người ta đặc biệt quan tâm đến các tương tác giữa các cấu tử ở trạng thái rắn vì chính điều này mới quyết định cấu trúc và do đó tính chất của hợp kim. Ở đây có thể có hai trường hợp lớn xảy ra :không và có tương tác với nhau. • Khi hai cấu tử A và B không có tương tác với nhau, tức “trơ” với nhau, các nguyên tử, ion của từng cấu tử không đan xen vào nhau, chúng giữ lại cả 2 kiểu mạng của các cấu tử thành phần, dưới dạng các hạt riêng rẽ của 2 pha nằm cạnh nhau. • Khi 2 cấu tử A và B có tương tác với nhau, tức nguyên tử của các cấu tử đan xen vào nhau tạo nên 1 pha duy nhất, không còn lại các hạt riêng rẽ của từng cấu tử, lúc này có thể có 2 trường hợp xảy ra: – Hoà tan thành dung dịch rắn, lúc đó hợp kim giữ lại một trong 2 kiểu mạng ban đầu làm nền, có tổ chức 1 pha như kim loại nguyên chất – Phản ứng hoá học với nhau thành hợp chất hoá học, lúc đó không còn cả hai kiểu mạng ban đầu, mà tạo nên kiểu mạng mới khác hẳn. 2.5. Hợp kim • Các tổ chức của hợp kim: gồm có dung dịch rắn và hợp chất hóa học • Dung dịch rắn: Dung dịch rắn là tổ chức của hợp kim tạo bởi 2 hay nhiều nguyên tố, có khả năng hòa tan vào nhau ở trạng thái rắn và tạo nên một thể rắn đồng nhất 2.5. Hợp kim • Dung dịch rắn có 2 loại: dung dịch rắn thay thế và dung dịch rắn xen kẽ Dung dịch rắn thay thế Dung dịch rắn xen kẽ 2.5. Hợp kim • Dung dịch rắn: ký hiệu: A(B), trong đó A là nguyên tố dung môi với nồng độ > 50% và B là nguyên tố hòa tan với nồng độ < 50% • Dung dịch rắn có đặc điểm sau : • -Mạng tinh thể là mạng của dung môi • -Tính chất: mang tính chất dung môi • Ví dụ: sắt hòa tan cacbon là một tổ chức có trong thép , gọi là Ferit Fe(C). Tổ chức này có cấu trúc mạng tinh thể của sắt. Do vậy nó mang tính chất của Fe : có độ bền thấp, độ dẻo và độ dai cao 2.5. Hợp kim • Hợp chất hóa học: là tổ chức của hợp kim được cấu thành bởi 2 hay nhiều nguyên tố, có khả năng tác dụng hóa học với nhau ở trạng thái rắn để tạo ra một chất mới với tích chất mới. 2.5. Hợp kim • Hợp chất hóa học: ký hiệu: AmBn • Hợp chất hóa học có những đặc điểm sau : • - Mạng tinh thể mới: khác mạng tinh thể A và mạng tinh thể B. • - Tính chất: mạng tính chất mới, cứng nhưng giòn hơn các nguyên tố hợp kim (khác tính chất A và khác tính chất của B). • Ví dụ: hợp chất cacbit sắt Fe3C chứa trong thép cacbon làm cho thép cứng & giòn hơn sắt (Fe) và cacbon (C) nguyên chất 2.5. Hợp kim • Hỗn hợp cơ học: là tổ chức của hợp kim được cấu thành bởi 2 hay nhiều nguyên tố hỗn hợp lại với nhau ở trạng thái rắn. • Hỗn hợp cơ học được ký hiệu : (A + B) • Hỗn hợp cơ học có những đặc điểm sau đây : • -Mạng tinh thể là tổ hợp mạng A và mạng B • -Tính chất của hỗn hợp : phụ thuộc vào tính chất của A và tính chất của B. • Ví dụ: Thép cacbon có tổ chức : Feα(C ) + Fe3C • Tính chất của Feα(C ): dẻo và tính chất Fe3C: cứng, giòn hợp thành tính chất của thép: dẻo và bền, thích hợp cho chế tạo máy. 2.6. Gang – Thép – Đồng và hợp kim Đồng • Tự tìm hiểu Hết chương 2