Chương 1 Cấu trúc và cơ tính của vật liệu Kim loại Giới thiệu chương Phụ thuộc vào điều kiện tạo thành ( nhiệt độ, áp suất,…) và tương tác giữa các phần tử cấu thành (lực liên kết giữa các phân tử, nguyên tử), vật chất có thể tồn tại ở trạng thái rắn, lỏng, hoặc khí (hơi). Tính chất của vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào các cách sắp xếp của các phần tử cấu thành và lực liên kết giữa chúng. Trong chương này các khái niệm cơ bản sẽ được đề cập lại: cấu tạo nguyên tử, các dạng liên kết và cấu trúc tinh thể, không tinh thể (vô định hình) của vật rắn.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử 1.1 Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử Nguyên tử là một hệ thống bao gồm hạt nhân mang điện dương và các điện tử (electron) mang điện âm chuyển động xung quanh. Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ những proton và nơtron.
Hạt nơtron không mang điện còn hạt proton mang điện dương, có điện tích bằng điện tích của nguyên tử. Ở trạng thái thường, nguyên tử chung hòa điện vì số lượng proton bằng số lượng điện tử. Số đó được đặc trưng bằng số thứ tự nguyên tử(Z) trong bảng tuần hoàn Menđeleev. Vì khối lượng của proton và nơtron lớn hơn rất nhiều so với điện tử (khoảng 1830 lần) cho nên khối lượng nguyên tử được xác định bằng khối lượng hạt nhân của nó.
Với cùng khối lượng điện tử và proton, hạt nhân có thể chứa số lượng nơtron khác nhau và tạo thành những đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học.2 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn 1.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết này tạo ra khi hai(hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau một số điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử ở lớp ngoài cùng.1 Liên kết cộng hoá trị trong phân tử khí CH4 Hình 1.1 Liên kết cộng hoá trị trong phân tử khí CH4 1.2 Liên kết ion Đây là loại liên kết mạnh và rất dễ xẩy ra giữa nguyên tử có ít điện tử hóa trị dễ cho bớt điện tử đi để tạo thành ion dương như các nguyên tố nhóm IB(Cu, 7 Ag, Au), IIB(Zn, Cd, Hg) với nguyên tử có nhiều điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện tử để tạo thành ion âm như các nguyên tố nhóm VIB (O, S.2 biểu diễn liên kết ion trong phân tử LiF Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết trong phân tử LiF Hình 1.3 Sơ đồ liên kết kim loại 1.3 Liên kết kim loại Đây là loại liên kết đặc trưng cho các vật liệu kim loại, quyết định các tính chất rất đặc trưng của loại vật liệu này.3 biểu diễn sơ đồ liên kết kim loại. Có thể hình dung liên kết này như sau: 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.
Liên kết kim loại thường được tạo ra trong kim loại là các nguyên tố có í t điện tử hóa trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt ra khỏi nguyên tử trở nên tự do (không bị ràng buộc bởi nguyên tử nào) và tạo nên "mây" hay "biển" điện tử.4 Liên kết hỗn hợp Thực ra, liên kết đồng hóa trị thuần túy chỉ có được trong trường hợp liên kết đồng cực (giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học). Trong trường hợp liên kết dị cực (giữa các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau). Điện hóa trị tham gia liên kết chịu hai ảnh hưởng trái ngược : - Bị hút bởi hạt nhân “của mình” - Bị hút bởi hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo nguyên tử “chung” Khả năng của hạt nhân hút điện tử hóa trị được gọi là tính âm điện của nguyên tử. Sự khác nhau về tính âm điện giữa các nguyên tử trong liên kết đồng hóa trị làm cho đám mây điện tử “chung” bị biến dạng và tạo thành ngẫu cực điện, tiền tố của liên kết ion.
Tính ion của liên kết sẽ càng lớn nếu sự khác nhau về tính âm điện của các nguyên tử càng lớn. Ví dụ Na có tính âm điện bằng 0,9 8 còn Cl bằng 3,0. Do vậy liên kết giữa Na và Cl trong hợp chất NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị. Tất cả những liên kết dị cực đều mang tính chất hỗn hợp giữa liên kết ion và đồng hóa trị.5 Liên kết yếu (liên kết Van der Waals) Liên kết đồng hóa trị cho phép lý giải sự tạo thành những phân tử như nước ( O) hoặc polyetylen ( )n.
Nhưng không cho phép lý giải sự tạo thành một số vật rắn từ những phân tử trung hòa như nước đá polyme… Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do sự khác nhau về tính âm điện của các nguyên tử, trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực điện sẽ tạo thành, phân tử bị phân cực. Liên kết van der waals là liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực ở trạng thái rắn. Liên kết này là loại liên kết yếu, rất rễ bị phá vỡ do ba động nhiệt (khi tăng nhiệt độ). Vì vậy những chất rắn trên cơ sở liên kết van der waals có nhiệt độ nóng chảy thấp.2 Sắp xếp nguyên tử trong vật chất 1.1 Không trật tự hoàn toàn, chất khí Chất khí chiếm toàn bộ thể tích chứa nó có thể nén được.
Các nguyên tử (phân tử) trong chất khí luôn luôn chuyển động do ba động nhiệt số nguyên tử (phân tử) trên 1 đơn vị thể tích thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Vị trí tương ứng giữa chúng luôn thay đổi theo quy luật ngẫu nhiên. Trung bình mỗi nguyên tử (phân tử) chiếm 1 thể tích tương ứng hình cầu. Đường kính trung bình 4 nm.2 Chất rắn tinh thể Trong vật rắn tinh thể mỗi nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định không chỉ so với những nguyên tử gần nhất mà cả những nguyên tử khác bất kỳ xa hơn.
Không gian xung quanh các nguyên tử có cấu tạo hoàn toàn đồng nhất. Nói cách khác tinh thể có trật tự xa.4 là cấu trúc tinh thể của muối ăn, hình 1.5 là cấu trúc tinh thể của kim cương.4 Cấu trúc tinh thể của kim cương Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể muối ăn 9 1.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể Một cách gần đúng, thể tích của một khối lượng chất lỏng là đại lượng không đổi. Giống như trong vật rắn các nguyên tử có xu thế tiếp xúc với nhau và chiếm một không gian hình cầu kích thước khoảng 0,25 mm. Nên chất lỏng không có tính chịu nén.
- Chất rắn vô định hình và vi tinh thể: Theo sự sắp xếp có trật tự trong không gian của các nguyên tử, ion hay phân tử(gọi tắt là các chất điểm) người ta chia các chất rắn ra làm hai nhóm vật tinh thể và vật vô định hình. Trong vật rắn tinh thể các chất điểm sắp xếp theo một quy luật(trật tự) hình học nhất định, còn trong các vật vô định hình thì các chất điểm sắp xếp hỗn loạn. Tất cả các kim loại và hợp chất của chúng ở trạng thái rắn đều là vật tinh thể hay nói khác đi có cấu tạo tinh thể. Điển hình của vật vô định hình là thủy tinh, nhựa, cả hai trạng thái lỏng và rắn các chất điểm đều sắp xếp không trật tự.
Sự khác nhau giữa chất lỏng và vật rắn thể hiện như sau: Các nguyên tử luôn luôn chuyển động do ba động nhiệt. Nhận thấy rằng, trong một vùng không gian nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử), một số nguyên tử sắp xếp có trật tự, nhưng không ổn định luôn luôn bị phá vỡ do ba động nhiệt. Như vậy chất lỏng có trật tự gần. Ngược với tính dị hướng trong chất rắn của vật rắn, chất lỏng có tính đẳng hướng vì trong chất lỏng số lượng nguyên tử, phân tử trung bình trên một đơn vị chiều dài và lực liên kết giữa chúng như nhau.
Theo một hướng trong không gian; Độ sắp xếp chặt (tỷ lệ giữa thể tích do các nguyên tử chiếm chỗ trên tổng thể tích) của chất lỏng kém hơn so với vật rắn (quá trình kết tinh hoặc đông rắn thường kèm theo sự giảm thể tích. Một cách gần đúng có thể minh họa chất khí, chất lỏng, chất rắn bằng hình ảnh tương ứng: hội trường hòa nhạc trật khán giả khi còi báo động (khí) khi kết thúc buổi hòa nhạc (lỏng) và hàng ngũ bộ đội chuẩn bị duyệt binh trên một quảng trường (rắn ). Giống như chất lỏng, vật rắn vô định hình có tính đẳng hướng. Cần lưu ý rằng, nếu làm nguội kim loại hoặc hợp kim lỏng với tốc độ lớn lớn hơn (104 - 109 )oC/s, vật rắn nhận được sẽ có cấu trúc vô định hình hoặc cấu trúc tinh thể với kích thước rất nhỏ (khoảng nanomet), gọi là vật rắn vô định hình hoặc vi tinh thể.3 Khái niệm về mạng tinh thể 1.1 Ô cơ sở Để có những khái niệm đầu tiên về mạng tinh thể, hãy xuất phát từ khái niệm đơn giản về ô cơ sở.
Ô cơ sở là mô hình không gian mô tả quy luật hình học của sự sắp xếp các chất điểm trong vật tinh thể, hình 1.6a biểu diễn ô cơ sở của mạng lập phương đơn giản trong đó các vòng tròn nhỏ biểu thị các chất điểm (nguyên tử, ion, phân tử) và các đường thẳng nối giữa các đường là tưởng tượng. Thấy rằng, do tính đối xứng của tinh thể từ một ô cơ sở, bằng thao tác đối xứng, tịnh tiến theo 3 chiều trong không gian sẽ nhận được toàn bộ mạng tinh thể (hình 1.6 a) Mô hình ô cơ) sở b) Mô hình không gian biểu diễn mạng tinh thể Ô cơ sở được xây dựng trên 3 vectơ đơn vị , , tương ứng 3 trục tọa độ Ox, Oy và Oz. Tâm của các nguyên tử (ion hoặc phân tử) ở đỉnh ô là các nút mạng Môdun của 3 vectơ a = ,b= ,c= là kích thước ô cơ sở, còn gọi là hằng số mạng hay chu kỳ tuần hoàn (chu kỳ tịnh tiến) của mạng tinh thể theo ba chiều tương ứng. Các góc tạo bởi 3 vectơ , , , khi hợp từng đôi một ký hiệu là ( là góc giữa và , giữa và , giữa và ) Thấy rằng trong cùng mạng tinh thể có thể chọn được nhiều kiểu ô cơ sở khác nhau.