Chương I LY THUYET CO BAN VE KIM LOAI VA HOP KIM Bai 1. CAU TAO MANG TINH THE CUA KIM LOAI NGUYEN CHAT Muc tiéu: Trinh bay va mô tả được cấu tạo mạng tình thể của kim loại nguyên chất. Khái niệm "à đặc điểm của kim loại 1. Định nghĩa kim loại ._ Kim loại là vật thể sáng, có ánh kim, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện và nhiệt, có hệ sô nhiệt điện trở dương (khi tăng nhiệt độ điện trở tăng) 2.
Cấu tạo nguyên tử kim loại. Trong nguyên tử kim loại, số điện tử ở lớp ngoài cùng rất ít, chỉ có từ 1+2; chúng liên kết yếu với hạt nhân, rất dễ bứt ra trở thành điện tử tự do làm cho nguyên tử ở dạng ion dương. Điện tử tự do không bị ràng buộc là nguyên nhân quyết định các đặc điểm của kim loại. lon đương \ Mây điện tử Hình 1.1 Mô hình mây điện tử Điện tử tự do bị kích động bởi ánh sáng chiếu vào đạt được một năng lượng cao song không ôn định, khi trở về sẽ phát ra năng lượng (thừa) dưới dạng bức xạ làm kim loại có vẻ ngoài sáng, óng ánh (thường gọi là ánh kim).
Điện tử tự do bao quanh các ion dương như là lớp đệm để các ion này dễ dàng trượt đi với nhau, nhờ đó kim loại có tính đẻo (một phân của tính dẻo). Điện tử tự do là nguyên nhân của dẫn điện và dẫn nhiệt. Dưới tác động của điện thể, các điện tử tự do định hướng và tạo nên dòng điện. Nhưng khi nhiệt độ tăng, các ion dương bị đao động mạnh hơn quanh vị trí cân bằng của nó, cản trở chuyên động định hướng của các điện tử tự do, đo đó điện trở tăng.
Phân loại kim loại Tùy yêu cầu, người ta có thể phân kim loại ra nhiều loại như kim loại đen, kim loại màu; kim loại đẻo, kim loại don; kim loại nguyên chất, kim loại không nguyên chât v. Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng - Khoa Cơ khí 4. Các liên kết cơ bản, liên kết kim loại Trong thực tế, ta thường gặp nhiều loại liên kết, Ví dụ như tỉnh thể muối ăn NaCl có liên kết ion, trong đó các ion Na! và cr lién kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện. Mỗi ion đều chịu lực kéo như nhau, cân băng về mọi phía, nên chúng nằm ở vị trí cân băng.
Với kim loại, các ion của nó được ràng buộc với nhau bởi liên kết kim loại mà bản chất của nó là lực hút tĩnh điện, cân băng về mọi phía giữa ion dương và các điện tử tự do bao quanh nó, giữ cho ion ở vị trí cân bằng. Trong kim loại, liên kết kim loại không hê thay đổi khi các ion thay đổi vị trí cân băng. Nhờ đó, kim loại có tính dẻo cao (tức là sau khi biển dạng dịch chuyển tương đôi, vị trí các. nguyên tử - ion vẫn giữ nguyên cấu hình ban đâu).
Đối với liên kết ion thì tỉnh thể bị biên đổi (vỡ vụn). Cấu tạo tỉnh thể ÿý tưởng của kim loại 1. Mạng không gian, mạng tỉnh thé, nit mựng và ô cơ sở Mạng không gian được tạo nên bởi các ion, nguyên tử, sap xép theo qui luật chặt chẽ, biểu diễn được ở dưới dạng hình học nhất định, được gọi là mạng tỉnh thé, a) b) Hình 1.2 Các hạt cơ bản trong tỉnh thể a) Biểu diễn không gian b) Sơ đồ Người ta thường biểu diễn mạng tinh thể gồm bởi vô số các ô nhỏ xếp liên tiếp nhau theo ba chiều đo trong không gian, đó là các khối cơ sở. Vậy khối cơ sở là phần nhỏ nhất, đặc trưng đây đủ cho các tính chất hình học của mạng tỉnh thể.
Vì thế, trong thực tế biểu diễn mạng tỉnh thể bằng khối cơ sở của nó là đủ (do đó việc biểu diễn mạng tỉnh thể trở nên đơn giản). Vị trí cân bằng (trung tâm) mà các nguyên tử, ion đao động xung quanh được gọi là nút mạng (các đỉnh của ô cơ sd).3 Mạng tỉnh thể iốt a) So đồ b) Biểu diễn không gian 4 Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng - Khoa Cơ khí 2. Các kiểu mạng tỉnh thể thường gặp. Kim loại nguyên chất có ba dạng mạng tỉnh thể cơ bản (hình 1.4): + Lập phương thể tâm (LPTT) nhu Fe,, Cr, W, Mo v.
+ Lập phương diện tâm (LPDT) như Fey, Nị, AI, Cu v. + Lục giác xếp chat (LGXC) như Zn, Co, Cả v.4 Các ô cơ bản của một số kiểu mạng tỉnh thể a, d) Lục giác xếp chặt; b, e) Lap phương diện tâm; c, f) Lap phương thể tâm 3. Ký hiệu mặt và phương tỉnh thể Hinh 1.5 Các chỉ số phương (a) và mặt (b) Tọa độ của nút mạng biểu diễn bằng các số nguyên đặt trong dấu ngoặc vuông và duge gọi là chỉ sô của phương, đặt trong ngoặc tròn là các chỉ số của mặt, Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng - Khoa Cơ khí 4. Các tính chất đặc trưng của vật liệu tỉnh thể Các vật tỉnh thể được đặc trưng bởi sự sắp xếp có trật tự trong không gian của các hạt (ion, nguyên tử, phân tử) tạo nên tỉnh thể, Tính chất của tỉnh thể phụ thuộc vào cấu tạo điện tử của các nguyên tử, sự phân bố trong không gian của các hạt cơ bản, thành phần hóa học, kích thước và hình dáng tỉnh thể.
Dạng thù hình là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tỉnh thể khác nhau của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học. Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác gọi là chuyển biến thù hình, ký hiệu bằng œ, , ÿ, 6, e v. bắt đầu từ nhiệt độ thấp nhất. Ví dụ: sắt là kim loại có tính thù hình, có mạng lập phương thể tâm ở hai khoảng nhiệt độ dưới 91 1°C ~ ký hiệu là Fe, và từ (1392+1539)°C IA Fes.
C6 mạng lập phương diện tâm ở (911+1392)°C với ký hiệu là Fe, ; còn ký hiệu Fep là Fe„ mất từ tính, tôn tại ở thập hơn 768°C. Không những nhiệt độ mà cả áp suất cũng gây ra chuyến biến thù hình. Khi chuyên biên thù hình các tính chất cơ, lý của vật liệu có thù hình có thể thay đổi đột ngột, dẫn đến các hiệu ứng quan trọng, có thể có lợi hay có hại. Cấu tạo tinh thé thực của kim loại 1.
Đơn tỉnh thể Đôi khi có thể gặp các khối kim loại có kích thước nhỏ (nhiều nhất tới hàng ` gam), trong đó mạng tỉnh thê có mặt, phương được giữ đông nhật ở mọi điểm đó là đơn tỉnh thê. Có thể coi đơn tỉnh thể là một mạng tỉnh thể lớn, đồng nhất về hình học. Đặc điểm quan trọng của đơn tỉnh thể là nó có tính đị hướng, tức là theo các phương, tinh chất cần xác định có giá trị lớn nhỏ khác nhau (có khi tới hàng chục lân) do mật độ của các nguyên tử khác nhau, do đó lực liên kết lớn, bé khác nhau. Trong chế tạo máy thông thường hầu như không gặp đơn tỉnh thể.
Đa tỉnh thể, hạt và độ hạt Trong thực. tế các chỉ tiết kim loại đù có kích thước nhỏ cũng rất lớn SO với từng đơn tỉnh thể, từng tỉnh thể, nên chúng luôn bao gồm vô số tỉnh thể gắn bó với nhau. Trạng thái tập hợp như vậy được gọi là trạng thái đa tỉnh thể mà mỗi phần trong nó được gọi 1a tinh thé hay hạt. Như vậy, thông thường kim loại gồm nhiều hạt gắn bó với nhau.
Sai lệch mạng tỉnh thé Trong thực tế, ngay trong bản thân mỗi hạt hay đơn tỉnh thể, không phải mọi nguyên tử hay ion đều ở đúng vị trí quy định, mà ở một số bộ phận của mạng còn có những nguyên tử nằm lệch vị trí gây nên sai lệch. Số nguyên tử nằm lệch vị trí như vậy rất Ít (thường không quá 1% số nguyên tử của mạng) song những sai lệch đó thường có nhiều ảnh hưởng lớn. Sai lệch điểm: Kim loại càng nhiều tạp chất, đạng sai lệch này càng nhiều. I Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng - Khoa Cơ khí sai lệch đường — Lệch: Sai lệch đường có tác dụng rất lớn tới các tính chất của kim loại đặc biệt là cơ tính Lệch biên (lệch thẳng): Lệch biên có tác dụng rất lớn đến quá trình trượt.
Lệch xoắn: Lệch xoắn có ý nghĩa to lớn khi kết tỉnh. Sai lệch mặt: Biên giới hạt là một dạng sai lệch mặt điển hình.Tính chất của kim loại bị biễn dạng dẻo (Phần tự học) Do bị biến dang déo nguội, kim loại sẽ được hóa bền, các tính chất vật lý của nó thay đổi. Kim loại bị biển cứng giữ lại 5+10% năng lượng biên dạng. Phần năng lượng đó cần để tạo Ta các khuyêt tật mạng.
Tính chất của kim loại bị biến cứng thay đôi càng mạnh nếu mức độ biên dang càng lớn. Khi biến đạng các đặc trưng bền tăng (độ cứng, ơy, 692, ogy) và độ đẻo, độ dai giảm. Các kim loại bị biến cứng rất mạnh trong giai đoạn đầu của biến dạng. Sau đó nếu biến dạng tăng thì cơ tính thay đổi không đáng kế.
Khi tăng mức độ biến dạng, giới hạn chảy tăng nhanh hơn độ bền tĩnh. Ở các kim loại bị biến cứng mạnh thì cả hai đặc trưng này bằng nhau, độ dãn dài bằng không. Nếu cế biến dạng tiếp tục thì kim loại sẽ bị phá hủy. Bằng cách biến cứng, độ cứng và độ bên tĩnh có thể nâng cao tới 1,5+3 lần, giớ hạn chảy 3+7 lần.
Các kim loại mạng LPDT hóa bền mạnh hơn các kim loại LPTT. Khi tăng mức độ biến dạng thì điện trở suất, lực kháng từ tăng; độ từ thẩm, cảm ứng từ đư và mật độ kim loại giảm. Do biến dạng không đồng nhất nên trong thể tích kim loại mật độ thay đổi khác nhau, đó là nguyên nhân tao ra ứng suất dự kéo hoặc nén. Các phương pháp nghiên cứu kim loại va hop kim (phan tự học) 1.
Cấu trúc nghiên cứu bằng tia Rơnghen Tỉa Rơnghen là các sóng điện từ với bước sóng rất ngắn À.10% cm nên có năng lượng lớn, có thể đâm xuyên. Căn cứ vào ảnh vạch nhiễu Xạ của tỉa phản chiếu từ các mặt tỉnh thể ta có thể suy ra một cách chính xác kiểu mạng tỉnh thể tồn tại cũng như các giá trị của thông số mạng. Cấu trúc nghiên cứu bằng mắt thường và kính lúp 7 Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng - Khoa Cơ khí - Quan sát mặt gãy là phương pháp nghiên Cứu tổ chức kim loại một cách thô sơ nhật.