Học liệu Luyện kim và Khoa học Vật liệu Hiện đại, Ấn bản lần thứ 6 - R. Smallman, R. Bishop

• Tác giả: R. Smallman
• Chuyên ngành: Vật lý luyện kim và kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Vật lý luyện kim hiện đại và kỹ thuật vật liệu
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 1999
• Địa điểm: Oxford

Tóm tắt

I. Tổng quan về Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering 6ed

Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering là giáo trình kinh điển về luyện kim và kỹ thuật vật liệu, do hai giáo sư hàng đầu R.E. Smallman và R.J. Bishop biên soạn. Ấn bản thứ 6 cập nhật những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực vật liệu kim loại, polyme và vật liệu composite. Cuốn sách được sử dụng rộng rãi tại các trường đại học kỹ thuật trên toàn thế giới. Nội dung bao gồm cấu trúc tinh thể, biến dạng dẻo, pha diagram, xử lý nhiệt và tính chất cơ học của vật liệu. Giáo sư Smallman từng giữ chức Trưởng khoa Vật liệu tại Đại học Birmingham và nhận Huy chương Bạch Kim từ Viện Vật liệu. Giáo sư Bishop có kinh nghiệm thực tiễn phong phú trong ngành công nghiệp luyện kim và nghiên cứu đốt cháy. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành là điểm mạnh nổi bật của cuốn sách này.

1.1. Tiểu sử và thành tựu của hai tác giả

R.E. Smallman đạt bằng tiến sĩ năm 1953, từng làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử Harwell. Ông trở thành Giáo sư Vật lý Luyện kim tại Đại học Birmingham năm 1964. Ông được bầu làm Viện sĩ Viện Hàn lâm Kỹ thuật Hoàng gia năm 1990 và nhận Huân chương Đế quốc Anh CBE năm 1992. R.J. Bishop có nền tảng công nghiệp sâu rộng, từng làm việc tại các hãng ô tô và nghiên cứu về ăn mòn ống hơi nước. Ông trở thành Giảng viên cao cấp tại Đại học Wolverhampton trước khi gia nhập Đại học Birmingham năm 1986.

1.2. Vị trí của cuốn sách trong ngành luyện kim hiện đại

Cuốn sách Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering đóng vai trò nền tảng trong đào tạo kỹ sư vật liệu toàn cầu. Ấn bản thứ 6 mở rộng phạm vi bao gồm cả vật liệu polyme và composite bên cạnh kim loại truyền thống. Nội dung được xây dựng dựa trên nghiên cứu khoa học thực nghiệm, không chỉ lý thuyết suông. Cuốn sách phục vụ cả sinh viên đại học lẫn nghiên cứu sinh tiến sĩ. Nhiều trường đại học tại Anh, Mỹ, Úc và Hong Kong sử dụng đây là giáo trình chính cho môn Vật lý Luyện kim.

II. Phân tích nội dung cốt lõi về cấu trúc tinh thể kim loại

Phần cốt lõi của cuốn sách tập trung vào cấu trúc tinh thể của kim loại. Kim loại chiếm đa số các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Các ion kim loại có đường kính khoảng vài angstrom, một milimet khối chứa khoảng 10^20 nguyên tử. Các ion trong kim loại nguyên chất sắp xếp theo trật tự cao, chiếm thể tích tối thiểu. Cấu trúc tinh thể được phân loại thành 7 hệ tinh thể và 230 nhóm không gian. Các phép biến đổi đối xứng bao gồm tịnh tiến, quay và phản xạ qua gương. Cuốn sách giải thích cách sử dụng mã nhận dạng duy nhất cho mỗi cấu trúc. Các cấu trúc prototype như NaCl, ZnS, CaF2 được dùng làm ví dụ minh họa. Phần này cung cấp nền tảng vững chắc để hiểu tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu kim loại. Phân tích cấu trúc tinh thể là bước đầu tiên trong mọi nghiên cứu luyện kim hiện đại.

2.1. Hệ thống phân loại 7 hệ tinh thể và 230 nhóm không gian

Bảy hệ tinh thể bao gồm lập phương, bốn phương, trực thoi, lục phương, ba phương, một phương và tam tà. Mỗi hệ tinh thể có các thông số mạng tinh thể đặc trưng riêng. 230 nhóm không gian được xây dựng từ 32 nhóm điểm kết hợp với các phép tịnh tiến. Hệ thống phân loại này cho phép định danh chính xác mọi cấu trúc tinh thể tồn tại trong tự nhiên. Cuốn sách Smallman và Bishop trình bày hệ thống này một cách hệ thống và dễ tiếp cận. Người học có thể tra cứu nhanh chóng cấu trúc của bất kỳ hợp chất kim loại nào.

2.2. Đóng gói nguyên tử và mật độ nguyên tử trong kim loại

Hầu hết kim loại có cấu trúc đóng gói chặt để tối thiểu hóa thể tích chiếm dụng. Hai kiểu đóng gói phổ biến nhất là FCC (lập phương tâm mặt) và HCP (lục phương đóng gói chặt). Cấu trúc BCC (lập phương tâm khối) có mật độ thấp hơn nhưng vẫn rất phổ biến. Hệ số đóng gói nguyên tử trong FCC đạt 74%, trong khi BCC đạt 68%. Cuốn sách phân tích chi tiết mối quan hệ giữa mật độ nguyên tử và tính chất cơ học. Hiểu biết về đóng gói nguyên tử là cơ sở để dự đoán độ bền, độ dẻo và tính dẫn nhiệt của kim loại.

III. Phương pháp tiếp cận vật liệu polyme và composite trong sách

Ấn bản thứ 6 mở rộng đáng kể nội dung về vật liệu polyme và composite. Các vùng tinh thể trong polyme có dạng hình lá, kích thước nhỏ khoảng 10-20 nanomet. Do phân tử phức tạp, vùng tinh thể luôn đi kèm vùng vô định hình và khuyết tật. Độ tinh thể có thể đạt tới 80-85% thể tích cấu trúc. Ví dụ, polyethylene mật độ cao đạt độ tinh thể 80%. Công nghiệp thường áp dụng làm nguội nhanh, hạn chế thời gian sắp xếp phân tử. Ứng suất cơ học có thể được sử dụng để cảm ứng kết tinh trong hoặc sau quá trình trùng hợp. Khi độ tinh thể tăng, polyme trở nên đặc hơn và bền nhiệt hơn. Nhiệt độ nóng chảy tinh thể Tm phản ánh đặc tính quan trọng này. Polyme tinh thể thường thể hiện tính dị hướng rõ rệt do thiếu cấu trúc lập phương. Cuốn sách cung cấp cách tiếp cận toàn diện cho vật liệu phi kim loại.

3.1. Cấu trúc tinh thể của polyethylene và ứng dụng thực tế

Polyethylene là thermoplastic đơn giản được nghiên cứu nhiều nhất trong khoa học polyme. PE tồn tại ở dạng monoclinic kém ổn định và dạng orthorhombic phổ biến hơn. PE mật độ thấp (LDPE) có độ tinh thể khoảng 50%, trong khi PE mật độ cao (HDPE) đạt 80%. Cấu trúc tinh thể orthorhombic bao gồm đơn vị ô với các chuỗi polyme song song. Các nguyên tử carbon và hydro được xác định vị trí chính xác trong mạng tinh thể. Cuốn sách trình bày cấu trúc này với sơ đồ chiếu chi tiết theo hướng chuỗi c.

3.2. Vật liệu composite và vai trò trong kỹ thuật hiện đại

Vật liệu composite kết hợp ưu điểm của nhiều loại vật liệu cơ bản khác nhau. Cuốn sách giới thiệu composite nền polyme, composite nền kim loại và composite gốm. Composite sợi carbon có tỷ số bền trọng lượng cao, ứng dụng rộng trong hàng không vũ trụ. Composite sợi thủy tinh được sử dụng phổ biến trong công nghiệp dân dụng. Phân tích cơ học composite bao gồm lý thuyết laminate và mô hình vi mô. Cuốn sách cung cấp công thức tính toán tính chất hiệu dụng của composite đa pha.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của Modern Physical Metallurgy 6ed

Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering 6ed là tài liệu không thể thiếu cho mọi kỹ sư vật liệu. Cuốn sách kết hợp lý thuyết luyện kim cổ điển với tiến bộ khoa học vật liệu hiện đại. Nội dung bao phủ từ cấu trúc nguyên tử đến tính chất macroscopic của vật liệu. Phương pháp trình bày logic, từ cơ bản đến nâng cao, phù hợp nhiều cấp độ học tập. Cuốn sách có giá trị tham khảo lâu dài trong cả nghiên cứu và thực hành công nghiệp. Các ví dụ thực tiễn từ công nghiệp ô tô, năng lượng và chế tạo được lồng ghép khéo léo. Sinh viên tốt nghiệp sử dụng cuốn sách này có nền tảng vững chắc để làm việc trong ngành vật liệu. Ấn bản thứ sáu phản ánh sự phát triển liên tục của khoa học vật liệu trong hơn năm thập kỷ. Cuốn sách xứng đáng nằm trong tủ sách chuyên ngành của mọi thư viện kỹ thuật.

4.1. Ứng dụng trong đào tạo đại học và sau đại học

Cuốn sách được sử dụng làm giáo trình chính tại nhiều trường đại học danh tiếng trên thế giới. Nội dung phù hợp cho chương trình cử nhân kỹ thuật vật liệu và thạc sĩ luyện kim. Phần bài tập cuối chương giúp sinh viên củng cố kiến thức lý thuyết. Giảng viên có thể sử dụng sơ đồ và bảng số liệu để minh họa bài giảng hiệu quả. Cuốn sách cũng phục vụ tốt cho nghiên cứu sinh cần nền tảng lý thuyết vững chắc. Nhiều luận án tiến sĩ tham khảo các phương pháp phân tích được trình bày trong sách.

4.2. Giá trị tham khảo trong nghiên cứu và phát triển công nghiệp

Kỹ sư công nghiệp sử dụng cuốn sách để giải quyết vấn đề vật liệu trong thực tế sản xuất. Phần xử lý nhiệt và biến dạng dẻo có ứng dụng trực tiếp trong nhà máy cán thép. Kiến thức về ăn mòn và bảo vệ bề mặt giúp kéo dài tuổi thọ kết cấu kim loại. Phần vật liệu composite hỗ trợ phát triển sản phẩm mới trong ngành hàng không và ô tô. Cuốn sách cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn vật liệu tối ưu trong thiết kế kỹ thuật. Giá trị tham khảo của sách không bị lỗi thời qua nhiều ấn bản liên tiếp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering www.net About the authors been Vice President of the Institute of Materials and President of the Federated European Materials Soci- eties. Since retirement he has been academic consultant Professor R. Smallman for a number of institutions both in the UK and over- seas. After gaining his PhD in 1953, Professor Smallman spent five years at the Atomic Energy Research Estab- lishment at Harwell, before returning to the University R. Bishop of Birmingham where he became Professor of Physi- After working in laboratories of the automobile, cal Metallurgy in 1964 and Feeney Professor and Head forging, tube-drawing and razor blade industries of the Department of Physical Metallurgy and Science (1944–59), Ray Bishop became a Principal Scientist of Materials in 1969. He subsequently became Head of the British Coal Utilization Research Association of the amalgamated Department of Metallurgy and (1959–68), studying superheater-tube corrosion and Materials (1981), Dean of the Faculty of Science and mechanisms of ash deposition on behalf of boiler Engineering, and the first Dean of the newly-created manufacturers and the Central Electricity Generating Engineering Faculty in 1985. For five years he was Board. He specialized in combustor simulation of Vice-Principal of the University (1987–92). conditions within pulverized-fuel-fired power station He has held visiting professorship appointments at boilers and fluidized-bed combustion systems. He then the University of Stanford, Berkeley, Pennsylvania became a Senior Lecturer in Materials Science at (USA), New South Wales (Australia), Hong Kong and the Polytechnic (now University), Wolverhampton, Cape Town and has received Honorary Doctorates acting at various times as leader of C&G, HNC, TEC from the University of Novi Sad (Yugoslavia) and and CNAA honours Degree courses and supervising the University of Wales. His research work has been doctoral researches. For seven years he was Open recognized by the award of the Sir George Beilby Gold University Tutor for materials science and processing Medal of the Royal Institute of Chemistry and Institute in the West Midlands. In 1986 he joined the of Metals (1969), the Rosenhain Medal of the Institute School of Metallurgy and Materials, University of of Metals for contributions to Physical Metallurgy Birmingham as a part-time Lecturer and was involved (1972) and the Platinum Medal, the premier medal of in administration of the Federation of European the Institute of Materials (1989). In 1995 and 1997 he He was elected a Fellow of the Royal Society gave lecture courses in materials science at the Naval (1986), a Fellow of the Royal Academy of Engineer- Postgraduate School, Monterey, California. Currently ing (1990) and appointed a Commander of the British he is an Honorary Lecturer at the University of Empire (CBE) in 1992. A former Council Member of Birmingham. the Science and Engineering Research Council, he has www.net Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering Science, process, applications Sixth Edition R. Smallman, CBE, DSc, FRS, FREng, FIM R. Bishop, PhD, CEng, MIM OXFORD AUCKLAND BOSTON JOHANNESBURG MELBOURNE NEW DELHI www.net Butterworth-Heinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 225 Wildwood Avenue, Woburn, MA 01801-2041 A division of Reed Educational and Professional Publishing Ltd First published 1962 Second edition 1963 Reprinted 1965, 1968 Third edition 1970 Reprinted 1976 (twice), 1980, 1983 Fourth edition 1985 Reprinted 1990, 1992 Fifth edition 1995 Sixth edition 1999  Reed Educational and Professional Publishing Ltd 1995, 1999 All rights reserved. No part of this publication may be reproduced in any material form (including photocopy- ing or storing in any medium by electronic means and whether or not transiently or incidentally to some other use of this publication) without the written permission of the copyright holder except in accordance with the provisions of the Copyright, Designs and Patents Act 1988 or under the terms of a licence issued by the Copyright Licensing Agency Ltd, 90 Tottenham Court Road, London, England W1P 9HE. Applications for the copyright holder’s written permission to reproduce any part of this publication should be addressed to the publishers British Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library Library of Congress Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the Library of Congress ISBN 0 7506 4564 4 Composition by Scribe Design, Gillingham, Kent, UK Typeset by Laser Words, Madras, India Printed and bound in Great Britain by Bath Press, Avon www.net Contents Preface xi 3 Structural phases; their formation and transitions 42 3.1 Crystallization from the melt 42 1 The structure and bonding of atoms 1 3.1 Freezing of a pure metal 42 1.1 The realm of materials science 1 3.2 Plane-front and dendritic 1.2 The free atom 2 solidification at a cooled 1.1 The four electron quantum surface 43 numbers 2 3.3 Forms of cast structure 44 1.2 Nomenclature for electronic 3.4 Gas porosity and segregation 45 states 3 3.3 The Periodic Table 4 3.6 Production of metallic single crystals 1.4 Interatomic bonding in materials 7 for research 47 1.5 Bonding and energy levels 9 3.2 Principles and applications of phase diagrams 48 3.1 The concept of a phase 48 2 Atomic arrangements in materials 11 3.2 The Phase Rule 48 2.1 The concept of ordering 11 3.3 Stability of phases 49 2.2 Crystal lattices and structures 12 3.4 Two-phase equilibria 52 2.3 Crystal directions and planes 13 3.5 Three-phase equilibria and 2.4 Stereographic projection 16 reactions 56 2.5 Selected crystal structures 18 3.7 Limitations of phase diagrams 59 2.2 Diamond and graphite 21 3.8 Some key phase diagrams 60 2.3 Coordination in ionic crystals 22 3.9 Ternary phase diagrams 64 2.4 AB-type compounds 24 3.3 Principles of alloy theory 73 2.1 Primary substitutional solid 2.2 Interstitial solid solutions 76 2.3 Types of intermediate phases 76 2.4 Order-disorder phenomena 79 2.4 The mechanism of phase changes 80 2.1 Network structures in glasses 30 3.2 Classification of constituent oxides 31 3.4 Nucleation in solids 82 2.3 Thermosets 36 4 Defects in solids 84 2.4 Crystallinity in polymers 38 4.1 Types of imperfection 84 www.net vi Contents 4.3 X-ray diffraction methods 135 4.1 Point defects in metals 84 5.4 Typical interpretative procedures for 4.2 Point defects in non-metallic diffraction patterns 138 crystals 86 5.4 Analytical electron microscopy 142 4.3 Irradiation of solids 87 5.1 Interaction of an electron beam with 4.4 Point defect concentration and a solid 142 annealing 89 5.2 The transmission electron 4.3 Line defects 90 microscope (TEM) 143 4.1 Concept of a dislocation 90 5.3 The scanning electron 4.2 Edge and screw dislocations 91 microscope 144 4.3 The Burgers vector 91 5.4 Theoretical aspects of TEM 146 4.4 Mechanisms of slip and climb 92 5.5 Strain energy associated with 5.6 Electron energy loss spectroscopy dislocations 95 (EELS) 152 5.7 Auger electron spectroscopy 4.6 Dislocations in ionic structures 97 (AES) 154 4.5 Observation of defects 154 4.3 Extended dislocations and stacking 5.3 Dislocation strain contrast in faults in close-packed crystals 99 TEM 155 4.4 Contrast from crystals 157 4.1 Void formation and annealing 104 5.5 Imaging of dislocations 157 4.2 Irradiation and voiding 104 5.6 Imaging of stacking faults 158 4.3 Voiding and fracture 104 5.7 Application of dynamical 4.6 Defect behaviour in some real theory 158 materials 105 5.8 Weak-beam microscopy 160 4.1 Dislocation vector diagrams and the 5.6 Specialized bombardment techniques 161 Thompson tetrahedron 105 5.2 Dislocations and stacking faults in fcc structures 106 5.2 Synchrotron radiation studies 162 4.3 Dislocations and stacking faults in 5.3 Secondary ion mass spectrometry cph structures 108 (SIMS) 163 4.4 Dislocations and stacking faults in 5.7 Thermal analysis 164 bcc structures 112 5.1 General capabilities of thermal 4.5 Dislocations and stacking faults in analysis 164 ordered structures 113 5.6 Dislocations and stacking faults in 5.3 Differential thermal analysis 165 ceramics 115 5.7 Defects in crystalline calorimetry 165 polymers 116 4.8 Defects in glasses 117 6 The physical properties of materials 168 4.7 Stability of defects 117 6.3 Nuclear irradiation effects 119 6.2 Specific heat capacity 170 5 The characterization of materials 125 6.3 The specific heat curve and 5.1 Tools of characterization 125 transformations 171 5.4 Free energy of transformation 171 5.1 Diffusion laws 172 techniques 127 6.2 Mechanisms of diffusion 174 5.3 X-ray diffraction analysis 133 6.3 Factors affecting diffusion 175 5.1 Production and absorption of 6.5 Anelasticity and internal friction 176 X-rays 133 6.6 Ordering in alloys 177 5.2 Diffraction of X-rays by 6.1 Long-range and short-range crystals 134 order 177 www.net Contents vii 6.2 Detection of ordering 178 7.2 Variation of yield stress with 6.3 Influence of ordering upon temperature and strain rate 208 properties 179 7.3 Dislocation source operation 209 6.5 Yield points and crystal 6.6 Discontinuous yielding in ordered 6.4 Oxide superconductors 187 alloys 214 6.7 Solute–dislocation interaction 214 6.8 Dislocation locking and temperature 216 6.9 Inhomogeneity interaction 217 paramagnetism 189 6.10 Kinetics of strain-ageing 217 6.11 Influence of grain boundaries on plasticity 218 6.5 Anti-ferromagnetism and 7.1 Crystallography of twinning 221 6.2 Capacitors and insulators 193 7.2 Nucleation and growth of twins 222 6.3 Effect of impurities on 6.4 Pyroelectric and ferroelectric twinning 223 materials 194 7.4 Effect of prestrain on twinning 223 6.5 Dislocation mechanism of 6.1 Reflection, absorption and twinning 223 transmission effects 195 7.6 Twinning and fracture 224 6.6 Strengthening and hardening 6.1 Point defect hardening 224 6.5 Electro-optic ceramics 196 7.3 Development of preferred 7 Mechanical behaviour of materials 197 orientation 232 7.1 Mechanical testing procedures 197 7.1 Tresca and von Mises criteria 235 7.2 The tensile test 197 7.2 Effective stress and strain 236 7.3 Indentation hardness testing 199 7.1 General effects of annealing 237 7.7 Testing of ceramics 200 7.1 Elastic deformation of metals 201 7.2 Elastic deformation of 7.9 Metallic creep 245 ceramics 203 7.1 Transient and steady-state 7.3 Plastic deformation 203 creep 245 7.1 Slip and twinning 203 7.2 Grain boundary contribution to 7.2 Resolved shear stress 203 creep 247 7.3 Tertiary creep and fracture 249 7.3 Relation of slip to crystal structure 204 7.4 Creep-resistant alloy design 249 7.4 Law of critical resolved shear 7.10 Deformation mechanism maps 251 stress 205 7.1 Nature of fatigue failure 252 7.6 Relation between work-hardening 7.2 Engineering aspects of fatigue 252 and slip 206 7.3 Structural changes accompanying 7.4 Dislocation behaviour during plastic fatigue 254 deformation 207 7.4 Crack formation and fatigue 7.1 Dislocation mobility 207 failure 256 www.net viii Contents 7.5 Fatigue at elevated 9.6 Mechanically alloyed (MA) temperatures 258 steels 301 9.7 Designation of steels 302 8 Strengthening and toughening 259 9.2 Strengthening of non-ferrous alloys by 9.1 Basic alloying features 305 heat-treatment 259 9.2 Nickel-based superalloy 8.1 Precipitation-hardening of Al–Cu development 306 alloys 259 9.2 Precipitation-hardening of Al–Ag superalloys 307 alloys 263 9.1 Basic alloying and heat-treatment precipitation-hardening 265 features 308 8.4 Vacancies and precipitation 268 9.2 Commercial titanium alloys 310 8.3 Processing of titanium alloys 312 8.6 Structural intermetallic compounds 312 8.1 General properties of intermetallic 8.3 Strengthening of steels by compounds 312 heat-treatment 274 9.1 Time–temperature–transformation 9.3 Titanium aluminides 314 diagrams 274 9.4 Other intermetallic compounds 315 8.7 Aluminium alloys 316 transformation 276 9.1 Designation of aluminium 8.3 Austenite–martensite alloys 316 transformation 278 9.2 Applications of aluminium 8.4 Austenite–bainite alloys 316 transformation 282 9.3 Aluminium-lithium alloys 317 8.5 Tempering of martensite 282 9.6 Thermo-mechanical treatments 283 10 Ceramics and glasses 320 8.4 Fracture and toughness 284 10.1 Classification of ceramics 320 8.1 Griffith micro-crack criterion 284 10.2 General properties of ceramics 321 8.3 Production of ceramic powders 322 8.3 Cleavage and the ductile–brittle transition 288 10.4 Selected engineering ceramics 323 8.4 Factors affecting brittleness of 10.2 From silicon nitride to sialons 325 8.5 Hydrogen embrittlement of 10.5 Aspects of glass technology 345 8.9 Voiding and fracture at elevated 10.1 Viscous deformation of glass 345 temperatures 293 10.2 Some special glasses 346 8.10 Fracture mechanism maps 294 10.3 Toughened and laminated 8.11 Crack growth under fatigue glasses 346 conditions 295 10.6 The time-dependency of strength in ceramics and glasses 348 9 Modern alloy developments 297 9.1 Introduction 297 11 Plastics and composites 351 9.1 Utilization of polymeric materials 351 9.1 Plain carbon steels 297 11.