Giáo trình Vật liệu học Tập 1: Phần Vật liệu kim loại - Vũ Minh Bằng

Chuyên khảo phân tích Vật liệu học, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Đề tài: Vật Liệu Học

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ CỦA KIM LOẠI NGUYÊN CHẤT
• 1.1. Khái niệm chung về kim loại
• 1.1.1. Định nghĩa kim loại
• 1.1.2. Các tính chất của kim loại
• 1.1.3. Các mối liên kết nguyên tử trong tinh thể
• 1.1.4. Cấu tạo của vật rắn
• 1.2. Cấu tạo mạng tinh thể lý tưởng của kim loại
• 1.2.1. Cấu tạo mạng tinh thể lý tưởng. Khảo sát các kiểu mạng tinh thể thường gặp trong kim loại
• 1.2.2. Ký hiệu nút mạng, phương mạng, mặt mạng trong tinh thể
• 1.2.3. Các tính chất của mạng tinh thể
• 1.3. Cấu tạo mạng tinh thể thực của kim loại nguyên chất. Đơn tinh thể, đa tinh thể, hạt và siêu hạt
• 1.3.1. Các sai lệch mạng trong tinh thể
• 2. CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI LỎNG
• 2.1. Cấu tạo của kim loại lỏng và điều kiện năng lượng để có quá trình kết tinh xảy ra
• 2.1.1. Cấu tạo của kim loại lỏng
• 2.1.2. Điều kiện năng lượng để có quá trình kết tinh xảy ra
• 2.2. Cơ chế của quá trình kết tinh
• 2.2.1. Sự phát triển mầm
• 2.2.2. Tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển của tinh thể
• 2.2.3. Động học của quá trình kết tinh
• 2.3. Đặc điểm của quá trình kết tinh trong các điều kiện cụ thể
• 2.3.1. Kết tinh khi làm nguội liên tục
• 2.3.2. Cơ chế kết tinh theo kiểu nhánh cây
• 2.3.3. Kết tinh trong khuôn đúc, tổ chức của thỏi đúc
• 2.4. Độ hạt sau khi kết tinh và các biện pháp làm nhỏ hạt
• 2.4.1. Độ hạt sau khi kết tinh
• 2.4.2. Các biện pháp làm nhỏ hạt
• 3. CHƯƠNG 3: BIẾN DẠNG DẺO VÀ KẾT TINH LẠI CỦA KIM LOẠI
• 3.1. Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá huỷ
• 3.2. Biến dạng dẻo đơn tinh thể
• 3.2.1. Biến dạng đơn tinh thể theo cơ chế trượt
• 3.2.2. Biến dạng dẻo đơn tinh thể theo cơ chế song tinh
• 3.2.3. Nguồn phát sinh lệch Frank - Read và các yếu tố hãm lệch
• 3.3. Đặc điểm biến dạng dẻo trong đa tinh thể
• 3.4. Sự thay đổi tổ chức và tính chất của kim loại sau biến dạng dẻo
• 3.4.1. Sự thay đổi tổ chức tế vi sau biến dạng dẻo
• 3.4.2. Sự thay đổi tổ chức và tính chất sau biến dạng dẻo
• 3.5. Phương hướng nâng cao độ bền của kim loại
• 3.5.1. Giảm mật độ lệch
• 3.5.2. Tăng mật độ lệch
• 3.6. Hồi phục và kết tinh lại của kim loại sau biến dạng dẻo
• 3.6.1. Kết tinh lại
• 3.7. Biến dạng nóng
• 3.7.1. Các quá trình của biến dạng nóng
• 3.7.2. Ưu nhược điểm của biến dạng nóng
• 3.8. Sự phá huỷ
• 3.8.1. Sự phá huỷ dẻo và phá huỷ giòn
• 3.8.2. Phá huỷ trong điều kiện tải trọng chu kỳ (phá huỷ mỏi)
• 3.8.3. Phá huỷ ở nhiệt độ cao
• 4. CHƯƠNG 4: CẤU TẠO HỢP KIM
• 4.1. Khái niệm về hợp kim
• 4.1.1. Ưu nhược điểm của hợp kim
• 4.1.2. Một số khái niệm cơ bản để nghiên cứu hợp kim
• 4.1.3. Phân loại các tương tác
• 4.2. Dung dịch rắn
• 4.2.1. Khái niệm và phân loại
• 4.2.2. Dung dịch rắn thay thế
• 4.2.3. Dung dịch rắn xen kẽ
• 4.2.4. Các tính chất của dung dịch rắn
• 4.3. Các pha trung gian
• 4.3.1. Hợp chất hoá học hoá trị thường
• 4.3.2. Các loại pha trung gian khác
• 4.4. Hỗn hợp cơ học
• 5. CHƯƠNG 5: GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
• 5.1. Quy tắc pha và ứng dụng
• 5.1.1. Giản đồ pha và công dụng của nó
• 5.2. Các loại giản đồ pha cơ bản của hệ hợp kim hai nguyên
• 5.2.1. Giản đồ trạng thái loại I
• 5.2.2. Giản đồ trạng thái loại II
• 5.2.3. Giản đồ trạng thái loại III
• 5.2.4. Giản đồ trạng thái loại IV
• 5.3. Một số giản đồ trạng thái hai nguyên cơ bản khác
• 5.4. Giản đồ trạng thái Fe-C
• 5.4.1. Hình dạng của giản đồ
• 5.4.2. Các pha và tổ chức
• 5.4.3. Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C
• 5.4.4. Phân loại hợp kim trên giản đồ Fe-C
• 5.4.5. Các đường điểm giới hạn, quy ước
• 6. CHƯƠNG 6: CÁC CHUYỂN BIẾN CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN THÉP
• 6.1. Chuyển biến nung nóng Péclit thành Ôstênit
• 6.1.1. Định nghĩa các pha và tổ chức
• 6.1.2. Các đặc điểm nhiệt động học của chuyển biến
• 6.1.3. Cơ chế của chuyển biến
• 6.1.4. Động học của chuyển biến
• 6.1.5. Hạt Ôstênit
• 6.1.6. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt
• 6.2. Các chuyển biến của Ôstênit khi làm nguội chậm
• 6.2.1. Chuyển biến Ôstênit thành Péclit
• 6.2.2. Chuyển biến Ôstênit thành Bainit
• 6.2.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của Ôstênit quá nguội
• 6.2.4. Sự phân hóa của Ôstênit khi làm nguội liên tục
• 6.2.5. Giản đồ chữ C của các loại thép khác cùng tích
• 6.3. Chuyển biến của Ôstênit khi làm nguội nhanh
• 6.3.1. Định nghĩa các pha. Các đặc điểm nhiệt động học của chuyển biến
• 6.3.2. Cơ chế của chuyển biến
• 6.3.3. Động học của chuyển biến
• 6.4. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (chuyển biến Ram)
• 6.4.1. Các chuyển biến xảy ra khi Ram
• 6.4.2. Ảnh hưởng của tôi và Ram đến cơ tính của thép
• 7. CHƯƠNG 7: CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN THÉP
• 7.1. Công nghệ nung nóng
• 7.1.1. Tốc độ nung nóng
• 7.1.2. Ảnh hưởng của môi trường nung nóng đến thép
• 7.2. Ủ và thường hoá
• 7.3. Định nghĩa, mục đích và phương pháp tôi thép
• 7.3.1. Chọn nhiệt độ tôi
• 7.3.2. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi
• 7.3.3. Các môi trường tôi và cách chọn môi trường tôi thép
• 7.3.4. Các phương pháp tôi thể tích
• 7.4. Định nghĩa và mục đích của Ram
• 7.4.1. Các phương pháp Ram
• 7.5. Cơ nhiệt luyện thép
• 7.5.1. Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp
• 7.5.2. Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao
• 8. CHƯƠNG 8: HOÁ BỀN BỀ MẶT
• 8.1. Tôi bề mặt
• 8.1.1. Tôi bề mặt bằng ngọn lửa đèn xì oxy - axetylen
• 8.1.2. Tôi bề mặt bằng dòng điện có tần số cao
• 8.2. Hoá nhiệt luyện
• 8.2.1. Khái niệm chung
• 8.2.2. Một số phương pháp thấm khác
• 8.3. Biến cứng bề mặt
• 8.3.1. Các phương pháp biến cứng bề mặt
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám Phá Vật Liệu Học Nền Tảng Của Mọi Công Nghệ Hiện Đại

Vật liệu học là một ngành khoa học liên ngành. Ngành này nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu. Dựa trên cơ sở đó, các biện pháp công nghệ được đề ra. Mục đích là cải thiện tính chất để sử dụng vật liệu một cách tối ưu và hiệu quả hơn. Vật liệu là những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, và xây dựng công trình. Sự hiểu biết về vật liệu cho phép lựa chọn và ứng dụng chúng đúng mục đích, đóng vai trò then chốt trong sự phát triển của các ngành công nghiệp như cơ khí chế tạo máy, giao thông vận tải, hóa học và xây dựng. Nội dung cơ bản của vật liệu học tập trung vào việc giải thích bản chất của các tính chất thông qua cấu trúc bên trong. Từ đó, các nhà khoa học tìm tòi các hợp kim mới với những tính chất mong muốn và phát triển các phương pháp gia công tiên tiến. Mọi giá trị vật chất đều được thực hiện thông qua việc sử dụng vật liệu cụ thể. Vì vậy, kiến thức về lĩnh vực này là cực kỳ cần thiết. Theo giáo trình "Vật liệu học" của tác giả Vũ Minh Bằng, các vật liệu được phân loại dựa trên cấu trúc và tính chất thành các nhóm chính, bao gồm vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ, vật liệu hữu cơ và vật liệu kết hợp (composite). Mỗi nhóm sở hữu những đặc tính riêng biệt, đáp ứng các yêu cầu đa dạng trong kỹ thuật và đời sống. Nghiên cứu sâu về các nhóm này, đặc biệt là vật liệu kim loại, là trọng tâm của ngành cơ khí.

1.1. Định nghĩa khoa học vật liệu và vai trò cốt lõi

Vật liệu học (Materials Science) là khoa học nghiên cứu sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào cấu trúc bên trong của chúng. Vai trò cốt lõi của ngành này là giải thích tại sao các vật liệu khác nhau lại có những đặc tính khác biệt. Ví dụ, một kim loại có thể vừa bền chắc vừa dẻo dai, trong khi một vật liệu gốm lại cứng nhưng giòn. Sự khác biệt này bắt nguồn từ cách các nguyên tử được sắp xếp và liên kết với nhau ở cấp độ vi mô. Thông qua việc nghiên cứu này, các kỹ sư và nhà khoa học có thể dự đoán hành vi của vật liệu dưới các điều kiện khác nhau, lựa chọn vật liệu phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể, và quan trọng hơn là thiết kế ra những vật liệu hoàn toàn mới với các tính năng vượt trội. Do đó, vật liệu học được coi là nền tảng cho sự đổi mới trong hầu hết các lĩnh vực công nghệ, từ hàng không vũ trụ, y sinh, năng lượng đến điện tử.

1.2. Phân loại các nhóm vật liệu đặc trưng trong kỹ thuật

Trong kỹ thuật, vật liệu được phân thành bốn nhóm chính. Vật liệu kim loại, bao gồm sắt, nhôm, đồng và các hợp kim của chúng, có đặc tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, dẻo và có độ bền cơ học cao. Nhóm thứ hai là vật liệu vô cơ (ceramic), như gốm, sứ, xi măng, có tính chất cứng, bền nhiệt, bền hóa học nhưng giòn. Nhóm thứ ba là vật liệu hữu cơ (polymer), có thành phần chính là carbon, đặc trưng bởi khối lượng riêng nhỏ, dễ uốn dẻo nhưng bị phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp. Cuối cùng là vật liệu kết hợp (composite), được tạo ra từ sự kết hợp của hai hay nhiều loại vật liệu kể trên để tạo ra một vật liệu mới mang những đặc tính ưu việt hơn hẳn các vật liệu thành phần. Ví dụ, sợi carbon gia cường polymer vừa nhẹ vừa bền, được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không và thể thao.

II. Giải Mã Sai Lệch Mạng Tinh Thể Thách Thức Trong Vật Liệu

Trong thực tế, không có một mạng tinh thể nào là hoàn hảo tuyệt đối. Các vật liệu luôn tồn tại những sai sót trong cấu trúc trật tự của nguyên tử, được gọi là sai lệch mạng tinh thể. Các sai lệch này, dù chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ, lại có ảnh hưởng vô cùng lớn đến các tính chất của vật liệu, đặc biệt là cơ tính và lý tính. Một mạng tinh thể lý tưởng là mô hình không gian mô tả sự sắp xếp hoàn hảo của các nguyên tử. Tuy nhiên, cấu trúc mạng tinh thể thực luôn chứa các khuyết tật. Việc nghiên cứu các sai lệch mạng là một thách thức lớn nhưng cũng là chìa khóa để kiểm soát và cải thiện tính chất vật liệu. Chẳng hạn, sự hiện diện của sai lệch đường (lệch) giải thích tại sao kim loại có thể bị biến dạng dẻo thay vì bị phá hủy ngay lập tức khi chịu lực. Hiểu rõ về các loại sai lệch này giúp các nhà khoa học phát triển các phương pháp gia công như nhiệt luyện hay biến dạng dẻo để tăng cường độ bền cho vật liệu. Các sai lệch được phân loại dựa trên kích thước và hình học thành ba loại chính: sai lệch điểm, sai lệch đường và sai lệch mặt. Mỗi loại có một cơ chế hình thành và ảnh hưởng riêng biệt đến hành vi của vật liệu. Việc kiểm soát mật độ và sự phân bố của chúng là nội dung quan trọng trong khoa học vật liệu học.

2.1. Tìm hiểu sai lệch điểm Nút trống và nguyên tử tạp chất

Sai lệch điểm là loại sai lệch có kích thước nhỏ theo cả ba chiều, tập trung quanh một điểm. Các dạng phổ biến nhất bao gồm nút trống và nguyên tử xen kẽ. Nút trống là một vị trí trong mạng tinh thể bị bỏ trống, không có nguyên tử chiếm chỗ. Chúng hình thành do dao động nhiệt của các nguyên tử, khiến một số nguyên tử có đủ năng lượng để bứt ra khỏi vị trí cân bằng. Nguyên tử xen kẽ là một nguyên tử nằm ở vị trí không phải là nút mạng, chen vào giữa các nguyên tử khác. Ngoài ra, nguyên tử tạp chất cũng là một dạng sai lệch điểm quan trọng. Các nguyên tử của nguyên tố khác có thể thay thế nguyên tử cơ sở tại nút mạng hoặc nằm xen kẽ. Những sai lệch này làm xô lệch các nguyên tử xung quanh, gây ra các vùng ứng suất cục bộ và ảnh hưởng đến tính dẫn điện, độ bền và tốc độ khuếch tán trong vật liệu.

2.2. Phân tích sai lệch đường lệch Vai trò trong biến dạng

Sai lệch đường, hay còn gọi là lệch, là khuyết tật có kích thước nhỏ theo hai chiều và lớn theo chiều còn lại, có dạng một đường. Đây là dạng sai lệch quan trọng nhất trong việc giải thích cơ chế biến dạng dẻo của kim loại. Có hai loại lệch cơ bản: lệch biên (lệch thẳng) và lệch xoắn. Lệch biên có thể hình dung như sự tồn tại của một nửa mặt phẳng nguyên tử thừa bị chèn vào mạng tinh thể. Lệch xoắn được tạo ra do sự trượt tương đối của các mặt nguyên tử theo hình xoắn ốc. Sự di chuyển của các lệch dưới tác dụng của ngoại lực cho phép các lớp nguyên tử trượt lên nhau một cách dễ dàng hơn nhiều so với việc trượt đồng thời cả một mặt phẳng, từ đó giải thích tính dẻo của vật liệu kim loại. Lý thuyết lệch mạng đã mở ra những triển vọng to lớn trong việc chế tạo các hợp kim có độ bền cao.

2.3. Khám phá sai lệch mặt Biên giới hạt và siêu hạt

Sai lệch mặt là sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều. Dạng phổ biến nhất là biên giới hạt. Trong một khối đa tinh thể, mỗi hạt là một đơn tinh thể nhỏ với định hướng mạng khác nhau. Vùng chuyển tiếp giữa các hạt này, nơi các nguyên tử được sắp xếp không trật tự, chính là biên giới hạt. Biên giới hạt có năng lượng tự do cao hơn, là nơi dễ xảy ra ăn mòn và là rào cản đối với sự di chuyển của lệch, do đó làm tăng độ bền của vật liệu ở nhiệt độ thường. Một dạng sai lệch mặt khác là biên giới siêu hạt, là ranh giới giữa các vùng nhỏ hơn trong một hạt (gọi là siêu hạt hay block), có góc lệch phương mạng rất nhỏ. Ngoài ra, bề mặt ngoài của tinh thể cũng được coi là một sai lệch mặt do các nguyên tử bề mặt có lực liên kết không cân bằng.

III. Hướng Dẫn Về Cấu Trúc Mạng Tinh Thể Trong Vật Liệu Kim Loại

Nền tảng của vật liệu học kim loại là sự hiểu biết về cấu trúc mạng tinh thể. Hầu hết các kim loại khi ở trạng thái rắn đều có các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự tuần hoàn trong không gian, tạo thành mạng tinh thể. Cấu trúc này quyết định phần lớn các tính chất của vật liệu như độ cứng, độ dẻo, nhiệt độ nóng chảy và tính dẫn điện. Để mô tả cấu trúc này, người ta sử dụng khái niệm ô cơ sở - một đơn vị hình khối nhỏ nhất lặp đi lặp lại để tạo thành toàn bộ tinh thể. Dựa trên hình dạng và kích thước của ô cơ sở, các mạng tinh thể được phân thành 14 kiểu mạng Bravais thuộc 7 hệ tinh thể. Trong đó, các vật liệu kim loại thường gặp nhất có ba kiểu cấu trúc mạng tinh thể chính: lập phương tâm khối (BCC), lập phương tâm mặt (FCC) và sáu phương xếp chặt (HCP). Mỗi kiểu cấu trúc có cách sắp xếp nguyên tử, mật độ xếp và số phối vị khác nhau, dẫn đến những đặc tính cơ học riêng biệt. Việc khảo sát các kiểu mạng này là bước đầu tiên và quan trọng nhất để lý giải hành vi của kim loại và hợp kim.

3.1. Cấu trúc mạng lập phương tâm khối BCC và đặc điểm

Mạng lập phương tâm khối (Body-Centered Cubic - BCC), ký hiệu A2 hoặc K8, có ô cơ sở là một hình lập phương. Các nguyên tử được đặt tại 8 đỉnh và một nguyên tử ở tâm của khối lập phương. Tổng số nguyên tử trong một ô cơ sở là 2. Mỗi nguyên tử được bao quanh bởi 8 nguyên tử gần nhất, do đó số sắp xếp là 8. Do các nguyên tử không lấp đầy hoàn toàn thể tích của ô cơ sở, mật độ xếp của mạng BCC chỉ đạt 68%. Cấu trúc này không phải là cấu trúc xếp chặt nhất, do đó các kim loại có mạng BCC thường có độ bền cao nhưng độ dẻo kém hơn so với mạng FCC. Một số kim loại quan trọng có cấu trúc này ở nhiệt độ thường bao gồm Sắt-alpha (Fe-α), Crom (Cr), và Vonfram (W).

3.2. Khảo sát mạng lập phương tâm mặt FCC và mật độ xếp

Mạng lập phương tâm mặt (Face-Centered Cubic - FCC), ký hiệu A1 hoặc K12, cũng có ô cơ sở là hình lập phương. Các nguyên tử nằm ở 8 đỉnh và tâm của 6 mặt. Số nguyên tử trong một ô cơ sở là 4. Đây là một cấu trúc xếp chặt, với mỗi nguyên tử được bao quanh bởi 12 nguyên tử gần nhất (số sắp xếp là 12). Mật độ xếp của mạng FCC rất cao, đạt 74%, là giá trị cao nhất có thể đối với các quả cầu có cùng kích thước. Do có nhiều mặt và phương trượt, các kim loại có cấu trúc FCC thường rất dẻo và dễ biến dạng. Các kim loại điển hình có cấu trúc này là Nhôm (Al), Đồng (Cu), Vàng (Au), Bạc (Ag) và Sắt-gamma (Fe-γ) ở nhiệt độ cao.

3.3. Phân tích mạng sáu phương xếp chặt HCP trong kim loại

Mạng sáu phương xếp chặt (Hexagonal Close-Packed - HCP), ký hiệu A3 hoặc S12, có ô cơ sở là một hình lăng trụ đứng đáy lục giác. Các nguyên tử nằm ở 12 góc của lăng trụ, 2 nguyên tử ở tâm hai mặt đáy, và 3 nguyên tử nằm ở lớp giữa. Tổng số nguyên tử trong một ô cơ sở là 6. Tương tự như FCC, HCP cũng là một cấu trúc xếp chặt với mật độ xếp là 74% và số sắp xếp là 12. Tuy nhiên, do tính đối xứng thấp hơn so với FCC, số hệ trượt hoạt động trong cấu trúc HCP ít hơn. Điều này làm cho các kim loại HCP thường có tính dẻo kém hơn và thể hiện tính dị hướng rõ rệt (tính chất thay đổi theo phương). Các kim loại có cấu trúc HCP bao gồm Kẽm (Zn), Magie (Mg), Titan (Ti) và Coban (Co).

IV. Bí Quyết Nắm Vững Quá Trình Kết Tinh Của Vật Liệu Kim Loại

Quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn có cấu trúc mạng tinh thể được gọi là sự kết tinh. Đây là một quá trình cơ bản trong luyện kim và đúc, quyết định đến tổ chức tế vi và cơ tính của sản phẩm cuối cùng. Nắm vững cơ chế của quá trình này là bí quyết để kiểm soát chất lượng vật đúc, đặc biệt là kích thước hạt và sự đồng đều của cấu trúc. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất xảy ra ở một nhiệt độ xác định, nhưng quá trình này chỉ bắt đầu khi kim loại lỏng được làm nguội xuống dưới nhiệt độ kết tinh lý thuyết một khoảng nhất định, gọi là độ quá nguội. Quá trình kết tinh bao gồm hai giai đoạn chính diễn ra đồng thời: sự tạo mầm (hình thành các tâm kết tinh đầu tiên) và sự phát triển mầm (các mầm lớn lên thành các hạt tinh thể). Tốc độ của hai giai đoạn này chịu ảnh hưởng bởi độ quá nguội và sự hiện diện của tạp chất, từ đó quyết định đến cấu trúc đa tinh thể cuối cùng của vật liệu. Một trong những mục tiêu quan trọng trong vật liệu học là tìm ra các biện pháp làm nhỏ hạt sau khi kết tinh để cải thiện cơ tính.

4.1. Cơ chế tạo mầm Nền tảng của sự hình thành tinh thể

Tạo mầm là sự hình thành các tâm kết tinh nhỏ, ổn định trong lòng kim loại lỏng quá nguội. Có hai cơ chế tạo mầm chính là tạo mầm tự sinh và tạo mầm ký sinh. Mầm tự sinh hình thành một cách ngẫu nhiên từ sự dao động năng lượng của các cụm nguyên tử trong kim loại lỏng nguyên chất. Quá trình này đòi hỏi một độ quá nguội lớn để vượt qua rào cản năng lượng bề mặt. Ngược lại, tạo mầm ký sinh xảy ra trên bề mặt của các phần tử rắn có sẵn trong kim loại lỏng, chẳng hạn như các tạp chất, oxit, hoặc thành khuôn đúc. Cơ chế này cần ít năng lượng hơn và xảy ra ở độ quá nguội nhỏ hơn, do đó đóng vai trò chủ đạo trong các quá trình đúc thực tế. Việc cố tình đưa các chất tạo mầm vào kim loại lỏng là một biện pháp công nghệ hiệu quả để làm nhỏ hạt.

4.2. Quá trình phát triển mầm thành hạt đa tinh thể

Sau khi được hình thành, các mầm có kích thước lớn hơn kích thước tới hạn sẽ bắt đầu phát triển bằng cách thu hút các nguyên tử từ pha lỏng xung quanh bám vào bề mặt của chúng. Quá trình này làm giảm năng lượng tự do của hệ thống. Các mầm sẽ lớn lên cho đến khi chúng chạm vào nhau, hình thành nên biên giới hạt. Khối kim loại rắn cuối cùng sẽ có cấu trúc đa tinh thể, bao gồm vô số các hạt (tinh thể) nhỏ. Hình dạng của các hạt thường phát triển theo kiểu nhánh cây (dendrite) do sự khác biệt về tốc độ tản nhiệt theo các phương khác nhau. Tốc độ phát triển mầm phụ thuộc vào khả năng khuếch tán của các nguyên tử trong pha lỏng và tốc độ tản nhiệt ra môi trường bên ngoài. Việc kiểm soát tốc độ nguội là yếu tố quyết định đến hình thái và kích thước của các hạt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 1 đến chương 8, tức là phần Ï mục A va B. Tập II: Nội dung 4ð tiết gồm 8 chương từ chương 9 đến chương 16, tức la phan I muc C va phan II. Cuốn giáo trình Vật liệu học trình bày các biến thức cơ ban vé vat liéu thường dùng trong sản xuất cơ hhí. Dé làm tốt các công uiệc hỹ thuật can tham bhỏủo thêm các sách uò tài liệu chuyên sâu hơn uề từng tinh vuc da đề cập.

Do sự phát triển không ngừng của khoa học - tông nghệ nói chung uà Uột liệu nói riêng, nên tác giả không thể đề cập hết được các biến thức uật liệu hoàn chỉnh, mặt bhác do hình nghiệm uà thời gian có hạn nên cuốn sách khó tránh khỏi những hạn chế, rất mong được bạn đọc trao đổi, góp ý, | | | : Xin chân thanh cam on! ‘Thang 3 nam 2003 Cac tac gia VI,.12 PHAN I VAT LIEU KIM LOAI _ A- VAT LY KIM LOAI (1): 13 Chuong 1 CAU TAO MANG TINH THE CUA KIM LOAI NGUYEN CHAT Trong chế tạo cơ khí kim loại nguyên chất ít sử dung, chủ.yếu sử dụng là hợp kim. Sử dụng có hiệu quả hợp kim cần phải nắm vững cấu tạo. bên trong của kim loại nguyên chất là nguyên cơ bản cấu tạo nên hợp kim.1- KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KIM LOAI 1. Định nghĩa kim loại Theo định nghĩa cổ điển: kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn - được, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao.

Định nghĩa này đã bao quát được các đặc điểm chính của đa số kim - loại, trên cơ sở định nghĩa này có thể phân biệt kim loại với á kim. Hạn chế của định nghĩa: Không phải mọi kim loại có các tính chất trén chang hạn ăng timoan (Sb) dòn không rèn được hoặc xêr1 (Ce) và prazé6dim (Pr) cé tinh chất dẫn điện kém. - Định nghĩa cổ điển chưa đúng cho mọi kim loại, chưa nêu được bản chất chung cho tất cả kim loại. Sự phát triển cuả vật lý chất rắn chờ ta phan biệt được giữa kim loại và á kim là hệ số nhiệt độ của điện trở: ở kim loại hệ số nhiệt độ của điện trở là dương (khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng) ở á kim hệ số nhiệt độ của điện trở là âm (khi nhiệt độ tăng điện trở giảm).

Nghiên cứu hợp kim thì chúng cũng có những tính chất như kim loại, có hệ số nhiệt độ của điện trở là dương. Hiện nay khoa học đã tìm ra hơn 100 nguyên tố hoá học trong đó 3/4 số chúng là kim loại, ngoài ra còn có một số nguyên tố%ó vị trí trung gian giữa kim loại và á kim đó là các nguyên tế bán dẫn nhu Giecmani (Ge), Silic (Si). Các tính chất của kim loại im loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi vì nó có nhiều tính chất đáng quí. Cơ tính: Cơ tính của kim loại uà hợp bim được đánh giá bằng các chỶ tiêu sau: - Độ bền: được đo bằng giới hạn bền gồm có: + Giới hạn bền kéo ơy, © + Giới hạn bển nén ơ„ + Giới hạn bền uốn o,, + Giới hạn bền mỏi ơ¡ + Giới hạn chảy ơ,(giới han chay qui ude Go») - # Giới hạn đàn hồi ơạy,.

Đơn vị đo của độ bền thường dùng N/mm? hay daN/em”. - Độ cứng: được đo bằng các loại độ eứng + Brinen HB + Réc oen HRA, HRB, HRC + So, HSh + Vicke HV. - Độ dẻo được xác định bằng: + Độ dãn dài tương đối õ (%) + Độ co thắt tỷ đối (%). - Độ đai xác định bằng độ dai va đập a, đơn vị là kj/cm” hoặc kj/m”.

Dac điểm quan trọng của kim loại và hợp kim là có cơ tính tổng hợp cao, nghĩa là có độ bền và độ cứng cao › nhưng vẫn đảm bảo độ dẻo, độ dai trong phạm vi. Ly tinh Các tính chất điện, từ là các tính chất không thể thay thế của kim loại, đừửợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp điện. Ngoài ra người ta còn quan tâm đến các lý tính khác của c kim loại: như tính dãn nở vì nhiệt, tính chịu nhiệt độ cao. Hod tinh Các kim loại thường có tác dụng mạnh với á kim như (ôxy hoặc Cloy do đó thường không ổn định về mặt hoá học.

Hiện tượng kim loại bị gỉ Vi¿y. 'kbí và trọng các môi trường khác được gol là hiện tượng ăn mòn kim loại. ~- : Một số kim loại và hợp kim đặc: biệt có tính ổn định rất cao trong khí quyển, trong axit, trong bazơ, trong các dung dịch muối là các kim loại đáng quý trong các nhà máy và ( các.; thiết bị hoá chất. Tính công nghệ.

Tính công nghệ là khả năng chịu được các c dạng gia công khác nhau: Đúc, hàn, nhiệt luyện, gia công bằng áp lực: rèn, rập, kéo, cán; gia công bằng cắt gọt: Tiện, phay, bào, khoan, khoét, doa, mài, đánh bóng. Kim loại và hợp kim rất đáng quý nhưng tính công nghệ kém thì hạn chế được sử: dụng do khó chế tạo thành sản phẩm. Nói chung một:số kim loại hay hợp kim-không thể đạt được đồng: thời các tính công nghệ kể trên nên việc sử dụng kim loại hợp kim phụ thuộc. rất nhiều vào tính công nghệ.

kết nguyên tử.i trong tinh thể Kim loại học vật “lý nghiên cứu: liên kết trong hệ thống gồm hai nguyên tử: khi xê dịch hai nguyên tử lại gần nhau, đồng loại hay khác loại giữa chúng có thể sinh ra các dạng liên kết sau: Lién két Varderr waals: -Liên kết: này sinh ra do tương tác › giữa những điện tử ngoài cùng của các nguyên tử trên những khoảng cách lớn, khi các mây điện tử chưa tiếp xúc nhau. Liên bết ion: Liên kết này- sinh ra giữa ‹ các 10n dương và các ion 4m dưới tác dụng. của lực hút Coulomb. : Liên bết trao đổi: được tạo thành bằng cách trao t đổi điện tử để nhận -được tầng điện tử ngoài cùng hoàn chỉnh nS”nP? trong hệ thống hai nguyên tử, số lượng điện tử cần thiết” để trao đổi bằng số trạng thái cho phép trừ đi số điện tử hiện có của a lop 1 ngoài cùng trong nguyên tử tự do.

Trong trường hợp tỉnh thể nói chung và kim loại nói. riêng là hệ thống gồm nhiều nguyên tử đồng loại liên kết tiêu biểu nhất của nó là liên kết trao đổi và liên kết kim loại. Liên kết trao đổi ` - Trong tỉnh thể, mỗi nguyên tử được nhiều nguyên tử khác bao quanh nên sự trao đổi điện tử không chỉ: xây: ra. giữa hai nguyên tử.

Giả sử nguyên tử được bao quanh bởi Z nguyên tử trên khoảng cách bằng nhau a thì sự trao đổi phải được tiến hành với Zn ử đó, uy nhiên số ong nguyên tử trao. đổi không thể lớn hơn tổng ếtr ạngRHfN6iaAI4tAäng hoà AGGIAO THONG | VAN TAL- cos So 2 i + ta ỉ f1 ey 7% TU TN, | ÄÑ tr C7 VÉ Hài Viu, lƑ =.>rarzẽrrrarrarasraarzsrarxNyxxe chỉnh n8”nP° trừ đi số điện tử hiện có trên các tầng đó (tức là 8 ~ N) nên số lượng nguyên tử bao quanh gần nhất (số sắp xếp Z) phải bằng (8-N). Quy tắc (8-N) là qui tắc tìm số sắp xếp trong các tinh thể có liên kết trao đổi. Tinh thể tiêu biểu.

có liên kết trao đổi thuần tuý là kim cương (dạng thù hình của Cacbon). Các bon trong kim cương có phân bố điện tử 18ˆ2S”2P? từ là lớp L bên ngoài chứa 4 điện tử. Muốn có các tầng 2§?2PẺ hoàn chỉnh mỗi nguyên tử các bon cần có thêm 4 điện tử nữa bằng cách. trao đổi với các nguyên.

tử lân cận. Quá trình trao đổi điện tử bình đẳng như nhau đối với tất cả các nguyên tử: các bon. trong tinh thể vì vậy các: nguyên tử phải sắp xếp thế nào để mỗi nguyên tử bất ky đều được bao quanh cách đều bởi 4 nguyên tử khác, hình 1-1 chính là cấu tạo của mạng tình thể kim cương. Or CO +O) -Hình 1-1: Cấu tạo mạng Hình 1-9; Sự tạo thành mây.

tinh thé kim Cương. quỹ đạo Lai hoá S — P. Liên kết trao đổi sinh ra khi có sự chắp nối các mây điện tử, tuy nhiên trong các bon hai điện tử nằm trên mây quỹ đạo 2S và hai điện tử khác nằm trong mây quỹ đạo 2P. Mây quỹ đạo § có tính đối xứng cầu, còn mây quỹ đạo P:có dạng số.8 định hướng trực giao nhau.

Sự chắp nối để tạo ra 4 liên kết định hướng cách đều nhau trong không gian được thể hiện bằng quá trình lai hoá. Đó là sự qui hợp các hàm sóng của những trạng thái gần nhau của các điện tử ngoài cùng để tạo ra. trạng thái mới. Đối với nguyên tử các bon, lai hoá xẩy ra bằng cách mây quỹ đạo S đối xứng cầu - qui hợp với mây quỹ đạo P đối xứng trục cho ta các mây quỹ đạo khác hình 1-2 định hướng theo chiều nhất định.

Mây quỹ đạo nhận được gọi là mây quỹ đạo lai hoá 8 — P. Mối liên kết bộ bốn trong kim cương được giải thích do quá trình lai hoá các trạng thái 5, P để nhận được 4 mây quỹ đạo mới định hướng theo 4 góc của hình tứ điện đều và được chap liền với các mây quỹ đạo lai hoá của nguyên tử lân cận. Liên kết kim loại ._ trong tình thể kim loại có những điện tử chuyển động tự do tạo thành khí điện tử, gia thiết rằng tất cả các nguyện tử trong kim loại đều góp Vi„18 - ® @ @ @ @ phần tạo ra khí điện tử thì chúng sẽ trở ._ thành những lon dương được bao quanh @ @ Œ@ ® Œ@__ bởi khí điện tử đó mô hình liên kết kim loại ®@@@@ chỉ ra hình 1-3. Như vậy liên kết kim loại là liên kết @ @ @ @ @ giữa tập thể các ion dương và khí điện tử @® @@@@ bao quanh.

Nếu bỏ qua phần năng lượng liên kết Wander - Waals năng lương liên kết kim Hình 13. Mê hình loại Ù có thể viết dưới dạng gần đúng. liên hết kim loai. yer Aer Be.

Ce 1/3 + 2/3 M vo Vv Trong do: v: Thé tich nguyén tu biéu kién (thé tich tinh thé tinh cho 1 nguyén tu). A, B, C: Các hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các hằng số vật lý. Đại lượng thứ nhất của biểu thức thể hiện thế năng của khí A u điện tử trong điện trường các lon dương. Đại lượng thứ 2 biểu thị động năng của khí điện tử.

r, | Đại lượng thứ 3 biểu thị động 2 , mA > 2 > A 4 nang của các điện tử nắm trên các : | Ì - | tang năng lượng bên trong của 5 | nguyên tử. Trị số v'?