Cấu tạo mạng tinh thể nguyên chất
Khái niêm cơ bản:
a) Mặt tinh thể: Trong kim loại các nguyên tử sắp xếp có trật tự, tức là chúng đều nằm trên mặt phẳng song song cách đều nhau gọi là mặt tinh thể. Tập hợp các mặt như vậy tạo nên mạng tinh thể.
b) Khối cơ sở (còn gọi là ô cơ bản): Là phần nhỏ nhất đặc trưng cho một loại mạng tinh thể. Có thể xem như mạng tinh thể là do vô số các khối cơ sở sắp xếp liên tiếp nhau tạo nên.
c) Thông số mạng: (còn gọi là hằng số mạng): Là khoảng cách giữa 2 nguyên tử trên một cạnh của khối cơ sở. Thông số mạng là kích thước cơ bản của mạng tinh thể, từ đó suy ra khoảng cách bất kỳ trong mạng.
Đơn vị đo thông số mạng là kx (nano mét) hay ăng strông:
Theo thông số mạng ta có thể tính được đường kính nguyên tử kim loại. Thông số mạng thường ký hiệu a.
Trong các kim loại thường gặp 3 kiểu mạng tinh thể sau đây:
Lập phương tâm khối (thể tâm A2): Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và trung tâm của khối lập phương. Nếu coi phân tử là hình cầu và biểu diễn gần như thật thì nguyên tử nằm ở đỉnh chéo nhau của khối lập phương tiếp xúc nhau qua nguyên tử trung tâm. Các nguyên tử còn lại không tiếp xúc với nhau. Khoảng cách gần nhất 2 nguyên tử là:
Kiểu mạng này chỉ có một thông số mạng là a. Thường gặp trong các kim loại: Feα, Cr, Mo, V.
Số nguyên tử trong ô cơ sở:
Lập phương tâm mặt (diện tâm A1): Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và tâm của các bề mặt bên của khối lập phương. Nếu coi phân tử là hình cầu và biểu diễn gần như thật thì nguyên tử nằm ở đỉnh và ở tâm của các mặt thì tiếp xúc với nhau. Các nguyên tử còn lại không tiếp xúc với nhau. Khoảng cách gần nhất 2 nguyên tử là:
Kiểu mạng này chỉ có một thông số mạng là a. Thường gặp trong các kim loại: Feɣ, Cu, Ni, Al, Pb.
Số nguyên tử trong ô cơ sở:
Sáu phương xếp chặt (diện tâm A3): Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và ở hai tâm mặt đáy của lăng trụ hình lục giác đều, ba nguyên tử ở trung tâm ba lăng trụ tam giác cách nhau.
Mạng sáu phương xếp chặt có hai thông số mạng là a và c, tỷ số a/c gọi là hệ số xếp chặt.
Trong trường hợp lý tưởng:
Trong thực tế tỉ số c/a không đúng là 1,633 mà dao động khoảng 1,57 ÷ 1,64 và cũng coi là xếp chặt.
Thường gặp trong các kim loại: Zn, Cd (cadmi), Coα, Mg, Ti, Ru (rutheni)…
Số nguyên tử trong ô cơ sở:
Chính phương tâm khối (thể tâm): Trong tổ chức thép sau khi tôi (mactenxít) còn có kiểu mạng chính phương tâm khối. Có thể coi kiểu mạng này là lập phương tâm khối được kéo dài theo một chiều, nó có 2 thông số mạng là a và c, tỉ số a/c gọi là độ chính tâm.
Trong thực tế sự sắp xếp của các nguyên tử trong kim loại theo xu hướng dày đặc nhất. Do đó không có kim loại nào có kiểu mạng đơn giản chính phương tâm khối nào cả.
Mật độ nguyên tử và lỗ hổng mạng tinh thể
Mật độ nguyên tử trong mạng tinh thể
Do ta coi nguyên tử kim loại là hình cầu, dù chúng sắp xếp sít chặt bao nhiêu đi nữa giữa chúng với nhau vẫn còn các khoảng trống nhất định. Vì vậy phải đưa ra vấn đề mật độ nguyên tử trong mạng tinh thể.
Mật độ nguyên tử trong tinh thể là phần thể tích (diện tích) có nguyên tử chiếm chỗ tính ra phần trăm.
Mật độ khối:
Trong đó:
- n là số nguyên tử có trong khối cơ sở
- υ là thể tích của một nguyên tử
- v là thể tích của khối cơ sở
Mật độ mặt:
Trong đó:
- 𝑛𝑠 là số nguyên tử có trong mặt đang xét
- s là diện tích của một nguyên tử
- S là diện tích của mặt đang xét.
Tính mật độ khối của mạng tinh thể căn bản
Mật độ khối của mạng lập phương tâm khối:
Mật độ khối của mạng lập phương tâm mặt:
Lỗ hổng trong mạng tinh thể
Do nguyên tử hình cầu nên giữa chúng luôn luôn có các lỗ hổng. Có hai loại lỗ hổng: Lỗ hổng trong khối tám mặt và lỗ hổng trong khối bốn mặt, các kiểu mạng khác nhau có số lỗ hổng khác nhau. Các lỗ hổng này quyết định sự hoà tan của các nguyên tử khác vào mạng của chúng.
a) Mạng lập phương tâm khối
- Loại thứ nhất: Nằm trong khối tám mặt tạo bởi sáu nguyên tử và có tâm nằm ở giữa các cạnh và trung tâm của các mặt bên, kích thước của nó là 0,154d. Tất cả có sáu lỗ hổng như vậy.
- Loại thứ hai: Nằm trong khối bốn mặt, có tâm ở ¼ đoạn thẳng nối điểm giữa các mặt bên, kích thước là 0,221d và có tất cả 12 lỗ hổng. Mạng lập phương tâm khối có nhiều lỗ hổng hơn nhưng kích thước các lỗ nhỏ hơn.
b) Mạng lập phương tâm mặt
- Loại thứ nhất: Nằm trong khối tám mặt nằm ở trung tâm khối cơ sở và đỉnh giữa các mặt bên, kích thước là 0,41d. Có tất cả bốn lỗ hổng như vậy.
- Loại thứ 2: Nằm trong khối bốn mặt, tâm nằm trong khoảng ¼ của đường chéo khối {111}, kích thước 0,225d, tất cả có 8 lỗ hổng như vậy. Mạng lập phương tâm mặt có ít lỗ hổng hơn nhưng kích thước lớn hơn.
Tính đa hình của kim loại
Khái niệm và ví dụ
Kim loại có nhiều mạng tinh thể khác nhau ở trong khoảng nhiệt độ và áp xuất khác nhau, tính chất đó gọi là tính đa hình.
Nhiệt độ mà tại đó kim loại chuyển từ kiểu mạng này sang kiểu mạng khác gọi là nhiệt độ tới hạn của chuyển biến đa hình.
Nhiệt độ này còn phụ thuộc vào tốc độ nung nóng, tốc độ làm nguội và trạng thái ban đầu của kim loại. Các dạng đa hình khác nhau của một nguyên tố được ký hiệu bằng chữ Hy lạp: α, β, ɣ …Trong đó α là ký hiệu cho dạng đa hình ở nhiệt độ thấp nhất, các chữ số còn lại ký hiệu lần lượt ở các nhiệt độ cao hơn.
Ví dụ: Sắt là kim loại có tính đa hình, ở nhiệt độ < 9110C và từ 1392 0C đến 1539 0C có kiểu mạng lập phương tâm khối gọi là Feα. Khoảng từ 911 0C đến 13920C có mạng lập phương tâm mặt gọi là Feɣ.
Thiết ở nhiệt độ thường có màu sáng bạc, có thể hàn, dát mỏng và kéo sợi được đó là Snβ. Nhưng khi làm nguội xuống ÷300C thì trở thành Snα có màu xám dạng bột.
Sự thay đổi tính chất khi có chuyển biến đa hình
Khi có chuyển biến đa hình, các kim loại đều có sự thay đổi các tính chất của chúng.
- Thể tích riêng thay đổi: Từ Feα sang sắt Feβ thể tích giảm đi khoảng 1%, từ Snβ sang Snα thể tích tăng 25%.
- Thay đổi về cơ tính: Snβ sang Snα độ bền không còn nữa.
- Thay đổi về lý tính: Do sự sắp xếp nguyên tử có thay đổi nên nhiệt dung, điện trở đều biến đổi đi.
Sự thay đổi của tính chất kim loại khi chuyển biến đa hình được nghiên cứu kỹ lưỡng để tận dụng các tính chất có lợi và ngăn ngừa các tính chất bất lợi. Tính đa hình của sắt sử dụng nhiều trong nhiệt luyện.
Đơn tinh thể và đa tinh thể
Tính có hướng của tinh thể
Mạng tinh thể luôn luôn thể hiện tính có hướng (dị hướng) của nó nghĩa là theo các hướng khác nhau, tính chất của mạng (cơ, lý, hoá tính…) khác nhau. Tính có hướng do cấu tạo mạng tinh thể, các phương và các mặt khác nhau có mật độ nguyên tử không giống nhau. Theo phương có mật độ nguyên tử lớn, liên kết bền hơn nên có độ bền lớn hơn các phương có mật độ nguyên tử bé.
Ví dụ: Tinh thể đồng theo các phương khác nhau có độ bền kéo thay đổi từ 140 đến 250 MN/m2 . Tinh thể Magiê (mạng sáu phương xếp chặt) có điện trở theo trục a có p = 4,53.106 𝛺cm, theo trục c có p = 3,78.106 𝛺cm.
Đơn tinh thể và đa tinh thể
a. Đơn tinh thể: Nếu vật thể có mạng thống nhất và phương không thay đổi trong toàn bộ thể tích gọi là đơn tinh thể.
Để hình dung về đơn tinh thể, ta lấy khối cơ sở và tịnh tiến nó theo ba trục toạ độ với đoạn bằng chu kỳ tuần hoàn mạng (thông số mạng) sẽ được đơn tinh thể.
Trong thực tế một số khoáng vật có thể tồn tại các đơn tinh thể tự nhiên. Với kim loại phải áp dụng để có được tinh thể phải áp dụng công nghệ đặc biệt “nuôi” đơn tinh thể. Ngày nay người ta chỉ mới chế tạo được đơn tinh thể có kích thước nhỏ, dài khoảng 3 cm.
Một số đơn tinh thể, đặc biệt là khoáng vật, có bề mặt ngoài khá nhẵn, hình dáng xác định, đó là mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường là các mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất).
Tính chất tiêu biểu của đơn tinh thể là tính có hướng (dị hướng) theo các hướng khác nhau có mật độ nguyên tử khác nhau.
Đơn tinh thể chủ yếu sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và vật liệu kỹ thuật điện
b. Đa tinh thể: Là kim loại có cấu tạo gồm nhiều tinh thể. Mỗi tinh thể trong đó gọi là hạt.
Đa tinh thể có các đặc điểm sau
- Do định hướng của mạng tinh thể của mỗi hạt là ngẫu nhiên nên phương mạng giữa các hạt lệch nhau một góc nào đó.
- Tại vùng biên giới hạt mạng tinh thể bị xô lệch
- Đa tinh thể có tính đẳng hướng.
Do đó trong thực tế các kim loại thường gặp đều có cơ tính đồng nhất theo mọi phương. Nếu đem kéo, cán kim loại với mức độ biến dạng lớn thì kim loại thể hiện tính có hướng của nó.
Ví dụ: Dây thép khi kéo nguội với độ biến dạng rất lớn (làm dây cáp cần cẩu, cáp treo, dây phanh xe đạp…) độ bền theo phương dọc lớn hơn rất nhiều so với phương ngang sợi.
Cấu tạo mạng tinh thể thực tế của kim loại
Trong kim loại thực tế các nguyên tử không hoàn toàn nằm ở vị trí một cách trật tự như đã nói ở trên mà luôn luôn có một số ít nguyên tử nằm sai vị trí gây nên sai lệch mạng. Trong thực tế không có kim loại nguyên chất tuyệt đối, do vậy trong kim loại bao giờ cũng có tạp chất. Kích thước các nguyên tử lạ này luôn khác nguyên tử kim loại gây nên sự sai lệch trong mạng tinh thể. Sai lệch mạng tinh thể chiếm số lượng rất thấp (1÷2% thể tích) nhưng ảnh hưởng rất lớn đến cơ tinh kim loại.
Phân loại sai lệch trong mạng tinh thể
Theo kích thước của sự sắp xếp không trật tự ta phân chia sai lệch ra làm ba loại là sai lệch điểm, sai lệch đường và sai lệch mặt.
a) Các sai lệch điểm: Là sai lệch có kích thước bé theo ba chiều đo (vài thông số mạng) có dạng điểm hay bao quanh một điểm.
Gồm có các loại sau đây:
- Nút trống là các nút không có nguyên tử chiếm chỗ.
- Các nguyên tử nằm xen giữa các nút mạng.
- Các nguyên tử lạ nằm trên các nút mạng.
Do có các sai lệch mạng nên nguyên tử nằm xung quanh sai lệch nằm không đúng vị trí quy định.
Ví dụ: Nút trống làm cho các nguyên tử xung quanh nó có xu hướng xích lại gần nhau, nguyên tử xen giữa nút mạng làm cho các nguyên tử xung quanh có xu hướng dồn ép lại.
Số lượng nút trống các nguyên tử có xu hướng phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng tăng thì số lượng chúng càng nhiều, tuy nhiên không vượt quá 1÷2%. Kim loại càng bẩn thì khả năng nguyên tử lạ chui vào mạng tinh thể càng nhiều và do đó số lượng sai lệch điểm càng tăng.
a) Nút trống Frenkel; b) Nút trống Schottky; c,d) Nguyên tử xen kẻ và thay thếb) Các sai lệch đường
Là sai lệch có kích thước lớn theo một chiều đo và bé theo hai chiều đo còn lại. Nó dạng đường thẳng, đường cong, đường xoắn ốc.
Bao gồm các loại sau:
- Một dãy nút trống hay các sai lệch điểm khác.
- Lệch: Là dạng sai lệch đường quan trọng nhất và có tính ổn định cao.
c) Các dạng lệch mặt
Là dạng lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và bé theo chiều đo còn lại. Nó có dạng mặt cong, mặt phẳng.
Gồm các loại sau: Biên giới giữa các hạt, các mặt trượt, các mặt song song, mặt ngoài tinh thể.
Lệch và tác dụng lệch trong tinh thể
a) Lệch
Nhờ sự phát triển của lý thuyết lệch cho phép giải thích được nhiều vấn đề như cơ cấu trượt, sự sai số khác nhau giữa độ bền lý thuyết và độ bền thực tế, sự kết tinh…
Theo hình dáng hình học lệch được phân ra làm 3 loại là lệch đường, lệch xoắn và lệch hỗn hợp.
- Lệch đường (lệch thẳng, lệch biên).
Ta có thể hình dung lệch đường như sau: Ta có một mạng tinh thể hoàn chỉnh gồm nhiều mặt tinh thể song song và cách đều nhau hợp thành. Giả sử ta gài vào đó thêm một bán mặt tinh thể ABCD, phần trên mạng tinh thể như bị nén lại, còn phần dưới nó như bị kéo ra tương đối. Vùng xung quanh AB (mép của bán mặt) mạng tinh thể bị xô lệch nhiều nhất và do đó sai lệch dạng đường. AB gọi là trục của lệch đường, nó có thể dài đến hàng nghìn vạn thông số mạng. Nếu bán mặt được gài từ trên xuống gọi là lệch dương (ký hiệu ┴), gài từ dưới lên gọi là lệch đường âm (ký hiệu T ).
- Lệch xoắn
Ta có thể hình dung lệch xoắn như sau: Cắt mạng tinh thể hoàn chỉnh bằng bán mặt ABCD sau đó xê dịch hai phần của mạng tương đối với nhau theo mặt cắt đi một thông số mạng (các nguyên tử trong vùng từ B → A dịch đi một khoảng nhỏ hơn thông số mạng, tại A dịch chuyển bằng không). Lúc này mạng tinh thể không phải gồm nhiều mặt song song và cách đều nhau nữa mà như gồm bởi một mặt cong quấn quanh trục AD có dạng mặt vít và ta có dạng lệch xoắn. AD gọi là trục của lệch xoắn và có thể dài đến hành vạn thông số mạng, còn tiết diện xô lệch chỉ vài thông số mạng.
- Lệch hỗn hợp: Lệch hỗn hợp là tổng hợp của 2 loại lệch trên và có dạng hình học rất phức tạp
b. Tác dụng của lệch
Lệch có tác dụng vai trò rất lớn trong tinh thể, nó ảnh hưởng rất nhiều đến chuyển biến pha, quá trình trượt của kim loại. Sự có mặt của lệch làm cho kim loại dễ trượt, làm cho độ bền thực tế kim loại nhỏ hơn nhiều so với tính toán.
Ví dụ: Sắt có δblt = 13.000 MN/m2 , trong khi đó δbtt = 250 MN/m2.
Post a Comment