Contenu connexe Similaire à Ch1 cau truc-tinh_the Similaire à Ch1 cau truc-tinh_the (20) 1. 4
Ch−¬ng 1
CÊu tróc tinh thÓ vμ sù h×nh thμnh
1.1. CÊu t¹ o vμ liª n kÕ t nguyª n tö
nguyª n tö = h¹ t nh© n + electron = (proton + n¬tron) + electron
n¬tron kh«ng mang ®iÖ n
proton mang ®iÖ n d−¬ng = ®iÖ n tÝ ch cña electron → ng/tö trung hoμ
Kh¸ i niÖm c¬ b¶ n vÒ cÊ u t¹ o nguyª n tö
CÊ u h× nh electron (electron configuration) chØ râ: sè l−îng tö chÝ nh (1, 2, 3...), ký
hiÖ u ph© n líp (s, p, d...), sè l−îng electron thuéc ph© n líp (sè mò trª n ký hiÖ u ph© n
lí p). VÝ dô: Cu cã Z = 29 cã cÊ u h× nh electron lμ 1s22s22p6 3s23p63d104s1 qua ®ã biÕ t
®−îc sè electron ngoμ i cïng (ë ®© y lμ 1, hã a trÞ 1).
C¸ c kim lo¹ i chuyÓ n tiÕ p: Fe cã Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2
1.1.2. C¸c d¹ng liª n kÕ t nguyª n tö trong chÊt r¾n
C¸ c lo¹ i vË t liÖ u kh¸ c nhau cã thÓ tån t¹ i c¸ c d¹ ng liª n kÕ t riª ng. Sù kh¸ c nhau cña
c¸ c d¹ ng liª n kÕ t ®ã còng lμ nguyª n nh© n t¹ o nª n c¸ c tÝ nh chÊ t kh¸ c nhau.
a. Liªn kÕ t ®ång hãa trÞ
Lμ liª n kÕ t cña hai (hoÆ c nhiÒ u) nguyª n tö gãp chung nhau mét sè electron hãa trÞ ®Ó
cã ®ñ t¸m electron ë líp ngoμ i cïng. Cã thÓ lÊ y ba vÝ dô nh− sau (h× nh 1.1).
• Clo cã Z=17 (1s22s22p63s23p5), cã 7e ë líp ngoμ i cïng, 2 nguyª n tö Cl mçi nguyª n tö
gãp chung 1 electron ®Ó líp ngoμ i cïng 8e (h× nh 1.1a).
+
Ge
Ge Ge
a) b) c)
H× nh 1.1. S¬ ®å biÓu diÔn liªn kÕt ®ång hãa trÞ
a. ph©n tö clo, b. giecmani (Ge), c. mªtan (CH4)
H
• Giecmani (Ge, z=32) cã 4e líp ngoμ i cïng (4s2, 4p2), 4 nguyª n tö gãp chung
(h× nh 1.1b). Liª n kÕ t gi÷a c¸ c nguyª n tö cïng lo¹ i (tõ IVB VIIB nh− Cl, Ge) lμ lo¹ i
®ång cùc, cßn gi÷a c¸ c nguyª n tè kh¸ c lo¹ i nh− CH4 lμ lo¹ i dÞ cù c.
• Mª tan (CH4). Cacbon (z=6), cã 4e líp ngoμ i cïng vμ 4 nguyª n tö H ®Ó mçi
nguyª n tö nμ y gãp cho nã 1 electron lμm cho líp electron ngoμ i cïng ®ñ 8 (h× nh 1.1c).
b. Liªn kÕ t ion
KL nhãm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e c¸ c nguyª n tè : VIB (O, S...),
VIIB (H, F, Cl, Br, I). C¸ c «xit kim lo¹ i nh− Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO... cã xu thÕ
m¹nh víi t¹ o liª n kÕ t ion.
• Liª n kÕ t ion cμ ng m¹ nh khi líp ngoμ i cïng (cho) chøa Ý t e, nhË n n»m cμ ng gÇ n
h¹ t nh© n.
• Liª n kÕ t kh«ng ®Þ nh h−íng (®Þ nh h−íng th× x¸ c suÊ t liª n kÕ t lín nhÊ t theo
ph−¬ng nèi t© m c¸ c nguyª n tö ), vË t liÖ u cã liª n kÕ t ion th× tÝ nh gißn cao.
C
H
H
H
Ge
Ge
Cl Cl Cl Cl
2. 5
Li+ F-Me+
Ion d−¬ng
H× nh 1.2. S¬ ®å biÓu diÔn liªn kÕt
M©y
Electron
ion trong ph©n tö LiF
Me+ Me+ Me+
Me+ Me+ Me+ Me+
Me+ Me+ Me+ Me+
Me+ Me+ Me+ Me+
H× nh 1.3. S¬ ®å liªn kÕt kim lo¹i
c. Liªn kÕ t kim lo¹i (h× nh 1.3)
o §/n: lμ liª n kÕ t trong ®ã c¸ c cation kim lo¹ i nhÊ n ch× m trong ®¸ m m© y electron tù
do.
o N¨ ng l−îng liª n kÕ t lμ tæng hîp (c© n b» ng) → c¸ c ion kim lo¹ i cã vÞ trÝ x¸ c
®Þ nh. C¸ c nguyª n tè nhãm Ia cã tÝ nh kim lo¹ i ®iÓ n h× nh, cμ ng dÞ ch sang bª n
ph¶ i tÝ nh chÊ t kim lo¹ i cμ ng gi¶m, tÝ nh ®ång hãa trÞ trong liª n kÕ t cμ ng t¨ ng.
o TÝ nh chÊ t cñ a kim lo¹ i : liª n kÕ t nμ y t¹ o cho kim lo¹ i c¸ c tÝ nh chÊ t ® iÓ n h× nh:
¸nh kim hay vÎ s¸ ng, dÉ n nhiÖ t vμ dÉ n ®iÖ n tèt vμ tÝ nh dÎ o, dai cao
d. Liªn kÕ t hçn hîp -
Thùc ra c¸ c liª n kÕ t trong c¸ c chÊ t, vË t liÖ u th«ng dông th−êng mang tÝ nh hçn
hîp cña nhiÒ u lo¹ i. VÝ dô: Na vμ Cl cã tÝ nh ©m ®iÖ n lÇ n l−ît lμ 0,9 vμ 3,0. V× thÕ
liª n kÕ t gi÷a Na vμ Cl trong NaCl gåm kho¶ ng 52% liª n kÕ t ion vμ 48% liª n kÕ t ®ång
hãa trÞ .
e. Liªn kÕ t yÕu (Van der Waals)
Do sù kh¸ c nhau vÒ tÝ nh ©m ®iÖ n t¹ o thμ nh vμ ph© n tö ph© n cùc. C¸ c cùc tr¸ i
dÊ u hót nhau t¹ o ra liª n kÕ t Van der Waals. Liª n kÕ t nμ y yÕ u, rÊ t dÔ bÞ ph¸ vì khi
t¨ ng nhiÖ t ®é.
1.2. S¾p xÕp nguyªn tö trong vËt chÊt
1.2.1. ChÊt khÝ
Trong chÊ t khÝ cã sù s¾ p xÕ p nguyª n tö mét c¸ ch hçn lo¹ n → kh«ng cã h× nh d¹ ng,
kÝ ch th−íc x¸ c ®Þ nh.
1.2.2. ChÊt r¾n tinh thÓ
ChÊt r¾n tinh thÓ :
- TrËt tù gÇn, mμ cßn cã c¶ trË t
tù xa.
- C¸ c kiÓ u m¹ ng tinh thÓ x¸ c
®Þ nh: lË p ph−¬ng, lôc gi¸ c,...
(h× nh 1.4)
H× nh 1.4. S¬ ®å m¹ ng tinh thÓ
3. 6
1.2.3. ChÊt láng, chÊt r¾n v« ®Þ nh h× nh vμμμμ vi tinh thÓ
a. ChÊt láng
Trong ph¹m vi hÑ p (kho¶ ng 0,25nm) c¸ c nguyª n tö chÊ t láng cã xu thÕ tiÕ p xóc
(xÝ t) nhau t¹ o thμ nh c¸ c ®¸ m nhá, do vË y kh«ng co l¹ i khi nÐ n nh− chÊ t khÝ , c¸ c
®¸m nguyª n tö nμ y lu«n h× nh thμ nh vμ tan r· . ChÊ t láng chØ cã trË t tù gÇ n, kh«ng cã
trË t tù xa.
Gi÷a c¸ c ®¸ m cã kho¶ ng trèng do ®ã mË t ®é xÕ p cña chÊ t láng thÊ p, khi ®«ng ®Æ c
th−êng kÌm theo gi¶m thÓ tÝ ch (co ngãt).
b. ChÊt r¾n v« ®Þ nh h× nh
ë mét sè chÊ t, tr¹ ng th¸ i láng cã ®é sÖ t cao, c¸ c nguyª n tö kh«ng ®ñ ®é linh
ho¹ t ®Ó s¾ p xÕ p l¹ i khi ®«ng ®Æ c; chÊ t r¾ n t¹ o thμ nh cã cÊ u tróc gièng nh− chÊ t láng
tr−íc ®ã gäi lμ chÊ t r¾ n v« ®Þ nh h× nh. Thñy tinh (mμ cÊ u t¹ o c¬ b¶ n lμ SiO2) lμ chÊ t
r¾ n v« ® Þ nh h× nh
Nh− vË y vÒ mÆ t cÊ u tróc, c¸ c chÊ t r¾ n gåm 2 lo¹ i: tinh thÓ vμ v« ® Þ nh h× nh.
Kim lo¹ i, hîp kim vμ phÇ n lín c¸ c chÊ t v« c¬ , rÊ t nhiÒ u polyme - tinh thÓ
Tuú theo b¶ n chÊ t cña vË t liÖ u vμ tèc ®é lμm nguéi khi ®«ng ®Æ c → tinh thÓ hoÆ c v«
®Þ nh h× nh.
Thñy tinh nãng ch¶ y, c¸ c ph© n tö SiO2 [trong ®ã ion O2- ë c¸ c ®Ø nh khèi tø diÖ n (bèn
mÆt) tam gi¸ c ®Ò u, t© m cña khèi lμ ion Si4+ nh− biÓ u thÞ ë h× nh 1.5a] lμ m nguéi b× nh
th−êng → v« ®Þ nh h× nh (h× nh 1.5b); lμm nguéi v« cïng chËm c¸ c ph© n tö SiO2 cã
®ñ thê i gian s¾ p xÕ p l¹ i theo trË t tù xa sÏ ®−îc thñy tinh (cã cÊ u tróc) tinh thÓ (h× nh
1.5c).
- Oxy
- Si
(b)
a) c)
H× nh 1.5. CÊu tróc khèi tø diÖn [ SiO4]4- (a), thñy tinh th−êng SiO2 (b)
thñy tinh tinh thÓ SiO2 (c)
c. ChÊt r¾n vi tinh thÓ
Còng víi vË t liÖ u tinh thÓ kÓ trª n khi lμ m nguéi tõ tr¹ ng th¸ i láng rÊ t nhanh (trª n
d−íi 104®é/s) sÏ nhË n ®−îc cÊu tróc tinh thÓ nh−ng víi kÝ ch th−íc h¹ t rÊ t nhá (cì
nm), ®ã lμ vË t liÖ u cã tª n gäi lμ vi tinh thÓ (cßn gäi lμ finemet hay nanomet).
Tãm l¹ i c¸ c vË t liÖ u cã ba kiÓ u cÊ u tróc: tinh thÓ (th−êng gÆ p nhÊ t), v« ®Þ nh
h× nh vμ vi tinh thÓ (Ý t gÆ p).
1.3. Kh¸i niÖm vÒ m¹ng tinh thÓ
§/n: m¹ ng tinh thÓ lμ m« h× nh kh«ng gian biÓ u diÔ n quy luË t h× nh häc cña sù s¾ p xÕ p
nguyª n tö .
PhÇ n lín vË t liÖ u cã cÊ u tróc tinh thÓ , tÝ nh chÊ t rÊ t ®a d¹ ng phô thuéc vμ o kiÓ u
m¹ng.
1.3.1. TÝ nh ®èi xøng
• M¹ ng tinh thÓ mang tÝ nh ®èi xøng, lμ mét trong nh÷ng ®Æ c ®iÓm quan träng, thÓ
hiÖ n c¶ ë h× nh d¸ ng bª n ngoμ i, cÊ u tróc bª n trong còng nh− c¸ c tÝ nh chÊ t cña vË t
r¾ n tinh thÓ .
4. 7
• TÝ nh ®èi xøng lμ tÝ nh chÊ t h× nh häc khi quay mét ® iÓm hay mét phÇ n tö xung
quanh 1 ®iÓm hay mét ®−êng víi mét gãc α chóng sÏ trïng lÆ p nhau. §iÓm hay
®−êng ®−îc quay xung quanh ®ã ®−îc gäi lμ t© m hay trôc ®èi xøng. §èi xøng qua
mÆt ph¼ ng ®−îc gäi lμ ®èi xøng g−¬ng. Gäi n = 2π/ α lμ bË c ®èi xøng, chØ cã n =
1, 2, 3, 4, 6; ký hiÖ u L1, L2, L3, L4, L6.
L
n=2 (L2) n=3 (L3) n=4 (L4) n=6 (L6)
1.3.2. ¤ c¬ së - ký hiÖu ph−−−−¬ng, mÆt tinh thÓ
a. ¤ c¬ së
• §/n: lμ h× nh khèi nhá nhÊ t cã c¸ ch s¾ p xÕ p nguyª n tö ®¹ i diÖ n
cho toμ n bé m¹ ng tinh thÓ .
• Do tÝ nh ®èi xøng b» ng ph−¬ng ph¸ p xoay vμ tÞ nh tiÕ n ta sÏ suy
ra toμ n bé m¹ ng tinh thÓ
• Th«ng sè m¹ ng (h» ng sè m¹ ng) lμ kÝ ch th−íc cña « c¬ së,
a
th−êng lμ kÝ ch th−íc c¸ c c¹ nh cña « c¬ së tõ ®ã cã thÓ H× nh 1.6. ¤ c¬ së vμ
hÖ täa ®é
x¸ c ®Þ nh toμ n bé kÝ ch th−íc cñ a « c¬ së (h× nh 1.6)
b. Nót m¹ng
Nót m¹ ng t−¬ng øng víi vÞ trÝ c¸ c nguyª n tö trong m¹ ng tinh thÓ .
c. ChØ sè ph−−−−¬ng
Ph−¬ng lμ ® −êng th¼ ng ®i qua c¸ c nót m¹ ng, ® −îc ký hiÖ u b» ng [u v w]; Ba chØ
sè u, v, w lμ ba sè nguyª n tû lÖ thuË n víi täa ®é cña nót m¹ng n»m trª n ph−¬ng
®ãë gÇ n gèc täa ®é nhÊ t (h× nh 1.7).
5 3
2
1
4
z
[100]
[001]
x a
[111]
y
[110]
[010]
H× nh 1.7. C¸c ph−¬ng ®iÓn h× nh
cña
H× nh 1.8. C¸c mÆt ®iÓn h× nh cña hÖ
lËp ph−¬ng hÖ lËp ph−¬ng
Chó ý: Ph−¬ng vμ mÆ t tinh thÓ cã kÝ ch th−íc v« h¹ n
Trª n h× nh 1.7 giíi thiÖ u ba ph−¬ng ®iÓ n h× nh trong m¹ ng tinh thÓ cña hÖ lË p
ph−¬ng:
- ® −êng chÐ o khèi [111], ® −êng chÐ o mÆ t [110], c¹ nh [100].
C¸ c ph−¬ng cã c¸ c gi¸ trÞ tuyÖ t ®èi u, v, w gièng nhau, t¹ o nª n hä ph−¬ng
<uvw>. VÝ dô hä <110> gåm c¸ c ph−¬ng sau ®© y chóng cã cïng quy luË t s¾ p xÕ p
nguyª n tö :
5. 8
[110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101] (c¸ c
®−êng chÐ o)
d. ChØ sè Miller cña mÆt tinh thÓ
MÆt tinh thÓ lμ tË p hîp c¸ c mÆ t cã c¸ ch s¾ p xÕ p nguyª n tö gièng hÖ t nhau, song
song vμ c¸ ch ®Ò u nhau, chóng cã cïng mét ký hiÖ u. Ng−êi ta ký hiÖ u mÆ t b» ng chØ
sè Miller (h k l). C¸ c chØ sè h, k, l ®−îc x¸ c ®Þ nh theo c¸ c b−íc nh− sau:
. t× m giao ®iÓm cña mÆ t ph¼ ng trª n ba trôc theo thø tù Ox, Oy, Oz,
. x¸ c ® Þ nh täa ®é c¸ c giao ® iÓm, råi lÊ y c¸ c gi¸ trÞ nghÞ ch ®¶ o,
. quy ®ång mÉ u sè, lÊ y c¸ c gi¸ trÞ cña tö sè, ®ã chÝ nh lμ c¸ c chØ sè h, k, l
. VÝ dô, x¸ c ® Þ nh c¸ c chØ sè Miller cho c¸ c mÆ t
mÆt ®iÓm c¾ t c¸ c trôc nghÞ ch ®¶ o chØ sè
1 1, 1, 1/2 1, 1, 2 (112)
2 1, 1, 1 1, 1, 1 (111)
3 1, 1, ∞ 1, 1, 0 (110)
4 1, ∞, ∞ 1, 0, 0 (100)
5 1, 1, 2 1, 1, 1/2 (221)
2 5
1
4
H× nh 1.8 S¬ ®å ký hiÖ u mÆ t tinh thÓ theo chØ sè Miller
3
C¸ c mÆ t cã c¸ c chØ sè gi¸ trÞ tuyÖ t ®èi h, k, l gièng nhau t¹ o nª n hä mÆt {h k l}.
VÝ dô, c¸ c mÆ t hép t¹ o nª n hä {100} gåm (100), (010), (001), (100), (010), (001).
e. ChØ sè Miller - Bravais trong hÖ lôc gi¸c
ChØ sè Miller - Bravais víi hÖ cã bèn trôc täa ®é Ox, Oy, Ou, Oz (h× nh 1.9). ChØ sè
Miller - Bravais ®−îc ký hiÖ u b» ng (h k i l), trong ®ã chØ sè thø ba i (cña trôc Ou) cã
quan hÖ : i = - (h + k)
H· y thö so s¸ nh hai chØ sè nμ y cho c¸ c mÆ t trong hÖ lô c gi¸ c ®−îc tr× nh bμ y ë h× nh
1.9:
mÆ t chØ sè Miller chØ sè Miller - Bravais
ABHG (100) (1010)
BCIH (010) (0110)
AGLF (110) (1100)
ABCDEF (001) (0001)
ACIG (1120)
H× nh 1.9. HÖ täa ®é trong hÖ lô c gi¸ c
vμ c¸c mÆt
x
y
L
u
z
K J
G H
E D
A B
I
C
F
C¸ ch ký hiÖ u theo Miller - Bravais thÓ hiÖ n ®−îc c¸ c mÆ t bª n cïng hä vμ cïng
c¸ ch s¾ p nguyª n tö.
1.3.3. MËt ®é nguyªn tö
a. MËt ®é xÕp
Lμ møc ®é dμ y ®Æ c cña nguyª n tö trong m¹ ng tinh thÓ . MË t ®é xÕ p theo ph−¬ng
(chiÒ u dμ i) Ml, theo mÆ t Ms hay trong toμ n bé thÓ tÝ ch m¹ ng Mv ®−îc x¸ c ®Þ nh theo
c¸ c c«ng thøc: Ml = l / L, Ms = s / S, Mv = v / V
6. 9
trong ®ã:
• l, s, v lÇ n l−ît lμ chiÒ u dμ i, diÖ n tÝ ch, thÓ tÝ ch bÞ nguyª n tö (ion) chiÕm chç,
• L, S, V lÇ n l−ît lμ tæng chiÒ u dμ i, diÖ n tÝ ch, thÓ tÝ ch xem xÐ t.
b. Sè phèi trÝ (sè s¾p xÕp): lμ sè l−îng nguyª n tö c¸ ch ®Ò u gÇ n nhÊ t mét nguyª n tö
®· cho. Sè s¾ p xÕ p cμ ng lín chøng tá m¹ ng tinh thÓ cμ ng dμ y ®Æ c.
c. Lç hæng
Lμ kh«ng gian trèng gi÷a c¸ c nguyª n tö (coi nguyª n tö lμ h× nh cÇ u ®Æ c). KÝ ch
th−íc lç hæng ®−îc ®¸ nh gi¸ b» ng ®−êng kÝ nh hay b¸ n kÝ nh qu¶ cÇ u lín nhÊ t cã
thÓ ®Æ t lä t vμ o.
1.4. CÊu tróc tinh thÓ ®iÓn h× nh cña chÊt r¾n
1.4.1. ChÊt r¾n cã liªn kÕ t kim lo¹i (kim lo¹i nguyªn chÊt)
§Æ c tÝ nh cÊ u tróc cña kim lo¹ i lμ : nguyª n tö (ion) lu«n cã xu h−íng xÕ p xÝ t
chÆ t víi kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n (nh− lË p ph−¬ng t© m mÆt, lË p ph−¬ng t©m khèi, lôc
gi¸ c xÕ p chÆ t).
a. LËp ph−−−−¬ng t©m khèi A2
¤ c¬ së lμ h× nh lË p ph−¬ng, c¹ nh b» ng a, c¸ c nguyª n tö (ion) n» m ë c¸ c ®Ø nh vμ t© m
khèi (h× nh 1.10a, b vμ c). Sè l−îng nguyª n tö cho mçi « : nv = 8 ®Ø nh. 1/8 + 1 gi÷a = 2
nguyª n tö
(a) (b) (c)
{100} {110}
d)
lç hæ ng 8
lç hæng 4 mÆ t
a
a
a
H× nh 1.10. ¤ c¬ së m¹ng lËp ph−¬ng
t©m khèi (a, b), c¸c lç hæng (c) vμ c¸ch
xÕp c¸c mÆt tinh thÓ {100} vμ {110} (d)
Th−êng dïng c¸ ch vÏ t−îng tr−ng (h× nh c). Nguyª n tö n» m xÝ t nhau theo ph−¬ng
<111>, do ®ã:
- ® −êng kÝ nh nguyª n tö d=
3 a , sè s¾ p xÕ p lμ 8.
ng.t 2
C¸ c mÆ t tinh thÓ xÕ p dμ y ®Æ c nhÊ t lμ hä {110}. MË t ®é xÕ p thÓ tÝ ch Mv = 68%. Cã
hai lo¹ i lç hæng: h× nh 4 mÆ t vμ h× nh 8 mÆ t nh− tr× nh bμ y ë h× nh d. Lo¹ i 8 mÆ t cã
kÝ ch th−íc b» ng 0,154 dng.t n» m ë t© m c¸ c mÆ t bª n {100} vμ gi÷a c¸ c c¹ nh a. Lo¹ i 4
mÆt cã kÝ ch th−íc lín h¬n mét chót, b» ng 0,291 dng.t n» m ë
1 trª n c¹ nh nèi ® iÓm
4
gi÷a c¸ c c¹ nh ®èi diÖ n cña c¸ c mÆ t bª n. Nh− vË y trong m¹ ng A2 cã nhiÒ u lç hæng
7. 10
nh−ng kÝ ch th−íc ®Ò u nhá, lín nhÊ t còng kh«ng qu¸ 30% kÝ ch th−íc (®−êng kÝ nh)
nguyª n tö .
C¸ c kim lo¹ i cã kiÓ u m¹ ng A1 th−êng gÆ p lμ : Feα, Cr, Mo, W.
M¹ng chÝ nh ph−¬ng t©m khèi chØ kh¸ c m¹ ng A2 ë a = b ≠ c
b. LËp ph−−−−¬ng t©m mÆt A1
o Kh¸ c víi kiÓ u m¹ ng A2 lμ thay cho nguyª n tö n»m ë trung t© m khèi lμ nguyª n tö
n» m ë trung t© m c¸ c mÆ t bª n, nh− biÓ u thÞ ë c¸ c h× nh 1.11a, b vμ c.
a
a) b) c)
{100} {111}
d)
1
3 2
4
A
B
A B C
H× nh 1.11. ¤ c¬ së m¹ng lËp ph−¬ng t©m
mÆt (a, b), c¸c lç hæng (c) vμ c¸ch xÕp
c¸c mÆt tinh thÓ {100} vμ {111} (d)
o Sè nguyª n tö trong 1 « lμ : nv = 8 ®Ø nh. 1/8 + 6 mÆ t. 1/2 = 4 nguyª n tö .
o Trong m¹ ng A1, c¸ c nguyª n tö xÕ p xÝ t nhau theo ph−¬ng ®−êng chÐ o mÆ t <110>,
do ®ã:
® −êng kÝ nh dng.t =
2 a , sè s¾ p xÕ p lμ 12.
2
o C¸ c mÆ t tinh thÓ dμ y ®Æ c nhÊ t lμ hä {111}. MË t ®é xÕ p thÓ tÝ ch Mv =74%,
m¹ng A1 nμ y lμ kiÓ u xÕ p dμ y ®Æ c h¬n A2 vμ lμ mét trong hai kiÓ u xÕ p dμ y ®Æ c
nhÊ t.
Cã 2 lo¹ i lç hæng h× nh 4 mÆ t vμ h× nh 8 mÆ t nh− tr× nh bμ y ë c¸ c h× nh 1.11c.
Lo¹ i bèn mÆ t cã kÝ ch th−íc 0,225 dng.t (®Ø nh1 vμ t© m ba mÆ t 2,3,4). §¸ ng chó ý lμ
lo¹ i lç hæng h× nh t¸m mÆ t, nã cã kÝ ch th−íc lín h¬n c¶ , b» ng 0,414dng.t, n»m ë trung
t©m khèi vμ gi÷a c¸ c c¹ nh a. So víi m¹ ng A2, m¹ng A1 tuy dμ y ®Æ c h¬n song sè
l−îng lç hæng l¹ i Ý t h¬n mμ kÝ ch th−íc lç hæng l¹ i lín h¬n h¼ n (0,225 vμ 0,41 so víi
0,154 vμ 0,291). ChÝ nh ®iÒ u nμ y (kÝ ch th−íc lç hæng) míi lμ yÕ u tè quyÕ t ®Þ nh cho
sù hßa tan d−íi d¹ ng xen kÏ .
Kh¸ nhiÒ u kim lo¹ i ®iÓ n h× nh cã kiÓ u m¹ ng nμ y: s¾ t (Feγ), Ni, Cu, Al víi h» ng
sè a m¹ ng lÇ n l−ît b» ng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoμ i ra cßn cã Pb, Ag,
Au.
8. 11
c. Lôc gi¸c xÕp chÆt A3
C¸ c nguyª n tö n»m trª n 12 ®Ø nh, t© m cña 2 mÆ t ®¸ y vμ t© m cña ba khèi l¨ ng
trô tam gi¸ c c¸ ch ®Ò u nhau (h× nh 1.12a, b vμ c).
B
a) b) c) d)
H× nh 1.12. ¤ c¬ së m¹ng lôc gi¸c xÕp chÆt (a,b,c) vμ
c¸ch xÕp c¸c mÆt tinh thÓ {0001} (d)
Sè l−îng nguyª n tö trong 1 «: nv = 12 ®Ø nh/6 + 2 gi÷a mÆ t/2 + 3 t© m = 6 nguyª n
tö
Nguyª n tö xÕ p xÝ t nhau theo c¸ c mÆ t ®¸ y (0001). 3 nguyª n tö ë gi÷a song song víi
mÆt ®¸ y s¾ p xÕ p nguyª n tö gièng nh− 2 mÆ t ®¸ y, nh−ng n» m ë c¸ c hâm c¸ ch ®Ò u
nhau (h× nh 1.12d). M¹ ng lôc gi¸ c xÕ p chÆ t th× c/a = 8 3 hay 1,633. Tuy nhiª n trong
thùc tÕ c/a cã xª dÞ ch nª n quy −íc:
c/a = 1,57 ÷ 1,64 th× m¹ ng ® −îc coi lμ xÕ p chÆ t, 1,57 < c/a < 1,64 kh«ng xÕ p chÆ t.
C¸ c kim lo¹ i cã kiÓ u m¹ ng nμ y Ý t th«ng dông h¬n lμ :
Tiα víi a = 0,2951nm, c = 0,4679nm, c/a = 1,5855 (xÕ p chÆ t),
Mg víi a = 0,3209nm, c = 0,5210nm, c/a = 1,6235 (xÕ p chÆ t),
Zn víi a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, c/a = 1,8590 (kh«ng xÕ p chÆ t).
1.4.2. ChÊt r¾n cã liªn kÕ t ®ång hãa trÞ
a. Kim c−−−−¬ng A4
Kim c−¬ng lμ mét d¹ ng tån t¹ i (thï h× nh) cña cacbon víi cÊ u h× nh electron lμ
1s2 2s2 2p2, vË y sè e líp tham gia liª n kÕ t lμ N = 4, sè s¾ p xÕ p sÏ lμ 4 tø c lμ mçi mét
nguyª n tö cacbon cã 4 nguyª n tö bao quanh gÇ n nhÊ t.
H× nh 1.14. « c¬ së cña m¹ng tinh thÓ kim c−¬ng (a),
vÞ trÝ c¸c nguyªn tö (b) vμ liªn kÕt (c)
¤ c¬ së m¹ ng kim c−¬ng (h× nh 1.14a), ®−îc t¹ o thμ nh trª n c¬ së cña « c¬ së A1 cã
thªm bèn nguyª n tö bª n trong víi c¸ c täa ®é (xem h× nh 1.14b):
1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2); 1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4).
n» m ë t©m cña bèn khèi 1/8 c¸ ch ®Ò u nhau.
C¸ c nguyª n tö cacbon ®Ò u cã liª n kÕ t ®ång hãa trÞ víi n¨ ng l−îng lín nª n kim
c−¬ng cã ®é cøng rÊ t cao (cao nhÊ t trong thang ®é cøng).
A
9. 12
b. M¹ng grafit
Cã m¹ ng lô c gi¸ c lí p (h× nh 1.15a), trong mét líp kho¶ ng c¸ ch gi÷a c¸ c nguyª n tö a =
0,246nm, liª n kÕ t ®ång ho¸ trÞ . Kho¶ ng c¸ ch gi÷a c¸ c lí p c = 0,671nm, t−¬ng øng víi
liª n kÕ t yÕ u Van der Waals, grafit rÊ t dÔ bÞ t¸ ch líp , rÊ t mÒ m, nã ®−îc coi nh− lμ
mét trong nh÷ng chÊ t r¾ n cã ®é cøng thÊ p nhÊ t.
c. CÊu tróc cña sîi cacbon vμμμμ fullerene
Ph© n tö cacbon C60 gäi lμ fullerene do hai nhμ khoa häc H. Kroto (Anh) vμ R. Smalley
(Mü) t¹ o ra 1985 (Nobel n¨m 1995) (h× nh 1.15c): 60 nguyª n tö C n»m trª n mÆ t cÇ u
gåm 12 ngò gi¸ c vμ 20 lôc gi¸ c ®Ò u, n»m xen kÏ nhau t¹ o ®èi xøng trßn, øng víi ®é
bÒ n vμ ®é cøng rÊ t cao cña nã ch¾ c ch¾ n høa hÑ n sÏ cã nh÷ng øng dông kú l¹ trong
kü thuË t.
Sîi cacbon ®−îc tr× nh bμ y ë h× nh 1.15b
H× nh 1.15. CÊu tróc m¹ng cña grafit (a), sîi cacbon (b) vμ fullerene (c).
d. CÊu tróc cña SiO2
H× nh 1.5a, lμ m« h× nh s¾ p xÕ p kh«ng cña c¸ c khèi tø diÖ n tam gi¸ c ®Ò u
SiO4
4- cña SiO2.
Th¹ ch anh víi cÊ u tróc lôc gi¸ c (h× nh 1.16a), cristobalit β víi cÊ u tróc lË p
ph−¬ng (h× nh 1.16b). Trong ®iÒ u kiÖ n nguéi nhanh sÏ nhË n ®−îc thñy tinh (v« ®Þ nh
h× nh) nh− ë h× nh 1.5b.
H× nh 1.15. S¾p xÕp khèi tø diÖn (SiO4)4- trong th¹ch anh (a), cristobalit β (b).
1.4.3. ChÊt r¾n cã liªn kÕ t ion
CÊ u tróc tinh thÓ cñ a hîp chÊ t hãa häc cã liª n kÕ t ion phô thuéc vμ o hai yÕ u tè :
10. 13
• Tû sè cña ion ©m vμ ion d−¬ng ®¶m b¶ o trung hßa vÒ ® iÖ n.
• T−¬ng quan kÝ ch th−íc gi÷a ion ©m vμ ion d−¬ng: trong tinh thÓ ion, c¸ c ion
lu«n cã xu h−íng s¾ p xÕ p ®Ó ®é xÕ p chÆ t vμ tÝ nh ®èi xøng cao nhÊ t.
M¹ng tinh thÓ cña hîp chÊ t víi liª n kÕ t ion vÉ n cã c¸ c kiÓ u m¹ ng ®¬n gi¶ n (A1,
A2) nh−ng sù ph© n bè c¸ c ion trong ®ã kh¸ phøc t¹ p nª n vÉ n ®−îc coi lμ cã m¹ ng
phøc t¹ p.
Cã thÓ h× nh dung m¹ ng tinh thÓ c¸ c hîp chÊ t hãa häc víi liª n kÕ t ion ® −îc t¹o
thμ nh trª n c¬ së cña « c¬ së cña ion ©m, c¸ c ion d−¬ng cßn l¹ i chiÕm mét phÇ n hay
toμ n bé c¸ c lç hæng.
TØ mØ vÒ cÊ u tróc cña chÊ t r¾ n cã liª n kÕ t ion ® −îc tr× nh bμ y ë ch−¬ng 7.
1.4.4. CÊu tróc cña polyme
Kh¸ c víi kim lo¹ i vμ c¸ c chÊ t v« c¬, « c¬ së chØ t¹ o nª n bëi sè l−îng h¹ n chÕ
(tõ vμ i ®Õ n vμ i chôc) nguyª n tö (ion), mçi ph© n tö polyme cã thÓ gåm hμ ng triÖ u
nguyª n tö . VÝ dô PE (C2H4)n:
H H H H H H H H
C = C → C C → C C C C
H H H H H H H H
m¹ ch kÝ n bÎ liª n kÕ t kÐ p t¹ o m¹ ch th¼ ng
C¸ c ph© n tö (m¹ ch) polyme ® −îc liª n kÕ t Van der Waals víi nhau (liª n kÕ t yÕ u).
Mét sè vïng c¸ c m¹ ch s¾ p xÕ p cã trË t tù t¹ o nª n cÊ u tróc tinh thÓ , phÇ n cßn l¹ i lμ v«
®Þ nh h× nh.
1.4.5. D¹ng thï h× nh
Thï h× nh hay ®a h× nh lμ sù tå n t¹ i hai hay nhiÒ u cÊ u tróc m¹ ng tinh thÓ kh¸ c
nhau cña cïng mét nguyª n tè hay mét hîp chÊ t hãa häc, mçi cÊ u tróc kh¸ c biÖ t ®ã
®−îc gäi lμ d¹ ng thï h× nh: ký hiÖ u α, β, γ, δ, ε.... Qu¸ tr× nh thay ®æi tõ d¹ ng thï
h× nh nμ y sang d¹ ng thï h× nh kh¸ c ®−îc gäi lμ chuyÓ n biÕ n thï h× nh. C¸ c yÕ u tè
dÉ n ®Õ n chuyÓ n biÕ n thï h× nh th−êng gÆ p h¬n c¶ lμ nhiÖ t ®é, sau ®ã lμ ¸ p suÊ t.
Cacbon ngoμ i d¹ ng v« ®Þ nh h× nh cßn tån t¹ i: c¸ c d¹ ng thï h× nh (c¸ c h× nh 1.13,
1.14): kim c−¬ng (A4), grafit (A9). sîi cacbon (cÊ u tróc líp cuén), fullerene (cÊ u tróc
mÆt cÇ u C60) trong ®ã. grafit lμ d¹ ng th−êng gÆ p vμ æn ®Þ nh nhÊ t.
S¾ t (Fe) cã hai kiÓ u m¹ ng lμ : Feα-A2, T < 911oC, Feγ-A1, T= 911 ÷ 1392oC, Feδ T>
1392oC -1539oC; → tÝ nh chÊ t ≠.
ChuyÓ n biÕ n thï h× nh bao giê còng ®i kÌ m víi sù thay ®æi vÒ thÓ tÝ ch (në hay
co) vμ c¬ tÝ nh. VÝ dô: khi nung nãng s¾ t qua 911oC s¾ t l¹ i co l¹ i ®ét ngét (do t¨ ng
mËt ®é xÕ p tõ 68 lª n 74% khi chuyÓ n tõ Feα → Feγ) vμ hoμn toμn ng−îc l¹ i khi lμ m
nguéi (®iÒ u nμ y h¬i tr¸ i víi quan niÖm th−êng gÆ p lμ nung nãng th× në ra, cßn lμm
nguéi th× co l¹ i) → rÌ n khu«n?.
1.5. Sai lÖ ch m¹ng tinh thÓ
Trong thùc tÕ kh«ng ph¶ i 100% nguyª n tö ®Ò u n» m ®óng vÞ trÝ quy ®Þ nh, g© y
nª n nh÷ng sai lÖ ch ®−îc gäi lμ sai lÖ ch m¹ ng tinh thÓ hay khuyÕ t tË t m¹ ng. Tuy sè
nguyª n tö n»m lÖ ch vÞ trÝ quy ®Þ nh chiÕm tû lÖ rÊ t thÊ p (chØ 1 ÷ 2%) song ¶ nh
h−ëng lín ®Õ n c¬ tÝ nh: kh¶ n¨ ng biÕ n d¹ ng dÎ o, biÕ n cøng...).
Phô thuéc vμ o kÝ ch th−íc theo ba chiÒ u trong kh«ng gian, sai lÖ ch m¹ ng chia
thμnh: ®iÓm, ®−êng vμ mÆ t.
11. 14
1.5.1. Sai lÖ ch ®iÓm
§ã lμ lo¹ i sai lÖ ch cã kÝ ch th−íc rÊ t nhá (cì kÝ ch th−íc nguyª n tö ) theo ba
chiÒ u kh«ng gian, cã d¹ ng bao quanh mét ®iÓm. H× nh 1.17 tr× nh bμ y tæng qu¸ t c¸ c
d¹ ng sai lÖ ch ®iÓm nμ y.
a. Nót trèng vμμμμ nguyªn tö tù xen kÏ (H× nh 1.17a)
Do dao ®éng nhiÖ t quanh vÞ trÝ c© n b» ng, ë møc ph© n bè n¨ ng l−îng kh«ng
®Ò u, mét sè nguyª n tö bøt khái nót m¹ ng ®Ó l¹ i nót trèng vμ t¹ o nguyª n tö xen kÏ
gi÷a.
H× nh 1.17. C¸c d¹ng sai lÖch ®iÓm: nót trèng vμ nguyªn tö
tù xen kÏ (a) vμ c¸c nguyªn tö t¹p chÊt (b).
Q
e− ), khi s¾ p ch¶ y láng nmax .
MËt ®é cña nót trèng t¨ ng nhanh theo nhiÖ t ®é (n= KT
Nót trèng cã ¶ nh h−ëng lín ®Õ n c¬ chÕ vμ tè c ®é khuÕ ch t¸ n cña kim lo¹ i vμ hîp
kim ë tr¹ ng th¸ i r¾ n.
b. Nguyªn tö t¹p chÊt
Trong thùc tÕ vË t liÖ u hoÆ c kim lo¹ i th−êng cã t¹ p chÊ t: xen kÏ (h× nh 1.17b).
Do sù sai kh¸ c vÒ ® −êng kÝ nh nguyª n tö gi÷a c¸ c nguyª n tè nÒ n vμ t¹ p chÊ t →
sai lÖ ch
1.5.2. Sai lÖ ch ®−−−−êng - LÖ ch
Sai lÖ ch ®−êng lμ lo¹ i cã kÝ ch th−íc nhá (cì kÝ ch th−íc nguyª n tö) theo hai
chiÒ u vμ lín theo chiÒ u thø ba, tø c cã d¹ ng cña mét ®−êng (cã thÓ lμ th¼ ng, cong,
xo¸ y tr«n èc). Sai lÖ ch ®−êng cã thÓ lμ mét d· y c¸ c sai lÖ ch ®iÓm kÓ trª n. Chóng
gåm: hai d¹ ng lμ biª n vμ xo¾ n.
a. LÖ ch biªn (edge dislocation hay dislocation line) (h× nh 1.18a)
Cã thÓ h× nh dung lÖ ch biª n ®−îc t¹ o thμ nh nhê chÌ n thªm b¸ n mÆ t ABCD vμ o
nöa phÇ n trª n cña m¹ ng tinh thÓ lý t−ëng (h× nh 1.18a), khi ®ã, c¸ c mÆ t nguyª n tö
kh¸ c ë hai phÝ a trë nª n kh«ng cßn song song víi nhau n÷a.
B
A
┴
C
D
5
2 3
2 3
(a) (b) (c)
H× nh 1.18. LÖch biªn: tinh thÓ kh«ng lÖch (a), m« h× nh t¹o thμnh (b),
sù s¾p xÕp nguyªn tö trong vïng lÖch (c)
┴
vÐ c t¬
4
1
1
4
12. 15
Nh− thÊ y râ ë h× nh 1.18b: ®−êng AD ®−îc gäi lμ trôc lÖ ch, nã chÝ nh lμ biª n cña b¸ n
mÆt nª n cã tª n lμ lÖ ch biª n. Víi sù ph© n bè nh− vË y nöa tinh thÓ cã chøa b¸ n mÆ t sÏ
chÞ u øng suÊ t nÐ n, nöa cßn l¹ i chÞ u øng suÊ t kÐ o.
VÐ c t¬ Burgers: lμ vÐ c t¬ ®ãng kÝ n vßng trßn Burgers vÏ trª n mf vu«ng gãc víi trôc
r
lÖ ch khi chuyÓ n tõ tinh thÓ kh«ng lÖ ch sang tinh thÓ cã lÖ ch. LÖ ch th¼ ng b ⊥ AD
c. LÖ ch xo¾n (screw dislocation) (h× nh 1.19a)
B
A
C
D
B
A
C
D
B
L
A
C
D
vÐ c t¬
a) b) c)
H× nh 1.19. LÖch xo¾n: tinh thÓ kh«ng lÖch (a), m« h× nh t¹o thμnh (a),
®Æc ®iÓm s¾p xÕp nguyªn tö trong vïng lÖch (c).
C¸ c nguyª n tö trong vïng hÑ p gi÷a hai ®−êng AD vμ BC s¾ p xÕ p l¹ i cã d¹ ng ®−êng
xo¾ n èc gièng nh− mÆ t vÝ t nª n lÖ ch cã tª n lμ lÖ ch xo¾ n nh− thÊ y râ ë h× nh 1.19c.
VÐ c t¬ Burgers song song víi trôc lÖ c AD=L
c. §Æc tr−−−−ng vÒ h× nh th¸i cña lÖ ch
MËt ®é lÖ ch (ký hiÖ u lμ ρ) lμ tæng chiÒ u dμ i trôc lÖ ch trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝ ch
cña tinh thÓ , cã thø nguyª n lμ cm/cm3 hay cm-2. MËt ®é lÖ ch phô thuéc rÊ t m¹ nh vμ o
®é s¹ ch vμ tr¹ ng th¸ i gia c«ng. VÝ dô, ®èi víi kim lo¹ i ρ cã gi¸ trÞ nhá nhÊ t (~ 108
cm-2) øng víi ®é s¹ ch cao vμ tr¹ ng th¸ i ñ; hîp kim vμ kim lo¹ i sau biÕ n d¹ ng nguéi,
t« i... ρ tí i 1010 ÷ 1012 cm-2) (cã thÓ coi mË t ®é lÖ ch lμ trôc lÖ ch ch¹ y qua/1 cm2).
ý nghÜ a: lÖ ch biª n gióp cho dÔ biÕ n d¹ ng (tr−ît), khi mË t ®é qu¸ lí n l¹ i g© y
c¶ n tr−ît (t¨ ng bÒ n). Ngoμ i ra, lÖ ch xo¾ n gióp cho mÇm ph¸ t triÓ n nhanh khi kÕ t tinh.
1.5.3. Sai lÖ ch mÆt
Sai lÖ ch mÆt lμ lo¹ i sai lÖ ch cã kÝ ch th−íc lín theo hai chiÒ u ®o vμ nhá theo chiÒ u thø
ba, tøc cã d¹ ng cña mét mÆ t (cã thÓ lμ ph¼ ng, cong hay uèn l−în).
C¸ c d¹ ng ® iÓ n h× nh cña sai lÖ ch mÆ t lμ :
- biª n gií i h¹ t vμ siª u h¹ t (sÏ tr× nh bμ y ë môc sau) vμ bÒ mÆ t tinh thÓ .
1.6. §¬n tinh thÓ vμμμμ ®a tinh thÓ
1.6.1. §¬n tinh thÓ
§¬n tinh thÓ (h× nh 1.20a): lμ mét khèi chÊ t r¾ n cã m¹ ng ®ång nhÊ t (cïng kiÓ u
vμ h» ng sè m¹ ng), cã ph−¬ng m¹ng kh«ng ®æi trong toμ n bé thÓ tÝ ch. Trong thiª n
nhiª n: mét sè kho¸ ng vË t cã thÓ tån t¹ i d−íi d¹ ng ®¬n tinh thÓ . Chóng cã bÒ mÆ t
ngoμ i nh½ n, h× nh d¸ ng x¸ c ® Þ nh, ®ã lμ nh÷ng mÆ t ph¼ ng nguyª n tö giíi h¹ n (th−êng
lμ c¸ c mÆ t xÕ p chÆ t nhÊ t). C¸ c ®¬n tinh thÓ kim lo¹ i kh«ng tån t¹ i trong tù nhiª n,
muèn cã ph¶ i dïng c«ng nghÖ "nu«i" ®¬n tinh thÓ .
§Æ c ®iÓ m: cã tÝ nh chÊ t rÊ t ®Æ c thï lμ dÞ h−íng v× theo c¸ c ph−¬ng mË t ®é xÕ p
chÆ t nguyª n tö kh¸ c nhau. §¬n tinh thÓ chØ ® −îc dïng trong b¸ n dÉ n.
1.6.2. §a tinh thÓ
a. H¹t
Trong thùc tÕ hÇ u nh− chØ gÆ p c¸ c vË t liÖ u ®a tinh thÓ . §a tinh thÓ gåm rÊ t nhiÒ u
(®¬n) tinh thÓ nhá (cì μm) ®−îc gäi lμ h¹ t tinh thÓ , c¸ c h¹ t cã cïng cÊ u tróc vμ
13. 16
th«ng sè m¹ ng song ph−¬ng l¹ i ® Þ nh h−íng kh¸ c nhau (mang tÝ nh ngÉ u nhiª n) vμ
liª n kÕ t víi nhau qua vïng ranh giíi ®−îc gäi lμ biª n h¹ t (hay biª n giíi h¹ t) nh−
tr× nh bμ y ë h× nh 1.20b.
Tõ m« h×nh ®ã thÊy râ:
- Mçi h¹ t lμ mét khèi tinh thÓ hoμ n toμ n ®ång nhÊ t, thÓ hiÖ n tÝ nh dÞ h−íng.
- C¸ c h¹ t ®Þ nh h−íng ngÉ u nhiª n víi sè l−îng rÊ t lí n nª n thÓ hiÖ n tÝ nh ®¼ ng h−íng
- Biª n h¹ t chÞ u ¶ nh h−ëng cña c¸ c h¹ t xung quanh nª n cã cÊ u tróc “trung gian” vμ v×
vË y s¾ p xÕ p kh«ng trË t tù (x« lÖ ch) nh− lμ v« ® Þ nh h× nh , kÐ m xÝ t chÆ t víi tÝ nh chÊ t
kh¸ c víi b¶ n th© n h¹ t.
- Cã thÓ quan s¸ t cÊ u tróc h¹ t ®a tinh thÓ hay c¸ c h¹ t nhê kÝ nh hiÓ n vi quang häc
(h× nh 1.20c).
H× nh 1.20. M« h× nh ®¬n
tinh thÓ (a),
®a tinh thÓ (b),
tæ chøc tÕ vi kim lo¹i ®a
tinh thÓ (c),
cÊu tróc cña siªu h¹t
(d).
b. §é h¹t
§é h¹ t cã thÓ quan s¸ t ® Þ nh tÝ nh qua mÆ t g· y, ®Ó chÝ nh x¸ c ph¶ i x¸ c ®Þ nh trª n tæ
chøc tÕ vi.
CÊ p h¹ t theo tiª u chuÈ n ASTM: ph© n thμ nh 16 cÊ p chÝ nh ®¸ nh sè tõ 00, 0, 1,
2...., 14 theo trË t tù h¹ t nhá dÇ n, trong ®ã tõ 1 ®Õ n 8 lμ th«ng dông.
CÊ p h¹ t N=3,322lgZ+1, víi Z lμ sè h¹ t cã trong 1inch2 (2,542≈ 6,45cm2) d−íi ®é
phãng ®¹ i 100 lÇ n.
Ng−êi ta th−êng x¸ c ®Þ nh cÊ p h¹ t b» ng c¸ ch so s¸ nh víi b¶ ng chuÈ n ë ®é
phãng ®¹ i (th−êng lμ x100) hoÆ c x¸ c ®Þ nh trª n tæ chøc tÕ vi. C¸ c sè liÖ u ph© n cÊ p
h¹ t xem trong b¶ ng 1.2.
B¶ ng 1.2. C¸c cÊp h¹t chuÈn chÝ nh theo ASTM
CÊ p h¹ t 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Z(x100)/inch2 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 128
Z thùc/mm2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048
S h¹ t, mm2 0,258 0,129 0,0645 0,032 0,016 0,008 0,004 0,002 0,001 0,0005
CÊ p h¹ t 9 10 11 12 13 14
Z(x100)/inch2 256 512 1024 2048 4096 8200
Z thùc/mm2 4096 8200 16400 32800 65600 131200
S h¹ t, mm2 2.10-4 1.10-4 6.10-5 3.10-5 1,6.10-5 7,88.10-6
14. 17
H× nh 1.21. Thang ¶nh cÊp h¹t chuÈn øng víi ®é phãng ®¹i x100
c. Siªu h¹t
NÕ u nh− khèi ®a tinh thÓ gåm c¸ c h¹ t (kÝ ch th−íc hμ ng chôc - hμ ng tr¨m μm)
víi ph−¬ng m¹ ng lÖ ch nhau mét gãc ®¸ ng kÓ (hμ ng chôc ®é), ®Õ n l−ît mçi h¹ t nã
còng gåm nhiÒ u thÓ tÝ ch nhá h¬n (kÝ ch th−íc cì 0,1 ÷ 10μm) víi ph−¬ng m¹ ng lÖ ch
nhau mét gãc rÊ t nhá (≤ 1-2o) gäi lμ siª u h¹ t hay block (h× nh 1.20d). Biª n giíi siª u
h¹ t còng bÞ x« lÖ ch nh−ng víi møc ®é rÊ t thÊ p.
1.6.3. Textua
H× nh 1.22. M« h× nh textua trong d©y nh«m sau khi kÐo sîi
(vect¬ V biÓu thÞ h−íng kÐo, trôc textua lμ [111]).
Do biÕ n d¹ ng dÎ o lμ m ph−¬ng m¹ ng ® Þ nh h−íng t¹ o nª n textua. VÝ dô, khi kÐ o
sîi nh«m (h× nh 1.22), tinh thÓ h× nh trô khi ®óc, khi phñ.
CÊ u tróc ®a tinh thÓ cã textua → vË t liÖ u cã tÝ nh dÞ h−íng. øng dông cho thÐ p
biÕ n thÕ , t/c tõ cùc ®¹ i theo chiÒ u textua, cùc tiÓ u theo ph−¬ng vu«ng gãc → gi¶m tæn
thÊ t.
15. 18
1.7. Sù kÕ t tinh vμμμμ h× nh thμμμμnh tæ chøc cña kim lo¹i
PhÇ n lín kim lo¹ i hîp kim ®−îc chÕ t¹o (luyÖn) ra → ®óc, tøc qua kÕ t tinh, sau
®ã → c¸ n → b¸ n thμ nh phÈm vμ s¶ n phÈm.
KÕt tinh lμ b−íc khëi t¹ o h× nh thμ nh tæ chøc h¹ t, tinh thÓ . → ®é h¹ t, tæ chøc
mong muèn.
1.7.1. §iÒu kiÖn x¶y ra kÕ t tinh
a. CÊu tróc ë tr¹ng th¸i láng
ChÊ t láng chØ cã trË t tù gÇ n, trong ®ã cã nh÷ng nhãm nguyª n tö s¾ p xÕ p trË t tù ,
chóng ë tr¹ ng th¸ i c© n b» ng ®éng. VÒ mÆ t cÊ u tróc tr¹ ng th¸ i láng gÇ n tr¹ ng th¸ i
tinh thÓ h¬n, c¸ c ®¸m nguyª n tö → lμ t©m mÇm gióp cho kÕ t tinh.
b. BiÕn ®æi n¨ng l−−−−îng khi kÕ t tinh
H× nh 1.23 biÓ u thÞ sù biÕ n ®æi n¨ ng l−îng ΔG cña c¸ c tr¹ ng th¸ i láng (ΔGL) vμ
r¾ n (ΔGR) (tinh thÓ ) theo nhiÖ t ®é:
- ë nhiÖ t ®é T > TO vË t thÓ tån t¹ i ë tr¹ ng th¸ i
láng ΔGL<ΔGR
- ë nhiÖ t ®é To < TO, ΔGR<ΔGL → ®«ng ®Æ c
TO ® −îc gäi lμ nhiÖ t ®é kÕ t tinh hay nãng ch¶ y
T = TO → kÕ t tinh (nãng ch¶ y) ch−a x¶ y ra
KT&NC chØ x¶ y ra khi cã ΔT ≠ 0
H× nh 1.23. BiÕn ®æi n¨ng l−îng tù do cña hÖ
c. §é qu¸ nguéi
§é qu¸ nguéi ΔT: nguéi d−íi TO
ΔT = T - TO < 0
ΔT thay ®æi tõ rÊ t nhá (1 ÷ 2oC) ®Õ n rÊ t lín (hμ ng chôc, tr¨m ®Õ n ngh× n oC) tïy
theo tè c ®é lμ m nguéi khi kÕ t tinh. Nguéi chËm trong khu«n c¸ t ΔT lín h¬n khi nguéi
nhanh trong khu«n kim lo¹ i.
Khi nung nãng: sù nãng ch¶ y sÏ x¶ y ra ë nhiÖ t ®é T > TO, ΔT ®−îc gäi lμ ®é qu¸
nung.
1.7.2. Hai qu¸ tr× nh cña sù kÕ t tinh
Gåm hai qu¸ tr× nh c¬ b¶ n nèi tiÕ p nhau x¶ y ra lμ t¹ o mÇm vμ ph¸ t triÓ n mÇm.
a. T¹o mÇm
T¹ o mÇ m lμ qu¸ tr× nh sinh ra c¸ c phÇ n tö r¾ n cã cÊ u tróc tinh thÓ , víi kÝ ch
th−íc ®ñ lín, chóng kh«ng bÞ tan ®i nh− tr−íc ®ã mμ ph¸ t triÓ n lª n nh− lμ trung t© m
cña tinh thÓ (h¹ t), hai lo¹ i mÇm: tù sinh vμ ngo¹ i lai.
MÇm tù sinh
C¸ c ®¸m nguyª n tö cã kÝ ch th−íc ®ñ lín r ≥ rth (coi chóng lμ c¸ c h× nh cÇ u b¸ n
kÝ nh r) mμ theo tÝ nh to¸ n vÒ nhiÖ t ®éng häc, r(b¸ n kÝ nh tíi h¹ n cña mÇ m) ®−îc
th 2σ
tÝ nh theo c«ng thøc: r=
th v ΔG
, trong ®ã: σ - søc c¨ ng bÒ mÆt gi÷a
r¾ n vμ lá ng, ΔGv - chª nh lÖ ch n¨ ng l−îng tù do (GL - GR) tÝ nh cho mét ®¬n vÞ thÓ
tÝ ch.
Mét khi mÇ m cã r ≥ rth → ph¸ t triÓ n lª n thμ nh h¹ t.
ΔG
ΔGR
ΔGL
nhiÖ t ®é TO
16. 19
Khi ®é qu¸ nguéi ΔT cμ ng lí n th× ΔGV còng cμ ng lín, rth cμ ng nhá → sè l−îng
mÇm cμ ng lí n → h¹t nhá.
MÇm ký sinh
Lμ c¸ c hË t r¾ n n»m l¬ löng trong kim lo¹ i láng, thμ nh khu«n ®óc → mÇm ngo¹ i
lai. Thùc tÕ lμ trong nhiÒ u tr−êng hîp ng−êi ta cßn cè ý t¹ o ra vμ ® −a c¸ c phÇ n tö r¾ n
vμ o ®Ó gióp kÕ t tinh, sÏ ®−îc nãi tí i ë môc sau.
b. Ph¸t triÓn mÇm
MÇm ph¸ t triÓ n lμ nhê c¸ c ®¸ m nguyª n tö b¸m lª n bÒ mÆ t mÇ m ®Æ c biÖ t lμ trª n c¸ c
bË c lÖ ch xo¾ n.
H× nh 1.24. KÕt tinh nh¸nh
c©y (a), tinh thÓ nh¸nh c©y (b)
Khi ®−îc lμ m nguéi t−¬ng ®èi nhanh, tho¹ t
tiª n sù ph¸ t triÓ n mÇ m mang tÝ nh dÞ h−íng tøc lμ
ph¸ t triÓ n rÊ t nhanh theo mét sè ph−¬ng t¹ o nª n
nh¸ nh c© y, trôc bË c I (A) (h× nh 1.24), råi tõ trôc
chÝ nh nμ y t¹ o nª n trôc bË c II (B) vu«ng gãc víi
trôc bË c I, råi tõ trôc bË c II ph© n nh¸ nh tiÕ p t¹ o
nª n trôc bË c III (C)... cø nh− vË y nh¸ nh c© y ®−îc
h× nh thμ nh.
Sau ®ã kim lo¹ i gi÷a c¸ c nh¸ nh c© y míi kÕ t
tinh t¹ o nª n h¹ t (tinh thÓ ) ®Æ c kÝ n, kh«ng thÊ y trùc
tiÕ p ®−îc nh¸ nh c© y n÷a. Nh¸ nh c© y chØ ®−îc
ph¸ t hiÖ n thá i ®óc lín, phÇ n kÕ t tinh tr−íc lμ m tr¬
ra nh¸ nh c© y mμ kh«ng cßn kim lo¹ i láng ®iÒ n
®Ç y. Còng cã thÓ tÈ m thùc hîp kim ®Ó thÊ y ®−îc
nh¸ nh c© y.
1.7.3. Sù h× nh thμμμμnh h¹t
a. TiÕn tr× nh kÕ t tinh
Ta thÊ y: tõ mçi mÇ m t¹ o nª n mét h¹ t, c¸ c h¹ t ph¸ t triÓ n tr−íc → to h¬n; h¹ t sau
sÏ nhá h¬n → kÝ ch th−íc h¹ t ≠ (chª nh lÖ ch Ý t)
- do c¸ c mÇ m ®Þ nh h−íng ngÉ u nhiª n
→ h¹ t kh«ng ®ång h−íng, lÖ ch nhau mét
c¸ ch ®¸ ng kÓ → vïng biª n h¹ t víi m¹ ng
tinh thÓ bÞ x« lÖ ch.
H× nh 1.25. Qu¸ tr× nh t¹o vμ ph¸t triÓn
mÇm theo thêi gian (c¸c h× nh a,b,c) vμ
kÕt thóc ë gi©y thø n (d).
b. H× nh d¹ng h¹t
H× nh d¹ ng h¹ t phô thuéc vμ o ph−¬ng thøc lμm nguéi:
- Nguéi ®Ò u theo mäi ph−¬ng → h¹ t cã d¹ ng ®a c¹ nh hay cÇ u (h× nh 1.25).
- Nguéi nhanh theo hai ph−¬ng (tøc theo mét mÆ t) → h¹ t cã d¹ ng tÊm, l¸ , phiÕ n nh−
grafit trong gang x¸ m.
17. 20
- Nguéi nhanh theo mét ph−¬ng nμ o ®ã, h¹ t sÏ cã d¹ ng ®òa, cé t hay h× nh trô .
- D¹ ng tinh thÓ h× nh kim (®Ç u nhän) → chØ khi nhiÖ t luyÖ n.
1.7.4. C¸c ph−−−−¬ng ph¸p t¹o h¹t nhá khi ®óc
H¹t nhá → c¬ tÝ nh cao h¬n (bÒ n vμ dÎ o h¬n = ®é dai cao h¬n) → ? h¹ t nhá.
a. Nguyªn lý
KÝ ch th−íc h¹ t còng phô thuéc vμ o t−¬ng quan cña hai qu¸ tr× nh: t¹ o mÇm vμ ph¸ t
triÓ n mÇm. Sè mÇm ®−îc t¹ o ra cμ ng nhiÒ u th× h¹ t cμ ng nhá, mÇm lín lª n (ph¸ t
triÓ n) cμ ng nhanh th× h¹ t cμ ng lí n. KÝ ch th−íc h¹ t A phô thuéc vμ o tèc ®é sinh mÇm
n vμ tèc ®é ph¸ t triÓ n v (mm/s) theo c«ng thøc thùc nghiÖm: A = 1,1 4
v
3
n
, ®Ó t¹ o
h¹ t nhá → t¨ ng n vμ gi¶m v
b. C¸c ph−−−−¬ng ph¸p lμμμμm h¹t nhá khi ®óc
T¨ ng tè c ®é nguéi
Khi t¨ ng ®é qu¸ nguéi ΔTo, tè c ®é sinh mÇ m n vμ tèc ®é ph¸ t triÓ n dμ i cña mÇ m v
®Ò u t¨ ng (h× nh 1.26)
. ΔT < ΔT1(~103 ®é/s): ΔT ↑ → c¶ n&v ®Ò u ↑
. ΔT1<ΔT < ΔT2(~104-105 ®é/s): ΔT↑ → n↑, v ↓ → nano
. ΔT > ΔT2: ΔT ↑ → v« ® Þ nh h× nh
. §óc khu«n c¸ t → khu«n kim lo¹ i → h¹ t nhá
BiÕ n tÝ nh:
. T¹ o mÇ m ngo¹ i lai : 2 lo¹ i:
- kim lo¹ i cã cïng kiÓ u m¹ ng hoÆ c gÇ n gièng nhau:
FeSi, FeSiCa (gang), Ti (thÐ p) H× nh 1.26. ¶nh h−ëng cña ΔT ®Õn
n vμ v
- cho chÊ t t¹ o oxit, nitrit : Al2O3, AlN khi ®óc thÐ p
. HÊ p phô : Na cho Silumin (AlSi)
. CÇ u ho¸ graphit : Mg, Ce, §h
T¸ c ®éng vË t lý :
Rung, siªu © m → bÎ gÉ y tinh thÓ → h¹ t nhá
§óc ly t© m → h¹ t nhá
1.7.5. CÊu t¹o tinh thÓ cña thái ®óc
a. Ba vïng tinh thÓ cña thái ®óc
ΔT ΔT2 1 ΔT
n,v
n
v
C¸ c thái (thÐ p) ®óc th−êng cã tiÕ t diÖ n trßn
hoÆ c vu«ng, chóng ®−îc ®óc trong khu«n kim
lo¹ i, ®«i khi khu«n cßn ®−îc lμm nguéi b» ng
n−íc chóng th−êng cã cÊ u tróc 3 vïng ®iÓ n
h× nh (h× nh 1.27):
H× nh 1.27. CÊ u tróc 3 vïng cña thái
®óc
18. 21
Vá ngoμ i cïng lμ líp h¹ t nhá ®¼ ng trôc 1: do ΔT lín, mÇ m ngo¹ i lai nhiÒ u → h¹ t nhá
mÞ n. Do thμ nh khu«n cã ®é nhÊ p nh« → c¸ c mÇ m ph¸ t triÓ n theo c¸ c ph−¬ng ngÉ u
nhiª n c¾ t nhau, chÌ n Ð p nhau → h¹ t ph¸ t triÓ n ®Ò u theo mäi phÝ a.
Vïng tiÕ p theo lμ líp h¹ t t−¬ng ®èi lín h× nh trô 2: vu«ng gãc víi thμ nh khu«n, do
thμ nh khu«n míi b¾ t ®Ç u nãng lª n → ΔTo ↓, h¹ t lín h¬n vμ ph¸ t triÓ n m¹ nh theo
ph−¬ng ph¸ p tuyÕ n víi thμ nh khu«n lμ ph−¬ng truyÒ n nhiÖ t → h¹ t h× nh trô.
Vïng ë gi÷a lμ vïng c¸ c h¹ t lín ®¼ ng trôc 3.
Kim lo¹ i láng ë gi÷a kÕ t tinh sau cïng, thμ nh khu«n ®· nãng lª n nhiÒ u do ®ã:
- ΔT ↓ → h¹ t lí n,
- nhiÖ t t¶ n ®Ò u theo mäi ph−¬ng → h¹ t ®¼ ng trôc.
. Vïng ngoμ i cïng lu«n lu«n lμ líp vá máng, 2 vïng sau phô thuéc vμ o ®iÒ u kiÖ n lμm
nguéi khu«n:
+ nguéi m· nh liÖ t th× vïng 2 sÏ lÊ n ¸ t vïng 3, thËm chÝ mÊ t vïng 3 → xuyª n tinh →
khã biÕ n d¹ ng dÎ o, kh«ng phï hîp víi thái c¸ n
+ nguéi chËm th× vïng 3 l¹ i lÊ n ¸ t vïng 2, thái trë nª n dÔ c¸ n h¬n.
b. C¸c khuyÕ t tËt cña vËt ®óc
Rç co vμ lâm co: Do khi kÕ t tinh kim lo¹ i co l¹ i kh«ng ® −îc bï → co: rç co n»m ph© n
t¸ n, r¶ i r¸ c gi÷a c¸ c nh¸ nh c© y trª n kh¾ p vË t ®óc ®−îc gäi lμ rç co→ gia c«ng ¸ p lù c
ë nhiÖ t ®é cao th× chóng ®−îc hμ n kÝ n kh«ng ¶ nh h−ëng ®¸ ng kÓ ®Õ n c¬ tÝ nh.
co tË p trung → lâm co th−êng n»m ë n¬i kÕ t tinh sau cïng: chç dμ y, phÝ a trª n. PhÇ n
thái cã lâm co ph¶ i ®−îc c¾ t bá → tû lÖ sö dông chØ cßn kho¶ ng 85 ®Õ n 95%. §óc
liª n tôc o cã lâm co
§èi víi chi tiÕ t ®óc ph¶ i ®Ó phÇ n lâm co ë ®Ë u ngãt → c¾ t bá ®i.
Rç khÝ
KhÝ hoμ tan tho¸ t ra kh«ng kÞ p → rç khÝ hay bät khÝ . Khi c¸ n kh«ng thÓ hμ n
kÝ n ®−îc (líp «xyt ng¨ n c¶ n khuÕ ch t¸ n lμ m liÒ n chç bÑ p), g© y ra trãc vá hoÆ c nøt
khi sö dông → khö khÝ tè t tr−íc khi rãt khu«n, sÊ y kh« khu«n c¸ t hoÆ c ®óc trong
ch© n kh«ng.
Thiª n tÝ ch (segregation)
Lμ sù kh«ng ®ång nhÊ t vÒ thμ nh phÇ n vμ tæ chøc cña s¶ n phÈm ®óc, c¶ víi hîp
kim (khi thμ nh phÇ n phøc t¹ p) vμ kim lo¹ i do tÝ ch tô t¹ p chÊ t. Cã nhiÒ u d¹ ng thiª n
tÝ ch: theo träng l−îng, trong b¶ n th© n h¹ t, cña P, S trong thÐ p.
