vat lieu co khi

1. 1
Vật liệu cơ khí
IUH - 2016

2. 2
MỞ ĐẦU
• Khái niệm về vật liệu: những vật
rắn mà con người sử dụng để chế
tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây
dựng công trình và ngay cả để
thay thế các bộ phận cơ thể hoặc
thể hiện ý đồ nghệ thuật.
• Vật liệu kim loại
• Ceramic (vật liệu vô cơ)
• Polyme (vật liệu hữu cơ)
1. bán dẫn,
2. siêu dẫn,
3. silicon,
4. polyme dẫn điện

3. 3
Vai trò của vật liệu
• Kim loại và hợp kim hiện nay vẫn còn có tầm quan trọng hàng đầu trong sản
xuất cơ khí, giao thông vận tải, năng lượng, xây dựng, quốc phòng v.v.
• Chất dẻo - polyme ngày càng trở thành nhóm vật liệu mới, đóng vai trò quan
trọng và chiếm tỷ lệ ngày càng cao trong đời sống hàng ngày cũng như trong
thiết bị, máy móc.
• Vật liệu vô cơ - ceramic phổ biến trong xây dựng và đời sống từ đồ gốm, sứ
đến ximăng - bêtông, thủy tinh, vật liệu chịu lửa cho đến các ceramic kết cấu
hiện đại dùng làm dụng cụ cắt trong ngành cơ khí.
• Vật liệu kết hợp (compozit) phát triển rất mạnh trong những năm gần đây, rất
nhẹ lại rất bền đáp ứng được các yêu cầu rất cao của chế tạo máy. Chắc
chắn sự phát triển mạnh mẽ của loại vật liệu này sẽ tạo ra những thay đổi
quan trọng cho ngành cơ khí .

4. 4
Vật liệu học cho ngành cơ khí
• Kỹ sư cơ khí phải biết chọn đúng vật liệu cũng như phương pháp
gia công để thỏa mãn cao nhất điều kiện làm việc với giá thành
thấp nhất.
• Nội dung cơ bản: Quan hệ tổ chức - tính chất hay sự phụ thuộc
của tính chất của vật liệu vào cấu trúc.
• Tổ chức (cấu trúc): sự sắp xếp của các thành phần bên trong. Tổ
chức vĩ mô, tổ chức vi mô (tổ chức tế vi –microstructure, cấu trúc
nguyên tử)
• Tính chất: cơ - lý - hóa tính và tính công nghệ

5. 5
Nội dung môn học
• I – Cấu trúc và cơ tính
– Liên kết nguyên tử, cấu trúc vật rắn
– Sai lệch mạng và tính chất vật rắn
– Cơ tính vật rắn
• II – Hợp kim và biến đổi tổ chức
– Hợp kim, dung dịch rắn, pha trung gian
– Giản đồ pha và nhiệt luyện thép
• III – Vật liệu kim loại và ứng dụng
– Thép – gang, hợp kim màu – bột
– Một số nhóm vật liệu (chịu mòn, chịu nhiệt, ăn mòn, ma sát...)

6. 6
Ch 1 – LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ VÀ CẤU
TRÚC TINH THỂ VẬT RẮN
Nội dung
• Liên kết giữa các nguyên tử trong vật rắn (Năng lượng và
lực liên kết; Các dạng liên kết chính)
• Cấu trúc tinh thể kim loại
Lập phương tâm mặt, Lập phương tâm khối, Lục giác sếp
chặt
• Các loại chất rắn: đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định hình

7. 7
Liên kết giữa các nguyên tử trong chất rắn
• TẠI SAO nghiên cứu liên kết giữa các nguyên
tử?
- Loại liên kết cho phép chúng ta giải thích tính chất
của vật liệu
- Hiểu sự liên kết giữa các nguyên tử là bước đầu
tiên để tiến tới biến đổi tính chất vật liệu

8. 8
Graphite tương đối mềm, xỉn, mờ
đục, thông dụng, chất dẫn điện
khá tốt
Kim cương là một trong những vật liệu
được biết đến cứng nhất trong tự nhiên,
sáng, truyền ánh sáng, hiếm, dẫn kém điện
Đều cấu tạo nên từ các nguyên tử cacbon

9. 9
Năng lượng liên kết giữa các nguyên tử
Lực đẩy giữa các nguyên tử, khi chúng được mang gần nhau, liên quan đến nguyên tắc Pauli.
Khi những đám mây điện tử xung quanh các nguyên tử bắt đầu chồng lên nhau, năng lượng
của hệ thống tăng đột ngột.
Khi nguyên tử tiến ra xa, năng lượng liên kết tăng lên từ từ và phụ thuộc vào loại liên kết riêng.

10. 10
Liên kết cộng hóa trị
• Liên kết này tạo ra khi hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung
nhau một số điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử ở lớp ngoài cùng
(s2p6).
• Là loại liên kết có định hướng, nghĩa là xác suất tồn tại các điện
tử tham gia liên kết lớn nhất theo phương nối tâm các nguyên tử.
• Liên kết cộng hoá trị có thể xảy ra giữa các nguyên tử của cùng
một nguyên tố (đồng cực) (IV A - VII A : Cl2, F2, Br2, ...) hoặc các
nguyên tử của các nguyên tố khác nhau (dị cực) (III A và V A hoặc
II A và VI A: GaAs, GaP, ...).

11. 11
• Cường độ liên kết phụ thuộc rất mạnh vào mức độ liên kết của
các điện tử hoá trị với hạt nhân (kim cương, C vs. thiếc, Sn).
> 35500C~ 2320C

12. 12

13. 13
• Đây là loại liên kết mạnh, xảy ra giữa nguyên tử có ít điện tử hóa
trị dễ cho bớt điện tử để tạo thành cation (ion dương): nhóm IB
(Cu, Ag, Au) và IIB (Zn, Cd, Hg) lk với nhóm VIB (O, S...) và VIIB
(H, F, Cl, Br, I) (có nhiều điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện tử để
tạo thành ion âm).
• Các ôxit kim loại như Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO... có xu thế
mạnh với tạo liên kết ion.
• Giống liên kết cộng hoá trị, liên kết Ion càng mạnh khi nguyên tử
chứa càng ít điện tử. Và nó là dạng liên kết không định hướng.
Liên kết ion

14. 14
• Ví dụ: muối (NaCl)
Na có 11 electrons, nhiều hơn 1 e để tạo thành lớp bão hòa như Neon
Cl có 17 electrons, thiếu 1 e để tạo thành lớp bão hòa như Ar
Ionic bonds: very strong,
nondirectional bonds

15. 15
Liên kết kim loại
• Đặc điểm chung của các nguyên tử nguyên tố kim loại là có ít
điện tử hoá trị ở lớp ngoài cùng, do đó chúng dễ bứt ra tạo
thành các Ion dương bị bao quanh bởi các mây điện tử tự do.
• Các ion dương tạo thành một mạng xác định, đặt trong không
gian điện tử tự do chung.
• Các lk kim loại điển hình như Cu, Al, Au, Ag v.v. Các kl như Fe,
Ni, v.v hình thành liên kết hỗn hợp bao gồm liên kết kl và lk cộng
hóa trị với các electron 3d. Chính vì vậy các kl chuyển tiếp giòn
hơn các kl điển hình.
• Các kim loại dẫn điện lẫn dẫn nhiệt tốt là nhờ các điện tử tự do

16. 16
• Các electron tự do ngăn các lõi ion tích điện dương tiến ra xa nhau do
lực đẩy tĩnh điện; do đó liên kết kim loại có tính không định hướng.
• Ngoài ra, các electron tự do hoạt động như một "chất keo" để giữ các
lõi ion cùng nhau.
• Liên kết kim loại chủ yếu ở nhóm IA và IIA, trên thực tế nó tồn tại trong
tất cả các nguyên tố kim loại.

17. 17
Liên kết yếu (Vander Waals)
• Liên kết Vander Waals là liên kết do
hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên
tử hoặc phân tử bị phân cực (do lk
cộng hóa trị).
• Liên kết rất yếu, dễ bị phá vỡ khi
tăng nhiệt độ. Vì vậy những vật rắn
có liên kết Vander Waals có nhiệt
độ nóng chảy rất thấp (nước đá
nóng chảy ở 00C).
Quá trình tạo thành liên kết
Vander Waals
a: Trung hoà
b: Phân cực
c: Tạo liên kết

18. 18
Trong vật liệu thực tế tồn tại
nhiều hơn 1 loại liên kết
Liên kết trong vật liệu thực
Kim loại: lk kim loại
Gốm – sứ: lk ion / lk cộng hóa trị
Polyme – nhựa: lk cộng hóa trị/ lk yếu
Bán dẫn: Cộng hóa trị hoặc cộng hóa trị/ lk yếu

19. 19
Sự tương quan giữa năng lượng liên kết và
nhiệt độ nóng chảy

20. 20
• Tại sao phải nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật rắn?
Tính chất của hầu hết vật liệu có liên quan trực tiếp đến
cấu trúc tinh thể vật rắn.
• Trong phần này chúng ta nghiên cứu cách nguyên tử sắp
xếp trong vật rắn như thế nào?
CẤU TRÚC TINH THỂ VẬT RẮN

21. 21
• Vật liệu tinh thể: các nguyên tử tự sắp xếp theo trật tự tuần hoàn
• Đơn tinh thể: các nguyên tử tự sắp xếp theo trật tự tuần hoàn
trong toàn khối vật liệu
• Vật liệu đa tinh thể: bao gồm rất nhiều tinh thể
• Vật liệu vô định hình: nguyên tử sắp xếp không theo trật tự nào
Loại chất rắn

22. 22
Cấu trúc tinh thể
TạI sao nguyên tử
sắp xếp có trật tự
(crystals)?

23. 23
• Để bàn về cấu trúc tinh thể cần phải xem xét các nguyên
tử như là các quả cầu rắn với bán kính xác định.
• Theo mô hình này, khoảng cách ngắn nhất giữa hai
nguyên tử là đường kính của quả cầu rắn
• Chúng ta cũng có thể coi cấu trúc tinh thể như là mạng
lưới các điểm là tâm của các quả cầu rắn
Cấu trúc tinh thể

24. 24
• Ô cơ sở là đơn vị cấu trúc hoặc là khối tạo nên để
mô tả tinh thể. Các ô cơ sở sắp xếp lập lại trong
toàn bộ tinh thể
Ô cơ sở

25. 25
• Kim loại luôn luôn ở dạng tinh thể, mặc dù có thể tạo ra
dạng vô định hình bằng cách nguội nhanh.
• Liên kết nguyên tử trong kim loại không có định hướng
⇒ không hạn chế về số lượng hay vị trí các nguyên tử
gần nhất nên tạo ra cấu trúc xếp chặt.
• Bán kính nguyên tử, R, xác định bởi bán kính ion
dương – thường từ 0.1 tới 0.2 nm
• Các dạng ô cơ sở thường gặp
Lập phương tâm mặt (FCC)
Lập phương tâm khối (BCC)
Lục giác xếp chặt (HCP).
Cấu trúc tinh thể kim loại

26. 26
• Các nguyên tử sắp xếp tại mỗi góc và tại trung tâm
của tất cả các mặt của ô cơ sở
• Cu, Al, Ag, Au…
Lập phương tâm mặt Face-Centered Cubic (FCC)

27. 27
Lập phương tâm mặt

28. 28
• Các nguyên tử tiếp xúc nhau theo đường chéo các mặt,
từ đó tính được độ dài cạnh ô cơ sở, a= 2R√2
Số sắp xếp, CN = Số nguyên tử gần nhất liên kết với một
nguyên tử, CN = 12
Số nguyên tử trong một ô cơ sở, n = 4.
Cách tính:
– 6 nguyên tử trên mặt chia 2 ô: 6×1/2 = 3
– 8 nguyên tử ở góc chia cho 8 góc: 8×1/8 = 1
Hệ số xếp chặt, APF = phần thể tích các nguyên tử
chiếm chỗ trong ô cơ sở = (tổng thể tích nguyên tử)/(thể
tích ô) = 0.74
Lập phương tâm mặt

29. 29
• Hệ số xếp chặt của mạng lập phương tâm mặt là 0.74, là hệ số
tối đa cho hệ có bán kính nguyên tử bằng nhau nên gọi là cấu
trúc xếp chặt.
• Hệ lập phương tâm mặt có thể tạo nên bằng cách xếp chồng các
mặt xếp chặt (mặt có mật độ nguyên tử cao nhất)
Lập phương tâm mặt

30. 30
• Nguyên tử đặt tại bốn góc và một tại trung tâm ô
• Các kim loại có kiểu mạng tinh thể này: Cr, α-Fe, Mo
Lập phương tâm khối

31. 31
• Các nguyên tử tiếp xúc nhau theo đường chéo của
ô, nên cạnh của ô được tính, a= 4R/√3
• Số sắp xếp, CN = 8
• Số nguyên tử trong ô cơ sở, n = 2
Một nguyên tử nằm trọn trung tâm ô: 1 x 1 = 1
8 nguyên tử ở góc chia cho 8 góc: 8 x 1/8 = 1
• Hệ số xếp chặt, APF = 0.68
Lập phương tâm khối

32. 32
• Mặt trên và mặt đáy, sáu nguyên tử tạo thành hình
lục giác, bao lấy một nguyên tử ở giữa.
• Một mặt khác tạo thành từ 3 nguyên tử đặt giữa ô
• Cd, Mg, Zn, Ti have this crystal structure
Lục giác xếp chặt- Hexagonal Close-Packed

33. 33
• Ô có thông số mạng là a và c với tỷ số lý tưởng là
c/a=1.633
• Số sắp xếp, CN = 12 (giống FCC)
• Số nguyên tử trong một ô, n = 6.
3 nguyên tử nằm trọn trong ô: 3 x 1 = 3
12 nguyên tử ở góc lục giác: 12 x 1/6 = 2
2 nguyên tử ở mặt đáy và đỉnh: 2 x 1/2 = 1
• Hệ số xếp chặt, APF = 0.74 (giống FCC)
Lục giác xếp chặt

34. 34
• Cả hai cấu trúc tinh thể có hệ số xếp chặt bằng nhau:
0.74 (tối đa)
• Cả hai cấu trúc tinh thể có thể tạo nên bằng cách xếp
chồng các mặt xếp chặt nhất
• Sự khác nhau ở hai cấu trúc là trình tự xếp chồng
So sánh FCC và HCP
HCP: ABABAB... FCC: ABCABCABC…

35. 35
• Mặt thứ ba thì đặt lên các lỗ hỏng của mặt thứ
nhất, không chồng lên mặt thứ hai
Trình tự xếp chồng của FCC - ABCABCABC...

36. 36
• Mặt thứ hai đặt vào chỗ hổng của mặt
thứ nhất
• Mặt thứ ba đặt trực tiếp lên vị trí của
nguyên tử mặt thứ nhất (nhìn từ trên
xuống).
Trình tự xếp chồng của HCP - ABABAB...

37. 37
Tóm tắt 3 kiểu tinh thể chính
Kiểu mạng a, (c/a) CN n APF
LPTK (BCC) 4R/√3 8 2 0.68 Cr, -Fe, Mo…
LPTM (FCC) 2R√2 12 4 0.74 Cu, Al, Ag, Au, -Fe…
LGXC (HCP)
c/a
=1.63
12 6 0.74 Cd, Mg, Zn, Ti …

38. 38
• Vì toàn bộ tinh thể được tạo ra bằng sự lặp lại các ô cơ
sở, nên khối lượng riêng của vật liệu tinh thể có thể tính
ρ (khối lượng riêng của ô cơ sở) =
(Số nguyên tử trong ô, n ) × (khối lượng nguyên tử, M)
(thể tích của ô, Vc)
Tính khối lượng riêng ô cơ sở

39. 39
• Số nguyên tử trong một ô, n = 2 (BCC); 4 (FCC); 6 (HCP)
• Avogadro number NA = 6.023 × 1023 atoms/mol
• Thể tích của ô, Vc = a3 (FCC và BCC)
a = 2R√2 (FCC); a = 4R/√3 (BCC) với R bán kính nguyên
tử
EXAMPLE PROBLEM 3.4
Tính khối lượng riêng

40. 40
• Một số vật liệu có hơn một cấu trúc tinh thể, gọi là
đa hình (Polymorphism). Nếu vật liệu là một
nguyên tố, gọi là thù hình (Allotropy)
Thù hình và đa hình
Đa hình :
-Al2O3, - Al2O3
Thù hình của carbon:
diamond, graphite, và
amorphous carbon

41. 41
• In Text book: Materials Science and Engineering- An Introduction,
9th Edition
• (page 63)
Hệ tinh thể

42. 42
Tóm tắt
Thù hình
Vô định hình
Bất đẳng hướng / đẳng hướng
Hệ số xếp chặt (APF)
Lập phương tâm khối (BCC)
Số sắp xếp
Cấu trúc tinh thể
Tinh thể
Lập phương tâm khối (FCC)
Hạt (Grain/particle)
Biên giới hạt
Lục giác xếp chặt (HCP)
Thông số mạng
Đa tinh thể
Đa hình
Đơn tinh thể
Ô cơ sở