08/2010
Vật liệu kim loại
Giảng viên: Hoàng Văn Vương
Mở đầu
0.1 Khái niệm khoa học vật liệu
0.2 Vật liệu là gì
0.3 Phân loại vật liệu
0.4 Lịch sử phát triển vật liệu
08/2010
0.1 Khái niệm khoa học vật liệu
• Khoa học vật liệu là một khoa học liên ngành
nghiên cứu về mối quan hệ giữa thành phần,
cấu trúc, các công nghệ chế tạo, xử lý và tính
chất của các vật liệu:
- Liên ngành nghiên cứu:
+ Vật lý, Hóa học, Toán học
- Nghiên cứu về:
+ Cấu trúc; tính chất điện, từ, nhiệt, quang, cơ
→ Tạo ra vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc
0.2 Vật liệu là gì
•Vật liệu là các vật rắn có thể sử dụng để
chế tạo các dụng cụ, máy móc, thiết bị,
xây dựng các công trình…
08/2010
0.3 Phân loại vật liệu
•Cóbốn nhóm vật liệu chính:
-Vật liệu kim loại
-Vật liệu ceramic
-Vật liệu Polyme
-Vật liệu Composit
• 1. VL bán dẫn

- Các tính chất điển hình của vật liệu hữu cơ - polyme:
+Rẻ và khá rẻ,
+ Dẫn nhiệt, dẫn điện kém,
+ Khối lượng riêng nhỏ,
+ Dễ
uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao,
+ Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy, phân hủy ở
nhiệt độ tương đối thấp.
• Vật liệu compozit.
-Làsự kết hợp của hai hay cả ba loại vật liệu kể trên, mang hầu như các đặc tính tốt
của các vật liệu thành phần.
-Vídụ bêtông cốt thép (vô cơ - kim loại) vừ
a chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao
(như bêtông). Hiện dùng phổ biến các compozit hệ kép: kim loại - polyme, kim loại -
ceramic, polyme - ceramic với những tính chất mới lạ, rất hấp dẫn.
0.4 Lịch sử phát triển vật liệu
•Thời kỳ đồ đá: 2triệu năm trước
•Thời kỳ đồ đồng: 3300-1200 TCN
•Thời kỳ đồ sắt: Từ 1200 TCN
08/2010
Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong vật rắn
1.2 Khái niệm về mạng tinh thể
1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong
vật rắn
Cấu tạo nguyên tử: gồm các electron
chuyển động xung quanh hạt nhân (p,

-LKĐHT phân cực
-LKĐHT không phân cực
Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hoá trị
a) Phân tử Clo, b) Metan. c) NH4+
Clo Z = 17: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
5
Cacbon: Z = 6: 1s
2
2s
2
2p
2
Nitơ: Z = 7: 1s
2
2s
2
2p
3
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong kim loại
Các dạng liên kết trong vật rắn
b) Liên kết ion: Hình thành do lực hút tĩnh điện
giữa các nguyên tử, nguyên tử dễ nhường e

- Tính dẻo cao
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong kim loại
Các dạng liên kết trong vật rắn
d) Liên kết hỗn hợp: hình thành do trong vật liệu
có nhiều nguyên tố tham gia liên kết
- Liên kết ion - đồng hóa trị: hợp chất muối NaCl;
NaF
- Liên kết kim loại - đồng hóa trị: trong kim loại
chuyển tiếp: W; Cr
- Liên kết kim loại – Ion : NaZn13
- Fe5Zn12 – liên kết thuần kim loại
08/2010
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong kim loại
Các dạng liên kết trong vật rắn
e) Liên kết yếu (Van De Waals): hình thành do
sự tương tác giữa các phân tử bi phân cực
Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
1.2 Khái niệm về mạng tinh thể
Mạng tinh thể gồm các nhóm nguyên tử sắp xếp có trật tự
ở các vị trí xác định
Tính đối xứng của mạng tinh thể:
-Tâm đối xứng
-Mặt đối xứng
-Trục đối xứng, n = 2π/ α là bậc của trục đối xứng: 1, 2, 3, 4, 6
08/2010
1.2 Khái niệm về mạng tinh thể
Ô cơ sở: là hình không gian có thể tích
nhỏ nhất đặc trưng cho tính đối xứng
của mạng tinh thể
-Tịnh tiến ô cơ sở theo ba chiều không

α = β = γ≠90
0
a = b = c
Ba phương (mặt thoi)
α = β = γ = 90
0
a ≠ b ≠ c
Trực thoi
α = β = 90
0
≠γa ≠ b ≠ c
Một nghiêng (đơntà)
α≠β≠γa ≠ b ≠ c
Ba nghiêng (tam tà)
08/2010
1.2 Khái niệm về mạng tinh thể
Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng và mặt
nguyên tử
Nút mạng: để biểu thị tọa độ các nguyên tử
[[n
a
, n
b
, n
c
]] là chỉ số Miller nút mạng M
-Trị số âm được biểu thị bởi dấu “-” ở trên đầu
→→→→
++= cnbnanOM
cba

OB [111]
OH [010]
08/2010
1.2 Khái niệm về mạng tinh thể
Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng
và mặt nguyên tử
Mặt tinh thể:
-Mặt phẳng chứa các nút mạng không đi qua
gốc tọa độ
-Hai mặt song song có cùng chỉ số Miller
-Kíhiệu (hkl)
-Họ mặt {hkl}
- Quy tắc xác định chỉ số mặt (h k l):
+Xây dựng mặt phẳng P song song với mặt
cần xác định;
+ Tìm toạ độ giao điểm [[n
a
,0,0]]; [[0,n
b
,0]];
[[0,0,n
c
]] của P trên ba trục Ox, Oy, Oz;
+Lấy các giá trị nghịch đảo n
a
, n
b
, n
c
, quy đồng

)0101(
08/2010
1.2 Khái niệm về mạng tinh thể
Mật độ nguyên tử
-Mật độ xếp theo phương: M
l
= l/L
-Mật độ xếp theo mặt M
s
= s/S
-Mật độ xếp theo thể tích M
v
= v/V
Trong đó:
- l, s, v: chiểu dài, diện tích, thể tích nguyên tử chiếm chỗ
- L, S, V: chiểu dài, diện tích, thể tích đem xét
Số sắp xếp (số phối trí)
-Số lượng các nguyên tử cách đều gần nhất nguyên tử đã
cho
Lỗ hổng
- Không gian trống bị giới hạn bởi các nguyên tử trong mạng
tinh thể
-Lỗ hỏng tám mặt 8m và lỗ hổng bốn mặt 4m
1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.3.1 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
a) Mạng lập phương tâm mặt A
1
-Ô cơ sở hình lập phương cạnh a
-Số nguyên tử trong một ô cơ sở n
v

các cạnh bên
+n
8m
= 4
+d
8m
= 0,414d
nt
Kim loại có kiểu mạng A
1
: Fe
γ
, Au, Ag, Al, Ni, Cu…
1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.3.1 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
b) Mạng lập phương tâm khối A
2
-Ô cơ sở hình lập phương cạnh a
-Số nguyên tử trong một ô cơ sở n
v
= 2
-Phương xếp sít nhất <111>
-Mặt xếp xít nhất {110}
- Bán kính nguyên tử r
nt
= a√3/4
-Mật độ M
v
= v/V = 68% (M
l

: Fe
α
, Cr, Mo, W, V,…
1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.3.1 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu kim loại
c) Sáu phương xếp chặt A
3
-Ô cơ sở khối lăng trụ lục giác cạnh a, chiều cao c
-Số nguyên tử trong một ô cơ sở n
v
= 6
-Phương xếp sít nhất
-Mặt xếp xít nhất (0001)
- Bán kính nguyên tử r
nt
= a/2, c/a = 1,633
-Mật độ M
v
= v/V = 74%
Kim loại có kiểu mạng A
3
: Ti
α
, Zn, Mg, Be, Cd, Zr,…
>< 0211
08/2010
1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.3.2 Một số mạng tinh thể điển hình của vật liệu phi kim
a) Chất rắn có liên kết cộng hóa trị
- Tinh thể kim cương A

a) Sai lệch đường – Lệch (Dislocation)
Có kích thước rất nhỏ theo 2 chiều và lớn theo chiều thứ 3: Lệch biên
và lệch xoắn
Lệch biên (edge dislocation, line dislocation): Chèn thêm nửa bản
mặt vào mộ
t nửa của tinh thể lý tưởng
-Véc tơ Burger: đóng kín vòng burger được vẽ trên mặt phẳng của
trục lệch, khi chuyển từ tinh thể không có lệch sang tinh thể có lệch
ABb ⊥
→
08/2010
1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể
b) Sai lệch đường – Lệch (Dislocation)
Lệch xoắn (screw dislocation):
-Hai phần mạng tinh thể trượt tương đối với nhau một
hằng số mạng
- Các nguyên tửởvùng giữa AD và BC sắp xếp có dạng
đường xoắn ốc
-Véc tơ Burger:
ADb//
→
1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể
b) Sai lệch đường – Lệch
Các đặc trưng hình thái của lệch:
- Mật độ lệch ρ:
Trong đó: l chiều dài trục lệch, V thể tích khối xem xét
-Phụ thuộc vào độ sạch và trạng thái gia công:
+ Đơn tinh thể siêu sạch: ρ < 10

- Có tính dị hướng, theo các hướng khác nhau, mật độ
xếp và tính chất khác nhau
-Sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và kỹ thuật điện
1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể
c) Sai lệch mặt:
Đa tinh thể:
-Tập hợp nhiều đơn tinh thể (hạt tinh thể) liên kết với
nhau bằng ranh giới gọi là biên hạt
-Do sự định hướng ngẫu nhiên của mỗi hạt nên phương
mạng giữa các hạt luôn lệch với nhau một góc nào đó;
-Tại vùng biên giới hạt mạng tinh thể bị xô lệch
- Đa tinh thể có tính đẳng hướng
08/2010
1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể
c) Sai lệch mặt:
Đa tinh thể:
-Xác định độ hạt
+Xác định tiết diện ngang của các hạt
+Xác định đường kính trung bình của các hạt
+ So sánh với số hạt trên một đơn vị diện tích
trên ảnh tổ chức với bản mẫu chuẩn x100
- Siêu hạt: trong mỗi hạt có phương mạng
lệch nhau góc nhỏ (< 1-2
0
), gọi là biên giới
siêu hạt
1.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.3.3 Sai lệch mạng tinh thể

+T
0
: nhiệt độ kết tinh (đông đặc)
c) Độ quá nguội:
ΔT = T – T
0
Điều kiện kết tinh: ΔT < 0, ΔG < 0
08/2010
1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.4.2 Hai quá trình của sự kết tinh
a) Tạo mầm
-Mầm là phần tử rắn có cấu trúc tinh thể, kích
thước đủ lớn phát triển lên thành hạt tinh thể
-Mầm tự sinh: r > r
th
= 2σ/ΔG
v
-Mầm ký sinh: các hạt rắn trong chất lỏng, nhấp
nhô thành khuôn đúc
b) Phát triển mầm: nguyên tử chất lỏng bám trên
bề mặt mềm, đặc biệt ở bậc lệch xoắn
1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.4.3 Sự hình thành hạt tinh thể
-Mỗi mầm phát triển tạo thành một hạt, hạt phát triển
trước to hơn
-Các hạt định hướng ngẫu nhiên, không đẳng hướng
- Vùng biên hạt mạng tinh thể bị xô lệch (sai lệch mặt)
08/2010
1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.4.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

n
v
A
1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.4.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc
Biến tính: Thêm vào kim loại lỏng lượng nhỏ chất biến tính
làm nhỏ hạt, thay đổi hình dạng hạt
-Tạo mầm ngoại lai: kim loại có cùng kiểu mạng, hoặc
gần giống nhau: FeSi (gang). Chất tạo oxit, nitrit: Al
2
O
3
,
AlN khi đúc thép
-Hấp thụ Na cho hợp kim nhôm đúc (silumin)
-Cầu hóa graphit: Mg, Ce, nguyên tố đất hiếm
Tác động vật lý: rung siêu âm, đúc ly tâm
08/2010
1.4 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
1.4.5 Cấu tạo thỏi đúc
a) Ba vùng tinh thể của thỏi đúc
-Lớp vỏ ngoài hạt nhỏ mịn
-Lớp tiếp theo, hạt tương đối lớn hình trụ
vuông góc với thành khuôn
- Vùng ở giữa các hạt lớn đẳng trục
b) Khuyết tật thỏi đúc
-Rỗ co, lõm co do kim loại kết tinh co lại không
được bù
-Rỗ khí, do khí hòa tan không kịp thoát ra
- Thiên tích, sự không đồng nhấ