4
Chơng 1
Cấu trúc tinh thể và sự hình thành1.1. Cấu tạo và liê n kế t nguyê n tử
nguyê n tử = hạ t nhâ n + electron = (proton + nơtron) + electron
nơtron không mang điệ n
proton mang điện d ơng = điệ n tí ch của electron ng/tử trung hoà
Khá i niệm cơ bả n về cấ u tạ o nguyê n tử
Cấu hì nh electron (electron configuration) chỉ rõ: số lợng tử chí nh (1, 2, 3 ), ký
hiệ u phâ n lớp (s, p, d ), số l ợng electron thuộc phâ n lớp (số mũ trê n ký hiệ u phâ n
lớp). Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấ u hì nh electron là 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
1
qua đó biế t
đ ợc số electron ngoà i cùng (ở đâ y là 1, hóa trị 1).
Các kim loạ i chuyể n tiế p: Fe có Z = 26: 1s
2
2s
Là liê n kế t của hai (hoặc nhiề u) nguyê n tử góp chung nhau một số electron hóa trị để
có đủ tá m electron ở lớp ngoà i cùng. Có thể lấy ba ví dụ nh sau (hì nh 1.1).
Clo có Z=17 (1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
5
), có 7e ở lớp ngoà i cùng, 2 nguyê n tử Cl mỗi nguyê n tử
góp chung 1 electron để lớp ngoài cùng 8e (hì nh 1.1a). +

a) b) c) Hì nh 1.1.


KL nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e cá c nguyê n tố : VIB (O, S ),
VIIB (H, F, Cl, Br, I). Cá c ôxit kim loạ i nh Al
2
O
3
, MgO, CaO, Fe
3
O
4
, NiO có xu thế
mạ nh với tạ o liê n kế t ion.

Liê n kế t ion cà ng mạ nh khi lớp ngoà i cùng (cho) chứa í t e, nhậ n nằm cà ng gầ n
hạ t nhâ n.
Liên kế t không đị nh h ớng (đị nh h ớng thì xác suấ t liê n kế t lớn nhấ t theo
ph ơng nối tâ m cá c nguyên tử), vậ t liệu có liê n kế t ion thì tí nh giòn cao.
C


Hì nh 1.3.
Sơ đồ liên kết kim loại

c. Liê n kế t kim loại (
c. Liê n kế t kim loại (c. Liê n kế t kim loại (
c. Liê n kế t kim loại (
hì nh 1.3)

o Đ/n: là liê n kết trong đó cá c cation kim loạ i nhấ n chì m trong đám mâ y electron tự
do.
o
Nă ng l ợng liê n kế t là tổng hợp (câ n bằ ng) các ion kim loạ i có vị trí xác
đị nh. Cá c nguyê n tố nhóm Ia có tí nh kim loạ i điể n hì nh, cà ng dị ch sang bê n
phả i tí nh chấ t kim loạ i cà ng giả m, tí nh đồng hóa trị trong liê n kế t cà ng tăng.


1.2.1. Chất khí
1.2.1. Chất khí1.2.1. Chất khí
1.2.1. Chất khí
Trong chấ t khí có sự sắ p xế p nguyê n tử một cách hỗn loạ n không có hì nh dạng,
kí ch th ớc xác đị nh.
1.2.2.
1.2.2.1.2.2.
1.2.2. Chất rắn tinh thể
Chất rắn tinh thểChất rắn tinh thể
Chất rắn tinh thể

Li
+
F
-
Me
+

Ion d ơng
Mâ y
Electron
Chất rắn tinh thể :
- Trật tự gần, mà còn có cả trật
tự xa.
- Các kiểu mạ ng tinh thể xác
đị nh: lậ p ph ơng, lục giá c,
(hì nh 1.4)
Hì nh 1.4. Sơ đồ mạ ng tinh thể
6
1.2.3.
1.2.3.1.2.3.
1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể
Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thểChất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể
Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể
a.
a.a.
a.

Chất lỏng
Chất lỏngChất lỏng
Chất lỏng
Trong phạ m vi hẹ p (khoả ng 0,25nm) cá c nguyê n tử chấ t lỏng có xu thế tiế p xúc
(xí t) nhau tạ o thà nh các đá m nhỏ, do vậ y không co lạ i khi né n nh chấ t khí , các
đá m nguyê n tử nà y luôn hì nh thà nh và tan rã . Chấ t lỏng chỉ có trậ t tự gầ n, không có
trậ t tự xa.
Giữa cá c đám có khoảng trống do đó mậ t độ xế p của chấ t lỏng thấ p, khi đông đặ c
th ờng kè m theo giả m thể tí ch (co ngót).
b.

1.5c).
a) c)

Hì nh 1.5. Cấu trúc khối tứ diện [ SiO
4
]
4-
(a), thủy tinh thờng SiO
2
(b)
thủy tinh tinh thể SiO
2
(c)
c.
c. c.
c. Chất rắn vi tinh thể
Chất rắn vi tinh thểChất rắn vi tinh thể
Chất rắn vi tinh thể
Cũng với vậ t liệ u tinh thể kể trên khi là m nguội từ trạ ng thái lỏng rấ t nhanh (trê n
d ới 10
4
độ/s) sẽ nhậ n đợc cấu trúc tinh thể nh ng với kí ch th ớc hạ t rất nhỏ (cỡ
nm), đó là vậ t liệu có tê n gọi là vi tinh thể (còn gọi là finemet hay nanomet).
Tóm lạ i các vậ t liệ u có ba kiể u cấ u trúc: tinh thể (th ờng gặ p nhấ t), vô đị nh

mặ t phẳ ng đ ợc gọi là đối xứng gơng. Gọi n = 2

/

là bậ c đối xứng, chỉ có n =
1, 2, 3, 4, 6; ký hiệ u L
1
, L
2
, L
3
, L
4
, L
6
.
n=2 (L
2
) n=3 (L
3
) n=4 (L
4
) n=6 (L
6

Nút mạng
Nút mạ ng t ơng ứng với vị trí các nguyê n tử trong mạ ng tinh thể .
c.
c.c.
c. Chỉ số phơng
Chỉ số phơngChỉ số phơng
Chỉ số phơng
Ph ơng là đ ờng thẳ ng đi qua cá c nút mạ ng, đ ợc ký hiệ u bằ ng [u v w]; Ba chỉ
số u, v, w là ba số nguyê n tỷ lệ thuận với tọa độ của nút mạng nằ m trên ph ơng
đóở gần gốc tọa độ nhất (hì nh 1.7).

z
[
110
]

[111]
[100]
[
010
]

[
001
]

8
[110], [011], [101], [1
1
0], [01
1
], [
1
01], [
1
10], [0
1
1], [10
1
], [

Ví dụ, cá c mặt hộp tạ o nê n họ {100} gồm (100), (010), (001), (100), (010), (001).
e.
e.e.
e. Chỉ số Miller
Chỉ số Miller Chỉ số Miller
Chỉ số Miller -

- Bravais trong hệ
Bravais trong hệ Bravais trong hệ
Bravais trong hệ lục giác
lục giáclục giác
lục giác
Chỉ số Miller - Bravais với hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (hì nh 1.9). Chỉ số
Miller - Bravais đ ợc ký hiệ u bằ ng (h k i l), trong đó chỉ số thứ ba i (của trục Ou) có
quan hệ : i = - (h + k)
Hã y thử so sá nh hai chỉ số nà y cho cá c mặ t trong hệ lục giác đ ợc trì nh bà y ở hì nh
1.9:
mặ t chỉ số Miller chỉ số Miller - Bravais
ABHG (100) (10
1
0)
BCIH (010) (01
1
0)
AGLF (110) (1
1
00)
ABCDEF (001) (0001)
ACIG (1120)


đ ợc xá c đị nh theo
cá c công thức: M
l
= l / L, M
s
= s / S, M
v
= v / V
x
y
u
A
B
C
D
E
F
z
G
H
I
J
K
L
3
5
2
1
4
9

Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất)Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất)
Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất)
Đặ c tí nh cấ u trúc của kim loạ i là : nguyê n tử (ion) luôn có xu h ớng xế p xí t
chặt với kiểu mạng đơn giản (nh lậ p ph ơng tâ m mặt, lậ p phơng tâ m khối, lục
giá c xế p chặ t).
a.
a.a.
a. Lập phơng tâm khối A2
Lập phơng tâm khối A2Lập phơng tâm khối A2
Lập phơng tâm khối A2
Ô cơ sở là hì nh lậ p ph ơng, cạ nh bằ ng a, cá c nguyê n tử (ion) nằ m ở các đỉ nh và tâ m
khối (hì nh 1.10a, b và c). Số l ợng nguyê n tử cho mỗi ô: n
v
= 8 đỉ nh. 1/8 + 1 giữa = 2
nguyê n tử
(a) (b) (c)
lỗ hổng 8
a
a
{100}

{110}

Hì nh 1.10.
Ô cơ sở mạng lập phơng
tâm khối (a, b), các lỗ hổng (c) và cách
xếp các mặt tinh thể {
100
}
và
{
110
}
(d)
10
nh ng kí ch th ớc đề u nhỏ, lớn nhấ t cũng không quá 30% kí ch th ớc (đ ờng kí nh)
nguyê n tử.
Các kim loạ i có kiể u mạ ng A1 th ờng gặ p là : Fe

, Cr, Mo, W.


d)
o
Số nguyê n tử trong 1 ô là: n
v
= 8 đỉ nh. 1/8 + 6 mặ t. 1/2 = 4 nguyê n tử.
o
Trong mạ ng A1, các nguyê n tử xếp xí t nhau theo phơng đờng ché o mặ t <110>,
do đó:
đ ờng kí nh d
ng.t
=
2
2
a

, số sắ p xế p là 12.
o
Cá c mặ t tinh thể dà y đặc nhấ t là họ {111}. Mậ t độ xế p thể tí ch M
v
=74%,
mạ ng A1 nà y là kiểu xế p dày đặ c hơn A2 và là một trong hai kiể u xếp dà y đặ c
nhấ t.
Có 2 loạ i lỗ hổng hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh trì nh bà y ở cá c hì nh 1.11c.
Loạ i bốn mặt có kí ch th ớc 0,225 d
ng.t
(đỉ nh1 và tâm ba mặ t 2,3,4). Đáng chú ý là
loạ i lỗ hổng hì nh tá m mặ t, nó có kí ch th ớc lớn hơn cả , bằng 0,414d
ng.t
, nằm ở trung

A
C
Hì nh 1.11.
Ô cơ sở mạng lập phơng tâm
mặt (a, b), các lỗ hổng (c) và cách xếp
các mặt tinh thể
{100}

và {111} (d) 11
c.
c.c.
c. Lục giác
Lục giácLục giác
Lục giác xếp chặt A3
xế p chặt A3 xế p chặt A3
xế p chặt A3
Các nguyê n tử nằm trên 12 đỉ nh, tâm của 2 mặ t đáy và tâ m của ba khối lă ng
trụ tam giá c cá ch đề u nhau (hì nh 1.12a, b và c).

a.a.
a. Kim cơng A4
Kim cơng A4Kim cơng A4
Kim cơng A4
Kim c ơng là một dạ ng tồn tạ i (thù hì nh) của cacbon với cấ u hì nh electron là
1s
2
2s
2
2p
2
, vậ y số e lớp tham gia liê n kế t là N = 4, số sắ p xế p sẽ là 4 tức là mỗi một
nguyê n tử cacbon có 4 nguyê n tử bao quanh gầ n nhấ t. Hì nh 1.14. ô
cơ sở của mạng tinh thể kim cơng (a),
vị trí các nguyên tử (b) và liên kết (c)
Ô cơ sở mạ ng kim c ơng (hì nh 1.14a), đ ợc tạ o thà nh trên cơ sở của ô cơ sở A1 có
thêm bốn nguyê n tử bê n trong với các tọa độ (xem hì 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).
nằ m ở tâ m của bốn khối 1/8 cá ch đề u nhau.
Cá c nguyê n tử cacbon đề u có liê n kế t đồng hóa trị với nă ng lợng lớn nê n kim
c ơng có độ cứng rấ t cao (cao nhấ t trong thang độ cứng).

Hì nh 1.15.
Cấu trúc mạng của grafit (a), sợi cacbon (b) và fullerene (c).
d.
d.d.
d. Cấu trúc của SiO
Cấu trúc của SiOCấu trúc của SiO
Cấu trúc của SiO
2
22
2

Hì nh 1.5a, là mô hì nh sắ p xếp không của cá c khối tứ diện tam giác đều
SiO
4
4-
của SiO
2
.
Thạ ch anh với cấ u trúc lục giá c (hì nh 1.16a), cristobalit

với cấ u trúc lậ p Cấ u trúc tinh thể của hợp chấ t hóa học có liê n kế t ion phụ thuộc và o hai yế u tố:
13

Tỷ số của ion â m và ion d ơng đả m bả o trung hòa về điệ n.
Tơng quan kí ch thớc giữa ion âm và ion d ơng: trong tinh thể ion, các ion
luôn có xu h ớng sắp xếp để độ xếp chặt và tí nh đối xứng cao nhất.
Mạ ng tinh thể của hợp chấ t với liê n kế t ion vẫ n có các kiể u mạ ng đơn giả n (A1,
A2) nh ng sự phâ n bố cá c ion trong đó khá phức tạ p nê n vẫ n đ ợc coi là có mạ ng
phức tạ p.
Có thể hì nh dung mạ ng tinh thể các hợp chấ t hóa học với liê n kế t ion đợc tạo
thà nh trê n cơ sở của ô cơ sở của ion â m, các ion d ơng còn lạ i chiếm một phầ n hay
toà n bộ các lỗ hổng.
Tỉ mỉ về cấ u trúc của chất rắ n có liê n kế t ion đ ợc trì nh bà y ở ch ơng 7.
1.4.4.
1.4.4.1.4.4.
1.4.4. Cấu trúc của polyme
Cấu trúc của polymeCấu trúc của polyme
Cấu trúc của polyme
Khá c với kim loạ i và cá c chấ t vô cơ, ô cơ sở chỉ tạ o nê n bởi số l ợng hạn chế
(từ và i đế n vài chục) nguyê n tử (ion), mỗi phân tử polyme có thể gồm hà ng triệu
nguyê n tử. Ví dụ PE (C
2
H
4
)
n
1.4.5.
1.4.5.1.4.5.
1.4.5. Dạng thù hì nh
Dạng thù hì nhDạng thù hì nh
Dạng thù hì nh
Thù hì nh hay đa hì nh là sự tồn tạ i hai hay nhiề u cấ u trúc mạ ng tinh thể khá c
nhau của cùng một nguyê n tố hay một hợp chấ t hóa học, mỗi cấ u trúc khá c biệ t đó
đ ợc gọi là dạ ng thù hì nh: ký hiệ u , , , , Quá trì nh thay đổi từ dạ ng thù
hì nh nà y sang dạ ng thù hì nh khác đ ợc gọi là chuyể n biến thù hì nh. Các yế u tố
dẫ n đế n chuyể n biế n thù hì nh th ờng gặp hơn cả là nhiệt độ, sau đó là áp suất.
Cacbon ngoà i dạ ng vô đị nh hì nh còn tồn tạ i: cá c dạ ng thù hì nh (cá c hì nh 1.13,
1.14): kim cơng (A4), grafit (A9). sợi cacbon (cấ u trúc lớp cuộn), fullerene (cấ u trúc
mặ t cầu C
60
) trong đó. grafit là dạng th ờng gặ p và ổn đị nh nhấ t.
Sắ t (Fe) có hai kiể u mạng là : Fe

-A2, T < 911
o
C, Fe

-A1, T= 911
ữ
1392
o
C, Fe

T>

1.5.1. Sai lệ ch điể m
Sai lệ ch điể mSai lệ ch điể m
Sai lệ ch điể m Đó là loạ i sai lệch có kí ch th ớc rất nhỏ (cỡ kí ch th ớc nguyê n tử) theo ba
chiều không gian, có dạng bao quanh một điểm. Hì nh 1.17 trì nh bà y tổng quá t cá c
dạ ng sai lệ ch điể m nà y.
a.
a.a.
a. Nút trống và nguyê n tử tự xen kẽ
Nút trống và nguyê n tử tự xen kẽNút trống và nguyê n tử tự xen kẽ
Nút trống và nguyê n tử tự xen kẽ

(Hì nh 1.17a)
Do dao động nhiệ t quanh vị trí câ n bằng, ở mức phâ n bố năng l ợng không
đề u, một số nguyê n tử bứt khỏi nút mạ ng để lạ i nút trống và tạ o nguyê n tử xen kẽ
giữa.
Hì nh 1.17. Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử
tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b).
Mậ t độ của nút trống tă ng nhanh theo nhiệ t độ (n=

xoá y trôn ốc). Sai lệ ch đờng có thể là một dãy cá c sai lệch điể m kể trê n. Chúng
gồm: hai dạ ng là biê n và xoắ n.
a.
a.a.
a. Lệ ch biê n
Lệ ch biê nLệ ch biê n
Lệ ch biê n (edge dislocation hay dislocation line) (hì nh 1.18a)
Có thể hì nh dung lệch biên đ ợc tạ o thà nh nhờ chè n thê m bán mặ t ABCD và o
nửa phầ n trên của mạ ng tinh thể lý t ởng (hì nh 1.18a), khi đó, cá c mặ t nguyê n tử
khá c ở hai phí a trở nê n không còn song song với nhau nữa.
(a) (b) (c)
Hì nh 1.18. Lệch biên: tinh thể không lệch (a), mô hì nh tạo thành (b),
sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c)

B
A
C

D

vé c tơ
5
4
3


đặc điểm sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c).

Cá c nguyê n tử trong vùng hẹ p giữa hai đ ờng AD và BC sắp xếp lại có dạng đ ờng
xoắn ốc giống nh mặ t ví t nê n lệch có tê n là lệ ch xoắ n nh thấ y rõ ở hì nh 1.19c.
Vé c tơ Burgers song song với trục lệ c AD=L
c.
c.c.
c. Đặ c trng về hì nh thái của lệ ch
Đặ c trng về hì nh thái của lệ chĐặ c trng về hì nh thái của lệ ch
Đặ c trng về hì nh thái của lệ ch
Mậ t độ lệch (ký hiệ u là ) là tổng chiề u dài trục lệ ch trong một đơn vị thể tí ch
của tinh thể , có thứ nguyê n là cm/cm
3
hay cm
-2
. Mậ t độ lệch phụ thuộc rấ t mạnh và o
độ sạ ch và trạng thá i gia công. Ví dụ, đối với kim loạ i

có giá trị nhỏ nhất (~ 10
8

cm
-2
) ứng với độ sạ ch cao và trạ ng thá i ủ; hợp kim và kim loạ i sau biế n dạ ng nguội,
tôi tới 10
10
ữ 10
12
cm

nhiê n: một số khoá ng vậ t có thể tồn tạ i d ới dạng đơn tinh thể . Chúng có bề mặ t
ngoài nhẵ n, hì nh dáng xác đị nh, đó là những mặ t phẳ ng nguyê n tử giới hạn (th ờng
là các mặ t xế p chặ t nhấ t). Cá c đơn tinh thể kim loạ i không tồn tạ i trong tự nhiê n,
muốn có phả i dùng công nghệ "nuôi" đơn tinh thể .
Đặ c điểm: có tí nh chấ t rấ t đặ c thù là dị h ớng vì theo các ph ơng mậ t độ xếp
chặ t nguyê n tử khá c nhau. Đơn tinh thể chỉ đ ợc dùng trong bá n dẫ n.
1.6.2.
1.6.2.1.6.2.
1.6.2. Đa tinh thể
Đa tinh thểĐa tinh thể
Đa tinh thể
a. Hạt

b.
b.b.
b. Độ hạ t
Độ hạ tĐộ hạ t
Độ hạ t
Độ hạ t có thể quan sát đị nh tí nh qua mặ t gãy, để chí nh xác phải xác đị nh trên tổ
chức tế vi.
Cấ p hạ t theo tiêu chuẩ n ASTM: phâ n thà nh 16 cấ p chí nh đá nh số từ 00, 0, 1,
2 , 14 theo trậ t tự hạt nhỏ dầ n, trong đó từ 1 đế n 8 là thông dụng.
Cấ p hạ t N=3,322lgZ+1, với Z là số hạ t có trong 1inch
2
(2,54
2
6,45cm
2
) d ới độ
phóng đại 100 lầ n.
Ng ời ta th ờng xá c đị nh cấ p hạ t bằ ng cá ch so sá nh với bả ng chuẩ n ở độ
phóng đại (thờng là x100) hoặ c xác đị nh trê n tổ chức tế vi. Cá c số liệ u phâ n cấ p
hạ t xem trong bả ng 1.2.
Bả ng 1.2.

-5
3.10
-5

1,6.10
-5
7,88.10
-6
Hì nh 1.20. Mô hì nh đơn
tinh thể (a),
đa tinh thể (b),
tổ chức tế vi kim loại đa
tinh thể (c),
cấu trúc của siêu hạt
(
d
)
.
17
c. Siê u hạt
Siê u hạtSiê u hạt
Siê u hạt

Nế u nh khối đa tinh thể gồm cá c hạ t (kí ch th ớc hàng chục - hàng trăm àm)
với ph ơng mạ ng lệch nhau một góc đáng kể (hà ng chục độ), đến l ợt mỗi hạ t nó
cũng gồm nhiề u thể tí ch nhỏ hơn (kí ch th ớc cỡ 0,1 ữ 10àm) với ph ơng mạ ng lệ ch
nhau một góc rấ t nhỏ ( 1-2
o

1.7.
1.7.1.7.
1.7. Sự kế t tinh và hì nh thành tổ chức của kim loại
Sự kế t tinh và hì nh thành tổ chức của kim loạiSự kế t tinh và hì nh thành tổ chức của kim loại
Sự kế t tinh và hì nh thành tổ chức của kim loại Phầ n lớn kim loạ i hợp kim đ ợc chế tạo (luyện) ra đúc, tức qua kế t tinh, sau
đó cá n bá n thà nh phẩ m và sản phẩ m.
Kế t tinh là bớc khởi tạ o hì nh thà nh tổ chức hạ t, tinh thể. độ hạ t, tổ chức
mong muốn.
1.7.1.
1.7.1.1.7.1.
1.7.1.

Điề u kiệ n xảy ra kế t tinh
Điề u kiệ n xảy ra kế t tinhĐiề u kiệ n xảy ra kế t tinh
Điề u kiệ n xảy ra kế t tinh a.
a.a.
a. Cấu trúc ở trạng thái lỏng
Cấu trúc ở trạng thái lỏngCấu trúc ở trạng thái lỏng
Cấu trúc ở trạng thái lỏng
Chấ t lỏng chỉ có trậ t tự gầ n, trong đó có những nhóm nguyê n tử sắ p xế p trậ t tự,
chúng ở trạ ng thá i câ n bằ ng động. Về mặ t cấ u trúc trạ ng thái lỏng gầ n trạ ng thá i
tinh thể hơn, cá c đá m nguyê n tử là tâ m mầ m giúp cho kế t tinh.
b.
b.b.

O
, G
R
<G
L
đông đặc
T
O
đ ợc gọi là nhiệ t độ kế t tinh hay nóng chảy
T = T
O
kết tinh (nóng chả y) cha xả y ra
KT&NC chỉ xả y ra khi có T 0

Hì nh 1.23. Biến đổi năng lợng tự do của hệ
c.
c.c.
c. Độ quá nguội
Độ quá nguộiĐộ quá nguội
Độ quá nguội
Độ quá nguội T: nguội dới T
O

T = T - T
O
< 0
T thay đổi từ rấ t nhỏ (1 ữ 2
o
C) đế n rấ t lớn (hàng chục, tră m đế n nghì n
o

ồm hai quá trì nh cơ bản nối tiế p nhau xả y ra là tạ o mầm và phát triể n mầ m.
a. Tạo mầm
a. Tạo mầma. Tạo mầm
a. Tạo mầm
Tạ o mầ m là quá trì nh sinh ra cá c phầ n tử rắ n có cấ u trúc tinh thể , với kí ch
th ớc đủ lớn, chúng không bị tan đi nh tr ớc đó mà phá t triể n lên nh là trung tâ m
của tinh thể (hạ t), hai loạ i mầ m: tự sinh và ngoạ i lai.
Mầ m tự sinh

Các đám nguyên tử có kí ch thớc đủ lớn r r
th
(coi chúng là các hì nh cầ u bán
kí nh r) mà theo tí nh toán về nhiệ t động học, r
th
(bá n kí nh tới hạ n của mầ m) đ ợc
tí nh theo công thức: r
th
=
v
G
2
,
trong đó: - sức că ng bề mặt giữa
rắ n và lỏng,

G
v
- chê nh lệ ch nă ng lợng tự do (G
L
- G

Mầ m ký sinh
Là cá c hật rắ n nằ m lơ lửng trong kim loạ i lỏng, thà nh khuôn đúc mầ m ngoạ i
lai. Thực tế là trong nhiề u tr ờng hợp ng ời ta còn cố ý tạ o ra và đ a các phầ n tử rắ n
và o để giúp kết tinh, sẽ đợc nói tới ở mục sau.
b.
b.b.Hì nh 1.24. Kết tinh nhánh
cây (a), tinh thể nhánh cây (b)
Khi đ ợc là m nguội t ơng đối nhanh, thoạt
tiê n sự phát triển mầ m mang tí nh dị h ớng tức là
phá t triể n rấ t nhanh theo một số ph ơng tạ o nên
nhá nh câ y, trục bậ c I (A) (hì nh 1.24), rồi từ trục
chí nh nà y tạ o nê n trục bậ c II (B) vuông góc với
trục bậ c I, rồi từ trục bậ c II phân nhá nh tiế p tạ o
nê n trục bậ c III (C) cứ nh vậ y nhánh câ y đợc
hì nh thà nh.
Sau đó kim loại giữa cá c nhánh câ y mới kế t
tinh tạ o nê n hạ t (tinh thể) đặ c kí n, không thấ y trực
tiế p đ ợc nhá nh câ y nữa. Nhánh câ y chỉ đ ợc
phá t hiệ n thỏi đúc lớn, phầ n kế t tinh tr ớc làm trơ
ra nhá nh câ y mà không còn kim loạ i lỏng điền
đầ y. Cũng có thể tẩ m thực hợp kim để thấ y đợc
nhá nh câ y.

1.7.3.
1.7.3.1.7.3.
1.7.3. Sự hì nh thành hạt
Sự hì nh thành hạtSự hì nh thành hạt
Sự hì nh thành hạt

b.
b.b.
b. Hì nh dạng hạt
Hì nh dạng hạtHì nh dạng hạt
Hì nh dạng hạt
Hì nh dạ ng hạ t phụ thuộc và o ph ơng thức là m nguội:
- Nguội đề u theo mọi ph ơng hạ t có dạ ng đa cạ nh hay cầ u (hì nh 1.25).
- Nguội nhanh theo hai ph ơng (tức theo một mặ t) hạ t có dạ ng tấ m, lá , phiế n nh
grafit trong gang xá m.
- do cá c mầm đị nh h ớng ngẫu nhiên
hạ t không đồng h ớng, lệ ch nhau một
cá ch đáng kể vùng biê n hạ t với mạ ng
tinh thể bị xô lệ ch. Kí ch th ớc hạt cũng phụ thuộc vào t ơng quan của hai quá trì nh: tạ o mầ m và phát
triể n mầ m. Số mầ m đ ợc tạ o ra cà ng nhiề u thì hạ t càng nhỏ, mầ m lớn lê n (phá t
triể n) càng nhanh thì hạ t cà ng lớn. Kí ch thớc hạ t A phụ thuộc và o tốc độ sinh mầ m
n và tốc độ phá t triể n v (mm/s) theo công thức thực nghiệ m: A = 1,1
4
3
n
v






, để tạ o
hạ t nhỏ tă ng n và giả m v
b.
b.b.
b. Các phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc
Các phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúcCác phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc
Các phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc Tă ng tốc độ nguội



T



n

, v



nano
. T > T
2
: T vô đị nh hì nh
. Đúc khuôn cát khuôn kim loạ i hạ t nhỏ
Biế n tí nh:

. Tạo mầ m ngoại lai : 2 loạ i:
- kim loại có cùng kiểu mạ ng hoặc gầ n giống nhau:
FeSi, FeSiCa (gang), Ti (thé p) Hì nh 1.26.
ảnh hởng của

T đến
n và v
- cho chấ t tạo oxit, nitrit : Al
2
O
3
, AlN khi đúc thé p

T
2


T
1


T

n,v

n

v

Các thỏi (thép) đúc th ờng có tiế t diệ n tròn
hoặc vuông, chúng đ ợc đúc trong khuôn kim
loại, đôi khi khuôn còn đợc là m nguội bằ ng
n ớc chúng th ờng có cấu trúc 3 vùng điển
hì nh (hì nh 1.27):

xuyên tinh


khó biế n dạ ng dẻ o, không phù hợp với thỏi cá n
+ nguội chậ m thì vùng 3 lại lấn á t vùng 2, thỏi trở nê n dễ cán hơn.
b.
b.b.
b. Các khuyế t tật của vật đúc
Các khuyế t tật của vật đúc Các khuyế t tật của vật đúc
Các khuyế t tật của vật đúc Rỗ co và lõm co:
Do khi kế t tinh kim loạ i co lạ i không đ ợc bù co: rỗ co nằ m phâ n
tá n, rả i rác giữa cá c nhá nh câ y trê n khắ p vậ t đúc đ ợc gọi là rỗ co

gia công á p lực
ở nhiệt độ cao thì chúng đợc hà n kí n không ả nh h ởng đá ng kể đế n cơ tí nh.
co tậ p trung lõm co th ờng nằ m ở nơi kế t tinh sau cùng: chỗ dà y, phí a trên. Phần
thỏi có lõm co phả i đ ợc cắ t bỏ tỷ lệ sử dụng chỉ còn khoả ng 85 đế n 95%. Đúc
liê n tục o
có lõm co
Đối với chi tiế t đúc phả i để phần lõm co ở đậ u ngót cắ t bỏ đi.
Rỗ khí
a.
a.a.
a. Đị nh nghĩ a
Đị nh nghĩ aĐị nh nghĩ a
Đị nh nghĩ a
Hợp kim là hỗn hợp của kim loại với một hoặc nhiề u kim loại hoặc á kim khác.
La tông= hợp kim Cu + Zn

hợp kim đơn giả n chỉ gồm 2 nguyê n tố
Gang: Fe+Mn+Si và C+P+S, nguyê n tố chí nh là Fe (kim loạ i) hợp kim phức tạp.

Một số khái niệ mMột số khái niệ m
Một số khái niệ m

Pha: cùng cấ u trúc, cùng trạ ng thá i, cùng kiể u và thông số mạ ng, cá c tí nh chấ t cơ - lý -
hóa xá c đị nh, phâ n cá ch nhau bởi mặ t phâ n chia pha.
Cấ u tử là cá c phầ n độc lậ p có khối l ợng không đổi, chúng tạ o nê n cá c pha trong hợp
kim.
Hệ là tậ p hợp cá c pha, có thể ở câ n bằ ng hoặ c không câ n bằ ng.

Tạ o thà nh hỗn hợp cơ học A + B
K
KK
Khi
hihi
hi có tơng tác:
có tơng tác: có tơng tác:
có tơng tác: 2 trờng hợp xả y ra:
- hòa tan thà nh dung dị ch rắ n, tổ chức một pha nh kim loạ i nguyê n chấ t (hì nh 3.2b) dung
môi
- phả n ứng với nhau thà nh hợp chấ t hóa học, tạ o thà nh kiể u mạ ng mới khác hẳ n.
3.1.2.


Trạng thá i không câ n bằ ng (3) = không ổn đị nh: th ờng
gặ p: khi tôi

cơ tí nh (bề n, cứng) cao hơn, xu
h ớng(1&2)
Trạ ng thái giả ổn đị nh (2) muốn sang (1) phả i thắ ng G
ổn đị nh (1).
d.
d.d.
d. Phân loại các tơng tác
Phân loại các tơng tácPhân loại các tơng tác
Phân loại các tơng tác
Chế tạ o hợp kim = nấ u chả y % xá c đị nh rồi là m nguội.
Từ pha lỏng đồng nhấ t khi là m nguội sẽ có t ơng tác tạo
nê n cá c
p
ha khác nhau.
G
1
3
2
Hì nh 3.1. Sơ đồ cá c vị trí
ổn đị nh (1), giả ổn đị nh (2)
và khôn
g
ổn đ
ị
nh
(

Phân loại:
Phân loại:Phân loại:
Phân loại: theo giới hạ n h/tan gồm 2 loạ i: dd rắ n hoà tan có hạ n và dd rắ n hoà tan vô hạ n
theo sự phâ n bố ng/tử chấ t tan, có 2 loạ i: dd rắ n có tr/tự và dd rắ n o
có tr/tự
G
GG
Giới hạn hòa tan là nồng độ chấ t tan lớn nhấ t mà vẫ n bả o tồn đ ợc mạ ng tinh thể .
Điều kiện hoà t
Điều kiện hoà tĐiều kiện hoà t
Điề u kiệ n hoà tan vô hạn:
an vô hạn:an vô hạn:
an vô hạn: chỉ có thể (có khi o
) xả y ra khi thỏa mã n cả 4 yế u tố sau: Hì nh 3.4. Sơ đồ thay thế để tạo dung dịch rắn hòa tan vô hạn giữa hai kim loại A và B
1- cùng kiể u mạ ng, 2-đ ờng kí nh nguyê n tử khá c nhau í t (< 8%)
3-thoả mã n giới hạ n nồng độ điệ n tử: ví dụ: mạ ng lftm C
e


1,36, lftk C
e


1,48,

Điều kiện:Điều kiện:
Điều kiện: bá n kí nh nguyê n tử chấ t tan phả i rấ t nhỏ: N (0,071nm), C (0,077nm) và đôi khi
cả B (0,091nm) mới có khả nă ng xen kẽ và o cá c lỗ hổng giữa cá c nguyê n tử lớn nh Fe
(0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm), Lỗ hổng lớn nhấ t trong mạ ng
A1 là loạ i 8 mặ t chỉ bằ ng 0,414d
ng/tử
, ngoà i H, o có á kim nào bỏ lọt đẩ y cá c nguyê n
tử chủ bao quanh giãn ra, gây ra xô lệ ch mạ nh mạ ng (hì nh 3.5).
. chỉ có dung dị ch rắ n xen hòa tan có hạ n.

Hì nh 3.5.
Sự xô lệch mạng trong dd rắn:
a. hòa tan thay thế khi r
ht
> r
chủ,

b. hòa tan xen kẽ r
ht
> r
lỗ hổng

d.
d.d.
d. Các đặc tí nh của dung dị ch rắn
Các đặc tí nh của dung dị ch rắnCác đặc tí nh của dung dị ch rắn
Các đặc tí nh của dung dị ch rắn
Có kiể u mạ ng tinh thể của kim loạ i dung môi có đặ c trng cơ, lý, hóa tí nh của kim loạ i
nề n:
1) Mạ ng tinh thể , đơn giả n và xí t chặ t (A1, A2 ) của kim loạ i với liê n kế t kim loạ i


Đặ c đ iể m: 1) Có mạ ng tinh thể phức tạ p và khác hẳ n với nguyê n tố thà nh phầ n
2) Có tỷ lệ chí nh xá c giữa cá c nguyê n tố theo công thức hóa học A
m
B
n

3) Tí nh chấ t : khá c hẳ n cá c nguyê n tố thà nh phầ n giòn
4) Có nhiệ t độ chả y xá c đị nh, khi tạ o thà nh tỏa nhiệ t.
5) khá c với cá c hợp chấ t hóa học thông th ờng, cá c pha trung gian không hoà n toà n tuâ n
theo quy luậ t hóa trị không có thà nh phầ n hóa học chí nh xác theo công thức, có liê n
kế t kim loạ i. Cá c pha trung gian trong hợp kim th ờng gặ p: pha xen kẽ , pha điệ n tử và pha
Laves.
b.
b.b.
b. Pha
Pha Pha
Pha xen kẽ
xen kẽxen kẽ
xen kẽ


, M
23
X
6
.
T
TT
T/chất:
/chất:/chất:
/chất: Nhiệ t độ chả y rấ t cao (th ờng > 2000 ữ 3000
o
C), rấ t cứng (HV > 2000 ữ 5000) và
giòn hóa bề n, nâ ng cao tí nh chống mà i mòn và chị u nhiệ t của hợp kim.

H và N có kí ch th ớc nguyê n tử nhỏ nê n r
X
/ r
M
< 0,59, Fe
4
N, Fe
2
N, Mo
2
N, Cr
2
N
có mạ ng đơn giả n. C có r
X
/ r

Đ/ n :
Đ/ n :Đ/ n :
Đ/ n :

Là pha có kiểu mạng xác đị nh, tạo thành với nồng độ điện tử N xác đị nh (số điện
tử hóa trị /số nguyê n tử): 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12), mỗi tỷ lệ ứng với một cấ u trúc
mạ ng phức tạ p nhấ t đị nh. Th ờng là hợp kim của Cu, Ag, Au với Zn, Sn, Cd. Với Cu
1+
,
Zn
2+
ta có:
C
e
= 21/14 pha mạ ng A1: CuZn, AgZn, AuZn (C
e
=(1.1+1.2)/2=3/2)
C
e
= 21/13 pha mạ ng lf phức tạ p: Cu
5
Zn
8
, Ag

/ r
B
= 1,2 (1,1 ữ 1,6)
với công thức AB
2
có kiể u mạ ng A3: MgZn
2
, MgNi
2
hay A1 (MgCu
2
). Do giòn nên chỉ
đ ợc dùng trong HKTG hoặ c cá c pha hoá bề n.
39
3.2.
3.2.3.2.
3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
Giản đồ pha của hệ hai cấu tửGiản đồ pha của hệ hai cấu tử
Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
Đ/ n :
Đ/ n :Đ/ n :
Đ/ n : GĐP là giản đồ biể u thị sự biế n đổi thà nh phầ n và trạ ng thá i pha ở câ n bằ ng theo
nhiệ t độ và thà nh phầ n của hệ d ới áp suất không đổi (1 at).
Cách biể u diễ n:
Cách biể u diễ n:Cách biể u diễ n:
Cách biể u diễ n:
Đặ c điể m: GĐP chỉ đúng và phù hợp với hợp kim ở trạ ng thá i câ n bằ ng (nguội rấ t chậm
hay ủ), Công dụng:
Công dụng:Công dụng:
Công dụng: xá c đị nh cấ u trúc của hợp kim, xá c đị nh n

= 2 = 2
= 2:
::
: hệ cùng một lúc có thể thay đổi cả hai yế u tố nhiệ t độ và thà nh phầ n
Đặ c đ i ể m:
Đặ c đ i ể m: Đặ c đ i ể m:
Đặ c đ i ể m: T 0 số pha nhiề u nhấ t của hệ (ở trạ ng thá i câ n bằ ng!) F
max
= N + 1 hệ
một cấ u tử F
max
= 2, hai cấ u tử F
max
= 3, ba cấ u tử F
max
= 4. 3.2.2. Quy tắc đòn bẩy
3.2.2. Quy tắc đòn bẩy3.2.2. Quy tắc đòn bẩy
3.2.2. Quy tắc đòn bẩy Đ/ n :
Đ/ n :Đ/ n :
Đ/ n : là quy tắ c cho phé p xá c đị nh tỷ lệ của cá c pha, cá c tổ chức trê n GĐP.
Biể u thức:
Biể u thức: Biể u thức:
Biể u thức:
F
A
.X
A
=F
B
.X
B

F
A
=F
B
(X
B
/X
A
)
o
C).
khoả ng giữa hai đ ờng lỏng và đ ờng đặ c: khoả ng kế t tinh.
a) b)

Hì nh 3.9.
Dạng tổng quát của giản đồ pha loại I (a) và giản đồ pha Pb - Sb (b).
Hợp kim 1: 60%Sb + 40%Pb. Bắt đầu đông đặc ở 1 (500
o
C), kế t thúc đông đặ c ở 2 (245
o
C)
F
A
F
B
X
A
X
B



nhiệ t
L
L+Sb
Pb+L
E
327
631
[
Pb+Sb
]
Pb
Sb
%Sb


nhiệ t
13
a
a
a
1
1
60
245
Sb+[Pb+Sb]
37
b
b
b

mà pha lỏng (hệ ) vẫn bả o tồn
tạ i điể m cùng tinh E T=2-3+1=0 đông đặ c cùng tinh thì n
o
không đổi giống KL ng/chấ t
Phả n ứng cùng tinh: L
E
(A + B) hay L
13%Sb
(Pb + Sb).
Hợp kim có thà nh phầ n ở chí nh điể m E

hợp kim cùng tinh, có nhiệ t độ chả y thấ p nhấ t,
Hợp kim < 13%Sb = HK tr ớc cùng tinh, HK>13%Sb sau cùng tinh (tự khả o sá t HKTCT)
3.2.4.
3.2.4.3.2.4.
3.2.4. Giản đồ loại II
Giản đồ loại IIGiản đồ loại II
Giản đồ loại II Đ/n: là GĐP của hệ 2 cấ u tử hoà tan vô hạ n ở trạ ng thá i rắ n và lỏng (hì nh 3.10)
Hệ điể n hì nh Cu - Ni ở hì nh 3.10.a và hệ Al
2
O
3
- Cr
2
O
3
ở hì nh 3.10b.

Đ/ n :Đ/ n :
Đ/ n :

Là giả n đồ pha của hệ hai cấ u tử, hòa tan có hạ n ở trạ ng thá i rắ n và có tạ o thà nh
cùng tinh, hì nh 3.12. Hệ điể n hì nh là Pb-Sn. Dạ ng khá giống với giả n đồ loạ i I, khá c nhau
ở đây là + T ơng tự nh giả n đồ loạ i I, nhiệ t độ chả y của HK giả m khi tă ng cấ u tử thứ hai.

cá c dung dị ch rắ n có hạ n và
thay thế cho cá c cấ u tử A và
B.
AEB - đ ờng lỏng, ACEDB-
đ ờng rắ n.

Hì nh 3.12.
Giản đồ loại III, hệ
Pb - Sn và sơ đồ hình thành
tổ chức khi kết tinh ở trạng
thái cân bằng của hợp kim

a
2
3

4
1
2
C
D

+Sn
18
,
5
57
nhiệ t độ,
o
C
L
L+40%S
1

13,3%Sn

L
40%Sn

2
3

2266
2045
%Ni
Ni
Cu
20
40 80
60
1000
1200
1400
nhi
ệ
t
1455
1083
đ ờng
đ ờng
L

L+


1
2
2
0
1

II
&
II
.
Nhóm già u nguyê n tố HK (từ C đế n D), sau khi tiế t ra dung dị ch rắ n (
C
hay
D
), pha
lỏng còn lạ i điể m cùng tinh E.
Khả o sá t HK 40%Sn của hệ Pb - Sn (hì nh 3.12).
- Trê n 245
o
C HK chảy lỏng hoàn toàn, ở 245
o
C hợp kim bắ t đầ u kế t tinh ra
2
với
13,3%Sn, nguội tiế p tục dung dị ch rắ n AC, pha lỏng còn lạ i AE chiề u tă ng lê n của
hà m l ợng Sn.
áp dụng quy tắ c đòn bẩ y: ở 200
o
C pha chứa 18,5%Sn (a) và L chứa 57%Sn (a),
%rắ n= (57-40)/(57-18,5) = 44,2%, %L = 55,8%
ở nhiệ t độ cùng tinh (L
E
[
C
+
D

Đ/n: Là GĐP hai cấ u tử có tạ o thà nh hợp chấ t hóa học
A
m
B
n
,
Trê n đâ y là bốn giả n đồ pha hai cấ u tử cơ bả n nhấ t, thực tế còn có nhiề u kiể u giả n
đồ pha phức tạp với các phản ứng khác.
3.2.7.
3.2.7.3.2.7.
3.2.7. Các giản
Các giảnCác giản
Các giản đồ pha với các phản ứng khác
đồ pha với các phản ứng khác đồ pha với các phản ứng khác
đồ pha với các phản ứng khác
G
GG
GĐP với các p
ĐP với các pĐP với các p
ĐP với các phản ứng bao tinh (peritectic)
(peritectic) (peritectic)
(peritectic):
::
:L+R

M
g

20
40 80
60
400
600
800
nhi
ệ
t đ
ộ
,
55,3
L
L+Ca
Mg
4
Ca
3
+Ca M
g
+M
g
4
Ca
3

L+Mg

Đ/ đ i ể m :
Đ/ đ i ể m :Đ/ đ i ể m :
Đ/ đ i ể m : rắ n mới R
2
nằ m giữa L
bt
& R
1
trê n GĐP, p/ứ bao tinh không xả y ra hoà n toà n, vì R
2

tạ o thà nh bao bọc lấ y R
1
tạ o nê n lớp mà ng ngă n cá ch không cho phả n ứng tiế p tục.
GĐP có phản ứng cùng tí ch (eutectoid)
(eutectoid) (eutectoid)
(eutectoid):
::
:

R

[R
1
+R
2
]

Đ/ đ i ể m :
Đ/ đ i ể m :Đ/ đ i ể m :

(hì nh 3.12) là cá c phầ n tử nhỏ mị n, phâ n tá n, phâ n bố đề u trong nề n
pha mẹ hoá bền hóa bề n tiế t pha.
3.2.8.
3.2.8.3.2.8.
3.2.8. Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tí nh chất của hợp kim
Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tí nh chất của hợp kimQuan hệ giữa dạng giản đồ pha và tí nh chất của hợp kim
Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tí nh chất của hợp kim a.
a. a.
a. Tí nh chất các pha thành phần
Tí nh chất các pha thành phầnTí nh chất các pha thành phần
Tí nh chất các pha thành phần
Hợp kim có tổ chức một pha tí nh chấ t của hợp kim là tí nh chấ t của pha đó
HK có tổ chức bao gồm hỗn hợp của nhiề u pha thì tí nh chấ t của hợp kim là sự tổng hợp
hay kế t hợp tí nh chấ t của cá c pha thà nh phầ n (không phả i là cộng đơn thuầ n), gồm cá c
tr ờng hợp:
HK là DDR (dung dị ch rắ n) + cá c pha trung gian: Quan hệ tí nh chấ t - nồng độ thông
th ờng đ ợc xác đị nh bằng thực nghiệm.
Đ/điể m tí nh chất và sự hì nh thành:
Đ/điể m tí nh chất và sự hì nh thành:Đ/điể m tí nh chất và sự hì nh thành:
Đ/điể m tí nh chất và sự hì nh thành:

D
DD
Dung dị ch rắn

và X
i
là tí nh chấ t và tỷ lệ của pha i, đối
với hợp kim 2 pha: P
HK
= T
1
X
1
+ T
2
.X
2
hay P
HK
= T
1
+ X
2
.(T
2
- T
1
). Với X
i
GĐP (hì nh 3.16)




A+B
%B


A
m
B
n

A
nhiệ t độ, P


L

+L
P


L+A
m
B
n



+A
m


L
+L
P


L+





+


P


P


P
A

P
B

P