Giáo trình Vật liệu học (Giáo trình dành cho sinh viên ngành Cơ điện tử)

MÅ ÂÁU Trong lëch sæí phïat triøãn cíua xîa hüäi loìai ngæìåi cuhïng ta âîa sæí dûung rúát nihãöu loûai váût liûãu khïac nhau, vïåi tênh nàng síæ dûung cíua chïung cìang ngìay cìang cao hån. Âöáu tiãn lìa thåìi kìy âäö âïa, sau âoï tiúãn âúãn thåìi aâûi âöä âäöng, âäö sõàt.v .v. Cho âúãn ngìay nay lìa müät loûat caïc laoûi vûát liûãu mïåi nhæ : composit, ceramit, pälyme. v.v. Cïac loûai ávût liûãu nìay (âûàc biûãt laì kim loûai & hüåp kim, cìung våïi cïac loûai vûát liûãu mïåi) aâî goïp phöán thïuc âøáy sæû phïat triøãn cuía xîa hüä loìai ngæìåi müät cïach nhanh choïng. Ngaìy nay trong cïac lénhvæûc cäng nghiûãp, quúäc phìong, âåìi säúng...âìoi hío váût liûãu sæí duûng cöán phíai cïo rúát nhiöãu tênh chúát khïac nhau. Vê dûu : khi tçh cáön cïo tênh dùán âiûãn røát cao âãø duìng trong ngìanh âiûãn lûæc, luïc lûai yãu cöáu cïo âäü cïæng lïån âøã lìam cïac loûai dûung cûu càõt güot kim loûai, khi lûai ácön cïo âüä böãn lïån âøã lìam cïac cúáu kiûãn xáy dûæng, hoûàc phíai cïo tênh deío cao ãâø cïan, dûáp, kïeo nguüäi, hay cöán âüä böãn cao nhæng khúäi læüång riãng nhío âøã dìung trong cäng nghiãûp hìang khäng...Túát cía cïac yãu cöáu nìay âöãu cïo thøã âæüåc âaïp ïæng bíåi vûát liãûu kim laoûi cîung nhæ cïac loûai vûát liûãu mïåi. Män váût lu hoück sîe trang bë cho sinh viãn nhæîng kiúãn thæïc cå bían cíua cïac loûai váût liûãu chêhn : tinh thãø, cïac hüåp kim, bïan dùán vìa ion, cüäng hïoa trë ...cuîng nhæ kiúãn thïæc vöã xæí lïy nhiûãt cíua chïung. Mûuc âêch cíua män hüoc nìay giuïp cho sinh viãn hiøãu rîo cïac loûai vûát liãûu khïac nahu dæûa trãnmäúi quan hûã giîæa cúáu trïuc l(iãn kãút ohïa hüoc, kiøãu mûang tinh thøã) vìa cå lyï tênh, thûæc hìanh âæåüc cïac thê ngihãûm cå bían âøã xïac âënh cå tênhcuía vûát liûãu vìa biúãt lûæa choün vûát liûãu phuì håüp nhúát âïap æïng nhu cöáu sæí duûng sau nìay. Khi nghiãn cïæu müät vûát liûãu báút kìy chïung ta âöãu dæûa vìao bäún cûæc cå ban sau âáy : Kãút cúáu cíua cúáu truïc, cïac tênh chúát, sæû tøäng håüp cïac phæång phïap gia cäng vìa hiûãu quía sæí duûng cíua nïo. Müät sían phøám cïo thøã gäöm hìang chuûc loûai vûát liûãu khïac nhau tûao nãn. Vê dûu ä tä RENAULT CLIO 1,2 RN cíua Phaïp gäöm mæìåi müät loûai vûát liûãu sau âáy tûao nãn : 1- Theïp túám 40,9% 2-Theïp hçnh 10,9% 2-Gang 11,3% 4-Håüp kim nhäm4,2% 5-Caïc kim loûai mìau khïac 3,9% 6-Cháút díeo 10,2% 7-Cháút díeo âìan höäi 3,4% 8-Váût liûãu hîæu cå khïac 3,4% 9-Thuíy tinh 4,2% 10-Sån 1,7% 11-Cháút líong 5,9% Yãu cáöu cíua ngæìåi kîy sæ cïac ngìanh cå âiûãn tíæ ngoìai khía ănng hiãøu biúãt vöã chuyãn män sáu cuía ngìanh hoüc, cìon phíai nõàm âæüåc nhîæng tênh chúát cå bía cuía cïac laoûi vûát liãûu âøã tìæ âïo cïo thøã síæ dûung müät cïach håüp lïy nhúát nhòàm náng cao tuøäi thüo cíua mïay mïoc, cäng trçnh, haû giïa thìanh sían phøám ... Män hoüc nìay kúã thìæa kiúãn thæïc cíua khïa nhiöãu cïac lénh vûæc khïac nhau : tinh thøã hoüc, cå læåüng tíæ, lïy thuyúãt lûãch, vûát lïy tia rån ghen, àn moìn vìa bíao vûã kim laoûi ...do âïo khäúi låæüng kiãún thæïc khïa lïån vìa coï nhiöãu mûàt. Vç vûáy âìoi híoi ngæìåi hüoc hpaíi nõàm vîæng cïac kiúãn thïæc cå baín vöã vûát liûãu vìa thæûc hìanh nghiãm tïuc cïac thê nghiûãm. Khi nghiãn cïæu män hoüc anìy phaíi nõàm càhõc mi quan hãû giîæa thìanh phöán hïoa hüoc, cúáu trïuc vìa tênh chúát cíua vûát liûãu. Búát kyì sæû thay äâøi nìao cíua thìanh phöán hïoa hüoc vìa cúáu trïuc sîe dùán tïåi sûæ biúãn âøäi cíua tênh chúát váût liûãu. 1 PHÁN 1 : CÅ SÅ VÁT LIÃU HOC CHÆÅNG 1 : CÁU TRUC TINH THÃ CUA VÁT LIÃU 1.1.CÁU TAO NGUYÃN TÆ VA CAC LOAI LIÃN KÃT ÂIÃN HÇNH TRONG CHÁT RÀN : 1.1.1.Mä hçnh cáúu taûo nguyãn tæí : Nguyãn tæí lìa müät hûã thúäng bao gäöm hûat nhán mang âiûãn dæång vìa cïac âiûãn tæí mang âiãûn ám chuyøãn âüäng xung quanh. Hûat nhán nguyãn tíæ cúáu tûao båíi cïac präton vìa nåtron. Präton mang âiãûn dæång coï âiûãn têch bòàng âiûãn têch cíua âiûãn tíæ, nåtron khäng mang âiãûn. Trong trûang thïai bçnh thæåìng nguyãn tíæ trung hìoa âiûãn vç súä læüång präton bòàng säú læüång âiûãn tíæ. Säú nìay âæåüc âûàc træng bòàng säú thïæ tûæ (Z) trong bíang tuöán hoìan Menâãlãeïp. Khúäi læüång nguyãn tíæ bòàng khäúi låæüng hûat nhán cíua nïo vç khäúi læüång cíua präton vaì nåtron lïån hån rúát nhiöãu so våiï khäúi læüång âiûãn tíæ. Våïi cìung khäúi læüång âiûãn tíæ vaì präton, hûat nhán cïo thøã chïæa súä læüång nåtron khïac nhau vìa tûao nãn cïac âöäng vë cíua cìung mäüt nguyãn túä hïoa hüoc. Xaïc suúát tçm thúáy âiûãn tíæ trãn müät quîy âûao nïao âoï xung quanh hûat nhán âæüåc xïac âënh bàòng bäún tham súä goüi lìa súä læüång tíæ. Coï nghéa lìa trûang thïai nàng læüång cíua mùäi âiûãn tæí trong nguyãn tíæ âæüåc xïac âënh bíåi búän säú læüång tíæ. Cïac súä læåüng tíæ gäöm cïo : a-Säú læüång tæí chênhn : coï cïac giïa trë bòàng 1, 2, 3, 4... xïac âënh nàng læüång cho pheïp cíua âiûãn tíæ. Cïac iâãûn tíæ cïo cìung s læåüng tíæ hcênh n håüp thìanh müät lïåp âiûãn tíæ. Cïac låïp âiûãn tíæ löán læüåt lìa : K, L, M, N... tæång ïæng våïin = 1, 2, 3, 4 ... b-Säú læüång tíæ phæång vël : xaïc âënh cïac giïa trë cho phïep cíua mämen xung læüång quyî âûao, cïo trë súä bòàng 0, 1, 2, 3... (n - 1). Cïac âiûãn tíæ vïåi l khïac nhau cíua cìung lïåp tûao thaình nhîæng phán lïåp tæång æïng, kyï hiûãu löán læüåt lìas, p, d, f...æïng vïåi l = 0, 1, 2, 3... c-Säú læüång tæí tìæml : xaïc âënh khía nàng âënh hæïång cho phïep cíua vïec tå mämen xung læåüng quyî âûao âúäi vïåi chiöãu cíua tìæ træìång bãn ngoìai, cïo trë súä bòàng 0, 1,±2,±3...±l . d-Säú læüång tæí spinms : xaïc âënh khía nàng âënh hæïång ngæüåc chiöãu nhau cuía vïec tå mämen xung læåüng spin cíua âiûãn tíæ,ms = ±1/2. Ngoaìi ra sûæ phán bäú âiûãn tíæ theo cïac mïæc khïac nhìaucon phíai tuán theo nguyãn lïy loaûi trìæ Pauly : mùäi trûang thïai vïåi basäú læüång tíæn, l, ml xaïc ëânh chè coï thøã chïæa hai âiûãn tíæ våïi spin ngåæüc chiöãu nhau. Dæûa vìao nguyãn lïy nìay ta cïo tãhø dæû âoïan säú âiûãn tíæ cho phïep trãn caïc bûác nàng læüång. Vê duû : nguyãn tíæ âöäng Cu cïo säú thæï tæû Z = 29, phán búä âiûãn tíæ nhæ sau : 1s2 2s22p6 (Coìn goüi lìa cúáu hçnh âiûãn tíæ) K L 3s23p63d10 4s2 M N Trong mäüt súä âiöãu kiûãn xïac âënh, âiûãn tíæ cïo tãhø chuyøãn tìæ trûang thïai nìay sang traûng thïai khïac, khi âïo sîe phïat ra hay húáp thûu nàng læüång dæåïi dûang∆E dæåïi dûang cïac læåüng tíæïanh sïang cïo töán säú : ∆E = El -El+1 = hν våïi h = 6,627.107ec.s (hàòng säú Planck) 2 1.1.2.Caïc loûai liãn kúãt nguyãn tæí thæåìng gûàp : Trong cháút àrõn thæìång gûàp bäún loûai liãn kúãt sau áây : liãn kãút âöäng hoïa tir, liãn kãút ion, liãn kãút kim laoûi, linã kãút hùän håüp vìa liãn ãkút Vanderval. 1-Liãn kãút âäng hïoa trë : Liãn kãút nìay tûao ra khi hai hoûàc nhiöãu nguyãn tíæ goïp chung nhau müät súä âiûãn tíæøã coï âíu tïam iâãûn tíæ íå lïåp ngoìai cìung (âiûãn tíæ hïoatrë). Vê duû liãn kúãt âöäng hïoa trë giîæa hai nguyãn tæí clo trong phán tíæ Cl . Hai nguyãn tæí nìay cïo säú âãiûn tíæ lïåp ngoìai cìung lìa 7. Do váûy chuïng phíai gïop chung hai âiûãn tíæ låïp ngoìai cìung âøã âuí tïam âiûãn tíæ. Âàûc âiøãm cíua liãn ãkút âöäng hïoa tër : 1-Liãn kãút ocï tênh âënh hæïång, nghéa lìa xïac suúát töän tûai cïac âiûãn tíæ liãnkãút lïån nháút theo phæång núäi tmá caïc nguyuãn tíæ. 2-Cæåìng âüä liãn ãkút phûu thuäüc rúát mûanh vìao âûàc tênh liãn kúãt giîæa cïac âiûãn tíæ hïoa trë våïi hûat nhán. Vê dûu cïac bon íå dûang âa hçnh kim cæång cïo liãn ãkút âöäng hoïa tër ráút mûanh vç bäún âiûãn tíæ hïoa trë (trong súä sïau âiûãn tíæ) liãn kúãt höáu nhæ trûæc tiúãp vïåi hûat nhán. Do vûáy nhiãût âüä nng chaíy cíua nïo cao hån 3550C. Trong khi âoï thiúãc (Sn) cïo liãn kúãt âöäng hoïa trë ráút yúãu vç búän âiûãn tíæ hoïa tër (trong säú 50 âiûãn tíæ) nòàm xa ahût nhán nãn lûæc liãn kúãt yúãu âäúi våïi hûat nhán do âïo nhiûãt âüä noïng chíay thúáp 270 . 3-Liãn kãút âöäng hïoa tër coï thøã xíay ra giîæa cïac nguyãn tæí cìung loûai (cíua müät nguyãn täú hïoa hüoc trongcaïc nhïom tìæ IVA âúãn VIIA), güoi lìaliãn kãút âöäng hoïa trë äâöng cûæ.c Vê duû trong phán tíæ Cl hay caïc tinhthãø kim cæång, si lêc, gïecmani ...Liãn kúãt âöäng hoïa tër giæîa cïac nguyãn tíæ khïac loûai (cïac nguyãn túä hoïa hüoc nhïom IIIA vïåi nhïom VIA) güoi lìaliãn kãút âöäng hïoa trë dë cûæc. 2-Liãn kãút ion : Âáy laì loûai liãn kúãt mûanh, cïac nguyãn tíæ cho båït âiûãn tíæ lïåp ngoìai cìung vìa rtríå thaìn ion dæång hay nhûán thãm âiûãn tíæ âøã bîao hoìa lïåp ngoìai cìung vìa tríå thìanh ion ám. Vê duû : trongliãn kãút LiF, Li cho bïåt müät iâãûn tíæ lïåp ngoìai ucìng tríå thìanh Li coìn F nhûán thãm mäüt âiûãn tíæ vìa tríå thìanh F. Liãn kãút ionthæåìng tûao nãn giîæa cïac nguyãn túä cïo nhiöãu âiûãn tíæ hïoa tër (nhoïm VIB, VIIB) våïi cïac nhïom nguyãn túä cïo êt âiûãn tíæ hoïa trë (nhïom IB, IIB).Caïc ä xyt kim loûai Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4 coï liãn kúãt chíu yúãu lìa liãn kúãt ion. Liãn kãút ioncaìng böãn vîæng (cìang mûanh) khi cïac nguyãn tæí chïæa cìang êt âiûãn tíæ, nghéa laì cïac âiûãn tíæ cho vìa nhûán nòàm göán hûat nhán. Liãn kúãt ion lìa loûai liãn kúãt khäng âënh hæåïng.Vê duû : hydrä tûao vïåi F, Cl, Br, I cïac hüåp chúát HF, HCl, HBr, HI cïo nàng læüång liãn kãút löán læüåt lìa 5,81; 4,44; 3,75 vìa 3,06 eV/mol. 3-Liãn kãút kim loûai : Caïc ion dæång kim loûai tûao thìanh mûang xïac âënh, âûàt trong khäng gian âiûãn tíæ tûæ do chung. Nàng læåüng liãn kúãt lìa tøäng håüp lûæc âøáy vìa huït téhn âiãûn giîæa cïac ion dæång vìa máy âiãûn tíæ tûæ do . Liãn kúãt kim loûai thæìång âæüåc tûao nãn tìæ nhîæng nguyãn tíæ cïo êt âiûãn tíæ hoïa trë. Vê udû : cïac nguyãn t åí nhoïm IA trong bíang tuöán hoìan Menâãlãep vïåi müät âiûãn tíæ hoïa tër coï tênh kim loûai âiøãn hçnh. Cìang âi vöã bãn phíai cíua bíang tuöán hoìan tênhcháút âöäng hoïa tër trong liãn kãút cìang cao. Cïac chúát rõàn cïo liãn kúãt kim loûai trong cúáu trïuc tinh thøã cíua noï coï tênh âäúi xïæng cao. 3 + + + + - - - + + + + - - - + + + + - - - + + + + Hçnh 1.1- Liãn kãút kim laoûi. 4-Liãn kãút häùn håüp : Liãn kãút âöäng hoïa trë thuöán tïuy chè cïo âæåüc trong træìång håüp kiãn kúãt âöäng cûæc (giæîa cïac nguyãn tíæ cíua cìung müät nguyãn túä hïoa hüoc). Trong træåìng hüåp liãn kúãt dë cûæc (giæîa cïac nguyãn tíæ cíua cïac nguyãn täú khïac nhau) âiûãn tíæ hïoa tër tham gia liãn kãút chëu hai aính hæíång trïai ngæüåc : -Bë huït bíåi hûat nhán cíua nïo -Bë huït bíåi hûat nhán cíua nguyãn tíæ thæï hai âøã tûao âiûãn tíæ chung. Khaí nàng cíua hûat nhán hïut âiûãn tíæ hoïa trë âæåüc güoi lìa tênh ám âiûãn cíua nguyãn tíæ. Sæû khïac nhau vöã tênh ám âiûãn giæîa cïac nguyãn tæí trong liãn kúãt âöäng hïoa tër laìm âïam myá âiãûn t "chung" bë biãún dûang vìa tûao thìanh ngùáu cûæc âiûãn, âoï lìa tiöãn túä cíua liãn ãkút ion. Tênh ion cuía liãn kúãt sîe cìang låïn núãu sæû khïac nhau vöã tênhám âiãûn cíua cïac nguyãn tíæ cìang lïån. Vê duû : Na cïo tênh ám âiûãn bòàng 0,9 cìon Cl cïo tênh ám âiûãn bòàng 3,0. Do vûáy trong liãn kúãt NaCl gäöm khoíang 58% liãn kúãt ion vìa 48% liãn kúãt âöäng hïoa trë. Táút cía nhîæng liãn kúãt dë cæûc âöãu mang tênh chúát ähùn hüåp giæîa liãn kúãt ion vìa âöäng hoïa trë 5-Liãn kãút ãyúu (liãn kúãt Val der Val): Liãn kãút âöäng hoïa trë chopheïp giíai têhch sæû tûao thìanh cïac phán tíæ nhæ næïåc (H ) hay polyãtylen (C2H4)n nhæng khäng thãø giíai thêch sûæ tûao thìanh müät súä vûát rõàn tìæ nhæîng phán tæí trung hìoa nhæ næïåc âïa, polyme... Trong nhiãöu phán tíæ cïo liãn kúãt âöäng hoïa trë, do æsû khïac nhau vöã tênh ám âiûãn cíua caïc nguyøãn tíæ, trüong tám âiûãn têch dæång vìa âiûãn têch ám khäng trìung nhau sîe tûao thìanh ngáùu cûæc âiûãn vìa phán tæí bë phán cæûc. Liãn kúãt Val der Vla laì liãn kúãt do hiûãn tæåüng hïut nhau giæîa cïac nguyãn tíæ hoûàc phán tíæ bë phán cæûc íå trûang thïai rõàn . Âáy lìa loûai liãn kúãt yúãu, ráút dùã bë phïa híuy do ba âäüng nhiûãt. Do vûáy cïac chúát rõàn trãncå såí liãn kúãt Val dre Val coï nhiãût âüä noïng chíay thúáp. 1.2.CÁU TAO MANG TINH THÃ LY TÆÅNG : 1.2.1.Caïc khïai niûã cå baín : 4 1-Màût tinhthãø : trong kim loûai acïc nguyãn tíæ sõàp xúãp cïo trûát tûæ , tïæc lìa cuhïng âöãu nòàm trãn nhæîng mûàt phóàng song song vìa cïach âöãu nhau goüi lìa mûàt tinh thøã .Tûáp hüåp vä súä cïac màût nhæ vûáy tûao nãn mûang tinh thøã . 2-Khäúi cå åsí (cìon goüi lìa ä cå bían) :lìa phöán nhoí nhúát âûàc træng cho müät loûai mûang tinh thãø .Cïo thøã xem nhæ mûang tinh thøã lìa do vä súä cïac khúäi cå síå xúãp liãn tiúãp nhau tûao nãn. 3-Thäng säú mûang (coìn goüi lìa hòàng säú mûang) : lìa khoíang cïach giîæa hai nguyãn tíæ trnã mäüt cûanh cíua khúäi cå síå .Thäng súä mûang lìa kêch thæïåc cå bían cíua mûang tinh thøã, tìæ âoï cïo thã suy ra caïc khoíang cïach búát kìy trong mûang .Âån vë âo thäng súä mûang lìa kx (nano mïet) hay àngsträng , våïi 1kx = 1,00202A = 1,00202.10-8 cm. Theo thäng säú mûang ta cïo tãhø tênh âæåüc âæìång kênh nguyãn tæí kim loûai . Thäng súä mûang thæìång kyï hiûãu lìa a . 1.2.2.Caïc kiøãu maûng tinh thãø thæåìng gûàp : Trong caïc kim loûai thäng dûung thæåìng gûàp ba kiøãu mûang tinh thøã sau âáy : 1-Láûp phæång tám khúäi A2 (thøã tám) : Cïac nguyãn tíæ nòàm íå cïac âènh vìa íå trung tám cuía khúäi lûáp phæång . Núãu coi cïac nguyãn tíæ lìa hçnh cöáu vìa biøãu diùãn göán nhæ thûát thç cïac nguyãn tæí nòàm íå cïac âènh chïeo nhau thç tiúãp xuïc våïi nhau qua nguyãn tæí åí trung tám .Cïac nguyãn tæí cìon lûai khäng tiúãp xuïc vïåi nhau . Kiøãu mûang nìay cïo trong cïackim loaûi Fe Cr, Mo, V. Khoaíng cïach göán nhúát giîæa hai nguyãn tíæ lìa d = a23 vaì r = a43 . Kiãøu mûang naìy cïo müät thäng súä mûang lìa a. Kiøãu mûang nìay cïo súä sõàp xúãp lìa K8, nghéa lìa búát kìy nguyãn tæí nìao cîung cïo tïam nguyãn tíæ cïach âöãu nïo müät khoíang göán nhúát. 2- Láûp phæång tám mûàt A1 (diûãn tmá ) : Caïc nguyãn tíæ nòàm íå cïac âènh vìa tmá cuía cïac màût bãn . Núãu coi cïac nguyãn tíæ lìa hçnh cöáu vìa biøãu diùãn göán nhæ thûát thç nguyãn tíæ nòàm íå âènh vaì tám cuía cïac mûàt bãn thç tiúãp xïuc vïåi nhau .Cïac nguyãn tíæ cìon lûai khäng tiúãp xïuc våïi nhau . Khoaíng cïach göán nhúát giîæa hai nguyãn tíæ lìa d = a22 vaì r = a42 . Kiãøu mûang naìy chè cïo müät thäng säú mûang lìa a . Thæìång gûàp trong cïac kim laoûi Fe Cu, Ni, Al, Pb...Säú sàõp xúãp cíua mûang A1 lìa K12. 3-Saïu phæång xúãp chûàt A3 (lûuc giïac xúãp chûàt) : Cïac nguyãn tíæ nòàm íå cïac âènh vìa íå tám hai màût âïay cíua hçnh làng trûu lûuc giïac âöãu .Ba nguyãn tíæ nòàm íå trnug tám ba làng truû tam giaïc cïach nhau .Sïau phæång xúãp chûàt cïo hai thäng súäù mûnag lìa a vìa c , tè súä c/a güoi lìa hûã säú xúãp chûàt .Trong træìång håüp lïy tæíång c = 8 3 ≈ 1,633 .Trong thæûc túã tè säú c/a khäng âuïng lìa 1,633 mìa dao âäüng trong trong khoaíng 1,57÷ 1,64 vaìcuîng âæåüc coi lìa xúãp chûàt . Caïc kim laoûi cïo kiøãu mûang nìay lìa : Zn, Cd, Co, Mg, Ti, Ru... 4-Chênh phæång tám khäúi (thøã tám) : Trong tøä chïæc cíua thïep sau khi täi (mactexit) cìon coï kiøãu mûang chênh phæång tám khúäi . Cïo thøã coi kiøãu mûang nìay lìa lûáp phæång tám khúäi âæåüc kïeo dìai teho mäüt hciãöu . Noï cïo hai thäng säú mûang lìa a vìa c ,tè säú ca/ goüi lìa âäü chênh phæång . Trong thæûc túã sæû sõàp xúãp cíua cïac nguyãn tíæ trong kim loûai theo xu hæïång dìay âûàc nháút . Do âïo khäng cïo kim loûai nìao cïo kiøãu mûang âån giían chênh phæång tám khúäi cía . 5 ... - tailieumienphi.vn