Tài liệu Kỹ thuật vật liệu CLC pdf

Kỹ thuật vật liệu CLC

MỞ ĐẦU

Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại

vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng càng ngày càng cao hơn. Đầu tiên là

thời kỳ đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt.v .v. Cho đến ngày nay là một loạt

các loại vật liệu mới như : composit, ceramit, pôlyme. v.v. Các loại vật liệu này (đặc biệt

là kim loại & hợp kim, cùng với các loại vật liệu mới) đã góp phần thúc đẩy sự phát triển

của xã hộ loài người một cách nhanh chóng.

Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống...đòi hỏi vật liệu

sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau. Ví dụ : khi thì cần có tính dẫn điện rẩt

cao để dùng trong nghành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm các loại dụng

cụ cắt gọt kim loại, khi lại cần có độ bền lớn để làm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải có

tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nhưng khối lượng riêng nhỏ để

dùng trong công nghiệp hàng không...Tất cả các yêu cầu này đều có thể được đáp ứng bởi

vật liệu kim loại cũng như các loại vật liệu mới.

Môn vật liệu kỹ thuật sẽ trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản của các

loại vật liệu chính : tinh thể, các hợp kim, bán dẫn và ion cộng hóa trị ... Mục đích của

môn học này giúp cho sinh viên hiểu rõ các loại vật liệu khác nhau dựa trên mối quan hệ

giữa cấu trúc (liên kết hóa học, kiểu mạng tinh thể) và cơ lý tính, thực hành được các thí

nghiệm cơ bản để xác định cơ tính của vật liệu và biết lựa chọn vật liệu phù hợp nhất đáp

ứng nhu cầu sử dụng sau này. Khi nghiên cứu một vật liệu bất kỳ chúng ta đều dựa vào

bốn cực cơ bản sau đây : Kết cấu của cấu trúc, các tính chất, sự tổng hợp các phương

pháp gia công và hiệu quả sử dụng của nó. Một sản phẩm có thể gồm hàng chục loại vật

liệu khác nhau tạo nên. Ví dụ ô tô RENAULT CLIO 1,2 RN của Pháp gồm mười một loại

vật liệu sau đây tạo nên :

1- Thép tấm 40,9% 2-Thép hình 10,9%

3-Gang 11,3% 4-Hợp kim nhôm 4,2%

5-Các kim loại màu khác 3,9%

6-Chất dẻo 10,2% 7-Chất dẻo đàn hồi 3,4%

8-Vật liệu hữu cơ khác 3,4%

9-Thủy tinh 4,2% 10-Sơn 1,7%

11-Chất lỏng 5,9%

Yêu cầu của người kỹ sư ngành sản xuất tự động và xây dựng công trình biển

ngoài khả hiểu biết về chuyên môn sâu của ngành học, còn phải nắm được những tính

chất cơ bản của các loại vật liệu để từ đó có thể sử dụng một cách hợp lý nhất nhằm nâng

cao tuổi thọ của máy móc, công trình, hạ giá thành sản phẩm ...

Môn học này kế thừa kiến thức của khá nhiều các lĩnh vực khác nhau : tinh thể

học, cơ lượng tử, tia rơn ghen, ăn mòn và bảo vệ kim loại ...do đó khối lượng kiến thức

khá lớn và có nhiều mặt. Vì vậy đòi hỏi người học phải nắm vững các kiến thức cơ bản về

vật liệu và thực hành nghiêm túc các thí nghiệm. Khi nghiên cứu môn học này phải nắm

chắc mối quan hệ giữa thành phần hóa học, cấu trúc và tính chất của vật liệu. Bất kỳ sự

thay đổi nào của thành phần hóa học và cấu trúc sẽ dẫn tới sự biến đổi của tính chất vật

liệu.

Tài liệu tham khảo :

1-Lê Công Dưỡng - Vật liệu học - Nhà xuất bản KHKT Hà Nội 1997

1

Kỹ thuật vật liệu CLC

2-Nghiêm Hùng - Vật liệu học và nhiệt luyện - Trường đại học Bách khoa Hà Nội

- 2000

3-Jean - Bernard GUILLOT - Génie des matériaux - Réservé uniquemen aux

Enseignants, Elèves et Anciens Elèves de l'Ecole Centranle Paris - 2000-2001.

4-Jean P.Mercier, Gérald Zambelli, Wilfried Kurz - Introduction à la science des

matériaux - Presses polytechniques et universitaires romans 1999

5-Jean-Marie DORLOT, Jean-Paul BALON, Jacques MASOUNAVE -

Des Matériaux - Éditions de l'école polytechnique de Montréal 1986.

Chương 1 : CÁC LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT

1.1.VẬT LIỆU KIM LOẠI :

1.1.1.Định nghĩa và phân loại :

1-Định nghĩa : Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện và

dẫn nhiệt cao.

Hầu hết các kim loại khi bề mặt chưa bị ô xy hóa đều có vẻ lấp lánh sáng (ánh

kim). Đa số kim loại đều dẻo có thể rèn, cán, kéo, ép ...Phần lớn kim loại đều dẫn điện

dẫn nhiệt tốt. Các nguyên tố kim loại chiếm hơn 3/4 số nguyên tố trong bảng hệ thống

tuần hoàn Menđêlêep, trong đó Fe là kim loại đen, còn lại là kim loại màu.

Tuy nhiên cũng có kim loại khá dòn, ví dụ stibi (Sb còn gọi là ăng ti moan) không

thể rèn được, nếu đập sẽ bị vỡ ngay. Hoặc prađêôđim (Pr) dẫn điện rất kém.

2

Kỹ thuật vật liệu CLC

Vì vậy để phân biệt kim loại với các nguyên tố phi kim loại ta dùng tiêu chuẩn hệ

số nhiệt độ điện trở. Kim loại có hệ số nhiệt độ điện trở dương (khi nhiệt độ tăng thì điện

trở tăng), nguyên tố phi kim loại (á kim) có hệ số nhiệt độ điện trở âm (khi nhiệt độ tăng

thì điện trở giảm). Tiêu chuẩn này đúng với tất cả các kim loại.

Giữa nguyên tố kim loại và phi kim loại còn có một số nguyên tố có tính chất

trung gian, trong một số điều kiện nào đó thì chúng dẫn điện và ngược lại. Đó là các

nguyên tố bán dẫn, ví dụ si lic (Si) và ghecmani (Ge) ...

2-Phân loại kim loại :

Có nhiều phương pháp phân loại kim loại khác nhau, ở đây ta sử dụng phương

pháp được nhiều người áp dụng nhất.

a-Phân loại theo khối lượng riêng : theo phương pháp này có hai loại :

-Kim loại nặng : là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 gam/cm3

Ví dụ : Fe (7,8), Cu (8,94), Au (19,5)...

-Kim loại nhẹ : là các kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn 5 gam/cm3

. Ví

dụ : Al (2,7), Mn (1,73), Ti (4,5) ...

b-Phân loại theo nhiệt độ nóng chảy : theo cách này được chia ra làm hai nhóm

-Kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao : là các kim loại có nhiệt độ nóng

chảy cao hơn 750oC. Ví dụ : Fe (1539oC), W (3410oC), Cu (1085oC).

-Kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp : là các kim loại có nhiệt độ nóng

chảy thấp hơn 750oC. Ví dụ Al (657oC), Sn (270oC), Pb (327oC).

c-Phân loại theo tính chất hoạt động : theo phương pháp này có

-Nhóm kim loại kiềm : Li, Na, K, Ru ...

-Nhóm kim loại kiềm thổ : Be, Mg, Ca, Sr...

-Nhóm kim loại chuyển tiếp : Fe, Cr, Mn, Mo...

-Nhóm kim loại phóng xạ : U, Ra, Co, Pu...

d-Phân loại theo màu sắc bên ngoai:

-Kim loại đen : Fe

-Kim loại màu : Au, Ag, Cu, Pb, Pt, Ni, Co...

1.1.2.Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn :

1-Các dạng liên kết nguyên tử : Trong chất rắn ta thường gặp các dạng liên kết

sau đây : (Hinh 1.1)

-Liên kết ion : các nguyên tử cho bớt điện tử lớp ngoài cùng và trở thành

ion dương và các nguyên tử khác nhận thêm điện tử để điền đầy lớp ngoài cùng và trở

thành ion âm. Giữa các nguyên tử này hình thành mối liên kết trên cơ sở lực hút tĩnh điện

của hai loại ion trên. Đây là mối liên kết mạnh, thường tạo thành giữa các nguyên tố có

nhiều điện tử hóa trị và các nguyên tố có ít điện tử hóa trị. Mối liên kết này càng mạnh

nếu các nguyên tố càng chứa ít điện tử, tức là các điện tử cho hoặc nhận càng nằm gần hạt

nhân. Liên kết này không có tính định hướng.

-Liên kết cộng hóa trị : liên kết này tạo ra khí hai hoặc nhiều nguyên tử góp chung

nhau một số điện tử để có đủ tám điện tử lớp ngoài cùng. Liên kết đồng hóa trị trong vật

rắn được thực hiện nhờ sự tập thể hóa điện tử giữa một nhóm các nguyên tử lân cận. Đặc

điểm của liên kết đồng hóa trị :

*Liên kết có tính định hướng : xác suất tồn tại các điện tử tham gia liên kết lớn

nhất theo phương nối tâm giữa các nguyên tử.

*Cường độ liên kết phụ thuộc rất mạnh vào đặc tính liên kết giữa các điện tử hóa

trị với hạt nhân, điện tử liên kết càng gần hạt nhân thì liên kết càng mạnh. Ví dụ : Các bon

ở dạng kim cương có liên kết đồng hóa trị rất mạnh vì bốn điện tử hóa trị (trong sáu điện

3

Kỹ thuật vật liệu CLC

tử) liên kết gần như trực tiếp với hạt nhân, nên kim cương có nhiệt độ nóng chảy đến

3550oC. Trong khi đó thiếc cũng có liên kết đồng hóa trị nhưng mối liên kết rất yếu vì

bốn điện tử hóa trị (trong 50 điện tử) nằm xa hạt nhân, vì vậy có nhiệt độ nóng chảy

270oC.

*Liên kết cộng hóa trị có thể xảy ra giữa các nguyên tử cùng loại gọi là liên kết

cộng hóa trị đồng cực. Ví dụ : phân tử Cl2, tinh thể kim cương, silic, ghecmani...Liên kết

cộng hóa trị giữa các nguyên tử khác loại gọi là liên kết cộng hóa trị dị cực. Ví dụ GaAs,

GaP...

-Liên kết kim loại : Trong kim loại phần lớn các nguyên tử đều nhường bớt điện

tử hóa trị (số này thường rất ít 1-2 điện tử) để trở thành ion dương, các điện tử đó trở

thành điện tử tự do. Các ion dương tạo thành một mạng xác định, đặt trong không gian

điện tử tự do chung và chúng tạo thành mối liên kết kim loại . Năng lượng liên kết là tổng

hợp lực đẩy và hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây điện tử. Liên kết kim loại thường

được tạo nên giữa các nguyên tố có ít điện tử hóa trị. Cấu trúc tinh thể của các chất với

liên kết kim loại có tính đối xứng rất cao.

- Liên kết yếu (Van der Waals) : Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do

sự khác nhau về tính âm điện (khả năng hạt nhân hút các điện tử hóa trị) của các nguyên

tử, trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực điện sẽ tạo

thành và phân tử bị phân cực. Liên kết Van der Waals là liên kêt do hiệu ứng hút nhau

giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực ở trạng thái rắn. Đây là loại liên kết yếu, rất

4

Kỹ thuật vật liệu CLC

Hinh 1.1

dễ bị phá vỡ do ba động nhiệt (sự tăng nhiệt độ), vì vậy những chất rắn trên cơ sở liên kết

Van der Waals có nhiệt độ nóng chảy thấp. Liên kết này có trong cá vật rắn tạo thành từ

những phân tử trung hòa như : nước đá, polyme...

Ngoài bốn loại liên kết cơ bản trên, trong thực tế vật liệu còn có kiểu liên kết hỗn

hợp giữa các loại đó : liên kết kim loại - đồng hóa trị, liên kết kim loại - ion, liên kết đồng

hóa trị - ion ...

2-Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất :

Yếu tố quyết định tính chất của vật liệu là dạng liên kết và cấu trúc của nó.

Tính dẻo và giòn của vật liệu có thể giải thích dễ dàng thông qua dạng liên kết

tương ứng. Với vật liệu có liên kết đồng hóa trị, có góc nghiêng cố định giữa các nguyên

tử (phân tử), khả năng biến dạng dẻo rất kém : dưới tác dụng của ngoại lực,vật liệu bị phá

hủy (tách đứt) khi ứng suất đạt trị số phá vỡ liên kết. Vật liệu có liên kết ion tính chất

cũng tương tự như vậy.

5

Kỹ thuật vật liệu CLC

Các vật liệu gốm trên cơ sở các ôxyt kim loại như : MgO.Al 2O3.SiO2 có nhiệt độ

nóng chảy rất cao và độ trơ hóa học lớn được giải thích bằng năng lượng liên kết đồng

hóa trị (hay ion) rất cao của chúng so với vật liệu kim loại.

Trong vật liệu kim loại (liên kết kim loại) cấu trúc mạng của các ion dương trong

không gian điện tử tự do chung cho phép các ion xê dịch dưới tác dụng của ngoại lực do

vậy vật liệu kim loại có tính dẻo cao. Ngoài ra, các điện tử tự do trong mạng tinh thể kim

loại với tính linh động cao, dễ dàng chuyển động theo hướng tác dụng của điện trường

bên ngoài và gradien nhiệt độ. Do vậy kim loại kim loại có độ dẫn điện và dân nhiệt cao

hơn so với các vật liệu khác.

Trong thực tế phần lớn các vật liệu có dạng liên kết hỗn hợp nên tính chất của vật

liệu sẽ là tổng hợp của các tính chất đặc trưng cho các dạng liên kết nêu trên.

Cần lưu ý rằng tính chất của vật liệu còn phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc

của chúng. Các kiếu cấu trúc của vật liệu sẽ tạo ra các tính chất rất khác nhau.

1.1.3.Cấu trúc tinh thể của kim loại :

1-Khái niệm về mạng tinh thể : Trong vật rắn tinh thể, mỗi nguyên tử có vị trí

hoàn toàn xác định không chỉ với nguyên tử gần nhất mà cả với những nguyên tử khác

bất kỳ xa hơn. Không gian xung quanh các nguyên tử có cấu tạo hoàn toàn đồng nhất.

Noi khác đi là các nguyên tử luôn sắp xếp một cách trật tự trong không gian của vật rắn,

tạo thành mạng không gian tinh thể gọi tắt là mạng tinh thể. Mạng tinh thể có bảy hệ với

mười bốn kiểu mạng khác nhau. Mạng tinh thể của vật rắn có kích thước rất lớn, do đó để

nghiên cứu nó ta đưa ra các khái niệm cơ sở sau đây.

a-Ô cơ sở (ô cơ bản, khối cơ sở) : là phần nhỏ nhất đặc trưng cho một kiểu mạng

tinh thể. Ta có thể tạo ra toàn bộ mạng tinh thể bằng cách tịnh tiến khối cơ sở theo ba

chiều trong không gian. Ví dụ ô lập phương đơn giản. Tâm các nguyên tử (ion hoặc phân

tử ) ở ô cơ sở gọi là nút mạng.

Đặc điểm liên kết và tính chất của một số vật liệu

Dạng

liên kết

Chất và năng

lượng liên kết

(eV/ng.tử)

Mô hình

liên kết

Nhiệt

độ

nóng

chảy

T

o

Mô đun

Young

E

Hệ số

giãn

dài α

Điện

trở

suất ρ

Tính

dẻo

Đồng

hóa trị

Ion

Kim loại

Kim cương

(7.0)

NaCl (3,3)

Na (1,1)

Cu (3,5)

Ti (4,8)

-Cho

(hoặc

nhận) điện

tử hóa trị

-Lực hút

đẩy tĩnh

điện

Mạng cúa

các ion

trong

không

gian điện

tử tự do

Cao

Cao

Trung

bình -

cao

Cao

Cao

Trung

bình -

cao

Thấp

Thấp

Trung

bình -

cao

Cao

Cao

Trung

bình -

thấp

Thấp

Thấp

Cao

6