Bài giảng Luyện kim vật lý - Chương 1: Bài mở đầu. Tổng quan về học phần - Nguyễn Văn Đức

08/03/2020 1 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn Luyện kim vật lý Physical Metallurgy Giảng viên: GVC. ThS. Nguyễn Văn Đức TS. Hoàng Văn Vương. Viện: Khoa học và Kỹ thuật vật liệu Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Nội dung • Bài mở đầu. Tổng quan về học phần • 1. Biến dạng trong kim loại nguyên chất • 1.1. Cơ sở vật liệu học (tinh thể học) • 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại • 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc • 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo • 1.2. Lệch • 1.2.1. Cấu trúc lệch • 1.2.2. Tương tác lệch với khuyết tật điểm – Năng lượng lệch • 1.2.3. Định hướng tinh thể và hành vi của lệch. • 1.3. Hóa bền biến dạng nguội • 1.3.1. Đường cong ứng suất - biến dạng • 1.3.2. Hệ số hóa bền • 1.4. Song tinh và biến dạng dẻo • 2. Ảnh hưởng của nhiệt đến tổ chức và tính chất của kim loại. • 2.1. Ảnh hưởng của nhiệt – Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo. • 2.2. Ảnh hưởng của độ biến dạng, nhiệt độ - thời gian ủ đến quá trình kết tinh lại. • 2.3. Công thức Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov Equation • Kiểm tra giữa kỳ • 3. Hợp kim hóa • 3.1. Hợp kim dung dịch rắn. • 3.2. Tương tác của lệch với dung dịch rắn • 3.3. Sự tiết pha – Hóa bền tiết pha phân tán • 3.3.1. Giản đồ pha hợp kim Al hóa bền tiết pha • 3.3.2. Tôi, hóa già hợp kim Al • 3.3.3. Tương tác lệch – pha phân tán và cơ chế hó a bền • 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ hóa già – thời gian hóa già • 3.4. Tăng bền cho hợp kim • 3.5. Độ dẻo và độ dai va đập • 3.6. Nứt (cracking) • 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất • 3.6.2. Cơ chế phát triển vết nứt • 3.6.3. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng • 3.6.4. Biểu đồ phá hủy • 3.7. Phá hủy mỏi • 4. Hợp kim kỹ thuật đặc biệt. • 4.1. Hóa bền hợp Fe – C • 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C • 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C • 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt • 4.3. Ôn tập Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Tài liệu học tập • Sách giáo trình: • Bài giảng: Slides bài giảng Luyện kim vật lý. • Sách tham khảo: [1] Haidemenopoulos, Gregory N; Physical Metallurgy principles and Design; CRC Press - Taylor and Francis, ISBN: 978-1-1386-2768-0, 2018 [2] Reza Abbaschian, Robert E. Reed-Hill; Physical Metallurgy Principles, Fo ourth Edition; CL-Engineering, ISBN: 978-0-4950-8254-5, 2008 1 2 3 08/03/2020 2 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Bài mở đầu. Tổng quan về học phần Vật liệu nano Vật liệu khối Vật liệu micro Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Bài mở đầu. Tổng quan về học phần • Vật liệu là các vật rắn có thể sử dụng để chế tạo cá c dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng các công tr ình Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Bài mở đầu. Tổng quan về học phần • Hợp kim • Compozit 4 5 6 08/03/2020 3 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Bài mở đầu. Tổng quan về học phần Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Bài mở đầu. Tổng quan về học phần Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Bài mở đầu. Tổng quan về học phần Tính chất của vật liệu: • Thành phần hóa học • Thành phần pha và sự phân bố của chúng • Khuyết tật cấu trúc • Ứng suất dư trong vật liệu Thành phần Thành phần pha và sự phân bố Khuyết tật cấu trúc Ứng suất dư 7 8 9 08/03/2020 4 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Bài mở đầu. Tổng quan về học phần • Cấu trúc có hai loại: tinh thể và điện từ • Tổ chức tế vi: (Pha + Khuyết tật + Ưng suất dư) và sự phân bố • Thay đổi tổ chức tế vi bởi xử lý Cơ – Nhiệt • Đúc • Luyện kim bột • Tạo hình • Hàn • Gia công cơ khí Xử lý: Cơ – Nhiệt Nguyên tử Tinh thể Cấu trúc Điện từ Tổ chức tế vi Cấu thành Pha Khuyết tật Ứng suất dư • Lỗ trống • Lệch • Song tinh • Khuyết tật xếp • Biên giới hạt • Lỗ hổng • Vết nứt Sự phân bố của chúng   Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Bài mở đầu. Tổng quan về học phần • Có bốn nhóm vật liệu chính: - Vật liệu Kim loại - Vật liệu Ceramic - Vật liệu Polyme - Vật liệu Composit • 1. VL bán dẫn • 2. VL siêu dẫn • 3. Silicon • 4. VL polyme dẫn điện Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Bài mở đầu. Tổng quan về học phần 10 11 12 08/03/2020 5 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1. Biến dạng trong kim loại nguyên chất • 1.1. Cơ sở vật liệu học • 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại • 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc • 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo • 1.2. Lệch • 1.2.1. Cấu trúc lệch • 1.2.2. Tương tác lệch với khuyết tật điểm – Năng lượng lệch • 1.2.3. Định hướng tinh thể và hành vi của lệch. • 1.3. Hóa bền biến dạng nguội • 1.3.1. Đường cong ứng suất - biến dạng • 1.3.2. Hệ số hóa bền • 1.4. Song tinh và biến dạng dẻo Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1. Cơ sở vật liệu học • 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại • 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc • 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo • 1.2. Lệch • 1.2.1. Cấu trúc lệch • 1.2.2. Tương tác lệch với khuyết tật điểm – Năng lượng lệch • 1.2.3. Định hướng tinh thể và hành vi của lệch. • 1.3. Hóa bền biến dạng nguội • 1.3.1. Đường cong ứng suất - biến dạng • 1.3.2. Hệ số hóa bền • 1.4. Song tinh và biến dạng dẻo Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại 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 Cơ sở + Mạng tinh thể = Cấu trúc tinh thể 13 14 15 08/03/2020 6 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Ô cơ sở: là hình không gian có thể tích nhỏ nh ất đặc trưng cho tính đối xứng của mạng tinh t hể - Tịnh tiến ô cơ sở theo ba chiều không gian sẽ xây dựng toàn bộ mạng tinh thể Biểu diễn ô cơ sở trong không gian - Ba véc tơ đơn vị (hằng số mạng): - Các góc , ,  hợp bởi các vectơ đơn vị  6 thông số gọi là hằng số cấu trúc mạng  a  b  c Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Ô cơ sở: Trong 3D có bảy hệ tinh thể khác nhau Ba nghiêng (tam tà) a  b  c      Một nghiêng (đơn tà) a  b  c  =  = 900   Trực thoi a  b  c  =  =  = 900 Ba phương (mặt thoi) a = b = c  =  =   900 Sáu phương (lục giác) a = b  c  =  = 900,  = 1200 Chính phương (bốn phương) a = b  c  =  =  = 900 Lập phương a = b = c  =  =  = 900 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Phép tịnh tịnh tiến bảo toàn mạng tinh thể cwbvauT  Véc tơ tịnh tiến cơ sở 3D Mạng tinh thể 2D baT 34  a4 b3 a b 16 17 18 08/03/2020 7 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Tâm đối xứng: điểm cố định trong mạng tinh thể mà các nguyên tử n ằm cách đều điểm đó. C Mặt đối xứng: mặt phẳng trong mạng tinh thể mà qua mặt phẳng đó tinh thể chia làm hai phần đối xứng nhau. Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Trục đối xứng Tinh thể chỉ có trục đối xứng bậc: 1, 2, 3, 4, 6 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại 7 hệ tinh thể và 14 kiểu mạng Bravais: STT Hệ tinh thể thể Thông số mạng tinh thể Trục đối xứng Kiểu mạngBravais 1 Ba nghiêng (Triclinic) a  b  c,      Không P 2 Một nghiêng (Monoclinic) a  b  c,  =  = 900   1 bậc 2 P, C 3 Trực thoi (Orthorhombic) a  b  c,  =  =  = 900 3 bậc 2 P, F, I, C 4 Ba phương (Trigonal) a = b = c,  =  =   900 1 bậc 3 P 5 Sáu phương (Hexagonal) a = b  c,  =  = 900,  = 1200 1 bậc 6 P 6 Chính phương (Tetragonal) a = b  c,  =  =  = 900 1 bậc 4 P, I 7 Lập phương (Cubic) a = b = c,  =  =  = 900 4 bậc 3 P, F, I 19 20 21 08/03/2020 8 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Chỉ số Miller • Nút mạng • Phương mạng • Mặt mạng Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng và mặt nguyên tử Nút mạng: để biểu thị tọa độ các nguyên tử [[na, nb, nc]] là chỉ số Miller nút mạng M - Trị số âm được biểu thị bởi dấu “-” ở trên đầu Chỉ số nút mạng: A [[0,0,1]] B [[1,0,0]] C [[1,1,1]] D [[0,1/2,0]]   cnbnanOM cba 22 23 24 08/03/2020 9 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Chỉ số Miller của nút mạng, phương mạng và mặt ng uyên tử Phương mạng: - Đường thẳng đi qua các nút mạng - Hai phương song song có cùng chỉ số nút mạng (cùng cá ch sắp xếp NT) - Kí hiệu [uvw] - Họ phương - Quy tắc xác định chỉ số phương: + Qua gốc O kẻ phương OM song song với phương cần xác định; + Xác định chí số nút mạng của M[[na, nb, nc]]; + Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất (nếu cần) cho 3 toạ độ: na, nb, nc; + Tử số của các phân số sau quy đồng là u, v, w là chỉ số Miller [u v w] của phương đã cho. Chỉ số Miller các phương: OE [101] OB [111] OH [010] 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE O A B CD E F H x y z N Chỉ số Miller các phương: AO [???] CN [???] DF [???] • Chỉ số Miller của phương mạng: 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST – MSE 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 - Kí hiệu (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 địn h; + Tìm toạ độ giao điểm [[na,0,0]]; [[0,nb,0]]; [[0,0,nc]] củ a P trên ba trục Ox, Oy, Oz; + Lấy các giá trị nghịch đảo na, nb, nc, quy đồng mẫu số chung; + Các giá trị của tử số, đó chính là các chỉ số h, k, l tươn g ứng cần tìm. Chỉ số Miller các mặt: ABEF (100) ABCH (010) EBCD (001) DFH (111) 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại 25 26 27 08/03/2020 10 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST – MSE Mặt tinh thể: 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST – MSE Chỉ số Miller – Bravais trong mạng sáu phương - Trong hệ tọa độ có bốn trục Ox, Oy, Oz, Ou - Kí hiệu chỉ số phương [u´v´w´]  [uvtw] 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST – MSE Chỉ số Miller – Bravais trong mạng sáu phương - Trong hệ tọa độ có bốn trục Ox, Oy, Oz, Ou - Kí hiệu mặt tinh thể (hkil) i = - (h + k) Chỉ số Miller các mặ: ABHG BCIH GHIKLM AGMF ACIH )100( )010( )0211()110( )011( )0110( )001( )0011( )0001( )0101( 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại 28 29 30 08/03/2020 11 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Tổng kết 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại - Luôn xác định được chỉ số Miller (Miller – Bravais) của các phương và mặt tinh thể - Trong mạng lập phương: [hkl]  (hkl) - Khoảng cách giữa các mặt tinh thể được xác định: Kí hiệu Phương [ ] [uvw] Phương cụ thể Họ phương Mặt ( ) (hkl) Mặt cụ thể { } {hkl} Họ mặt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Số sắp xếp (số phối trí), Z - Số lượng các nguyên tử cách đều gần nhất nguyên tử đã cho Số nguyên tử trong một ô cơ sở, nV - Số lượng nguyên tử có trong 1 ô cơ sở Mật độ nguyên tử - Mật độ xếp theo phương: Ml = l/L - Mật độ xếp theo mặt Ms = s/S - Mật độ xếp theo thể tích Mv = 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 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 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại LPTK (BCC) LPTM (FCC) Lục giác (HCP)  rnt= a3/4  Z = 8  nv = 2  Mv = 68%  Phương xếp sít nhất:  Mặt xếp sít nhất: {110}  Kim loại có kiểu mạng A 2: Fe, Cr, Mo, W, V,  rnt= a2/4  Z = 12  nv = 4  Mv = 74%  Phương xếp sít nhất:  Mặt xếp sít nhất: {111}  Kim loại có kiểu mạng A1 : Fe, Au, Ag, Al, Ni, Cu  rnt= a/2  Z = 12  nv = 6  Mv = 74%  Phương xếp sít nhất:  Mặt xếp sít nhất: {0001}  Kim loại có kiểu mạng A3 : Ti, Zn, Mg, Be, Cd, Zr  0211 31 32 33 08/03/2020 12 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Mật độ nguyên tử theo thể tích (Atomic packing factor – APF) LPTK - BCC Mv Mv = 0,68 (68%) Mv = vngtử/ô/Vôcơsở Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Mật độ nguyên tử theo thể tích (Atomic packing factor – APF) , Mv = v/V LPTM - FCC Mv = 0,74 (74%) Mv Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Mật độ nguyên tử theo thể tích (Atomic packing factor – APF) , Mv = v/V SPXC - HCP Mv = 0,74 (74%) Mv 34 35 36 08/03/2020 13 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Khối lượng riêng của vật liệu n: số nguyên tử/ô cơ sở A: khối lượng nguyên tử VC : thể tích ô cơ sở NA: Sô Avogadro, 6,023x1023 Ví dụ: tính khối lượng riêng của sắt (Fe) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Lỗ hổng bốn mặt (4m – Tetrahedral void) và tám mặt (8m – Octahedral void) LPTK (BCC) LPTM (FCC) - Lỗ hổng 4m: + Vị trí: ¼ đường nối trung điểm cạnh đối diệ n của các mặt bên + n4m = 12 + d4m = 0,291dnt - Lỗ hổng 8m: + Vị trí: tâm mặt và trung điểm các cạnh bên + n8m = 6 + d8m = 0,154dnt - Lỗ hổng 4m: + Vị trí: ¼ đường chéo khối + n4m = 8 + d4m = 0,225dnt - Lỗ hổng 8m: + Vị trí: tâm khối và trung điểm các cạnh bên + n8m = 4 + d8m = 0,414dnt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Cấu trúc xếp chặt SPXC (HCP) LPTM (FCC) B C + + AA B + A + 37 38 39 08/03/2020 14 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Một số cấu trúc tinh thể khác – chất rắn có liên kết cộng hóa trị - Tinh thể kim cương A4: Ô cơ sở mạng A1, và 4 nt bên trong - Kiểu mạng graphit A3: - Cấu trúc sợi, ống cacbon và fullerene Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.1. Cấu trúc tinh thể của kim loại Một số cấu trúc tinh thể khác – Chất rắn có liên kết ion - Ion NaCl Cấu trúc tinh thể polymer Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc • Quá trình kết tinh – đúc kim loại ở trạng thái lỏng • 2 bước • Hình thành mầm • Phát triển mầm tinh thể - cấu trúc hạt Fig.4.14 (b), Callister 7e. Mầm Phát triển mầm tinh thể Cấu trúc hạt Kim loại lỏng 40 41 42 08/03/2020 15 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Khuyết tật có ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu Liên kết (Bonding) + Cấu trúc (Structure) + Khuyết tật (Defects) Tính chất (Properties) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc • Khuyết tật trong vật rắn  0D, khuyết tật điểm  Nút trống  Nguyên tử xen kẽ  Nguyên tố tạp chất  1D, lệch  Lệch biên  Lệch xoắn  2D, biên hạt  Nghiêng  Xoắn  3D, khuyết tật khối, thể tích  Rỗ xốp Vết nứt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc  0D, khuyết tật điểm  Nút trống  Nguyên tử xen kẽ  Nguyên tố tạp chất Nguyên tử xen kẽ Nút trống 43 44 45 08/03/2020 16 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc 0D, khuyết tật điểm Nút trống – nguyên tử xen kẽ: - Dịch chuyển bằng cách khuếch tán - Tốc độ dịch chuyển phụ thuộc tốc độ khuếch tán - Khi nút trống dịch chuyển ra khỏi bề mặt tạo nên cặp Schottky (nút trống cation-anion) (Q = 0) - Khi nút trống dịch chuyển vào vị trí xen kẽ tạo nên cặp Frenkel (nút trống cation-nguyên tử xen kẽ cation (Q = 0) Schottky Frenkel Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc 0D, khuyết tật điểm - Tạp chất: • Mạng tinh thể ion thì khuyết tật điểm (tạp chất) phải tuân theo quy luật trung hòa điện tích • Ex: NaCl • Tạp chất thay thể cation • Tạp chất thay thế anion Tinh thể ban đầu Ca 2+tạp chất Tinh thể có khuyết tật điểm cation Ca 2+ Na + Na + Ca 2+ Nút trống cation Tinh thể ban đầu O2- tạp chất O2- Cl- Nút trống anion Cl- Tinh thể có khuyết tật điểm anion Na + Cl- Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc 0D, khuyết tật điểm - Tạp chất: 46 47 48 08/03/2020 17 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Nồng độ khuyết tật: • Tuân theo hàm phân bố Maxwell-Boltzmann    Tk Q N NC B D S D D exp NS = số nút mạng/đơn vị thể tích ND = số khuyết tật điểm/đơn vị thể tích kB = hằng số Boltzmann QD = năng lượng hình thành một khuyết tật điểm trong mạng tinh thể T = Nhiệt độ K 0D, khuyết tật điểm Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Xác định năng lượng hoạt hóa: • Có thể xác định QD từ thực nghiệm:    Tk Q N N B D S D exp T CD Ln C D 1/T 1 - QD/kB 0D, khuyết tật điểm Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Ví dụ: xác định nồng độ khuyết tật kB = 1,38  10-23 J/atom-K = 8,62  10-5 eV/atom-K T = 27o C + 273 = 300 K. kBT = 300 K  8,62  10-5 eV/K = 0,026 eV QD = 0,9 eV/atom NS = NA/Acu NA = 6,023  1023 atoms/mol  = 8,4 g/cm3 Acu = 63,5 g/mol    Tk QNN B D SD exp   3 22 3 23 108 5,63 4,810023,6 cm atoms mol g cm g mol atoms A NN Cu A S       37 3 22 /104,7026,0 9,0exp108 cmvacanciesatomeV atomeV cm atomsND    0D, khuyết tật điểm 49 50 51 08/03/2020 18 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Sai lệch đường – lệch: kích thước rất nhỏ (nguyên tử) theo 2 chiều và lớn theo chiều thứ ba. Lệch biên Lệch xoắn Khuyết tật đường – Lệch (dislocation) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa trên của mạng tinh thể lý tưởng. Véctơ Burger: đóng kín vòng tròn vẽ tr ên mặt phẳng vuông góc với trục lệch khi chuyển từ tinh thể không lệch sang có lệch. b trục lệch. Khuyết tật đường – Lệch (dislocation) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Lệch xoắn: hai phần của mạng tinh thể trượt tương đối so với nhau một hằng số mạng. Các nguyên tử trong vùng lệch sắp xếp theo hình xoắn ốc. Khuyết tật đường – Lệch (dislocation) 52 53 54 08/03/2020 19 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Lệch hỗn hợp: góc α = ( , trục lệch): 90o (lệch biên), 0o (lệch xoắn), (0o-90o) (lệ ch hỗn hợp). b xoanbien bbb  Biên Xoắn Hỗn hợp Khuyết tật đường – Lệch (dislocation) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Lệch hỗn hợp: góc α = ( , trục lệch): 90o (lệch biên), 0o (lệch xoắn), (0o-90o) (lệch hỗn hợp). b xoanbien bbb  Hỗn hợp: = [112], = ½[110]. Xác định: và b b bienb xoanb t b Khuyết tật đường – Lệch (dislocation) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc K/n: kích thước lớn theo 2 chiều và nhỏ theo một chiều. Mặt ngoài tinh thể Biên giới pha Biên giới hạt Mặt song tinh Khuyết tật xếp Biên giới tinh thể Biên giới góc nhỏ Biên giới góc lớnKhuyết tật mặt Khuyết tật mặt 55 56 57 08/03/2020 20 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Mặt ngoài tinh thể. Bậc thang Gờ Bậc thang Gờ Bậc thang Gờ bênGờ trước 2 2 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] Energy E J Nm N Area A m m m       Năng lượng bề mặt Sức căng bề mặt: giá trị trung bình ứng suất bề mặt theo hai phương vuông góc Mô men xoắn bề mặt (hình thành do đâu) 2 x y       ( )Torque term ( )     Khuyết tật mặt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Mặt ngoài tinh thể. Năng lượng bề mặt 2 E . n . nγ bba Số nguyên tử/diện tích Số liên kết bị phá vỡ/nguyên tử Năng lượng liên kết/liên kết Hai bề mặt được tạo thành/liên kết bị phá vỡ Năng lượng tự do bề mặt () của một số tinh thể (J/m2) NaCl LiF CaF2 MgO Si Ag Fe Au Cu 0.30 0.34 0.45 1.2 1.24 1.14 1.4 1.4 1.65 2 2 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] Energy E J Nm N Area A m m m       Khuyết tật mặt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Biên giới pha – hạt. Interfacial phenomena in metals and alloys, L.E.Murr, Addison-Wesley, London 1975 b  Khuyết tật mặt 58 59 60 08/03/2020 21 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Song tinh. Zhao Lingyan, Fe–20Mn–1.3C–3CuJulian Rosalie, MgZn2 Khuyết tật mặt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Khuyết tật xếp. ACB Lập phương xếp chặt (CCP) B C + + FCC = A Khuyết tật mặt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Khuyết tật xếp. A B + HCP = A + Khuyết tật mặt 61 62 63 08/03/2020 22 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Khuyết tật xếp. ABC ABC ABC ABC ABC AB AB ABC Lập phương xếp chặt (CCP) CCP với khuyết tật xếp HCP AB AB AB AB AB ABC AB AB Lục giác xếp chặt (HCP) FCC HCP với xhuyết tật xếp Vùng hoàn chỉnh Vùng khuyết tật Khuyết tật mặt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Khuyết tật xếp. Tiglet Besara, Non-stoichiometry and Defects in the Weyl Semimetals T aAs, TaP, NbP, and NbAsO. Klein, Journal of Crystal Growth 324(1):63-72 Khuyết tật mặt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.2. Khuyết tật cấu trúc Khái niệm: kích thước lớn theo 3 chiều. WitoldChrominski, ActaMaterialia103(2016)547-557 (Al-Mg-Si) (a)1h (b)4h (c)14h, (d)CG14h Đám nguyên tử Lỗ hổng và vết nứt Laure Bourgeois, The Role of Interfacial Structure and Defects in Precipitation Pat hways in Aluminium Alloys. The 16th Eu ropean Microscopy Congress, Lyon, Fran ceRandi Holmestad, Precipitation in an Al-Mg-Si-Ge-Cu Alloy Các pha phân tán Khuyết tật khối 64 65 66 08/03/2020 23 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo • K/n: Hình chiếu cầu – Hình chiếu Stereo • Phương chiếu [110] ([uvw]) (zone axis) là gì? • Lưới Wulff (Stereonet) • Mối quan hệ giữa nhiễu xạ điện tử và hình chiếu Stereo • Hình chiếu cực Stereo trong hệ lập phương Hình chiếu cực Stereo Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Hình chiếu cầu x [100] y [010] z [001] (010) (100) (001) 0 001 100 010 _ 100 _ 010 _ 001 (100) (001) (010) Kiểu mạng lập phương: Các mặt tinh thể (100), (010), (001) có các pháp tuyến tư ơng ứng [100], [010], và [001] Hình chiếu cầu của mặt và hình chiếu cực 67 68 69 08/03/2020 24 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Hình chiếu cầu 001 100 010 _ 100 _ 010 _ 001 (100) (001) (010)Xác định hình chiếu cầu của mặt: • Vẽ hình cầu tâm O bán kính bất kỳ (R) • Tịnh tiến mặt tinh thể về tâm O • Xác định đường tròn là giao mặt phẳng với mặt cầu, vòng tròn đi qua tâm O (2R), gọi là vòng tròn lớn Xác định hình chiếu cực (pole) của mặt: • Tịnh tiến mặt về tâm O • Kẻ phương OM  mặt (pháp tuyến) • Xác định giao điểm của OM với mặt cầu Hình chiếu cầu của mặt và hình chiếu cực Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Hình chiếu Stereo • Vẽ hình cầu tâm O bán kính bất kỳ (R) • Trục NS qua tâm O là trục chiếu • Mặt phẳng Q qua tâm O,  NS là mặt chiếu • Mặt chiếu cắt mặt cầu tạo thành vòng tròn chiếu • N, S là điểm nhìn Xác định hình chiếu Stereo của một phương: • Xác định giao điểm M của phương với mặt cầu • Nối M với S cắt mặt chiếu tại M´ gọi là hình c hiếu Stereo của phương Om N K M S M´ K´ O Qm Vòng tròn chiếu Trục chiếu M´ M Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Hình chiếu Stereo • Vẽ hình cầu tâm O bán kính bất kỳ (R) • Trục NS qua tâm O là trục chiếu • Mặt phẳng Q qua tâm O,  NS là mặt chiếu • Mặt chiếu cắt mặt cầu tạo thành vòng tròn chiếu • N, S là điểm nhìn Xác định hình chiếu Stereo của một mặt: • Về nguyên tắc, hình chiếu Stereo của mặt phẳng là tập hợp các hình chiếu của phương đi qua các điểm thuộc mặt phẳng đó theo hướng chiếu • Tịnh tiến mặt phẳng về tâm O, xác định giao của mặt với mặt cầu (nửa cầu trên) theo cung M1M2...M7 • Nối S với các điểm của cung và cắt mặt chiếu theo cung M1M´2...M7 là hình chiếu của một mặt (là 1 đường cong) N M1 S O M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M 2´ M 6´ • Mặt phẳng // mặt chiếu là vòng tròn chiếu • Mặt phẳng  mặt chiếu là đường kính mặt tròn chiếu 70 71 72 08/03/2020 25 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Hình chiếu cực Stereo của mặt phẳng Hình chiếu cực Stereo trên mặt chiếu (001): • Mặt  [001], là mặt chiếu • Hình chiếu cực của mặt (001) là hình chiếu Stereo của phương [001] (tâm O) • H/c cực của họ mặt {110}, {111} là h/c Stereo của các họ phương , tương ứng. • Thực tế thường dùng hình chiếu Stereo của các phương pháp tuyến  các mặt, gọi là hình chiếu cực của mặt • Mỗi mặt được thể hiện qua một điểm • Các trục đối xứng bậc 1, 2, 3, 4, và 6 được biểu diễn trên hình chiếu Stereo bởi các ký hiệu: • Mặt chiếu là mặt  trục (hướng) tinh thể nào đó (ví dụ: [001], [011], [111] ... Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Phương chiếu [uvw] (zone axis) Phương chiếu [uvw] và mặt (hkl) thỏa mãn: hu + kv + lw = 0 Phương chiếu Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Lưới Wulff (Stereonet) • Để đo góc giữa hai hướng • Để tìm cực của vòng tròn lớn • Để tìm vòng tròn lớn tương ứng với một cực • Sử dụng các vòng tròn lớn để đo góc • Để tìm góc giữa hai mặt phẳng • Để xoay hình chiếu xung quanh một trục nằm trong mặt phẳng hì nh chiếu. 73 74 75 08/03/2020 26 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Lưới Wulff (Stereonet) Vòng tròn lớn Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Lưới Wulff (Stereonet) Vòng tròn nhỏ Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Lưới Wulff (Stereonet) Góc  giữa hai mặt (hikili) và (hjkjlj) được xác định: 222222 . jjjiii jijiji lkhlkh llkkhh Cos    76 77 78 08/03/2020 27 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Lưới Wulff (Stereonet) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Phương chiếu [110] ([uvw]) (zone axis) Mối quan hệ giữa nhiễu xạ điện tử và hình chiếu Stereo Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Mối quan hệ giữa nhiễu xạ điện tử và hình chiếu Stereo Spherical projection of Kikuchi lines for a perfect FCC nickel crystal. (10.1016/j.mex.2018.09.001) [001] 79 80 81 08/03/2020 28 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Hình chiếu cực Stereo trong hệ lập phương Phương chiếu [011] trong hệ lập phương • Xác định phương chiếu [uvw] (pháp tuyến của mặt chiếu) • Xác định h/c cực Stereo của các mặt phẳng (hkl)  mặt chiếu ( vòng tròn chiếu) - Nguyên tắc mối quan hệ giữa [uvw] và (hkl): • Xác định góc giữa hai mặt phẳng (h1k1l1) và (h2k2l2): - Nguyên tắc: bất kỳ h/c cực Stereo của mặt (hkl) nào nằm giữa hai h/c cực (h1k1l1) và (h2k2l2) dọc theo vòng tròn lớn: h = h1 + h2; k = k1 + k2; l = l1 + l2; hu + kv + lw = 0 222222 . jjjiii jijiji lkhlkh llkkhh Cos    Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo [100](011) [011] [001]45o z x y _ [011] _ [100] _ [0 11] _ [011]  [001]  [0 11] (011) 109.47o 70.53o _ [111] _ [111] Hình chiếu cực Stereo trong hệ lập phương Phương chiếu [011] trong hệ lập phương Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Hình chiếu cực Stereo trong hệ lập phương Phương chiếu [011] trong hệ lập phương 70,53o 82 83 84 08/03/2020 29 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1.1.3. Hình chiếu cầu - Hình chiếu Stereo Hình chiếu cực Stereo trong hệ lập phương Phương chiếu [001] và [111] trong hệ lập phương 85