Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Bài: Sai sót trong cấu trúc chất rắn - Cao Xuân Việt
SAI SÓT TRONG CẤU TRÚC
CHẤT RẮN
TINH THỂ THỰC
1. Thực tế hay tinh thể thực:
2. Không có tinh thể hoàn thiện
3. Nhiều vật liệu có những tính chất được ứng dụng nhờ
tạp chất (hợp kim, bán dẫn, lazer…)
2
CÁC LOẠI SAI LỆCH HAY SAI SÓT
• Ô (NÚT) trống nguyên tử
• Nguyên tử xen kẽ
• Nguyên tử thay thế
Sai sót điểm
1-2 atoms
Sai sót đường
• Lệch mạng
1-dimensional
Sai sót mặt
2-dimensional
• Biên hạt
3
Sai sót khối
SAI SÓT ĐIỂM TRONG KIM LOẠI
• Ô TRỐNG:
Vacancy
distortion
of planes
• XEN GIỮA MẠNG:
self-interstitial
distortion
of planes
4
XEN GIỮA MẠNG
In metals, a self interstitial introduces relatively
large distortions (strain) in the surrounding lattice
since the atom is substantially larger than the
interstitial site.
SAI SÓT ĐIỂM TRONG CERAMIC
• Ô trống có thể ở vị trí cation và anion
Cation Interstitial
Cation Vacancy
Adapted from Fig. 5.2, Callister & Rethwisch 3e.
(Fig. 5.2 is from W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, and
J. Wulff, The Structure and Properties of
Materials, Vol. 1, Structure, John Wiley and 6Sons,
Inc., p. 78.)
Anion Vacancy
SAI SÓT FRENKEL VÀ SCHOTTKY
• Frenkel Defect
To maintain the charge neutrality, a cation vacancy-cation interstitial
pair occur together. The cation leaves its normal position and moves to
the interstitial site.
• Schottky Defect
To maintain the charge neutrality, remove 1 cation and 1 anion;
this creates 2 vacancies.
Schottky
Defect
Adapted from Fig. 5.3, Callister & Rethwisch 3e.
(Fig. 5.3 is from W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, and
J. Wulff, The Structure and Properties of
Materials, Vol. 1, Structure, John Wiley and Sons,
Inc., p. 78.)
Frenkel
7
Defect
CÂN BẰNG NỒNG ĐỘ SAI SÓT ĐIỂM
• Nồng độ lỗ trống biến đổi theo nhiệt độ khi T≠0 .
Năng lượng hoạt hóa–
energy required for formation of vacancy
Số lỗ trống
N
Q
v
v
=
exp
Số nút mạng
N
kT
Nhiệt độ
Hằng số Boltzmann
(1.38 x 10-23 J/atom-K)
(8.62 x 10-5 eV/atom-K)
Each lattice site
is a potential
vacancy site
8
T ≠ 0 K NV ≠ 0
XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG HOẠT HÓA
• Qv từ thực nghiệm
N
Q
v
v
exp
=
N
kT
• Đo T và Nv.
• Replot it...
Độ nghiêng
N
N
v
v
ln
N
N
-
Q /k
v
Số mũ
T
1/T
Nồng độ sai sót
9
TÍNH NỒNG ĐỘ SAI SÓT
• Ex 5.1: xác định nồng độ sai sót trong 1 m3 Cu ở 1000C.
• Biết:
3
r
= 8.4 g/cm
A = 63.5 g/mol
Cu
N = 6.02 x 1023 atoms/mol
Q = 0.9 eV/atom
A
v
0.9 eV/atom
N
Q
v
v
-4
=
exp
= 2.7 x 10
N
kT
1273 K
8.62 x 10-5 eV/atom-K
x 1 m3 = 8.0 x 1028 sites
NA
For 1 m3 , N =
r
x
ACu
• Đáp số:
10
N = (2.7 x 10-4)(8.0 x 1028) sites = 2.2 x 1025 vacancies
v
Adapted from Fig. 5.7,
Callister & Rethwisch 3e.
SAI SÓT TRONG POLYMER
Sai sót trong từng phần chuỗi và tạp chất ở đầu và
một phía của chuỗi
11
HỢP KIM
Kim loại nguyên chất tinh khiết tới 99.9999%, vẫn
có 1022 to 1023 nguyên tử tạp chất trong 1 m3 vật
liệu.
Phần lớn kim loại là hợp kim. Hợp kim làm tăng
độ bền, bền hóa, tính dẻo, giảm Tnc.
Ví dụ, sterling bạc 92.5% Ag, 7.5% Cu.Tác dụng
của đồng làm tăng cường độ và chống ăn mòn.
12
DUNG DỊCH RẮN
Các ng.tử tạp chất tạo d.d. rắn trong kim loại (hợp kim).
Chất tan là ng.tố có lượng ít, dung môi là ng.tố có lượng
nhiều.
D.d. rắn hình thành khi thêm Cu (ch.tan) vào Al (d.môi).
Không có sự thay đổi cấu trúc, nhưng tham số mạng có thể
thay đổi (định lý Varne)..
D.d. rắn là hệ chất rắn đồng nhất.
Ng.tử tạp chất (Cu) phân bố ngẫu nhiên trong ch.rắn.
Sai sót tạp chất trong d.d. rắn có thể là sai sót thế hoặc sai
sót lẫn.
13
SAI LỆCH TRONG KIM LOẠI
Điều gì xảy ra khi tạp chất (B) được đưa vào vật chủ (A)?
• Solid solution of B in A (random distribution of point defects)
OR
Dung dịch rắn thế.
Dung dịch rắn xen kẽ.
(e.g., Cu in Ni)
(e.g., C in Fe)
• Dung dịch rắn B trong A có thêm hạt pha mới, thường giàu B
Pha thứ hai
-- khác biệt thành phần
-- có thể khác cấu trúc
14
QUI TẮC HUME - ROTHERY
Qui tắc Hume-Rothery: những điều kiện cơ bản
cho một nguyên tố hòa tan vào kim loại, tạo
dung dịch rắn thế.
Bán kính nguyên tử của dung môi và chất tan khác nhau
không quá 15% (r < 15%).
1. Dung môi và chất tan có độ âm điện tương đương
electronegativities.
2. Có cấu trúc tinh thể tương tự
3. Cùng hóa trị. Kim loại hóa trị thấp có xu hưóng hòa tan
trong kim loại hóa trị cao,
15
DUNG DỊCH RẮN THẾ
Cu và Ni
Element
Atomic Crystal
Radius Structure
(nm)
Electro-
nega-
tivity
Valence
Cu
C
0.1278
0.071
FCC
1.9
2.5
+2
H
O
0.046
0.060
Ag
Al
Co
Cr
Fe
Ni
0.1445
0.1431
0.1253
0.1249
0.1241
0.1246
0.1376
0.1332
FCC
FCC
HCP
BCC
BCC
FCC
FCC
HCP
1.9
1.5
1.8
1.6
1.8
1.8
2.2
1.6
+1
+3
+2
+3
+2
+2
+2
+2
Pd
Zn
DUNG DỊCH RẮN XEN KẼ (LẪN)
Carbon tạo dd rắn xen kẽ với sắt (Fe). Nồng độ
maximum 2%.
RC << RFe (0.071nm vs 0.124 nm).
Qui tắc Hume-Rothery:
1. Bán kính ng.tử chất tan bé hơn nhiều lỗ trống
trong mạng chất tan.
2. Dung môi và chất tan cùng độ âm điện.
17
SAI SÓT ĐƯỜNG TRONG CHẤT RẮN
Lệch mạng:
• là dạng sai sót đường,
• sự trượt giữa các mặt tinh thể khi lệch mạng
• biến dạng vĩnh viễn (dẻo).
Zn (HCP):
• trước biến dạng
• sau khi tác dụng lực
Bước trượt
18
LỆCH BIÊN
Sai sót đường (lệch mạng) một chiều do sắp xếp lại các ng.tử liền kề.
Sai sót đường liên quan tới biến dạng cơ.
Điển hình: Biên, xoắn, hỗn hợp..
Lệch biên:
.Chèn nửa mặt phẳng
vào mạng
lệch;
.Trục lệch: Biên của
mặt kết thúc trong tinh
thể. ()
.Xung quanh biên,
mạng bị biến dạng ..
.Vector Burger b
vuông góc () với
đường lệch (mức sai
lệch).
19
Vector Burger, b: mức độ sai lệch
SỰ DỊCH CHUYỂN BIÊN
• Dịch chuyển lệch cần tiếp xúc được với một nửa mặt
nguyên tử (từ trái sang phải).
• Liên kết qua mặt trượt bị bẻ gãy và tái tạo lại. Biến dạng
đàn hồi của phần lớn tinh thể có được nhờ sự dịch
chuyển biên.
• Phần lớn lệch mạng thể hiện khi đóng rắn, biến dạng đàn
hồi và làm nguội nhanh (ứng suất nhiệt).
• Biến dạng đàn hồi có nghĩa là các mặt nguyên tử trượt
qua nhau.
Các ng.tử lệch trượt
từ trái qua phải theo
mặt trượt
20
Tải về để xem bản đầy đủ
50 trang
25600
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Bài: Sai sót trong cấu trúc chất rắn - Cao Xuân Việt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_co_so_khoa_hoc_vat_lieu_bai_sai_sot_trong_cau_truc.pdf
