Vat lieu co khi HUI

1. 1
IUH - 2016

2. 2
CH2 - KHUYẾT TẬT VÀ CƠ CHẾ HÓA BỀN
TẠI SAO chúng ta nghiên cứu khuyết tật và cơ chế hóa bền?
 Khi chúng ta biết được bản chất và vai trò của các khuyết
tật trong vật rắn tinh thể, chúng ta có thể hiểu cơ chế hóa
bền và tạo ra các kỹ thuật tương ứng để hóa bền vật liệu.
Liên kết nguyên tử
Cấu trúc
tinh thể
Khuyết tật
trong vật rắn
Tính chất

3. 3
Nội dung
Khuyết tật trong vật rắn
0D, Khuyết tật điểm
Nút trống, Nguyên tự
xen kẽ, Tạp chất
1D, Lệch
Lệch biên, Lệch xoắn
2D, Biên giới hạt
3D, Khuyết tật khối
Biến dạng dẻo
Chuyển động của lệch
Hệ trượt
Biến dạng dẻo trong
- Đơn tinh thể
- Vật liệu đa tinh thể

4. 4
Cơ chế hóa bền
Giảm cỡ hạt
Hóa bền bằng dung dịch rắn
Hóa bền biến dạng
Phục hồi, tinh thể hóa và phát triển hạt
Phục hồi ?
Tinh thể hóa?
Phát triển tinh thể

5. 5
Khuyết tật trong vật rắn
Các khuyết tật có tác động sâu sắc đến các đặc tính
của vật liệu
Khi sản xuất các thiết bị bán dẫn tiên tiến người ta
đưa vào các khuyết tật đặc biệt ở các khu vực nhỏ
của mẫu.
Khuyết tật có tác dụng tạo màu sắc (và giá cả) của
tinh thể kim cương
Quá trình rèn một chi tiết làm tang thuyết tật trong
vật liệu và làm tang cơ tính của chi tiết đó.

6. 6
Một mô hình 2D của một tinh thể hoàn hảo với cách
bố trí lặp đi lặp lại của các nguyên tử.
Nhưng cấu trúc của vật liệu thực luôn
tồn tại các khuyết tật
Khuyết tật trong vật rắn

7. 7
Các loại khuyết tật (tùy thuộc vào kích thước): có thể được phân
thành bốn loại :
 0D, Khuyết tật điểm: thiếu nguyên tử hoặc nguyên tử được đặt vào
trong mạng không theo quy luật
 1D, Khuyết tật đường (lệch): một nhóm các nguyên tử sắp xếp không
quy luật, có hai loại là lệch biên và lệch xoắn
 2D, Khuyết tật mặt: là các vùng nguyên tử sắp xếp không trật tự xen
giữa các vùng có trật tự (tinh thể) (Biên giới hạt, bề mặt tinh thể,
khuyết tật xếp)
 3D, Khuyết tật khối: các khuyết tật mở rộng cả 3 chiều (lỗ, vết nứt)
Loại khuyết tật trong vật rắn

8. 8
Nút trống (Vacancy): thiếu một nguyên tử ở vị trí lẽ ra phải có
Nguyên tử tự thay thế (Self-interstitials): Một nguyên tử xen vào khoảng
trống giữa các nguyên tử sắp xếp hoàng chỉnh
Khuyết tật điểm - Nút trống và nguyên tử tự thay thế

9. 9
• Tất cả các chất rắn thực chất là không
sạch. Kim loại siêu sạch cũng chỉ 99.9999%
• Có thể là cố ý hay vô ý. Ví dụ: them vào
Fe lượng nhỏ C tạo ra thép, độ bền cao
hơn sắt tinh khiết.
• Hợp kim - hỗn hợp của các kim loại tạo
nên một cách cố ý. VD: Bạc trang sức chứa
92.5% Ag – 7.5% Cu. Bền hơn bạc nguyên
chất rất nhiều
Khuyết tật điểm – Nguyên tử tạp chất

10. 10
Dung dịch rắn: là chất rắn được “hòa tan” với chất rắn khác (chất
tan). Khả năng tiếp nhận các nguyên tử chất rắn khác gọi là khả
năng hòa tan (solubility).
 Dung môi: Trong một hợp kim, dung môi là chất “hòa tan” chất
khác, có thành phần nhiều hơn
 Chất tan: Trong hợp kim, nguyên tử chất tan xen lẫn vào dung môi
 Đặc trưng: đồng đều, vẫn giữ lại cấu trúc dung môi, chứa các tạp
chất phân tán ngẫu nhiên
 Pha thứ hai: khi các nguyên tử chất tan được thêm vào, một hợp
chất mới (cấu trúc mới) hình thành gọi là pha thứ hai (precipitates)
Dung dịch rắn – Pha rắn chứa tạp chất

11. 11
DD rắn thay thế (Cu-Ni) – các yếu tố tạo
nên khả năng hòa tan cao:
 Cỡ nguyên tử: nguyên tử cần phải "phù
hợp" ⇒ bán kính nguyên tử chất
tan/dung môi không lớn hơn 15%
 Cấu trúc tinh thể của chất tan và dung
môi phải giống nhau
 Độ âm điện: không chênh lệch nhiều
(nếu nhiều sẽ tạo liên kim loại)
 Hóa trị: một kim loại có xu hướng hòa
tan một kim loại khác có hóa trị cao hơn
Dung dịch rắn – Thay thế

12. 12
DD rắn xen kẽ (C trong α-Fe) – Các yếu tố tạo nên tính hòa tan cao:
 Với các cấu trúc tinh thể FCC, BCC, HCP lỗ hổng giữa các nguyên tử
khá nhỏ, nên bán kính nguyên tử chất tan phải đủ nhỏ mới có thể
hòa tan vào kim loại nền được
Dung dịch rắn – Xen kẽ

13. 13
 Sai lệch đường là loại có kí ch thước nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo hai
chiều và lớn theo chiều thứ ba, tức có dạng của một đường (đường thẳng,
cong, xoáy trôn ốc)
 Có hai loại: lệch biên và lệch xoắn
Lệch đóng vai trò rất quan trọng trong tính chất cơ học của vật liệu
Khuyết tật đường (lệch)

14. 14
Mật độ lệch
Tổng số lệch trên một đơn vị thể tích
hoặc số lệch cắt quá một diện tích bề
mặt.
Mật độ lệch có thể biến đổi tử 105
cm-2 trong một tinh thể đến 1012 cm-2
trong kim loại khi bị biến dạng nặng.
14
Khuyết tật đường (lệch)

15. 15
 Mặt ngoài tinh thể: ranh giới nơi vật liệu kết
thúc, các nguyên tử bề mặt ngoài không được
liên kết với số lượng tối đa các nguyên tử gần
nhất do đó có năng lượng cao hơn so với các
nguyên tử bên trong và làm mất cân đối tạo
nên sai lệch mặt.
 Giảm diện tích bề mặt để giảm năng lượng hệ
(e.g. giọt lỏng)
Khuyết tật mặt

16. 16
 Biên giới hạt – Vật liệu đa tinh thể bao gồm rất nhiều tinh thể nhỏ. Vùng
giữa các hạt có sự sắp xếp nguyên tử không trật tự gọi là biên giới hạt.
 Kim loại chứa nhiều tạp chất bao nhiêu thì
vùng biên giới càng dày bấy nhiêu vì nó có
khả năng hòa tan nhiêu nguyên tử tạp chất.
 Vì năng lượng ở biên hạt cao, các hạt có xu
hướng mở rộng bằng cách khuếch tán các
nguyên tử biên vào khi vật liệu được nung
nóng.
Khuyết tật mặt

17. 17
 Các dạng sai lệch có kích thước lớn theo cả ba chiều.
 Chia hai loại cơ bản theo ảnh hưởng của chúng đến tính chất của vật
liệu:
• Các khuyết tật xuất hiện ngẫu nhiên trong qúa trình sản xuất vật liệu (nấu luyện,
đúc kim loại, hợp kim ...như lõm co, rỗ co, ngậm xỉ hoặc hình thành pha thứ hai.
• Loại xuất hiện do sự cố ý của người sản xuất: sự tiết pha thứ hai do phân huỷ
dung dịch rắn quá bão hoà, các hạt ceramic trong composite…
Khuyết tật khối

18. 18
Lệch và Biến dạng dẻo
Lịch sử
 Các nghiên cứu ban đầu chỉ ra rằng độ bền lý thuyết của tinh thể
hoàn hảo lớn hơn rất nhiều độ bền của tinh thể thực chế tạo trong
phòng thí nghiệm
 Trong những năm 1930 người ta phát hiện ra sự khác biệt trên là do
một loại khuyết tật tinh thể tuyến tính – lệch.
 Cho đến những năm 1950 các nhà khoa học mới có thể quan sát
trực tiếp các lệch nhờ vào kính hiển vi điện tử.
 Kể từ đó lý thuyết về lệch dung để giải thích rất nhiều hiện tượng
cơ – lý trong kim loại và ceramic tinh thể.

19. 19
TẠI SAO vật liệu lại bị biến dạng?
 Câu trả lời là vì sự chuyển động với số lượng lớn các lệch khi chịu tác
động của ứng xuất tiếp theo phương vuông góc với đường lệch.
 Sự chuyển động của kệch gọi là trượt và bề mặt tinh thể mà lệch trượt
dọc theo đó gọi là mặt trượt
Lệch và Biến dạng dẻo

20. 20

21. 21
Hướng lệch chuyển động
 Lệch biên di chuyển theo hướng
song song với hướng lực tác động.
 Lệch xoắn thì di chuyển theo hướng
vuông góc với lực tác động
Lệch và Biến dạng dẻo

22. 22
Tính chất của lệch
 Luôn có trường biến dạng bao
quanh
Trường biến dạng tang mạnh ở lõi
lệch, và giảm dần ra xa
Lệch và Biến dạng dẻo

23. 23
 Tương tác giữa các lệch
Lệch và Biến dạng dẻo

24. 2424
 Hệ trượt
Mặt trượt: nơi lệch trượt, mặt có
mật độ xếp chặt cao nhất
Phương trượt: hướng ưu tiên cho
lệch trượt
Hệ trượt: Tập hợp các mặt trượt
và phương trượt
Lệch và Biến dạng dẻo

25. 25
Trượt trong đơn tinh thể
 Trượt xuất hiện trong mặt xếp chặt.
 Cần ứng suất tiếp thấp hơn để trượt trong mặt xếp chặt.
Lệch và Biến dạng dẻo
Mặt xếp chặt,
dễ trượt
Mặt không xếp
chặt, khó trượt

26. 26
Trượt trong đơn tinh thể
 Ứng suất tiếp tới hạn - Ứng suất tiếp tối
thiểu để “khởi động” quá trình trượt
 Trượt sẽ bắt đầu khi ứng suất tiếp trên
mặt trượt và phương trượt đạt giá trị tới
hạn.
 Ứng suất này tương đương với giới hạn
đàn hồi, σy
Schmid’s Law:
Lệch và Biến dạng dẻo
Phương
vuông góc
mặt trượt
Phương
trượtDiện tích mặt
trượt, A1

27. 27
Trượt trong đơn tinh thể
Trong vật liệu dẻo trượt xuất hiện trên
rất nhiều mặt trượt tạo ra dải trượt.
Lệch và Biến dạng dẻo
Dải trượt

28. 28
Biến dạng dẻo trong đa tinh thể
Dải trượt trong kim loại dẻo đa tinh thể xuất hiện trong rất
nhiều mặt trượt khác nhau.
• Định hướng tinh thể theo hướng tác
dụng lực là ngẫy nhiên.
• Lệch sẽ chuyển động theo hệ trượt có
định hướng thích hợp với phương tác
dụng lực, với ứng suất tiếp cao nhất.
• Bề mặt vật liệu không có các dải trượt
Chỗ thắt tạo ra trên mẫu khi kéo
Lệch và Biến dạng dẻo
Dải trượt trên các tinh thể khác nhau

29. 29
Biến dạng dẻo trong đa tinh thể
• Biến dạng dẻo rảy ra mãnh liệt theo hướng dãn dài dọc hướng tác
dụng lực.
Before After
Lệch và Biến dạng dẻo

30. 30
Cơ chế hóa bền trong vật liệu kim loại
Nguyên lý đơn giản: Hạn chế hoặc cản trở chuyển động của
lệch làm cho vật liệu trở nên cứng hơn, bền hơn.
Cơ chế hóa bền trong vật liệu đơn pha:
• Giảm cỡ hạt tinh thể
• Hợp kim hóa (tạo dung dịch rắn)
• Hóa bền biến dạng (tăng lệch)
•Vô định hình hóa
• Đơn tinh thể hóa (không lệch)
Nên nhớ rằng, tăng độ bền sẽ giảm độ dẻo

31. 31
Hóa bền bằng giảm cỡ hạt tinh thể:
• Lệch phải trượt ngang qua biên giới hạt ( từ hạt A sang hạt B).
• Biên giới hạt đóng vai trò ngăn cản chuyển động của lệch vì hai lý
do sau:
Định hướng tinh thể của các hạt
khác nhau
-> thay đổi hướng trượt
-> cần nhiều năng lượng hơn
Mặt trượt mất liên tục từ hạt tinh
thể này sang hạt tinh thể khác
Cơ chế hóa bền trong vật liệu kim loại

32. 3232
Hóa bền bằng giảm cỡ hạt tinh thể :
• Biên giới hạt góc nhỏ không có hiệu quả lớn trong
việc ngăn lệch trượt.
• Biên giới hạt góc lớn có tác dụng hóa bền cao
hơn. Sự tập trung ứng suất ở cuối của mặt phẳng
trượt có thể gây ra các lệch mạng mới trong hạt
lân cận.
Cơ chế hóa bền trong vật liệu kim loại

33. 33
Hóa bền bằng giảm cỡ hạt tinh thể:
• Diện tích biên giới hạt lớn (hạt mịn) tác
dụng ngăn lệch cao -> Giảm cỡ hạt tinh
thể luôn tăng độ bền, độ dai.
• Theo biểu thức Hall-Petch:
Giới hạn đàn hồi vs. Cỡ hạt tinh thể, d
70 Cu - 30 Zn brass alloy
d có thể điều khiển bằng tốc độ nguội, mức
độ biến dạng dẻo và pp xử lý nhiệt hợp lý.
Cơ chế hóa bền trong vật liệu kim loại

34. 3434
Hóa bền dung dịch rắn:
• Tăng độ bền kim loại bằng cách hợp kim hóa với các nguyên tử tạp chất (Tạo ra
dung dịch rắn thay thế hoặc dung dịch rắn xen kẽ)
• Các nguyên tử tạp chất tạo ra sự xô lệch mạng quanh các nguyên tử nền. Sự tương
tác lẫn nhau của các trường ứng suất giữa lệch và các nguyên tử tạp chất làm cho
sự chuyển động của lệch bị cản trở.
Cơ chế hóa bền trong vật liệu kim loại

35. 35
Hóa bền dung dịch rắn
• Kim loại sạch luôn luôn mềm và “yếu” hơn các hợp kim.
• Tăng hàm lượng nguyên tử hợp kim sẽ có xu hướng tăng giới hạn đàn hồi
và giới hạn chảy.
Cơ chế hóa bền trong vật liệu kim loại

36. 36
Hóa bền biến dạng
• Hóa bền bằng cách
tăng mật độ lệch
thông qua biến
dạng dẻo
• Khoảng cách giữa
các lệch giảm, làm
tăng xác suất các
lệch đan xen, ngăn
cản nhau.
Cơ chế hóa bền trong vật liệu kim loại

37. 37
Hóa bền biến dạng
• Phần trăm biến dạng nguội thường dùng để biểu thị mức độ biến dạng:
A0 – Diện tích mặt cắt ngang
ban đầu
Ad – diện tích mặt cắt ngang
sau khi biến dạng
Cơ chế hóa bền trong vật liệu kim loại
Ảnh hưởng của biến dạng nguội
tới hành vi biến dạng của thép các
bon thấp

38. 38
Phục hồi, tinh thể hóa và phát triển hạt
 Biến dạng dẻo tạo ra sự thay đổi cấu trúc rồi tính chất thông qua thay
đổi hình dáng, kích cỡ hạt tinh thể, làm tăng mật độ lệch -> kết quả
là vật liệu chứa năng lượng biến dạng với các vùng bị căng ra, bị nén
lại hoặc chịu một ứng suất tiếp quanh các lệch mới tạo ra.
 Độ dẻo, tính dẫn điện, độ chịu ăn mòn có thể giảm do các kết quả của
quá trình biến dạng dẻo.
 Các tích chất hay cấu trúc của vật liệu có thể phục hồi lại như trạng
thái trước khi biến dạng dẻo thông qua quá trình xử lý nhiệt hợp lý
như quá trình xử lý nhiệt phục hồi, kết tịnh lại hay thậm chí làm tăng
cỡ hạt tinh thể.

39. 39
Phục hồi
Nung nóng → tăng tốc độ khuếch
tán → kích thích lệch chuyển
động
Giảm mật độ lệch do triệt tiêu
nhau, hình thành các lệch có
năng lượng thấp hơn
Giải phóng năng lượng biến
dạng

40. 40
Kết tinh lại
• Sau khi quá trình phục hồi, các hạt tinh thể vẫn ở trạng thái
biến dạng khá lớn.
• Tinh thể hóa hình thành các hạt ít hoặc không đồng trục (mật
độ lệch trong vật liệu rất thấp).
• Quá trình tinh thể hóa gồm: tạo mầm và phát triển thành hạt.
• Nhiệt độ tinh thể hóa: Nhiệt độ tại đó quá trình tinh thể hóa
kết thúc trong thời gian một giờ, nằm khoảng 1/3 tới 1/2
nhiệt độ nóng chảy.

41. 41
Kết tinh lại
• Nhiệt độ tinh thể hóa tăng
khi %CW giảm. Dưới giá trị
tới hạn kết tinh lại sẽ không
sảy ra.

42. 42
Phát triển hạt
• Sau khi quá trình tinh thể hóa hoàn thành, các hạt không còn biến
dạng sẽ tiếp tục phát triển nếu vật liệu vẫn giữ ở nhiệt độ cao, nói
cách khác là hạt tinh thể sẽ tăng kích cỡ lên.
• Động lực thúc đẩy quá trình: vật liệu luôn có xu hướng giảm năng
lượng của hệ để tiến tới trạng thái ổn định. Khi hạt tăng kích cỡ,
tổng diện tích biên giới hạt sẽ giảm dẫn tới giảm nội năng trong vật
liệu.
• Sự phát triển hạt không cần phải trải qua quá trình phục hồi và tinh
thể hóa trước. Hiện tượng này có thể xảy ra trong tất cả các vật liệu
đa tinh thể (kim loại và gốm).

43. 43
• Quá trình phát triển hạt bắt đầu bằng sự di
chuyển biên giới hạt.
• Không phải tất cả các hạt đều phát triển,
nhưng hạt lớn phát triển nên từ các hạt nhỏ.
• Cỡ hạt trung bình của tinh thể sẽ tăng theo
thời gian, tại một thời điểm bất kỳ nào đó luôn
tồn tại một loạt các kích cỡ hạt.
• Sự di chuyển biên giới hạt chỉ là sự khuếch tán
các nguyên tử ở khoảng cách ngắn, từ rìa biên
giới hạt này tới hạt khác.
Phát triển hạt
Nguyên tử khuếch
tán ngang qua
biên giới hạt
Hướng di chuyển
của biên giới hạt

44. 44
• Sự phục hồi, tinh thể hóa và phát
triển hạt của vật liệu sau khi cán.
Phục hồi, tinh thể hóa và phát triển hạt
Ảnh hưởng của nhiệt độ nung (cho
1h ủ) đến độ bền kéo và độ dẻo của
hợp kim đồng thau (latông – brass).
Sự thay đổi cỡ hạt khi phục hồi,
tinh thể hóa và phát triển hạt.
Kích cỡ hạt = f(nhiệt độ ủ)

45. 45
Tổ chức tế vi của đồng thau khi tinh
thể hóa và phát triển hạt.
(a) Cấu trúc tinh thể sau khi biến dạng
(33%).
(b) Giai đoạn đầu quá trình tinh thể
hóa (580oC; 3s)
(c) Các hạt tinh thể mới thay thế một
phần các hạt bị biến dạng (4s, 580oC).
(d) Kết thúc tinh thể hóa (8s, 580oC)
(e) Phát triển hạt sau 15 phút, ở 580oC
(f) Phát triển hạt sau 10 phút, ở 700oC.
Các tinh thể nhỏ bắt đầu
quá trình tinh thể hóa.
Phục hồi, tinh thể hóa và phát triển hạt

46. 46
Tóm tắt
Khuyết tật điểm/ đường/
mặt/ khối
Tạp chất
Tự thay thế
Dung dịch rắn
Dung môi/ chất tan
Dung dịch rắn xen kẽ/ dung
dịch rắn thay thế.
Nút trống
Hợp kim
Biến dạng nguội
Ứng suất tiếp tới hạn
Mật độ lệch
Trượt trong tinh thể
Hóa bền bằng giảm cỡ hạt
Hóa bền bằng tạo dung dịch rắn
Hóa bền biến dạng
Phục hồi
Tinh thể hóa
Phát triển hạt
Nhiệt độ kết tinh lại

47. 47

48. 48
Microscopic Examination
Basic concepts of Microscopy
It is necessary to examine the structural elements and defects <->
properties of materials
Structure:
Macrostructure elements are large enough to be observed with the
unaided eye (~ mm)
Microscopic dimensions on the order of microns (100s m - ~ms )
and their details must be investigated using some type of
microscope - > Microstructure (grain size and shape)
Microscopy - Microscope: Optical, electron (SEM, TEM), and
scanning probe

49. 49
MICROSCOPIC EXAMINATION
MacroStructure
Examples
steel street lighting columns
Piston of internal combustion engine
cast iron ingot

50. 50
MICROSCOPIC EXAMINATION
MicroStructure
Examples
a-ferrite (90X) and (b) austenite (325X)

51. 51
MICROSCOPIC EXAMINATION
MicroStructure
Examples (micro scale) – SEM Images
Fe-TiB2 composite
Fracture surface Inconel 690

52. 52
MICROSCOPIC EXAMINATION
MicroStructure Examples (nano scale)
TEM images
Gold nanoparticles

53. 53
Microscopic Examination
Optical Microscopy
 Base on the light reflection to study the microstructure
 Contrasts in the image produced result from differences
in reflectivity of the various regions of the microstructure

54. 54
Microscopic Examination
Observation: microstructure of metals and alloys
Photomicrograph of the surface of a polished and etched
polycrystalline specimen of an iron–chromium alloy in which the
grain boundaries appear dark, X100.

55. 55

56. 56
Microscopic Examination
Electron Microscopy
 Some structural elements are too fine to permit
observation using optical microscopy
 Using beams of electrons instead of light radiation
 Magnification: optical microscope 2000 X vs. electron
microscope 1.000.000 X (~ nm)
 Combination of Observation and Analysis
 Transmission beam modes (transmission electron
microscope - TEM) and reflection beam modes (scanning
electron microscope - SEM)

57. 57
Microscopic Examination
Scanning electron microscope (SEM): Magnifications: 10 to 50,000 X
Base on the second electron and backscattered electron reflection to
observe and analyze (EDS) the microstructure.

58. 58
Microscopic Examination
Transmission Electron Microscopy (TEM)
The image seen with TEM is formed by an electron beam
that passes through the specimen.
Magnifications: 1,000,000