Vật rắn chia làm 2 nhóm: Tinh thể và vô định hình
Trong vật rắn tinh thể, các chất điểm sắp xếp theo một quy luật trật tự hình học nhất định. Trong các vật rắn vô định hình các chất điểm sắp xếp hỗn loạn
Tất cả các kim loại và hợp chất của chúng ở trạng thái rắn đều là vật tinh thể [có cấu tạo tinh thể]. Chúng có nhiệt độ nóng chảy hoặc đông đặc xác định
Để nghiên cứu các quy luật sắp xếp các chất điểm trong vật tinh thể người ta nêu ra khái niệm về mạng không gian [mạng tinh thể] hình 3a
Xem thêm: Phân tích cấu tạo mạng tinh thể kim loại
+ Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn ngoại trừ thủy ngân. Ở trạng thái này các nguyên tử của các kim loại xắp xếp theo một trật tự nhất định trong không gian tạo thành mạng tinh thể.
+ Mạng tinh thể là mô hình không gian mô tả quy luật hình học của sự sắp xếp
các chất điểm[nguyên tử, ion hay phân tử] trong vật tinh thể.
+ Mạng tinh thể bao gồm các mặt đi qua chất điểm, các mặt này luôn luôn song
song cách đều nhau và được gọi là mặt tinh thể.
+ Khối cơ bản là các khối đơn giản giống nhau mà xếp theo ba chiều đo thì có được mạng tinh thể.. khối cơ bản là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể.
Trong mạng tinh thể, ion chiếm chỗ các nút mạng và dao động quanh các điểm nút đó như dao động quanh các vị trí cân bằng. Mạng tinh thể như gồm bởi các mặt đi qua các chất điểm, các mặt này luôn luôn song song và cách đều nhau gọi là các mặt tinh thể [H3b]
>> Khi biểu diễn mạng tinh thể của KL để đơn giản người ta chỉ vẽ một phần nhỏ
nhất đặc trưng cho một loại mạng gọi là ô cơ bản hay ô cơ sở [H3c]
Những nguyên tử trên phương đường chéo khối [a 3 ] tiếp xúc với nhau còn theo phương đường chéo mặt và cạnh a xếp rời nhau tạo nên những lỗ hổng có kích thước bé
a: gọi là thông số mạng [hằng số mạng, chu kỳ mạng…]
Mật độ nguyên tử của mạng [mật độ khối] là phần thể tích tính ra % của mạng do
các nguyên tử chiếm chỗ được xác định bằng công thức
Mv = [n.v]/V x 100% Số nguyên tử trong ô mạng n = Bán kính nguyên tử: r =[ a 3 ]/4
Thể tích của 1 nguyên tử : v = 4/3 ð.r Thể tích ô mạng: V = a
Ta tính được Mv = 68% . Mv càng cao thì thể tích riêng nhỏ, KLR cao
- Thông số mạng là kích thước cơ bản của mạng tinh thể, ở đây có thể tính ra được khoảng cách 2 ngtử bất kỳ trong mạng
Thông số mạng được đo bằng Ao hay kX
1 Ao = 10-8 cm
1 kx = 1,00202 Ao
Mạng LPTT chỉ có 1 TSM là a. khoảng cách 2 ngtử gần nhau nhất là d Các kim loại có kiểu mạng này là Fe
Các nguyên tử [ion] nằm ở các đỉnh và giữa [tâm] các mặt của hình lập phương.
Các kim loại: Fe, Cu, Ni, Al, Pb… có kiểu mạng lập phương diện tâm.
Hình 5: kiểu mạng lập phương diện tâm
a] Dạng thực ô cơ sở b] Phần thể tích các nguyên tử trong 1 ô
Các nguyên tử xếp sít nhau trên phương đường chéo mặt nên mặt tinh thể chéo hợp bởi phương này có các nguyên tử xếp sít nhau. Trên phương đường chéo khối và cạnh a các nguyên tử xếp rời nhau và tạo nên các lỗ hổng với số lượng ít hơn song kích thước lớn hơn
Mv = 74% với n = … Khoảng cách 2 ngtử gần nhau hay d =.
Các ngtử có kiểu mạng này là : Fễ, Cu, Ni, Al, Pb…
VD: ở nhiệt độ > 911 độ Fễ có kiểu mạng LPDT với a = 2,93 Ao
Hình 6: Kiểu mạng lục giác xếp chặt
a] Dạng thực ô cơ sở b] Phần thể tích các nguyên tử trong 1 ô c] Khối cơ bản
Bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáycủa hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối trung tâủ khối lăng trụ tam giác cách nhau.
Khối cơ bản kiểu mạng này như gồm bởi 3 lớp nguyên tử xếp sít nhau, các ngtử lớp đáy dưới xếp sít nhau rồi đến 3 ngtử ở giữa xếp vào khe lõm của lớp đáy do đó chúng cũng xếp sít nhau, các ngtử lớp đáy trên lại xếp vào các khe lõm của lớp giữa nhưng có vị trí trùng với vị trí lớp đáy dưới
Mv = 74% . Kiểu mạng này có 2 thông số mạng là a và c. Vì các lớp xếp sít nhau
nên a và c lại có sự tương quan
Trường hợp lý tưởng c/a = 1,633 [√8/3 ]. Thực tế ít gặp nên người ta quy ước nếu
c/a trong khoảng 1,57 đến 1,64 được coi là xếp chặt
VD: c/a của Be = 1,5682 ; Mg = 1,6235. Khi c/a khác giá trị trên quá nhiều thì được coi là không xếp chặt
Hình 7: Khối cơ bản của kiểu mạng chính phương thể tâm
Các kim loại không có kiểu mạng này, song đây là 1 kiểu mạng rất quan trọng của một tổ chức khi nhiệt luyện có được [ Kiểu mạng của tổ chức Maxtenxit ] có thể coi mạng CPTT là LPTT bị kéo dài ra theo trục Z
Nó có 2 thông số mạng là c và a. tỷ số c/a được coi là độ chính phương
Khá nhiều kim loại có đặc tính là ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau một nguyên tố có thể tồn tại với những kiểu mạng khác nhau. Tính chất này được gọi là tính thù hình
Fe là kim loại có tính thù hình, ở dưới 911 độ và từ 1392 – 1539 nó có kiểu mạng lptt … Ký hiệu Fe chính là Feα mất từ tính và tồn tại ở 768 – 910 độ. Trong thực tế từ tính của kim loại không liên quan đến cấu trúc của kim loại
Các dạng thù hình của cùng 1 nguyên tố được ký hiệu bằng các chữ cái hy lạp …
Trong kỹ thuật phải chú ý đến tính thù hình của KL vì khi chuyển biến thù hình sẽ gây ra các biến đổi quan trọng về thể tích và tính chất
VD: Nung sắt đến 911 độ có sự chuyển biến Feα [Mv=68%] sang Fe [Mv = 74%] thể tích giảm đi đột ngột. Khi làm nguội thì ngược lại, đó chính là quá trình tôi thép : mạng tinh thể của Fe biến đổi từ Fe sang Feα thể tích tăng sẽ không có lợi, gây ứng suất [hình vẽ]
Sn ở t0 thường [Sn- mạng chính phương diện tâm] khi làm nguội < -30 độ
chuyển màu xám
C có 2 dạng thù hình kim cương và graphít với 2 kiểu mạng rất khác nhau [kim cương và lục giác] t/c khác hẳn nhau: kim cương = 10.000HB, không dẫn điện còn Graphít rất mềm dẫn điện dễ vỡ vụn. Có điều đặc biệt là cả 2 dạng thù hình cùng // tồn tại ở to và áp suất thường. Hiện nay có thể chế tạo kim cương nhân tạo bằng cách ép Graphít ở 200 độ và p = 100.000 at
ST: Phan Đức Thuận
Hệ tinh thể lập phương là một hệ tinh thể có các ô đơn vị là hình lập phương. Đây là một trong những dạng tinh thể đơn giản nhất và phổ biến nhất của các tinh thể kim loại. Một cách tổng quát, nếu viết theo các véctơ tịnh tiến không gian thì cấu trúc lập phương sẽ có các hằng số mạng a = b = c {\displaystyle a=b=c}
Lập phương đơn giản
Lập phương tâm khối [bcc]
Lập phương tâm mặt [fcc]
- Lập phương đơn giản: là một hình lập phương, mỗi nút mạng là một nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương có cạnh là hằng số mạng. Cấu trúc lập phương đơn giản chỉ chứa 1 nguyên tử trong một ô nguyên tố.
- Lập phương tâm mặt [hay lập phương tâm diện]: là cấu trúc lập phương với các nguyên tử nằm ở các đỉnh hình lập phương [8 nguyên tử] và 6 nguyên tử khác nằm ở tâm của các mặt của hình lập phương. Cấu trúc này chứa 4 nguyên tử trong một ô sơ cấp. Trong tinh thể học, cấu trúc lập phương tâm mặt được ký hiệu là f c c {\displaystyle fcc} [Face-centered cubic]. Các chất điển hình có cấu trúc fcc là nhôm, đồng...
- Lập phương tâm khối: là cấu trúc lập phương với 8 nguyên tử ở các đỉnh hình lập phương và 1 nguyên tử ở tâm của hình lập phương. Cấu trúc này chứa 2 nguyên tử trong một ô sơ cấp, và thường được ký hiệu là b c c {\displaystyle bcc} [Body-centered cubic].
Có 36 nhóm không gian lập phương và 5 nhóm điểm được liệt kê theo bảng dưới đây:
| Nhóm điểm | # | Các nhóm không gian lập phương | |||||||
| 23 {\displaystyle 23\,\!} | 195-199 | P23 | F23 | I23 | P213 | I213 | |||
| m 3 ¯ {\displaystyle m{\bar {3}}\,\!} | 200-206 | Pm 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} | Pn 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} | Fm 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} | Fd 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} | I 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} | Pa 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} | Ia 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} | |
| 432 {\displaystyle 432\,\!} | 207-214 | P432 | P4232 | F432 | F4132 | I432 | P4332 | P4132 | I4132 |
| 4 ¯ 3 m {\displaystyle {\bar {4}}3m\,\!} | 215-220 | P 4 ¯ {\displaystyle {\bar {4}}} 3m | F 4 ¯ {\displaystyle {\bar {4}}} 3m | I 4 ¯ {\displaystyle {\bar {4}}} 3m | P 4 ¯ {\displaystyle {\bar {4}}} 3n | F 4 ¯ {\displaystyle {\bar {4}}} 3c | I 4 ¯ {\displaystyle {\bar {4}}} 3d | ||
| m 3 ¯ m {\displaystyle m{\bar {3}}m\,\!} | 221-230 | Pm 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} m | Pn 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} n | Pm 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} n | Pn 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} m | Fm 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} m | Fm 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} c | Fd 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} m | Fd 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} c |
| Im 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} m | Ia 3 ¯ {\displaystyle {\bar {3}}} d |
- Cấu trúc lập phương đơn giản có hệ số xếp chặt chỉ là 52%.
- Cấu trúc lập phương tâm mặt có hệ số xếp chặt là 74%.
- Cấu trúc lập phương tâm khối có hệ số xếp chặt 68%.
- Cấu trúc đơn nguyên tử: Cấu trúc lập phương đơn nguyên tử tồn tại khá nhiều trong các kim loại [điển hình là kim loại chuyển tiếp]. Cấu trúc lập phương đơn giản có hệ số xếp chặt rất thấp nên kém bền hơn, chất điển hình mang cấu trúc này là Polonium [Po]. Cấu trúc fcc và bcc tồn tại phổ biến ở các kim loại, ví dụ như đồng, nhôm... mang cấu trúc fcc, sắt, crôm... mang cấu trúc bcc.
- Cấu trúc đa nguyên tử: Cấu trúc lập phương cũng tồn tại trong các chất có nhiều loại nguyên tử, ví dụ trong các hợp kim, hợp chất... Muối ăn [NaCl] là hợp chất điển hình với cấu trúc fcc, hợp kim Fe[Si] là hợp kim điển hình mang cấu trúc bcc...
- Cấu trúc tinh thể
- Lục giác xếp chặt
- ^ Charles Kittel [1996]. Introduction to Solid State Physics [ấn bản 7]. John Willey & Sons Inc. ISBN 0-471-11181-3.