Bài giảng Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

, 
mạ ng A1 nà y là kiể u xế p dà y đặ c hơn A2 và là một trong hai kiể u xế p dà y đặ c 
nhấ t. 
 Có 2 loạ i lỗ hổng hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh− trì nh bà y ở cá c hì nh 1.11c. 
Loạ i bốn mặ t có kí ch th−ớc 0,225 dng.t (đỉ nh1 và tâ m ba mặ t 2,3,4). Đá ng chú ý là 
loạ i lỗ hổng hì nh tá m mặ t, nó có kí ch th−ớc lớn hơn cả , bằ ng 0,414dng.t, nằ m ở trung 
tâ m khối và giữa cá c cạ nh a. So với mạ ng A2, mạ ng A1 tuy dà y đặ c hơn song số 
l−ợng lỗ hổng lạ i í t hơn mà kí ch th−ớc lỗ hổng lạ i lớn hơn hẳ n (0,225 và 0,41 so với 
0,154 và 0,291). Chí nh điề u nà y (kí ch th−ớc lỗ hổng) mới là yế u tố quyế t đị nh cho 
sự hòa tan d−ới dạ ng xen kẽ . 
Khá nhiề u kim loạ i điể n hì nh có kiể u mạ ng nà y: sắ t (Feγ), Ni, Cu, Al với hằ ng 
số a mạ ng lầ n l−ợt bằ ng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoà i ra còn có Pb, Ag, 
Au. 
a 
1
23
4
A 
B 
{100} {111} 
B A C 
Hì nh 1.11. Ô cơ sở mạng lập ph−ơng tâm 
mặt (a, b), các lỗ hổng (c) và cách xếp 
các mặt tinh thể {100} và {111} (d) 
 11 
c. Lục giác xế p chặt A3 
Cá c nguyê n tử nằ m trê n 12 đỉ nh, tâ m của 2 mặ t đá y và tâ m của ba khối lă ng 
trụ tam giá c cá ch đề u nhau (hì nh 1.12a, b và c). 
 a) b) c) d) 
Hì nh 1.12. Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt (a,b,c) và 
cách xếp các mặt tinh thể {0001} (d) 
Số l−ợng nguyê n tử trong 1 ô : nv = 12 đỉ nh/6 + 2 giữa mặ t/2 + 3 tâ m = 6 nguyê n 
tử 
Nguyê n tử xế p xí t nhau theo cá c mặ t đá y (0001). 3 nguyê n tử ở giữa song song với 
mặ t đá y sắ p xế p nguyê n tử giống nh− 2 mặ t đá y, nh−ng nằ m ở cá c hõm cá ch đề u 
nhau (hì nh 1.12d). Mạ ng lục giá c xế p chặ t thì c/a = 38 hay 1,633. Tuy nhiê n trong 
thực tế c/a có xê dị ch nê n quy −ớc: 
c/a = 1,57 ữ 1,64 thì mạ ng đ−ợc coi là xế p chặ t, 1,57 < c/a < 1,64 không xế p chặ t. 
Cá c kim loạ i có kiể u mạ ng nà y í t thông dụng hơn là : 
Tiα với a = 0,2951nm, c = 0,4679nm, c/a = 1,5855 (xế p chặ t), 
Mg với a = 0,3209nm, c = 0,5210nm, c/a = 1,6235 (xế p chặ t), 
Zn với a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, c/a = 1,8590 (không xế p chặ t). 
1.4.2. Chất rắn có liê n kế t đồng hóa trị 
a. Kim c−ơng A4 
Kim c−ơng là một dạ ng tồn tạ i (thù hì nh) của cacbon với cấ u hì nh electron là 
1s2 2s2 2p2, vậ y số e lớp tham gia liê n kế t là N = 4, số sắ p xế p sẽ là 4 tức là mỗi một 
nguyê n tử cacbon có 4 nguyê n tử bao quanh gầ n nhấ t. 
Hì nh 1.14. ô cơ sở của mạng tinh thể kim c−ơng (a), 
vị trí các nguyên tử (b) và liên kết (c) 
Ô cơ sở mạ ng kim c−ơng (hì nh 1.14a), đ−ợc tạ o thà nh trê n cơ sở của ô cơ sở A1 có 
thê m bốn nguyê n tử bê n trong với cá c tọa độ (xem hì nh 1.14b): 
1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2); 1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4). 
nằ m ở tâ m của bốn khối 1/8 cá ch đề u nhau. 
Cá c nguyê n tử cacbon đề u có liê n kế t đồng hóa trị với nă ng l−ợng lớn nê n kim 
c−ơng có độ cứng rấ t cao (cao nhấ t trong thang độ cứng). 
A 
B 
 12 
b. Mạng grafit 
Có mạ ng lục giá c lớp (hì nh 1.15a), trong một lớp khoả ng cá ch giữa cá c nguyê n tử a = 
0,246nm, liê n kế t đồng hoá trị . Khoả ng cá ch giữa cá c lớp c = 0,671nm, t−ơng ứng với 
liê n kế t yế u Van der Waals, grafit rấ t dễ bị tá ch lớp , rấ t mề m, nó đ−ợc coi nh− là 
một trong những chấ t rắ n có độ cứng thấ p nhấ t. 
c. Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene 
Phâ n tử cacbon C60 gọi là fullerene do hai nhà khoa học H. Kroto (Anh) và R. Smalley 
(Mỹ) tạ o ra 1985 (Nobel nă m 1995) (hì nh 1.15c): 60 nguyê n tử C nằ m trê n mặ t cầ u 
gồm 12 ngũ giá c và 20 lục giá c đề u, nằ m xen kẽ nhau tạ o đối xứng tròn, ứng với độ 
bề n và độ cứng rấ t cao của nó chắ c chắ n hứa hẹ n sẽ có những ứng dụng kỳ lạ trong 
kỹ thuậ t. 
Sợi cacbon đ−ợc trì nh bà y ở hì nh 1.15b 
Hì nh 1.15. Cấu trúc mạng của grafit (a), sợi cacbon (b) và fullerene (c). 
d. Cấu trúc của SiO2 
 Hì nh 1.5a, là mô hì nh sắ p xế p không của cá c khối tứ diệ n tam giá c đề u 
SiO4
4- của SiO2. 
Thạ ch anh với cấ u trúc lục giá c (hì nh 1.16a), cristobalit β với cấ u trúc lậ p 
ph−ơng (hì nh 1.16b). Trong điề u kiệ n nguội nhanh sẽ nhậ n đ−ợc thủy tinh (vô đị nh 
hì nh) nh− ở hì nh 1.5b. 
 Hì nh 1.15. Sắp xếp khối tứ diện (SiO4)4- trong thạch anh (a), cristobalit β (b). 
1.4.3. Chất rắn có liê n kế t ion 
Cấ u trúc tinh thể của hợp chấ t hóa học có liê n kế t ion phụ thuộc và o hai yế u tố: 
 13 
• Tỷ số của ion â m và ion d−ơng đả m bả o trung hòa về điệ n. 
 • T−ơng quan kí ch th−ớc giữa ion â m và ion d−ơng: trong tinh thể ion, cá c ion 
luôn có xu h−ớng sắ p xế p để độ xế p chặ t và tí nh đối xứng cao nhấ t. 
Mạ ng tinh thể của hợp chấ t với liê n kế t ion vẫ n có cá c kiể u mạ ng đơn giả n (A1, 
A2) nh−ng sự phâ n bố cá c ion trong đó khá phức tạ p nê n vẫ n đ−ợc coi là có mạ ng 
phức tạ p. 
Có thể hì nh dung mạ ng tinh thể cá c hợp chấ t hóa học với liê n kế t ion đ−ợc tạ o 
thà nh trê n cơ sở của ô cơ sở của ion â m, cá c ion d−ơng còn lạ i chiế m một phầ n hay 
toà n bộ cá c lỗ hổng. 
Tỉ mỉ về cấ u trúc của chấ t rắ n có liê n kế t ion đ−ợc trì nh bà y ở ch−ơng 7. 
1.4.4. Cấu trúc của polyme 
 Khá c với kim loạ i và cá c chấ t vô cơ, ô cơ sở chỉ tạ o nê n bởi số l−ợng hạ n chế 
(từ và i đế n và i chục) nguyê n tử (ion), mỗi phâ n tử polyme có thể gồm hà ng triệ u 
nguyê n tử . Ví dụ PE (C2H4)n: 
 H H H H H H H H 
        
C = C →  C  C  →  C  C  C  C  
        
H H H H H H H H 
 mạ ch kí n bẻ liê n kế t ké p tạ o mạ ch thẳ ng 
 Cá c phâ n tử (mạ ch) polyme đ−ợc liê n kế t Van der Waals với nhau (liê n kế t yế u). 
Một số vùng cá c mạ ch sắ p xế p có trậ t tự tạ o nê n cấ u trúc tinh thể , phầ n còn lạ i là vô 
đị nh hì nh. 
 1.4.5. Dạng thù hì nh 
 Thù hì nh hay đa hì nh là sự tồn tạ i hai hay nhiề u cấ u trúc mạ ng tinh thể khá c 
nhau của cùng một nguyê n tố hay một hợp chấ t hóa học, mỗi cấ u trúc khá c biệ t đó 
đ−ợc gọi là dạ ng thù hì nh: ký hiệ u α, β, γ, δ, ε.... Quá trì nh thay đổi từ dạ ng thù 
hì nh nà y sang dạ ng thù hì nh khá c đ−ợc gọi là chuyể n biế n thù hì nh. Cá c yế u tố 
dẫ n đế n chuyể n biế n thù hì nh th−ờng gặ p hơn cả là nhiệ t độ, sau đó là á p suấ t. 
Cacbon ngoà i dạ ng vô đị nh hì nh còn tồn tạ i: cá c dạ ng thù hì nh (cá c hì nh 1.13, 
1.14): kim c−ơng (A4), grafit (A9). sợi cacbon (cấ u trúc lớp cuộn), fullerene (cấ u trúc 
mặ t cầ u C60) trong đó. grafit là dạ ng th−ờng gặ p và ổn đị nh nhấ t. 
Sắ t (Fe) có hai kiể u mạ ng là : Feα-A2, T 
1392oC -1539oC; → tí nh chấ t ≠. 
Chuyể n biế n thù hì nh bao giờ cũng đi kè m với sự thay đổi về thể tí ch (nở hay 
co) và cơ tí nh. Ví dụ: khi nung nóng sắ t qua 911oC sắ t lạ i co lạ i đột ngột (do tă ng 
mậ t độ xế p từ 68 lê n 74% khi chuyể n từ Feα → Feγ) và hoà n toà n ng−ợc lạ i khi là m 
nguội (điề u nà y hơi trá i với quan niệ m th−ờng gặ p là nung nóng thì nở ra, còn là m 
nguội thì co lạ i) → rè n khuôn?. 
1.5. Sai lệ ch mạng tinh thể 
 Trong thực tế không phả i 100% nguyê n tử đề u nằ m đúng vị trí quy đị nh, gâ y 
nê n những sai lệ ch đ−ợc gọi là sai lệ ch mạ ng tinh thể hay khuyế t tậ t mạ ng. Tuy số 
nguyê n tử nằ m lệ ch vị trí quy đị nh chiế m tỷ lệ rấ t thấ p (chỉ 1 ữ 2%) song ả nh 
h−ởng lớn đế n cơ tí nh: khả nă ng biế n dạ ng dẻ o, biế n cứng...). 
Phụ thuộc và o kí ch th−ớc theo ba chiề u trong không gian, sai lệ ch mạ ng chia 
thà nh: điể m, đ−ờng và mặ t. 
 14 
1.5.1. Sai lệ ch điể m 
Đó là loạ i sai lệ ch có kí ch th−ớc rấ t nhỏ (cỡ kí ch th−ớc nguyê n tử) theo ba 
chiề u không gian, có dạ ng bao quanh một điể m. Hì nh 1.17 trì nh bà y tổng quá t cá c 
dạ ng sai lệ ch điể m nà y. 
 a. Nút trống và nguyê n tử tự xen kẽ (Hì nh 1.17a) 
Do dao động nhiệ t quanh vị trí câ n bằ ng, ở mức phâ n bố nă ng l−ợng không 
đề u, một số nguyê n tử bứt khỏi nút mạ ng để lạ i nút trống và tạ o nguyê n tử xen kẽ 
giữa. 
Hì nh 1.17. Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử 
tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b). 
 Mậ t độ của nút trống tă ng nhanh theo nhiệ t độ (n= KT
Q
e
−
), khi sắ p chả y lỏng nmax . 
Nút trống có ả nh h−ởng lớn đế n cơ chế và tốc độ khuế ch tá n của kim loạ i và hợp 
kim ở trạ ng thá i rắ n. 
 b. Nguyê n tử tạp chất 
 Trong thực tế vậ t liệ u hoặ c kim loạ i th−ờng có tạ p chấ t: xen kẽ (hì nh 1.17b). 
Do sự sai khá c về đ−ờng kí nh nguyê n tử giữa cá c nguyê n tố nề n và tạ p chấ t → 
sai lệ ch 
1.5.2. Sai lệ ch đ−ờng - Lệ ch 
 Sai lệ ch đ−ờng là loạ i có kí ch th−ớc nhỏ (cỡ kí ch th−ớc nguyê n tử) theo hai 
chiề u và lớn theo chiề u thứ ba, tức có dạ ng của một đ−ờng (có thể là thẳ ng, cong, 
xoá y trôn ốc). Sai lệ ch đ−ờng có thể là một dã y cá c sai lệ ch điể m kể trê n. Chúng 
gồm: hai dạ ng là biê n và xoắ n. 
 a. Lệ ch biê n (edge dislocation hay dislocation line) (hì nh 1.18a) 
 Có thể hì nh dung lệ ch biê n đ−ợc tạ o thà nh nhờ chè n thê m bá n mặ t ABCD và o 
nửa phầ n trê n của mạ ng tinh thể lý t−ởng (hì nh 1.18a), khi đó, cá c mặ t nguyê n tử 
khá c ở hai phí a trở nê n không còn song song với nhau nữa. 
 (a) (b) (c) 
Hì nh 1.18. Lệch biên: tinh thể không lệch (a), mô hì nh tạo thành (b), 
sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c) 
┴
B 
A 
C 
D 
┴
vé c tơ 
5
4
32
1
1
2 3 
4
 15 
Nh− thấ y rõ ở hì nh 1.18b: đ−ờng AD đ−ợc gọi là trục lệ ch, nó chí nh là biê n của bá n 
mặ t nê n có tê n là lệ ch biê n. Với sự phâ n bố nh− vậ y nửa tinh thể có chứa bá n mặ t sẽ 
chị u ứng suấ t né n, nửa còn lạ i chị u ứng suấ t ké o. 
Vé c tơ Burgers: là vé c tơ đóng kí n vòng tròn Burgers vẽ trê n mf vuông góc với trục 
lệ ch khi chuyể n từ tinh thể không lệ ch sang tinh thể có lệ ch. Lệ ch thẳ ng ADb ⊥
r
c. Lệ ch xoắn (screw dislocation) (hì nh 1.19a) 
 a) b) c) 
 Hì nh 1.19. Lệch xoắn: tinh thể không lệch (a), mô hì nh tạo thành (a), 
đặc điểm sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c). 
Cá c nguyê n tử trong vùng hẹ p giữa hai đ−ờng AD và BC sắ p xế p lạ i có dạ ng đ−ờng 
xoắ n ốc giống nh− mặ t ví t nê n lệ ch có tê n là lệ ch xoắ n nh− thấ y rõ ở hì nh 1.19c. 
Vé c tơ Burgers song song với trục lệ c AD=L 
c. Đặc tr−ng về