I Tổng quan cấu trúc của kim loại

1.Tổng quan 

Ở kích thước bình thường kim loại xuất hiện như một chất đồng nhất, không để nhìn thấy được cấu trúc bên trong (Hình 1, phần hình bên trái). Quan sát bề mặt bị ăn mòn của một kim loại phóng đại 10 000 lần thí dụ với kính hiển vi điện tử, người ta sẽ thấy kim loại có một cấu trúc tinh vi cực kỳ phức tạp (Hình 1, bên phải).

Người ta nhận dạng được rằng nó được kết cấu bằng nhiều hạt nhỏ, đều, còn gọi là tinh thể. Người ta gọi sự kết cấu tinh vi của kim loại là kết cấu tinh thể hoặc cấu trúc tinh thể. Nếu phóng đại ảnh của một góc tinh thể lớn hơn nữa, thí dụ 10.000.000 lần, người ta sẽ thấy được thành phần nhỏ nhất của kim loại, thành phần nguyên tử 1) (Hình 1, phía dưới). Chúng được sắp đặt ở vị trí với khoảng cách và góc cố định. Nếu nối những tâm điểm của nguyên tử với nhau, những đường nối trở thành mạng lưới không gian và được gọi là mạng lập thể hay mạng tinh thể. Cái đơn vị đặc biệt nhỏ nhất của mạng tinh thể được gọi là ô đơn vị (ô cơ sở hay ô cơ bản).
2.Cấu trúc bên trong và tính chất
Kết nối kim loại và độ bền
Ở thể rắn, kim loại có một kết nối chặt. Nguyên nhân là lực kết nối kim loại giữ chặt từng phần tử nhỏ với nhau. Sự kết nối kim loại sinh ra trong quá trình khai thác kim loại. Ngay sau khi khử chất quặng, các nguyên tử kim loại gặp gỡ và kết dính với nhau. Trong khi khử, những điện tử có kết nối lỏng lẻo của nguyên tử kim loại được tách rời (Hình 2).

Chúng bao bọc khối nguyên tử kim loại dưới hình thức đám mây điện tử. Những điện tử có thể di chuyển tự do trong đám mây điện tử, nhưng không tách rời vùng này. Chúng giữ các nguyên tử1) kim loại với nhau như là một loại “nhựa gắn (ma tít) điện tử”. Sự kết nối kim loại tác động đến việc kết hợp cực kỳ chặt chẽ của các phần tử kim loại và do đó quyết định độ bền của kim loại.
 Khả năng dẫn điện
Những điện tử di chuyển tự do có thể bị một điện áp làm cho chuyển động (Hình 3).

Một dòng điện tử sẽ chạy qua (dòng điện). Kim loại là những chất dẫn điện tốt. Tính năng biến dạng của kim loại Kim loại biến dạng đàn hồi ở tải thấp, và ở tải cao có thêm phần biến dạng dẻo (trang 242). Tính năng biến dạng này dựa vào cấu trúc tinh thể nhuyễn của nó (Hình 1).

Nếu tác động của lực thấp, những nguyên tử sẽ bị đẩy đi một tí ra khỏi vị trí của chúng trong mạng tinh thể và quay về chỗ cũ sau khi lực tác động mất đi. Chúng bị biến dạng đàn hồi. Khi bị tác động với lực lớn tại một vị trí của tinh thể thì vị trí nguyên tử ở trên có thể bị đẩy từ "thứ tự - trên dưới" ổn định sang "thứ tự - chỗ trống" cũng ổn định. Vị trí ổn định mới này sẽ được giữ lại, khi tác động lực được rút đi. Hình dạng bị biến dạng vĩnh viễn (biến dạng dẻo). Sau khi bị dịch chuyển, lực kết cấu giữa những nguyên tử kim loại trở về như lúc ban đầu. Vì thế mà việc dịch chuyển không gây đứt rời vật thể kim loại, mà chỉ đạt được một biến dạng lâu dài. Sự biến dạng dẻo có thể do tác động lực liên tục kéo dài cho đến khi tất cả vị trí của nguyên tử kim loại ở khu bị tác động của cấu kiện bị đẩy đi. Từ tình trạng này kim thể sẽ bị đứt gãy do tác động lực kế tiếp.

II Mẫu mạng tinh thể của kim loại

1.Khái niệm 

Nguyên tử của những kim loại kết cấu với nhau với sự sắp xếp hình học khác nhau. Điều này tùy thuộc vào loại kim loại và đôi khi tùy thuộc vào nhiệt độ. Kim loại có mạng lập phương thể tâm (mạng lập phương tâm khối), mạng lập phương diện tâm (mạng lập phương tâm mặt) hay mạng lập phương tâm thiết diện hay lục giác. Sự xếp đặt những nguyên tử kim loại được trình bày bằng đồ họa qua một tinh thể sơ đẳng (ô đơn vị) (Hình 2).

2.Mạng tinh thể lập phương với tâm khối
Trong mạng tinh thể lập phương với tâm khối (krz), các nguyên tử được sắp xếp sao cho các đường nối liền của tâm điểm nguyên tử này đến tâm điểm nguyên tử khác tạo thành một hình khối vuông (khối lập phương) (Hình 2, phần trên). Thêm vào đó còn một nguyên tử kim loại nằm ở trung tâm khối. Thí dụ như sắt ở nhiệt độ thấp hơn 9110C cũng như crôm, volfram và va-na- đium có một mạng tinh thể khối vuông với tâm khối.
3.Mạng tinh thể lập phương với tâm mặt
Mạng tinh thể lập phương với tâm mặt (kfz) có một khối vuông là vật thể cơ bản và thêm vào đó có một nguyên tử nằm ở trung tâm mỗi thiết diện (Hình 2, phần giữa). Các kim loại nhôm, đồng và sắt trên 9110C có dạng tinh thể này.
4.Mạng tinh thể lục giác
Những kim loại nhôm, kẽm và titan có mạng tinh thể lục giác (hex). Ở loại mạng này các nguyên tử tạo thành một lăng trụ lục giác với mỗi mặt đáy có một nguyên tử ở tâm đáy và ba nguyên tử bên trong của lăng trụ (Hình 2, phần dưới).

III Cơ cấu kim loại

1.Lỗi cấu trúc trong tinh thể
Tinh thể của một kim loại không hoàn hảo mà có những khuyết tật như lỗ trống, chuyển dịch vị trí (chuyển vị) và bị nguyên tử lạ chen vào (Hình 1).

Lỗ trống là một vị trí không bị chiếm chỗ của mạng tinh thể. Trong vị trí bị chuyển dịch, cả một lớp nguyên tử xen vào hoặc thiếu đi một lớp. Nguyên tử lạ là nguyên tử của một nguyên tố khác chen vào mạng tinh thể và chiếm vị trí của nguyên tử kim loại chính. Lỗi cấu trúc làm biến dạng mạng tinh thể và tăng độ bền. Tác động tăng độ bền hình thành trong việc pha trộn hợp kim. Ở đấy những nguyên tử lạ chen vào chiếm chỗ của kim loại chính trong mạng tinh thể. Trong trường hợp tăng độ bền (gia cố) đạt được do biến dạng nguội, sẽ hình thành lỗ trống và chuyển vị.

2.Sự phát sinh của cấu trúc kim loại

Cơ cấu của vật liệu kim loại, tức là sự cấu tạo của tinh thể (Hình 1, trang 246), thành hình sau khi đúc trong quá trình đông đặc của chất lỏng kim loại thành thể rắn. Sự đông đặc của chất lỏng kim loại đi qua nhiều bước trung gian. Thí dụ: Sự làm nguội của sắt ròng và những quá trình diễn biến trong chất lỏng (Hình 2).

Ở hình 2 trang 248 cho thấy trong những bước giảm nhiệt từ 1 đến 4 các hiện tượng sau đây:
① Kim loại nóng chảy. Trong kim loại nóng chảy những nguyên tử dịch chuyển tự do và không theo quy luật. Trong quá trình giảm nhiệt độ của chất lỏng, chuyển động của nguyên tử kim loại chậm dần.
② Bắt đầu cấu tạo tinh thể. Khi đạt tới nhiệt độ đông đặc (của sắt: 15360C), trong chất lỏng bắt đầu sự tụ tập nguyên tử kim loại dưới dạng một loại mạng tinh thể. Ở những vị trí có sự bắt đầu phát triển tinh thể được gọi là mầm kết tinh.
③ Cấu tạo tinh thể đang tiến triển. Những nguyên tử kim loại trong chất lỏng còn lại tiếp tục nối kết thêm mãi vào những tinh thể. Nhiệt độ không thay đổi suốt thời gian kết tinh ở mức nhiệt độ đông đặc, vì nhiệt lượng thoát ra do sự kết tinh phải được giải thoát. Đồ thị nhiệt độ trong giai đoạn này nằm ngang. Khi chất lỏng gần hết, các tinh thể bành trướng bị va chạm nhau. Những tinh thể bị giới hạn không đồng đều do ảnh hưởng va chạm được gọi là tinh thể méo hay hạt. Những nguyên tử kim loại ở vùng ranh giới của các hạt có thể có phần không được xếp vào mạng tinh thể. Chúng tạo với những nguyên tử lạ giữa những hạt tinh thể một lớp ngăn cách không trật tự, đó là biên hạt (giới hạn hạt).
④ Đông đặc toàn bộ. Khi tất cả nguyên tử kim loại có một vị trí xác định, là lúc chất lỏng đã đông đặc toàn diện. Cấu trúc của vật liệu đã được hình thành. Nhiệt độ của vật thể kim loại cứng mới thành hình tiếp tục giảm do sự tháo nhiệt liên tục, đồ thị giảm nhiệt hạ thấp.

IV Loại cấu trúc và tính chất vật liệu

1.Tổng quan 

Cấu trúc của vật liệu không thể nhìn thấy được bằng mắt thường. Những hạt của cấu trúc quá nhỏ (kích cỡ từ 1μm đến 100 μm) và biên hạt không thể thấy được. Để nhìn thấy được cấu trúc, cần phải sử dụng một kỹ thuật đặc biệt,  môn kim loại học (kim tương học). Người ta cắt một miếng vật liệu cỡ một hạt dẻ, dùng một chất nhựa (dính) đúc bọc xung quanh, mài một mặt và đánh bóng. Tiếp theo đó, mặt kim loại đánh bóng được nhúng vào một chất ăn mòn rồi đưa vào một kính hiển vi kim loại để quan sát (Hình 1).

Bức ảnh của kính hiển vi cung cấp được gọi là ảnh mài (ảnh chụp cấu trúc tế vi, ảnh chụp kim tương). Nó cho thấy hạt và biên hạt.
2.Dạng hạt
Những kim loại khác nhau và cả những loại mạng tinh thể khác nhau của một kim loại cấu tạo thành những dạng hạt điển hình nhất định (Hình 2).

Sắt ròng tạo thành loại hạt tròn (dạng cầu). Sắt với cấu trúc austenit (ôstenit) có loại hạt nhiều góc (đa diện). Thép trui cứng (cấu trúc Martensit) thể hiện hạt hình kim như dạng nhánh cây (đenđrit). Lá mỏng xementit (cacbua sắt) của cấu trúc peclit và tấm mỏng carbon của gang xám lập thành những lớp mỏng (cấu trúc dạng tấm). Những dạng hạt của cấu trúc bị thay đổi thí dụ như do cán nguội. Trong trường hợp này những hạt bị kéo dài ra trên hướng cán, cấu trúc có một kết cấu mạng lưới dệt. Độ bền của vật liệu được nâng cao theo chiều cán và giảm tính đàn hồi (độ giãn). Với nung ủ tái kết tinh, kết cấu mạng lưới dệt sẽ bị tiêu hủy.
3.Độ lớn của hạt
Kim loại có độ lớn của hạt từ dưới 1 μm cho đến 100 μm (Hình 1). Một vật liệu với cấu trúc hạt mịn có độ bền cao hơn và độ giãn nhiều hơn cấu trúc hạt thô.

Kích cỡ hạt mong muốn có thể đạt được bằng những cách sau đây:
• nhiệt luyện, như nung thường hóa.
• biến dạng nóng, như cán nóng.
• thêm nguyên tố hợp kim như mangan vào thép xây dựng hạt mịn.

4.Kim loại ròng (nguyên chất) có cấu trúc thống nhất (thuần chất) (Hình 2).

Tất cả những hạt có cùng loại nguyên tử và có cùng kết cấu của mạng tinh thể. Thí dụ sắt có nguyên tử sắt sắp xếp theo dạng tâm khối. Những hạt phân biệt với nhau qua sự sắp xếp mạng tinh thể theo thứ tự. Kim loại nguyên chất có độ bền tương đối thấp. Đa số kim loại không được dùng trong kỹ thuật dưới dạng nguyên chất, mà là dạng hợp kim.
5.Hợp kim là những hợp chất của nhiều kim loại hoặc hợp chất giữa kim loại và không kim loại. Ở trạng thái lỏng (nóng chảy), các nguyên tố hợp kim được phân phối đều. Chất lỏng khi đông đặc, tùy theo kim loại chính và những nguyên tố hợp kim, sẽ tự tạo thành những cấu trúc khác nhau. Trong những hợp kim có hỗn hợp tinh thể những nguyên tử khác nhau không hòa vào nhau lúc đông đặc, mà tách rời và tụ họp riêng rẽ thành nhóm những hạt cấu trúc khác nhau (Hình 3).

Ở hợp kim có tinh thể trộn lẫn, những nguyên tử của nguyên tố hợp kim chia đều trong mạng tinh thể (Hình 4). So sánh với kim loại ròng làm nền, hợp kim thường có đặc tính được cải thiện như có độ bền cao hơn, có khả năng chịu đựng ăn mòn được cải thiện hoặc có độ cứng cao hơn