Trục cạnh (Edge dislocation)

Hình Thành

Trục cạnh hình thành do ứng suất cắt tác động lên tinh thể, khiến một phần của mặt phẳng nguyên tử bị trượt so với phần còn lại. Đường biên của mặt phẳng nguyên tử thừa này, hay mặt phẳng trượt phụ, chính là trục cạnh. Quá trình này thường xảy ra dọc theo mặt phẳng trượt, là mặt phẳng có mật độ nguyên tử cao nhất, và theo hướng trượt, là hướng có mật độ nguyên tử cao nhất trên mặt phẳng trượt. Ứng suất cắt cần thiết để tạo ra và di chuyển trục cạnh thường nhỏ hơn nhiều so với ứng suất lý thuyết cần thiết để trượt toàn bộ mặt phẳng nguyên tử.

Vector Burgers

Vector Burgers ($\vec{b}$) được sử dụng để đặc trưng cho độ lớn và hướng của biến dạng mạng tinh thể do trục cạnh gây ra. Để xác định vector Burgers, ta vẽ một vòng kín quanh trục cạnh trong mạng tinh thể bị biến dạng, gọi là vòng Burgers. Vòng này được sao chép sang một mạng tinh thể hoàn hảo. Vòng trong mạng hoàn hảo sẽ không khép kín, và vector cần thiết để khép kín vòng này chính là vector Burgers. Đối với trục cạnh, vector Burgers vuông góc với đường trục cạnh và song song với hướng trượt. Độ lớn của vector Burgers thường bằng khoảng cách giữa hai nguyên tử lân cận trong mạng tinh thể.

Biểu Diễn

Trục cạnh thường được biểu diễn bằng ký hiệu $\perp$ (nếu vector Burgers hướng vào trong mặt phẳng giấy) hoặc $T$ (nếu vector Burgers hướng ra ngoài mặt phẳng giấy). Ký hiệu này đặt tại vị trí của đường trục cạnh.

Ảnh Hưởng Đến Tính Chất Vật Liệu

Sự hiện diện của trục cạnh ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của vật liệu. Cụ thể:

• Độ bền: Trục cạnh làm tăng độ bền của vật liệu, đặc biệt là độ bền chảy. Điều này là do trục cạnh cản trở sự trượt của các mặt phẳng nguyên tử lên nhau, yêu cầu ứng suất cao hơn để gây ra biến dạng dẻo. Sự gia tăng mật độ trục cạnh làm cho vật liệu cứng hơn và khó biến dạng hơn.
• Độ dẻo: Mặc dù làm tăng độ bền, mật độ trục cạnh quá cao cũng có thể làm giảm độ dẻo của vật liệu, làm cho vật liệu giòn hơn và dễ gãy hơn.
• Gia công nguội: Quá trình gia công nguội làm tăng mật độ trục cạnh trong vật liệu, dẫn đến sự cứng hoá của vật liệu (còn gọi là cứng hoá biến dạng). Đây là lý do tại sao kim loại trở nên cứng hơn sau khi bị biến dạng nguội.

Chuyển Động Của Trục Cạnh

Dưới tác dụng của ứng suất cắt, trục cạnh có thể chuyển động trong mạng tinh thể. Chuyển động này xảy ra theo cơ chế trượt, với vector Burgers song song với hướng trượt và vuông góc với đường trục cạnh. Năng lượng cần thiết để di chuyển trục cạnh thấp hơn nhiều so với năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết nguyên tử, do đó trục cạnh đóng vai trò quan trọng trong biến dạng dẻo của vật liệu tinh thể. Chuyển động của trục cạnh đến bề mặt tinh thể dẫn đến sự biến dạng dẻo macrosopic.

Tương Tác Giữa Các Trục Cạnh

Các trục cạnh có thể tương tác với nhau. Lực tương tác giữa hai trục cạnh song song tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng. Tương tác này có thể là lực hút hoặc lực đẩy, phụ thuộc vào hướng của vector Burgers của chúng. Hai trục cạnh có vector Burgers cùng chiều sẽ đẩy nhau, trong khi hai trục cạnh có vector Burgers ngược chiều sẽ hút nhau.

Mật Độ Trục Cạnh

Mật độ trục cạnh (ρ) được định nghĩa là tổng chiều dài của các đường trục cạnh trên một đơn vị thể tích của vật liệu. Đơn vị thường dùng là cm^-2 hoặc m^-2. Mật độ trục cạnh có thể được tính bằng công thức:

ρ = ΣL/V

Trong đó:

• ΣL là tổng chiều dài của các đường trục cạnh.
• V là thể tích của vật liệu.

Mật độ trục cạnh tăng lên khi vật liệu bị biến dạng dẻo. Giá trị điển hình của mật độ trục cạnh trong vật liệu chưa bị biến dạng khoảng 10⁶ – 10⁸ cm^-2, trong khi ở vật liệu bị biến dạng nặng có thể lên đến 10¹² cm^-2.

Nguồn Gốc Của Trục Cạnh

Trục cạnh có thể hình thành trong quá trình kết tinh, quá trình nguội nhanh từ nhiệt độ cao, hoặc do ứng suất cơ học tác động lên vật liệu. Chúng cũng có thể được tạo ra do sự ngưng tụ của các khuyết tật điểm (vacancy) thành vòng khuyết, sau đó sập đổ thành trục cạnh.

Quan Sát Trục Cạnh

Trục cạnh có thể được quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hoặc kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các kỹ thuật khác như khắc ăn mòn cũng có thể được sử dụng để hiển thị trục cạnh trên bề mặt vật liệu.

Ứng Dụng Của Hiểu Biết Về Trục Cạnh

Hiểu biết về trục cạnh và chuyển động của chúng rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học vật liệu và kỹ thuật, bao gồm:

• Thiết kế hợp kim: Kiểm soát mật độ và phân bố trục cạnh có thể được sử dụng để tối ưu hóa tính chất cơ học của hợp kim.
• Gia công vật liệu: Hiểu biết về chuyển động của trục cạnh giúp dự đoán và kiểm soát biến dạng dẻo trong quá trình gia công.
• Phát triển vật liệu mới: Nghiên cứu về trục cạnh đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới có tính chất cơ học vượt trội.

Mối Quan Hệ Với Các Khuyết Tật Khác

Trục cạnh có thể tương tác với các loại khuyết tật khác trong tinh thể, chẳng hạn như khuyết tật điểm, ranh giới hạt, và trục vít. Những tương tác này có thể ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. Ví dụ, trục cạnh có thể bị “ghim” lại bởi các nguyên tử tạp chất hoặc khuyết tật điểm, làm tăng độ bền của vật liệu.

• William D. Callister, Jr., David G. Rethwisch. “Materials Science and Engineering: An Introduction”. 9th edition. Wiley, 2014.
• Marc De Graef, Michael E. McMurdie. “Structure of Materials: An Introduction to Crystallography, Diffraction and Symmetry”. Cambridge University Press, 2007.
• Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay, Wendelin J. Wright. “The Science and Engineering of Materials”. 7th edition. Cengage Learning, 2016.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài trục cạnh, còn loại trục nào khác tồn tại trong vật liệu tinh thể và sự khác biệt chính giữa chúng là gì?

Trả lời: Ngoài trục cạnh, còn có trục vít (screw dislocation). Sự khác biệt chính nằm ở vector Burgers. Ở trục cạnh, vector Burgers vuông góc với đường trục, trong khi ở trục vít, vector Burgers song song với đường trục. Điều này dẫn đến sự khác biệt trong cơ chế chuyển động của hai loại trục. Trục cạnh di chuyển bằng cách trượt trên mặt phẳng chứa vector Burgers và đường trục, trong khi trục vít di chuyển bằng cách xoay quanh đường trục.

Mật độ trục cạnh ảnh hưởng như thế nào đến độ bền và độ dẻo của vật liệu?

Trả lời: Mật độ trục cạnh (ρ) có mối quan hệ phức tạp với độ bền và độ dẻo. Mật độ trục cạnh thấp: vật liệu có độ bền thấp và độ dẻo cao. Mật độ trục cạnh tăng: độ bền tăng lên do trục cạnh cản trở chuyển động của nhau và các mặt phẳng trượt, nhưng độ dẻo lại giảm do sự khó khăn trong việc biến dạng dẻo tiếp tục. Mật độ trục cạnh rất cao: vật liệu trở nên giòn và dễ gãy.

Làm thế nào để kiểm soát mật độ trục cạnh trong vật liệu?

Trả lời: Mật độ trục cạnh có thể được kiểm soát thông qua các phương pháp xử lý nhiệt cơ như:

• Gia công nguội: Làm tăng mật độ trục cạnh, làm cứng vật liệu.
• Ủ: Giảm mật độ trục cạnh, làm mềm vật liệu.
• Kiểm soát tốc độ làm nguội: Làm nguội nhanh từ nhiệt độ cao có thể “đóng băng” cấu trúc với mật độ trục cạnh cao.
• Hợp kim hóa: Thêm các nguyên tố hợp kim có thể ảnh hưởng đến sự hình thành và chuyển động của trục cạnh.

Trục cạnh có vai trò gì trong hiện tượng biến dạng dẻo của vật liệu đa tinh thể?

Trả lời: Trong vật liệu đa tinh thể, ranh giới hạt đóng vai trò là chướng ngại vật cho chuyển động của trục cạnh. Khi trục cạnh gặp ranh giới hạt, chúng bị “dồn ứ” lại, dẫn đến sự gia tăng ứng suất cục bộ. Ứng suất này có thể kích hoạt các nguồn trục cạnh mới trong hạt lân cận, hoặc làm cho trục cạnh “leo” qua ranh giới hạt. Sự tương tác giữa trục cạnh và ranh giới hạt đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ bền và độ dẻo của vật liệu đa tinh thể.

Kỹ thuật nào được sử dụng để quan sát và nghiên cứu trục cạnh?

Trả lời: Một số kỹ thuật được sử dụng để quan sát và nghiên cứu trục cạnh bao gồm:

• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Cho phép quan sát trực tiếp hình ảnh của trục cạnh ở độ phân giải cao.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Có thể quan sát dấu vết của trục cạnh trên bề mặt vật liệu sau khi khắc ăn mòn.
• Kỹ thuật nhiễu xạ tia X: Cung cấp thông tin về mật độ và phân bố trục cạnh.
• Mô phỏng bằng máy tính: Cho phép nghiên cứu chuyển động và tương tác của trục cạnh trong môi trường ảo.