4-Các dạng cấu tạo của hợp kim Trongthực tế hợp kim thường có các dạng cấu tạo sau đây : a - Hợp kim có cấu tạo một pha là dung dịch rắn b - Hợp kim có cấu tạo một pha là hợp chất hóa học (hay pha trung gian). c - Hợp kim có cấu tạo bởi hai hay nhiều pha. Hình1.20-Hỗn hợp cơ học (a) và dung dịch rắn (b)1.3.2.Dung dịch rắn 1-Khái niệm và phân loại : Cũng giống như dung dịch lỏng, trong dung dịch rắn ta không phân biệt được một cách cơ học các nguyên tử của các cấu tử, các nguyên tử của chúng phân bố xen vào nhau trong mạng tinh thể. Cấu tử nào có số lượng nhiều hơn, vẫn giữ được kiểu mạng của mình gọi là dung môi. Các cấu tử còn lại gọi là chất hòa tan. Dung dịch rắn là pha đông nhất có cấu trúc mạng tinh thể của cấu tử dung môi nhưng thành phần của nó có thể thay đổi trong một phạm vi nhất định mà không làm mất đi sự đồng nhất đó. Ký hiệu của dung dịch rắn là A(B). Dung dịch rắn được chia ra làm hai loại : dung dịch rắn thay thế và dung dịch rắn xen kẽ. 2-Dung dịch rắn thay thế : là loại dung dịch rắn mà trong đó nguyên tử của cấu tử hòa tan thay thế vào vị trí trên nút mạng của cấu tử dung môi (nguyên tố chủ). Như vậy kiểu mạng và số nguyên tử trong khối cơ sở đúng như của cấu tử dung môi. Tuy nhiên sự thay thế này ít nhiều đều gây ra sự xô lệch mạng, vìkhông thể có hai loaüi nguyên tử của hai cấu tử có kích thước hoàn toàn giống nhau. Do vậy sự thay thế chỉ xảy ra với các cấu tử có kích thước nguyên tử khác nhau ít (với kim loại sự sai khác này không quá 15%). Tùy thuộc vào mức độ hòa tan người ta còn chia ra dung dịch rắn hòa tan vô hạn và có hạn. a - Dung dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn : Là dung dịch rắn mà trong đó nồng độ của chất hòa tan có thể biến đổi liên tục, tức là với nồng độ bất kỳ. Trong loại dung dịch rắn này không thể phân biệt được cấu tử nào là dung môi, cấu tử nào là chất hòa tan, cấu tử nào có lượng chứa nhiều nhất là dung môi, các cấu tử còn lại là chất hòa tan. Ví dụ ta có dung dịch rắn của cấu tử A và B thì nồng độ A biến đổi từ 0 ÷100%, nồng độ B biến đổi từ 100% ÷ 0. Hình1.21-Sơ đồ tạo thành dung dịch rắn thay thế vàĐiều kiện để hai cấu tử hòa tan vô hạn vào nhau : Hình1.22 -Sơ đồ tạo thàmh dung dịch rắn thay thế hoà tan vô hạn -Có cùng kiểu mạng tinh thể - Đường kính nguyên tử khác nhau ít, nhỏ hơn 8%. Nếu sai khác nhau nhiều từ 8 15% chỉ có thể hòa tan có hạn, lớn hơn 15% không thể hòa tan vào nhau. - Nồng độ điện tử không vượt quá một giá trị xác định với mỗi loại dung dịch rắn (số lượng điện tử hóa trị tính cho một nguyên tử), tức là các nguyên tố phải có cùng hóa trị. - Các tính chất vật lý và hóa học gần giống nhau (cấu tạo lớp vỏ điện tử, tính âm điện, nhiệt độ chảy...) Nói chung các nguyên tố cùng trong một nhóm của bảng hệ thống tuần hoàn thỏa mãn điều kiện này. Các cặp nguyên tố hình thành dung dịch rắn vô hạn chỉ có thể là nguyên tố kim loại. Cần chú ý rằng đây chỉ là điều kiện cầncủa dung dịch rắn vô hạn. b - Dung dịch rắn thay thế hòa tan có hạn : Là dung dịch rắn mà trong đó các cấu tử chỉ hòa tan vào nhau với giá trị nhất định, tức là nồng độ của chúng bị gián đoạn. Các cặp cấu tử không thỏa mãn bốn điều kiện trên sẽ tạo thành dung dịch rẵn có hạn c - Dung dịch rắn trật tự và không trật tự : Nếu sự phân bố nguyên tử của cấu tử hòa tan trong mạng dung môi một cách ngẫu nhiên thì được gọi là dung dịch rắn không trật tự. Trong một số điều kiện nào đó (nhiệt độ, nồng độ) trong một số hệ các nguyên tử thay thế có tính quy luật và gọi là dung dịch rắn trật tự. Ví dụ trong hệ Au-Cu khi làm nguội chậm nguyên tử đồng sắp xếp tại tâm các mặt bên, còn nguyên tử vàng nằm ở các đỉnh của khối cơ sở. 3-Dung dịch rắn xen kẽ : Là loại dung dịch rắn trong đó nguyên tử hòa tan nằm xen giữa các nguyên tử của kim loại dung môi, chúng chui vào lỗ hổng trong mạng dung môi.Như vậy ta thấy rằng só nguyên tử trong khối cơ sở tăng lên. Do kích thước các lỗ hổng trong mạng tinh thể rấtnhỏ nên các nguyên tử hòa tan phải có kích thước rất nhỏ. Đó chính là các nguyên tử C, N, H, B... với dung môi Fe. Đương nhiên là dung dịch rắn xen kẽ chỉ có loại hòa tan có hạn.

1.3.4.Hỗn hợp cơ học :

Khá nhiều trường hợp, hợp kim có tổ chức hai hay nhiều pha : hai dung dịch rắn,

ian... Cấu tạo như vậy gọi là hỗn hợp cơ học. Trên tổ chức

ác pha khác nhau trong hỗn hợp cơ học. Hai trường hợp

ình phần của hệ ở trạng thái cân bằng.

đúng và phù hợp với hợp kim ở trạng

goài ( nhiệt độ và áp suất). Tuy nhiên các yếu tố này phụ thuộc

lẫn nhau. Bậc tự do la ếu tố độc lập có thể thay đổi được trong phạm vi

nhất

ố cấu tử C

om on nt) a ï :

ì vậy công thức của nó là :

F = C - P + 1

dung dịch rắn và pha trung g

tế vi ta phân biệt được rất rõ c

điển hình của hỗn hợp cơ học là cùng tinh và cùng tích.

1.3.3.Pha trung gian : Trong các hợp kim hầu như không có loại hợp chất hóa học hóa trị thường. Các hợp chất hóa học tồn tại trong hợp kim thường gọi là pha trung gian vì trên giản đồ pha nó nằm ở vị trí giữa và trung gian của các dung dịch rắn ở hai đầu mút. 1-Khái niệm và phân loại : Các hợp chất hóa học tạo thành theo quy luật hóa trị thường có các đặc điểm sau : - Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn mạng nguyên tố thành phần -Luôn luôn có một tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố và đượ biểu diễn bởi công thức hóa học nhất định. -Tính chất khác hẳn các nguyên tố thành phần, độ cứng cao, tính dòn lớn. - Có nhiệt độ nóng chảy xác định, khi hình thành là phản ứng tỏa nhiệt. Các pha trung gian trong hợp kim có những đặc điểm khác với hợp chất hóa học theo hóa trị, đó là : -Không tuân theo quy luật hóa trị. -Không có thành

phần chính xác. -Có liên kết kim loại. Các pha trung gian trong hơp kim thường gặp là : pha xen kẽ, pha điện tử, pha La ves, pha σ... 2-Pha xen kẽ : Là pha tạo nên giữa các kim loại chuyển tiép (Fe, Cr, Mo, W...) có đường kính nguyên tử lớn với các phi kim loại (H, N, C...) có đường kính nguyên tử bé. Kiểu mạng của pha xen kẽ được xác định theo quan hệ giữa đường kính nguyên tử kim loại và phi kim loại : - Nếu dA/dK < 0,59 (dA - đường kính nguyên tử phi kim loại, dK - đường kính nguyên tử kim loại) thì pha xen kẽ có các kiểu mạng đơn giản : tâm khối, tâm mặt, sáu phương xếp chặt... Các nguyên tử phi kim loại xen kẽ vào lỗ hổng trong mạng. Chúng có công thức đơn giản như : K4A (Fe4N), K2A (W2C), KA (NbC, NbH, TiC), KA2 (TiH2). Với K là kim loại, A là phi kim lo ûi. - Nếu dA/dK > 0,59 pha xen kẽ sẽ có kiểu mạng phức tạp và công thức phức tạp hơn K3A (Mn3C), K7A3 (Cr7C3), K23A6 (Cr23C6).

Đặc điểm của pha xen kẽ nói chung là có nhiệt độ chảy rất cao (thường > 3000 0C) và có độ cứng lớn (2000 ÷ 5000 HV), có tính dòn lớn. Chúng có vai trò rất lớn trong việc nâng cao tính chống mài mòn và chịu nhiệt của hợp kim. 3-Pha điện tử (Hum-Rozêri) : Là pha trung gian có cấu tạo phức tạp, tạo nên bởi hai kim loại. Thành phần của nó như sau : -Nhóm một : gồm các kim loại hóa trị một Cu, Ag, Au và kim loại chuyển tiếp : Fe, Ni, Co, Pt, Pd. - Nhóm hai : các kim loại hóa trị hai, ba, bốn :Be, Mg, Zn, Cd, Al, Si, Sn. Nồng độ điện tử N có giá trị xác định là 3/2, 21/13 và 7/4 (21/14, 21/13, 21/12). Mỗi giá trị nồng độ điện tử ứng với một kiểu mạng tinh thể. Ví dụ : -N = 3/2 la ì pha β với kiểu mạng lập phương tâm khối, hay lập phương phức tạp, hay sáu phương (Cu5Sn, Cu5Si). - N = 21/13 là pha γ với kiểu mạng lập phương phức tạp (Cu31Sn8). - N = 7/4 là pha ε với kiểu mạng sáu phương xếpchặt (AgCd ). 3 4-Pha Laves : La pha tạo nên bởi hai nguyên tố (A, B), có tỷ lệ đường kính nguyên tử d A/dB = 1,2 (tỷ lệ này có thể biến đổi trong phạm vi 1,1 ÷ 1,6), có công thức AB2, kiểu mạng sáu phương xếp chặt (MgZn2) hay lập phương tâm mặt (MgCu2). Trong hợp kim có thể còn gặp các pha : σ, λ, δ, µ... Tuy nhiên các loại pha này ít phổ biến. Một đặc tính quan trọng của các pha trung gian là cứng và dòn. Vì vậy không bao giờ người ta dùng hợp kim chỉ có một pha là pha trung gian. Tỷ lệ của chúng trong các hợp kim thông thường < 10% (có khi đến 20 ÷ 30%), đây là các pha cản trượt làm tăng độ bền, độ cứng.