Trong thực tế hợp kim thường có các dạng cấu tạo sau đây: + Hợp kim có cấu tạo một pha là dung dịch rắn
+ Hợp kim có cấu tạo một pha là hợp chất hoá học + Hợp kim có cấu tạo hai hay nhiều pha.
3.1.2.1.Dung dịch rắn
Trong dung dịch rắn các nguyên tử phân bố 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, cấu tử còn lại là chất hoà tan. Dung dịch rắn là pha đồng 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 thay đổi sự đồng nhất đó. Dung dịch rắn được chia làm hai loại: Dung dịch rắn thay thế và dung dịch rắn xen kẽ.
a.Dung dịch rắn thay thế:
Là loại dung dịch mà nguyên tử của cấu tử hoà tan thay thế vào vị trí của các nguyên tử của nguyên tố gốc trên nút mạng tinh thể. Như vậy, kiểu mạng và ô mạng cơ sở của dung dịch rắn thay thế vẫn giống với kiểu mạng và ô mạng cơ sở của nguyên tố ban đầu. Tuy nhiên vì không thể có hai nguyên tố khác nhau mà lại có kích thước nguyên tử hoàn toàn giống nhau nên sự thay thế để tạo nên dung dịch này tất yếu sẽ dẫn đến sự xô lệch mạng tinh thể. Do vậy dung dịch rắn thay thế chỉ xảy ra khi kích thước nguyên tử của nguyên tố thay thế và của nguyên tố gốc có sự sai khác rất nhỏ. Dung dịch rắn thay thế còn được phân chia thành dung dịch rắn hoà tan vô hạn và dung dịch rắn hoà tan giới hạn
+ Dung dịch rắn hoà tan vô hạn: Là dung dịch rắn mà trong đó nồng độ biến đổi của chất hoà tan có thể biến đổi với một tỷ lệ bất kỳ. Trong loại dung dịch rắn này không thể phân biệt được cấu tử nào là dung môi, cấu tử nào là chất hoà tan, cấu tử nào có lượng chứa nhiều là dung môi, cấu tử còn lại là chất hoà tan.
Điều kiện để tạo thành dung dịch rắn hoà tan vô hạn như sau: -Có cùng kiểu mạng tinh thể
- Đường kính nguyên tử sai khác nhau rất ít, nhỏ hơn 8%
- Các tính chất vật lý và hóa học gần giống nhau (độ âm điện, cấu tạo lớp vỏ điện tử)
+ Dung dịch rắn thay thế hoà tan có hạn: Là dung dịch rắn mà các cấu tử hoà tan vào nhau với một nồng độ nhất định
b. Dung dịch rắn xen kẽ
Là dung dịch rắn mà các nguyên tử hoà tan nằm xen kẽ giữa các nguyên tử của kim loại dung môi
Các đặc tính của dung dịch rắn:
Mạng tinh thể của dung dịch rắn là mạng tinh thể của kim loại dung môi, thường có các kiểu mạng đơn giản và sít chặt. Đây là yếu tố cơ bản quyết định tính chất cơ lý hoá. Về cơ bản nó vẫn giữ được tính chất của kim loại dung môi. Tuy nhiên về thông số mạng nó luôn khác với dung môi.
Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hòa tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể lọt vào lỗ hổng trong mạng tinh thể của kim loại dung môi. Do tất cả các lỗ hổng đều rất nhỏ nên chỉ một số phi kim với bán kính nguyên tử bé như: hydro, nito, cacbon mới có khả năng hòa tan xen kẽ vào các kim loại chuyển tiếp có bán kính nguyên tử lớn như sắt, crôm, …Do số lỗ hổng này là có hạn và các nguyên tử phi kim không thể chui vào mọi lỗ hổng của mạng vì sẽ gây ra xô lệch mạng nên dung dịch rắn xen kẽ không thể có loại hòa tan vô hạn, chỉ có thể là hòa tan có hạn.
Hình 3-1. (a) Trong dung dịch rắn xen kẽ, (b) trong dung dịch rắn thay thế khi rht> rdm,
c. Đặc tính của dung dịch rắn
Về mặt cấu trúc dung dịch rắn của hợp kim có kiểu mạng tinh thể vẫn là kiểu mạng của kim loại dung môi. Đặc tính cơ bản này quyết định các đặc trưng cơ lý hóa tính của dung dịch rắn, về cơ bản vẫn giữ được các tính chất cơ bản của kim loại chủ hay nền. Như vậy dung dịch rắn trong hợp kim có các đặc tính cụ thể như sau:
+ Liên kết vẫn là liên kết kim loại, do vậy dung dịch rắn vẫn giữ được tính dẻo giống như kim loại nguyên chất
+ Thành phần hoá học thay đổi theo phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu mạng.
+ Tính chất biến đổi nhiều: Độ dẻo, độ dai, hệ số nhiệt độ điện trở giảm, điện trở độ bền, độ cứng tăng lên.
Do các đặc tính trên nên dung dịch rắn là cơ sở của hợp kim kết cấu dùng trong cơ khí. Trong hợp kim này pha cơ bản là dung dịch rắn, nó chiếm xấp xỉđến 90% có trường hợp
đến 100%.