Định nghĩa: là hợp kim trong đó 1 hay nhiều nguyên tố hoà tan vào mạng tinh thể của
kim loại chiếm đa số được gọi là nền. Dung môi chiếm đa số, nguyên tố chiếm tỷ lệ ít hơn là
chất tan.
Đặc điểm: kiểu mạng của dung môi, nồng độ chất tan có thể thay đổi trong một phạm vi
mà không làm mất đi sự đồng nhất đó . Dung dịch rắn là của B trong A: A(B), mạng của A.
Các kiểu: thay thế và xen kẽ (hình 3.3)
3.1.2.2 Dung dịch rắn thay thế
Định nghĩa: nguyên tử chất tan thay thế vị trí
nguyên tử dung môi.
Điều kiện: sai khác dnguyên tửkhông quá 15%. Tính chất hoá lý tương tự nhau.
Phân loại: theo giới hạn hòa tan gồm 2 loại: dung dịch rắn hoà tan có hạn và dung dịch
rắn hoà tan vô hạn theo sự phân bố nguyên tử chất tan, có 2 loại: dung dịch rắn có trật tự và dung dịch rắn không có trật tự.
Giới hạn hòa tan là nồng độ chất tan lớn nhất mà vẫn bảo tồn được mạng tinhthể.
Điều kiện hoà tan vô hạn: chỉ có thể (có khi không) xảy ra khi thỏa mãn cả 4 yếu tố sau:
1-Cùng kiểu mạng,
2-Đường kính nguyên tử khác nhau ít (< 8%)
3-Thoả mãn giới hạn nồng độ điện tử: ví dụ: mạng lftm Ce≤ 1,36, lftk Ce ≤ 1,48,
4-Có cùng hoá trị, tính âm điện sai khác nhau ít.
Ngoài ra, tính lý - hóa (đặc biệt là nhiệt độ chảy) giống nhau dễ tạo thành dung dịch rắn
hòa tan vô hạn. Ví dụ : Ag - Au (mạng A1, r = 0,20%, cùng nhóm IB), Cu - Ni (mạng A1, r = 2,70%, IB và VIII), Fe- Cr (mạng A2,r = 0,70%, VIB và VIII).
Dung dịch rắn có trật tự: các nguyên tử chất tan sắp xếp có trật tự trong mạng tinh thể dung môi, (được nguội rất chậm trong khoảng nhiệt độnhất định). Đa số trường hợp là không trật tự.
3.1.2.3 Dung dịch rắn xen kẽ
Định nghĩa: các nguyên tử hòa tan nằm xen kẽ vào các lỗ hổng trong mạng tinh thể dung môi.
Điều kiện: bán kính nguyên tử chất tan phải rất nhỏ: N (0,071nm), C (0,077nm) và đôi khi
cả B (0,091nm) mới có khả năng xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nguyên tử lớn như Fe
Hình 3.3.Sơ đồsắpxếpnguyên tửhòa tan thay thếvà xen kẽ
vào dung môi có mạng lập phương tâm mặt, mặt (100)
(0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm),... Lỗ hổng lớn nhất trong mạng
A1 là loại 8 mặt chỉ bằng 0,414dng/tử , ngoài H, không có á kim nào bỏ lọt đẩy các
nguyên tử chủ bao quanh giãn ra, gây ra xô lệch mạnh mạng (Hình 3.5). Chỉ có dung dịch rắn
xen hòa tan có hạn.
Hình 3.5. Sự xô lệch mạng trong dd rắn:
a. hòa tan thay thế khi rht > rchủ,
b. hòa tan xen kẽ rht> rlỗ hổng
3.1.2.4 Các đặc tính của dung dịchrắn
Có kiểu mạng tinh thể của kim loại dung môi có đặc trưng cơ, lý, hóa tính của kim loại nền:
1) Mạng tinh thể, đơn giản và xít chặt (A1, A2...) của kim loại với liên kết kim loại 2) Cơ tính giống kim loại cơ sở:
- Dẻo, có giảm đi 1 chút song vẫn đủ cao, dễ biến dạng dẻo, cá biệt tăng độ dẻo: Cu(Zn) với
30%Zn còn dẻo hơn cả Cu chi tiết dập sâu, đồ dát = latông
-Tăng độ bền, độ cứng, khả năng chịu tải h ơn hẳn kim loại nguyên chất
- Nồng độ chất tan càng lớn độ dẻo càng giảm, bền càng tăng. Quá lớn gây ra giòn, dễ
bị gãy, vỡ chọn nồng độ thích hợp.
3) Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt nhưng kém hơn kim loại nguyên chất, thay đổi tính chống ăn mòn. Dung dịch rắn là pha cơ bản chiếm tới 90% thậmchí 100% trong vật liệu kết cấu.
3.1.3. Pha trung gian
Trên giản đồ pha 2 phía là dung dịch rắn, ở giữa là các pha trung gian.
3.1.3.1 Bản chất và phân loại
Đặc điểm:
1) Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn với nguyên tố thành phần
2) Có tỷ lệ chínhxác giữa các nguyên tố theo công thức hóa học AmBn
3) Tính chất: khác hẳn các nguyên tố thành phần giòn 4) Có nhiệt độ chảy xác định, khi tạo thành tỏa nhiệt.
5) Khác với các hợp chất hóa học thông th ường, các pha trung gian không hoàn toàn tuân theo quy luật hóa trị không có thành phần hóa học chính xác theo công thức, có liên kết kim
loại. Các pha trung gian trong hợp kim th ường gặp: pha xen kẽ, pha điện tử và pha Laves.
3.1.3.2 Pha xen kẽ
Định nghĩa: Là pha tạo nên giữa các kim loại chuyển tiếp (có bán kính nguyên tử lớn) với
các á kim có bán kính nguyên tử bé như C, N, H (và B): cacbit, nitrit, hyđrit (và borit).
Đặc điểm: Mạng tinh thể của pha xen kẽ thuộc t ương quan kích thước nguyên tử giữa á kim
(X) và kim loại (M):
- Khi rX/rM < 0,59 một trong ba kiểu mạng là A1, A2, A3 (tuy không giữlại kiểu mạng
vốn có nhưng vẫn mang đặc điểm kim loại), các nguyên tử á kim xen kẽ vào các lỗ hổng trong
- Khi rX/rM > 0,59 mạng tinh thể phức tạp (đ ược gọi là pha xen kẽ với mạng phức
tạp) tương ứng với công thức M3X, M7X3, M23X6.
Tính chất: Nhiệt độ chảy rất cao (th ường > 2000 3000oC), rất cứng (HV > 2000
5000) và giòn hóa bền, nâng cao tính chống mài mòn và chịu nhiệt của hợp kim.
H và N có kích thước nguyên tử nhỏ nên rX/rM < 0,59, Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N...
có mạng đơn giản. C có rX/rM >0,57 nên tạo Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6,WC, TiC, Mo2C,
VC mạng phức tạp tăng độ cứng và tính chống mài mòn của hợp kim.
3.1.3.3 Pha điện tử (Hum- Rothery)
Định nghĩa: Là pha có kiểu mạng xác định, tạo thành với nồng độ điện tử N xác định (số điện
tử hóa trị /số nguyên tử): 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12), mỗi tỷ lệ ứng với một cấu trúc mạng
phức tạp nhất định. Thường là hợp kim của Cu, Ag, Au với Zn, Sn, Cd.Với Cu1+, Zn2+ta có: Ce= 21/14 pha mạng A1: CuZn, AgZn, AuZn (Ce=(1.1+1.2)/2=3/2)
Ce= 21/13pha mạng lập phương phức tạp: Cu5Zn8, Ag5Sn8(Ce=(5.1+8.2)13=21/13) Ce=21/12pha, mạng lục giác xếp chặt: CuZn3, AgZn3(Ce=(1.1+3.2)/4=7/4=21/12)
3.1.3.4 Pha Laves
Định nghĩa: Pha tạo bởi hai nguyên tố A, B có tỷ lệ bán kính nguyên tử rA/rB = 1,2 (1,1 1,6) với công thức AB2có kiểu mạng A3: MgZn2, MgNi2 hay A1 (MgCu2). Do giòn nên chỉ được dùng trong hợp kim trung gian hoặc các pha hoá bền.