khoa hoc vat lieu co khi-chuong 4-CHƯƠNG 4 CẤU TẠO HỢP KIM

Dung dịch rắn thay thế * Phân loại dung dịch rắn thay thế: Dựa vào khả năng hòa tan: - Dung dịch rắn thay thế hòa tan có hạn: Sự thay thế của nguyên tử chất tan vào trong dung môi đa số

Trang 1

1 Khái niệm về hợp kim

a Định nghĩa

- Hợp kim là hỗn hợp của hai hay nhiều nguyên tố và

mang tính kim loại

b Ưu điểm của hợp kim

- Hợp kim có độ bền cao, độ chịu ma sát, chịu mài mòn

tốt hơn kim loại nguyên chất

- Hợp kim có tính công nghệ đa dạng và thích hợp

CHƯƠNG 4: CẤU TẠO HỢP KIM

2 Dung dịch rắn

- Khi hòa tan cấu tử nào hòa tan nhiều gọi là dung môi

còn cấu tử nào hòa tan ít gọi là chất tan

Trang 2

- Dung dịch rắn là pha đồng nhất có cấu trúc mạng như

của dung môi (nguyên tố chủ yếu) nhưng với thành

phần có thể thay đổi trong một phạm vi mà không làm

mất đi sự đồng nhất đó

- Ký hiệu dung dịch rắn gồm hai cấu tử A, B là A(B)

trong đó A là dung môi và B là chất tan

4

b Dung dịch rắn thay thế

- Dung dịch rắn thay thế là một loại dung dịch rắn mà

nguyên tử của nguyên tố hoà tan B thay thế vào đúng

vị trí nguyên tử của nguyên tố dung môi A

- Sự thay thế này gây ra sai lệch mạng vì

không có hai nguyên tố nào có đường

kính nguyên tử hoàn toàn giố́ng nhau

- Các nguyên tố kim loại có kích thước

nguyên tử sai khác nhau không quá 15%

thì mới thay thế cho nhau nếu lớn hơn sẽ

khó thay thế vì làm cho mạng bị xô lệch

mạnh gây mất ổn định cho hệ

Trang 3

* Phân loại dung dịch rắn thay thế:

Dựa vào khả năng hòa tan:

- Dung dịch rắn thay thế hòa tan có hạn:

Sự thay thế của nguyên tử chất tan vào trong dung môi

đa số là có hạn vì nồng độ chất tan càng tăng thì càng

làm mạng bị xô lệch cho đến một nồng độ bão hòa

Nồng độ bão hòa gọi là giới hạn hòa tan

- Dung dịch rắn hòa tan thay thế vô hạn:

có một số cặp kim loại chúng có thể hòa tan vô hạn vào

nhau tạo nên một dây các dung dịch rắn có nồng độ thay

đổi một cách liên tục từ 100%A+0%B đến

0%A+100%B

* Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng hoà tan thay

thế vô hạn hay có hạn:

- Sự tương quan về kiểu mạng: nếu cùng kiểu mạng

mới có thể hòa tan vô hạn, khác kiểu mạng chỉ có thể

hòa tan có hạn

- Sự tương quan về kích thước nguyên tử: nếu đường

kính của nguyên tử chất tan và dung môi chênh lệch ít

(<8%) mới có thể hòa tan vô hạn, còn (8%-15%) chỉ có

thể hòa tan có hạn Nếu (>15%) không có khả năng thay

thế

Trang 4

- Sự tương quan về nồng độ điện tử: Trong thực tế

các nguyên tố hoá trị giống nhau mới có thể thay thế vô

hạn, còn các nguyên tố khác nhau về hóa trị chỉ có thể

thay thế có hạn

- Sự tương quan về tính chất lý hoá tính: các tính

chất vật lý hóa học của hai nguyên tố càng gần giống

nhau càng dễ tạo thành dung dich rắn thay thế và càng

dễ có dạng hòa tan vô hạn

+ Nếu hai nguyên tố có tính âm điện khác biệt nhau sẽ

khó tạo thành dung dịch rắn

8

+ Nếu nhiệt độ nóng chảy của hai nguyên gần bằng

nhau càng dễ tạo thành dung dịch rắn

+ Các nguyên tố ở trong cùng một nhóm hay ở những

nhóm cạnh nhau thường có cấu tạo lớp võ điện tử hóa

trị, tính âm điện và đặc tính lý hóa giống nhau dễ tạo

thành dung dich rắn hòa tan vô hạn

Trang 5

Dựa vào sự phân bố các nguyên tử chất tan

- Dung dịch rắn thay thế không có trật tự

Hầu hết sự phân bố nguyên tử hòa tan trong mạng tinh

thể của dung môi là đều đặn và có tính ngẫu nhiên được

gọi là dung dịch rán không có trật tự

- Dung dịch rắn thay thế có trật tự

Trong thực tế có một số dung dịch rắn thay thế ở một số

điều kiện nhất định (về nhiệt độ, tốc độ nguội, nồng

độ…) các nguyên tử của nguyên tố hòa tan chỉ thay thế

các nút mạng nào đó theo một qui tắc nhất định gọi là

dung dịch rắn có trật tự

- Ví dụ:

+ Hệ hợp kim Cu-Au khi làm nguội nhanh các nguyên

tử Cu, Au phân bố tùy ý như hình a tạo nên dung dịch

rắn không trật tự

Cu

Au

Hình a

Trang 6

- Ví dụ:

+ Sau khi ủ ở nhiệt độ xác định các nguyên tử Cu, Au

sắp xếp lại theo qui luật tạo nên ddr có trật tự

~ Nếu tỷ lệ Cu-Au là 3:1 thì các nguyên tử Cu chiếm tất

cả các nút tâm của mặt khối còn nguyên tử Au chiếm

các đỉnh như hình b

~ Nếu vơi tỷ lệ 1:1 thì các nguyên tử Cu chiếm nút tâm

của 4 mặt bên còn nguyên tử Au chiếm các đỉnh và 2

mặt đáy như hình c

Cu

Au

Hình b

Cu

Au

Hình c

12

- Dung dịch rắn xen kẽ là dung dịch rắn mà nguyên tử

của nguyên tố hòa tan nằm ở điểm trống trong mạng

tinh thể của nguyên tố dung môi

c Dung dịch rắn xen kẽ

- Trong dung dịch rắn xen kẽ các

nguyên tử hòa tan phải có kích

thước bé hơn hẳn nguyên tử dung

môi để có thể lọt vào lỗ hổng của

mạng dung môi

Trang 7

c Dung dịch rắn xen kẻ

- Bằng thực nghiệm cho thấy sự hòa tan ddr xen kẽ xảy

ra khi tỷ số đường kính chất tan trên đường kính dung

môi là dB/dA <0.59

d Tính chất Dung dịch rắn

- Dung dịch rắn có kiểu mạng của tinh thể dung môi, nó

vẫn giữ được các tính chất cơ bản của kim loại dung

môi

- Thành phần hóa học của dung dịch rắn thay đổi trong

một phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu

mạng (dung môi)

- Mạng tinh thể của dung dịch rắn luôn bị xô lệch cho

nên thông số mạng của nó khác với thông số mạng của

dung môi

Trang 8

d Tính chất Dung dịch rắn

- Dung dịch rắn có độ cứng, độ dẻo, độ dai tốt nên nó là

pha cơ sở của hợp kim kết cấu (hk thép, hk nhôm)

16

3 Các pha trung gian

a Hợp chất hoá học hóa trị thường

- Đây là pha có mạng tinh thể phức tạp khác hẳn với

các nguyên tố thành phần, có thành phần hóa học hầu

như cố định (tương ứng với một công thức hóa học và

tuân theo qui tắ́c hóa trị)

- Nó thường tạo thành giữa một nguyên tố có tính âm

điện mạnh (á kim) và một nguyên tố có tính dương điện

mạnh (kim loại)

- Các hợp chất hóa học hóa trị thường trong các hợp

kim là oxýt: FeO; Fe2O; MgO; Al2O3; hay cac hợp chất

Mg2Si; Mg2Sn; Mg2Sb; MgS; MnS…

- Hợp chất hóa học hóa trị thường có tính chất dòn, độ

cứng cao, có nhiệt độ nóng chảy cố định

Trang 9

b Các loại pha trung gian khác có cấu tạo không

tuân theo qui tắc hóa trị

- Đây là các pha trung gian không tuân theo qui tắc hóa

trị, không có thành phần hóa học chính xác (dao động

trong một khoảng nào đó) và có liên kết kim loại

- Các pha trung gian loại này được tạo thành giữa kim

loại với kim loại hay giữa kim loại với á kim

* Pha xen kẽ:

- Các á kim có đường kính nguyên tử nhỏ (H, N, C…)

không những hòa tan xen kẽ vào các lỗ hổng của kim

loại chuyển tiếp có đường kính nguyên tử lớn mà nó còn

có khả năng tạo nên với kim loại pha mới có kiểu mạng

khác hẳn có tên gọi là Cácbit, Hydrit, Nitrit, Borit …gọi

chung là pha xen kẽ

- Ta chia làm 2 loại, Pha xen kẽ kiểu mạng đơn giản và

Pha xen kẽ kiểu mạng phức tạp

Trang 10

* Pha xen kẽ:

# Pha xen kẽ kiểu mạng đơn giản

- Tỷ lệ đường kính

- Chúng có kiểu mạng đơn giản giống kiểu mạng của

kim loại, các nguyên tử á kim nằm trong lỗ hổng giữa

các nguyên tử kim loại

0.59

A Me

d

d 

20

* Pha xen kẽ:

# Pha xen kẽ kiểu mạng đơn giản

- Pha xen kẽ đơn giản có các đặc tính

+ Có liên kết kim loại nên mang đặc tính kim loại rõ rệt

(dẫn điện, dẫn nhiệt…)

+ Có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng rất cao (WC,

TiC-3500oC) nên thường được dùng làm dao cắt gọt kim

loại

Trang 11

* Pha xen kẽ:

# Pha xen kẽ kiểu mạng phức tạp

- Tỷ lệ đường kính

- Chúng có kiểu mạng phức tạp (không thường gặp)

- Pha xen kẽ kiểu mạng phức tạp có các đặc tính

+ Có liên kết kim loại

+ Có độ cứng và tính dòn cao

+ Có nhiệt độ nóng chảy cao nhưng thua kém pha trung

gian đơn giản

0.59

A Me

d

d 

* Pha điện tử-pha Hum-rôzeri:

- Pha này do nhà khoa hoc người anh Hum-rôzeri tìm ra

- Là pha phức tạp tạo nên bởi hai kim loại ở hai nhóm

+ Nhóm thứ nhất gồm các kim loại hóa trị 1: Cu, Ag, Au

và các kim loại chuyển tiếp Fe, Co, Pd…

+ Nhóm thứ 2 gồm các kim loại có hóa trị 2 đến 4: Be,

Mg, Zn, Cd, Al…

- Loại pha này có kiểu mạng riêng nhưng phải thỏa mãn

quy luật về trị số nồng độ điện tử Cdt

n v n v n , n : chỉ số của các nguyên trong cấu tạo pha

Trang 12

* Pha điện tử-pha Hum-rôzeri:

- Đặc điểm:

+ Thành phần hóa học có thể thay đổi trong một phạm vi

hẹp

+ Có một số pha điện tử ở nhiệt độ cao các nguyên tử

phân bố tùy ý ở các nút mạng (không trật tự) có tính chất

của ddr do vậy có tính dẻo Ở nhiệt độ thấp có thể sắp

xếp lại với trật tự nhất định lúc đó pha có tính dòn cao

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	631,53 KB