合金的组织结构及其成分分类

纯金属虽然具有良好的导电性、导热性和良好的塑性，在工业中具有一定的应用价值，但其强度和硬度不高，冶炼也十分困难（纯度越高，冶炼成本就会越高），所以其应用受到了限制，实际生产中大量使用的金属材料多为合金。

1.合金的基本概念

合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质。例如，钢、铸铁都是铁与碳组成的合金，黄铜是铜与锌组成的合金，硬铝是铝、铜、镁组成的合金等。

组元是指组成合金最基本的、独立的单元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。

合金的内部组织是由相组成的。合金中的相是指有相同的结构、物理性能和化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称为单相合金，由两个或两个以上的相组成的合金称为多相合金。

固态合金的相结构主要有固溶体和金属化合物。

2.固溶体

固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶体。在固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂，因此固溶体的晶格与溶剂的晶格相同。固溶体中的其他组元称为溶质。

（1）固溶体的类型 根据溶质原子在晶格中占据位置的不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两类，如图2-6所示。

在置换固溶体中，溶质原子占据晶格的正常结点，这些结点上的溶剂原子被溶质原子替换。当合金中的溶剂原子与溶质原子的半径相近时，更易形成这种置换固溶体。有些置换固溶体的溶解度有限，称为有限固溶体。但当溶剂原子与溶质原子的半径相当，并具有相同的晶格类型时，它们可以按任意比例溶解，这种置换固溶体称为无限固溶体。

图2-6 固溶体结构示意图

a）置换固溶体 b）间隙固溶体(www.xing528.com)

在间隙固溶体中，溶质原子不占据正常的晶格结点，而是嵌入晶格间隙中。由于溶剂的间隙尺寸和数量有限，所以只有原子半径较小的溶质（如碳、氮、硼等非金属元素）才能溶入溶剂中形成间隙固溶体。间隙固溶体的溶解度有限，都为有限固溶体。

（2）固溶体的性能 无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，如图2-7所示。随着固溶体中溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之一。

图2-7 固溶体的晶格畸变

a）间隙固溶体 b）、c）置换固溶体

注：•代表溶质原子，○代表溶剂原子。

在一般情况下，只要固溶体中的溶质含量适当，固溶体不仅具有高的强度和硬度，还可以保持良好的塑性与韧性。因此，实际使用的合金，一般都是以固溶体作为基体相的多相合金，具备这样组织的合金一般综合性能良好。

3.金属化合物

金属化合物是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，一般可用其化学式来表示，如铁碳合金中的Fe₃C（渗碳体）。金属化合物通常具有复杂的晶体结构，而且不同于任一组成元素的晶体类型。

金属化合物的熔点高，性能硬而脆。它在合金组织中呈细小均匀状分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高。因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；但金属化合物数量多或呈粗大、不均匀状分布时，会降低合金的力学性能，使合金脆性增大。

固溶体、金属化合物是组成合金的基本相。实际使用的合金，其组织通常是由固溶体与少量金属化合物组成的机械混合物。通过调整固溶体中溶质原子的含量，以及控制金属化合物的数量、形态、分布状况，可以改变合金的力学性能，获得性能各异的合金材料。