合金晶体结构解析

纯金属虽然具有良好的导电性、导热性，但由于纯金属强度、硬度较低，无法满足生产中对金属材料的一些高性能的要求，且纯金属冶炼困难、价格较高，所以实际生产中大量使用的很少是纯金属，绝大多数是合金。

（1）合金

由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。例如工业上广泛应用的碳钢和铸铁就是铁和碳组成的合金。

（2）组元

组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。组元一般是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。根据组元的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。例如黄铜是由铜和锌组成的二元合金。

（3）相

合金中化学成分、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分称为相。液态物质称为液相，固态物质称为固相。合金在固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。

（4）组织

组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸和分布方式不同的一种或多种相构成的总体，只有一种相构成的组织称为单相组织；由几种相构成的组织称为多相组织。相是组织的基本单元，组织是相的综合体。

合金的性能取决于组织，而组织的性能又首先取决于其组成相的性能。因此，为了了解合金的组织与性能，有必要首先了解构成合金组织的相结构及其性能。

根据合金中各组元之间相互作用的不同，固态合金中的相可分为固溶体和金属化合物两类。

2.1.2.1　固溶体

将糖溶于水中，可以得到糖在水中的“液溶体”，其中水是溶剂，糖是溶质。如果糖水结成冰，便得到糖在固态水中的“固溶体”。合金也有类似的现象，合金在固态下，一种组元的晶格内溶解了另一组元的原子而形成的均匀相，称为固溶体。各组元中，与固溶体晶格类型相同的组元称为溶剂，其他组元称为溶质。按溶质原子在溶剂中所占位置的不同，固溶体分为以下两类：(www.xing528.com)

（1）置换固溶体

溶质原子占据溶剂晶格部分结点而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图2-6（a）所示。按照溶质原子在溶剂中的溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。形成无限固溶体的条件是溶质与溶剂原子的半径接近，且具有相同的晶格类型。如铜镍合金可以形成无限固溶，而铜锌只能形成有限固溶体。

（2）间隙固溶体

溶质原子分布在溶剂晶格间隙而形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图2-6（b）所示。由于溶剂晶格的间隙有限，所以只有原子半径较小的溶质（碳、氮、硼等非金属元素）才能溶入原子半径较大的溶剂晶格的间隙。间隙固溶体能溶解的溶质的数量是有限的。

无论是置换固溶体还是间隙固溶体，都因溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生歪扭，从而使合金对塑性变形的抗力增加。这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使金属材料强度、硬度增加的现象，称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。

实践证明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。

图2-6　固溶体的分类

（a）置换固溶体；（b）间隙固溶体

2.1.2.2　金属化合物

金属化合物是指合金组元间相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，可以用分子式（如Fe3C、CuZn）表示。其晶格类型不同于任一组元，性能也与组元不同，一般熔点高，且硬而脆。

由于金属化合物硬而脆，所以单相金属化合物的合金很少使用。当金属化合物呈细小的颗粒弥散分布在固溶体基体上时，能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，这种现象称为弥散强化。金属化合物通常是碳钢、合金钢、硬质合金和非铁金属的重要组成相及强化相。

固溶体、金属化合物均是组成合金的基本相。由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。在机械混合物中各组成相仍保持它原有的晶格类型和性能，而机械混合物的性能介于各组成相性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。