合金相结构的探究与优化

纯金属使用具有局限性，不能满足各种使用场合。而合金不仅具备纯合金的基本特性，还具有良好的力学性能、特殊的物理性能、化学性能等，所以目前使用的大多是合金。

1.合金的基本概念

（1）合金 有两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经过熔炼和其他方法结合而成的具有金属特性的物质称为合金。应用最广泛的碳钢是由铁和碳组成的合金。

（2）组元 组成合金的独立的最基本物质称为组元。合金组元的主题是合金元素，其他元素可以是金属、非金属，也可以是化合物，例如：Fe₃C。根据组成合金组元的数目，合金可以分为二元合金、三元合金、多元合金等。

（3）相和组织 相是指合金中具有同一化学成分、同一聚集状态，并以界面相互分开的各个均匀组成部分。纯组元、固溶体和金属化合物是构成合金内部组织的基本相。相与相之间的转变称为相变。

组织是指合金中各相的相对数量、形态、大小及分布情况，通常是人们能观察到的合金微观形貌图像。

2.合金相

根据相的晶体结构特点，合金相可以分为固溶体和合金化合物两大类。固溶体是溶质原子溶入溶剂中所形成的均匀结晶体，固溶体的晶体结构仍然保持溶剂的结构。当溶质超过固溶体的溶解度限度时，形成晶体结构和溶剂的晶体结构不同的新相，即化合物。

金属内部组织的基本相是：纯组元、固溶体、金属化合物三种。除了单相合金（如奥氏体钢）外，大多数合金都是两种和两种以上的相混合组织，这种多相混合组成就是机械混合物。机械混合物中的相组成的数量比随着合金成分的不同而不同。

（1）固溶体 按照固溶体溶质原子在晶格中的位置，固溶体可以分为置换固溶体和间隙固溶体。

1）置换固溶体（见图1-11a）。它是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，就好像是这些结点上的溶剂原子被溶质原子置换了一样。

图1-11 固溶体两种类型

a）置换固溶体 b）间隙固溶体

2）间隙固溶体（见图1-11b）。它是指溶质原子不是占据溶剂晶格结点位置，而是填入溶剂晶格的某些间隙位置所形成的固溶体。以铁为例，面心立方晶格的γ-Fe中的碳的最大溶解度达2.11%，而在体心立方晶格的α-Fe中碳的最大溶解度仅有0.0218%。(www.xing528.com)

实践证明，只有当溶质原子半径与溶剂原子半径比值小子0.59时，才可能形成间隙固溶体。

（2）固溶体的性能 在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。

溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。由于间隙原子造成的晶格畸变比置换原子大得多，所以其强化效果也大得多。固溶体的塑性和韧性比组成它的纯金属的平均值低，但比一般的化合物高得多。因此，各种金属材料总是以固溶体为其基体相。

3.金属化合物

金属化合物的晶格类型与组成化合物的各组元的晶格类型完全不同，其晶格一般来说较复杂，组元的原子在晶格中占有固定的位置。金属化合物也称中间相，一般都具有很高的熔点、硬度和脆性。

金属化合物的种类常见的有三种：正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。

（1）正常价化合物 负电性差别较大的两组元可能形成与离子化合物结构相同的金属化合物，其组元的原子数之比符合化合价规律，故称为正常价化合物。但它们的组元原子间的结合往往也含有金属键的成分。正常价化合物的分子式一般有AB、A₂B（AB₂）两种类型，一些正常价化合物有：MgSe、MnTe、Mg₂Si、Cu₂S等。

（2）电子化合物 电子化合物是由元素周期表中第Ⅰ族或过渡族金属元素与第Ⅱ至第Ⅴ族金属元素形成的金属化合物，它不遵守化合价规律，而是按照一定电子浓度值形成的化合物。电子浓度不同，所形成化合物的晶格类型也不同。

对大多数电子化合物来说，其晶体结构与电子浓度都有对应关系，电子浓度是指化合物中价电子数与原子数的比值，当电子浓度为3/2（即21/14）时，为体心立方结构，简称为β相，例如CuZn、Cu₅Sn；当电子浓度为21/13时，为复杂立方晶格，称为γ相，例如Cu₅Zn₈、Cu₃₁Si₈；当电子浓度等于21/12时，则为密排六方晶格，称为ε相，例如CuZn₃、Cu₃Si。

（3）间隙化合物 根据组元元素半径的比值和间隙化合物的结构特点，这类化合物可以分为间隙相和间隙化合物两类。

过渡族金属能与碳、氮、硼等院子半径小的非金属元素形成化合物，它们具有金属的性质、很高的熔点、极高的硬度。当金属与非金属的原子半径之比<0.59时，化合物具有比较简单的晶体结构，称为间隙相；间隙相晶体的金属原子位于面心立方（少数位于体心立方）或密排六方结构的正常位子，而非金属原子位于该结构的间隙位子，间隙相的分子式：M₄X、M₂X、MX、MX₂，例如Fe₄N。

当金属与非金属的原子半径之比>0.59时，由于结构很复杂，通常称为间隙化合物。Cr、Mn、Fe、Co、Ni等化合物就属于此类，类型有：M₃C、M₇C₃、M₆C、M₂₃C6，字母M代表金属元素，例如：钢中的渗碳体Fe₃C、Cr₂₃C₆等。

间隙化合物的晶格结构特点是：直径较大的过渡族金属原子占据了新晶格的正常位置，而直径较小的非金属元素的原子则有规律地嵌入晶格的空隙中。间隙化合物与固溶体根本区别在于形成间隙化合物时将形成新的晶格，而不像固溶体那样保留溶剂组元的晶格不变。

（4）金属化合物的特性 金属化合物具有极高的硬度、较高的熔点，而塑性很差。