合金相结构及其分类的介绍

纯金属虽然具有一些优良性能，但机械性能较差，种类有限，而且制取困难，远不能满足生产上的需要，因此，工业中大量使用的是合金。

合金是一种金属元素与另一种或多种金属元素或非金属元素组成的具有金属特性的物质。例如，碳钢是铁和碳的合金，黄铜是铜与锌的合金等。组成合金的独立的、最基本的物质，称为组元。组元通常是组成该合金的元素，但也可以是化合物。由两个组元组成的合金，称为二元合金。三个或三个以上组元组成的合金，称为三元或多元合金。在合金组织中，具有同一成分、同一原子结构、与周围物质有明显界面分开的各个均匀部分称为合金相，简称相。

合金的性能是由合金的成分和组织决定，即取决于组织中相的种类、成分、含量、形态、分布等因素。

合金的基本相分两大类，即固溶体和化合物。

（一）固溶体

合金各组元在固态时形成与某组元晶格类型相同的合金称为固溶体。在固溶体中，含量较多且能保持原有晶格的组元称为溶剂；含量较少而被溶解的组元称为溶质。固溶体中溶剂能够溶解溶质的最大限量叫作固溶度。

按溶质原子在溶剂晶格中的分布不同，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体。

溶质原子分布在溶剂晶格的空隙中所形成的固溶体，称为间隙固溶体。通常当溶质原子与溶剂原子半径之比小于0.59时，才形成间隙固溶体。例如，非金属元素碳、氧、氮和硼等元素与过渡族金属元素易形成间隙固溶体。间隙固溶体中溶剂原子溶解溶质原子的能力是有限的。(www.xing528.com)

溶质原子占据了溶剂晶格某些原子位置所形成的固溶体，称为置换固溶体。图2-27是间隙固溶体和置换固溶体结构示意图。置换固溶体的固溶度与溶剂原子与溶质原子半径相近程度、元素在周期表中位置关系和原子结构等因素有关。溶剂元素与溶质元素半径越相近，在周期表中位置越邻近，原子结构越相似，溶解能力越强。例如，铜和镍、铁和铬、金和银形成的置换固溶体中溶质和溶剂原子能以任何比例互溶，而铜和锌元素形成置换固溶体中铜组元只能溶解有限的锌组元。

图2-27　置换固溶体和间隙固溶体示意图

（a）置换固溶体；（b）间隙固溶体

由于溶质原子与溶剂原子半径的差异，当溶质原子溶于溶剂原子时，必然引起晶格畸变，使合金强度、硬度提高。这种通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。固溶强化是金属材料主要强化途径之一，例如碳钢中加入少量合金元素，可以既保持合金的韧性，又提高了材料的强度。在低碳钢中加入1.3%～1.6%的锰元素，强度可以从240MPa增加到300～400MPa。

（二）金属化合物

金属化合物是合金组元间发生相互作用而形成不同于任一组元晶体结构的新相。金属化合物具有明显的金属特性，晶体结构不同于合金中任一组元。金属化合物的熔点高、硬度高，但脆性大，当它在合金中出现时，可使金属的强度和硬度提高，耐磨性增加。所以金属化合物主要以细小而分散的颗粒相存在于基体相中起到增强的效果，这种强化方式称为弥散强化。例如碳和钒元素形成的VC金属化合物相，熔点为3023℃，硬度为HV2800。