合金相结构及其力学性能特征

根据合金中晶体结构特征，合金的基本相结构分为固溶体、金属化合物和机械混合物。

1.固溶体

合金由液态结晶为固态时，一种组元的原子溶入另一种组元的晶格中所形成的均匀固相称为固溶体，其中，溶入的元素称为溶质，而基体元素(占主要地位)称为溶剂。固溶体的晶格类型仍然保持溶剂的晶格类型。例如，铜镍合金就是以铜(溶剂)和镍(溶质)形成的固溶体，固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构。

根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。

(1)间隙固溶体

溶质原子溶入溶剂晶格原子间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图2-15(a)所示。间隙固溶体的溶质都是些原子半径很小的非金属元素，如碳、硼、氢等。由于溶剂晶格本身的间隙有限，所以间隙固溶体只能是有限的固溶体。

(2)置换固溶体

溶质原子置换溶剂晶格结点上的部分原子而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图2-15 (b)所示。置换固溶体中溶质与溶剂元素的原子半径相差越小，则溶解度越大。

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图2-15　固溶体类型及晶格畸变

(a)间隙固溶体； (b)置换固溶体

无论是间隙固溶体还是置换固溶体，由于溶质原子的溶入，都使晶体的晶格发生了畸变。晶格畸变使位错运动阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，但塑性下降，此现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。例如，在低合金钢中利用Mn、Si 等元素来强化铁素体。

2.金属化合物

金属化合物是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新相，其晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。金属化合物的熔点高、硬度高、脆性大，例如铁碳合金中的Fe3C (渗碳体)。当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。

3.机械混合物

若组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在，则形成各组元晶体的机械混合物。组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。

混合物中的各组成相既不溶解，也不化合，它们仍然保持各自的晶格结构，其力学性能取决于各组成相的性能，并由其各自形状、大小、数量及分布而定。它比单一的固溶体或金属化合物具有更高的综合性能。通过调整混合物中各组成相的数量、大小、形态和分布状况，可以使合金的力学性能在较大范围内变化，以满足工程上对材料的多种需要。