合金的相结构

3.3.2　合金的相结构

根据结构特点不同，可将合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。

1．固溶体

固溶体是指合金在固态下，组元间能相互溶解而形成的均匀相。习惯上用希腊字母α、β、γ…来表示。一般把与合金晶体结构相同的元素称为溶剂，其他元素称为溶质。固溶体是合金中的重要组成相，实际使用的金属材料多数是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不同，固溶体又分为置换固溶体和间隙固溶体两种。

（1）置换固溶体

溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置而形成的固溶体称为置换固溶体。在置换固溶体中，溶质原子呈无序分布的称为无序固溶体（如图3-13（a）所示），溶质原子呈有序分布的称为有序固溶体（如图3-13（b）所示）。固溶体从无序到有序的过程称为固溶体的有序化，有序化将使固溶体的性能发生很大变化。

图3-13　置换固溶体示意图

图3-14　间隙固溶体示意图

（2）间隙固溶体

溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体称为间隙固溶体,如图3-14所示。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如氢、碳、硼、氮等，而溶剂元素一般为过渡族元素。间隙固溶体都是无序固溶体。

（3）固溶体的溶解度

固溶体的溶解度是指溶质原子在固溶体中的极限浓度。根据溶解度不同，固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。溶解度有一定限度的固溶体称为有限固溶体，而组成元素无限互溶的固溶体称为无限固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。而间隙固溶体由于间隙有限，只能形成有限固溶体。

2.金属化合物

合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称为金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和较大的脆性，并可用分子式表示其组成。金属化合物也是合金的重要组成相。当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但塑性降低。

根据形成条件及结构特点划分，金属化合物主要有以下几类。

（1）正常价化合物

符合正常原子价规律的化合物称为正常价化合物，通常由金属元素与周期表中IVA族、VA族、VIA族元素组成，如Mg₂Si、Mg₂Pb、MnS等。

（2）电子化合物

符合电子浓度规律的化合物称为电子化合物。电子浓度是指金属化合物中的价电子数目与原子数目的比值。电子化合物多由IB族或过渡族金属与IIB族、ⅢA族、IVA族、VA族元素所组成，其晶体结构与电子浓度值有一定的对应关系，如表3-2所示。

表3-2　合金中常见的电子化合物

（3）间隙化合物

间隙化合物是由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。根据结构特点，间隙化合物分为间隙相和具有复杂结构的间隙化合物两种。

①间隙相。非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时所形成的具有简单晶格结构的间隙化合物称为间隙相。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相，如表3-3所示。VC的结构如图3-15（a）。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点（如表3-4所示），非常稳定。

②具有复杂结构的间隙化合物。当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。部分碳化物和所有硼化物属于这一类间隙化合物，如Fe₃C、Cr₂₃C₆、FeB、Fe₄W₂C等。其中Fe₃C称为渗碳体，是碳钢中的重要组成相，具有复杂斜方晶格（如图3-15（b）所示）。金属化合物也可溶入其他元素原子，形成以化合物为基的固溶体。如渗碳体中溶入Mn、Cr等合金元素所形成的（Fe，Mn）3C、（Fe，Cr）3C等化合物，称为合金渗碳体。

表3-3　间隙相的化学式与晶格类型

表3-4　钢中常见碳化物的硬度及熔点

图3-15　间隙化合物的晶体结构