纯金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽，在工业上具有一定的应用价值。但由于强度、硬度一般较低，远远不能满足生产实际的需要，而且冶炼困难，价格成本均较高，其使用受到很大限制。因此，实际生产中大量使用的金属材料主要是合金。
2.2.1 基本概念
（1）合金。合金是指由两种或两种以上化学元素（其中至少有一种是金属元素）所组成的具有金属特性的物质。例如，黄铜是由铜与锌组成的合金，钢和铸铁是铁与碳组成的合金等。
（2）组元。组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的物质称为合金的组元。给定组元可以按不同比例配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。在一个合金系内，组元可以是元素，也可以是稳定的化合物。
由两种组元构成的合金称为二元合金；由三种组元构成的合金称为三元合金；由三种以上组元构成的合金称为多元合金。
（3）相与组织。在合金中，成分、结构及性能相同的组成部分称为相。相与相之间有明显的界面。数量、形状、大小和分布方式不同的各种相组成合金组织。
2.2.2 合金组织
合金的性能由组织决定，而组织由相组成。所以，在研究合金的组织、性能之前，必须先了解合金的相。根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。
1.固溶体
合金在固态下，由于组元间相互溶解而形成的相称为固溶体，即在某一组元的晶格中溶入了其他组元的原子。在各组元中，晶格类型与固溶体相同的组元称为溶剂，其他组元称为溶质。固溶体是合金的一种基本相结构。
（1）固溶体的类型。当溶质原子在溶剂晶格中不占据格点位置而是嵌于格点之间的空隙时，形成间隙固溶体，如图2－10左上角所示。间隙固溶体中的溶质元素多是原子半径较小的非金属元素，如碳、硼、氮等。因溶剂晶格的间隙有限，间隙固溶体只能是有限固溶体。
当溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格的结点位置时，形成置换固溶体，如图2－10右下角所示。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。若溶剂元素与溶质元素在元素周期表中位置靠近，且晶格类型相同，往往可以按任意比例配制，都能相互溶解，从而形成无限固溶体。
（2）固溶体的性能。溶质原子溶入溶剂晶格，将使晶格发生畸变，如图2－11所示。晶格畸变对金属的性能有重大的影响，它将使合金的强度、硬度提高，这种现象称为固溶强化，它是提高金属材料力学性能的重要途径之一。
图2－10 固溶体
图2－11 固溶强化
实践证明，在一般情况下，如果溶质的浓度适当，对固溶体的塑性影响较小，即固溶体不但强度、硬度比纯金属高，而且塑性仍然良好，韧度仍然较高。因此，实际使用的金属材料大多数是单相固溶体合金或以固溶体为基体的多相合金。
2.金属化合物
合金的组元在固态下相互溶解的能力往往有限，当溶质含量超过在溶剂中的溶解度时，有些组元之间可发生相互作用而形成化合物。金属化合物是金属与金属或金属与非金属之间形成的具有金属特性的化合物相，是很多合金的另一种基本相结构。金属化合物通常具有不同于组元的复杂晶格结构。
例如，在铁碳合金中，碳的含量超过铁的溶解能力时，多余的碳与铁相互作用形成金属化合物Fe3C，其晶格结构如图2－12所示。它既不同于铁的晶格，也不同于碳的晶格，是复杂的斜方晶格。
图2－12 Fe3C的晶体结构
金属化合物的熔点高、硬度高、脆性大，塑性、韧度几乎为零，故很少单独使用。
当合金中含有金属化合物时，将使合金的强度、硬度和耐磨性提高，而塑性降低。因此，金属化合物是许多合金材料的重要强化相，与固溶体适当配合，可以提高合金的综合力学性能。
3.机械混合物
在合金中，由两种或两种以上的相按一定的质量分数组成的物质称机械混合物。
在混合物中，各组成部分可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自混合，也可以是它们之间的混合。混合物中的各相仍保持自己原有的晶格。在显微镜下可以明显地分辨出各组成部分的形态。
混合物的性能主要取决于各组成部分的性能，以及它们的形态、大小及数量。
2.2.3 合金的结晶
合金的结晶与纯金属的结晶有相似之处，但是，纯金属的结晶是在某一温度下进行（如铁为1 538℃），而合金的结晶比纯金属复杂得多，必须建立合金相图才能表示清楚。合金相图就是表示合金结晶过程的简明图解，它是研究合金成分、温度和结晶组织结构之间变化规律的重要工具，利用相图可以正确制定热加工的工艺参数。
1.合金相图的建立
合金相图是通过实验方法建立的。首先在极缓慢冷却的条件下，作出该合金系中一系列不同成分合金的冷却曲线，并确定冷却曲线上的结晶转变温度（临界点），然后把这些临界点标在温度－成分坐标上，最后把坐标图上的各相应点连接起来，就可得出该合金的相图。
以铜、镍合金为例，用热分析法建立相图的步骤如下。
（1）配制一系列不同成分的铜镍合金，如铜100％；铜80％，镍20％；铜60％，镍40％；铜40％，镍60％；铜20％，镍80％；镍100％等（均指质量分数）。
（2）用热分析法测出上述各种不同成分合金的冷却曲线，如图2－13（a）所示。找出冷却曲线上的各临界点。纯铜和纯镍的冷却曲线上都有一个平台，平台所对应的温度即结晶温度。结晶是在恒温下进行的，所以只有一个临界点。在其他四种不同成分铜镍合金的冷却曲线上，都有两个转折点，上转折点所对应的温度为结晶开始温度，即上临界点；下转折点所对应的温度为结晶结束温度，即下临界点。结晶过程是在上、下临界点之间的温度范围内完成的。
图2－13 铜镍合金相图的建立
（3）将各临界点描绘在温度—成分坐标系中。把意义相同的临界点用平滑的线条连接起来，构成Cu－Ni合金相图，如图2－13（b）所示。上临界点连成的线条称为液相线；下临界点连成的线条称为固相线。
2.二元合金结晶过程分析
（1）匀晶合金。当两组元在液态和固态均能无限互溶时，所形成的合金称为二元匀晶合金，所构成的相图称为二元匀晶相图。如图2－14所示Cu－Ni合金相图属于匀晶相图。
（2）共晶合金。两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，并且发生共晶反应所构成的相图称为二元共晶相图。如图2－15所示Pb－Sn相图属于共晶相图。
图2－14 匀晶相图
图2－15 共晶相图
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