合金的基本概念及晶体结构

教学情境一　合金的基本概念及晶体结构

学习与训练子目标

了解合金的基本概念

掌握合金结构中基本相的特点

知识点一　合金的基本概念

一、合金

由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。例如，铁元素与碳元素熔合在一起就形成了铁碳合金，普通黄铜是铜与锌组成的合金。合金除具备纯金属的基本特性外，还兼有优良的机械性能与特殊的物理、化学性能，如高强度、强磁性、低热膨胀性、耐热性、耐腐蚀性等。同时，组成合金的各元素的比例能在很大范围内变化，以此来调节合金的性能，满足工业上所提出的各种不同的性能要求。

二、组元

组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。合金中的组元可以是化学元素，如前面的铁、碳、铜、锌等，也可以是化合物。两种、三种和多种组元所形成的合金，分别称为二元合金、三元合金和多元合金等。

三、合金系

由两种或两种以上的组元，按不同比例配制的一系列不同成分的合金，称为合金系。合金系可以由构成它的组元命名，如铁碳合金；也可以用其组元的个数来命名，如由两个组元组成的合金系，称为二元系，由三个组元组成的合金系则称为三元系，依此类推。

四、相

合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分称为相。合金中相与相之间具有明显的界面。液态物质称为液相，固态物质称为固相。在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。

五、组织

在金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分称为组织。合金中的各种相是组成合金组织的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综合体。合金的性能由其组织决定。

知识点二　合金的相结构

合金在固态时的相结构有固溶体和金属化合物两大类。

一、固溶体

合金在固态下，一种组元溶解在另一种组元中而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格类型保持不变的组元称为溶剂，晶格消失的组元称为溶质。固溶体就是溶质原子溶解于溶剂的晶格中所形成的单相固溶体。

（一）固溶体的分类

根据溶质原子在固溶体晶格中的位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。

1.置换固溶体

溶质原子部分地占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体，称为置换固溶体，如图4-1（a）所示。

置换固溶体根据溶解度的不同，分为无限固溶体和有限固溶体两种。当组元间的晶格类型相同、原子半径和原子结构相近、组元在元素周期表中位置相距很近时，则溶解度较大，可形成无限固溶体。反之，若不能很好满足上述条件，则溶质在溶剂中的溶解度是有限度的，只能形成有限固溶体。

2.间隙固溶体

溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图4-1（b）所示。

图4-1　固溶体的两种类型

形成间隙固溶体的条件是：溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大。溶剂晶格中的间隙是有限的，所以间隙固溶体都是有限固溶体。其溶解度大小除与温度有关外，还与溶剂晶格类型有关，因为不同类型的晶格其间隙大小也不同。

（二）固溶体的性能

形成固溶体时，由于溶质原子的溶入，固溶体的晶格发生畸变，使位错移动的阻力增大，塑性变形抗力增加，从而导致固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。它是提高金属材料机械性能的重要途径之一。

实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持相当好的塑性和韧性。因此，对综合机械性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。

二、金属化合物

合金组元间相互作用而形成的一种晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相，称为金属化合物。金属化合物具有复杂的晶体结构，其熔点高、硬度高、脆性大。当合金中出现金属化合物时，其强度、硬度和耐磨性提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是许多合金的重要组成相，起强化相作用。

固态合金中的基本相结构是固溶体和化合物。在具体合金中，由于化学成分及组元间相互作用不同，合金的组织可能是单相固溶体，如电炉丝是用80%Ni和20%Cr所形成单相固溶体合金，但一般不用单相化合物合金，这是由化合物的特性所决定的。生产中应用的合金，绝大多数的组织是机械混合物。

机械混合物是由两种或两种以上的相按一定的比例组成的组织。机械混合物不是合金的相结构，而是合金中的一类多相混合物组织。不同的固溶体、固溶体与纯金属或固溶体与金属化合物等均可组成机械混合物。机械混合物中各组成相之间不发生作用，而是以各自独立的晶体结构混合存在，其性能主要取决于组成相的数量、形态、大小与分布等。

思考与训练

复习本教学情境的基本知识，思考选择正确答案。

一、合金

1.组成合金的最基本、独立的物质叫＿＿。

A.化合物　　 B.固溶体　　 C.元素　　 D.组元

2.关于合金，以下说法错误的是＿＿。

A.合金的组元可以是稳定的化合物

B.合金的组元通常是纯元素

C.合金的组元可以是混合物

D.合金的相结构有固溶体和金属化合物

3.关于合金，以下说法正确的是＿＿。

A.合金的组元通常是稳定的化合物　　 B.二元合金是由两种组元组成的

C.合金的组元决定了合金的性能　　　 D.合金的组元也可称为合金的相结构

4.关于合金，以下说法正确的是＿＿。

A.合金的组元也可称为合金的相结构　　　 B.合金的相结构决定了合金的性能

C.固溶体是合金基本的相结构之一　　　　 D.合金的组元通常是稳定的化合物

5.关于合金，以下说法错误的是＿＿。

A.固溶体中溶质的溶解度是有限的　　　　 B.合金的相结构不能决定合金的性能

C.固溶体是合金基本的相结构之一 　　　　D.合金的组元通常是元素

二、合金中的相结构

1.合金中的相结构有＿＿。

A.固溶体/化合物/金属化合物　　　 B.固溶体/机械混合物

C.化合物/机械混合物 　　　　 D.固溶体/化合物

2.合金在固体状态的相结构大致可分为＿＿。

A.固溶体和化合物 　　　　 B.固溶体和液溶体

C.化合物和合金 　　　　 D.化合物和晶体

三、固溶体

1.组成合金的元素，在固态下互相溶解形成均匀单一的固相称为＿＿。

A.晶体　　 B.固溶体 　　C.化合物 　　D.共晶体

2.固溶体中，能保留住晶格结构含量较多的元素称为，而晶格结构消失的元素称为＿＿。

A.化合物/固溶体 　　B.固溶体/化合物　　 C.溶剂/溶质 　　D.溶质/溶剂

3.关于合金中的固溶体，以下说法错误的是＿＿。

A.固溶体溶质元素含量稍多时可导致固溶强化

B.固溶体溶质在溶剂中的溶解度是基本不变的

C.固溶体是合金基本的相结构之一

D.固溶体中溶质和溶剂可能无限相溶

四、化合物

1.合金中的金属化合物可分有＿＿。

Ⅰ. 正常价化合物；Ⅱ. 电子化合物；Ⅲ. 间隙化合物。

A.Ⅰ+Ⅱ　　 B.Ⅱ+Ⅲ 　　C.Ⅰ+Ⅲ　　 D.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ

2.关于合金，以下说法错误的是＿＿。

A.机械混合物是合金基本的相结构之一 　　　B.合金的相结构不能决定合金的性能

C.固溶体是合金基本的相结构之一　　　　 D.合金的组元通常是元素

3.关于机械混合物，以下说法正确的是＿＿。

A.机械混合物是合金基本的相结构之一

B.机械混合物决定了合金的性能

C.机械混合物是由两种或两种以上的相组成

D.机械混合物的组成相应是固溶体