合金中的相

任务4　 合金中的相

一种金属元素与另一种或几种元素相结合形成具有金属等特性的物质称为合金。组成合金的、独立的、最基本的单元称为组元（简称元）。合金组元中，主体是金属元素，其他组元可以是金属、非金属或化合物。若干给定的组元可以配出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成了一个合金系。合金系可以是二元系、三元系或多元系。

纯金属由于制取困难，其强度、硬度等力学性能较低，使用受到了限制。而合金则可以通过调整其成分而达到要求的各种性能。例如，纯铁的硬度为80HBS，T8钢的布氏硬度为270 HBS，纯铝的强度为50MPa，而超硬铝合金可达500～600MPa。在钢中加入铬和镍可大大提高耐腐蚀性，使之变为不锈钢。

一、相的概念

物质系中结构均匀的部分称为相。即在一个相中，它的化学成分、结构和性能都是相同的，并且有明显的界面与其他相隔开。例如，互溶的、均匀的酒精水溶液是单相的，不溶的、明显分层的水和油的混合液是双相的。固态物质也可以是单相或多相的，如纯金属、冰、晶态石英等都是单相的。铁碳合金中，铁与碳形成化合物Fe₃C，这种化合物的化学成分、晶格类型和性能都与铁不同，因而铁碳合金不是单相的。

通常用眼睛、放大镜或显微镜观察到的材料的形貌图像称为组织。组织是由各种相组成的，在合金组织中具有不同显微特征的独立部分称为组织组成物。

金属的性能与组成合金各相的成分、结构、形态、性能和分布等有关。合金组织是合金中相的综合反映，因此，合金的组织决定了材料的性能。

要研究合金的组织和性能必须首先了解合金的晶体结构，即相结构。合金中的相结构可以分成固溶体和金属化合物两大类。

二、固溶体

溶液是指溶质（如糖）溶于溶剂（如水）中所形成的单相液体。同理，溶质组元（如锌）溶入溶剂（如铜）的晶格中所形成的单相固体，称为固溶体，溶剂的晶格类型不变。如上述锌的晶格类型是密排六方晶格，铜的晶格是面心立方晶格，则形成的固溶体的晶格同样是面心立方晶格。

按溶质原子在溶剂中的位置，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。

1．置换固溶体

溶质原子取代溶剂晶格中某些结点上的溶剂原子的固溶体称为置换固溶体。如图2－14 （a）所示，置换固溶体可以是无限固溶体，例如，铜与镍能以任何比例互溶；置换固溶体也可以是有限固溶体，例如，锌在铜中最多能溶入39%。

溶质原子在溶剂晶格结点上是无规则分布的，这种固溶体称为无序固溶体。在特定的条件下，溶质原子可以按一定规律分布在溶剂晶格上，这种固溶体即为有序固溶体。

影响置换固溶体中溶质原子质量分数的主要因素有尺寸因素、电化学因素、合金组元的晶格类型等。尺寸因素是指原子直径的差别，实验证明，当（D_剂－D_质）／D_剂＞15%时要形成置换固溶体就很困难了。电化学因素是指元素原子核外电子的行为，当两大元素在周期表中位置越靠近，那么它们的电化学性质就越相近，形成固溶体的溶解度就越大。若晶格类型相同，则可提高其溶解度。

图2－14　固溶体结构示意图

○—溶剂原子；●—溶质原子

2．间隙固溶体

溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体称为间隙固溶体，如图2－14（b）所示。如前所述，任何晶格中都有间隙，即使是排列最紧密的面心立方晶格和密排六方晶格，致密度也仅为74%，还是有26%的空隙可溶入溶质原子形成间隙固溶体。

形成间隙固溶体的溶剂通常为过渡族元素，溶质为原子半径不超过1的碳、氢、氧、氮、硼等非金属元素。要形成间隙固溶体，溶剂与溶质原子尺寸必须满足下式

式中：D_质、D_剂——溶质、溶剂的原子直径。

由于溶剂晶格的空隙是有限的，所以间隙固溶体为有限固溶体。

无论哪种固溶体都会使合金晶格发生畸变（见图2－15），这往往能提高合金的强度、硬度和电阻率。溶质原子溶入形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。

图2－15　形成固溶体时的晶格畸变示意图

○—溶剂原子；●—溶质原子

通常加入适量的溶质，可以提高合金的强度和硬度，而塑性、韧性仅略微降低，这样合金就有了更好的强度和韧性。因此，固溶体常作为结构材料中合金的基本相。

由于固溶体的高电阻率，因此，它常应用于电热材料，如Fe－Cr－Al电炉丝、Cr－Ni电炉丝就是固溶体。

三、金属化合物

组成合金的两个组元发生相互作用而形成的具有金属特性的化合物称金属化合物。金属化合物的结构与任一组元都不相同，一般有固定的化学成分，能用一分子式来表示。它是两组元反应后形成的新相，性能与组元有很大差别。金属化合物大致可分为以下三类。

1．正常价化合物

正常价化合物严格遵守化合价规律，组合成分不变，可用化学式表示。它通常由强金属元素和非金属元素或类金属元素组成，如Mg₂Si、Mg₂Sb、Mg₂Sn等。这类化合物的特点是硬度高、脆性大。

2．电子化合物

电子化合物不遵循化合价规律，而是当电子浓度达到某比值时，相应形成的具有一定晶体结构的化合物。电子浓度则是指化合物中价电子数与原子数的比值，即

电子化合物的成分可在一定范围内波动，因为它可以溶解单组元，形成以电子化合物为基的固溶体。如在Cu－Zn合金中，β相的含Zn的质量分数为36．8%～56．5%，不符合正常价的规律，但仍可用化学分子式表示。电子化合物有明显的金属特性，高的熔点和硬度，是许多非铁金属中的强化相。

3．间隙相和间隙化合物

间隙相和间隙化合物是由过渡族金属（如Fe、Cr、Mo、W、V等）和原子半径极小的非金属元素（如C、N、H、B等）形成的化合物。当非金属（X）与金属（M）的原子半径比值r_X／r_M＜0．59时，化合物具有较简单的晶体结构，称为间隙相，如VC、VN、WC、TiC等；而当r_X／r_M＞0．59时，其结构很复杂，通常称为间隙化合物，如Fe₃C、Cr₇C₃、Fe₄W₂C等。

间隙相和间隙化合物与间隙固溶体有本质上的不同，它们的晶格不同于任一组元的晶格，而间隙固溶体的晶格为溶剂组元晶格。

图2－16　VC的晶格

○—V原子；●—C原子

间隙相具有较简单的晶体结构。例如，VC为面心立方结构，金属V原子位于面心立方结点的位置，而非金属C原子则有规律地分布于面心立方的间隙中，如图2－16所示。间隙相的分子式一般为M₄X、M₂X、MX、MX₂等。

间隙化合物具有复杂的晶格结构。例如，Fe₃C，r_C／r_Fe＝0．63＞0．59，为复杂斜方结构。这种复杂晶格间隙化合物中的Fe原子可以被其他金属原子（如Mn、Cr、W、Mo等）部分取代，形成所谓的合金渗碳体（Fe，Mn）₃C、（Fe，Cr）₃C等。

间隙相和间隙化合物都具有硬度高、熔点高的性能，特别是间隙相的硬度、熔点更高，且稳定。例如，TiC、VC、W₂C、NbC的熔点都在3 000℃以上，硬度都大于2 000HV，因而它们是钢铁材料中重要的强化相，可以有效地提高强度、热强性、耐磨性和红硬性等。

各种金属化合物的共同特点是硬而脆，在合金中呈现细颗粒均匀分布，可以提高合金的强度和硬度，但金属化合物呈片状、网状、块状的结构形态会降低合金的强度，特别是其韧度。

在合金中，纯金属、固溶体、金属化合物是基本相，但大多数合金在组织上是由两相或多相所组成的，这种由两相或多相构成的组织称为机械混合物。在机械混合物中，组成相仍保持各自的晶体结构和性能，因此，整个组织的性能取决于构成它的各相的性能及各相的数量、形状、大小及分布状况等。