2.3.3　合金的晶体结构

合金是由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以全部是金属元素，也可以是金属元素与非金属元素。

金属或合金中，凡成分相同、结构相同，并与其他部分有分界面分开的均匀组成部分称为相。金属材料可以是单相，也可以是多相组成的。通常所说的显微组织实质上是指在显微镜下观察到的各相晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。组合不同，材料的性能也不相同。

这里我们根据相的晶体结构特点，可以将其分为固溶体和金属化合物两类。

2.3.3.1　固溶体

合金中其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体，习惯上用希腊字母α、β、γ等来表示。一般把与合金晶体结构相同的元素称为溶剂；除溶剂以外的其他元素称为溶质。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（如图2-13）和间隙固溶体（如图2-14）。溶质原子取代溶剂原子而占据晶格中某些结点位置而形成的固溶体称为置换固溶体。溶质原子较小，如碳、氢等，它们位于溶剂晶格间隙形成的固溶体称为间隙固溶体。

固溶体的溶解度是指溶质原子在固溶体中的极限浓度。根据溶解度的不同，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。组成元素的原子半径、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。

随溶质含量的增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降，这种现象称为固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使溶剂晶格发生畸变及对位错的钉扎作用阻碍了位错的运动。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低，但与金属化合物相比其硬度要低得多，而塑性、韧性要高得多。

2.3.3.2　金属化合物

金属化合物是合金中的两个元素，按一定的原子数量之比相互结合，而形成的具有与这两元素完全不同类型晶格的化合物，一般具有复杂的晶格结构。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。

金属化合物的物相特征一般表现以下两个方面：第一，金属化合物的结构形式一般不同于纯组分在独立存在时的结构形式；第二，在金属A与B形成的金属化合物物相中，各种原子在结构中的位置已经有了分化，它们已分为两套不同的结构位置，而两种原子分别占据其中的一套。

根据形成条件及结构特点不同，金属化合物可以分为以下几类。

（1）正常价化合物　符合正常的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、ⅤA、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族元素组成，其晶体结构与电子浓度有一定的对应关系。

（3）间隙化合物　间隙化合物是由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。根据结构的特点，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（如图2-15）。间隙相具有金属特征、极高的硬度和很高的熔点，非常稳定。

2） 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。部分碳化物及所有硼化物属于这一类间隙化合物（如图2-16），如Fe₃C、FeB、Fe₄W₂C等。其中的Fe₃C称为渗碳体，是碳钢中的强化相，具有复杂斜方晶格。

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。