1.合金的基本概念

（1）合金 一种金属元素与其他金属元素或非金属元素，通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质称为合金。合金不仅具备纯金属的基本特性，而且具有优良的力学性能和特殊的物理、化学性能。因此，合金的应用要比纯金属广泛得多。在机械制造中使用的金属材料绝大多数是合金，如碳素钢、合金钢、铸铁、黄铜、青铜等。

（2）组元 组成合金的独立的最基本的物质叫做组元，简称元。组元可以是金属元素（如Fe）、非金属元素（如C、Si）或稳定的化合物（如Fe₃C）等。

由给定组元按不同的比例配制出的一系列成分不同的合金即构成一个合金系。例如，普通黄铜就是由铜和锌两个组元组成的二元合金系。组元的数目可用来命名合金系，如二元合金系、三元合金系和多元合金系等。也可以用构成合金系的组元来命名合金系，如Fe-C合金系、Al-Mg-Si合金系等。

（3）相 所谓的相是指一个合金系中具有相同的物理和化学性能并与该合金系的其余部分以界面分开，即合金中具有同一成分、同一聚集状态，并能以界面相互分开的各个均匀组成部分。如果合金是由成分、结构都相同的同一种晶粒构成的，那么即使各晶粒间有界面（晶界）分开，它们也属于同一种相；如果合金是由成分、结构都不相同的几种晶粒构成的，那么它们将属于不同的相。例如，纯铁在常温下是由单相的a-Fe组成的，而铁中含有碳元素形成碳素钢后，铁和碳相互作用而形成Fe₃C，其成分、结构与a-Fe完全不同，因此碳素钢中就出现了一个新相Fe₃C，称为渗碳体。

根据构成合金的各组元之间的相互作用，可将合金中的相结构分为固溶体和金属化合物两大类，称为合金的基本相。

2.固溶体

在固态下，合金的组元间相互溶解而形成的在某一组元晶格中包含有其他组元的固相称为固溶体。固溶体中的基础金属为溶剂，合金元素为溶质。固溶体的晶格结构仍保持溶剂金属的结构，只是晶格参数有所改变并产生了晶格畸变。工业上所使用的金属材料绝大部分以固溶体为基体，有的甚至完全由固溶体所组成。例如，碳素钢和合金钢的基体相均为固溶体，且占组织中的绝大部分。

（1）固溶体的类型 依据不同的分类标准，固溶体可分为不同的类型。

1）根据溶质原子在金属溶剂晶格中的位置，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类。溶质原子占据了溶剂晶格的一些结点，如同在这些结点上的溶剂原子被溶质原子置换了一样，称为置换固溶体，如图1-1a所示。当溶质原子与溶剂原子的直径、电化学性质等相近时，一般形成置换固溶体。Mn、Cr、S、Ni、Mo等元素都能与铁形成置换固溶体。例如，在不锈钢1Cr18Ni9Ti中，Cr原子和Ni原子代替部分Fe原子，占据了γ-Fe晶格的某些结点位置而形成置换固溶体。若溶质原子并不占据晶格的结点位置，而是侵入溶剂晶格的间隙，则形成的固溶体称为间隙固溶体，如图1-1b所示。一般过渡族元素（溶剂）与原子较小的C、N、H、B、O等元素易形成间隙固溶体。例如，碳素钢中的碳原子溶入α-Fe晶格空隙中所形成的间隙固溶体称为铁素体。

2）根据溶质原子在金属溶剂中的溶解度不同，可将固溶体分为有限固溶体和无限固溶体两类。当两组元在固态无限溶解时，所形成的固溶体称为无限固溶体。例如，铜和镍都是面心立方晶格，原子直径相近，处于同一周期并相邻，可以形成无限固溶体。当两组元在固态部分溶解时，所形成的固溶体称为有限固溶体。大部分固溶体属于这一类，如Cu-Sn、Pb_- Zn等合金系都形成有限固溶体。由于溶剂晶格的间隙有限，且溶入的溶质原子越多，引起的晶格畸变就越大，溶质原子的溶入受到的阻力也就越大，因此间隙固溶体只能形成有限固溶体。

图1-1 置换固溶体和间隙固溶体的结构示意图

3）根据溶质原子在金属溶剂中的分布是否有规律，可将固溶体分为无序固溶体和有序固溶体两类。溶质原子在溶剂晶格中任意而无规律地分布的置换固溶体称为无序固溶体，如图1-2a所示。但是某些合金在一定条件下，固溶体中的溶质原子将从无序分布过渡到有序分布，即溶质原子占据溶剂晶格中的一定位置，这个过程称为固溶体的有序化。这种固溶体称为有序固溶体，如图1-2b所示。例如，当铜和金的原子数比为1∶1时，两者的固溶体由高温缓冷到380℃以下，会由无序固溶体过渡到有序固溶体。当固溶体从无序转变为有序时，虽然显微组织不发生变化，但是硬度、脆性显著增加，塑性、电阻则下降。

图1-2 无序固溶体和有序固溶体的结构示意图

影响固溶体类型和溶解度的主要因素有原子半径、电化学特性和晶格类型等。当两组元的原子半径、电化学特性接近且晶格类型相同时，容易形成置换固溶体，并有可能形成无限固溶体。当两组元原子半径相差较大，且溶质元素与溶剂元素的原子半径比小于0.59时，容易形成间隙固溶体。

（2）固溶体的性能 形成固溶体时，虽然保持着溶剂金属的晶体结构，但由于溶质原子的溶入，将会使固溶体的晶格常数发生变化及晶格产生畸变，并且晶格畸变随着溶质原子浓度的增高而越加严重。溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，所引起的晶格畸变也越严重。随着溶质原子的溶入，晶格畸变位错移动困难，塑性变形抗力增加，从而提高金属的强度极限和硬度。这种由于溶质原子溶入基体中形成固溶体而使其强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是金属强化的重要形式。实践证明，固溶体中溶质含量适当时，可以显著提高材料的强度和硬度，而塑性、韧性并不明显降低。例如，我国的低合金强度结构钢就是利用锰、硅等元素来强化铁素体，从而使材料的力学性能大为提高的。1968年建成通车的举世闻名的南京长江大桥，使用的钢梁每根长度为160m，桥梁的跨度要求达到160m，碳素钢由于比强度太低而远远达不到要求，当时鞍钢自主研发了锰钢，能够在不降低强度的情况下，减轻桥梁的自重，满足了设计要求。当然，固溶强化在提高金属材料强度的同时，会牺牲其一定的塑性和韧性。镍固溶于铜中所形成的铜镍合金，通过增加镍的溶解度使其硬度从38HBW提高到60～80HBW，但其伸长率（未拉断）仍保持在50%左右。所以说只要保持适当的溶质浓度，固溶体不仅有较纯金属为高强度和硬度，而且有良好的塑性和韧性。因此，实际使用的金属材料大多数是以固溶体为基体的合金。当然，间隙固溶体的强化效果比置换固溶体更为显著。例如，马氏体是碳过饱和的间隙固溶体，晶格畸变严重，固溶强化效果显著，碳素钢就是如此。尽管合金钢中不少元素代替部分铁原子形成置换固溶体，但是其马氏体硬度主要是因过饱和碳的间隙作用而形成的。与纯金属相比，随着固溶体溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率升高、电阻温度系数下降，所以固溶体具有较高的电阻，而且电阻值与温度变化关系不大，是良好的电热材料。热处理炉用的Fe-Cr-Al和Cr-Ni电阻丝等，多是固溶体合金。

不过，单纯通过固溶强化所达到的最高强度指标毕竟有限，仍难以满足人们对结构材料的要求，因此必须在固溶强化的基础上再进行其他强化处理。

3.金属化合物

金属化合物是合金组元间发生化合作用而生成的一种新相。其晶格类型和性能不同于任一组元，一般可用分子式大致表示其组成。除了离子键和共价键外，金属键也参与其中，所以它们又具有一定程度的金属性质（如导电性等）。例如，碳素钢中的渗碳体（Fe₃C）、黄铜中的β相（CuZn）、铝合金中的CuAl₂等，都是金属化合物。(www.daowen.com)

金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性、韧性。例如，钢中的Fe₃C可使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。不仅如此，由于其结合键和晶格类型的多样性，金属化合物还具有许多特殊的物理化学性能，其中不少开发应用为新的功能材料和耐热材料，对现代科学技术的进步起着重要的作用。例如，具有半导体性能的砷化镓（GaAs）的性能远远超过了目前广泛应用的硅半导体材料，如今正应用在发光二极管的制造上，以用作超高速计算机的元件。此外还有能记住原始形状的记忆合金（超弹性合金）NiTi和CuZn，具有俘获低热中子截面的核反应堆材料Zr₃Al，能作为新一代能源的储氢材料LaNi₅等。因此，合金中金属化合物的出现及其数量与分布对合金的性能产生很大的影响。目前，在工业上广泛应用的结构材料和工具材料中，金属化合物是不可缺少的重要组成相。

金属化合物具有极高的熔点与硬度，可以有效地提高合金工具钢及硬质合金的强度、热硬性和耐磨性。另外，使钢件表层渗入某种元素或涂层的方法使之形成含有金属化合物的薄层，可显著增加钢的表面硬度和耐磨性，延长零件的使用寿命。

金属化合物的类型很多，合金钢中常见的有Fe₃C、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆、Fe₃W₃C₃等。其中，Fe₃C是钢铁材料中的一个基本相，称为渗碳体，若其中的铁原子被锰、铬、钼、钨等原子所置换，则形成以间隙化合物为基的固溶体，如（Fe，Mn）3C、（Fe，Cr）3C等，称为合金渗碳体。

实际上大多数工业上使用的合金既不可能是由单纯的化合物单相组成的，也不可能是由一种固溶体组成的。这是因为化合物硬度虽高，但脆性大，单纯的固溶体强度也不够高。多数工业用合金是以固溶体作基体加入少量化合物所构成的混合物。化合物的细小弥散分布可提高这种混合物组织的强度和硬度，而塑性、韧性则受到一定的损害，这种现象就是弥散强化。通过调整固溶体的溶解度和分布于其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可以使合金的力学性能发生很大变化，以满足不同的性能需要。例如，碳素钢中渗碳体的形态直接影响碳素钢的性能。渗碳体的形态可以是片状、粒状或网状，片也有粗细之分，粒则有大小之异，其性能则大相径庭。

另外，合金钢中碳化物的类型不同，其稳定性不同，熔点与硬度也不同。例如，在工具钢中加入少量钒形成VC，可以提高其耐磨性；在结构钢中加入少量钛形成TiC，可防止其过热；由于高速工具钢中的W₂C、VC在高温下比较稳定并形成弥散分布，因此其在高温下能保持高硬度和可加工性；硬质合金中正是由于所含的碳化物（WC、TiC等）的高硬度才保证了其优越的可加工性。

4.机械混合物

纯组元、固溶体和金属化合物是构成合金内部组织的基本相。除此之外，在合金的组织中常出现由两种或两种以上的相，机械地混合在一起而组成的一种多相组织，称为机械混合物。机械混合物中各组成相仍保持各自原有的晶格类型和性能，而机械混合物的性能则取决于各组成相的性能，以及它们的数量、形状、大小和分布情况。

5.合金组织

以上所介绍的各种相（固溶体和金属化合物）都是组成合金的基本单元，合金中相的综合体称为合金组织。在工业合金中，由于组成合金的元素特性不同，以及它们在合金中的含量不同，便会形成不同的相，从而使合金具有不同的组织和性能。

（1）组织的概念 将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光，再用侵蚀剂侵蚀，即可获得一块金相样品，然后在金相显微镜下观察，就可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称为显微组织，简称组织。因此，所谓的组织是指用金相观察法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况，也可以说是人们观察到的（包括用肉眼直接观察或借助于仪器观察）合金的特征与形貌。金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。

（2）组织的决定因素 金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程。不同碳含量的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样。当金属材料的化学成分一定时，工艺过程则是其组织最重要的影响因素。例如，纯铁经冷拔后，其组织由原来的等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。碳质量分数为0.77%的铁碳合金经球化退火后，得到的组织为球状珠光体。这种组织与室温平衡组织（片状珠光体）的形态完全不一样。

（3）组织与性能的关系 金属材料的性能是由金属内部的组织结构所决定的。纯铁经冷拔后，晶粒被拉长变形，同时其内部位错密度等晶体缺陷增多，其强度与硬度均比未变形前要高得多。纯铁经变形度为80%的冷拔变形后，其抗拉强度由冷拔前的180MPa提高到500MPa。冷变形对纯铁的物理、化学性能也有较大的影响，如导电性、耐蚀性降低。碳质量分数为0.77%的铁碳合金，室温平衡组织中含有片状的Fe₃C相，其硬度高达800HBW。在切削加工时，由于车刀要不断切断Fe₃C，因此刀具的磨损很厉害。但球化退火后，Fe₃C相变为分散的颗粒状，切削时对刀具的磨损较小，使其可加工性得到提高。

金属的组织结构由材料的成分、工艺所决定。金属材料的性能则由金属内部的组织结构所决定。不同组织结构的材料具有不同的性能。

但是，在研究组织与性能之间的关系时，要特别注意以下两点：

1）在有些情况下，金属的组织名称相同，组成相也相同，但晶粒形状、大小不同，那么它们的性能也不相同。例如，两种晶粒大小不一样的纯铁，虽然它们的组织都是铁素体，都是由单一的α相组成的，但是它们的晶粒大小不同。晶粒细小的纯铁比晶粒粗大的纯铁的强度、硬度高，塑性、韧性好。这两种纯铁的组织具有晶粒大小不一样的两种不同的形态。

2）在某些合金中，在显微镜下观察它们的组织相同，组成相也相同，且形状、大小无明显差异，只是成分有所不同，这时表现出来的性能也不相同。例如，镍质量分数分别为10%和30%的两种铜镍合金，其室温下的显微组织都是α固溶体（单相组织），且形状、大小相近。然而，镍质量分数为30%的铜镍合金比镍质量分数为10%的铜镍合金的强度和硬度要高，电阻率要大。其原因是其晶粒内部的晶体结构出现很大的不同。镍质量分数为30%的铜镍合金的α固溶体中镍原子较多，造成晶格畸变增大，因而固溶强化效果显著。这一例子说明，金属材料的性能不仅取决于其显微组织，而且取决于其成分和内部的微观结构。

综上所述，金属材料的成分、工艺、组织结构和性能之间有着密切的关系。了解它们之间的关系，掌握材料中各种组织的形成及各种因素的影响规律，对于合理使用金属材料有着十分重要的意义。

一般情况下，工业上应用的合金组织大多数以固溶体为基体，以金属化合物为强化相，所以金属化合物一般所占的数量不多。例如，碳质量分数为0.8%的碳素钢中，Fe₃C只占12%左右，而常用钢（如45钢）中，Fe₃C则只占7%，但它对钢的组织和性能的影响却是巨大的。

为了满足工业上对合金性能的要求，可以通过改变强化相（金属化合物）的形状、数量、大小及分布状态等方法来改变合金的组织，从而改变合金的性能。