合金相结构的研究与优化

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-17固溶体晶格畸变示意图2.2.2.2金属化合物合金组元间相互作用，除可形成固溶体外，当超过固溶体的固溶度极限时，还可形成金属化合物，又称为中间相。金属化合物的晶体结构及性能均不同于任一组元，一般可以用分子式来大致表示其组成。

不同的相具有不同的晶体结构，合金相的种类极为繁多，但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大类。

2.2.2.1　固溶体

合金组元之间以不同比例相互混合后形成的固相，其晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体，这种组元称为溶剂，其他的组元即为溶质。

按溶质原子在晶格中所占的位置可以将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类。

1. 置换固溶体

置换固溶体是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称为置换固溶体，如图2-16（a）所示。

金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度大小往往相差十分悬殊。溶解度的大小主要取决于溶质元素和溶剂元素的原子尺寸、晶格类型和化学元素周期表中的位置。一般说来，溶质原子和溶剂原子尺寸差别越小，溶解度就越大。如果溶质元素和溶剂元素在化学元素周期表中的位置靠近，且晶格类型相同，往往按任意比例配置都能相互溶解，形成无限固溶体。

2. 间隙固溶体

间隙固溶体是指溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入溶剂晶格的一些间隙中所形成的固溶体，如图2-16（b）所示。

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图2-16　固溶体的两种类型

由于溶剂晶格的间隙一般都很小，因此形成间隙固溶体的溶质元素，都是一些原子半径较小的非金属元素，如氢、氮、碳、硼，而溶剂元素则都是过渡族元素。溶剂晶格的间隙是有限的，因此能溶入的溶质原子数量也有限，故间隙固溶体都是有限固溶体。

3. 固溶体的性能

虽然固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但随着溶质原子的溶入，由于溶质原子与溶剂原子的尺寸不可能完全相同，必然导致在溶质原子附近的局部范围内造成了晶格畸变，并因此形成一个弹性应力场，如图2-17所示。晶格畸变使位错移动时的阻力增大，变形抗力增加，结果导致金属的强度、硬度提高。这种在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度增加，而塑性、韧性有所下降的现象，称为固溶强化。

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图2-17　固溶体晶格畸变示意图

2.2.2.2　金属化合物

合金组元间相互作用，除可形成固溶体外，当超过固溶体的固溶度极限时，还可形成金属化合物，又称为中间相。金属化合物的晶体结构及性能均不同于任一组元，一般可以用分子式来大致表示其组成。金属化合物的原子间结合方式是金属键与离子键或共价键相混合的方式，因此它具有一定的金属性质，所以称之为金属化合物。如碳钢中的Fe3C，黄铜中的CuZn，铝合金中的CuAl2等都是金属化合物。

金属化合物一般具有较高的熔点、硬度和脆性，当合金中出现金属化合物时，将使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高，因此金属化合物已是新的功能材料中不可缺少的合金相。

金属化合物的种类很多，主要介绍以下三种：

1. 正常价化合物

正常价化合物通常是由金属元素与周期表中ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素组成的，例如MgS、MnS、Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。正常价化合物具有严格的化合比，成分固定不变，可用化学式表示。这类化合物一般具有较高的硬度，脆性较大。

2. 电子价化合物

电子价化合物是由ⅠB族或过渡族金属元素与ⅡB、ⅢA、ⅣA族元素形成的金属化合物，它不遵守原子价规律，而是按照一定的电子浓度的比值形成的化合物，电子浓度不同，所形成的化合物的晶体结构也不相同。所谓电子浓度是指化合物中价电子数与原子数的比值。例如电子浓度为3/2（21/14）时，具有体心立方结构，称为β相（CuZn）；电子浓度为21/13时，为复杂立方结构，称为γ相（Cu5Zn8）；电子浓度为7/4（21/12）时，则为密排六方结构，称为ε相。电子价化合物虽然可以用化学式表示，但其成分可以在一定范围内变化，因此可以把它看作是以化合物为基的固溶体。电子价化合物通常具有很高的熔点和硬度，但脆性很大。

3. 间隙相和间隙化合物

间隙相和间隙化合物一般是由原子尺寸较大的过渡族金属元素（铁、铬、钼、钨、钒）与原子直径较小的非金属元素（氢、碳、氮、硼等）组成的。根据金属元素（以X表示）与非金属元素（以M表示）原子半径的比值，可将其分为两类：当rx/rm＜0.59时，形成具有简单结构的化合物，称为间隙相；当rx/rm＞0.59时，则形成具有复杂晶体结构的化合物，称为间隙化合物。

间隙相具有简单的晶体结构，如面心立方、体心立方、密排六方或简单六方等，金属原子位于晶格的正常结点上，非金属原子则位于晶格的间隙位置。间隙相具有极高的熔点和硬度，具有明显的金属特性。它们是硬质合金的重要相组成，用硬质合金制作的高速切削刀具、拉丝模及各种冷冲模已得到广泛的应用。

间隙化合物一般具有复杂的晶体结构，Cr、Mn、Fe的化合物均属此类。它的种类很多，其中渗碳体是钢铁材料中的一种基本组成相。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，但与间隙相相比，其熔点和硬度都要低些，而且加热时也较易分解。

合金相结构的研究与优化

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