合金相发表评论(0)编辑词条

　　当一种(或多种)元素加入到金属中组成合金时，随着各组元相对含量、晶体结构类型、电化学性质、原子相对尺寸、电子浓度和合金的温度等因素的不同，可以得到不同的结构或原子排列方式。这些不同结构和不同原子排列方式的相统称为合金相。
　　绝大多数实用的金属材料都是由一种或几种合金相所构成的合金。合金相的结构和性质以及各相的相对含量，各相的晶粒大小、形状和分布对合金的性能起着决定性的作用。
　　合金相根据在相图中所处的位置，可以分为固溶体和中间相（或称金属间化合物）两大类。以二元合金为例，在相图的两个端部分别与纯组元连续相接的单相区，称为固溶体或初级固溶体。但当第二种元素浓度超过一定限度时，可能形成通常称为中间相的新相。有时将具有很大成分范围的中间相称为次级固溶体，而将只在很窄成分范围具有同一结构的相称为金属间化合物。
　　合金相　　第二组元的原子作为溶质原子完全溶解于固态金属溶剂中，形成的合金相称为固溶体。固溶体的一个特点是成分可以在一定范围内连续变化，这种变化不引起原来溶剂金属的点阵类型发生改变（见晶体结构）。
　　合金相类型　　固溶体是金属结构中最常见的合金相类型。绝大多数金属材料或是由固溶体组成，或是以固溶体为基，其中分布一定的金属间化合物。在固溶体点阵中，原子之间的结合基本上是金属键。和固态纯金属一样，固溶体内存在着各种各样的晶体缺陷，如空位、离位原子、位错、亚晶界和晶粒间界等等；这些缺陷引起固溶体点阵的畸变。此外，由于异类原子的溶入也造成点阵的畸变。这些畸变对金属的性能产生重大影响，如提高合金的强度和电阻率等。
　　代位固溶体　　固溶体中如果溶质原子半径和溶剂原子半径相近，则固溶原子将取代溶剂原子分布在后者的位置上形成代位固溶体。

　　形成条件 代位固溶体的形成受下列因素的控制：
　　①组元点阵类型的异同 两组元点阵类型相同是形成连续代位固溶体的先决条件，如果两组元的点阵类型不同，组元的固溶度只能是有限的。
    ②组元原子半径的相对差别 当组元原子半径相差很大时，形成代位固溶体会使点阵发生严重畸变，从而引起点阵畸变能增高；当这种点阵畸变和畸变能达到一定数值时，原来的点阵便变得不稳定，於是就达到了固溶度极限。一般当溶质原子的半径与溶剂原子的半径相差在14～15%以内时，才有可能形成固溶度相当大（原子百分数≥10）的代位固溶体。
　　③组元的电化学性相对差别 组元的电化学性质可用元素的电负性来量度。在元素周期表中位置相近的元素具有相近的电负性，这两个元素有可能形成无限固溶体。一般地说，元素周期表中相距很远的元素电负性差别大；元素的电化学性相对差别越大，所形成的化合物越稳定，也就越不易形成代位固溶体。
　　④电子浓度 一个晶胞内价电子总数与原子总数的比值称为电子浓度Ce： 式中V为溶剂金属的原子价;U为溶质元素的原子价;x为溶质元素的原子百分数。当形成固溶体时，电子浓度不能超过一定的数值。根据能带理论的近似计算，对一价的、具有面心立方点阵的溶剂金属来说，这个极限数值是1.36；而对一价的、具有体心立方点阵的溶剂金属是1.48。当向一价金属中加入二价以上的元素时，随溶质元素浓度增加，固溶体的电子浓度也将增加并逐渐达到电子浓度的极限数值。只有与一价溶剂元素同价的溶质元素或具有零价的过渡族元素才有可能与一价金属形成无限固溶体。而二价或二价以上的元素在一价金属中只能有限固溶。溶质元素的原子价越高，在一价金属中的固溶度也就越小。
　　⑤组元的相对熔点 若两组元的溶点不同，则高熔点组元在低熔点组元中固溶度较大，而低熔点组元溶入高熔点组元的固溶度较小。
　　⑥温度 在大多数情况下，固溶度随温度的升高而增大；但也有相反的情况，例如锌在铜中的固溶度随温度的升高而减小。
　　间隙固溶体　　在间隙固溶体的晶体中，溶质的原子不是取代溶剂原子在晶体点阵结点上的位置，而是填入溶剂晶体点阵原子间的间隙位置。过渡族金属和一种或几种原子半径比较小的非金属元素,如：碳、氢、硼、氮、氧等结合在一起,能形成间隙固溶体。这些非金属元素的原子半径都小于1┱
　　间隙位置　　对于常见的面心立方，密排六方和体心立方金属结构，间隙位置只有两种,即四面体间隙和八面体间隙（见点阵中间隙位置）。它们在一些金属晶体中的尺寸如表2所示。可以看出，除氢外，氧、氮、碳、硼原子尺寸一般都比金属晶体中的间隙位置大。当这些原子溶入金属时，常优先占据晶体中尺寸较大的间隙位置，并使金属晶胞胀大。但已发现C和N在体心立方的α-Fe中不是占据较大的四面体位置,反而占据较小的八面体位置；这是因为八面体间隙只要移动两个最近邻铁原子，可减轻应变，而四面体间隙则有四个最近邻铁原子，移动它们需消耗更多的应变能。间隙固溶体的固溶度受点阵类型的影响,如α-Fe中最大间隙的半径比 γ-Fe（面心立方）中最大间隙的半径要小得多，因而碳在 α -Fe中的固溶度（最大固溶度0.02%）比它在 γ-Fe中的固溶度（最大固溶度2.11%）小得多。密排六方点阵也能提供大的空隙，所以大多数间隙固溶体具有面心立方和密排六方结构。
　　固溶体是代位式的或间隙式的，可通过实验求出固溶体的晶胞原子数n,并与溶剂元素的晶胞原子数n0相比较,加以鉴别。如n=n0,固溶体为代位式；n>n0,则为间隙式。
　　缺位固溶体　　缺位固溶体只在化合物的基础上形成。在这种固溶体中，溶质元素的原子占据晶体点阵正常位置,而溶剂原子的某些位置是空缺的;例如在维氏体（氧在FeO中的固溶体）的晶体中,氧离子应当占据的位置都被填满,而一部分铁离子应当占据的位置是空缺的（图3）。

图3

　　有序固溶体　　在一般代位固溶体中，溶质和溶剂原子任意地统计性地分布在点阵结点上。但是某些合金在缓冷过程中，或在低温经过一定时间退火后，不同类的原子进行重新排列，形成有序的结构(见有序无序转变)。
　　铜和金形成连续固溶体(面心立方)。在淬火状态Cu-Au合金的行为是正常的，即遵循一般固溶体的规律,如合金的电阻率随着成分的改变连续地发生变化，其极大值出现在相当于成分 Cu-Au的地方。但是当合金从高温缓慢冷却时,在相当于Cu3Au、Cu-Au处,合金的电阻率显著下降，只相当急冷时的二分之一到三分之一。这种现象是由于原子重新排列引起的。以Cu3Au合金为例,Cu3Au合金具有面心立方的晶体结构，在高温面心立方点阵的每个结点上，可能被铜的原子所占据，也可能被金的原子所占据，如果从高温缓冷下来，铜原子只占据面心的位置，金原子占据立方体的顶角位置，形成有序的结构。这样，在X射线粉末照片上就会出现一些新的衍射线条，如100、110等，后者在无序面心立方点阵中由于消光而不出现。伴随着有序化，固溶体的物理性质发生许多变化,例如电阻率急剧降低、电阻温度系数和硬度增加,范性和点阵常数下降等。在有序化时，固溶体的电化学性质和化学稳定性也有改变。