1.2.5 合金相结构
从相层次来说，金属材料由固溶体和化合物组成，无机非金属材料由化合物组成。
合金概念来源于金属材料，在高分子聚合物中也使用合金的概念。合金是针对“纯”或“单质”而提出的概念。描述“纯”或“单质”用组元概念。组元是指构成材料的基本单元。这种基本单元可以是元素（金属材料）、化合物（金属和无机非金属材料）或链节（高分子材料）。例如纯铁、纯铜、纯铝、氮化硅、碳化硅、聚乙烯、聚氯乙烯等是由单一组元组成的材料。为了改善单一组元组成的材料在性能方面的局限性，可以用两种或两种以上组元组成新的材料，这一类材料就称为合金。例如Fe-C合金、Cu-Zn合金、Si3N4-Al2O3（Sialon陶瓷）、ABS塑料（由苯乙烯、丙烯腈和丁二烯共聚而成）等。合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。实际中最常用的是二元合金。当然，为了改善二元合金的性能，往往还要加入少量的合金元素，由于量少，不作为组元看待，仍属于二元合金。
在金属中，根据合金结晶后所形成固体的晶体结构与组成该合金的纯金属组元的晶体结构是否相同，将金属晶体分为固溶体和化合物两大类。如果结晶后固相的晶体结构与该合金某一组元的晶体结构相同，则这类固相称为固溶体，否则称为化合物。
1.2.5.1 固溶体
固溶体中含量较多的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。这一概念和溶液中的溶剂、溶质概念是相同的，其不同之处在于固溶体是固体而不是液体。液体中溶质原子通过扩散使其均匀分布，有饱和溶解度，饱和溶解度随温度升高而增大。固溶体中也有相似的现象和规律。
根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同分为：置换固溶体和间隙固溶体。置换固溶体的特征是溶质原子置换了原来晶格结点上的某些原子，而间隙固溶体是溶质原子溶解在原晶体结构的原子间隙中，即溶质原子是置换原子或间隙原子。
置换固溶体是溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型、原子直径及它们在周期表中的位置。相同或相近者溶解度大，但强化效果小，反之亦然。如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Pt可形成无限互溶体，当组元的晶格类型不同时，只能形成有限互溶体，金属中多数固溶体属于有限互溶固溶体。
根据溶质原子是否长程有序排列，将固溶体分为有序固溶体和无序固溶体两大类。只有无限互溶固溶体才可能形成有序固溶体。无序固溶体接近于纯金属的性能，而有序固溶体的性能介于无序固溶体和化合物之间。
间隙固溶体的特点是溶质原子分布于溶剂晶格间隙中。形成条件是溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大，一般溶质原子半径与溶剂原子的半径比≤0.59才能形成间隙固溶体。能形成间隙固溶体的元素很少，在钢铁中，C和N是最有价值的元素，常用于形成间隙固溶体，从而达到固溶强化的作用。间隙固溶体是有限固溶体，溶解度非常小，如碳在γ-Fe中的最大溶解度（1148℃）为2.11%，在α-Fe中的最大溶解度（727℃）为0.0218%，室温时只有0.0008%。
1.2.5.2 化合物
在金属材料中，化合物是指由两种或两种以上元素组成的并且其晶体结构不同于组成该化合物的任一纯元素的晶体结构的一类晶体。如Fe3C的晶体结构既不同于Fe（面心立方或体心立方）也不同于C（金刚石或六方），是比较复杂的结构。
根据形成条件及结构特点可以把化合物分成三类：正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。
正常价化合物是指组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律的化合物。这类化合物不以晶体结构类型为依据判断是否为化合物。例如：Mg2Si、Mg2Sn、SiO2 、SiC、Al2O3等。这类化合物主要以共价键和离子键结合，结合能大，强度高、硬度高，耐高温，几乎无塑性。
电子化合物就是由电子浓度（价电子数与原子数之比）比值所决定的金属间化合物。这类化合物常见于有色金属中。表1-3列出了铜合金中常见的电子化合物。
表1-3 铜合金中常见的电子化合物
虽然电子化合物可以用化学式表示，但其成分可在一定范围内变化，因此可以把它看作是以化合物为基的固溶体。这类化合物的结合键为金属键，它们具有明显的金属特性。电子化合物的熔点和硬度较高，塑性较差。
间隙化合物通常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。间隙化合物中的金属原子可以典型的金属结构形式构成晶格，即体心立方、面心立方和密排六方、简单立方等，非金属原子处于这些晶格的间隙位置。例如VC中V原子位于面心立方的阵点位置，而C原子位于八面体间隙位置，如图1-22所示。这类化合物也称为间隙相。
图1-22 VC晶体结构
间隙化合物可近似用M4X、M2X、MX、MX2表示，M为金属原子，X为非金属原子。它们虽然可以用上述化学式表示，但其成分可以在一定范围内变化，故可看作以化合物为基的固溶体。这类化合物不但可以溶解其他组元，而且还可以相互溶解，结构相同的化合物甚至形成无限互溶体。钢中常见的间隙化合物见表1-4。
这类结构较为简单的间隙化合物具有极高的熔点和硬度（表1-5）。它们是合金工具钢和硬质合金的重要组成相，而且有些化合物（如NbN、W2C、MoN等）在温度略高于0K时呈现出超导性。
表1-4 钢中常见的间隙化合物
表1-5 钢中常见的间隙化合物的熔点及硬度
对于结构较为复杂的间隙化合物，常见的结构形式有M3C型（正交晶系）、M7C3型（简单六方）、M23C6型（复杂立方）。这类化合物的熔点及硬度一般较前者要低一些，它们也是钢中一类常见的强化相。另外，这类化合物中的金属原子常可以被其他金属原子所置换，如Fe3C中的铁原子可以被Mn、Cr、Mo、W等原子置换，如（Fe，Mn）3C、（Fe，Cr）3C等，称为合金渗碳体，又如（Cr，Fe）7C3、（Cr，Fe，Mo，W）23C6等称为合金碳化物。
知识巩固1-6
1.在金属材料中，由两种（含）以上元素组成的材料称为_________。
（a）合金钢 （b）合金 （c）铸造合金 （d）固溶体
2.合金结晶时若组元相互溶解所形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，则这类固相称为_________。
（a）固溶体 （b）化合物 （c）晶体 （d）非晶体
3.固溶体中含量较多的组元称为_________。
（a）溶质 （b）溶剂 （c）基体 （d）基元
4.固溶体中含量较少的组元称为_________。
（a）溶质 （b）溶剂 （c）基体 （d）基元
5.固溶体的晶格类型与_________组元的晶格类型相同。
（a）溶质 （b）溶剂 （c）基体 （d）第二相
6.溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体称为_________。
（a）间隙固溶体 （b）置换固溶体
7.溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体称为_________。
（a）间隙固溶体 （b）置换固溶体
8.根据组元的晶格类型和溶解度大小可将固溶体分为_________。
（a）间隙固溶体和置换固溶体 （b）有限互溶体和无限互溶体
9.化合物可分为_________。
（a）正常价化合物、电子化合物和间隙化合物
（b）离子化合物、共价化合物和电子化合物
10.组元是构成材料的基本单元，这种基本单元可以是元素、化合物或链节。（ ）
11.固溶体具有良好的塑性和韧性，通常作为基体相。（ ）
12.化合物硬度高、耐磨性好，但脆性大，通常作为强化相。（ ）
13.有些化合物在温度略高于0K时呈现出超导性。（ ）
14.电子化合物的结合键为金属键，它们具有明显的金属特性，并且熔点和硬度较高，塑性较差。（ ）
15.Fe3C称为渗碳体，而（Fe，Mn）3C、（Fe，Cr）3C等称为合金渗碳体。（ ）