§8.4 合金的结构(The structures of alloys)

合金是两种或两种以上金属熔合而得的固体。

工业技术中应用的金属材料大多数是合金。合金的性能与它的成分和内部结构有关。几十年来，人们对合金进行了大量研究工作，合金的晶体结构，点阵参数，相图及各种物理性能已汇编成册。但合金的理论研究仍停留在初级阶段，只有简单二元合金系研究得比较清楚，而对生产中有广泛应用的复杂多元合金，还有许多理论工作等待我们去做。

按合金的结构和相图等，一般可将合金分为三类：金属固溶体、金属化合物和金属间隙化合物。

两种金属组成的固溶体，其结构型式与一般纯金属相同，只是一部分原子被另一种原子统计地代替，即每个原子位置上两种金属都可能存在，其几率正比两种金属在合金中的所占比例 ――替代式固溶体。这样，原子在很多效应上相当于一个统计原子。

形成替代式固溶体取决于以下三个因素：

（ a）原子尺寸：原子半径相近的两种金属易形成替代式固溶体，即 A、 B原子半径差别在 15％以内。

（ b）化学亲和力：两种元素若化学亲和力很强，它们易形成稳定的金属化合物，而不形成固溶体。只有化学亲和力较弱的情况，合金才形成固溶体。

Pauling指出：两种元素电负性差值的大小标志了化学亲和力的强弱，即电负性相近的元素易形成固溶体。

（ c）单质的结构类型：结构类型相同才能形成金属固溶体。

下图是铜-金固溶体的相图：

过渡金属元素间最易形成固溶体物相，当两种过渡金属原子半径相近（差别 <15%），单质结构相同，周期表位置相近，则可形成按任意比例互溶替代式固溶体，例如 Cu和 Au， W和 Mo等合金。当以上性质差异大时，只能形成部分互溶的替代式固溶体。

金属的互溶度不能对易。一般说，在低价金属中的溶解度大于高价金属的溶解度。例如 Ag－ Zn固溶体合金， Zn在 Ag中可占原子比 37.8％，而 Ag在 Zn中溶解度仅为 6.3％。

铜和金在周期表中属于同一族，具有相同价电子态，晶体均为立方面心结构，两种晶体混合熔化成液态，即形成互溶体系，凝固成高温固溶体也完全互溶。将固溶体进行淬火处理，即快速冷却时，可形成无序固溶体， Au原子完全无序化，统计的替代 Cu原子。

无序的固溶体在缓慢冷却过程，即退火处理，结构会发生有序化， Au与 Cu原子各趋向确定的位置。例如 Cu₃Au合金退火（ <395°C），形成简单立方晶体， Au原子占据晶胞顶点位置， Cu占据面心位置。 CuAu合金退火，则形成四方晶体， Au原子占据晶胞顶点和底心位置， Cu占据其余面心位置。这种有序化的结构也称为超结构。将有序结构 Au－ Cu合金加热，温度超过某一临界值，合金又转化为无序结构。

大多数固溶体均有这种无序、有序变化，图 8-13列出几种典型的有序超结构。