[科普中國]-金屬化合物

金屬化合物，是指合金中的兩個元素，按一定的原子數(shù)量之比相互化合，而形成的具有與這兩元素完全不同類型晶格的化合物。金屬化合物晶格一般比較復(fù)雜。通常它們具有高的硬度、熔點和脆性，因此，不能直接使用。金屬化合物在合金中一般起強(qiáng)化作用。1

介紹各種元素發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質(zhì)稱為金屬化合物。金屬化合物的組成一般可用化學(xué)式表示。金屬化合物的晶格類型不同于任一組元，一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。其性能特點是熔點高、硬度高、脆性大。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韌性會降低。金屬化合物是許多合金的重要組成相。

有機(jī)金屬化合物指一類有碳直接和金屬組成鍵的化合物。由于不同金屬的特性，此鍵穩(wěn)定性不同。例如格林尼亞試劑里的鎂原子直接和碳鏈相連，再加上碳比鎂的電負(fù)性高；于是鄰近鎂原子的那個碳原子就積聚了較多負(fù)電荷，導(dǎo)致這根碳—鎂鍵極具反應(yīng)活性。

金屬化合物理論基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)當(dāng)形成合金的元素其電子層結(jié)構(gòu)、原子半徑和晶體類型相差較大時，易形成金屬化合物（又稱金屬互化物）。金屬化合物的晶體類型不同于它的分組金屬，自成新相。金屬化合物合金的結(jié)構(gòu)類型豐富多樣，有20000種以上，不勝枚舉，有的結(jié)構(gòu)可找到離子晶體或共價晶體的相關(guān)型，有的則是獨特的結(jié)構(gòu)類型，如NaTl晶胞是CsCl晶胞的8倍超構(gòu)；MgCu2是所謂拉維斯相（Laves phase）的一個例子；CaCu5是層狀結(jié)構(gòu)的例子；Nb3Sn結(jié)構(gòu)是重要的合金超導(dǎo)體，同型化合物Nb3Ge實用于高分辨核磁共振儀；MoAl12是具有復(fù)雜配位結(jié)構(gòu)的例子。金屬化合物的種類很多， 其晶格類型有簡單的，也有復(fù)雜的，根據(jù)化 合物結(jié)構(gòu)的特點，可以分為以下三類： （1） 正常價化合物： （2）電子化合物；（3）間 隙化合物。2

組成規(guī)律金屬化合物的組成十分復(fù)雜，仍有許多規(guī)律屬未知領(lǐng)域，已歸納出規(guī)律的有兩類：其一是按相當(dāng)于金屬與非金屬化合的化合價組成，如：Mg2Sn和Mg2Pb,可按周期系“族價”，即Mg是二價元素，Sn、Pb是四價元素來理解。另一類是所謂的電子化合物（electron compounds）其組成決定于兩種金屬的電子數(shù)和原子數(shù)之比，但電子化合物組成元素的“電子數(shù)”的計數(shù)不同尋常，也有爭論，被比較普遍接受的規(guī)律為：周期系Ⅷ族元素Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt的“電子數(shù)”為零，ⅠB族Cu、Ag、Au為1，ⅡB族Zn、Cd、Hg及ⅡA族Be、Mg為2，ⅢA族Al、In、Ga為3，ⅣA族Si、Ge、Sn、Pb為4，等等，而電子數(shù)與原子數(shù)之比有三種基本類型：3：2，21：13和7：4，由此可以理解如CuZn、Ag3Al、Cu9Al4、Cu3Sn等等金屬化合物的組成。上述三類電子化合物各具有特定結(jié)構(gòu)，分別成為β，γ和ε相。例如，Cu5Zn8是21：13型電子化合物，是一種很大的立方晶胞，含52個原子，被稱為γ—黃銅型結(jié)構(gòu)，許多化學(xué)式原子總數(shù)為13的倍數(shù)的電子化合物具有此結(jié)構(gòu)，如Fe5Zn21、Cu31Sn8等等。γ和ε相結(jié)構(gòu)從略。

金屬化合物的熱處理熱處理的目的在于獲得某種有序結(jié)構(gòu)，以改善其塑性和韌性。主要有如下幾種處理方式。

（1）高溫均勻化退火鑄態(tài)下的金屬間化合物一般存在著成分偏析和鑄造應(yīng)力，高溫均勻化退火就是要消除鑄造應(yīng)力并使合金元素進(jìn)一步擴(kuò)散均勻，為下一步處理奠定良好的基礎(chǔ)，該種處理一般在1000℃以上要持續(xù)十幾個小時。

（2）油淬為了增加金屬化合物的室溫韌性，常常將其加熱到晶形轉(zhuǎn)變或相變溫度，然后放入油中進(jìn)行淬火處理，如對Fe-Al金屬間化合物的典型處理工藝為：加熱至1000℃，保溫5h，然后置入700℃油中冷卻詳見參考文獻(xiàn)。

（3）形變熱處理這是目前為增加金屬化合物韌性而進(jìn)行的最有效的處理方式，主要是通過鍛造、軋制、擠壓等熱形變處理，使其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生有利于增加韌性的方向轉(zhuǎn)變，典型工藝見文獻(xiàn)。

金屬化合物的室溫脆性問題一直是困擾這類材料應(yīng)用的一個問題。同一成分的合金，由于加工方法不同及工藝參數(shù)的改變，最終的顯微組織和力學(xué)性能可能相差甚遠(yuǎn)，在金屬間化合物的制備中廣泛采用了熱機(jī)械處理工藝，采用這種方法能夠得到一般加工處理所達(dá)不到的高強(qiáng)度與高塑性良好配合的產(chǎn)品。

發(fā)展與應(yīng)用在金屬材料中，金屬化合物一直用作金屬基體的強(qiáng)化相。人們通過改變金屬間化合物的種類、分布、析出狀態(tài)以及相對含量等來達(dá)到控制基體材料性能的目的。由于具有許多獨特的性能，金屬間化合物本身作為一類新型材料正得到日益廣泛的研究和開發(fā)。金屬間化合物由于具有耐高溫、抗腐蝕的性能，成為航空、航天、交通運(yùn)輸、化工、機(jī)械等許多工業(yè)部門重要結(jié)構(gòu)材料；由于其具有聲、光、電、磁等特殊物理性能，可作為半導(dǎo)體、磁性、儲氫、超導(dǎo)等方面功能材料。特別是用作高溫結(jié)構(gòu)材料的有序金屬間化合物，具有許多良好的力學(xué)性能和抗氧化、耐腐蝕以及比強(qiáng)度高等特性，由于其原子的長程有序排列和原子間金屬鍵和共價鍵的共存，使其有可能兼具金屬的塑性和陶瓷的高溫強(qiáng)度，因而極具應(yīng)用前景。

然而，金屬化合物的脆性妨礙了它的應(yīng)用。直到80年代初，金屬間化合物韌化研究取得兩大突破性進(jìn)展，一是日本材料科學(xué)研究所的和泉修等在脆性的多晶Ni3Al中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%～0.05%的B，使材料韌化，室溫拉伸伸長率從近于0提高到40%～50%；二是美國橡樹嶺國家實驗室發(fā)現(xiàn)了無塑性的六方D019結(jié)構(gòu)的Co3V中，用Ni、Fe代管部分Co，可使其轉(zhuǎn)變成面心立方的L12結(jié)構(gòu)，脆性材料變成具有良好塑性的材料。這些進(jìn)展使人們看到了金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料的希望和前景，在世界范圍內(nèi)掀起一個研究熱潮。

目前作為高溫結(jié)構(gòu)材料的有序金屬間化合物，在國內(nèi)外進(jìn)行重點研究并取得重大進(jìn)展的主要為Ni-Al、Ti-Al以及Fe-Al三個體系的A3B和AB型鋁化物。

金屬化合物合金與組成它的金屬的性質(zhì)常有較大差別。隨著新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，現(xiàn)已研制出多種新功能材料和結(jié)構(gòu)材料，其中最典型的金屬功能材料有非晶態(tài)金屬、形狀記憶合金、減振合金、超導(dǎo)材料、蓄氫合金、超微粉等；新型結(jié)構(gòu)材料有超塑性合金、超高溫合金等。這些金屬材料性能優(yōu)異，用途廣泛，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

何星 - 副教授 - 上海交通大學(xué)