间隙相和间隙化合物应用及特性？

间隙相和间隙化合物应用及特性？

　　间隙化合物主要受组元的原子尺寸因素控制，通常由过渡族金属与原子甚小的非金属元素H、N、C、B形成化合物，它们具有金属的性质、很高的熔点和极高的硬度。如FeC、Cr23C6、Cr7C3、WC、Mo2C、VC 等都是间隙化合物。根据非金属元素(以X 表示)与金属元素(以M 表示)原子半径的比值，可将其分为两类：当rX/rM＜0.59时，化合物具有比较简单的晶体结构，称为简单间隙化合物(或间隙相)；当rX/rM＞0.59 时，其结构很复杂，称为复杂间隙化合物(或间隙化合物)。由于H、N 的原子半径较小，所以过渡族金属的氢化物和氮化物都是间隙相。B 的原子*大，所以过渡族金属的硼化物都是间隙化合物。C 的原子半径比H、N大，但比B小，所以一部分碳化物是间隙相，另一部分是间隙化合物。

间隙相
　　间隙相具有比较简单的晶体结构，间隙相具有面心立方、体心立方、简单六方、密排六方四种晶格类型，多数为面心立方和密排六方结构，少数具有体心立方和简单六方结构。金属原子位于晶格的正常位置上，非金属原子则位于该晶格的间隙位置，从而构成了一种新的晶体结构。间隙相的化学成分可以用简单的分子式表示，如M4X、M2X、MX、MX2。但是它们的成分可以在一定的范围内变动，这是由于间隙相的晶格中的间隙未被填满，即某些本应为非金属原子占据的位置出现空位，相当于以间隙相为基的固溶体，这种以缺位方式形成的固溶体称为缺位固溶体。

　　在面心立方结构中，八面体间隙数与金属原子数相同，四面体间隙数是金属原子数的2 倍。所以当非金属原子填满所有八面体间隙或占据一半的四面体间隙位置时，形成MX间隙相。它们的晶体结构分别具有NaCl 型和ZnS 型。当非金属原子完全填满四面体间隙时，则形成MX2间隙相。它具有CaF3型结构。非金属原子也可能是成对地填入八面体间隙，此时，M:X=1:2，仍符合MX2化学分子式。在这种情况下，金属原子点阵将产生不对称畸变。晶胞由立方变成四方，故得到变形的NaCl 结构。间隙相M2X 中金属原子通常按密排六方结构排列，但也有形成面心立方的。非金属原子填入密排六方点阵中的八面体间隙。

　　间隙相不但可以溶解组元元素，而且可以溶解其他间隙相，有些具有相同结构的间
隙相甚至可以形成无限固溶体，如TiC-ZrC、TiC-VC、TiC-NbC、TiC-TaC、ZrC-NbC、
VC-TaC、VC-NbC、VC-TaC 等。
　　
　　应当指出，间隙相与间隙固溶体之间有着本质的区别，间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶体结构，而间隙固溶体则仍保持着溶剂组元的晶格类型。

　　间隙相具有极高的熔点和硬度，但很脆。许多间隙相具有明显的金属特性，如金属的光泽、较高的导电性、正的电阻温度系数等。这些特性表明，间隙相的结合既具有共价键性质，又带有金属键性质。

　　间隙相的高硬度在一些合金工具钢和硬质合金中得到了应用。间隙相作为其显微组织中的第二相，不仅具有强化效果而且可以保证工具的耐磨性要求。生产中，通过制备的间隙相粉末及其与黏结剂混合加压烧结，获取硬质合金或具有特殊性能的粉末冶金制品。另外，利用沉积、溅射等涂层方法，使工具和零件表面形成含有间隙相的薄层，可显著增加钢的表面硬度和耐磨性，延长零件的使用寿命。

间隙化合物
　　间隙化合物一般具有复杂的晶体结构，Cr、Mn、Fe的碳化物均属此类。间隙化合物的类型很多，合金钢中常遇到的间隙化合物有M3C型(如Fe3C、Mn3C)、M7C3型(如Cr7C3)、M23C6型(如Cr23C6)、M6C 型(如Fe3W3C、Fe4W2C)等，在这些碳化物中，基体金属原子M可表示一种金属元素，也可以表示有几种金属元素固溶在内。式中Fe3C是钢铁材料中一种基本组成相，称为渗碳体，其中Fe 原子可被Mn、Cr、Mo、W 等原子所置换，形成以间隙化合物为基的固溶体，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C 等，而当合金中含有某些原子半径较小的非金属元素时，也可处于C 原子的位置上，如Fe3(C、N)等，这种以渗碳体为基的金属间化合物称为合金渗碳体。渗碳体的硬度为950HV~1050HV。

　　M23C6 多是以铬为主的碳化物Cr23C6 形式存在，常存在于高合金工具钢、不锈钢以及铁基、镍基高温合金中，此时，部分Cr 可被Fe、Mo、W等原子所置换，如(Cr、Fe)23C6、Cr21Mo2C6或(Cr、Mo、W)23C6等。Cr23C6的熔点较低，与Fe 的熔点在同一数量级，硬度约为1050HV。

　　M6C 也是一种常见的碳化物类型，通常为多元，即由两种以上的金属元素M′、M′′与C 组合而成。例如M′为Fe、Co、Ni 等元素，M′′为Mo、W 等元素。M6C 的成分一般为M′4M′2′C6或 3 3 6 M′M′′C ，是高速工具钢中的重要组成相，在一些含 W和 Mo 的耐热钢或高温合金中也会出现，具有较高的硬度，约为1000HV。

拓扑密堆相

　　在单元素组成的晶体中，由等径刚球模型堆积所能得到的*密集结构就是面心立方和密排六方结构，致密度0.74 及配位数12 已是*大值了，结构中存在着较大的八面体间隙和较小的四面体间隙。当组成合金的异类原子尺寸不同时，采用大、小两种刚球的适当配合，可得到主要为四面体间隙而八面体间隙很少或没有的复杂相结构，即按拓扑学的配合规律形成空间利用率很高和配位数超过12(如12、14、15、16 等)的一类化合物，由于其结构具有拓扑学特点而被称之为拓扑密堆(Topologically Close-Packed)相，简称TCP 相，以区别于通常的几何密堆相。它的空间利用率和原子配位数比由纯金属原子构成的面心立方和密排六方构的几何密堆结构还要高。TCP 相的类型很多，常见的有拉氏(Laves)相，σ 相、μ相以及χ相、P 相、R相、M 相等。

　　TCP 相结构的共同特征是半径较小的原子构成密排层，半径较大的原子嵌镶于这些密排层之间，以达到高度密堆。