合金（英語：alloy），是由金屬與金屬或非金屬合成的混合物。常見的合金有生鐵、碳鋼、錳鋼、銅合金、磁性合金、鈦合金、鋁合金和鎂合金等。在工業上，常用熔鹽電解法制備合金。合金對人體的危害主要是接觸與吸入中毒。各類合金在不同領域有各自的用途，大部分用于制造業。
發展歷史
公元前4000年以前，美索不達米亞人發現在熔化了的銅里加入錫銅之后，可制成較堅硬的金屬，而且熔點會變低，又不會生銹。這種青銅現在稱為青銅，以前用來制造碗、杯、煮食用具、斧頭和箭頭等。
5000-2000年前的青銅器時代，青銅器制造業十分發達。在中國和泰國，在公元前2700年以前已有青銅制品。
公元前2000年，已經有人開始使用鐵，直到現在仍是最重要的金屬之一。只要去掉使生鐵變脆弱的碳，就可煉成堅硬的鋼，再加上鉻，就可煉成不會生銹的不銹鋼。
中國是最早使用黃銅的國家之一，南北朝的煉丹士已能用爐丹石煉得黃銅。
自1884年Farrar（法拉）在文獻中首次提出銀汞合金以后，銀汞合金一直是最常使用的根尖倒充填材料。
1810年，伯齊利厄斯（Baron JГns Jakob）等人把石英、木炭和鋼屑放在鍛工爐中冶煉，第一次得到了含硅2.2%~9.3%的五種低品位硅鐵。
1860年，法國普爾塞爾（Purcell）等人把鉻鐵礦、還原劑碳和熔劑CaO混合后在堝爐中冶煉得到低品位疏松的高碳鉻鐵。
1895年，普爾塞爾等人將鐵礦裝入高爐中進行冶煉，生產出含錳8%左右的高爐錳鐵。后來用錳礦石在高爐中冶煉出較高品位的高爐錳鐵。
分類
合金的組元就是組成合金的元素。如白銅的組元是銅和，碳鋼的組元是鐵和碳。由兩個組元組成的合金稱為二元合金，由三個組元組成的合金稱為三元合金，由三個以上組元組成的合金稱為多元合金。當不同的組元經熔煉或燒結組成合金時，這些組元間由于物理和化學的相互作用，形成具有一定晶體結構和一定成分的相。相是指合金中結構相同、成分和性能均一并以界面相互分開的組成部分。
相的種類很多，不同的相具有不同的晶體結構，根據相的晶體結構特點可以將其分為金屬固溶體和金屬化合物兩大類。
金屬固溶體
合金組成物在固態下像溶劑一樣具有溶解元素的能力，溶質原子溶解于溶劑的晶格中所形成均勻的固相（體）稱為固溶體。固溶體中被溶組成物可以有限地或無限地溶于基體組成物的晶格中。固溶體的晶格與溶劑的晶格相同，溶質原子使溶劑晶格發生畸變。
根據溶質原子在晶體中所處的位置，固溶體分為置換固溶體、間隙固溶體。
溶劑金屬保持其原有晶格，溶質金屬原子置換了溶劑晶格結點上的一部分原子而形成單相固體。一般來說，溶劑和溶質的原子半徑比較接近、電化學特征接近和晶格類型相同的組元容易形成置換固溶體。在合金中，如Mn、Cr、Si、Ni、Mo等元素都能與Fe元素形成置換固溶體。
溶質原子分布在溶劑原子晶格的間隙中所形成的單相固體。當溶質元素與溶劑元素的原子半徑的比值小于0.59時才可能形成間隙固溶體。一般過渡族元素（溶劑），與尺寸較小的C、N、H、B、O等元素易于形成間隙固溶體。溶劑晶格中的間隙總是有一定限度的，凡是間隙固溶體必然是有限固溶體。
溶質溶于固溶體中的量為固溶體的濃度，用重量百分比或原子百分比表示。在一定的溫度、壓力條件下，溶質在固溶體中的最大濃度即為溶質在固溶體中的溶解度。影響固溶體種類和溶解度的主要因素是組元的原子半徑、電化學特征及晶格類型等。
固溶體的溶劑組元中，溶質原子的介入局部地破壞了原子排列的規律性，造成溶劑晶格的畸變，固溶度越高，晶格畸變越嚴重。間隙固溶體中，溶質原子溶入溶劑晶格的空隙后，將使溶劑晶格常數增大而發生晶格畸變。置換固溶體雖然保持了溶劑的晶體結構，但由于各組元間的原子半徑不可能完全相同，從而也形成晶格畸變。組元間原子半徑差別越大，晶格畸變的程度就越大。晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使金屬滑移變形更加困難，從而使固溶體的強度、硬度增加，塑性和韌性下降。
金屬化合物
合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相即為金屬化合物，金屬化合物中兩種金屬元素的電負性、電子層結構和原子半徑差別較大。金屬化合物一般熔點較高，硬度高，脆性大。合金中含有金屬化合物時，強度硬度和耐磨性提高，而塑性和韌度降低。金屬化合物分為“正常價”化合物和電子化合物兩大類。
其化學鍵介于離子鍵與金屬鍵之間。由于鍵的這種性質，“正常價”的化合物的導電性和導熱性比各組分金屬低。
大多數金屬化合物是電子化合物，以金屬鍵相結合，不遵守化合價規則。其特征是化合物中價電子數與原子數之比有一定值，每一比值都對應一定的晶格類型。
除密度外，合金的性質并不是它各成分金屬性質的總和。多數合金的熔點低于組成它任何一種成分金屬的熔點。合金的硬度一般比各成分金屬的硬度都大，合金的導電性和導熱性比純金屬低得多。
在工程材料的應用中，金屬化合物脆性太大，無法單獨應用。同時，僅由一種固溶體組成的合金，則往往因強度不夠高而難以滿足工業應用上的要求。因此，多數工業合金均為固溶體和少量化合物所構成的多相混合物通過調整固溶體的固溶度和分布于其中的金屬化合物的形態、數量、大小及分布，可使合金的力學性能在一個相當大的范圍內變動，從而滿足不同的性能要求。
常見合金及其應用
鐵碳合金
根據含碳量不同，鐵碳合金可分為生鐵和碳鋼兩類。
生鐵
生鐵，也稱鑄鐵，主要由鐵和碳、少量的硅、硫磷組成，碳的含量在2.0%~4.3%。生鐵比較脆，塑性差，可鑄不可鍛，生鐵可用于鑄造日常取暖使用的暖氣片和樓房上使用的排污管道。
生鐵可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵和球墨鑄鐵等種類。煉鋼生鐵也稱白口鐵，硬而脆，一般用做煉鋼的原料，煉鋼生鐵里的碳主要以碳化鐵的形態存在。鑄造生鐵也稱灰口鐵，一般用于鑄造各種鑄件，如鐵管。鑄造生鐵中的碳以片狀石墨的形態存在，石墨具有潤滑作用，因而鑄造生鐵具有良好的切削、耐磨和鑄造性能。球墨鑄鐵里的碳以球形石墨的形態存在，球墨鑄鐵具有一定的彈性，其機械性能接近鋼，廣泛用于制造各種機械零件。
碳鋼
碳鋼，也稱碳素鋼，主要由鐵和碳、少量的硅、硫、磷組成，碳的含量小于2.0%。按照含碳量的不同，碳鋼可以分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼三類，其中低碳鋼的含碳量不大于0.25%，中碳鋼的含碳量大于0.25%、不大于0.6%，高碳鋼的含碳量大于0.6%、小于20%。按照磷、硫的含量的不同，碳鋼可以分為普通碳鋼、優質碳鋼和高級優質碳鋼，其磷、硫的含量依次降低。碳鋼中碳的含碳量越高，則碳鋼的硬度和強度越高、塑性越差。
錳鋼
在碳鋼中加人一定量的錳可制成錳鋼。高錳鋼中錳的含量一般為13%。低錳鋼中錳的含量在3%左右，像玻璃一樣脆。高錳鋼的硬度和強度大，耐磨損性好，沒有磁性，用于制造坦克的履帶板、保險箱的箱體、推土機和挖掘機的鏟斗齒、防彈板、滾珠軸承等需要抗沖擊、耐磨損的部件。
銅合金
銅合金是以純銅為基體，加人一種或幾種其他元素所構成的合金。銅合金既保持了銅的良好塑性和高抗蝕性,又改善了純銅的強度、硬度等機械性能。常用的銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。
黃銅是銅和鋅的合金，適合制造精密零件。青銅適合鑄造室外雕塑。在景觀中，它的用途與鑄鐵相似，如水槽、排水渠蓋、井蓋、矮柱、燈柱，以及固定裝置等。銅和鎳的合金稱為白銅，它具有很好的耐腐蝕性能，常被用于制造在強腐蝕環境中使用的工具的零部件。
鈦合金
鈦合金具有密度小、比強度高、耐高溫、耐腐蝕以及良好低溫韌性等優點，同時資源豐富，具有很高的塑性，便于冷熱加工，在航空、化工、導彈、航天及艦艇制作等方面，鈦及其合金得到廣泛的應用，尤其是在航天領域有特殊應用。
鋁合金
鋁合金質地輕柔，密度較小，堅硬度高。常用的鋁合金有鋁錳合金和鋁鎂合金，它們耐腐蝕性較強，用于制造容器和管道。鋁合金易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類。鋁合金保持了質輕的特點，但機械性能明顯提高。
鎂合金
鎂合金中主要合金元素是鋁、鋅、錳等。鋁和鋅都能溶于鎂中形成固溶體，使合金基體的晶格歪扭而強化，還能與鎂形成化合物，使合金可以通過火和時效來提高強度和硬度。錳除了能細化晶粒和提高耐蝕性，還有固溶強化作用。
鎂合金是結構材料中最輕的一種金屬，主要優點是密度小，比強度、比模量高，抗震能力強，可承受較大的沖擊載荷，并且其切削加工和拋光性能優良。在飛機、導彈、儀表、汽車等制造業中應用廣泛，目前以鑄造鎂合金的應用為主。
鎂鋁合金是借裝在鎂鋁合金彈體內壓制的粉末狀的高熱劑或高熱燃燒劑來引燃的。由于用鎂鋁合金制成的彈體也能燃燒，這種燃燒彈的有效載荷極大，燃燒能力高，燃燒時其火焰能飛濺到2 ~3 m遠處。但缺點是鎂鋁合金力學性能比鋼鐵的差，因此對目標的侵徹深度小，同時由于它借空氣中的氧燃燒，一旦隔絕空氣，就會自行熄滅。
其他合金類型
儲氫合金
一些合金能大量吸收氫，或具有良好的可逆吸放氫性能。在一定的溫度和壓力條件下，這些合金能夠大量吸收氫氣，生成金屬氫化物，放出熱量；將金屬氫化物加熱，又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收釋放”氫氣的金屬，被稱為儲氫合金。可應用在高容量的氫儲存上，用作氫燃料發動機、催化劑、氫化物-鎳電池等。
形狀記憶合金
形狀記憶合金在某一溫度下受外力而變形，當外力去除后，仍保持其變形后的形狀，但當溫度上升到某數值時，合金會自動恢復到變形前原有的形狀，似乎對前的形狀保持記憶。合金材料恢復形狀所需的刺激源通常為熱源，故又稱為熱致形狀記憶金。形狀記憶合金被用在軍事、航天、工程、醫療等方面。
超耐熱合金
超耐熱合金主要是指第V～Ⅱ副族元素和第Ⅲ族元素形成的合金。通常將在700~1200 ℃高溫下仍能長時間保持所需力學性能，具抗氧化、抗腐蝕能力，能滿足工作條件的金屬材料稱為超耐熱合金。超耐熱合金又稱為高溫合金，對于需要高溫條件的工業部門和應用技術有著重要的意義。
超塑性合金
具有特殊組織的材料，在適當的變形條件下，變形所需應力小，變形均勻，延伸率大且不會斷裂、頸縮，此現象稱為超塑性。合金發生超塑性時的斷后伸長率通常大于100%，有的甚至可以超過1000%，最初發現的超塑性合金是鋅與22%鋁的合金。利用金屬的超塑性可以制造高精度的，形狀極其復雜的零件，又因其晶粒組織細致，容易和其他合金壓接在一起，組成復合材料，故在材料加工中具有很大的優勢。根據金屬學特征可將超塑性分為細晶超塑性和相變超塑性兩大類。
制備方法
熔融法
熔融法的原理是將酸性或者堿性試劑與試樣在高溫下進行復分解反應，從而將試樣中的組分轉化為合金的方法。
熔鹽電解
采用熔鹽電解制備合金是常用的制備方法，尤其是活潑金屬或元素。
共電沉積法
熔鹽體系中兩種或者兩種以上的金屬離子同時在陰極上被還原為金屬。通過以下幾種方法可以實現不同的金屬離子同時在陰極上析出：1.改變金屬離子的活度。2.析出的金屬與陰極相互作用生成合金化合物，產生去極化作用，使金屬離子的析出電勢變得更正些。
共電沉積法制備合金操作簡單、降低金屬氧化的可能性、節省能源。共電沉積制備合金，合金一般是沉在熔鹽的底部，防止金屬被氧化。
陰極合金化法
陰極合金化法選用一種活性金屬作為陰極，另外一種組分欠電位沉積在活性陰極表面生成金屬間化合物，如果形成的合金熔點比較低呈液態，則合金就不斷從活性陰極上融解下來，陰極不斷被消耗，稱為自耗陰極法。由于此種方法能在比平衡電位較正的情況下電沉積出金屬（欠電位沉積），因此得到廣泛的應用。
液態陰極法
液態陰極法是采用熔點較低的金屬做陰極，在電解過程中呈液態。優點是將熔點較高的金屬在較低溫度下在液態陰極上電沉積為熔點較低的合金，然后再分離制備單一金屬。
機械合金化法
用其具有很大動能的磨球，將不同粉末重復地擠壓變形，經破裂、焊合、再擠壓變形呈中間復合體。這種復合體在機械力的不斷作用下，不斷產生新表面，不斷細化形成的層狀結構，從而縮短了固態粒子間的相互距離，加速了合金化過程。機械合金化一般在高溫磨球機中進行。在合金化過程中，需要或氮氣作氣氛，防止新生的原子面發生氧化。
機械合金化可制取熔點或密度相差較大的金屬的合金、生成亞穩相和非晶相;、生成超微組織（微晶納米晶等）、工藝設備簡單，無需高溫熔煉及破碎設備。
還原擴散法
還原擴散法是將元素的還原過程與元素間的反應擴散過程結合在同一操作過程中而直接制取金屬間化合物的方法。此法一般采用氧化物與鈣作還原劑來還原。此法成本低，無需高溫反應和設備，總能耗低于由純金屬熔煉制取的合金。
安全事宜
毒理
合金的危害性主要發生在制造合金和用合金來煉鋼的過程中，制造不同的鐵合金所用的材料不同，它們的危害性也有很大的差別。一般來說，合金不會對工人的健康造成嚴重的威脅。有些合金在生產和使用時都呈細粒狀，懸浮于空氣中的合金塵粒會造成潛在的中毒、發生嚴重的火災和爆炸危險。有些合金受潮后可能起化學反應，反應時生成的氣體也會造成嚴重的危害。
防控措施
控制煙氣、粉塵和氣溶膠。可向礦石堆灑水減少粉塵，在礦石和合金的運輸和裝卸過程中需要妥善地控制粉塵。除這些基本的粉塵控制措施外，在處理各種不同的合金時，需采取特殊的預防措施。
生產和使用合金的工人，應接受仔細的醫學監護，對工作環境應根據其危險程度進行連續監測或定期監測。合金中各種金屬的毒性作用與純金屬的毒性作用有很大的不同，因此更需要嚴格的醫學監護，直到能獲得更多的有關鐵合金危害的數據。在合金產生粉塵和氣溶膠的地方，工人應接受定期的胸部X線檢查，以便盡早查出呼吸系統的病變。也需要進行肺功能試驗
急救
人員燙傷時，應馬上做緊急沖洗淋浴，將合金材料沖洗干凈。脫去或去除患部衣物，以便傷處散熱，防止燒傷進一步擴散。用清涼干凈的水浸泡患部，起降溫等作用，用干凈的薄紗布等蓋住患部防止感染。緊急處理完，若嚴重，應該迅速送醫，并告知醫務人員是何種合金材料燙傷，以便對癥救治。
參考資料 >