纯金属虽然导电导热性优良，但力学性能差、价格高，所以机械制造领域广泛使用的金属材料是合金，其具有一系列的优越性（见文末Note1）。接下来将从合金晶体结构和结晶两大方面进行简单总结。
一、晶体结构
主要介绍下基本概念和合金组织。
1、基本概念
合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质，如碳钢就是铁和碳的合金。
组成合金的最基本的独立物质称为组元或元，二个组元组成的合金称为二元合金，三个的为三元合金。由二个或以上的组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金称为合金系，如铜-镍合金系。
合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组分称为相，液态物质为液相，还有固相。同样是固相，可分为单相和多相的。
2、合金组织
多数合金组元液态时都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用的不同，通常会形成固溶体、金属化合物和机械混合物三类组织。
(1)、固溶体：合金由液态结晶为固态时，一组元溶解在另一组元中，形成均匀的相称为固溶体。占主要地位的元素是溶剂，被溶解是溶质。根据溶质原子在溶剂中所占位置的不同，可分为：
置换固溶体：溶剂结点上的部分原子被溶质原子所替代而形成的固溶体；
间隙固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格之间形成的固溶体。
两种固溶体都有溶质原子的溶入，使点阵发生畸变、晶体的晶格常数发生变化。畸变使位错阻力增加，使得合金强度硬度提高、塑性下降，称为固溶强化。
(2)、金属化合物：合金组元间发生相互作用而形成的一种具有金属特性的物质，其晶格类型和性能完全不同于任一组元，一般可用化学分子式表示。
金属化合物在合金中主要作为强化相，可以提高材料的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性较差。
(3)、机械混合物：两种或两种以上的相，按一定质量百分数组合成的物质，混合物中各组成仍保持自己的晶格，彼此无交互作用。
工程上使用的大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的机械混合物。
二、合金的结晶
合金的结晶也是在过冷条件下形成晶核与晶核长大的过程，但其成分中会有两个以上的组元，使其结晶过程比纯金属复杂。合金相图是研究合金成分、组织和性能之间的关系，以及了解合金结晶过程的重要工具。
1、二元合金相图的建立
合金相图是表明在平衡条件下，合金的组成相和温度、成分之间的简单图解，又称为合金状态图或合金平衡图。通过此图，可以清晰了解合金在缓慢加热或冷却过程中的组织转变规律。
通常用热分析法建立相图，现以Cu-Ni合金为例，阐述测绘二元合金相图的基本步骤：
(1)、配置若干组不同成分的Cu-Ni合金，如图1所示；
图1 Cu-Ni合金的成分和临界温度
(2)、用热分析法分别测出各组合金的冷却曲线；
(3)、找出各冷却曲线上的相变点；
(4)、将找出的相变点分别标注在温度-成分坐标图中相应的成分曲线上；
(5)、将相同意义的点用平滑曲线连接起来，即得到相图。如图2所示。
图2 Cu-Ni合金的冷却曲线和相图
配制的合金数目越多，所用的金属纯度越高，冷却速度越慢，测定的合金相图越准确。
2、相图分析
两组元在液态和固态下均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图，如Cu-Ni、Fe-Cr等。以Cu-Ni合金为例，如图3所示。
图3 Cu-Ni合金相图
图中A点是纯铜的熔点，B点是纯镍的熔点，A-a3-a2-a1-B线是合金开始结晶的温度线，称为液相线；A-b3-b2-b1-B线是合金结晶终了的温度线，称为固相线。二者把整个相图分为三个相区，液相线以上的为单一液相区，固相线以下的为单一固相区（Cu-Ni组成的无限固溶体），液相线与固相线之间为两相共存区。
合金的结晶过程就是合金以极缓慢的速度冷却，不断从液相中析出固相，并且液相和固相的成分通过原子扩散而分别沿着液相线和固相线变化。当结晶终了时，获得与原合金成分相同的固溶体。
Note1、合金的优越性：
(1)、通过调整成分，可改善材料的使用性能和工艺性能，满足各种需求；
(2)、改变成分可获得具有特定物理、化学性能的功能材料；
(3)、价格比纯金属低。
Note2、枝晶偏析：
合金在结晶过程中，只有在极缓慢冷却条件下原子才具有充分扩散的能力，固相的成分才能沿着固相线变化。但实际中冷却速度较快，原子扩散来不及充分进行，导致先后结晶出的固相成分存在差异，这种晶粒内部化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。
其严重降低了合金的力学性能和加工工艺性能，常采取扩散退火来消除。
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