合金は原子配列に基づいて分類されます。置換型合金では、溶質元素の原子が結晶格子内の溶媒原子を置き換えます。これは原子サイズが類似している場合によく見られます。侵入型合金では、鉄中の炭素のような小さな溶質原子が、より大きな溶媒原子間の隙間（格子間隙）に収まります。この構造的な違いが、合金の機械的特性を根本的に決定づけます。
合金における原子配列
1910
（画像はイメージです）
置換型固溶体と侵入型固溶体の区別は、物理冶金学と合金設計において基本となる。形成される固溶体の種類は、主に溶質原子と溶媒原子の相対的な大きさによって決まる。置換型合金は通常、2つの元素の原子半径が互いに約15%以内である場合に形成される。これはヒューム・ロザリーのサイズ因子則として知られるガイドラインである。溶質原子が溶媒原子を置換すると、局所的な格子歪みが生じ、転位の移動が阻害されるため、材料の強度と硬度が増加するが、多くの場合、安定性は低下する。 延性例としては、真鍮（銅に亜鉛を混ぜたもの）や青銅（銅に錫を混ぜたもの）などが挙げられる。
一方、侵入型合金は、溶質原子が溶媒原子よりも著しく小さい場合に形成され、溶質原子が溶媒原子を置換することなく結晶格子内の格子間位置を占めることができる。一般的な格子間原子は、水素、ホウ素、炭素、窒素である。これらの原子の存在は大きな格子歪みを引き起こし、転位の移動を阻止する非常に効果的なメカニズムを提供するため、硬度と強度が大幅に向上する。最も顕著な例は鋼であり、炭素原子が鉄格子内の格子間位置を占めている。熱処理によって制御できる炭素の量とその位置によって、延性に優れた低炭素鋼から硬くて脆い高炭素鋼まで、鋼の最終的な特性が決まる。
UNESCO Nomenclature: 3308
冶金学
タイプ
物理原理
混乱
基礎
使用法
広く普及している
前駆物質
- ジョン・ドルトンの原子論
- ウィリアム・ヘンリー・ブラッグとウィリアム・ローレンス・ブラッグによるX線回折による結晶構造の発見
- 化学混合物と溶液の基本概念
- 金属微細構造に関する初期の金属組織学的研究
アプリケーション
- 高強度鋼の設計（鉄中の侵入型炭素）
- 耐食性真鍮の製造（銅中の亜鉛置換）
- 耐久性を高めるためのスターリングシルバーの開発（銀に銅を置換する）
- ニクロム発熱体の組成（置換型ニッケルおよびクロム）
特許:
NA
潜在的なイノベーションのアイデア
- gradient alloys with controlled interstitial-to-substitutional ratios across the material
- self-lubricating alloys with interstitial elements that diffuse to the surface under stress
- alloys with tunable thermal expansion by mixing interstitial and substitutional solutes
- ‘smart’ alloys where interstitial atoms can be moved by an electric field to change properties
- high-entropy interstitial alloys for extreme temperature applications
- biocompatible alloys with interstitial elements that promote bone integration
- phase-change memory alloys based on interstitial atom movement
- hydrogen storage materials using metals with large interstitial sites
- catalytic alloys where interstitial atoms modify surface reactivity
- radiation-resistant alloys for nuclear reactors where interstitial atoms trap defects
関連キーワード：置換型合金、侵入型合金、結晶格子、固溶体、溶質、溶媒、冶金学、原子配列、格子歪み、鋼。
歴史的背景
合金における原子配列
（日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。）
