固溶体

固溶体是指溶质原子溶解到溶剂晶格中，仍保持溶剂类型的合金相。通常，以一种化学物质为基质，其他物质溶解而成的原子或分子组成的晶体常见于合金和硅酸盐体系中，也存在于多原子物质中。

当溶剂的晶体结构在加入溶质后能稳定存在并保持均匀时，混合物可视为溶液。

一些混合物可以在许多浓度下形成固溶体，而另一些则可以根本不能形成固溶体。两种物质混合形成固溶体的趋势是一个复杂的问题，涉及到化学、结晶学和量子物理学。

所谓固溶体(Solid   solution)指溶质原子溶解到溶剂晶格中，仍保持溶剂类型的合金相。

这个相叫固溶体，这个成分叫溶剂，其他成分都是溶质。工业上使用的金属材料大部分是基于固溶体的，有些甚至完全由固溶体组成。如应用广泛的碳钢和合金钢，都是以固溶体为基体相，其含量占显微组织的绝大部分。因此，固溶体的研究具有重要的现实意义。

当一种成分A加到另一种成分B上形成的固体，其结构保持成分B的结构时，这种固体称为固溶体.组分b称为溶剂，组分a称为溶质。组元A、b可以是元素，也可以是化合物。固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。置换固溶体的溶质原子处于溶剂原子的位置，即溶剂原子被置换，如α黄铜中的铜原子被锌置换；间歇性固溶体是指溶质原子处于溶剂原子的间隙中，如α铁，碳原子处于铁原子排列的间隙中。

根据溶质原子在晶格中的位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。

1、置换固溶体：溶质原子在溶剂晶格中占据节点位置形成的固溶体称为置换固溶体。当溶剂和溶质的原子直径相差不大时，一般为15%小于0时，容易形成置换固溶体。CuNi二元合金形成置换固溶体，镍原子可以置换铜晶格中任意位置的铜原子。

金属元素一般能相互形成置换固溶体，但溶解度因元素不同而异。影响固溶体溶解度的因素很多，主要取决于：晶体结构、原子尺寸、化学亲和力（电负性）原子价因素。

2、间隙固溶体：分布在溶剂晶格间隙中的溶质原子形成的固溶体称为间隙固溶体。间隙固溶体的溶剂是大直径的过渡金属，溶质是小直径的碳、氢等非金属元素。其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59。如铁碳合金，铁和碳形成的固溶体―铁素体和奥氏体是间隙固溶体。

按固溶度来分类：可分为有限固溶体和无限固溶体。无限固溶体只能是位移固溶体。

根据溶质原子和溶剂原子的相对分布；可分为无序固溶体和有序固溶体。

在讨论固溶体的概念时，认为溶质粒子（原子、离子）溶剂晶体结构中的分布是任意的、不规则，这是无序固溶体的概念。比如小区参数的确定，其实就是一个平均值；密度的确定也是一个统计结果。溶质粒子在固溶体中不规则分布的概念与实验结果基本一致。

溶质粒子在某些固溶体中的分布是有序的，即溶质粒子在结构中按照一定的规则排列，形成所谓的“有序固溶体”例如，Au-Cu固溶体，Au和Cu都是面心立方晶格，它们之间可以形成连续的置换固溶体。一般来说，Au和Cu原子不规则地分布在面心立方晶格的节点上，一般认为是固溶体（图5-47(a)然而，如果该固溶体的组成是AuCu和AuCu，并且在适当的温度下进行长时间退火，则固溶体的结构可以转变为“有序结构”这说明在AuCu的组成中，所有的Au原子都占据了面心立方晶格的顶点位置，而Cu原子占据了面心立方晶格的面心位置。所以从晶胞上看，成分应该是AuCu。同样，如果Au原子和Cu原子分层交替分布，也形成“有序结构”，它对应的成分应该是AuCu。这种有序的结构称为上层建筑。不仅与成分有关，还与晶体形成时的温度有关、压力条件有关。

1）固溶强化：当溶质元素含量较小时，固溶体的性质与溶剂金属的性质基本相同。但随着溶质元素含量的增加，金属的强度和硬度会增加，而塑性和韧性会降低这种现象称为固溶强化。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。

适当控制溶质含量可以明显提高强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性，所以固溶体一般具有良好的综合力学性能。因此要求结构材料具有综合的力学性能，而且几乎都是以固溶体为基本相。这就是为什么固溶强化成为一种重要的强化方法，并在工业生产中得到广泛应用。

2）固溶度：是金属在固态下的溶解度，合金元素要溶解在固态的钢中，前提是钢加热到奥氏体后，奥氏体晶格间的空隙更大，可以溶解更多的合金元素。

3）固溶热处理：将合金加热到高温单相区并保持恒温的热处理过程，使过剩相充分快速冷却，获得过饱和固溶体。老化处理可分为自然老化和人工老化。自然时效是将铸件露天放置半年以上，使其缓慢变形，从而消除或降低残余应力人工时效是将铸件加热到550 ~ 650℃进行去应力退火，比自然时效节省时间，去除残余应力更彻底.

根据合金的性质和用途确定采用哪种时效方法。人工时效适用于高温工作的铝合金，而室温工作的铝合金有的是自然时效，有的必须人工时效。从合金强化相分析，含S相和CuAl相的合金一般采用自然时效，但当需要在高温下使用或为了提高合金的屈服强度时，就需要人工时效来强化。比如LY11和LY12，40度以下自然时效可以获得高强度和耐腐蚀性对于在150度以上工作的LY12和LY125，-用于在250度下工作的LY6铆钉的合金需要人工时效。含主要强化相为MgSi和MgZn的T相的合金只有通过人工时效强化才能达到最高强度。

4）固溶体的电性能：固溶体的电学性质随杂质而变化(溶质)浓度的变化通常表现为连续的甚至线性的；然而，在相界处经常发生突变。例如，钛酸铅和锆酸铅都不是性能优异的压电陶瓷。PbTiO是一种铁电体，其相变伴随着晶胞参数的剧烈变化冷却到室温一般会开裂，所以没有纯的PbTiO陶瓷。PbZrO是反铁电体。这两种化合物结构相同，Zr4和Ti4大小相近，可以生成连续的固溶体Pb(ZryTi1–y)o，其中y=0 ~ 1。随着固溶体成分的不同，室温下有不同的晶体结构。在PbZrO–PBTIO体系发生等效位移，形成的固溶体结构完整，电场基本平衡，电导无明显变化，介电性质总体变化不大。但在三方(rhombic)结构和四方(tetragonal)结构的晶型边界(MPB)所得固溶体PZT的介电常数和压电性能优于纯PbTiO和PbZrO，其烧结性能也很好。异价取代会产生离子缺陷，使材料的电导率发生很大变化，这种变化与杂质缺陷的浓度成正比。

稳定晶格

ZrO是一种熔点为2680℃的高温耐火材料，但在相变时伴随着较大的体积收缩，这对高温结构材料是致命的。如果加入CaO，会与ZrO形成固溶体，不发生晶型转变，体积效应降低，使ZrO成为良好的高温结构材料。

活化晶格

固溶体形成后，晶格结构发生一定程度的畸变，处于高能活化状态，有利于化学反应。例如，AlO具有高熔点（2050℃），不利于烧结如果添加TiO 2，烧结温度可以降低到1600℃这是因为AlO和TiO形成固溶体Ti取代Al后，带正电为了平衡电价，产生正离子空位，加速扩散，有利于烧结。