固溶體

固溶體是指溶質原子溶解到溶劑晶格中，仍保持溶劑類型的合金相。通常，以一種化學物質為基質，其他物質溶解而成的原子或分子組成的晶體常見于合金和硅酸鹽體系中，也存在于多原子物質中。

當溶劑的晶體結構在加入溶質后能穩定存在并保持均勻時，混合物可視為溶液。

一些混合物可以在許多濃度下形成固溶體，而另一些則可以根本不能形成固溶體。兩種物質混合形成固溶體的趨勢是一個復雜的問題，涉及到化學、結晶學和量子物理學。

所謂固溶體(Solid   solution)指溶質原子溶解到溶劑晶格中，仍保持溶劑類型的合金相。

這個相叫固溶體，這個成分叫溶劑，其他成分都是溶質。工業上使用的金屬材料大部分是基于固溶體的，有些甚至完全由固溶體組成。如應用廣泛的碳鋼和合金鋼，都是以固溶體為基體相，其含量占顯微組織的絕大部分。因此，固溶體的研究具有重要的現實意義。

當一種成分A加到另一種成分B上形成的固體，其結構保持成分B的結構時，這種固體稱為固溶體.組分b稱為溶劑，組分a稱為溶質。組元A、b可以是元素，也可以是化合物。固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。置換固溶體的溶質原子處于溶劑原子的位置，即溶劑原子被置換，如α黃銅中的銅原子被鋅置換；間歇性固溶體是指溶質原子處于溶劑原子的間隙中，如α鐵，碳原子處于鐵原子排列的間隙中。

根據溶質原子在晶格中的位置不同，可分為置換固溶體和間隙固溶體。

1、置換固溶體：溶質原子在溶劑晶格中占據節點位置形成的固溶體稱為置換固溶體。當溶劑和溶質的原子直徑相差不大時，一般為15%小于0時，容易形成置換固溶體。CuNi二元合金形成置換固溶體，鎳原子可以置換銅晶格中任意位置的銅原子。

金屬元素一般能相互形成置換固溶體，但溶解度因元素不同而異。影響固溶體溶解度的因素很多，主要取決于：晶體結構、原子尺寸、化學親和力（電負性）原子價因素。

2、間隙固溶體：分布在溶劑晶格間隙中的溶質原子形成的固溶體稱為間隙固溶體。間隙固溶體的溶劑是大直徑的過渡金屬，溶質是小直徑的碳、氫等非金屬元素。其形成條件是溶質原子與溶劑原子直徑之比必須小于0.59。如鐵碳合金，鐵和碳形成的固溶體―鐵素體和奧氏體是間隙固溶體。

按固溶度來分類：可分為有限固溶體和無限固溶體。無限固溶體只能是位移固溶體。

根據溶質原子和溶劑原子的相對分布；可分為無序固溶體和有序固溶體。

在討論固溶體的概念時，認為溶質粒子（原子、離子）溶劑晶體結構中的分布是任意的、不規則，這是無序固溶體的概念。比如小區參數的確定，其實就是一個平均值；密度的確定也是一個統計結果。溶質粒子在固溶體中不規則分布的概念與實驗結果基本一致。

溶質粒子在某些固溶體中的分布是有序的，即溶質粒子在結構中按照一定的規則排列，形成所謂的“有序固溶體”例如，Au-Cu固溶體，Au和Cu都是面心立方晶格，它們之間可以形成連續的置換固溶體。一般來說，Au和Cu原子不規則地分布在面心立方晶格的節點上，一般認為是固溶體（圖5-47(a)然而，如果該固溶體的組成是AuCu和AuCu，并且在適當的溫度下進行長時間退火，則固溶體的結構可以轉變為“有序結構”這說明在AuCu的組成中，所有的Au原子都占據了面心立方晶格的頂點位置，而Cu原子占據了面心立方晶格的面心位置。所以從晶胞上看，成分應該是AuCu。同樣，如果Au原子和Cu原子分層交替分布，也形成“有序結構”，它對應的成分應該是AuCu。這種有序的結構稱為上層建筑。不僅與成分有關，還與晶體形成時的溫度有關、壓力條件有關。

1）固溶強化：當溶質元素含量較小時，固溶體的性質與溶劑金屬的性質基本相同。但隨著溶質元素含量的增加，金屬的強度和硬度會增加，而塑性和韌性會降低這種現象稱為固溶強化。置換固溶體和間隙固溶體都會產生固溶強化現象。

適當控制溶質含量可以明顯提高強度和硬度，同時仍能保證足夠高的塑性和韌性，所以固溶體一般具有良好的綜合力學性能。因此要求結構材料具有綜合的力學性能，而且幾乎都是以固溶體為基本相。這就是為什么固溶強化成為一種重要的強化方法，并在工業生產中得到廣泛應用。

2）固溶度：是金屬在固態下的溶解度，合金元素要溶解在固態的鋼中，前提是鋼加熱到奧氏體后，奧氏體晶格間的空隙更大，可以溶解更多的合金元素。

3）固溶熱處理：將合金加熱到高溫單相區并保持恒溫的熱處理過程，使過剩相充分快速冷卻，獲得過飽和固溶體。老化處理可分為自然老化和人工老化。自然時效是將鑄件露天放置半年以上，使其緩慢變形，從而消除或降低殘余應力人工時效是將鑄件加熱到550 ~ 650℃進行去應力退火，比自然時效節省時間，去除殘余應力更徹底.

根據合金的性質和用途確定采用哪種時效方法。人工時效適用于高溫工作的鋁合金，而室溫工作的鋁合金有的是自然時效，有的必須人工時效。從合金強化相分析，含S相和CuAl相的合金一般采用自然時效，但當需要在高溫下使用或為了提高合金的屈服強度時，就需要人工時效來強化。比如LY11和LY12，40度以下自然時效可以獲得高強度和耐腐蝕性對于在150度以上工作的LY12和LY125，-用于在250度下工作的LY6鉚釘的合金需要人工時效。含主要強化相為MgSi和MgZn的T相的合金只有通過人工時效強化才能達到最高強度。

4）固溶體的電性能：固溶體的電學性質隨雜質而變化(溶質)濃度的變化通常表現為連續的甚至線性的；然而，在相界處經常發生突變。例如，鈦酸鉛和鋯酸鉛都不是性能優異的壓電陶瓷。PbTiO是一種鐵電體，其相變伴隨著晶胞參數的劇烈變化冷卻到室溫一般會開裂，所以沒有純的PbTiO陶瓷。PbZrO是反鐵電體。這兩種化合物結構相同，Zr4和Ti4大小相近，可以生成連續的固溶體Pb(ZryTi1–y)o，其中y=0 ~ 1。隨著固溶體成分的不同，室溫下有不同的晶體結構。在PbZrO–PBTIO體系發生等效位移，形成的固溶體結構完整，電場基本平衡，電導無明顯變化，介電性質總體變化不大。但在三方(rhombic)結構和四方(tetragonal)結構的晶型邊界(MPB)所得固溶體PZT的介電常數和壓電性能優于純PbTiO和PbZrO，其燒結性能也很好。異價取代會產生離子缺陷，使材料的電導率發生很大變化，這種變化與雜質缺陷的濃度成正比。

穩定晶格

ZrO是一種熔點為2680℃的高溫耐火材料，但在相變時伴隨著較大的體積收縮，這對高溫結構材料是致命的。如果加入CaO，會與ZrO形成固溶體，不發生晶型轉變，體積效應降低，使ZrO成為良好的高溫結構材料。

活化晶格

固溶體形成后，晶格結構發生一定程度的畸變，處于高能活化狀態，有利于化學反應。例如，AlO具有高熔點（2050℃），不利于燒結如果添加TiO 2，燒結溫度可以降低到1600℃這是因為AlO和TiO形成固溶體Ti取代Al后，帶正電為了平衡電價，產生正離子空位，加速擴散，有利于燒結。