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固溶體
原子溶入后保持溶劑類的合金相
定義
所謂固溶體(solid solution)是指溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑類型的合金相。
這種相稱為固溶體，這種組元稱為溶劑，其它的組元即為溶質(zhì)。工業(yè)上所使用的金屬材料，絕大部分是以固溶體為基體的，有的甚至完全由固溶體所組成。例如，廣泛用的碳鋼和合金鋼，均以固溶體為基體相，其含量占組織中的絕大部分。因此，對固溶體的研究有很重要的實際意義。
分類
1、置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中的結(jié)點位置而形成的固溶體稱置換固溶體。當(dāng)溶劑和溶質(zhì)原子直徑相差不大，一般在15%以內(nèi)時，易于形成置換固溶體。銅鎳二元合金即形成置換固溶體，鎳原子可在銅晶格的任意位置替代銅原子。
2、間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱間隙固溶體。間隙固溶體的溶劑是直徑較大的過渡族金屬，而溶質(zhì)是直徑很小的碳、氫等非金屬元素。其形成條件是溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比必須小于0.59。如鐵碳合金中，鐵和碳所形成的固溶體――鐵素體和奧氏體，皆為間隙固溶體。
在討論固溶體的概念時，認(rèn)為溶質(zhì)質(zhì)點（原子、離子）在溶劑晶體結(jié)構(gòu)中的分布是任意的、無規(guī)則的，這便是無序固溶體的概念。例如，晶胞參數(shù)的測定，實際上是一個平均值；密度的測定也是統(tǒng)計的結(jié)果。固溶體中溶質(zhì)質(zhì)點無規(guī)則分布的概念，和實驗結(jié)果基本一致。
有些固溶體中溶質(zhì)質(zhì)點的分布是有序的，即溶質(zhì)質(zhì)點在結(jié)構(gòu)中按一定規(guī)律排列，形成所謂“有序固溶體”。例如，Au-Cu固溶體，Au和Cu都是面心立方格子，它們之間可以形成連續(xù)置換固溶體。在一般情況下，Au和Cu原子是無規(guī)則的分布在面心立方格子的結(jié)點上，這便是一般認(rèn)為的固溶體（圖5-47(a)）。但是，如果這個固溶體的組成為AuCu和AuCu時，并且在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行較長時間退火，則固溶體的結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝行蚪Y(jié)構(gòu)”。這表現(xiàn)為AuCu組成中，所有的Au原子占有面心立方格子的頂角位置，而Cu原子則占有面心立方格子的面心位置。因而，從單位晶胞來看組成應(yīng)為AuCu。同理，如果Au原子和Cu原子分層相間分布，也形成“有序結(jié)構(gòu)”，其相應(yīng)的組成應(yīng)為AuCu。這種有序結(jié)構(gòu)稱為超結(jié)構(gòu)。它除了和組成有關(guān)外，還和晶體形成時的溫度、壓力條件有關(guān)。
性能
（1）固溶強(qiáng)化：當(dāng)溶質(zhì)元素含量很少時，固溶體性能與溶劑金屬性能基本相同。但隨溶質(zhì)元素含量的增多，會使金屬的強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。置換固溶體和間隙固溶體都會產(chǎn)生固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。
適當(dāng)控制溶質(zhì)含量，可明顯提高強(qiáng)度和硬度，同時仍能保證足夠高的塑性和韌性，所以說固溶體一般具有較好的綜合力學(xué)性能。因此要求有綜合力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料，幾乎都以固溶體作為基本相。這就是固溶強(qiáng)化成為一種重要強(qiáng)化方法，在工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用的原因。
（3）固溶熱處理：將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。時效處理可分為自然時效和人工時效兩種。自然時效是將鑄件置于露天場地半年以上，使其緩緩地發(fā)生形變，從而使殘余應(yīng)力消除或減少，人工時效是將鑄件加熱到550～650℃進(jìn)行去應(yīng)力退火，它比自然時效節(jié)省時間，殘余應(yīng)力去除較為徹底.
根據(jù)合金本性和用途確定采用何種時效方法。高溫下工作的鋁合金適宜用人工時效，室溫下工作的鋁合金有些采用自然時效，有些必須人工時效。從合金強(qiáng)化相上來分析，含有S相和CuAl等相的合金，一般采用自然時效，而需要在高溫下使用或為了提高合金的屈服強(qiáng)度時，就需要采用人工時效來強(qiáng)化。比如LY11和LY12，40度以下自然時效可以得到高的強(qiáng)度和耐蝕性，對于150度以上工作的LY12和125-250度工作的LY6鉚釘用合金則需要人時效。含有主要強(qiáng)化相為MgSi，MgZn的T相的合金，只有采用人工時效強(qiáng)化，才能達(dá)到它的最高強(qiáng)度。
（4）固溶體的電性能：固溶體的電性能隨著雜質(zhì)(溶質(zhì))濃度的變化，一般出現(xiàn)連續(xù)的甚至是線性的變化；然而，在相界上往往出現(xiàn)突變。例如PbTiO3和PbZrO3都不是性能優(yōu)良的壓電陶瓷。PbTiO是鐵電體，相變時伴隨著晶胞參數(shù)的劇烈變化，冷卻至室溫時，一般會發(fā)生開裂，所以沒有純的PbTiO陶瓷。PbZrO是反鐵電體。這兩個化合物結(jié)構(gòu)相同，Zr4+和Ti4+尺寸差不多，可生成連續(xù)固溶體Pb(ZryTi1–y)O,其中y=0～1。隨著固溶體組成的不同，常溫下有不同的晶體結(jié)構(gòu)。在PbZrO–PbTiO系統(tǒng)中發(fā)生的是等價置換，形成的固溶體結(jié)構(gòu)完整，電場基本均衡，電導(dǎo)沒有顯著變化，一般情況下，介電性能也改變不大。但在三方(rhombohedral)結(jié)構(gòu)和四方(tetragonal)結(jié)構(gòu)的晶型邊界(MPB)處，獲得的固溶體PZT的介電常數(shù)和壓電性能皆優(yōu)于純粹的PbTiO和PbZrO其燒結(jié)性能也很好。異價置換會產(chǎn)生離子性缺陷，引起材料導(dǎo)電性能的重大變化，而且，這個改變是與雜質(zhì)缺陷濃度成比例的。
影響
穩(wěn)定晶格
ZrO是一種高溫耐火材料，熔點2680℃，但發(fā)生相變時伴隨很大的體積收縮，這對高溫結(jié)構(gòu)材料是致命的。若加入CaO，則和ZrO形成固溶體，無晶型轉(zhuǎn)變，體積效應(yīng)減少，使ZrO成為一種很好的高溫結(jié)構(gòu)材料。
固溶強(qiáng)化
定義：固溶體的強(qiáng)度與硬度往往高于各組元，而塑性則較低，稱為固溶強(qiáng)化。
1）間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果一般要比置換式溶質(zhì)原子更顯著。
2）溶質(zhì)和溶劑原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶強(qiáng)化越顯著。
重要結(jié)論
固溶體
PbTiO是一種鐵電體，純PbTiO燒結(jié)性能極差，居里點為490℃，發(fā)生相變時，晶格常數(shù)劇烈變化，在常溫下發(fā)生開裂。PbZrO是一種反鐵電體，居里點為230℃。兩者結(jié)構(gòu)相同，Zr、Ti離子尺寸相差不多，能在常溫生成連續(xù)固溶體Pb(ZrxTi1-x)O，x=0.1~0.3。在斜方鐵電體和四方鐵電體的邊
界組成Pb(Zr0.54Ti0.46)O處，壓電性能、介電常數(shù)都達(dá)到最大值，燒結(jié)性能也很好，被命名為PZT陶瓷。
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