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金属固溶体化合物固溶体的分类及其相关原理应用化学0401班 王敬 0120414450115摘要：本文对金属固溶体的定义，分类，已经相关的原理和性能进行了一些简单的描述关键词：固溶体（solid solution） 固溶强化 金属固溶体 固溶度 固溶体性能正文：1.固溶体的定义所谓固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相。两组元在液态下互溶，固态也相互溶解，且形成均匀一致的物质。形成固溶体时，含量大者为溶剂，含量少者为溶质；溶剂的晶格即为固溶体的晶格。2.固溶体的分类2.1按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。2.1.1置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15以内时，易于形成置换固溶体。铜镍二元合金即形成置换固溶体，镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子。2.1.2隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属，而溶质是直径很小的碳、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。如铁碳合金中，铁和碳所形成的固溶体铁素体和奥氏体，皆为间隙固溶体。另外，按溶质元素在固溶体中的溶解度，可分为有限固溶体和无限固溶体。但只有置换固溶体有可能成为无限固溶体。2.2按溶质原子在溶剂中的溶解度固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，用重量百分数或原子百分数表示。在一定的温度和压力等条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。若超过这个溶解度有其它相形成，由此种固溶体为有限固溶体。若溶质可以任意比例溶入，即溶质的溶解度可达100，则固溶体为无限固溶体。2.3按溶质原子在固溶体中分布是否有规律固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。溶质原子有规则分布的为有序固溶体；无规则分布的为无序固溶体。在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。这种转变叫做有序化。2.4按晶体结构溶质原子加入后并不破坏母相的晶体结构及宏观上成分的均匀性。固溶体可区分为三种基本类型替代式、填隙式和缺位式。 替代式固溶体晶胞中的原子（或离子）数保持不变，和纯溶剂晶胞的原子数相同。它可以是一个元素替代另一个元素，如Ag溶在Au中。或是一个化合物替代另一个化合物,如KCl溶在RbCl中。也可以是一个元素替代一个化合物中的某一元素,如Ir或Nb溶在IrNb中有利于形成替代式固溶体的条件是：相互替代的组元应该具有相近的晶胞形状和大小，原子或离子半径比不超过约15（无机化合物可稍大），相同的化学键性质和电荷符号，相同的电价等。 填隙式固溶体晶胞中的原子数大于纯溶剂晶胞的原子数。溶质原子占据在溶剂点阵的间隙。溶剂可能是元素，如C在Fe中的奥氏体（图2各种填隙式固溶体）。也可能是化合物,如Na溶在WO中。填隙的原子通常是原子半径较小的非金属，如H、N、C、B等，填隙的原子可能是单个的，也可能是原子对。 缺位式固溶体晶胞中的原子数小于纯溶剂晶胞的原子数。这种固溶体作为溶剂的只能是化合物。当元素B溶在Am B n化合物中时,kg2 B仍占据Am Bn 中的B应占位置,而属于A元素的部分位置空着。 对于离子键或共价键化合物，当形成缺位式固溶体或填隙式固溶体时，有一组元的原子价要发生变化。 当固溶体的成分发生变化时，固溶体所属类型可能改变。如以AlNi为基的固溶体，在富Ni部分为替代式固溶体，而富Al部分则为缺位式固溶体。NiSb为基固溶体的富Ni部分为填隙式固溶体，而富Sb部分为缺位式固溶体。 由于固溶体合金的强度硬度比纯金属高，而且有些固溶体可以进行各种不同的热处理（例如钢和铝合金的淬火回火或淬火时效）以改善本身的性能，所以在实际应用中广泛用作结构材料。3.固溶体的性能 3.1固溶强化：当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，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，所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能。因此要求有综合力学性能的结构材料，几乎都以固溶体作为基本相。这就是固溶强化成为一种重要强化方法，在工业生产中得以广泛应用的原因。3.2固溶度：是金属在固体状态下的溶解度，合金元素要溶解在固态的钢中，前提是将钢加热到奥氏体化后，奥氏体晶格间的间隙教大，能够溶解更多的合金元素。3.3固溶热处理:将合金加热至高温单相区恒温保持,使过剩相充 分溶速冷却,以得到过饱和固溶体的热处理工艺 时效处理可分为自然时效和人工时效两种自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，便其缓缓地发生形，从而使残余应力消除或减少，人工时效是将铸件加热到550650进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底. 根据合金本性和用途确定采用何种时效方法。高温下工作的铝合金适宜用人工时效，室温下工作的铝合金有些采用自然时效，有些必须人工时效。 从合金强化相上来分析，含有S相和CuAl2等相的合金，一般采用自然时效，而需要在高温下使用或为了提高合金的屈服强度时，就需要采用人工时效来强化。比如LY11和LY12，40度以下自然时效可以得到高的强度和耐蚀性，对于150度以上工作的LY12和125-250度工作的LY6铆钉用合金则需要人时效。含有主要强化相为MgSi，MgZn2的T相的合金，只有采用人工时效强化，才能达到它的最高强度。 对于一般铝合金，自然时效时，屈服强度稍低而耐蚀性较好，采用人时效时，合金屈服强度较高而伸长率和耐蚀性都降低。对于铝锌镁铜系合金入LC4则相反，当采用人工时效时，合金耐蚀性比自然时效好。 选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。3.4 固溶体的电性能固溶体的电性能随着杂质(溶质)浓度的变化，一般出现连续的甚至是线性的变化；然而，在相界上往往出现突变。例如PbTiO3和PbZrO3都不是性能优良的压电陶瓷。PbTiO3是铁电体，相变时伴随着晶胞参数的剧烈变化，冷却至室温时，一般会发生开裂，所以没有纯的PbTiO3陶瓷。PbZrO3是反铁电体。这两个化合物结构相同，Zr4+和Ti4+尺寸差不多，可生成连续固溶体Pb(ZryTi1y)O3,其中y=01。随着固溶体组成的不同，常温下有不同的晶体结构。在PbZrO3PbTiO3系统中发生的是等价置换，形成的固溶体结构完整，电场基本均衡，电导没有显著变化，一般情况下，介电性能也改变不大。但在三方(rhombohedral)结构和四方(tetragonal)结构的晶型边界(MPB)处，获得的固溶体PZT的介电常数和压电性能皆优于纯粹的PbTiO3和PbZrO3其烧结性能也很好。异价置换会产生离子性缺陷，引起材料导电性能的重大变化，而且，这个改变是与杂质缺陷浓度成比例的。参考文献1. 高强高导铜合金设计思路及其应用（High-strength