固溶体 百科内容来自于: 百度百科

固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相置换,而不改变整个晶体的结构及对称性等。但微观结构上如结点的形状、大小可能随成分的变化而改变。如自然界辉石就是一个多种成分的固溶体。 自然界矿物 中广泛存在的离子或离子团之间的置换的化学现象,过程称为类质同像或固溶体。类质同像是矿物结晶时,其晶体结构中一种位置被两种或两种以上的不同元素(或基团)而形成混晶的现象,而固溶体是反映形成这种混晶的矿物结构。 固溶体分为三种:替代式固溶体、填隙式固溶体和缺位式固溶。

定义

所谓固溶体(solid solution)是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相
这种相称为固溶体,这种组元称为溶剂,其它的组元即为溶质。工业上所使用的金属材料,绝大部分是以固溶体为基体的,有的甚至完全由固溶体所组成。例如,广泛用的碳钢和合金钢,均以固溶体为基体相,其含量占组织中的绝大部分。因此,对固溶体的研究有很重要的实际意义。
当一种组元A加到另一种组元B中形成的固体其结构仍保留为组元B的结构时,这种固体称为固溶体.B组元称为溶剂,A组元称为溶质.组元A、B可以是元素,可以是化合物.固溶体分成置换式固溶体和间隙式固溶体两大类.置换式固溶体溶质原子处于溶剂原子的位置上,即置换了溶剂原子,如α黄铜中,锌置换了铜原子;间隙式固溶体是溶质原子处于溶剂原子的间隙处,如α铁中,碳原子处在铁原子排列的间隙处.

分类

按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体间隙固溶体
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、间隙固溶体: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――铁素体奥氏体,皆为间隙固溶体。
固溶度来分类:可分为有限固溶体无限固溶体。无限固溶体只可能是置换固溶体。
按溶质原子与溶剂原子的相对分布来分;可分为无序固溶体和有序固溶体。
在讨论固溶体的概念时,认为溶质质点(原子、离子)在溶剂晶体结构中的分布是任意的、无规则的,这便是无序固溶体的概念。例如,晶胞参数的测定,实际上是一个平均值;密度的测定也是统计的结果。固溶体中溶质质点无规则分布的概念,和实验结果基本一致。
有些固溶体中溶质质点的分布是有序的,即溶质质点在结构中按一定规律排列,形成所谓“有序固溶体”。例如,Au-Cu固溶体,Au和Cu都是面心立方格子,它们之间可以形成连续置换固溶体。在一般情况下,Au和Cu原子是无规则的分布在面心立方格子的结点上,这便是一般认为的固溶体(图5-47(a))。但是,如果这个固溶体的组成为AuCu3和AuCu时,并且在适当的温度下进行较长时间退火,则固溶体的结构可转变为“有序结构”。这表现为AuCu3组成中,所有的Au原子占有面心立方格子的顶角位置,而Cu原子则占有面心立方格子的面心位置(图5-47(b))。因而,从单位晶胞来看组成应为AuCu3。同理,如果Au原子和Cu原子分层相间分布(图5-47(c)),也形成“有序结构”,其相应的组成应为AuCu。这种有序结构称为超结构。它除了和组成有关外,还和晶体形成时的温度、压力条件有关。

性能

(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,而塑性韧性有所下降,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。
(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)固溶热处理:将合金加热至高温单相区恒温保持,使过剩相充分快速冷却,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,使其缓缓地发生形变,从而使残余应力消除或减少,人工时效是将铸件加热到550~650℃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。
(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(ZryTi1–y)O3,其中y=0~1。随着固溶体组成的不同,常温下有不同的晶体结构。在PbZrO3–PbTiO3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。

影响

稳定晶格

ZrO2是一种高温耐火材料,熔点2680℃,但发生相变时伴随很大的体积收缩,这对高温结构材料是致命的。若加入CaO,则和ZrO2形成固溶体,无晶型转变,体积效应减少,使ZrO2成为一种很好的高温结构材料。

活化晶格

形成固溶体后,晶格结构有一定畸变,处于高能量的活化状态,有利于进行化学反应。如,Al2O3熔点高(2050℃),不利于烧结,若加入TiO2,可使烧结温度下降到1600℃,这是因为Al2O3与TiO2形成固溶体,Ti4+置换Al3+后,带正电,为平衡电价,产生了正离子空位,加快扩散,有利于烧结进行。

固溶强化

定义:固溶体的强度与硬度往往高于各组元,而塑性则较低,称为固溶强化。
  固溶强化的特点和规律:固溶强化的程度(或效果)不仅取决与它的成分,还取决与固溶体的类型、结构特点、固溶度、组元原子半径差等一系列因素。
  1)间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式溶质原子更显著。
  2)溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小,固溶强化越显著。

重要结论

固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化,但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元,而塑性则较低。
  PbTiO3是一种铁电体,纯PbTiO3烧结性能极差,居里点为490℃,发生相变时,晶格常数剧烈变化,在常温下发生开裂。PbZrO3是一种反铁电体,居里点为230℃。两者结构相同,Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多,能在常温生成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3,x=0.1~0.3。在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3处,压电性能、介电常数都达到最大值,烧结性能也很好,被命名为PZT陶瓷。
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