固溶体及其溶解度与固溶强化现象

合金在固态时，组元之间相互溶解，形成在某一组元晶格中包含有其他组元原子的新相，这种新相称为固溶体。保持原有晶格的组元称为溶剂，而其他组元称为溶质。一般来说溶质的含量比溶剂的含量要少，其晶格可能消失。

在一定的温度和压力下，溶质在固溶体中的极限浓度称为溶解度。溶解度一般与温度和压力有关。根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可以分为置换固溶体和间隙固溶体。

1.置换固溶体

当溶质原子代替了一部分溶剂原子而占据溶剂晶格的某些结点位置时，所形成的固溶体称为置换固溶体，如图3-1所示。按照溶质原子在溶剂中的溶解度是否有限制，置换固溶体可以分为有限固溶体和无限固溶体。当溶质原子和溶剂原子直径差别不大时，易形成置换固溶体。当两者直径差别增大时，则溶质原子在溶剂晶格中的溶解度减小。如果溶质原子和溶剂原子直径差别很小，两个元素在周期表中位置又靠近，且两者晶格类型又相同，则这两个组元往往能互相无限溶解，即可以任何比例形成置换固溶体，这种固溶体称为无限固溶体。如铁和铬形成具有体心立方晶格的无限固溶体，铁和镍形成具有面心立方晶格的无限固溶体。反之，则溶质在溶剂中的溶解度是有限的，这种固溶体称为有限固溶体。如铜和锌、铜和锡都形成有限固溶体。

图3-1　置换固溶体晶格结构示意图

2.间隙固溶体

若溶质原子分布于溶剂晶格各节点之间的空隙中，所形成的固溶体称为间隙固溶体，如图3-2所示。

图3-2　间隙固溶体晶格结构示意图

由于溶剂晶格的空隙有限，通常只有当溶质原子直径与溶剂原子直径之比小于0.59时，才能形成间隙固溶体，因此形成间隙固溶体的溶质原子都是原子直径较小的非金属元素，如氢、氧、氮、硼、碳等，如碳钢中的铁素体和奥氏体就是碳原子溶入α-Fe和γ-Fe中所形成的两种间隙固溶体。

由于溶剂晶格中的间隙是有限的，故间隙固溶体只能形成有限固溶体，且间隙固溶体的溶解度一般都不大。(www.zuozong.com)

3.固溶体的性能

一般来说，固溶体的强度、硬度总比组成它的纯金属的平均值高，随着固溶度的增加，强度、硬度也随之提高。固溶体的塑性韧性，如伸长率、断面收缩率和冲击韧度等比组成它的纯金属的平均值稍低，但比一般化合物高得多。因此，固溶体比纯金属和化合物具有较为优越的综合力学性能。各种金属材料大都是以固溶体作为基体的。

在物理性能方面，随着溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率升高，因此工业上应用的精密电阻和电热材料等，都广泛应用固溶体合金。

通过溶入溶质原子形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。造成固溶强化的原因，一是由于溶质原子周围引起晶格畸变（如图3-3所示），形成了晶格畸变应力场，该应力场和位错应力场产生交互作用，使位错运动受阻；二是溶质原子会聚集于刃型位错附近，形成“柯垂尔”气团，对位错起钉扎作用。

图3-3　形成固溶体时的晶格畸变

（a）置换固溶体（b）间隙固溶体

通常，形成间隙固溶体的晶格畸变比置换固溶体大，因此，间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体。

实践证明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，使其仍然保持相当好的塑性和韧性。不过，通过单纯的固溶强化所达到的最高强度仍然有限，常常不能满足人们的要求，因而还需在固溶强化的基础上再进行其他强化处理。