5.8 有序固溶體和無序固溶體(2)

    有序<=>無序轉(zhuǎn)變的存在，為我們深入認識固溶體擴大了視野。從統(tǒng)計的觀點看，固溶體中溶質(zhì)質(zhì)點的分布是無序的。但是，如果從微觀結(jié)構(gòu)去識別（參見圖5-48），只有在高溫和溶質(zhì)濃度很低時完全無序分布才能存在。在一般情況下，固溶體總體上雖不存在有序結(jié)構(gòu)，但局部范圍內(nèi)質(zhì)點的排列還是可以有規(guī)則的，常稱為“短程有序”，即在一個局部區(qū)域內(nèi)，溶質(zhì)質(zhì)點分布是有序的。另外就是溶質(zhì)在局部的范圍內(nèi)聚集，其濃度可以大大超過平均濃度，這種狀態(tài)稱為溶質(zhì)的偏聚（偏析、分凝）。固溶體中的偏聚和短程有序?qū)�固溶體的某些性能（如強度、脆性等）和相變時的成核都有一定的影響。圖5-49表示了Au-Cu固溶體中的短程有序。因此，深入研究固溶體中的微觀不均勻性，對于進一步認識固溶體及其性能和發(fā)展新材料是有一定意義的。
                     
    以上討論了固溶體及有關(guān)問題。對于任何一種晶體材料，其性能總是決定于化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)兩個方面，特別是結(jié)構(gòu)敏感的性質(zhì)，如力學(xué)性能、磁學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能及擴散等。固溶體正是在組成和結(jié)構(gòu)兩方面對材料的結(jié)構(gòu)敏感性質(zhì)起作用，因此，固溶體的性能往往和純組分有非常顯著的差別。
    一般地講，固溶體的強度隨著溶質(zhì)質(zhì)點的濃度增加而提高。這一特點在金屬材料中顯得很重要，溶質(zhì)元素使固溶體強度和硬度升高的現(xiàn)象叫做固溶強化，它是提高金屬材料力學(xué)性能的重要手段之一。很多合金鋼就是采用在鋼中加入Mn、Si、W、Mo、Ni、V、Cr等元素形成固溶體來提高a-Fe的機械強度的。當(dāng)然，強度提高的同時，往往使合金材料的脆性增大，塑性下降。對陶瓷材料而言，雜質(zhì)往往偏析在晶界處，高溫?zé)�結(jié)時擴散進入晶粒，在距晶界一定距離范圍內(nèi)生成固溶體（具體固溶范圍視不同體系而存在很大差異），起到強化晶界的作用。
    固溶體對電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)性能等的影響是很復(fù)雜的，如導(dǎo)電性能，各種不同的晶體類型其導(dǎo)電機理不同，因而，少量雜質(zhì)的影響也不同。金屬晶體的導(dǎo)電主要是自由電子的運動，雜質(zhì)使晶格扭曲及產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，從而阻撓了自由電子的運動，電阻率因而增加，導(dǎo)電能力下降。但是，在絕緣材料或半導(dǎo)體中，雜質(zhì)及缺陷的存在，一般都能使導(dǎo)電能力大大增強。如金紅石（TiO₂）是一種介電材料。但是，在還原氣氛中，部分Ti⁴⁺離子變成了Ti³⁺離子，同時產(chǎn)生氧離子空位，結(jié)果就從絕緣材料變成半導(dǎo)體材料。如果金紅石作為絕緣材料使用，上述過程應(yīng)避免出現(xiàn)。但如果金紅石用作電阻材料使用，那么，這一過程就是必要的了。ZrO₂中固溶Y₂O₃，生成氧空位，可用作快離子導(dǎo)體。
    另外，雜質(zhì)質(zhì)點都會引起晶格的畸變，組分中的缺陷則有利于質(zhì)點在晶體中的擴散。所以，利用固溶體將可加速固相反應(yīng)，降低燒結(jié)溫度，還可以影響晶型轉(zhuǎn)變等，如前面提到的ZrO₂中固溶CaO、Y₂O₃等均可起到穩(wěn)定晶型的作用。
    從以上一些簡單的敘述可以看出：固溶體是改善材料性能、發(fā)展新材料的重要手段。今后在一些有關(guān)課程中將會遇到一些具體實例，從中可以更進一步體會固溶體的意義。當(dāng)然，事物總是具有兩面性的。有些情況下，生成固溶體是不希望的，因此，必須根據(jù)具體條件正確應(yīng)用這些概念。
（本節(jié)完，本章完）