固溶體與化合物的教學分析

孫頡

一、固溶體

固溶體是固態(tài)下一種組元（溶質(zhì)）溶解在另一種組元（溶劑）中形成的新相，其最重要的特點是具有溶劑組元的點陣結(jié)構(gòu)[1]。現(xiàn)代材料科學的研究中經(jīng)常利用固溶體來提高和改善材料的性能，其無論在功能材料還是結(jié)構(gòu)材料中都具有非常廣泛的應(yīng)用[2]。按照不同的分類方式，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體（按照溶質(zhì)原子所處位置）、有限固溶體和無限固溶體（按照溶質(zhì)原子的含量）以及有序固溶體和無序固溶體（按照溶質(zhì)原子的排列方式）。鋼中典型的固溶體包括馬氏體（M）、奧氏體（A）和鐵素體（F）。

按照溶質(zhì)原子所處位置將固溶體劃分為置換固溶體和間隙固溶體是最為常見的一種分類方式。對于置換固溶體而言，影響其固溶度的因素主要包括：組元的晶體結(jié)構(gòu)、原子尺寸、電負性、原子價（電子濃度）。這四個影響因素中，除電子濃度需要盡可能低之外，對于溶質(zhì)和溶劑而言，其他三個影響因素越相似，在一般情況下置換固溶體的固溶度就越大。而對于間隙固溶體，影響其固溶度最主要的因素是溶質(zhì)原子的尺寸與溶劑晶格間隙尺寸的相互匹配程度。這兩者尺寸越接近，越能夠形成固溶度較大的固溶體。在此處的教學過程中，需要特別強調(diào)上述四個影響因素對間隙固溶體的固溶度都存在影響，只是原子尺寸的因素起主導(dǎo)作用。同時，由于溶質(zhì)原子的尺寸往往大于溶劑晶格間隙尺寸，因此在實際的合金當中，間隙固溶體的固溶度往往很小。

固溶體中溶質(zhì)原子的排列方式取決于原子之間親和力的大小。若同類原子與異類原子間的親和力大小相當，則溶質(zhì)原子在溶劑晶格中完全隨機分布；若同類原子的親和力大于異類原子的親和力，則同類原子將發(fā)生偏聚現(xiàn)象。反之，同類原子與異類原子將呈相間排列的狀態(tài)，稱之為有序排列。

當溶質(zhì)原子進入溶劑晶格后，無論它們之間的大小匹配如何，總會在溶劑的晶格中引入點陣畸變，從而造成晶胞參數(shù)的增大或減小。一般對于間隙固溶體而言，溶質(zhì)原子尺寸總大于溶劑晶格間隙的尺寸，因而相比于純?nèi)軇┒裕渚О麉?shù)一般會增大。

二、化合物

材料科學中化合物的概念是指組元A與組元B通過化合變?yōu)樾孪郈，其中新相C與組元A和B的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)均不相同，那么這樣的新相就稱之為化合物。與固溶體相比，化合物最重要的特點是其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與組成其的兩組元都不同，例如，NaCl的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與Na和Cl都有著很大的差別。此外，電負性差異較大的元素更容易形成化合物，這是由于電負性的差異導(dǎo)致了異類原子更容易成鍵，此類化合物一般稱之為正常價化合物，其主要性質(zhì)包括不易變形、硬脆以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對稱性差等。常見的正常價化合物包括NaCl、ZnS以及CaF2等由金屬和非金屬組成的化合物。而某些化合物的結(jié)構(gòu)是由電子濃度決定的，稱之為電子化合物。這類化合物的成分可以在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，因而有時也稱作化合物基的固溶體。典型的電子化合物包括CuZn、FeAl、Ag3Al等，原子一般都以金屬鍵連接。當電子濃度發(fā)生變化時，電子化合物將呈現(xiàn)出包括體心立方、面心立方以及密排六方等多種結(jié)構(gòu)特征。

當原子半徑作為化合物的主要控制因素時，可將化合物劃分為間隙相和間隙化合物兩種類型，其中結(jié)構(gòu)簡單的稱之為間隙相，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的稱之為間隙化合物。需要注意的是，間隙相、間隙化合物與固溶體中的間隙固溶體有著本質(zhì)的不同，前兩者歸屬于化合物，其結(jié)構(gòu)與組元A和B均不同，而間隙固溶體屬于固溶體，其點陣仍保持溶劑的點陣結(jié)構(gòu)。

固溶體與化合物章節(jié)涉及非常多的概念性知識，這部分內(nèi)容在本科第一和第二學年是完全沒有涉及的。因此，在概念講解的過程中需要配合大量的圖片和動畫，并利用生活中的常見現(xiàn)象進行類比，解釋固溶體和化合物的分類原則及結(jié)構(gòu)影響因素，可以獲得相對較好的教學效果。

參考文獻：

[1]趙東旭，劉大成.固溶體及其應(yīng)用[J].中國陶瓷，1996（2）：34-36.

[2]胡賡祥，蔡 珣，戎詠華.材料科學基礎(chǔ)（第三版）[M].上海：上海交通大學出版社，2010.