下载文档原格式
第4章，固溶体(Solid Solution)掺杂通常不改变（被掺杂）材料的结构类型。
因此掺杂即“固溶”（固溶体——原子水平均匀分散的固态溶液。
掺杂有间隙掺杂（间隙固溶体）和取代掺杂（代位固溶体），有原子掺杂（原子固溶体）和离子掺杂（离子固溶体）。
本章重点讨论形成固溶体的条件及规律。
“固溶体”科学，尚处于“经验总结”的发展阶段。
因此，对于相关“结论”/“总结”，不能绝对化。
杂质原子导入引起晶格畸变，一定区域内的原子拉或压应力，系统能量增加。
当能量增加到一定程度，主体结构不再稳定，这就是固溶极限。
“15％规律”的不严格性：掺杂导致晶格畸变和能量升高，从而限制了极限掺杂量。
晶格畸变和能量升高，不但与尺寸差（ΔR）有关，同时与掺杂原子或离子的性质有关（例如可变形性），以及主结构的键合力（材料的理论弹性模量E）有关。
材料的E 越大，掺杂原子的尺寸限制就越严格，这时ΔR可能降低到8～10％。
相反，若主体结构较为开放，E较小，ΔR可能增大到21％。
一般而言：ΔR<15%：形成连续固溶体（必要条件，而非充要条件）；15%～30%：形成有限固溶体；ΔR>30%，固溶度很低或不能形成固溶体。
b) 电负性因素：掺杂原子和主结构原子的Pauling 电负性差别越大，元素周期表中距离越远，元素间易形成化合物（ΔE > 0.4)，而不易形成固溶体。
另一较普遍的规律：当掺杂原子在体系中可以多种状态存在是，它的固溶度将发生改变。
物种越稳定，固溶度越小。
例如，Fe-C固溶体中，碳可有两种形态——FeC3或石墨，石墨远比FeC3稳定，因此，FeC3在Fe中的固溶度远大于C。
二元合金体系：掺杂金属原子的价电子数与主体金属 原子的价电子数差别越大，固溶度越低。
例如：Zn （二价）、Ga（三价）、Ge（四价）、As（五价）在 一价金属（Cu、Ag、Au）中的固溶度分别为38.5 at％、 19.5 at%、11.8 at％、7 at％。
固溶体反应固溶体反应是指在固体溶质与固体溶剂之间发生的化学反应。
固溶体反应是固态反应中一种重要的反应类型，广泛应用于材料科学、化学工程等领域。
固溶体反应的特点之一是反应物和产物都是固体，在反应过程中不涉及溶解和溶液的形成。
这使得固溶体反应在高温固态反应中扮演着重要的角色。
固溶体反应的速率通常较慢，需要较高的温度和长时间的反应才能达到平衡。
固溶体反应的机理一般可以分为固溶体取代反应、固溶体间化学反应和固溶体间扩散反应三种类型。
固溶体取代反应是指固溶体中的原子或离子被另外一种原子或离子取代的反应。
这种反应可以发生在同一种晶格类型的固溶体中，也可以发生在不同晶格类型之间。
例如，金属合金中的固溶体取代反应可能导致晶格缺陷、相变或形成新的合金相。
固溶体间化学反应是指两种或多种固溶体之间发生的化学反应。
这种反应通常需要高温和长时间才能发生，因为固溶体间的化学反应需要克服晶格间的排斥力，并且需要克服固溶体表面的能垒。
固溶体间化学反应在材料合成和改性中起着重要的作用。
固溶体间扩散反应是指固溶体中的原子或离子在晶体中扩散并与其他原子或离子发生反应的过程。
固溶体间扩散反应通常需要高温和长时间才能发生，因为扩散需要克服晶体中原子或离子之间的排斥力。
固溶体间扩散反应在材料合成、相变和晶体生长中起着重要的作用。
固溶体反应的条件除了温度和时间外，还受到固溶体的晶格结构、成分、缺陷和应变等因素的影响。
固溶体反应的机理和动力学可以通过实验和理论模拟进行研究，以便深入理解固溶体反应的规律和应用。
固溶体反应在材料科学和化学工程中有着广泛的应用。
例如，通过固溶体反应可以制备金属合金、陶瓷材料和纳米材料等。
固溶体反应还可以用于合成和改性功能材料、催化剂和电池材料等。
固溶体反应的研究对于材料的设计、合成和性能调控具有重要意义。
固溶体反应是固态反应中一种重要的反应类型，具有广泛的应用前景。
通过对固溶体反应的研究，可以深入了解固溶体反应的机理和动力学，为材料的合成和性能调控提供理论基础和实验指导。
固溶体所谓固溶体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。
● 固溶体的分类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。
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――铁素体和奥氏体，皆为间隙固溶体。
●按固溶度来分类：可分为有限固溶体和无限固溶体。
无限固溶体只可能是转换固溶体。
● 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这两点各位有时间补充说明下● 固溶体的性能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，而塑性和韧性有所下降，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。
第二节金属学及热处理基本知识一、金属晶体结构的一般知识众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分成两大类：第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。
固溶体的制备固溶体是一种由两种或多种不同物质组成的均匀混合物。
其中，一种物质称为溶质，另一种物质称为溶剂。
固溶体在化学、冶金、材料科学等领域具有广泛的应用。
本文将介绍固溶体的制备方法和一些相关的实例。
固溶体的制备方法有多种，常见的有熔融法、溶解法和共晶法。
熔融法是将溶质和溶剂共同加热到其熔点以上，使其熔化并混合均匀，然后冷却固化。
这种方法适用于那些在固态下相互不溶的物质。
例如，金属合金的制备就采用了熔融法。
将两种或多种金属加热到其熔点以上，使其熔化并混合均匀，然后冷却固化，得到金属合金。
金属合金具有优良的物理和化学性质，广泛应用于工业生产中。
溶解法是将溶质加入溶剂中，通过搅拌或加热使其溶解，然后冷却或挥发溶剂，得到固溶体。
这种方法适用于那些在溶液中可以相互溶解的物质。
例如，盐水是一种溶解法制备的固溶体。
将盐加入水中，搅拌使其溶解，然后挥发水分，得到固体盐。
共晶法是指两种或多种物质在一定温度范围内以固溶体的形式共存。
在共晶体系中，各组分按一定比例混合，形成固溶体。
例如，钙铁矿是一种通过共晶法制备的固溶体。
钙铁矿是由铁氧化物和钙氧化物组成的，它们在一定温度范围内以固溶体的形式共存。
除了以上常见的制备方法，还有一些特殊的制备方法，如溶胶-凝胶法、物理气相沉积法等。
这些方法在特定的条件下，可以制备出具有特殊结构和性质的固溶体。
固溶体的制备是一项复杂的过程，需要考虑多种因素，如温度、压力、物质的相容性等。
制备过程中的一些细微变化可能会导致固溶体的结构和性质发生改变。
因此，在制备固溶体时，需要仔细选择合适的制备方法，并进行严密的控制。
固溶体在化学、冶金、材料科学等领域有着广泛的应用。
在材料科学中，固溶体的制备可以改变材料的结构和性质，提高材料的力学性能、耐腐蚀性能等，扩大材料的应用范围。
在冶金工业中，固溶体的制备可以改善金属的物理和化学性质，提高合金的强度、硬度等，满足不同工业领域的需求。
在化学领域中，固溶体的制备可以用于分离纯化物质、催化反应等。
第四章 材料化学热力学1. Cs 熔体的标准吉布斯自由能（单位为J ）与温度T （单位为K ）的关系为 ΔG o m, Cs =2100-6.95T, 求Cs 的熔点。
解：根据热力学定律，当ΔG<0时，反应可以自发进行，因此ΔG ＝0时对应的平衡反应（即Cs 由固相转变为液相的反应）的温度即为Cs 的熔点。
由ΔG o m, Cs =2100-6.95T ＝0，可得T ＝302K ，所以Cs 的熔点为302K 。
2. 通过埃灵罕姆图解释为何碳在高温下可以用作金属氧化物的还原剂。
3. 答：根据埃灵罕姆图，ΔG o -T 曲线越在下方，氧化物的ΔG o 负值越大，其稳定性就越高。
所以在给定的温度下，位于下方的ΔG o -T 曲线所对应的元素可使位于上方曲线的金属氧化物还原。
由埃灵罕姆图还可知，CO 生成线的斜率为负，随着温度升高，ΔG o 越负，CO 稳定性越高。
而金属氧化物的生成线的斜率都为正，随着温度升高，ΔG o 越正，氧化物稳定性越低。
所以，碳在高温下可以用作金属氧化物的还原剂。
4. 3.（a ）对任何反应，请说明ΔG 和ΔG o 为0的意义；（b ）对于“如果反应的ΔG o 是正值，则反应不会如反应式所写的那样向右进行”的说法，谈谈你的观点5. 答：（a ）对于任何反应，ΔG （吉布斯自由能变化）是描述一个化学反应的驱动力，即可据此判断反应发生的可能性。
根据热力学第二定律可知，“在任何自发变化过程中，自由能总是减少的”。
所以，ΔG 为0说明反应过程处于平衡状态。
而ΔG o 为标准吉布斯自由能变，即物质处于标准状态时（（指定温度（273.15 K ）和压力（101.325KPa ））的生成自由能。
（b ）已知ΔG o =－RTLn K ，若ΔG o 为正值，则Ln K 必需为负值，则K <1，表明反应进行的程度很小。
4. 在埃灵罕姆图上大多数斜线的斜率为正，但是反应 的斜率为0，反应 的斜率为负，请解释原因。
