固溶体.docx
- 文档编号:25796822
- 上传时间:2023-06-14
- 格式:DOCX
- 页数:38
- 大小:495.22KB
固溶体.docx
《固溶体.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《固溶体.docx(38页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
固溶体
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。
固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性,并且随着温度的升高,金属的导电性降低,电阻率增大,这是金属独具的一个特点。
常见的金属元素有铁、铝、铜、铬、镍、钨等。
第二大类是非金属,化学元素中有22种,非金属元素不具备金属元素的特征。
而且与金属相反,随着温度的升高,非金属的电阻率减小,导电性提高。
常见的非金属元素有碳、氧、氢、氮、硫、磷等。
我们所焊接的材料主要是金属,尤其是钢材,钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分,而且取决于钢材的组织,为了了解钢材的组织及对性能的影响,我们必须先从晶体结构讲起。
(一)晶体的特点
对于晶体,大家并不生疏。
食盐、水结成的冰,都是晶体。
一般的固态金属及合金也都是晶体。
并非所有固态物质都是晶体。
如玻璃、松香之类就不是晶体,而属于非晶体。
晶体与非晶体的区别不在外形,而在内部的原子排列。
在晶体中,原子按一定规律排列得很整齐。
而在非晶体中,原子则是散乱分布着,至多有些局部的短程规则排列。
由于晶体与非晶体中原子排列不同,因此性能也不相同。
(二)典型的金属晶体结构
金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子,称为晶格。
金属的晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格,如图1—4所示。
体心立方晶格的立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子,而面心立方晶格的立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。
图1—4典型的金属晶体结构
(a)体心立方晶格 (b)面心立方晶格
铁属于立方晶格,随着温度的变化,铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。
这种晶格的转变,称为同素异晶转变。
纯铁在常温下是体心立方晶格(称为α-Fe);当温度升高到910℃时,纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格(称为γ-Fe);再升温到1390℃时,面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格(称为δ-Fe),然后一直保持到纯铁的熔化温度。
纯铁的这种特性非常重要,是钢材所以能通过各种热处理方法来改变其内部组织,从而改善性能的内在因素之一,也是焊接热影响区中各个区域与母材相比,具有不同组织和性能的原因之一。
二、合金的组织、结构及铁碳合金的基本知识
(一)合金的组织
两种或两种以上的元素(其中至少一种是金属元素),组合成的金属,叫做合金。
根据两种元素相互作用的关系,以及形成晶体结构和显微组织的特点可将合金的组织分为三类:
(1)固溶体固溶体是一种物质的原子均匀地溶解在另一种物质的晶格内,形成单相晶体结构。
根据原子在晶格上分布的形式,固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。
某一元素晶格上的原子部分地被另一元素的原子所取代,称为置换固溶体;如果另一元素的原子挤入某元素晶格原子之间的空隙中,称为间隙固溶体,见图1—5所示。
图1—5固溶体示意图
(a)置换固溶体;(b)间隙固溶体
两种元素的原子大小差别愈大,形成固溶体后所引起的晶格扭曲程度越大。
扭曲的晶格增加了金属塑性变形的阻力,所以固溶体比纯金属硬度高、强度大。
(2)化合物两种元素的原子按一定比例相结合,具有新的晶体结构,在晶格中各元素原子的相互位置是固定的,叫化合物。
通常化合物具有较高的硬度,低的塑性,脆性也较大。
(3)机械混合物固溶体和化合物均为单相的合金,若合金是由两种不同的晶体结构彼此机械混合组成,称为机械混合物。
它往往比单一的固溶体合金有更高的强度、硬度和耐磨性;塑性和压力加工性能则较差。
(二)钢中常见的显微组织
(1)铁素体(F):
铁素体是少量的碳和其它合金元素固溶于α-铁中的固溶体。
α-铁为体心立方晶格,碳原子以填隙状态存在,合金元素以置换状态存在。
铁素体溶解碳的能力很差,在723℃时为0.02%,室温时仅0.006%。
铁素体的强度和硬度低,但塑性和韧性很好,所以含铁素体多的钢(如低碳钢)就表现出软而韧的性能。
(2)渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁与碳的化合物,分子式是Fe3C,其性能与铁素体相反,硬而脆,随着钢中含碳量的增加,钢中渗碳体的量也增多,钢的硬度、强度也增加,而塑性、韧性则下降。
(3)珠光体(P)珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物,含碳量为0.8%左右,只有温度低于723℃时才存在。
珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间。
(4)奥氏体(A)奥氏体是碳和其它合金元素在γ-铁中的固溶体。
在一般钢材中,只有高温时存在。
当含有一定量扩大γ区的合金元素时,则可能在室温下存在,如铬镍奥氏体不锈钢则在室温时的组织为奥氏体。
奥氏体为面心立方晶格,奥氏体的强度和硬度不高,塑性和韧性很好。
奥氏体的另一特点是没有磁性。
(5)马氏体(M)马氏体是碳在α-铁中的过饱和固溶体,一般可分为低碳马氏体和高碳马氏体。
马氏体的体积比相同重量的奥氏体的体积大,因此,由奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀,局部体积膨胀后引起的内应力往往导致零件变形、开裂。
高碳淬火马氏体具有很高的硬度和强度,但很脆,延展性很低,几乎不能承受冲击载荷。
低碳回火马氏体则具有相当高的强度和良好的塑性和韧性相结合的特点。
(6)魏氏组织魏氏组织是一种过热组织,是由彼此交叉约60°的铁素体针嵌入基体的显微组织。
碳钢过热,晶粒长大后,高温下晶粒粗大的奥氏体以一定速度冷却时,很容易形成魏氏组织。
粗大的魏氏组织使钢材的塑性和韧性下降,使钢变脆。
(二)铁—碳合金平衡状态图
钢和铸铁都是铁碳合金。
含碳量低于2.11%的铁碳合金称为钢,含碳量2.11%~6.67%的铁碳合金称为铸铁。
为了全面了解铁碳合金在不同含碳量和不同温度下所处的状态及所具有的组织结构,可用Fe-C合金平衡状态图来表示这种关系,见图1—6。
图上纵座标表示温度,横座标表示铁碳合金中碳的百分含量。
例如,在横座标左端,含碳量为零,即为纯铁;在右端,含碳量为6.67%,全部为渗碳体(Fe3C)。
图1—6Fe-C平衡状态图
图中ACD线为液相线,在ACD线以上的合金呈液态。
这条线说明纯铁在1535℃凝固,随碳含量的增加,合金凝固点降低。
C点合金的凝固点最低,为1147℃。
当含碳量大于4.3%以后,随含碳量的增加,凝固点增高。
AHJEF线为固相线。
在AHJEF线以下的合金呈固态。
在液相线和固相线之间的区域为两相(液相和固相)共存。
GS线表示含碳量低于0.8%的钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出铁素体的温度。
ECF水平线,1147℃,为共晶反应线。
液体合金缓慢冷却至该温度时,发生共晶反应,生成莱氏体组织。
PSK水平线,723℃,为共析反应线,表示铁碳合金在缓慢冷却时,奥氏体转变为珠光体的温度。
为了使用方便,PSK线又称为A1线,GS线称为A3线,ES线为Acm线。
正点是碳在奥氏体中最大溶解度点,也是区分钢与铸铁的分界点,其温度为1147℃,含碳量为2.11%。
S点为共析点,温度为723℃,含碳量为0.8%。
S点成分的钢是共析钢,其室温组织全部为珠光体。
S点左边的钢为亚共析钢,室温组织为铁素体+珠光体;S点右边的钢为过共析钢,其室温组织为渗碳体+珠光体。
C点为共晶点,温度为1147℃,含碳量为4.3%。
C点成分的合金为共晶铸铁,组织为莱氏体。
含碳量在2.11%~4.3%之间的合金为亚共晶铸铁,组织为莱氏体+珠光体+渗碳体;含碳量在4.3%~6.67%之间的合金为过共晶铸铁,组织为莱氏体+渗碳体。
莱氏体组织在常温下是珠光体+渗碳体的机械混合物,其性硬而脆。
现以含碳0.2%的低碳钢为例,说明从液态冷却到室温过程中的组织变化。
当液态钢冷却至AC线时,开始凝固,从钢液中生成奥氏体晶核,并不断长大;当温度下降到AE线时,钢液全部凝固为奥氏体;当温度下降到GS(A3)线时,从奥氏体中开始析出铁素体晶核,并随温度的下降,晶核不断长大;当温度下降到PSK(A1)线时,剩余未经转变的奥氏体转变为珠光体;从A1下降至室温,其组织为铁素体+珠光体,不再变化,见图1—7。
图1—7低碳钢由高温冷却下来的组织变化示意图
Fe—C合金平衡状态图对于热加工具有重要的指导意义,尤其对焊接,可根据状态图来分析焊缝及热影响区的组织变化,选择焊后热处理工艺等。
三、钢的热处理
将金属加热到一定温度,并保持一定时间,然后以一定的冷却速度冷却到室温,这个过程称为热处理。
常用的热处理工艺方法有以下几种:
(一)淬火
将钢(高碳钢和中碳钢等)加热到A1(对过共析钢)或A3(对亚共析钢)以上30~70℃,在此温度下保持一段时间,使钢的组织全部变成奥氏体,然后快速冷却(水冷或油冷),使奥氏体来不及分解和合金元素的扩散而形成马氏体组织,称为淬火。
淬火后可以提高钢的硬度及耐磨性。
在焊接中碳钢和某些合金钢时,热影响区中可能发生淬火现象而变硬,易形成冷裂纹,这是在焊接过程中要设法防止的。
(二)回火
淬火后进行回火,可以在保持一定强度的基础上恢复钢的韧性。
回火温度在A1以下。
按回火温度的不同可分为低温回火(150~250℃)、中温回火(350~450℃)、高温回火(500~650℃)。
低温回火后得到回火马氏体组织,硬度稍有降低,韧性有所提高。
中温回火后得到回火屈氏体组织,提高了钢的弹性极限和屈服强度,同时也有较好的韧性。
高温回火后得到回火索氏体组织,可消除内应力,降低钢的强度和硬度,提高钢的塑性和韧性。
钢在淬火后再进行高温回火,这一复合热处理工艺称为调质。
调质能得到韧性和强度最好的配合,获得良好的综合力学性能。
(三)正火
将钢加热到A3或Acm以上50~70℃,保温后,在空气中冷却,称为正火。
许多碳素钢和低合金结构钢经正火后,各项力学性能均较好,可以细化晶粒,常用来作为最终热处理。
对于焊接结构,经正火后,能改善焊接接头性能,可消除粗晶组织及组织不均匀等。
(四)退火
将钢加热到A3以上或A1左右一定范围的温度,保温一段时间后,随炉缓慢而均匀地冷却,称为退火。
退火可降低硬度,使材料便于切削加工,能消除内应力等。
焊接结构焊接以后会产生焊接残余应力,容易导致产生延迟裂纹,因此重要的焊接结构焊后应该进行消除应力退火处理。
消除应力退火属于低温退火,加热温度在A1以下,一般采用600~650℃,保温一段时间,然后随炉缓慢冷却。
亦称焊后热处理。
§5.1 固溶体的定义和分类及固溶反应的书写原则
5.1.1 固溶体的定义
固溶体是指一种组元(组分)因“溶解”了其他组元而形成的单相晶态固体。
用放大倍数有限的金相显微镜来检查,结果显示它是均匀的[2]。
一般把固溶体中含量较高的组元称做主晶体、基质或溶剂,其他组元称为溶质或杂质。
固溶体和主晶体相同之处在于,两者皆是单相,而且基本结构相同。
尽管大部分晶体或多或少带有一些杂质或组成和结构缺陷(后者如非化学计量化合物),人们在讨论无机化合物的晶体结构时,总是先假定它是不含杂质的所谓纯化合物,并且它的组成符合化学的定比例规则,它的结构是完整的。
固溶体和其主晶体不同主要在于下述几个方面:
主晶体一般可以是单组元的,而固溶体一定是多组元的。
以主晶体为基础的固溶体的晶体结构,由于其他组元(杂质)的加入而发生局部畸变,并且固溶体的晶胞参数随组成作连续的改变;其性质亦随组成发生持续的变化,与形成固溶体的主晶体的性质有很大的差别。
例如,纯α–Al2O3单晶(白宝石)是没有激光性能的,加入少量Cr2O3形成固溶体(红宝石)后,能产生受激辐射,成为一种性能稳定的固体激光材料。
固溶体和机械混合物有着本质的区别。
组元A和B形成固溶体时,A和B是以原子尺度相混合的,A和B之间存在可混溶性(miscibility)。
因此,固溶体是单相均匀的,并且它的结构和溶质的晶体结构往往没有直接的联系,它的性质和主晶体以及溶质本身有着明显的区别。
而A和B的机械混合不可能以原子尺度相混,这种混合物不是均匀的单相而是多相,混合物内各相分别保持着自身的结构与性能。
固溶体和(化学计量)化合物也不同。
A和B两组元形成固溶体时,A和B之间并不存在确定的物质的量比,其组成可在一定的范围内波动,所以West说,“固溶体基本上是一种容许有可变组成的结晶相[3]。
”然而,当A和B形成化学计量化合物AmBn时,A和B按确定的物质的量比值m∶n化合。
由于固溶体的生成,二元相图中组成便不再是一根垂直线,而是表现为一个范围[参见图3–7(b)]。
在4.2.2小节和§4.5节里已提到固溶体与杂质的联系,下文还将指出,这可能会导致组成和结构缺陷;然而,理想的化合物应不含杂质和不带结构缺陷。
由于杂质的加入,可在主晶体的禁带上造成某些局域能级[4](见下文5.6.3小节)。
当A和B形成固溶体时,是以不破坏主晶体(A或B)的基本晶体结构为前提的,固溶体在结晶学意义上的晶体结构对称性和主晶体保持一致,上述红宝石和白宝石就具有相同的刚玉型结构。
然而,如果A和B之间生成化合物AmBn,此化合物在晶体结构上既不同于A,也不同于B,而有其特定的结构。
还有,固溶体结构中可以存在着局部的微不均匀性(详见5.7.6小节),但理想的化合物是严格意义上相均匀的。
最后,由于固溶体的组成可改变,因而它的物理性质也会随之而发生变化。
例如红宝石中Cr2O3的物质的量分数x(Cr2O3)在2%以下变化时,其激光性能也有一定的改变。
而理想、严格意义上的化学计量化合物,它的组成和性质是一定的。
5.1.2 固溶体的分类
固溶体的分类方法有两种:
按溶质原子(或离子)在固溶体中的位置划分和按溶质原子(或离子)在固溶体中的溶解度划分,下面分别讨论。
一、按溶质原子在固溶体中的位置划分
溶质原子溶入主晶体后,可进入主晶体中正常结点位置,生成置换型(亦称为取代式[4]或置换式[5])固溶体。
目前发现的固溶体,绝大部分属于这种类型。
在金属氧化物中,主要是发生在金属离子位置上的置换。
Al2O3和Cr2O3在高温下相互作用形成连续固溶体,是这种情况的一个典型的例子[见图3–7(a)]。
这两种物质均具有刚玉型的晶体结构(近似氧离子六方密堆积结构,三分之二的八面体间隙被Al3+或Cr3+所占据)[5],所形成的固溶体可用固溶分子式(有的文献仍称为化学式[4])表示为(Al2-yCry)O3,其中0<y<2。
在y取中间值时,Al3+和Cr3+混乱地分布于原刚玉结构中正常情况下被占据的八面体间隙位置。
因此,虽然任何一个此种间隙位置必然含有一个Cr3+或一个Al3+,但究竟含有哪一种离子,其几率则与y值有关。
如果把结构作为一个整体看待且所有的此种间隙位置占有率被平均地处理时,可以想像到,每一个此种间隙位置似乎都被一个原子序数、尺寸大小等特性介乎于Al3+和Cr3+之间的“平均阳离子”所占有[3]。
溶质原子也可能进入主晶体晶格中的间隙位置,生成填隙型(或称填隙式[2])固溶体,此即填隙杂质原子的情况,已在第四章中遇到过。
有时很难判断所生成的固溶体是置换型还是填隙型,这种情况如下文§5.3里的(5–13)式和§5.4中的(5–17)式。
虽然本书把前一式生成物放在填隙型固溶体来讨论,而把后一式归入置换型的固溶体,但实际上,上述两式的类型是很难严格界定的。
有些文献[1,2]还提到一种缺位(或空位)型固溶体。
这一种固溶体通常是以化合物,而不是如金属以单质为主晶体的[2],在它的点阵中某一类原子的结点处出现空位,它的组成对理想化合物发生偏离。
在本章§5.4里,将讨论到由于异价不等数的离子置换,会同时形成空位结构。
固溶反应的另一种可能是生成填隙子,同时造成空位。
这两种情况皆有可能生成固溶体。
显然,按本书的逻辑,它们都不是独立的固溶体类型,但也有文献把它们另列一类,与填隙型固溶体对比来研究[1]。
然而,在大部分情况下,可把它们划归到置换型或填隙型固溶体来讨论,本书除下文的5.4.6小节外,均采取这种方法。
二、按溶质原子在主晶体中的溶解度(固溶度)划分
按溶质在主晶体中的溶解度(固溶度)划分,固溶体可以分为连续固溶体和有限固溶体两个类型[1]。
连续固溶体是指溶质和主晶体可以按任意比例无限制地相互溶解,例如在天然矿物方镁石中,常常含有相当数量的NiO,Ni2+置换MgO中Mg2+,生成连续固溶体,此固溶分子式可写成Mg1-xNixO。
MgO–NiO系统相图已如图3–5所示,其相界线是连续的曲线。
显然,在连续固溶体中,主晶体和溶质是相对的。
连续固溶体又称为无限固溶体[6]或完全互溶固溶体[7]。
如果溶质原子在主晶体中的溶解度是有限的,存在一个固溶度极限,超过这个限度就会出现第二相,这样的固溶体称为有限固溶体[1,8],也可称作不连续固溶体或部分互溶固溶体[7]。
例如MgO–CaO系统可生成有限固溶体,其相图如图3–10所示。
半导体材料一般是连续固溶体[9],主要的主晶体有锗、硅等。
5.1.3 固溶反应的书写原则
下面分述固溶反应书原则的几个问题。
一、固溶过程的全部缺陷反应式
如本章前几小节所分析的那样,固溶反应的实质是在主晶体中掺入杂质,造成杂质缺陷和其他缺陷。
所以,在缺陷化学一章中所叙述的缺陷反应书写原则(见4.7.3小节),全部适用于固溶反应,不同的只是后者的表达更复杂一些。
下面以Al2O3掺杂到SrTiO3为例,来说明上述表示法中的电中性原则。
在一定的氧分压下,这个固溶过程的全部缺陷反应和电中性关系式如下:
(一)非化学计量缺陷
(5–1)
反应式右边所表示的缺陷属非化学计量缺陷(详见下文§5.5节),也有人把它归类到本征缺陷[4]。
它们是材料本身所固有的,其浓度与气氛的性质及其分压有关,但与掺杂或固溶情况无直接的关系。
显然,(5–1)式符合电中性条件。
电子的浓度一般不用[e′]表示,而采用符号n(英文negative的词首)。
(二)电子缺陷
(5–2)
电子空穴的浓度通常不用[h·]来代表,而用p(英文positive的词首)来表示。
上式右边n=p,反应式也符合电中性条件。
(三)掺杂缺陷
(5–3)
一般来说,掺杂固溶反应仅指以上这个反应式。
对于(5–1)和(5–2)式,因是动态平衡关系,所以许多文献均采用双箭头的平衡符号表示。
对于(5–3)式的掺杂过程,大多数文献则用长的单箭头符号表示[5],长单箭头符号上SrTiO3表示主晶体,反应式左边的Al2O3是作为溶质进入SrTiO3晶格的。
对于(5–3)式来说,电中性原则是指反应式两边的总有效电荷相等(此例中都等于零)。
质量平衡原则,是指反应式左边(溶质)和右边(不必考虑空位)保持物质守恒。
位置关系原则则指的是反应式右边与主晶体SrTiO3各元素有关的位置满足1∶1∶3的关系。
二、固溶反应式的几种可能的写法
按缺陷反应表示法书写固溶反应时,往往可写出几个可能的式子,下面以CaCl2在KCl中的固溶过程为例来说明。
引入1个CaCl2分子到KCl主晶体中时,同时带进2个Cl原子和1个Ca原子。
2个Cl原子处在KCl晶格中Cl亚晶格的位置上,1个Ca原子则处在K的位置上。
此时,新增加的Cl位置(参见4.7.3小节中关于“位置产生”的叙述)与被Ca占据的K的位置比值为2∶1。
但在作为基体的KCl中,根据位置关系,K的位置与Cl的位置的比值应满足1∶1的关系。
因此,对于主晶体KCl的晶格而言,有1个K的位置是空的。
所以,把固溶过程的置换看做是原子置换时,反应式可写成[5]:
(5–4)
式中CaK、VK和ClCl都是不带电的。
实际上,CaCl2和KCl都是典型的离子键晶体,固溶反应写成下式更为合理:
§5.2 影响置换型固溶体固溶度的因素及压电陶瓷
从热力学的角度来分析,如果杂质原子进入晶格,会使系统的熵值增大,并使吉布斯自由能下降(参见公式4–1)。
因此,在任何晶体中,外来的杂质原子都多少有一些溶解度。
关于置换型固溶体的形成条件、影响置换型固溶体固溶度的因素和影响程度,到现在为止,还不能进行严格的定量计算,一般要通过实验来确定。
目前已经有了若干的经验规律,如本节要分别讨论的影响固溶度的5个因素:
离子尺寸、离子价、场强、电负性和晶体结构。
本节在分析离子价对固溶度的影响之后,将详细地讨论由离子价相同或离子价总数相同的置换形成的一类固溶体:
复合钙钛矿型固溶体。
此类固溶体与有重要工业用途的压电陶瓷密切相关。
5.2.1 影响固溶度的因素之一:
离子尺寸
休谟–罗斯里(Hume-Rothery)早就提出,当溶质和主晶体的原子半径相对差值超过14%~15%时,尺寸因素不利于固溶体的生成,两固体间的固溶度是很有限的。
这主要是对金属二元系统而言,指的是金属原子的半径差值,已经被公认为所谓的15%规律。
实验证明,它具有90%左右的准确性,基本上是正确的。
将15%规律用于金属氧化物体系时,通常直接用离子半径代替原子半径,例如,Kingery就是这样直接引用的[5]。
两种离子半径相对差值是用下式计算出来的:
,式中R1为较大离子的半径,R2为较小离子的半径[1,6]。
在大部分无机材料化学文献中,上述离子半径相对差值习惯上称为离子半径差值或离子尺寸差值。
表5–1表明了离子尺寸差值对MX型二元化合物之间固溶度的影响。
由表可见,离子尺寸相近时,生成连续固溶体。
随着离子尺寸差值的增大,固溶度下降,生成化合物倾向增大。
图5–1列出了二元系统相图的4个例子,阴影部分表示固溶体的相区。
表5–1提到的MgO–NiO系统相图已如图3–5所示。
图5–
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 固溶体
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)