固溶体与化合物的教学分析

孙颉

一、固溶体

固溶体是固态下一种组元（溶质）溶解在另一种组元（溶剂）中形成的新相，其最重要的特点是具有溶剂组元的点阵结构[1]。现代材料科学的研究中经常利用固溶体来提高和改善材料的性能，其无论在功能材料还是结构材料中都具有非常广泛的应用[2]。按照不同的分类方式，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体（按照溶质原子所处位置）、有限固溶体和无限固溶体（按照溶质原子的含量）以及有序固溶体和无序固溶体（按照溶质原子的排列方式）。钢中典型的固溶体包括马氏体（M）、奥氏体（A）和铁素体（F）。

按照溶质原子所处位置将固溶体划分为置换固溶体和间隙固溶体是最为常见的一种分类方式。对于置换固溶体而言，影响其固溶度的因素主要包括：组元的晶体结构、原子尺寸、电负性、原子价（电子浓度）。这四个影响因素中，除电子浓度需要尽可能低之外，对于溶质和溶剂而言，其他三个影响因素越相似，在一般情况下置换固溶体的固溶度就越大。而对于间隙固溶体，影响其固溶度最主要的因素是溶质原子的尺寸与溶剂晶格间隙尺寸的相互匹配程度。这两者尺寸越接近，越能够形成固溶度较大的固溶体。在此处的教学过程中，需要特别强调上述四个影响因素对间隙固溶体的固溶度都存在影响，只是原子尺寸的因素起主导作用。同时，由于溶质原子的尺寸往往大于溶剂晶格间隙尺寸，因此在实际的合金当中，间隙固溶体的固溶度往往很小。

固溶体中溶质原子的排列方式取决于原子之间亲和力的大小。若同类原子与异类原子间的亲和力大小相当，则溶质原子在溶剂晶格中完全随机分布；若同类原子的亲和力大于异类原子的亲和力，则同类原子将发生偏聚现象。反之，同类原子与异类原子将呈相间排列的状态，称之为有序排列。

当溶质原子进入溶剂晶格后，无论它们之间的大小匹配如何，总会在溶剂的晶格中引入点阵畸变，从而造成晶胞参数的增大或减小。一般对于间隙固溶体而言，溶质原子尺寸总大于溶剂晶格间隙的尺寸，因而相比于纯溶剂而言，其晶胞参数一般会增大。

二、化合物

材料科学中化合物的概念是指组元A与组元B通过化合变为新相C，其中新相C与组元A和B的结构、性质均不相同，那么这样的新相就称之为化合物。与固溶体相比，化合物最重要的特点是其结构和性质与组成其的两组元都不同，例如，NaCl的结构和性质与Na和Cl都有着很大的差别。此外，电负性差异较大的元素更容易形成化合物，这是由于电负性的差异导致了异类原子更容易成键，此类化合物一般称之为正常价化合物，其主要性质包括不易变形、硬脆以及结构复杂、对称性差等。常见的正常价化合物包括NaCl、ZnS以及CaF2等由金属和非金属组成的化合物。而某些化合物的结构是由电子浓度决定的，称之为电子化合物。这类化合物的成分可以在一定范围内发生变化，因而有时也称作化合物基的固溶体。典型的电子化合物包括CuZn、FeAl、Ag3Al等，原子一般都以金属键连接。当电子浓度发生变化时，电子化合物将呈现出包括体心立方、面心立方以及密排六方等多种结构特征。

当原子半径作为化合物的主要控制因素时，可将化合物划分为间隙相和间隙化合物两种类型，其中结构简单的称之为间隙相，结构复杂的称之为间隙化合物。需要注意的是，间隙相、间隙化合物与固溶体中的间隙固溶体有着本质的不同，前两者归属于化合物，其结构与组元A和B均不同，而间隙固溶体属于固溶体，其点阵仍保持溶剂的点阵结构。

固溶体与化合物章节涉及非常多的概念性知識，这部分内容在本科第一和第二学年是完全没有涉及的。因此，在概念讲解的过程中需要配合大量的图片和动画，并利用生活中的常见现象进行类比，解释固溶体和化合物的分类原则及结构影响因素，可以获得相对较好的教学效果。

参考文献：

[1]赵东旭，刘大成.固溶体及其应用[J].中国陶瓷，1996（2）：34-36.

[2]胡赓祥，蔡 珣，戎咏华.材料科学基础（第三版）[M].上海：上海交通大学出版社，2010.