固溶體與化合物的教學(xué)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(diǎn)是具有溶劑組元的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)[1]。現(xiàn)代材料科學(xué)的研究中經(jīng)常利用固溶體來(lái)提高和改善材料的性能，其無(wú)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(wú)限固溶體（按照溶質(zhì)原子的含量）以及有序固溶體和無(wú)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(jiàn)的一種分類方式。對(duì)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(fù)性、原子價(jià)（電子濃度）。這四個(gè)影響因素中，除電子濃度需要盡可能低之外，對(duì)于溶質(zhì)和溶劑而言，其他三個(gè)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(duì)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(xué)過(guò)程中，需要特別強(qiáng)調(diào)上述四個(gè)影響因素對(duì)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(shí)，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(shí)際的合金當(dāng)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(dāng)，則溶質(zhì)原子在溶劑晶格中完全隨機(jī)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(dāng)溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格后，無(wú)論它們之間的大小匹配如何，總會(huì)在溶劑的晶格中引入點(diǎn)陣畸變，從而造成晶胞參數(shù)的增大或減小。一般對(duì)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(huì)增大。

二、化合物

材料科學(xué)中化合物的概念是指組元A與組元B通過(guò)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(diǎn)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(fù)性差異較大的元素更容易形成化合物，這是由于電負(fù)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(jià)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(duì)稱性差等。常見(jiàn)的正常價(jià)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(shí)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(dāng)電子濃度發(fā)生變化時(shí)，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(dāng)原子半徑作為化合物的主要控制因素時(shí)，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(jiǎn)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(diǎn)陣仍保持溶劑的點(diǎn)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(shí)，這部分內(nèi)容在本科第一和第二學(xué)年是完全沒(méi)有涉及的。因此，在概念講解的過(guò)程中需要配合大量的圖片和動(dòng)畫，并利用生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象進(jìn)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(duì)較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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

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