間隙型固溶體(interstitial solid solution)
把一種元素溶進另一種的第二種方式,完全不取代母原子——它把客體原子塞進剩下的縫隙裡。即使在緊密堆積的晶體中,原子之間仍有一些小小的空口袋,稱為間隙位置(想像板條箱裡疊起的柳橙之間那些小空隙)。若客體原子夠小,它就能窩進這些口袋,而不必把任何母原子擠出位置。這就是間隙型固溶體。
這只對真正小的原子有效——主要是碳、氮、氫、氧與硼——溶進由大得多的原子組成的母體中。整個工程界最重要的例子就是碳溶於鐵,這正是造就鋼的關鍵。碳的原子半徑只有約 0.071 nm,相對於鐵的 0.124 nm,小到足以擠進鐵晶格的間隙孔洞。但即便如此仍很勉強,所以能溶入的量有限:FCC 鐵(沃斯田鐵)在 1147 度 C 時最多可容納 2.14 wt% 的碳,而 BCC 鐵(肥粒鐵)在室溫下勉強只能容納 0.022 wt%,因為它的間隙孔洞更小、形狀也更彆扭。
FCC 與 BCC 鐵之間這種間隙容量的差異,正是所有鋼鐵熱處理背後隱藏的引擎。當你冷卻富碳的沃斯田鐵時,鐵想變成 BCC 肥粒鐵,但肥粒鐵容不下那些碳——於是碳必須另找去處,驅動了波來鐵的形成,或者若冷卻得夠快而把碳困住,就形成又硬又扭曲的相:麻田散鐵(martensite)。間隙型固溶體每個原子的強化效果也很強,因為小原子把晶格撐開、緊緊箝制住差排的移動。
含碳 0.8 wt% 的鋼在約 727 度 C 以上是完全的沃斯田鐵單相,因為 FCC 鐵能以間隙方式溶解全部這些碳。若緩慢冷卻,碳就無法再溶於所形成的 BCC 肥粒鐵中,於是析出成雪明碳鐵,構築出肥粒鐵加雪明碳鐵的層狀組織,也就是波來鐵。
鐵中的碳:這個間隙型固溶體有限的溶解度,驅動了整個煉鋼的世界。
間隙溶解度總是很小——客體必須塞進一個很小的孔。別以為碳把鐵擠掉了;即使是「高碳」鋼,也有超過 95% 是鐵原子,碳只是點綴在縫隙裡。