固溶體(solid solution)
你知道把糖攪進水裡、它就會消失成一杯清澈的液體吧?那就是溶液:一種物質均勻地溶解在另一種之中,一路混合到分子尺度。固溶體是同樣的概念,只是凝固成固體:外來原子(溶質)均勻分散在母晶體(溶劑)之中,整體仍維持單一、均質的結晶相。沒有任何東西析出分離,母體與客體之間看不到界面。
關鍵在於母體保持它的晶體結構。當你把鎳加進銅裡,鎳原子只是占據了同一個 FCC 晶格中的一些銅位置——你仍然只有一個 FCC 晶體,只是有兩種原子共用它。客體原子嵌入的方式恰好有兩種:它們可以取代規則晶格位置上的母原子(置換型固溶體),或者,若夠小,就鑽進母原子之間的縫隙(間隙型固溶體)。黃銅(銅加鋅)、純銀飾品(sterling silver)以及不鏽鋼中溶於鐵的鉻,全都是固溶體。
各成分各有多少,就是成分(composition),而有兩種誠實的表示法。重量百分比(wt%)是某元素的質量除以總質量——冶金師秤出來的量。原子百分比(at%)是某元素的原子數除以總原子數——這才是決定晶格如何被填滿、在物理上真正重要的量。只要各元素的原子量不同,兩者就會有差異,所以看到一個數字時,一定要弄清楚它指的是哪一種。固溶體之所以重要,是因為溶入哪怕只是一點點適當的元素,就能大幅強化金屬(固溶強化)而不使它變脆。
銅和鎳能以任意比例互相溶解——純銅、純鎳,或介於兩者之間的任何比例,都形成單一個 FCC 固溶體。這種完全互溶的特性使白銅(cupronickel)硬幣與海洋用合金成為可能,也是銅-鎳相圖背後的教科書範例。
在整個成分範圍都完全互溶——這正是休姆-羅瑟里法則所解釋的理想情況。
固溶體是單一個相,而非化合物:其比例是可變的,而非固定的。相對地,像 Fe3C(雪明碳鐵)這種介金屬化合物則有固定的化學式與自己獨特的晶體結構。