组成合金的元素互相溶解，形成一种与某一元素的晶体结构相同，并包含有其他元素的合金固相，称之为固溶体。其中，与合金晶体结构相同的元素称为溶剂，其他元素称为溶质。固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A（B），其中A为溶剂、B为溶质。例如，铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，也可表示为Cu（Zn）。

3.1.1.1　固溶体的分类

按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可以分为置换固溶体和间隙固溶体；按溶质原子溶入固溶体中的数量（溶解度），固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体。由于溶质原子的尺寸、性能等与溶剂原子不同，其晶格都会产生畸变，使滑移变形难以进行，因此固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强度、硬度提高的现象称为固溶强化。

溶质原子占据溶剂晶格中某些结点的位置而形成的固溶体称为置换固溶体，如图 3.1（a）所示。一般当溶剂与溶质原子尺寸相近，直径差别较小时，容易形成置换固溶体，当直径差别大于15%时，就很难形成置换固溶体了。置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称为无序固溶体。在某些条件下，原子成为有规则的排列，称为有序固溶体。

溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体称为间隙固溶体，如图 3.1（b）所示，其中的溶质原子不占据晶格的正常位置。一般只有溶质原子与溶剂原子的直径之比小于0.59时，才会形成间隙固溶体。通常，间隙固溶体都是由原子直径很小的碳、氮、氢、硼、氧等非金属元素溶入过渡族金属元素的晶格间隙中而形成的。

图3.1　固溶体示意图(www.daowen.com)

固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，用质量百分数或原子百分数表示。在一定的温度和压力等条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。若超过这个溶解度有其他相形成，则此种固溶体为有限固溶体。若溶质可以任意比例溶入，即溶质的溶解度可达100%，则此种固溶体为无限固溶体。

按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。溶质原子有规则分布的为有序固溶体；无规则分布的为无序固溶体。在一定条件（如成分、温度等）下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体，这种转变叫作有序化。

影响固溶体类型和溶解度的主要因素有组元的原子半径、电化学特性和晶格类型等。原子半径、电化学特性接近，晶格类型相同的组元，容易形成置换固溶体，并有可能形成无限固溶体。当组元原子半径相差较大时，容易形成间隙固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体，并且一定是无序的。无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。

3.1.1.2　固溶体的性能

固溶体随着溶质原子的溶入，晶格发生畸变。对于置换固溶体，溶质原子较大时导致晶格膨胀引起正畸变，较小时导致晶格收缩引起负畸变，如图 3.2 所示。形成间隙固溶体时，晶格总是产生正畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高了合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式，在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。例如，纯铜的强度为220 MN/m2，硬度为40 HB，断面收缩率为 70%。当加入1%的镍形成单相固溶体后，强度升高到390 MN/m2，硬度升高到 70 HB，而断面收缩率仍有 50%。所以固溶体的综合机械性能很好，常常被用作结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比，物理性能有较大的变化，如电阻率上升、导电率下降、磁矫顽力增大等。

图3.2　置换原子引起的晶格畸变示意图