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固溶体(こようたい、solid solution)とは、2種類以上の元素(金属の場合も非金属の場合もある)が互いに溶け合い、全体が均一の固相となっているものをいう。非金属元素同士が互いに溶け合った場合は、混晶(こんしょう)ともいう(固溶体とほぼ同じ意味で使われる)。合金や鉱物に多く見られる。固溶体は高温では不規則状態であるが、ある温度以下では規則状態になる。固溶体を作ることによって材料を強化することを固溶強化という。

◆固溶体の種類

固溶体には、溶質原子の入り方によって、置換型固溶体と侵入型固溶体の2種類がある。

;置換型固溶体 :溶媒原子の代わりに溶質原子が置き換わるもので、それぞれの原子の大きさが同じぐらいであると、置換がおこなわれやすい。原子半径の違いが10%ぐらいまでは、成分比の全体にわたって完全に固溶するがそれ以上では固溶度は急激に減少し、15%以上ではほとんど固溶しなくなる。この経験則がヒューム‐ロザリーの法則の1つとなっている。

;侵入型固溶体 :原子半径の小さい元素、水素 (H)、炭素 (C)、窒素 (N)、ホウ素 (B)、酸素 (O) などが、金属結晶格子の原子間のすきまに侵入するものである。金属結晶格子の原子間のすきまは結晶構造によって異なる。炭素鋼の焼入れ、浸炭処理などの表面硬化処理は、侵入型固溶体をつくることによって、歪んだ組織をつくることによって硬い組織をえている。

◆ 固溶体を形成する鉱物の命名

固溶体を形成する鉱物を命名する際には、いわゆる「50%ルール」に従う。AとBを端成分とする2成分固溶体の場合、A₅₀B₅₀を境界として2つの鉱物名にするというものである。例えば、斜長石はNaAlSi₃O₈(Ab)とCaAl₂Si₂O₈(An)を端成分とする連続固溶体であるため、Ab₅₀An₅₀を境にして、Ab側を曹長石(アルバイト)、An側を灰長石(アノーサイト)とする。

◆関連項目

・金属工学

・金属間化合物

・ 合金

・ 鉱物学 - 鉱物

◆ 参考文献

・ E.H. Nickel, "Solid solutions in mineral nomenclature", Canadian Mineralogist, Vol. 30, pp. 231-234, 1992. [外部リンク] PDF

・ 森本信男 『造岩鉱物学』 東京大学出版会、1989年、ISBN 4-13-062123-8。

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