材料亞穩(wěn)態(tài)ppt課件

1、第九章第九章 資料的亞穩(wěn)態(tài)資料的亞穩(wěn)態(tài)( (自學為主自學為主) )穩(wěn)穩(wěn) 態(tài)：體系自在能最低的平衡形狀。態(tài)：體系自在能最低的平衡形狀。亞穩(wěn)態(tài)：體系高于平衡態(tài)時自在能的形狀的亞穩(wěn)態(tài)：體系高于平衡態(tài)時自在能的形狀的一種非平衡。一種非平衡。 同一化學成分的資料，其亞穩(wěn)態(tài)時同一化學成分的資料，其亞穩(wěn)態(tài)時的性能不同于平衡態(tài)時的性能，而且亞穩(wěn)態(tài)的性能不同于平衡態(tài)時的性能，而且亞穩(wěn)態(tài)可因構成條件的不同而呈多種方式，它們所可因構成條件的不同而呈多種方式，它們所表現(xiàn)的性能迥異，在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)資表現(xiàn)的性能迥異，在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)資料的某些性能會優(yōu)于其處于平衡態(tài)時的性能，料的某些性能會優(yōu)于其處于平衡態(tài)時的性能

2、，甚至出現(xiàn)特殊的性能。因此，對資料亞穩(wěn)態(tài)甚至出現(xiàn)特殊的性能。因此，對資料亞穩(wěn)態(tài)的研討不僅有實際上的意義，更具有重要的的研討不僅有實際上的意義，更具有重要的適用價值。適用價值。非平衡的亞穩(wěn)態(tài)大致有以下幾種類型：非平衡的亞穩(wěn)態(tài)大致有以下幾種類型： 1 1細晶組織細晶組織 當組織細小時，界面增多，自在能升高，故為亞當組織細小時，界面增多，自在能升高，故為亞穩(wěn)形狀。穩(wěn)形狀。2 2高密度晶體缺陷的存在高密度晶體缺陷的存在 晶體缺陷使原子偏離平衡位置，晶體構造陳列的晶體缺陷使原子偏離平衡位置，晶體構造陳列的規(guī)那么性下降，故體系自在能增高。規(guī)那么性下降，故體系自在能增高。3 3構成過飽和固溶體構成過飽和固溶

3、體 即溶質原子在固溶體中的濃度超越平衡濃度，甚即溶質原子在固溶體中的濃度超越平衡濃度，甚至在平衡形狀是互不溶解的組元發(fā)生了相互溶解至在平衡形狀是互不溶解的組元發(fā)生了相互溶解 。4 4發(fā)生非平衡轉變，生成具有與原先不同構造的亞發(fā)生非平衡轉變，生成具有與原先不同構造的亞穩(wěn)新相穩(wěn)新相 例如鋼及合金中的馬氏體、貝氏體，以及合金例如鋼及合金中的馬氏體、貝氏體，以及合金中的準晶態(tài)相等。中的準晶態(tài)相等。5 5由晶態(tài)轉變?yōu)榉蔷B(tài)，由構造有序變?yōu)闃嬙鞜o序，由晶態(tài)轉變?yōu)榉蔷B(tài)，由構造有序變?yōu)闃嬙鞜o序，自在能增高自在能增高 。9.1納米晶資料9.1.19.1.1納米晶資料的構造納米晶資料的構造納米晶資料納米構造資料

4、是由至少納米晶資料納米構造資料是由至少在一個方向上尺寸為幾個納米的構造在一個方向上尺寸為幾個納米的構造單元主要是晶體所構成。納米晶資單元主要是晶體所構成。納米晶資料是一種非平衡態(tài)的構造，其中存在大料是一種非平衡態(tài)的構造，其中存在大量的晶體缺陷。納米資料也可由非晶物量的晶體缺陷。納米資料也可由非晶物質組成質組成由不同化學成分物相所組成的納米晶資料，由不同化學成分物相所組成的納米晶資料，通常稱為納米復合資料。通常稱為納米復合資料。 9.1.2 9.1.2 納米晶資料的性能納米晶資料的性能v 納米晶資料不僅具有高的強度和硬度，其塑性韌性納米晶資料不僅具有高的強度和硬度，其塑性韌性也大大改善。納米晶導

5、電金屬的電阻高于多晶資料，也大大改善。納米晶導電金屬的電阻高于多晶資料，納米半導體資料卻具有高的電導率，納米鐵磁資料具納米半導體資料卻具有高的電導率，納米鐵磁資料具有低的飽和磁化強度、高的磁化率和低的矯頑力有低的飽和磁化強度、高的磁化率和低的矯頑力 .v 納米資料的其他性能，如超導臨界溫度和臨界電流納米資料的其他性能，如超導臨界溫度和臨界電流的提高、特殊的光學性質、觸媒催化作用等也是引人的提高、特殊的光學性質、觸媒催化作用等也是引人注目的。注目的。9.1.3 9.1.3 納米晶資料的構成納米晶資料的構成 納米晶資料可由多種途徑構成，主要歸納于以下四方面。納米晶資料可由多種途徑構成，主要歸納于以

6、下四方面。1以非晶態(tài)金屬玻璃或溶膠為起始相，使之在晶化過程以非晶態(tài)金屬玻璃或溶膠為起始相，使之在晶化過程中構成大量的晶核而生長成為納米晶資料。中構成大量的晶核而生長成為納米晶資料。 2對起始為通常粗晶的資料，經(jīng)過劇烈地塑性形變如高能對起始為通常粗晶的資料，經(jīng)過劇烈地塑性形變如高能球磨、高速應變、爆炸成形等手段或呵斥局域原子遷移球磨、高速應變、爆炸成形等手段或呵斥局域原子遷移如高能粒子輻照、火花刻蝕等使之產(chǎn)生高密度缺陷而致如高能粒子輻照、火花刻蝕等使之產(chǎn)生高密度缺陷而致自在能升高，轉變構成亞穩(wěn)態(tài)納米晶。自在能升高，轉變構成亞穩(wěn)態(tài)納米晶。3經(jīng)過蒸發(fā)、濺射等堆積途徑，如物理氣相堆積經(jīng)過蒸發(fā)、濺射等堆

7、積途徑，如物理氣相堆積PVD、化學氣相堆積化學氣相堆積CVD、電化學方法等生成納米微粒然后固、電化學方法等生成納米微粒然后固化，或在基底資料上構成納米晶薄膜資料。化，或在基底資料上構成納米晶薄膜資料。 4沉淀反響方法，如溶膠一凝膠沉淀反響方法，如溶膠一凝膠sol-gel，熱處置時效沉淀，熱處置時效沉淀法等，析出納米微粒。法等，析出納米微粒。9.2準晶態(tài)9.2.1準晶的構造 準晶的構造既不同于晶體、也不同于非晶態(tài)。準晶構造有多種方準晶的構造既不同于晶體、也不同于非晶態(tài)。準晶構造有多種方式，就目前所知可分成以下幾種類型：式，就目前所知可分成以下幾種類型：a a一維準晶一維準晶 這類準晶相常發(fā)生于二

8、十面體相或十面體相與結晶相之間發(fā)生相這類準晶相常發(fā)生于二十面體相或十面體相與結晶相之間發(fā)生相互轉變的中間形狀，故屬亞穩(wěn)形狀?；マD變的中間形狀，故屬亞穩(wěn)形狀。b b二維準晶二維準晶 它們是由準周期有序的原子層周期地堆垛而構成的，是將準晶它們是由準周期有序的原子層周期地堆垛而構成的，是將準晶態(tài)和晶態(tài)的構造特征結合在一同。態(tài)和晶態(tài)的構造特征結合在一同。c c二十面體準晶二十面體準晶 可分為可分為A A和和B B兩類。兩類。A A類以含有類以含有5454個原子的二十面體作為構造單元；個原子的二十面體作為構造單元；B B類那么以含有個原子的多面體為構造單元；類那么以含有個原子的多面體為構造單元；A A類

9、二十面體多數(shù)是類二十面體多數(shù)是鋁鋁- -過渡族元素化合物，而過渡族元素化合物，而B B族極少含有過渡族元素。族極少含有過渡族元素。9.2.29.2.2準晶的構成準晶的構成v 準晶的構成過程包括形核和生長兩個過程，故采用快冷法時準晶的構成過程包括形核和生長兩個過程，故采用快冷法時其冷速要適當控制，冷速過慢那么不能抑制結晶過程而會構成結其冷速要適當控制，冷速過慢那么不能抑制結晶過程而會構成結晶相；冷速過大那么準晶的形核生長也被抑制而構成非晶態(tài)。此晶相；冷速過大那么準晶的形核生長也被抑制而構成非晶態(tài)。此外，其構成條件還與合金成分、晶體構造類型等多種要素有關，外，其構成條件還與合金成分、晶體構造類型等

10、多種要素有關，并非一切的合金都能構成準晶，這方面的規(guī)律還有待進一步探求并非一切的合金都能構成準晶，這方面的規(guī)律還有待進一步探求和掌握。和掌握。 五次對稱性和準晶相的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)晶體學產(chǎn)生了劇烈五次對稱性和準晶相的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)晶體學產(chǎn)生了劇烈的沖擊，它為物質微觀構造的研討增添了新的內容，的沖擊，它為物質微觀構造的研討增添了新的內容，為新資料的開展開辟了新領域。為新資料的開展開辟了新領域。 圖圖1： ?-Al4CrSi相沿相沿0001的明場象的明場象 Al-Cr-Si系中一個新的六方準晶近似相的電子顯微學確定系中一個新的六方準晶近似相的電子顯微學確定何戰(zhàn)兵何戰(zhàn)兵 郭可信中科院電子顯微鏡重點實驗室郭可信

11、中科院電子顯微鏡重點實驗室n圖圖2：?-Al4CrSi的系列電子衍圖的系列電子衍圖 n圖圖3：?-Al4CrSi沿沿0001帶軸的高分辯電子顯微像帶軸的高分辯電子顯微像 n圖圖4： 實驗上得到的實驗上得到的?-Al4CrSi 六方相的六方相的0001EDP和和模擬的模擬的0001EDP。9.2.39.2.3準晶的性能準晶的性能v 到目前為止，人們尚難以制成大塊的準晶態(tài)資料，到目前為止，人們尚難以制成大塊的準晶態(tài)資料，最大的也只是幾個毫米直徑，故對準晶的研討多集中最大的也只是幾個毫米直徑，故對準晶的研討多集中在其構造方面，對性能的研討測試甚少報道。但從已在其構造方面，對性能的研討測試甚少報道。但

12、從已獲得的準晶都很脆的特點，作為構造資料運用尚無前獲得的準晶都很脆的特點，作為構造資料運用尚無前景。景。 v 準晶的密度低于其晶態(tài)時的密度，這是由于其原準晶的密度低于其晶態(tài)時的密度，這是由于其原子陳列的規(guī)那么性不及晶態(tài)嚴密，但其密度高于非晶子陳列的規(guī)那么性不及晶態(tài)嚴密，但其密度高于非晶態(tài)，闡明其準周期性陳列仍是較密集的。準晶的比熱態(tài)，闡明其準周期性陳列仍是較密集的。準晶的比熱容比晶態(tài)大，準晶合金的電阻率甚高而電阻溫度系數(shù)容比晶態(tài)大，準晶合金的電阻率甚高而電阻溫度系數(shù)那么甚小那么甚小, , 其電阻隨溫度的變化規(guī)律也各不一樣。其電阻隨溫度的變化規(guī)律也各不一樣。9.3 非晶態(tài)資料9.1.19.1.1

13、納米晶資料的構造納米晶資料的構造 非晶態(tài)可由氣相、液相快冷構成，也可在固非晶態(tài)可由氣相、液相快冷構成，也可在固態(tài)直接構成態(tài)直接構成 合金由液相轉變?yōu)榉蔷B(tài)金屬玻璃的才合金由液相轉變?yōu)榉蔷B(tài)金屬玻璃的才干，既決議于冷卻速度也決議于合金成分。干，既決議于冷卻速度也決議于合金成分。合金成分與構成非晶才干的關系是一個非常合金成分與構成非晶才干的關系是一個非常復雜的問題，目前還未能得出較全面的規(guī)律，復雜的問題，目前還未能得出較全面的規(guī)律，除了從熔體急冷可獲得非晶態(tài)之外，晶體資除了從熔體急冷可獲得非晶態(tài)之外，晶體資料在高能幅照或機械驅動如高能球磨、高料在高能幅照或機械驅動如高能球磨、高速沖擊等猛烈形變方式

14、等作用下也會發(fā)生速沖擊等猛烈形變方式等作用下也會發(fā)生非晶化轉變，即從原先的有序構造轉變?yōu)闊o非晶化轉變，即從原先的有序構造轉變?yōu)闊o序構造對于化學有序的合金還包括轉為化序構造對于化學有序的合金還包括轉為化學無序形狀，這類轉變都歸因于晶體中產(chǎn)學無序形狀，這類轉變都歸因于晶體中產(chǎn)生大量缺陷使其自在能升高，促使發(fā)生非晶生大量缺陷使其自在能升高，促使發(fā)生非晶化。化。9.3.2非晶態(tài)的構造非晶態(tài)的構造v 非晶構造不同于晶體構造，它既不能取一個晶胞非晶構造不同于晶體構造，它既不能取一個晶胞為代表，且其周圍環(huán)境也是變化的，故測定和描畫非為代表，且其周圍環(huán)境也是變化的，故測定和描畫非晶構造均屬難題，只能統(tǒng)計性地表

15、達。晶構造均屬難題，只能統(tǒng)計性地表達。v v 在非晶態(tài)合金中異類原子的分布也不是完全無序的，在非晶態(tài)合金中異類原子的分布也不是完全無序的，如如BB近鄰原子對就不存在，故實踐上非晶合金仍近鄰原子對就不存在，故實踐上非晶合金仍具有一定程度的化學序。具有一定程度的化學序。9.3.39.3.3非晶合金的性能非晶合金的性能 1 1力學性能力學性能 非晶合金的力學性能主要表現(xiàn)為高強度和高斷裂韌性非晶合金的力學性能主要表現(xiàn)為高強度和高斷裂韌性非晶合金的強度與組元類型有關，金屬非晶合金的強度與組元類型有關，金屬_ _類金屬型的強類金屬型的強度高如度高如Fe80B20Fe80B20非晶，而金屬非晶，而金屬_ _

16、金屬型那么低一些金屬型那么低一些如如Cu50Zr50Cu50Zr50非晶。非晶合金的塑性較低，在拉伸非晶。非晶合金的塑性較低，在拉伸時小于時小于l l，但在緊縮、彎曲時有較好塑性，緊縮塑性，但在緊縮、彎曲時有較好塑性，緊縮塑性可達可達40 40 ，非晶合金薄帶彎達，非晶合金薄帶彎達180o180o也不斷裂。也不斷裂。 2 2物理性能物理性能v 非晶合金普通具有高的電阻率和小的電阻溫度非晶合金普通具有高的電阻率和小的電阻溫度系數(shù)系數(shù). .目前非晶合金最令人注目的是其優(yōu)良的磁學目前非晶合金最令人注目的是其優(yōu)良的磁學性能，包括軟磁性能和硬磁性能。此外，使非晶性能，包括軟磁性能和硬磁性能。此外，使非晶

17、合金部分晶化后可獲得合金部分晶化后可獲得101020nm20nm尺度的極細晶粒，尺度的極細晶粒，因此細化磁疇，產(chǎn)生更好的高頻軟磁性能。有些因此細化磁疇，產(chǎn)生更好的高頻軟磁性能。有些非晶合金具有很好的硬磁性能，其磁化強度、剩非晶合金具有很好的硬磁性能，其磁化強度、剩磁、矯頑力、磁能積都很高，例如磁、矯頑力、磁能積都很高，例如 Nd NdFeFeB B非非晶合金經(jīng)部分晶化處置后晶合金經(jīng)部分晶化處置后141450nm50nm尺寸晶粒尺寸晶粒到達目前永磁合金的最高磁能積值，是重要的永到達目前永磁合金的最高磁能積值，是重要的永磁資料。磁資料。 3 3化學性能化學性能v 許多非晶態(tài)合金具有極佳的抗腐蝕性，

18、這是由于其構造的均勻性，不存在晶界、位錯、沉淀相，以及在凝固結晶過程產(chǎn)生的成分偏析等能導致部分電化學腐蝕的要素。9.3.49.3.4高分子的玻璃化轉變高分子的玻璃化轉變v 非晶態(tài)無定形高分于可以按其力學性質區(qū)非晶態(tài)無定形高分于可以按其力學性質區(qū)分為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種形狀。高彈態(tài)分為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種形狀。高彈態(tài)的高分子資料隨著溫度的降低會發(fā)生由高彈態(tài)向的高分子資料隨著溫度的降低會發(fā)生由高彈態(tài)向玻璃態(tài)的轉變，這個轉變稱為玻璃化轉變。它的玻璃態(tài)的轉變，這個轉變稱為玻璃化轉變。它的轉變溫度稱為玻璃化溫度轉變溫度稱為玻璃化溫度TgTg。假設高彈態(tài)資料溫。假設高彈態(tài)資料溫度升高，高分子將

19、發(fā)生由高彈態(tài)向粘流態(tài)的轉變，度升高，高分子將發(fā)生由高彈態(tài)向粘流態(tài)的轉變，其轉變溫度稱為粘流溫度其轉變溫度稱為粘流溫度TfTf。v 影響玻璃化轉變溫度的要素很多。由于玻璃化影響玻璃化轉變溫度的要素很多。由于玻璃化溫度是高分子的鏈段從凍結到運動的一個轉變溫溫度是高分子的鏈段從凍結到運動的一個轉變溫度，而鏈段運動是經(jīng)過主鏈的單鍵內旋轉來實現(xiàn)度，而鏈段運動是經(jīng)過主鏈的單鍵內旋轉來實現(xiàn)的，所以凡是影響高分子鏈柔性的要素，都會對的，所以凡是影響高分子鏈柔性的要素，都會對TgTg產(chǎn)生影響。產(chǎn)生影響。9.4 固態(tài)相變構成的亞穩(wěn)相9.4.19.4.1固溶體脫溶分解產(chǎn)物固溶體脫溶分解產(chǎn)物 當固溶體因溫度變化等而呈

20、過飽和形狀時，當固溶體因溫度變化等而呈過飽和形狀時，將自發(fā)地發(fā)生分解過程，其所含的過飽將自發(fā)地發(fā)生分解過程，其所含的過飽和溶質原子經(jīng)過分散而構成新相析出，和溶質原子經(jīng)過分散而構成新相析出，此過程稱為脫溶。新相的脫溶通常以形此過程稱為脫溶。新相的脫溶通常以形核和生長方式進展，由于固態(tài)中原子分核和生長方式進展，由于固態(tài)中原子分散速率低，尤其在溫度較低時更為困難，散速率低，尤其在溫度較低時更為困難，故脫溶過程難以到達平衡，脫溶產(chǎn)物往故脫溶過程難以到達平衡，脫溶產(chǎn)物往往以亞穩(wěn)態(tài)的過渡相存在。往以亞穩(wěn)態(tài)的過渡相存在。1. 1.脫溶類型：脫溶類型： 脫溶方式可分為延續(xù)脫溶延續(xù)沉淀和脫溶方式可分為延續(xù)脫溶延

21、續(xù)沉淀和不延續(xù)脫溶不延續(xù)沉淀兩類。延續(xù)不延續(xù)脫溶不延續(xù)沉淀兩類。延續(xù)脫溶又分為均勻脫溶和不均勻脫溶或脫溶又分為均勻脫溶和不均勻脫溶或稱部分脫溶。稱部分脫溶。 2. 2. 脫溶過程的亞穩(wěn)相脫溶過程的亞穩(wěn)相v 過飽和固溶體脫溶分解過程是復雜多樣的，因過飽和固溶體脫溶分解過程是復雜多樣的，因成分、溫度、應力形狀及加工處置條件等要素而異，成分、溫度、應力形狀及加工處置條件等要素而異，通常不直接析出平衡相，而是經(jīng)過亞穩(wěn)態(tài)的過渡相通常不直接析出平衡相，而是經(jīng)過亞穩(wěn)態(tài)的過渡相逐漸演化過來。逐漸演化過來。v3 3脫溶分解對性能的影響脫溶分解對性能的影響v 脫溶分解對資料的力學性能有很大的影響，其脫溶分解對資料的力學性能有很大的影響，其作用決議于脫溶相的形狀、大小、數(shù)量和分布等要作用決議于脫溶相的形狀、大小、數(shù)量和分布等要素。普通來說，均勻脫溶對性能有利，能起到明顯素。普通來說，均勻脫溶對性能有利，能起到明顯的強化作用，稱為的強化作用，稱為“時效強化或時效強化或“沉淀強化；而沉淀強化；而部分脫溶，尤其是沿著晶界析出包括不延續(xù)脫溶部分脫溶，尤其是沿著晶界析出包括不延續(xù)脫溶導致的胞狀析出，往往對性能有害，使資料塑性導致的胞狀析出，往往對性能有害，使資料塑性下降，呈現(xiàn)脆化，強度也因此下降。下降，呈現(xiàn)脆化，強度也因此下降。9.4.29.4.2馬氏體轉變馬氏體轉變v 馬氏體轉