遼寧科技大學-材料科學基礎--亞穩(wěn)態(tài)材料

1、材料科學基礎8.18.1 納米晶材料納米晶材料8.28.2 準晶態(tài)材料準晶態(tài)材料8.38.3 非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料 研究亞穩(wěn)態(tài)的意義研究亞穩(wěn)態(tài)的意義 材料的材料的穩(wěn)定態(tài)穩(wěn)定態(tài)是是指其體系自由能最低時的平衡狀態(tài)指其體系自由能最低時的平衡狀態(tài)。但。但由于種種因素，材料會由于種種因素，材料會以高于平衡態(tài)時自由能的狀態(tài)存以高于平衡態(tài)時自由能的狀態(tài)存在在，即處于一種非平衡的，即處于一種非平衡的亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)。 同一化學成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時的性能不同于平衡態(tài)同一化學成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時的性能不同于平衡態(tài)時的性能，而且在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能時的性能，而且在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會優(yōu)于

2、其處于平衡態(tài)時的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。會優(yōu)于其處于平衡態(tài)時的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。因此，因此，對材料亞穩(wěn)態(tài)的研究不僅有理論上的意義，更具對材料亞穩(wěn)態(tài)的研究不僅有理論上的意義，更具有重要的實用價值有重要的實用價值。 亞穩(wěn)態(tài)的存在形式亞穩(wěn)態(tài)的存在形式細晶組織細晶組織：界面增多，自由能升高，故為亞穩(wěn)態(tài)。：界面增多，自由能升高，故為亞穩(wěn)態(tài)。高密度晶體缺陷高密度晶體缺陷：使原子偏離平衡位置，排列的規(guī)：使原子偏離平衡位置，排列的規(guī) 則性下降，故自由能升高。則性下降，故自由能升高。形成形成過飽和固溶體過飽和固溶體。發(fā)生發(fā)生非平衡轉變非平衡轉變：生成原子結構不同的亞穩(wěn)新相，：生成原子結構不同的亞穩(wěn)新相

3、， 如如M、B等。等。由由晶態(tài)轉變?yōu)榉蔷B(tài)晶態(tài)轉變?yōu)榉蔷B(tài)，由，由結構有序變?yōu)榻Y構無序結構有序變?yōu)榻Y構無序， 自由能增大。自由能增大。 為什么亞穩(wěn)態(tài)能夠存在？為什么亞穩(wěn)態(tài)能夠存在？圖圖8.1 8.1 材料自由能隨狀態(tài)的變化示意圖材料自由能隨狀態(tài)的變化示意圖abcd8.1 8.1 納米晶材料納米晶材料 自自2020世紀世紀8080年代以來，隨著年代以來，隨著材料制備技術的進展材料制備技術的進展，人們研，人們研制出制出晶粒尺寸為納米晶粒尺寸為納米(nm)(nm)級的材料級的材料，并發(fā)現(xiàn)此材料，并發(fā)現(xiàn)此材料不僅強度高，不僅強度高，其結構和各種性能都具有特殊性其結構和各種性能都具有特殊性，引起了各行各

4、業(yè)人士的極大興，引起了各行各業(yè)人士的極大興趣和關注。趣和關注。210kds Hall-PetchHall-Petch公式指出多晶體材料的強度與晶粒尺寸之間的公式指出多晶體材料的強度與晶粒尺寸之間的關系，關系，晶粒越細強度越高晶粒越細強度越高。但通常的材料制備方法只能獲得。但通常的材料制備方法只能獲得微米微米級的晶粒級的晶粒，所以該公式的驗證也只到此范圍。，所以該公式的驗證也只到此范圍。如果晶粒更微小時，材料的性能將如何變化？如果晶粒更微小時，材料的性能將如何變化？8.1.1 8.1.1 納米晶材料的結構納米晶材料的結構 圖圖8.2 納米晶材料的二維模型納米晶材料的二維模型黑球黑球- -晶內原子

5、；白球晶內原子；白球- -界面處原子界面處原子 如表中如表中Fe-1.8%C的的Fe-C合金，其通常的合金，其通常的斷斷裂強裂強度度由由700MPa提高到提高到8000MPa。 見見下下圖圖Cu(o)與與通常通常()的的真應真應力力真應變真應變曲曲線線?？??？梢娨娖淦溆稍稍瓉韥淼牡?3MPa提高到提高到185MPa。 納米材料不僅具有高的強度和硬度，其納米材料不僅具有高的強度和硬度，其。如：陶瓷材料通常沒有塑。如：陶瓷材料通常沒有塑性但納米性但納米TiOTiO2 2在室溫下能塑性變形，在在室溫下能塑性變形，在180180變變形量達到形量達到100%100%。 納米材料的納米材料的其他性能其他

6、性能，如超導臨界溫度和臨，如超導臨界溫度和臨界電流的提高、特殊的光學性質、觸媒催化作用界電流的提高、特殊的光學性質、觸媒催化作用等也是引人注目的。等也是引人注目的。如納米晶導電金屬的如納米晶導電金屬的電阻電阻遠遠高高于多晶材于多晶材料，因晶界對電子有散射作用，晶粒小，晶料，因晶界對電子有散射作用，晶粒小，晶界散射作用強，電阻、電阻溫度系數(shù)增加。界散射作用強，電阻、電阻溫度系數(shù)增加。磁性也不同于通常的多晶材料，納米鐵磁性也不同于通常的多晶材料，納米鐵磁材料具有磁材料具有低的飽和磁化系數(shù)低的飽和磁化系數(shù)，高的磁化率高的磁化率低的矯頑力低的矯頑力等。等。8.1.3 納米晶材料的形成納米晶材料的形成(3)(3)(4)(4)8.2 準晶態(tài)材料準晶態(tài)材料以以方式的模型來表征準晶結構方式的模型來表征準晶結構 準晶結構的單元拼砌模型準晶結構的單元拼砌模型8.2.2 8.2.2 準晶的形成準晶的形成8.3 8.3 非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料 8.3.1 非晶態(tài)的形成非晶態(tài)的形成不同狀態(tài)時材料的性能變化，見圖不同狀態(tài)時材料的性能變化，見圖9.189.18（P369P369） ： 8.3.2 8.3.2 非晶態(tài)的結構非晶態(tài)的結構 圖為圖為Ni81B19非晶態(tài)合金的散射譜線及三類