材料的亞穩(wěn)態(tài)ppt課件

1、穩(wěn)穩(wěn) 態(tài)：體系自由能最低的平衡狀態(tài)。態(tài)：體系自由能最低的平衡狀態(tài)。 亞穩(wěn)態(tài)：體系高于平衡態(tài)時(shí)自由能的狀態(tài)的一種非平亞穩(wěn)態(tài)：體系高于平衡態(tài)時(shí)自由能的狀態(tài)的一種非平衡。衡。 同一化學(xué)成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能不同同一化學(xué)成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能不同于平衡態(tài)時(shí)的性能，而且亞穩(wěn)態(tài)可因形成條件的不同于平衡態(tài)時(shí)的性能，而且亞穩(wěn)態(tài)可因形成條件的不同而呈多種形式，它們所表現(xiàn)的性能迥異，在很多情況而呈多種形式，它們所表現(xiàn)的性能迥異，在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會(huì)優(yōu)于其處于平衡態(tài)時(shí)的下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會(huì)優(yōu)于其處于平衡態(tài)時(shí)的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。因此，對(duì)材料亞穩(wěn)態(tài)的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。因

2、此，對(duì)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(shí)用價(jià)值。研究不僅有理論上的意義，更具有重要的實(shí)用價(jià)值。第九章第九章 材料的亞穩(wěn)態(tài)材料的亞穩(wěn)態(tài) 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細(xì)晶組織細(xì)晶組織 當(dāng)組織細(xì)小時(shí)，界面增多，自當(dāng)組織細(xì)小時(shí)，界面增多，自由能升高，故為亞穩(wěn)狀態(tài)。由能升高，故為亞穩(wěn)狀態(tài)。 （2高密度晶體缺陷的存在高密度晶體缺陷的存在 晶體缺陷使原子晶體缺陷使原子偏離平衡位置，晶體結(jié)構(gòu)排列的規(guī)則性下降，偏離平衡位置，晶體結(jié)構(gòu)排列的規(guī)則性下降，故體系自由能增高。故體系自由能增高。 （3形成過飽和固溶體形成過飽和固溶體 即溶質(zhì)原子在固溶體即溶質(zhì)原

3、子在固溶體中的濃度超過平衡濃度，甚至在平衡狀態(tài)是互中的濃度超過平衡濃度，甚至在平衡狀態(tài)是互不溶解的組元發(fā)生了相互溶解不溶解的組元發(fā)生了相互溶解 。 （4發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變，生成具有與原先不同發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變，生成具有與原先不同結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)新相結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)新相 例如鋼及合金中的馬氏體、例如鋼及合金中的馬氏體、貝氏體，以及合金中的準(zhǔn)晶態(tài)相貝氏體，以及合金中的準(zhǔn)晶態(tài)相 （5由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，由結(jié)構(gòu)有序變?yōu)橛删B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，由結(jié)構(gòu)有序變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)無序，自由能增高結(jié)構(gòu)無序，自由能增高 。 9.1納米晶材料9.1.1納米晶材料的結(jié)構(gòu)納米晶材料的結(jié)構(gòu) 納米晶材料納米結(jié)構(gòu)材料是由至納米晶材料納米結(jié)構(gòu)材料是由至少在一個(gè)方

4、向上尺寸為幾個(gè)納米的結(jié)少在一個(gè)方向上尺寸為幾個(gè)納米的結(jié)構(gòu)單元主要是晶體所構(gòu)成。納米晶構(gòu)單元主要是晶體所構(gòu)成。納米晶材料是一種非平衡態(tài)的結(jié)構(gòu)，其中存在材料是一種非平衡態(tài)的結(jié)構(gòu)，其中存在大量的晶體缺陷。納米材料也可由非晶大量的晶體缺陷。納米材料也可由非晶物質(zhì)組成物質(zhì)組成 由不同化學(xué)成分物相所組成的由不同化學(xué)成分物相所組成的納米晶材料，通常稱為納米復(fù)合材料。納米晶材料，通常稱為納米復(fù)合材料。 9.1.2 納米晶材料的性能納米晶材料的性能 納米晶材料不僅具有高的強(qiáng)度和硬度，其塑性韌性也大大改善。納米晶導(dǎo)電金屬的電阻高于多晶材料，納米半導(dǎo)體材料卻具有高的電導(dǎo)率 ，米鐵磁材料具有低的飽和磁化強(qiáng)度、高的磁化

5、率和低的矯頑力 納米材料的其他性能，如超導(dǎo)臨界溫度和臨界電流的提高、特殊的光學(xué)性質(zhì)、觸媒催化作用等也是引人注目的。 9.1.3 納米晶材料的形成 納米晶材料可由多種途徑形成，主要?dú)w納于以下納米晶材料可由多種途徑形成，主要?dú)w納于以下四方面。四方面。 （1以非晶態(tài)金屬玻璃或溶膠為起以非晶態(tài)金屬玻璃或溶膠為起始相，使之在晶化過程中形成大量的晶核而生長始相，使之在晶化過程中形成大量的晶核而生長成為納米晶材料。成為納米晶材料。 （2對(duì)起始為通常粗晶的材料，通過強(qiáng)烈地塑性對(duì)起始為通常粗晶的材料，通過強(qiáng)烈地塑性形變?nèi)绺吣芮蚰?、高速?yīng)變、爆炸成形等手段形變?nèi)绺吣芮蚰ァ⒏咚賾?yīng)變、爆炸成形等手段或造成局域原子遷移

6、如高能粒子輻照、火花刻或造成局域原子遷移如高能粒子輻照、火花刻蝕等使之產(chǎn)生高密度缺陷而致自由能升高，轉(zhuǎn)蝕等使之產(chǎn)生高密度缺陷而致自由能升高，轉(zhuǎn)變形成亞穩(wěn)態(tài)納米晶。變形成亞穩(wěn)態(tài)納米晶。 （3通過蒸發(fā)、濺射等沉積途徑，如物理氣相沉積通過蒸發(fā)、濺射等沉積途徑，如物理氣相沉積PVD）、化學(xué)氣相沉積）、化學(xué)氣相沉積CVD）、電化學(xué)方法）、電化學(xué)方法等生成納米微粒然后固化，或在基底材料上形成等生成納米微粒然后固化，或在基底材料上形成納米晶薄膜材料。納米晶薄膜材料。 （4沉淀反應(yīng)方法，如溶膠一凝膠沉淀反應(yīng)方法，如溶膠一凝膠sol-gel），熱），熱處理時(shí)效沉淀法等，析出納米微粒。處理時(shí)效沉淀法等，析出納米微

7、粒。 9.2準(zhǔn)晶態(tài)9.2.1準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu) 準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)既不同于晶體、也不同于非晶態(tài)。準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)有多種形式，就目前所知可分成下列幾種類型： a一維準(zhǔn)晶 這類準(zhǔn)晶相常發(fā)生于二十面體相或十面體相與結(jié)晶相之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)變的中間狀態(tài)，故屬亞穩(wěn)狀態(tài)。 b二維準(zhǔn)晶 它們是由準(zhǔn)周期有序的原子層周期地堆垛而構(gòu)成的，是將準(zhǔn)晶態(tài)和晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征結(jié)合在一起。 c二十面體準(zhǔn)晶 可分為A和B兩類。A類以含有54個(gè)原子的二十面體作為結(jié)構(gòu)單元；B類則以含有137個(gè)原子的多面體為結(jié)構(gòu)單元；A類二十面體多數(shù)是鋁-過渡族元素化合物，而B族極少含有過渡族元素。9.2.2準(zhǔn)晶的形成 準(zhǔn)晶的形成過程包括形核和生長兩個(gè)過程，故采用快冷

8、法時(shí)其冷速要確當(dāng)控制，冷速過慢則不能抑制結(jié)晶過程而會(huì)形成結(jié)晶相；冷速過大則準(zhǔn)晶的形核生長也被抑制而形成非晶態(tài)。此外，其形成條件還與合金成分、晶體結(jié)構(gòu)類型等多種因素有關(guān)，并非所有的合金都能形成準(zhǔn)晶，這方面的規(guī)律還有待進(jìn)一步探索和掌握。 9.2.3準(zhǔn)晶的性能 到目前為止，人們尚難以制成大塊的準(zhǔn)到目前為止，人們尚難以制成大塊的準(zhǔn)晶態(tài)材料，最大的也只是幾個(gè)毫米直徑，晶態(tài)材料，最大的也只是幾個(gè)毫米直徑，故對(duì)準(zhǔn)晶的研究多集中在其結(jié)構(gòu)方面，故對(duì)準(zhǔn)晶的研究多集中在其結(jié)構(gòu)方面，對(duì)性能的研究測(cè)試甚少報(bào)道。但從已獲對(duì)性能的研究測(cè)試甚少報(bào)道。但從已獲得的準(zhǔn)晶都很脆的特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料得的準(zhǔn)晶都很脆的特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料

9、使用尚無前景。使用尚無前景。 準(zhǔn)晶的密度低于其晶態(tài)時(shí)的密度，這是準(zhǔn)晶的密度低于其晶態(tài)時(shí)的密度，這是由于其原子排列的規(guī)則性不及晶態(tài)嚴(yán)密，由于其原子排列的規(guī)則性不及晶態(tài)嚴(yán)密，但其密度高于非晶態(tài)，說明其準(zhǔn)周期性但其密度高于非晶態(tài)，說明其準(zhǔn)周期性排列仍是較密集的。準(zhǔn)晶的比熱容比晶排列仍是較密集的。準(zhǔn)晶的比熱容比晶態(tài)大，準(zhǔn)晶合金的電阻率甚高而電阻溫態(tài)大，準(zhǔn)晶合金的電阻率甚高而電阻溫度系數(shù)則甚小度系數(shù)則甚小, , 其電阻隨溫度的變化規(guī)其電阻隨溫度的變化規(guī)律也各不相同。律也各不相同。 9.3.2非晶態(tài)的結(jié)構(gòu) 非晶結(jié)構(gòu)不同于晶體結(jié)構(gòu)，它既不能取非晶結(jié)構(gòu)不同于晶體結(jié)構(gòu)，它既不能取一個(gè)晶胞為代表，且其周圍環(huán)境也是

10、變一個(gè)晶胞為代表，且其周圍環(huán)境也是變化的，故測(cè)定和描述非晶結(jié)構(gòu)均屬難題，化的，故測(cè)定和描述非晶結(jié)構(gòu)均屬難題，只能統(tǒng)計(jì)性地表達(dá)之。只能統(tǒng)計(jì)性地表達(dá)之。 在非晶態(tài)合金中異類原子的分布也不是在非晶態(tài)合金中異類原子的分布也不是完全無序的，如完全無序的，如BB近鄰原子對(duì)就不近鄰原子對(duì)就不存在，故實(shí)際上非晶合金仍具有一定程存在，故實(shí)際上非晶合金仍具有一定程度的化學(xué)序。度的化學(xué)序。9.3.3非晶合金的性能1 1力學(xué)性能力學(xué)性能 非晶合金的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為高強(qiáng)度非晶合金的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為高強(qiáng)度和高斷裂韌性非晶合金的強(qiáng)度與組元類和高斷裂韌性非晶合金的強(qiáng)度與組元類型有關(guān)，金屬一類金屬型的強(qiáng)度高如型有關(guān)，金屬一

11、類金屬型的強(qiáng)度高如Fe80B20Fe80B20非晶），而金屬一金屬型則低一非晶），而金屬一金屬型則低一些如些如Cu50Zr50Cu50Zr50非晶）。非晶合金的塑非晶）。非晶合金的塑性較低，在拉伸時(shí)小于性較低，在拉伸時(shí)小于l l，但在壓縮、，但在壓縮、彎曲時(shí)有較好塑性，壓縮塑性可達(dá)彎曲時(shí)有較好塑性，壓縮塑性可達(dá)40 40 ，非晶合金薄帶彎達(dá)非晶合金薄帶彎達(dá)180o180o也不斷裂。也不斷裂。 2 2物理性能物理性能 非晶合金一般具有高的電阻率和小的電阻溫非晶合金一般具有高的電阻率和小的電阻溫度系數(shù)前非晶合金最令人注目的是其優(yōu)良的磁度系數(shù)前非晶合金最令人注目的是其優(yōu)良的磁學(xué)性能，包括軟磁性能和硬磁性能。此外，使學(xué)性能，包括軟磁性能和硬磁性能。此外，使非晶合金部分晶化后可獲得非晶合金部分晶化后可獲得101020nm20nm尺度的極尺度的極細(xì)晶粒，因而細(xì)化磁疇，產(chǎn)生更好的高頻軟磁細(xì)晶粒，因而細(xì)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，其性能。有些非晶合金具有很好的硬磁性能，其磁化強(qiáng)度、剩磁、矯頑力、磁能積都很高，例磁化強(qiáng)度、剩磁、矯頑力、磁能積都很高，例如如 NdNdFeFeB B非晶合金經(jīng)部分晶化處理后非晶合金經(jīng)部分晶化處理后141450nm50nm尺寸晶粒達(dá)到目前永磁合金的最尺寸晶粒達(dá)到目前永磁合金的最高磁