遼寧科技大學(xué)-材料科學(xué)基礎(chǔ)--亞穩(wěn)態(tài)材料

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)8.18.1 納米晶材料納米晶材料8.28.2 準(zhǔn)晶態(tài)材料準(zhǔn)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(shí)的平衡狀態(tài)指其體系自由能最低時(shí)的平衡狀態(tài)。但。但由于種種因素，材料會(huì)由于種種因素，材料會(huì)以高于平衡態(tài)時(shí)自由能的狀態(tài)存以高于平衡態(tài)時(shí)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(xué)成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能不同于平衡態(tài)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，而且在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能時(shí)的性能，而且在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會(huì)優(yōu)于

2、其處于平衡態(tài)時(shí)的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。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，因此，對(duì)材料亞穩(wěn)態(tài)的研究不僅有理論上的意義，更具對(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)值有重要的實(shí)用價(jià)值。 亞穩(wěn)態(tài)的存在形式亞穩(wěn)態(tài)的存在形式細(xì)晶組織細(xì)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(guò)飽和固溶體過(guò)飽和固溶體。發(fā)生發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變非平衡轉(zhuǎn)變：生成原子結(jié)構(gòu)不同的亞穩(wěn)新相，：生成原子結(jié)構(gòu)不同的亞穩(wěn)新相

3、， 如如M、B等。等。由由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，由，由結(jié)構(gòu)有序變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)無(wú)序結(jié)構(gòu)有序變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)無(wú)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(jì)世紀(jì)8080年代以來(lái)，隨著年代以來(lái)，隨著材料制備技術(shù)的進(jìn)展材料制備技術(shù)的進(jìn)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(jí)的材料級(jí)的材料，并發(fā)現(xiàn)此材料，并發(fā)現(xiàn)此材料不僅強(qiáng)度高，不僅強(qiáng)度高，其結(jié)構(gòu)和各種性能都具有特殊性其結(jié)構(gòu)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(guān)注。趣和關(guān)注。210kds Hall-PetchHall-Petch公式指出多晶體材料的強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的公式指出多晶體材料的強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的關(guān)系，關(guān)系，晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高晶粒越細(xì)強(qiáng)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(jí)的晶粒級(jí)的晶粒，所以該公式的驗(yàn)證也只到此范圍。，所以該公式的驗(yàn)證也只到此范圍。如果晶粒更微小時(shí)，材料的性能將如何變化？如果晶粒更微小時(shí)，材料的性能將如何變化？8.1.1 8.1.1 納米晶材料的結(jié)構(gòu)納米晶材料的結(jié)構(gòu) 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(nèi)原子

5、；白球晶內(nèi)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(qiáng)裂強(qiáng)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(yīng)真應(yīng)力力真應(yīng)變真應(yīng)變曲曲線線?？?。可見見其其由原由原來(lái)來(lái)的的83MPa提高到提高到185MPa。 納米材料不僅具有高的強(qiáng)度和硬度，其納米材料不僅具有高的強(qiáng)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(dá)到形量達(dá)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(dǎo)臨界溫度和臨，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。等也是引人注目的。如納米晶導(dǎo)電金屬的如納米晶導(dǎo)電金屬的電阻電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高高于多晶材于多晶材料，因晶界對(duì)電子有散射作用，晶粒小，晶料，因晶界對(duì)電子有散射作用，晶粒小，晶界散射作用強(qiáng)，電阻、電阻溫度系數(shù)增加。界散射作用強(qiáng)，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(zhǔn)晶態(tài)材料準(zhǔn)晶態(tài)材料以以方式的模型來(lái)表征準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)方式的模型來(lái)表征準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu) 準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的單元拼砌模型準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的單元拼砌模型8.2.2 8.2.2 準(zhǔn)晶的形成準(zhǔn)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(shí)材料的性能變化，見圖不同狀態(tài)時(shí)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(jié)構(gòu)非晶態(tài)的結(jié)構(gòu) 圖為圖為Ni81B19非晶態(tài)合金的散射譜線及三類