《亚稳态材料》PPT课件.ppt

材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience,主讲教师：王亚男,第8章亚稳态材料Chapter8Metastablestateofmaterials,8.1纳米晶材料8.2准晶态材料8.3非晶态材料,研究亚稳态的意义,材料的稳定态是指其体系自由能最低时的平衡状态。但由于种种因素，材料会以高于平衡态时自由能的状态存在，即处于一种非平衡的亚稳态。同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，对材料亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值。,亚稳态的存在形式,细晶组织：界面增多，自由能升高，故为亚稳态。,高密度晶体缺陷：使原子偏离平衡位置，排列的规则性下降，故自由能升高。,形成过饱和固溶体。,发生非平衡转变：生成原子结构不同的亚稳新相，如M、B等。,由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增大。,见图8.1材料自由能随状态的变化示意图。a点是自由能最高的不稳定状态；d点是自由能最低的位置，此时体系处于稳定状态；b点位于它们之间，如果要到达d状态，需要越过能峰c，在没有驱动力的情况下，体系就可能处于b这种亚稳态，故从热力学上说明了亚稳态是可以存在的。,为什么亚稳态能够存在？,8.1纳米晶材料,自20世纪80年代以来，随着材料制备技术的进展，人们研制出晶粒尺寸为纳米(nm)级的材料，并发现此材料不仅强度高，其结构和各种性能都具有特殊性，引起了各行各业人士的极大兴趣和关注。,Hall-Petch公式指出多晶体材料的强度与晶粒尺寸之间的关系，晶粒越细强度越高。但通常的材料制备方法只能获得微米级的晶粒，所以该公式的验证也只到此范围。,如果晶粒更微小时，材料的性能将如何变化？,8.1.1纳米晶材料的结构,纳米晶材料由尺寸为几个纳米的结构单元所组成。见8.2图为纳米晶材料的二维硬球模型，小晶粒由晶界联结在一起。由于晶粒微小，晶界所占的比例增大（将占到50%体积），即约有50%的原子位于排列不规则的晶界处，使其原子密度、配位数远远偏离了完整的晶体结构所以纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。,图8.2纳米晶材料的二维模型黑球-晶内原子；白球-界面处原子,此外，如材料中存在杂质、溶质原子，这些原子的偏聚作用，使晶界区域的化学成分不同于晶内。由于结构上和化学成分上都偏离了正常多晶结构，所表现出的各种性能也明显不同于通常的多晶体材料。,8.1.2纳米晶材料的性能,见下表纳米晶金属与通常的多晶或非晶态的性能（P362）,(1)纳米晶材料的力学性能远高于其通常多晶状态,如表中Fe-1.8%C的Fe-C合金，其通常的断裂强度由700MPa提高到8000MPa。见下图纳米晶Cu(o)与通常多晶Cu()的真应力真应变曲线。可见其屈服强度由原来的83MPa提高到185MPa。,纳米材料不仅具有高的强度和硬度，其塑性和韧性也大大改善。如：陶瓷材料通常没有塑性但纳米TiO2在室温下能塑性变形，在180变形量达到100%。,见下图纳米()与通常()的WC-Co材料的硬度与耐磨性比较，表现为硬度高、耐磨性好。,纳米材料的其他性能，如超导临界温度和临界电流的提高、特殊的光学性质、触媒催化作用等也是引人注目的。,(2)纳米晶材料的物理性能也异常于通常材料,如纳米晶导电金属的电阻远高于多晶材料，因晶界对电子有散射作用，晶粒小，晶界散射作用强，电阻、电阻温度系数增加。,磁性也不同于通常的多晶材料，纳米铁磁材料具有低的饱和磁化系数，高的磁化率低的矫顽力等。,8.1.3纳米晶材料的形成,以非晶态为起始相，在晶化过程中形成大量的晶核而生长成纳米晶。,对起始为通常粗晶的材料，通过强烈的塑性变形或局部原子迁移，产生高密度缺陷，导致自由能升高，形成亚稳态纳米晶。,(3)通过蒸发、溅射等沉积途径，如PVD、CVD等，形成纳米微粒或纳米晶薄膜。,(4)沉淀反应方法，如溶胶-凝胶，时效沉淀等，析出纳米微粒。,8.2准晶态材料,晶体中原子呈有序排列，且具有平移对称性，只能有1，2，3，4，6次旋转对称轴。近年来由于材料制备技术的发展，出现了不符合晶体的对称条件，但呈一定的周期性有序排列的类似于晶态的固体，具有5次对称轴结构,称为准晶态，此固体称为准晶。8.2.1准晶的结构准晶的结构既不同于晶体，也不同于非晶体。如何描述准晶态结构？,以拼砌花砖方式的模型来表征准晶结构,见右图，它是由两种单元（花砖）构成：一种是宽的棱方形，其角度为70和108；另一种是窄的棱方形，角度为36和144，它们的边长均为a，其面积之比为1.618:1，把它们按一定规则使两种单元配合地拼砌成具有周期性和5次对称性。,准晶结构的单元拼砌模型,8.2.2准晶的形成,主要通过快冷方法形成，此外经离子注入混合或气相沉积等途径也能形成准晶。准晶的形成过程包括形核和生长两个过程。冷速要正确控制，过慢则不能抑制结晶过程而会形成结晶相；过快则准晶的形核生长被抑制而形成非晶态。此外，其形成条件还与合金成分、晶体结构类型等因素有关，并非所有合金都能形成准晶，这方面规律还有待进一步探索。8.2.3准晶的性能(P240),8.3非晶态材料,主要讨论亚稳态的非晶态材料8.3.1非晶态的形成非晶态可由气相、液相快冷形成，也可在固态直接形成（如离子注入、高能粒子轰击、高能球磨、电化学或化学沉积、固相反应等）。,由液态转变为非晶态的能力既决定于冷却速度也决定于合金成分。,冷却速度：能够抑制结晶过程实现非晶化的最小冷速称为临界冷速（Rc）。纯金属：临界冷速为1012-1013K/s，急冷方法难实现，故不能形成非晶态；合金：临界冷速一般小于107K/s，急冷方法能获得非晶态。合金成分：在共晶成分附近，即凝固温度较低、液相黏度较高的情况下易形成非晶。,晶体材料在高能辐照或机械驱动等作用下也会发生非晶化转变。,由原先的有序结构转变为无序结构，这类转变都归因于晶体中产生大量缺陷使其自由能升高，促使发生非晶化。以高能球磨导致的非晶化为例：机械合金化：纯组元元素粉按合金成分比例混合后进行高能球磨形成非晶合金。机械研磨：晶态合金粉末经高能球磨后转变为非晶态合金。,机械合金化形成非晶态须满足热力学和动力学两方面的条件。热力学条件：两组元具有负的混合焓；动力学条件：系统为不对称的扩散偶。机械研磨其非晶化的能量条件是：GC+GDGA式中，GC为晶态的自由能，GD是各种缺陷导致的自由能增量，GA为非晶态的自由能。可见，GD是决定因素。主要包括：晶格畸变能、晶界能、化学无序能、反位能和反向畴界能。,8.3.2非晶态的结构,常用的分析方法是用X射线或中子散射得出的散射强度谱求出其“径向分布函数”，但径向分布函数不能区别不同类型的原子，故对合金应分别求得每类原子对的“部分原子对分布函数”，如二元合金中存在着三类原子对：AA，BB，AB，故需根据A，B两种原子的不同散射能力至少进行三次散射实验分别求出部分原子对分布函数，见图8.8。,图为Ni81B19非晶态合金的散射谱线及三类（Ni-Ni，B-B，Ni-B）部分原子对分布函数。,实线为实验结果；虚线为理论计算。,8.3.3非晶合金的性能,力学性能主要表现为高强度和高断裂韧性。物理性能一般具有高的电阻率和小的电阻温度系数；优良的磁学性能，包括软磁性能和硬磁性能。化学性能具有极佳的抗腐蚀性。,