《金属材料工程概论（第2版）》8亚稳态材料课件

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亚稳态材料材料的稳定状态是指其体系自由能最低时的平衡状态，通常相图中所显示的即是稳定的平衡状态。由于种种因素，材料会以高于平衡态时自由能的状态存在，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，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的性能迥异，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。8

亚稳态材料材料在平衡条件下只以一种状态存在，而非平衡的亚稳态则可出现多种形式，大致有以下几种类型：(1)细晶组织。当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态。其中突出的例子是超细的纳米晶组织，其晶界体积可占材料总体积的50％以上；(2)高密度晶体缺陷的存在。晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降，故体系自由能增高。另外，对于有序合金，当其有序度下降，甚至呈无序状态(化学无序)时，也使自由能升高；(3)形成过饱和固溶体。即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解；(4)发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相，例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相等；(5)由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高。(6)亚稳态材料还有马氏体材料，贝氏体材料，过饱和固溶体合金等。8.1纳米材料

8.1.1纳米材料的结构

8.1.2纳米结构材料的特性纳米结构材料因其超细的晶体尺寸，和高体积分数的晶界，而呈现特殊的物理、化学和力学性能。如力学性能远高于其通常的多晶状态。纳米晶微粒之间能产生量子输运的隧道效应、电荷转移和界面原子耦合等作用，故纳米材料的物理性能也异常于通常材料。纳米晶导电金属的电阻高于多晶材料，因为晶界对电子有散射作用，当晶粒尺寸小于电子平均自由程时，晶界散射作用加强，电阻及电阻温度系数增加。但纳米半导体材料却具有高的电导率，如纳米硅薄膜的室温电导率高于多晶硅3个数量级，高于非晶硅达5个数量级。纳米晶材料的磁性也不同于通常多晶材料，纳米铁磁材料具有低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力。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。8.1.3纳米材料的形成纳米晶材料可由多种途径形成，主要归纳于以下四方面。以非晶态(金属玻璃或溶胶)为起始相，使之在晶化过程中形成大量的晶核而生长成为纳米晶材料。对起始为通常粗晶的材料，通过强烈地塑性形变(如高能球磨、高速应变、爆炸成形等手段)或造成局域原子迁移(如高能粒子辐照、火花刻蚀等)使之产生高密度缺陷而致自由能升高，转变形成亚稳态纳米晶。通过蒸发、溅射等沉积途径，如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电化学方法等生成纳米微粒然后固化，或在基底材料上形成纳米晶薄膜材料。沉淀反应方法，如溶胶一凝胶，热处理时效沉淀法等，析出纳米微粒。8.1.3纳米材料的形成以一个大气压N2条件下，560℃退火，制备的4nm尺寸，厚度为180nm的Fe50Pt50颗粒，下图为Fe50Pt50纳米颗粒的高分辨电镜照片。8.2准晶材料定义：是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列，但是准晶体不具备晶体的平移对称性。因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。这种状态被称为准晶态(quaskrystallinestate)，此固体称为准晶(quskrysta1)8.2.1准晶的结构准晶的结构既不同于晶体、也不同于非晶态。图8－2是应用高分辨电子显微分析获得的准晶态Al65Cu20Fe15合金的原子结构像，可见其原子分布不具有平移对称性，但仍有一定的规则，其5次对称性明显可见，且呈长程的取向性有序分布，故可认为是一种准周期性排列。如何描绘准晶态结构?由于它不能通过平移操作实现周期性，故不能如晶体那样取一个晶胞来代表其结构，目前较常用的是以拼砌花砖方式的模型来表征准晶结构（可用拓扑数学方法解决）。其典型例子见图8－3，表示了5次对称的准周期结构。它是由两种单元(花砖)构成：一种是宽的棱方形，另一种是窄的棱方形。准晶结构有多种形式，如一维准晶，二维准晶等。

图8－2准晶态Al65Cu20Fe15合金的原子结构像图8－3准晶结构的单元拼砌模型

图8－3准晶结构的单元拼砌模型8.2.2准晶的形成1.形成工艺准晶的制备方法(1)快速凝固法目前用得最多的制备准晶的方法，包括：Melt-Spining法,电子束表面扫描法和雾化制粉法。(2)退火法利用某些非晶态合金加热时的转变或某些合金经固溶淬火处理后进行人工时效时的析出能获得准晶相。如Al-Cu-Li准晶(3)高能粒子束辐照法将多层纯组元薄膜叠压在一起,用高能电子束或离子束进行辐照可以获得准晶。Al-Mn准晶(4)固态反应法将叠压在一起的多层纯组元薄膜在一定温度下加热进行互扩散,也可以获得准晶。(5)真空气相沉积法将两个纯组元加热到工作温度,使之蒸发、沉积；采用一种特殊的分隔装置,使两组元的沉积交替进行而不互相干扰。2.形成过程准晶的形成过程包括形核和生长两个过程，故采用快冷法时其冷速要确当控制，冷速过慢则不能抑制结晶过程而会形成结晶相；冷速过大则准晶的形核生长也被抑制而形成非晶态。3.相变工程亚稳态的准晶在一定条件下会转变为结晶相，即平衡相。加热(退火)促使准晶的转变，故准晶转变是热激活过程，其晶化激活能与原子扩散激活能相近。稳态准晶相在加热时不发生结晶化转变，例如A16Cu2Fe为二十面体准晶，在845℃长期保温并不转变。准晶也可能从非晶态转化形成，例如Al—Mn合金经快速凝固形成非晶后，在一定的加热条件下会转变成准晶，表明准晶相对于非晶态是热力学较稳定的亚稳态。8.2.3

准晶的性能

准晶的基本性质：(1)均一性准晶具有有序结构，其分割出来的不同部分放大或缩小都与整体结构有相同的结构特征。(2)各向异性。(3)对称性准晶体的对称性较晶体高。(4)自限性自发地形成封闭的几何多面体外形。(5)最小内能性在相同的热力条件下，较之相同成分的气体、液体及非晶而言，准晶体内能较小，晶体内能最小。(6)稳定性对于相同化学组成，处于不同物态下的物体，晶体、准晶体都不能自发的转变为其他物态。准晶体材料的性能：（1）传输特性；（2）表面特性；（3）弥散强化特性；（4）弥散强化特性；（5）储氢特性；（6）高温塑性8.3非晶态材料定义：由于某些因素的作用而使之呈非晶态的材料，即是亚稳态的非晶态材料；对于常温下以非晶态(玻璃态)为稳定状态的材料。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)。8.3.2非晶态材料的性能1)力学性能非晶合金的力学性能主要表现为高强度和高断裂韧性。非晶态合金的屈服强度、弹性模量等性能，与其他超高强度材料作对比，它们已达到或接近超高强度材料的水平，但弹性模量较低。非晶合金塑性变形方式与应力大小有关，当拉伸应力接近断裂强度时，其形变极不均匀，沿着最大分切应力以极快速度形成很薄层(10～20nm厚度)的切变带；在低应力情况下，不形成切变带而是以均匀蠕变方式变形，其蠕变速率很低期，测得的总应变量通常小于l％。2)物理性能非晶态合金因其结构呈长程无序，故在物理性能