材料科学基础上海交大-第9章ppt课件.ppt

第9章材料的亚稳态重点和难点比较固态相变与液-固相变的异同点；
比较脱溶沉淀与调幅分解的区别；
扩散型转变与非扩散型转变的主要特征；
马氏体转变的晶体学特点与表面浮凸效应；
热弹性马氏体与形状记忆效应；
贝氏体转变特征与转变机制。学习方法指导9.0概述
稳态：体系自由能最低的平衡状态。
亚稳态：体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡。
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。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。

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：（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。9.1纳米晶材料自20世纪80年代以来，随着材料制备新技术的发展，人们开始研制出晶粒尺寸为纳米（nm）级的材料，并发现这类材料不仅强度更高（但不符合霍尔一佩奇公式），其结构和各种性能都具有特殊性，引起了极大的兴趣和关注。纳米晶材料（或称纳米结构材料）已成为国际上发展新材料领域中的一个重要内容，并在材料科学和凝聚态物理学科中引出了新的研究方向——纳米材料学。9.1.1纳米晶材料的结构纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的（见图9.2），故是二维层状纳米结构材料。又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成，如图9.3所示，由不同化学成分物相所组成的纳米晶材料，通常称为纳米复合材料。图9.2半晶态高分子聚合物结构示意图9.1.2纳米晶材料的性能表9.1纳米晶金属与多晶或非晶的性能比较续表9.1纳米晶金属与多晶或非晶的性能比较纳米晶材料的力学性能远高于其通常多晶状态，表9.1中所举的高碳铁（质量分数=1.8%）就是一个突出的例子，其断裂强度由通常的700MPa提高到8000MPa，增加达1140％。但一些实验结果表明霍尔-佩奇公式的强度与晶粒尺寸关系并不延续到纳米晶材料，这是因为霍尔一佩奇公式是根据位错塞积的强化作用而导出的，当晶粒尺寸为纳米级时，晶粒中可存在的位错极少，甚至只有一个，故霍尔一佩奇公式就不适用了；此外，纳米晶材料的晶界区域在应力作用下会发生弛豫过程而使材料强度下降；再者，强度的提高不能超过晶体的理论强度，晶粒变细使强度提高应受此限制。

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。9.1.3纳米晶材料的形成（3）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。
（4）沉淀反应方法，如溶胶一凝胶（sol-gel），热处理时效沉淀法等，析出纳米微粒。9.2准晶态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,1984年Shechtman等首先报道了他们在快冷A186Mn14合金中发现具有5次对称轴的结构。于是，一类新的原子聚集状态的固体出现了，这种状态被称为准晶态（QuasicrystallineState），此固体称为准晶（Quasicrystal）。准晶态的出现引起国际上高度重视，很快就在其他一些合金系中也发现了准晶，除了5次对称，还有8，10，12次对称轴，在准晶的结构分析和有关理论研究中都有了进展。
9.2.1准晶的结构但在Al65Cu20Fe10Mn5的充分退火样品中也发现一维准晶相，此时应属稳定态了，它沿着10次对称轴呈六层地周期性、而垂直于此轴则呈八层周期。9.2.3准晶的形成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。但稳态准晶相在