材料科学基础(上海交大)-第9章.ppt

,材料与化学化工学院,材料科学基础,第9章 材料的亚稳态,9.0 概述9.1 纳米晶材料9.2 准晶态9.3 非晶态材料9.4 固态相变形成的亚稳相,重点和难点,纳米晶材料的结构和性能特点；纳米晶材料的制备；准晶结构和性能特点；准晶的制备；非晶态结构及其形成；非晶态材料性能；高聚物的玻璃化转变；,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,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。本章多为记忆。,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：,（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。,（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,霍尔佩奇(Hall-Petch)公式指出了多晶体材料的强度与其晶粒尺寸之间的关系，晶粒越细小则强度越高。但通常的材料制备方法至多只能获得细小到微米级的晶粒，霍尔佩奇公式的验证也只是到此范围。如果晶粒更为微小时，材料的性能将如何变化？制得这种超细晶材料，是一个留待解决的问题。,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,纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。图9.1表示纳米晶材料的二维硬球模型，不同取向的纳米尺度小晶粒由晶界联结在一起，由于晶粒极微小，晶界所占的比例就相应的增大。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。,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,图9.3 纳米玻璃的结构示意图,9.1.2 纳米晶材料的性能,纳米结构材料因其超细的晶体尺寸（与电子波长、平均自由程等为同一数量级）和高体积分数的晶界（高密度缺陷）而呈现特殊的物理、化学和力学性能。表9.1所列的一些纳米晶材料与通常多晶体或非晶态时的性能比较，明显地反映了其变化特点。,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,纳米晶材料可由多种途径形成，主要归纳于以下四方面。,（1）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。（2）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。,（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,经典的固体理论将固体物质按其原子聚集状态分为晶态和非晶态两种类型。晶体学分析得出：晶体中原子呈有序排列，且具有平移对称性，晶体点阵中各个阵点的周围环境必然完全相同，故晶体结构只能有1，2，3，4，6次旋转对称轴，而5次及高于6次的对称轴不能满足平移对称的条件，均不可能存在于晶体中。,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（Quasicrystalline State），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,准晶的结构既不同于晶体、也不同于非晶态。准晶结构有多种形式，就目前所知可分成下列几种类型：,a一维准晶,这类准晶相常发生于二十面体相或十面体相与结晶相之间发生相互转变的中间状态，故属亚稳状态。,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。,b二维准晶,它们是由准周期有序的原子层周期地堆垛而构成的，是将准晶态和晶态的结构特征结合在一起。,c二十面体准晶,A类二十面体多数是铝一过渡族元素化合物，而B族极少含有过渡族元素。,9.2.3 准晶的形成,除了少数准晶（Al65Cu20Fe10Mn5,Al75Fe10Pd15 Al10Co4等）为稳态相之外，大多数准晶相均属亚稳态产物，它们主要通过快冷方法形成，此外经离子注人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，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。,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。但稳态准晶相在加热时不发生结晶化转变，例如Al16Cu2Fe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AIMn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。,9.2.4 准晶的性能,到目前为止，人们尚难以制成大块的准晶态材料，最大的也只是几个毫米直径，故对准晶的研究多集中在其结构方面，对性能的研究测试甚少报道。但从已获得的准晶都很脆的特点，作为结构材料使用尚无前景。准晶的特殊结构对其物理性能有明显的影响，这方面或许有可利用之处，尚待进一步研究。,准晶的密度低于其晶态时的密度，这是由于其原子排列的规则性不及晶态严密，但其密度高于非晶态，说明其准周期性排列仍是较密集的。准晶的比热容比晶态大，准晶合金的电阻率甚高而电阻温度系数则甚小,其电阻随温度的变化规律也各不相同。,9.3.1 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（如离子注人、高能粒子轰击、高能球磨、电化学或化学沉积、固相反应等）。合金由液相转变为非晶态（金属玻璃）的能力，既决定于冷却速度也决定于合金成分,9.3 非晶态材料,合金成分与形成非晶能力的关系是一个十分复杂的问题，目前还未能得出较全面的规律，除了从熔体急冷可获得非晶态之外，晶体材料在高能幅照或机械驱动（如高能球磨、高速冲击等剧烈形变方式）等作用下也会发生非晶化转变，即从原先的有序结构转变为无序结构（对于化学有序的合金还包括转为化学无序状态），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。,9.3.2 非晶态的结构,非晶结构不同于晶体结构，它既不能取一个晶胞为代表，且其周围环境也是变化的，故测定和描述非晶结构均属难题，只能统计性地表达之。在非晶态合金中异类原子的分布也不是完全无序的，如BB近邻原子对就不存在，故实际上非晶合金仍具有一定程度的化学序。,9.3.3 非晶合金的性能,非晶合金的结构不同于晶态合金，在性能上也表现出与晶态有很大的差异。,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。,非晶合金的强度与组元类型有关，金属一类金属型的强度高（如Fe80B20非晶），而金属一金属型则低一些（如Cu50Zr50非晶）。非晶合金的塑性较低，在拉伸时小于1，但在压缩、弯曲时有较好塑性，压缩塑性可达40，非晶合金薄带弯达180o也不断裂。,非晶态合金因其结构呈长程无序，故在物理性能上与晶态合金不同，显示出异常情况。非晶合金一般具有高的电阻率和小的电阻温度系数，有些非晶合金如Nb-St，Mo-Si-B，Ti-Ni-Si等，在低于其临界转变温度可具有超导电性。目前非晶合金最令人注目的是其优良的磁学性能，包括软磁性能和硬磁性能。,2物理性能,一些非晶合金很易于磁化，磁矫顽力甚低，且涡流损失少，是极佳的软磁材料，其中代表性的是Fe-B-Si合金。此外，使非晶合金部分晶化后可获得1020nm尺度的极细晶粒，因而细化磁畴，产生更好的高频软磁性能。有些非晶合金具有很好的硬磁性能，其磁化强度、剩磁、矫顽力、磁能积都很高，例如 NdFeB非晶合金经部分晶化处理后（1450nm尺寸晶粒）达到目前永磁合金的最高磁能积值，是重要的永磁材料。,3化学性能,许多非晶态合金具有极佳的抗腐蚀性，这是由于其结构的均匀性，不存在晶界、位错、沉淀相。以及在凝固结晶过程产生的成分偏析等能导致局部电化学腐蚀的因素。,9.3.4 高分子的玻璃化转变,非晶态（无定形）高分于可以按其力学性质区分为玻璃态、高弹态和粘流态三种状态。从图9.4可见，高弹态的高分子材料随着温度的降低会发生由高弹态向玻璃态的转变，这个转变称为玻璃化转变。它的转变温度称为玻璃化温度Tg。如果高弹态材料温度升高，高分子将发生由高弹态向粘流态的转变，其转变温度称为粘流温度Tf。,当玻璃态高分子在Tg温度发生转变时，其模量降落达3个数量级，使材料从坚硬的固体突然变成柔软的弹性体（见图9.5温度），完全改变了材料的使用性能。高分子的其他很多物理性质，如体积（比体积）、热力学性质（比热容、焓）和电磁性质（介电常数和介电损耗、核磁共振吸收谱线宽度等）均有明显的变化。,作为塑料使用的高分子，当温度升高到玻璃化转变温度以上时，便失去了塑料的性能，变成了橡胶。平时我们所说的塑料和橡胶是按它们的Tg是在室温以上还是在室温以下而言的。Tg在室温以下的是橡胶，Tg在室温以上的是塑料。因此从工艺的角度来看，Tg是非晶态热塑性塑料使用的上限温度，是橡胶使用的下限温度Tg是高分子的特征温度之一，可以作为表征高分子的指标。,影响玻璃化转变温度的因素很多。因为玻璃化温度是高分子的链段从冻结到运动的一个转变温度，而链段运动是通过主链的单键内旋转来实现的，所以凡是影响高分子链柔性的因素，都会对Tg产生影响。如引人刚性基团或极性基团、交联和结晶这种减弱高分子链柔性或增加分子间作用力的因素都使Tg升高；如加入增塑剂或溶剂、引进柔性基团等这种增加高分子链柔性的因素都使Tg降低。,9.4 固态相变形成的亚稳相,从相图分析可知，许多材料系中存在着固态相变，如同素异构转变、共析转变、包析转变。固溶体的脱溶分解、合金有序化等。在通常情况下，固态相转变是扩散型的，即相变过程需通过原子的扩散来进行，但在特定的非平衡条件下，固态相变也可能是无扩散型的，在相变过程中原子不发生扩散，仅藉切变重排形成亚稳态新相。,固态相变大多数为形核和生长方式，由于此过程是在固态中进行，原子扩散速率甚低，且因新、旧相的比体积不同，其形核和生长不仅有界面能，还需克服彼此间比体积差而产生的应变能，故固态相变往往不能达到平衡状态，而是通过非平衡转变形成亚稳相，且因形成时条件的不同，可能有不同的过渡相。,这种非平衡的亚稳状态不仅使材料的组织结构变化，还对材料性能有很大的影响，甚至出现特殊的性能，恰当地予以利用，可以充分发挥材料的潜力，满足不同的使用要求。固态相变形成的亚稳相类型有多种，这里仅介绍固溶体脱溶产物、马氏体和贝氏体。,固态相变时为什么常常首先形成亚稳过度相？,主要受表面能和应变能的制约所致。只有当表面能和应变能减小，才能有效的减小临界晶核成功，有利于新相形核。初期，表面能很大，为了减少表面能，形成与母相保持共格关系的亚稳过度相，以便使体系能量降低，有利于相变。,9.4.1 固溶体脱溶分解产物,当固溶体因温度变化等而呈过饱和状态时，将自发地发生分解过程，其所含的过饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称为脱溶。新相的脱溶通常以形核和生长方式进行，由于固态中原子扩散速率低，尤其在温度较低时更为困难，故脱溶过程难以达到平衡，脱溶产物往往以亚稳态的过渡相存在。,1.脱溶类型：脱溶方式可分为连续脱溶（连续沉淀）和不连续脱溶（不连续沉淀）两类。连续脱溶又分为均匀脱溶和不均匀脱溶（或称局部脱溶）。2.脱溶过程的亚稳相 过饱和固溶体脱溶分解过程是复杂多样的，因成分、温度、应力状态及加工处理条件等因素而异，通常不直接析出平衡相，而是通过亚稳态的过渡相逐步演变过来。,3 脱溶分解对性能的影响 脱溶分解对材料的力学性能有很大的影响，其作用决定于脱溶相的形态、大小、数量和分布等因素。一般来说，均匀脱溶对性能有利，能起到明显的强化作用，称为“时效强化”或“沉淀强化”；而局部脱溶，尤其是沿着晶界析出（包括不连续脱溶导致的胞状析出），往往对性能有害，使材料塑性下降，呈现脆化，强度也因此下降。,9.4.2 马氏体转变 马氏体转变是一类非扩散型的固态相变，其转变产物（马氏体）通常为亚稳相。马氏体名称是源自钢中加热至奥氏体（Y固溶体）后快速淬火所形成的高硬度的针片状组织，为纪念冶金学家Martens而命名。马氏体转变的主要特点是无扩散过程，原子协同作小范围位移，以类似于孪生的切变方式形成亚稳态的新相（马氏体），新旧相化学成分不变并具有共格关系。目前已得知，不仅在钢中，在其他一些合金系，以及纯金属和陶瓷材料中都可有马氏体转变，故其含义已是广泛了。,9.4.3 贝氏体转变 贝氏体组织原先是对钢中过冷奥氏体在中温范围转变成的亚稳产物而称的。贝恩（Bain）和戴文博（Davenport）在1930年测得钢中过冷奥氏体的等温转变动力学曲线并发现在中温保温会形成一种不同于珠光体或马氏体的组织，后人就命名其为贝氏体。,贝氏体的光学组织形貌与其形成温度有关，在较高温度形成的呈羽毛状；温度低时则呈针状，于是把前者称为上贝氏体，后者称为下贝氏体。后来发现，除了钢中贝氏体组织之外，一些有色合金中也会发生贝氏体转变，形成类似的贝氏体组织。因此，研究贝氏体转变具有较普遍的意义。,本章小结,纳米材料是一种典型非平衡态结构。它可以通过快冷、强烈塑性变形、PVD、CVD以及其它沉积反应方法来获取。由于它在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围，因此量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧穿效应以及体积分数超过50%的晶界结构的影响使纳米晶材料呈现出特殊的力学、物理和化学性能。,准晶材料是具有一定周期性有序排列的类似于晶态但不符合晶体的对称条件的固体。准晶态通常是通过快冷、离子注入或气相沉积等途径形成，故大多数准晶相属亚稳态组织。由于准晶态不能通过平移操作实现周期性，故不能用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。,非晶态材料是另一种典型亚稳态结构。非晶态可由气相、液相快冷形成，也可在固态通过离子注入、高能粒子轰击、高能球磨、电化学或化学沉积等直接形成。非晶结构由于不存在长程有序周期性排列，故在性能上表现出与晶态有较大差异。如具有高的强度和断裂韧性，优良的磁学和抗腐性能等。,至于固态相变形成的亚稳相主要有固溶脱溶分解产物、马氏体和贝氏体。过饱和固溶体的脱溶分解过程因成分、温度、应力状态及加工处理条件等因素而异，通常不直接析出平衡相，而是通过亚稳态的过渡相逐渐演变过来。它属于扩散型相变，可分为形核长大方式脱溶分解和调幅分解两类。调幅分解的特点是新相的形成不经过形核长大过程，而是通过溶质原子的上坡扩散形成结构相同而成分呈周期性波动的非均匀固溶体的过程。,马氏体转变是典型无扩散型相变，其转变为切变机制。贝氏体转变则有切变型转变与扩散型转变两种方式之争，至今未作定论,本章习题,从内部微观结构角度简述纳米材料的特点。说明晶体结构为何不存在5此或高于6次的对称轴。何谓准晶？如何描绘准晶态结构？试证明：脱溶分解的扩散系数D为正值（正常扩散），而Spinodal分解的扩散系数D为负值（上坡扩散），在这两种相变中，形成析出相的最主要区别是什么？,亚共析钢TTT图如图9.6所示，按图中所示的不同冷却和等温方式热处理后，分析其形成的组织并作显微组织示意图。,图9.6,依据Bain机制，奥氏体（A）转变成马氏体（M）时，面心立方晶胞转变为体心正方晶胞，并沿(x3)M方向收缩18%，而沿(x1)M和(x2)M方向分别膨胀12%，如图9.7所示。已知fcc的a=0.3548 nm。,图9.7,求钢中AM的相对体积变化；由于体积变化而引起的长度方向上的变化又为多少？若钢的E=200GPa，则需要多大拉应力才能使钢产生第2问中所得的长度变化。,