辽宁科技大学-材料科学基础--亚稳态材料

1、材料科学基础8.18.1 纳米晶材料纳米晶材料8.28.2 准晶态材料准晶态材料8.38.3 非晶态材料非晶态材料 研究亚稳态的意义研究亚稳态的意义 材料的材料的稳定态稳定态是是指其体系自由能最低时的平衡状态指其体系自由能最低时的平衡状态。但。但由于种种因素，材料会由于种种因素，材料会以高于平衡态时自由能的状态存以高于平衡态时自由能的状态存在在，即处于一种非平衡的，即处于一种非平衡的亚稳态亚稳态。 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

2、其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，因此，对材料亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具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有重要的实用价值。 亚稳态的存在形式亚稳态的存在形式细晶组织细晶组织：界面增多，自由能升高，故为亚稳态。：界面增多，自由能升高，故为亚稳态。高密度晶体缺陷高密度晶体缺陷：使原子偏离平衡位置，排列的规：使原子偏离平衡位置，排列的规 则性下降，故自由能升高。则性下降，故自由能升高。形成形成过饱和固溶体过饱和固溶体。发生发生非平衡转变非平衡转变：生成原子结构不同的亚稳新相，：生成原子结构不同的亚稳新相

3、， 如如M、B等。等。由由晶态转变为非晶态晶态转变为非晶态，由，由结构有序变为结构无序结构有序变为结构无序， 自由能增大。自由能增大。 为什么亚稳态能够存在？为什么亚稳态能够存在？图图8.1 8.1 材料自由能随状态的变化示意图材料自由能随状态的变化示意图abcd8.1 8.1 纳米晶材料纳米晶材料 自自2020世纪世纪8080年代以来，随着年代以来，随着材料制备技术的进展材料制备技术的进展，人们研，人们研制出制出晶粒尺寸为纳米晶粒尺寸为纳米(nm)(nm)级的材料级的材料，并发现此材料，并发现此材料不仅强度高，不仅强度高，其结构和各种性能都具有特殊性其结构和各种性能都具有特殊性，引起了各行各

4、业人士的极大兴，引起了各行各业人士的极大兴趣和关注。趣和关注。210kds Hall-PetchHall-Petch公式指出多晶体材料的强度与晶粒尺寸之间的公式指出多晶体材料的强度与晶粒尺寸之间的关系，关系，晶粒越细强度越高晶粒越细强度越高。但通常的材料制备方法只能获得。但通常的材料制备方法只能获得微米微米级的晶粒级的晶粒，所以该公式的验证也只到此范围。，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？如果晶粒更微小时，材料的性能将如何变化？8.1.1 8.1.1 纳米晶材料的结构纳米晶材料的结构 图图8.2 纳米晶材料的二维模型纳米晶材料的二维模型黑球黑球- -晶内原子

5、；白球晶内原子；白球- -界面处原子界面处原子 如表中如表中Fe-1.8%C的的Fe-C合金，其通常的合金，其通常的断断裂强裂强度度由由700MPa提高到提高到8000MPa。 见见下下图图Cu(o)与与通常通常()的的真应真应力力真应变真应变曲曲线线。可。可见见其其由原由原来来的的83MPa提高到提高到185MPa。 纳米材料不仅具有高的强度和硬度，其纳米材料不仅具有高的强度和硬度，其。如：陶瓷材料通常没有塑。如：陶瓷材料通常没有塑性但纳米性但纳米TiOTiO2 2在室温下能塑性变形，在在室温下能塑性变形，在180180变变形量达到形量达到100%100%。 纳米材料的纳米材料的其他性能其他

6、性能，如超导临界温度和临，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。等也是引人注目的。如纳米晶导电金属的如纳米晶导电金属的电阻电阻远远高高于多晶材于多晶材料，因晶界对电子有散射作用，晶粒小，晶料，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。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，纳米铁磁性也不同于通常的多晶材料，纳米铁磁材料具有磁材料具有低的饱和磁化系数低的饱和磁化系数，高的磁化率高的磁化率低的矫顽力低的矫顽力等。等。8.1.3 纳米晶材料的形成纳米晶材料的形成(3)(3)(4)(4)8.2 准晶态材料准晶态材料以以方式的模型来表征准晶结构方式的模型来表征准晶结构 准晶结构的单元拼砌模型准晶结构的单元拼砌模型8.2.2 8.2.2 准晶的形成准晶的形成8.3 8.3 非晶态材料非晶态材料 8.3.1 非晶态的形成非晶态的形成不同状态时材料的性能变化，见图不同状态时材料的性能变化，见图9.189.18（P369P369） ： 8.3.2 8.3.2 非晶态的结构非晶态的结构 图为图为Ni81B19非晶态合金的散射谱线及三类