材料科学基础FundamentalsofMaterialsFundamentalsofMaterialsScienceScience主讲教师：王亚男主讲教师：王亚男第第88章亚稳态材料章亚稳态材料Chapter8MetastablestateofmaterialsChapter8Metastablestateofmaterials8.1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①细晶组织：界面增多，自由能升高，故为亚稳态。②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。③形成过饱和固溶体。④发生非平衡转变：生成原子结构不同的亚稳新相，如M、B等。⑤由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增大。见图见图8.18.1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。aa点点是自由能最高的是自由能最高的不不稳定状态稳定状态；；dd点点是自由能最低的位置，此时体系处于是自由能最低的位置，此时体系处于稳定状态稳定状态；；bb点点位于它们之间，如果要到达位于它们之间，如果要到达dd状态，需要越过能峰状态，需要越过能峰cc，在没有驱动力的，在没有驱动力的情况下，体系就可能处于情况下，体系就可能处于bb这种这种亚稳态亚稳态，，故从热力学上说明了亚稳态是故从热力学上说明了亚稳态是可以存在的可以存在的。。•为什么亚稳态能够存在？图8.1材料自由能随状态的变化示意图abcd8.1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。210kdsHall-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纳米晶材料由尺寸为几个纳米的的结构单元结构单元所组成。见所组成。见8.28.2图为纳图为纳米晶材料的米晶材料的二维硬球模型二维硬球模型，小晶粒，小晶粒由晶界联结在一起。由于由晶界联结在一起。由于晶粒微小晶粒微小，，晶界所占的比例增大晶界所占的比例增大（将占到（将占到50%50%体积），即约有体积），即约有50%50%的原子位于排的原子位于排列不规则的晶界处，列不规则的晶界处，使其原子密度、使其原子密度、配位数远远偏离了完整的晶体结构配位数远远偏离了完整的晶体结构所以所以纳米晶材料纳米晶材料是一种是一种非平衡态的非平衡态的结构结构，其中，其中存在大量的晶体缺陷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，如材料中此外，如材料中存在杂质、溶质原子存在杂质、溶质原子，，这些原子的这些原子的偏聚偏聚作用，使晶界区域的作用，使晶界区域的化学成分化学成分不同不同于晶内。于晶内。由于由于结构上和化学成分上都偏离了正常多晶结构上和化学成分上都偏离了正常多晶结构结构，所表现出的，所表现出的各种性能也明显不同于通常各种性能也明显不同于通常的多晶体材料的多晶体材料。。8.1.28.1.2纳米晶材料的性能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（见下表纳米晶金属与通常的多晶或非晶态的性能（P362P362））性能单位金属多晶非晶态纳米晶热膨胀系数10-6K-1Cu161831比热容（295K）J/(g·K)Pd0.24-0.37密度g/cm3Fe7.97.56弹性模量GPaPd12388剪切模量GPaPd43-32断裂强度MPaFe-1.8%C700-8000屈服强度MPaCu83-185饱和磁化强度（4K）4π·10-2Tm3/kgFe222215130磁化率4π·10-9m3/kgSb-1-0.0320超导临界温度KAl1.2-3.2扩散激活能eVAg于Cu中Cu自扩散2.02.04--0.390.64德拜温度KFe467-3(1)(1)纳...
