第8章 材料亞穩(wěn)態(tài)

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)第第8 8章章 材料的亞穩(wěn)態(tài)材料的亞穩(wěn)態(tài)8.18.1 納米晶材料納米晶材料8.28.2 準(zhǔn)晶態(tài)材料準(zhǔn)晶態(tài)材料8.38.3 非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料8.4 8.4 固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相 研究亞穩(wěn)態(tài)的意義研究亞穩(wěn)態(tài)的意義n材料的材料的穩(wěn)定態(tài)穩(wěn)定態(tài)是是指其體系自由能最低時(shí)的平衡狀態(tài)指其體系自由能最低時(shí)的平衡狀態(tài)。但。但由于種種因素，材料會(huì)由于種種因素，材料會(huì)以高于平衡態(tài)時(shí)自由能的狀態(tài)存以高于平衡態(tài)時(shí)自由能的狀態(tài)存在在，即處于一種非平衡的，即處于一種非平衡的亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)。n同一化學(xué)成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能不同于平衡態(tài)同一化學(xué)成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能不同于平衡態(tài)時(shí)的性

2、能，而且在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能時(shí)的性能，而且在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會(huì)優(yōu)于其處于平衡態(tài)時(shí)的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。會(huì)優(yōu)于其處于平衡態(tài)時(shí)的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。因此，對(duì)材料亞穩(wěn)態(tài)的研究不僅有理論上的意義，更具因此，對(duì)材料亞穩(wěn)態(tài)的研究不僅有理論上的意義，更具有重要的實(shí)用價(jià)值。有重要的實(shí)用價(jià)值。亞穩(wěn)態(tài)的存在形式亞穩(wěn)態(tài)的存在形式細(xì)晶組織細(xì)晶組織：界面增多，自由能升高，故為亞穩(wěn)態(tài)。：界面增多，自由能升高，故為亞穩(wěn)態(tài)。高密度晶體缺陷高密度晶體缺陷：使原子偏離平衡位置，排列的規(guī)：使原子偏離平衡位置，排列的規(guī) 則性下降，故自由能升高。則性下降，故自由能升高。形成形成過(guò)飽和固溶體過(guò)飽

3、和固溶體。發(fā)生發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變非平衡轉(zhuǎn)變：生成原子結(jié)構(gòu)不同的亞穩(wěn)新相，：生成原子結(jié)構(gòu)不同的亞穩(wěn)新相， 如如MM、B B等。等。由由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，由，由結(jié)構(gòu)有序變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)無(wú)序結(jié)構(gòu)有序變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)無(wú)序， 自由能增大。自由能增大。 見圖見圖8.1 材料自由能隨狀態(tài)的變化示意圖。材料自由能隨狀態(tài)的變化示意圖。a點(diǎn)是自由能最高的不穩(wěn)點(diǎn)是自由能最高的不穩(wěn)定狀態(tài)；定狀態(tài)； d點(diǎn)是自由能最低的位置，此時(shí)體系處于穩(wěn)定狀態(tài)；點(diǎn)是自由能最低的位置，此時(shí)體系處于穩(wěn)定狀態(tài)； b點(diǎn)位于點(diǎn)位于它們之間，如果要到達(dá)它們之間，如果要到達(dá)d狀態(tài)，需要越過(guò)能峰狀態(tài)，需要越過(guò)能峰c，在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)力的情況下，在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)力的情

4、況下，體系就可能處于體系就可能處于b這種亞穩(wěn)態(tài)，這種亞穩(wěn)態(tài)，故從熱力學(xué)上說(shuō)明了亞穩(wěn)態(tài)是可以存在故從熱力學(xué)上說(shuō)明了亞穩(wěn)態(tài)是可以存在的的。為什么亞穩(wěn)態(tài)能夠存在？為什么亞穩(wěn)態(tài)能夠存在？圖圖8.1 8.1 材料自由能隨狀態(tài)的變化示意圖材料自由能隨狀態(tài)的變化示意圖abcd8.1 8.1 納米晶材料納米晶材料n 自自2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代以來(lái)，隨著材料制備技術(shù)的進(jìn)展，年代以來(lái)，隨著材料制備技術(shù)的進(jìn)展，人們研制出晶粒尺寸為納米人們研制出晶粒尺寸為納米(nm)(nm)級(jí)的材料，并發(fā)現(xiàn)此級(jí)的材料，并發(fā)現(xiàn)此材料不僅強(qiáng)度高，其結(jié)構(gòu)和各種性能都具有特殊性，材料不僅強(qiáng)度高，其結(jié)構(gòu)和各種性能都具有特殊性，引起了各行

5、各業(yè)人士的極大興趣和關(guān)注。引起了各行各業(yè)人士的極大興趣和關(guān)注。微米級(jí)晶粒微米級(jí)晶粒210kds8.1.1 8.1.1 納米晶材料的結(jié)構(gòu)納米晶材料的結(jié)構(gòu) 納米晶材料由尺寸為幾個(gè)納米納米晶材料由尺寸為幾個(gè)納米的的結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元所組成。見所組成。見8.2圖為納米圖為納米晶材料的晶材料的二維硬球模型二維硬球模型，小晶粒由，小晶粒由晶界聯(lián)結(jié)在一起。由于晶粒微小，晶界聯(lián)結(jié)在一起。由于晶粒微小，晶界所占的比例增大（將占到晶界所占的比例增大（將占到50%體積），即約有體積），即約有50%的原子位于排的原子位于排列不規(guī)則的晶界處，使其原子密度、列不規(guī)則的晶界處，使其原子密度、配位數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了完整的晶體結(jié)構(gòu)，配

6、位數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了完整的晶體結(jié)構(gòu)，所以所以納米晶材料納米晶材料是一種是一種非平衡態(tài)的非平衡態(tài)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，其中，其中存在大量的晶體缺陷存在大量的晶體缺陷。 圖圖8.2 納米晶材料的二維模型納米晶材料的二維模型黑球黑球- -晶內(nèi)原子；白球晶內(nèi)原子；白球- -界面處原子界面處原子 此外，如材料中存在雜質(zhì)、溶質(zhì)原子，這此外，如材料中存在雜質(zhì)、溶質(zhì)原子，這些原子的偏聚作用，使晶界區(qū)域的化學(xué)成分不些原子的偏聚作用，使晶界區(qū)域的化學(xué)成分不同于晶內(nèi)。同于晶內(nèi)。 由于由于結(jié)構(gòu)上和化學(xué)成分上都偏離了正常多晶結(jié)構(gòu)上和化學(xué)成分上都偏離了正常多晶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，所表現(xiàn)出的，所表現(xiàn)出的各種性能也明顯不同于通常各種性能也明顯不同于通

7、常的多晶體材料的多晶體材料。 性能單位金屬多晶非晶態(tài)納米晶熱膨脹系數(shù)10-6K-1Cu161831比熱容（295K）J/(gK)Pd0.24-0.37密度g/cm3Fe7.97.56彈性模量GPaPd12388剪切模量GPaPd43-32斷裂強(qiáng)度MPaFe-1.8%C700-8000屈服強(qiáng)度MPaCu83-185飽和磁化強(qiáng)度（4K）410-2Tm3/kgFe222215130磁化率410-9m3/kgSb-1-0.0320超導(dǎo)臨界溫度KAl1.2-3.2擴(kuò)散激活能eVAg于Cu中Cu自擴(kuò)散2.02.04-0.390.64德拜溫度KFe467-3如表中如表中Fe-1.8%C的的Fe-C合金，其通

8、常的合金，其通常的斷斷裂強(qiáng)裂強(qiáng)度度由由700MPa提高到提高到8000MPa。 見見下下圖納圖納米晶米晶Cu(o)與與通常多晶通常多晶Cu()的的真應(yīng)真應(yīng)力力真應(yīng)變真應(yīng)變曲曲線線?？伞？梢娨娖淦淝?qiáng)度屈服強(qiáng)度由原由原來(lái)來(lái)的的83MPa提高到提高到185MPa。 納米材料不僅具有高的強(qiáng)度和硬度，其納米材料不僅具有高的強(qiáng)度和硬度，其塑塑性和韌性性和韌性也大大改善。如：陶瓷材料通常沒(méi)有也大大改善。如：陶瓷材料通常沒(méi)有塑性，但納米塑性，但納米TiOTiO2 2在室溫下能塑性變形，在在室溫下能塑性變形，在180180變形量達(dá)到變形量達(dá)到100%100%。 納米材料的其他性能，如超導(dǎo)臨界溫度納米材料的其

9、他性能，如超導(dǎo)臨界溫度和臨界電流的提高、特殊的光學(xué)性質(zhì)、觸媒和臨界電流的提高、特殊的光學(xué)性質(zhì)、觸媒催化作用等也是引人注目的。催化作用等也是引人注目的。(2) (2) 納米晶材料的納米晶材料的物理性能物理性能也異常于通常材料也異常于通常材料如納米晶導(dǎo)電金屬的如納米晶導(dǎo)電金屬的電阻電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高高于多晶材于多晶材料，因晶界對(duì)電子有散射作用，晶粒小，晶料，因晶界對(duì)電子有散射作用，晶粒小，晶界散射作用強(qiáng)，電阻、電阻溫度系數(shù)增加。界散射作用強(qiáng)，電阻、電阻溫度系數(shù)增加。磁性也不同于通常的多晶材料，納米鐵磁性也不同于通常的多晶材料，納米鐵磁材料具有低的飽和磁化系數(shù)，磁材料具有低的飽和磁化系數(shù)，高的磁化率，高的磁

10、化率，低的矯頑力低的矯頑力等。等。8.1.3 納米晶材料的形成納米晶材料的形成 以以非晶態(tài)非晶態(tài)為起始相，在晶化過(guò)程中形成大量的為起始相，在晶化過(guò)程中形成大量的 晶核而生長(zhǎng)成納米晶。晶核而生長(zhǎng)成納米晶。 對(duì)起始為通常對(duì)起始為通常粗晶粗晶的材料，通過(guò)強(qiáng)烈的塑性變形的材料，通過(guò)強(qiáng)烈的塑性變形 或局部原子遷移，產(chǎn)生高密度缺陷，導(dǎo)致自由能或局部原子遷移，產(chǎn)生高密度缺陷，導(dǎo)致自由能 升高，形成亞穩(wěn)態(tài)納米晶。升高，形成亞穩(wěn)態(tài)納米晶。(3)(3)通過(guò)通過(guò)蒸發(fā)、濺射蒸發(fā)、濺射等沉積途徑，如等沉積途徑，如PVDPVD、CVDCVD等，等， 形成納米微?；蚣{米晶薄膜。形成納米微?；蚣{米晶薄膜。(4)(4)沉淀沉淀

11、反應(yīng)方法，如溶膠反應(yīng)方法，如溶膠- -凝膠，時(shí)效沉淀等，析凝膠，時(shí)效沉淀等，析 出納米微粒。出納米微粒。8.2 準(zhǔn)晶態(tài)準(zhǔn)晶態(tài)n晶體中原子呈有序排列，且具有平移對(duì)稱性，晶體中原子呈有序排列，且具有平移對(duì)稱性，只能有只能有1，2，3，4，6次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸。次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸。n近年來(lái)由于材料制備技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了不符近年來(lái)由于材料制備技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了不符合晶體的對(duì)稱條件，但呈一定的周期性有序排合晶體的對(duì)稱條件，但呈一定的周期性有序排列的類似于晶態(tài)的固體，具有列的類似于晶態(tài)的固體，具有5次對(duì)稱軸結(jié)構(gòu)次對(duì)稱軸結(jié)構(gòu),稱為稱為準(zhǔn)晶態(tài)準(zhǔn)晶態(tài)，此固體稱為，此固體稱為準(zhǔn)晶準(zhǔn)晶。8.2.1 準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu) 準(zhǔn)晶的

12、結(jié)構(gòu)既不同于晶體，也不同于非晶體。準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)既不同于晶體，也不同于非晶體。如何描述準(zhǔn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)？如何描述準(zhǔn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)？以拼砌花磚方式的模型來(lái)表征準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)以拼砌花磚方式的模型來(lái)表征準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu) 見右圖，它是由兩種單元見右圖，它是由兩種單元（花磚）構(gòu)成：一種是（花磚）構(gòu)成：一種是寬的寬的棱方形棱方形，其角度為，其角度為70和和108；另一種是另一種是窄的棱方形窄的棱方形，角度，角度為為36和和144，它們的邊長(zhǎng)均，它們的邊長(zhǎng)均為為a，其面積之比為，其面積之比為1.618:1，把它們按一定規(guī)則使兩種單把它們按一定規(guī)則使兩種單元配合地拼砌成具有周期性元配合地拼砌成具有周期性和和5次對(duì)稱性。次對(duì)稱性。準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的

13、單元拼砌模型準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的單元拼砌模型8.2.2 8.2.2 準(zhǔn)晶的形成準(zhǔn)晶的形成n主要通過(guò)主要通過(guò)快冷快冷方法形成，此外經(jīng)方法形成，此外經(jīng)離子注入混合離子注入混合或或氣相沉氣相沉積積等途徑也能形成準(zhǔn)晶。等途徑也能形成準(zhǔn)晶。n準(zhǔn)晶的形成過(guò)程包括準(zhǔn)晶的形成過(guò)程包括形核和生長(zhǎng)形核和生長(zhǎng)兩個(gè)過(guò)程。冷速要正確兩個(gè)過(guò)程。冷速要正確控制，控制，過(guò)慢過(guò)慢則不能抑制結(jié)晶過(guò)程而會(huì)形成則不能抑制結(jié)晶過(guò)程而會(huì)形成結(jié)晶相結(jié)晶相；過(guò)快過(guò)快則準(zhǔn)晶的形核生長(zhǎng)被抑制而形成則準(zhǔn)晶的形核生長(zhǎng)被抑制而形成非晶態(tài)非晶態(tài)。n此外，其形成條件還與合金成分、晶體結(jié)構(gòu)類型等因素此外，其形成條件還與合金成分、晶體結(jié)構(gòu)類型等因素有關(guān)，并非所有合金都

14、能形成準(zhǔn)晶，這方面規(guī)律還有待有關(guān)，并非所有合金都能形成準(zhǔn)晶，這方面規(guī)律還有待進(jìn)一步探索。進(jìn)一步探索。8.2.3 準(zhǔn)晶的性能準(zhǔn)晶的性能(P368)8.3 8.3 非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料n主要討論亞穩(wěn)態(tài)的非晶態(tài)材料主要討論亞穩(wěn)態(tài)的非晶態(tài)材料8.3.1 非晶態(tài)的形成非晶態(tài)的形成n非晶態(tài)可由氣相、液相快冷形成，也可在固態(tài)非晶態(tài)可由氣相、液相快冷形成，也可在固態(tài)直接形成（如離子注入、高能粒子轟擊、高能直接形成（如離子注入、高能粒子轟擊、高能球磨、電化學(xué)或化學(xué)沉積、固相反應(yīng)等）球磨、電化學(xué)或化學(xué)沉積、固相反應(yīng)等）8.3.2 8.3.2 非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)n常用的分析方法是用常用的分析方法是用X X射線

15、或中子散射得出的射線或中子散射得出的散射強(qiáng)度散射強(qiáng)度譜譜求出其求出其“徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù)”，但徑向分布函數(shù)不能區(qū)，但徑向分布函數(shù)不能區(qū)別不同類型的原子，故對(duì)合金應(yīng)分別求得別不同類型的原子，故對(duì)合金應(yīng)分別求得每類原子對(duì)每類原子對(duì)的的“部分原子對(duì)分布函數(shù)部分原子對(duì)分布函數(shù)”，如二元合金中存在著三，如二元合金中存在著三類原子對(duì)：類原子對(duì)：A AA A，B BB B，A AB B，故需根據(jù)，故需根據(jù)A A，B B兩種兩種原子的不同散射能力至少進(jìn)行三次散射實(shí)驗(yàn)分別求出原子的不同散射能力至少進(jìn)行三次散射實(shí)驗(yàn)分別求出部分原子對(duì)分布函數(shù)，見下圖。部分原子對(duì)分布函數(shù)，見下圖。圖為圖為Ni81B19非晶態(tài)合

16、金的散射譜線及三類部分原非晶態(tài)合金的散射譜線及三類部分原子對(duì)分布函數(shù)子對(duì)分布函數(shù)。實(shí)線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果；虛線為理論計(jì)算。實(shí)線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果；虛線為理論計(jì)算。8.3.3 8.3.3 非晶合金的性能非晶合金的性能n力學(xué)性能力學(xué)性能 主要表現(xiàn)為高強(qiáng)度和高斷裂韌性。主要表現(xiàn)為高強(qiáng)度和高斷裂韌性。n物理性能物理性能 一般具有高的電阻率和小的電阻溫度系數(shù)；一般具有高的電阻率和小的電阻溫度系數(shù)；優(yōu)良的磁學(xué)性能，包括軟磁性能和硬磁性能。優(yōu)良的磁學(xué)性能，包括軟磁性能和硬磁性能。n化學(xué)性能化學(xué)性能 具有極佳的抗腐蝕性。具有極佳的抗腐蝕性。n固態(tài)相變多數(shù)為形核和長(zhǎng)大方式。形核和長(zhǎng)大不僅有固態(tài)相變多數(shù)為形核和長(zhǎng)大方式。形核和長(zhǎng)

17、大不僅有界面能界面能，還需克服彼此之間體積差而產(chǎn)生的，還需克服彼此之間體積差而產(chǎn)生的應(yīng)變能應(yīng)變能，故固態(tài)相變往往不能達(dá)到平衡狀態(tài)，而是通過(guò)非平衡故固態(tài)相變往往不能達(dá)到平衡狀態(tài)，而是通過(guò)非平衡轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)相亞穩(wěn)相。n亞穩(wěn)相不僅使材料的組織結(jié)構(gòu)變化，還對(duì)材料性能有亞穩(wěn)相不僅使材料的組織結(jié)構(gòu)變化，還對(duì)材料性能有很大的影響。因此我們對(duì)亞穩(wěn)相要進(jìn)行研究。亞穩(wěn)相很大的影響。因此我們對(duì)亞穩(wěn)相要進(jìn)行研究。亞穩(wěn)相類型有很多種，這里只介紹類型有很多種，這里只介紹固溶體脫溶固溶體脫溶轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變、馬氏體馬氏體（M）和）和貝氏體貝氏體（B）轉(zhuǎn)變。）轉(zhuǎn)變。8.4 8.4 固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相8.4

18、.1 8.4.1 固溶體脫溶轉(zhuǎn)變固溶體脫溶轉(zhuǎn)變圖圖8.4 相圖中脫溶轉(zhuǎn)變舉例相圖中脫溶轉(zhuǎn)變舉例+溫度脫溶共析脫溶脫溶脫溶W(B)/%AB在在溫度較高溫度較高時(shí)發(fā)生時(shí)發(fā)生平衡脫溶平衡脫溶，析出平衡的，析出平衡的第二相；第二相；如如溫度較低溫度較低，則可能先形成，則可能先形成亞穩(wěn)定的過(guò)度亞穩(wěn)定的過(guò)度相相；如如快速冷卻快速冷卻到室溫（稱為淬火或固溶處到室溫（稱為淬火或固溶處理），得到理），得到過(guò)飽和固溶體過(guò)飽和固溶體，不穩(wěn)定。在一定條，不穩(wěn)定。在一定條件下會(huì)發(fā)生件下會(huì)發(fā)生脫溶脫溶析出過(guò)程（稱為沉淀或時(shí)效），析出過(guò)程（稱為沉淀或時(shí)效），生成生成亞穩(wěn)定的過(guò)度相亞穩(wěn)定的過(guò)度相。 從單相區(qū)經(jīng)過(guò)溶解度飽和線進(jìn)

19、入兩相區(qū)時(shí)，從單相區(qū)經(jīng)過(guò)溶解度飽和線進(jìn)入兩相區(qū)時(shí)，就要發(fā)生脫溶分解。就要發(fā)生脫溶分解。1. 脫溶方式脫溶方式(1)(1)形核長(zhǎng)大方式形核長(zhǎng)大方式：依靠熱激活使晶胚達(dá)到臨界尺寸。依靠熱激活使晶胚達(dá)到臨界尺寸。(2)(2)調(diào)幅分解方式調(diào)幅分解方式：無(wú)需形核，只需成分起伏，使均勻固溶體發(fā)展成無(wú)需形核，只需成分起伏，使均勻固溶體發(fā)展成為成分不同、結(jié)構(gòu)相同且無(wú)明顯界面的兩個(gè)相。為成分不同、結(jié)構(gòu)相同且無(wú)明顯界面的兩個(gè)相。究竟采用何種方式脫溶，取決于合金的成分和究竟采用何種方式脫溶，取決于合金的成分和溫度。溫度。 2. 脫溶類型脫溶類型 (1)(1)連續(xù)脫溶連續(xù)脫溶：新相晶核在母相中各處同時(shí)：新相晶核在母相

20、中各處同時(shí)發(fā)生，隨機(jī)形成，母相的發(fā)生，隨機(jī)形成，母相的濃度濃度隨之隨之均勻變均勻變化化，但母相，但母相晶粒外形及位向不改變晶粒外形及位向不改變。脫溶相均勻分布于基體時(shí)稱為脫溶相均勻分布于基體時(shí)稱為均勻脫溶均勻脫溶。脫溶相優(yōu)先析出于局部地區(qū)，如晶界、孿脫溶相優(yōu)先析出于局部地區(qū)，如晶界、孿晶界、滑移帶等處稱為晶界、滑移帶等處稱為不均勻脫溶不均勻脫溶。 新相與母相結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣常數(shù)相近，即錯(cuò)配度很小，保持新相與母相結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣常數(shù)相近，即錯(cuò)配度很小，保持共格共格關(guān)關(guān) 系，界面能低，見下圖系，界面能低，見下圖a； 錯(cuò)配度增大，界面處彈性應(yīng)變能增大，包含一些位錯(cuò)調(diào)錯(cuò)配度增大，界面處彈性應(yīng)變能增大，包含一些位錯(cuò)

21、調(diào)節(jié)錯(cuò)配以降低應(yīng)變能，形成節(jié)錯(cuò)配以降低應(yīng)變能，形成部分共格部分共格界面，見下圖界面，見下圖b； 錯(cuò)配度很大，形成錯(cuò)配度很大，形成非共格非共格界面，界面能高，見下圖界面，界面能高，見下圖c。脫溶相與基體界面的關(guān)系有三種：脫溶相與基體界面的關(guān)系有三種：脫溶相的脫溶相的形狀形狀與界面處的與界面處的界面能界面能等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。 對(duì)對(duì)界面的脫溶相，應(yīng)變能取決于錯(cuò)配界面的脫溶相，應(yīng)變能取決于錯(cuò)配度。錯(cuò)配度度。錯(cuò)配度，應(yīng)變能，應(yīng)變能。 錯(cuò)配度甚小時(shí)，共格脫溶相趨于形成錯(cuò)配度甚小時(shí)，共格脫溶相趨于形成球形球形粒子。粒子。 錯(cuò)配度增大時(shí)，共格脫溶相以錯(cuò)配度增大時(shí)，共格脫溶相以立方形狀立方形狀分布于體。分

22、布于體。 錯(cuò)配度更大時(shí)，共格脫溶相呈錯(cuò)配度更大時(shí)，共格脫溶相呈薄片狀薄片狀。圖圖8.5 新相粒子的幾何形狀對(duì)應(yīng)變能相對(duì)值的影響新相粒子的幾何形狀對(duì)應(yīng)變能相對(duì)值的影響a橢圓形球體的赤道半徑橢圓形球體的赤道半徑 c兩極之間的距離兩極之間的距離 (2)(2)不連續(xù)脫溶：從飽和的基體中以胞狀形式不連續(xù)脫溶：從飽和的基體中以胞狀形式同時(shí)析出同時(shí)析出包含有包含有 與與 兩相的產(chǎn)物，其中兩相的產(chǎn)物，其中 相相是成分是成分有所改變的有所改變的基體相基體相，而，而 相則是相則是脫溶新相脫溶新相，兩者以，兩者以層狀相間分布，層狀相間分布， 見下圖。見下圖。圖8.6 不連續(xù)脫溶示意圖 3. 脫溶對(duì)性能的影響脫溶對(duì)性

23、能的影響n脫溶對(duì)材料脫溶對(duì)材料的影響的影響 取決于脫溶相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布等。取決于脫溶相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布等。 均勻脫溶均勻脫溶對(duì)性能有利，有明顯的強(qiáng)化作用，稱為對(duì)性能有利，有明顯的強(qiáng)化作用，稱為“時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化”或或“沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化”； 局部脫溶局部脫溶，沿著晶界析出，對(duì)性能有害，使材料塑性下降，呈現(xiàn)脆，沿著晶界析出，對(duì)性能有害，使材料塑性下降，呈現(xiàn)脆化，強(qiáng)度也因此下降。化，強(qiáng)度也因此下降。n脫溶也導(dǎo)致材料脫溶也導(dǎo)致材料的變化的變化 時(shí)效初期時(shí)效初期電子散射幾率增加，電子散射幾率增加，電阻上升電阻上升；過(guò)時(shí)效過(guò)時(shí)效基體中溶質(zhì)原子貧基體中溶質(zhì)原子貧化，化，電阻下降電阻下降。

24、磁性磁性也因時(shí)效而變化。也因時(shí)效而變化。軟磁材料軟磁材料由于脫溶相阻礙磁疇壁移動(dòng)，由于脫溶相阻礙磁疇壁移動(dòng)，磁導(dǎo)磁導(dǎo)率下降率下降；硬磁材料硬磁材料脫溶相的彌散度越大，反遷移越困難，脫溶相的彌散度越大，反遷移越困難，矯頑力越矯頑力越大，剩磁也越大。大，剩磁也越大。8.4.2 8.4.2 馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變 馬氏體馬氏體(M)：C C溶入溶入-Fe-Fe中形成的過(guò)飽和固溶體。中形成的過(guò)飽和固溶體。 因轉(zhuǎn)變溫度低因轉(zhuǎn)變溫度低(230)(230)，F(xiàn)eFe、C C原子均不擴(kuò)散原子均不擴(kuò)散, ,屬屬于于非擴(kuò)散性相變非擴(kuò)散性相變。1. M轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)(1) (1) 無(wú)擴(kuò)散性無(wú)擴(kuò)散性 因轉(zhuǎn)變溫度因

25、轉(zhuǎn)變溫度T T低，原子活動(dòng)能力很低，所低，原子活動(dòng)能力很低，所以轉(zhuǎn)變是在無(wú)擴(kuò)散的條件下進(jìn)行的，以轉(zhuǎn)變是在無(wú)擴(kuò)散的條件下進(jìn)行的，新相新相MM和和母相母相( (奧氏體奧氏體) )具有完全相同的化學(xué)成分具有完全相同的化學(xué)成分。 見下圖馬氏體片形成時(shí)產(chǎn)生浮凸。在拋光的表面上劃有見下圖馬氏體片形成時(shí)產(chǎn)生浮凸。在拋光的表面上劃有直線直線刻痕，發(fā)生刻痕，發(fā)生MM轉(zhuǎn)變后轉(zhuǎn)變后，劃痕由直線變?yōu)椋瑒澓塾芍本€變?yōu)檎劬€折線，但，但無(wú)無(wú)彎彎曲和曲和中斷中斷現(xiàn)象。說(shuō)明現(xiàn)象。說(shuō)明MM是是切變切變方式形成的，且方式形成的，且MM與母相與母相 保保持持共格共格。圖圖8.7 8.7 馬氏體片形成時(shí)產(chǎn)生浮凸示意圖馬氏體片形成時(shí)產(chǎn)生

26、浮凸示意圖(2) (2) 切變共格性切變共格性（3 3）具有一定的）具有一定的位向關(guān)系位向關(guān)系 由于由于M轉(zhuǎn)變時(shí)新相和母相始終保持切變共格性，因此轉(zhuǎn)變時(shí)新相和母相始終保持切變共格性，因此M轉(zhuǎn)變后新相與母相之間存在確定的位向關(guān)系。轉(zhuǎn)變后新相與母相之間存在確定的位向關(guān)系。 對(duì)含碳對(duì)含碳低于低于1.4%的碳鋼，的碳鋼，M轉(zhuǎn)變時(shí)新、舊相之間有轉(zhuǎn)變時(shí)新、舊相之間有如下取向關(guān)系：如下取向關(guān)系：111110M， M 稱為稱為K-S關(guān)系關(guān)系。 對(duì)含碳對(duì)含碳高于高于1.4%的碳鋼或含高鎳的鋼，有的碳鋼或含高鎳的鋼，有111110M， M 稱為稱為西山關(guān)系西山關(guān)系。(4) 在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行

27、 M轉(zhuǎn)變是轉(zhuǎn)變是T的函數(shù)，與的函數(shù)，與無(wú)關(guān)。即隨無(wú)關(guān)。即隨T，轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變量量。T 一旦停止一旦停止，M轉(zhuǎn)變立即停止。轉(zhuǎn)變立即停止。(5) M轉(zhuǎn)變具有轉(zhuǎn)變具有不完全性不完全性 M轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，總有一部分保留下來(lái)，轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，總有一部分保留下來(lái)，這種在這種在M轉(zhuǎn)變過(guò)程中被保留下來(lái)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中被保留下來(lái)的A，叫，叫殘余殘余A。用用A表示表示。(6) 生長(zhǎng)速度極快生長(zhǎng)速度極快 形成一片形成一片M只需只需10-7秒，瞬間形成，瞬間長(zhǎng)大，秒，瞬間形成，瞬間長(zhǎng)大，一旦形成，不再生長(zhǎng)。一旦形成，不再生長(zhǎng)。2. M2. M的組織形態(tài)的組織形態(tài)(1) (1) 片狀片狀MM （高碳（高碳MM，孿晶，孿晶M

28、M）光學(xué)顯微鏡下，呈光學(xué)顯微鏡下，呈針狀針狀或或竹葉竹葉狀。立體形狀：狀。立體形狀：雙凸透雙凸透狀。狀。先大后小不能穿過(guò)，先大后小不能穿過(guò)，MM的大小取決于的大小取決于A A晶粒大小。晶粒大小。 高碳高碳MM的形貌的形貌有兩種形態(tài)：有兩種形態(tài)： 片狀片狀MM：高碳鋼淬火后獲得的，也叫：高碳鋼淬火后獲得的，也叫高碳高碳MM。板條板條MM：低碳鋼淬火后獲得的，也叫：低碳鋼淬火后獲得的，也叫低碳低碳MM。圖圖8.10 8.10 鋼中馬氏體的透射電鏡像鋼中馬氏體的透射電鏡像質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1.28%1.28%的鋼的鋼電鏡下：電鏡下：M中存在著大量細(xì)微中存在著大量細(xì)微孿晶孿晶亞結(jié)構(gòu)，又叫亞結(jié)構(gòu)，

29、又叫孿晶孿晶M。見圖見圖8.10 鋼中馬氏體的透射電鏡像，顯示中脊面性能：鋼中馬氏體的透射電鏡像，顯示中脊面性能：硬而脆硬而脆。 因?yàn)樾纬梢驗(yàn)樾纬蒚低（低（200200），條內(nèi)有高密度位錯(cuò)，條），條內(nèi)有高密度位錯(cuò)，條與條成小角度晶界。與條成小角度晶界。(2) (2) 板條板條MM （低碳（低碳MM，位錯(cuò)，位錯(cuò)MM）3. 3. 兩種馬氏體的形成條件兩種馬氏體的形成條件(1) 含碳量含碳量實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明: 含碳量含碳量1.0%的高碳鋼，淬火后得的高碳鋼，淬火后得片狀片狀M。 含碳量在含碳量在0.21.0%之間得之間得板條板條M+片狀片狀M。(2) 合元合元 一般規(guī)律：除一般規(guī)律：除Co、Al外，其他元素溶入外，其他元素溶入A，均能均能Ms，促進(jìn)片狀，促進(jìn)片狀M的形成。的形成。(3) 形成形成T200, 主要形成主要形成板條板條M。 200, 主要形成主要形成片狀片狀M。 4. M的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)碳分布在沿碳分布在沿C軸的扁八面體間隙中，猶如軸的扁八面體間隙中，猶如-Fe的的點(diǎn)陣發(fā)生畸變，點(diǎn)陣發(fā)生畸變，c軸伸長(zhǎng)，軸伸長(zhǎng)，a軸變短，變?yōu)檩S變短，變?yōu)轶w心正體心正方方點(diǎn)陣。點(diǎn)陣。5. M的性能的性能M的的硬度主要取決于其含碳量硬度主要取決于其含碳量：C%，硬度，硬度