材料科學(xué)基礎(chǔ)(上海交大)-第9章

華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮第9章材料的亞穩(wěn)態(tài)華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮9.0

概述9.1 納米晶材料9.2 準(zhǔn)晶態(tài)9.3 非晶態(tài)材料9.4 固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相重點和難點華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮納米晶材料的結(jié)構(gòu)和性能特點;納米晶材料的制備;準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)和性能特點:準(zhǔn)晶的制備;非晶態(tài)結(jié)構(gòu)及其形成;非晶態(tài)材料性能;高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變;比較固態(tài)相變與液·固相變的異同點:

比較脫溶沉淀與調(diào)幅分解的區(qū)別:擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變與非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變的主要特征;馬氏體轉(zhuǎn)變的晶體學(xué)特點與表面浮凸效應(yīng):熱彈性馬氏體與形狀記憶效應(yīng);貝氏體轉(zhuǎn)變特征與轉(zhuǎn)變機(jī)制。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮? 同一化學(xué)成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時的性能不同于平衡態(tài)時的性能，而且亞

穩(wěn)態(tài)可因形成條件的不同而呈多種形式，它們所表現(xiàn)的性能迥異，在很多情況下，

亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會優(yōu)于其處于平

衡態(tài)時的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。

因此，對材料亞穩(wěn)態(tài)的研究不僅有理論

上的意義，更具有重要的實用價值。? 本章多為記憶。9.0

概述華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮穩(wěn)態(tài):體系自由能最低的平衡狀態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)

:體系高于平衡態(tài)時自由能的狀態(tài)的一種非平衡。同一化學(xué)成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時的性能不同于平衡態(tài)時的性能，而且亞穩(wěn)態(tài)可因形成條件的不同而

呈多種形式，它們所表現(xiàn)的性能迥異，在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會優(yōu)于其處于平衡態(tài)時的性能，

甚至出現(xiàn)特殊的性能。因此，對材料亞穩(wěn)態(tài)的研究不

僅有理論上的意義，更具有重要的實用價值。材料在平衡條件下只以一種狀態(tài)存在，而非平衡的亞穩(wěn)態(tài)則可出現(xiàn)多種形式大致有以下幾種類型:(1) 細(xì)晶組織 當(dāng)組織細(xì)小時，界面增多，自由能升高，故為亞穩(wěn)狀態(tài)。其中突出的例子是超細(xì)的納米晶組織，其晶界體積可占材料總體積的

50%

以上;華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮(2)高密度晶體缺陷的存在晶體缺陷使原子偏離平衡位置，晶體結(jié)構(gòu)排列的規(guī)則性下降，故體系自由能

增高。(3)

形成過飽和固溶體特抖料'號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮即溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度超過平衡濃度，甚至在平衡狀態(tài)是互不溶解的組元發(fā)生了相互溶解;(4) 發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變 生成具有與原先不同結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)新相，例如鋼及合金中的馬氏體。貝氏體，以及合金中的準(zhǔn)晶態(tài)相等;(5) 由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài) 由結(jié)構(gòu)有序變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)無

序，自由能增高。9.1

納米晶材料華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮霍爾一佩奇

(Hall-Petch)公式指出了多晶體材料的強(qiáng)度與其晶粒尺寸之間的關(guān)系，晶粒越細(xì)小則強(qiáng)度越高。但通常的材料制備方法至多只能獲得細(xì)小到微米級的晶粒，霍爾一佩奇公式的驗證也只是到此范圍。如果晶粒更為微小時，材料的

性能將如何變化?制得這種超細(xì)晶材料，是

一個

留待解決的問題。自20世紀(jì)80年代以來，隨著材料制備新技術(shù)的

發(fā)展，人們開始研制出晶粒尺寸為納米 (nm) 級

的材料，并發(fā)現(xiàn)這類材料不僅強(qiáng)度更高(但不符合

霍爾一佩奇公式)

，其結(jié)構(gòu)和各種性能都具有特殊

性，引起了極大的興趣和關(guān)注。納米晶材料(或稱納米結(jié)構(gòu)材料)己成為國際上發(fā)展新材料領(lǐng)域中的

一個重要內(nèi)容，并在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)科中引出了新的研究方向一一納米材料學(xué)。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮9.1.1

納米晶材料的結(jié)構(gòu)華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮納米晶材料(納米結(jié)構(gòu)材料)的概念最早是由

H.Gleiter

出的，這類固體是由(至少在

一個方向上)

尺寸為幾個納米的結(jié)構(gòu)單元(主要是晶體)所構(gòu)成。

圖9.1表示納米晶材料的

二維硬球模型，不同取向的

納米尺度小晶粒由晶界聯(lián)結(jié)在

一起，由于晶粒極微

小，晶界所占的比例就相應(yīng)的增大。納米晶材料是

一種非平衡態(tài)的結(jié)構(gòu)，其中存在大量的晶體缺陷。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮納米材料也可由非晶物質(zhì)組成，例如:半

晶態(tài)高分子聚合物是由厚度為納米級的晶態(tài)層華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮和非晶態(tài)層相間地構(gòu)成的(見

圖9.2

)，故是二維層狀納米結(jié)構(gòu)材料。又如納米玻璃的組成相均為非晶態(tài)，它是由納米尺度的玻璃珠和界面

層所組成，如

圖9.3所示，由不同化學(xué)成分物相

所組成的納米晶材料，通常稱為納米復(fù)合材料。圖9.2

半晶態(tài)高分子聚合物結(jié)構(gòu)示意圖華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮圖9.3

納米玻璃的結(jié)構(gòu)示

意圖9.1.2

納米晶材料的性能華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮納米結(jié)構(gòu)材料因其超細(xì)的晶體尺寸(與

電子波長、平均自由程等為同一數(shù)量級)和高體積分?jǐn)?shù)的晶界(高密度缺陷)而呈現(xiàn)特殊的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。表9.1所列的一些納米晶材料與通常多晶體或非晶態(tài)時的性

能比較，明顯地反映了其變化特點。表9.1華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮納米晶金屬與多晶或非晶的性能比較性能熱膨脹系數(shù)比熱容

(295K)密度彈性模量E切檀量 寸斷裂強(qiáng)度單位1

1主居1

1多晶1

1單晶I

tfll*，ll，

10-6K-1 1

1Cu1

116.1

118二J/

(g

XK)1

1Pd1

10.241

1

g/cm3 1

1Fe1

17.91

17.5二

GPa 1

1Pd1

11231

1二GPa1

1Pd1

1431

1EMP

a-1

1 Fe-1.8配 1

17001

1華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮續(xù)表9.1

納米晶金屬與多晶或非晶的性能比較'性能|屈服強(qiáng)度飽和商化強(qiáng)度

(4K)面化車超導(dǎo)臨界溫度擴(kuò)散激活能德拜溫度納米晶材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于其通常多晶狀華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮態(tài)，

表9.1中所舉的高碳鐵(質(zhì)量分?jǐn)?shù)

=1.8%)就是一個突出的例子，其斷裂強(qiáng)度由通常的

700MPa

提高到8000MPa

，增加達(dá)1140%

。但一些實驗結(jié)果

表明霍爾.佩奇公式的強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系并不延續(xù)到納米晶材料，這是因為霍爾

一佩奇公式是根據(jù)位錯塞積的強(qiáng)化作用而導(dǎo)出的，當(dāng)晶粒尺寸為納米

級時，晶粒中可存在的位錯極少，甚至只有一個，

故霍爾一佩奇公式就不適用了;此外，納米晶材料的晶界區(qū)域在應(yīng)力作用下

會發(fā)生弛豫過程而使材料強(qiáng)度下降;再者，強(qiáng)度

的提高不能超過晶體的理論強(qiáng)度，晶粒變細(xì)使強(qiáng)

度提高應(yīng)受此限制。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮納米晶微粒之間能產(chǎn)生量子輸運(yùn)的隧道效應(yīng)、

電荷轉(zhuǎn)移和界面原子禍合等作用，故納米材料的

物理性能也異常于通常材料。納米晶導(dǎo)電金屬的電阻高于多晶材料，因為晶華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮界對電子有散射作用，當(dāng)晶粒尺寸小于電子平均自

由程時，晶界散射作用加強(qiáng)，電阻及電阻溫度系數(shù)

增加。但納米半導(dǎo)體材料卻具有高的電導(dǎo)率，如納

米硅薄膜的室溫電導(dǎo)率高于多晶硅

3個數(shù)量級，高于非晶硅達(dá)

5個數(shù)量級。納米晶材料的磁性也不同

于通常多晶材料，納米鐵磁材料具有低的飽和磁化

強(qiáng)度、高的磁化率和低的矯頑力，納米材料的其他性能，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)、觸媒催化作用等也是引人注目的。9.1.3

納米晶材料的形成華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮納米晶材料可由多種途徑形成，主要歸納于以下

四方面。(1) 以非晶態(tài)(金屬玻璃或溶膠)為起始相，使之

在晶化過程中形成大量的晶核而生長成為納米晶材料。(2)

對起始為通常粗晶的材料，通過強(qiáng)烈地塑性形

變(如高能球磨、高速應(yīng)變、爆炸成形等手段)或造成局域原子遷移(如高能粒子輻照、火花刻蝕等)使

之產(chǎn)生高密度缺陷而致自由能升高，轉(zhuǎn)變形成亞穩(wěn)態(tài)

納米晶。(3)通過蒸發(fā)、濺射等沉積途徑，如物理氣相沉積華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮(PVD) 、化學(xué)氣相沉積(CVD) 、電化學(xué)方法等

生成納米微粒然后固化，或在基底材料上形成納米

晶薄膜材料。(4)沉淀反應(yīng)方法，如溶膠一凝膠

(sol-gel)

，熱處理時效沉淀法等，析出納米微粒。9.2

準(zhǔn)晶態(tài)華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮經(jīng)典的固體理論將固體物質(zhì)按其原子聚集狀態(tài)分

為晶態(tài)和非晶態(tài)兩種類型。晶體學(xué)分析得出:晶體

中原子呈有序排列，且具有平移對稱性，晶體點陣中各個陣點的周圍環(huán)境必然完全相同，故晶體結(jié)構(gòu)

只能有1，2

，3，4

，6次旋轉(zhuǎn)對稱軸，而

5次及高于6

次的對稱軸不能滿足平移對稱的條件，均不可能存

在于晶體中。近年來由于材料制備技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了不符合華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮晶體的對稱條件，但呈

一定的周期性有序排列的類似

于晶態(tài)的固體，

1984年Shechtman等首先報道了他們在快冷

A186Mn14

合金中發(fā)現(xiàn)具有5次對稱軸的結(jié)構(gòu)。于

是，

一類新的原子聚集狀態(tài)的固體出現(xiàn)了，這種狀態(tài)被稱為準(zhǔn)晶態(tài)(Quasicrystalline State) ，此固體稱為準(zhǔn)晶(

Quasicrystal

)。準(zhǔn)晶態(tài)的出現(xiàn)引起國際上高度

重視，很快就在其他一些合金系中也發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶，除

了5次對稱，還有8，10，12次對稱軸，在準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)

分析和有關(guān)理論研究中都有了進(jìn)展。9.2.1

準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)既不同于晶體、也不同于非晶態(tài)。

準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)有多種形式，就目前所知可分成下列幾種

類型:a. 一維準(zhǔn)晶這類準(zhǔn)晶相常發(fā)生于二十面體相或十面體相與結(jié)

晶相之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)變的中間狀態(tài)，故屬亞穩(wěn)狀態(tài)。但在Al6SCu20Fel0M

冉的充分退火樣品中也發(fā)現(xiàn)

一維準(zhǔn)晶相，此時應(yīng)屬穩(wěn)定態(tài)了，它沿著

10次對稱

軸呈六層地周期性、而垂直于此軸則呈八層周期。b. 二維準(zhǔn)晶它們是由準(zhǔn)周期有序的原子層周期地堆垛而構(gòu)成的，是將準(zhǔn)晶態(tài)和晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征結(jié)合在

一起。c. 二十面體準(zhǔn)晶A類二十面體多數(shù)是鋁一過渡族元素化合物，

而B族極少含有過渡族元素。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮9.2.3

準(zhǔn)晶的形成華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮除了少數(shù)準(zhǔn)晶(

AI6SCU20Fe1

oM噸，

AI7SFe10Pd1S

AI

10C04等)為穩(wěn)態(tài)相之外，大多數(shù)準(zhǔn)晶相均屬亞穩(wěn)

態(tài)產(chǎn)物，它們主要通過快冷方法形成，此外經(jīng)離子注人混合或氣相沉積等途徑也能形成準(zhǔn)晶。準(zhǔn)晶的形成過程包括

形核和生長兩個過程，故采用快冷法時其冷速要確當(dāng)控制，冷速過慢則不能

抑制結(jié)晶過程而會形成結(jié)晶相;冷速過大則準(zhǔn)晶的形核生長也被抑制而形成非晶態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)的準(zhǔn)品在一定條件下會轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相，即平衡相。力日熱(退火)促使準(zhǔn)晶的轉(zhuǎn)變，故準(zhǔn)晶

轉(zhuǎn)變是熱激活過程，其晶化激活能與原子擴(kuò)散激活

能相近。但穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)晶相在加熱時不發(fā)生結(jié)晶化轉(zhuǎn)變，定的亞穩(wěn)態(tài)。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮例如Al16Cu2Fe為二十面體準(zhǔn)晶，在

845

C

長期保溫并0不轉(zhuǎn)變。準(zhǔn)晶也可能從非晶態(tài)轉(zhuǎn)化形成，例如

AI-Mn

合

金經(jīng)快速凝固形成非晶后，在

一定的加熱條件下會轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)晶，表明準(zhǔn)晶相對于非晶態(tài)是熱力學(xué)較穩(wěn)9.2.4準(zhǔn)晶的性能步研究。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮到目前為止，人們尚難以制成大塊的準(zhǔn)晶態(tài)

材料，最大的也只是幾個毫米直徑，故對準(zhǔn)晶的研究多集中在其結(jié)構(gòu)方面，對性能的研究測試甚少報道。但從己獲得的準(zhǔn)晶都很脆的特點，作為結(jié)構(gòu)材料使用尚無前景。準(zhǔn)晶的特殊結(jié)構(gòu)對其物理性能有明顯的影響，這方面或許有可利用之處，尚待進(jìn)一準(zhǔn)晶的密度低于其晶態(tài)時的密度，這是由于其原子排列的規(guī)則性不及晶態(tài)嚴(yán)密，但其密度高

于非晶態(tài)，說明其準(zhǔn)周期性排列仍是較密集的。

準(zhǔn)晶的比熱容比晶態(tài)大，準(zhǔn)晶合金的電阻率甚高

而電阻溫度系數(shù)則甚小，其電阻隨溫度的變化規(guī)律也各不相同。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮9.3 非晶態(tài)材料華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮9.3.1 非晶態(tài)的形成非晶態(tài)可由氣相、液相快冷形成，也可在固

態(tài)直接形成(如離子注人、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)。合金由液相轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)(金屬玻璃)的能

力，既決定于冷卻速度也決定于合金成分合金成分與形成非晶能力的關(guān)系是一個十分復(fù)

雜的問題，目前還未能得出較全面的規(guī)律，除了從熔體急冷可獲得非晶態(tài)之外，晶體材料在高能

幅照或機(jī)械驅(qū)動(如高能球磨、高速沖擊等劇烈形變方式)等作用下也會發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變，即從原先的有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序結(jié)構(gòu)(對于化學(xué)有序

的合金還包括轉(zhuǎn)為化學(xué)無序狀態(tài))

，這類轉(zhuǎn)變都

歸因于晶體中產(chǎn)生大量缺陷使其自由能升高，促

使發(fā)生非晶化。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮9.3.2

非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮非晶結(jié)構(gòu)不同于晶體結(jié)構(gòu)，它既不能取

一個晶胞為代表，且其周圍環(huán)境也是變化的，故測定

和描述非晶結(jié)構(gòu)均屬難題，只能統(tǒng)計性地表達(dá)之。在非晶態(tài)合金中異類原子的分布也不是完全無序的，如

B-B近鄰原子對就不存在，故實際上

非晶合金仍具有

一定程度的化學(xué)序。9.3.3

非晶合金的性能華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮非晶合金的結(jié)構(gòu)不同于晶態(tài)合金，在性能上也

表現(xiàn)出與晶態(tài)有很大的差異。1. 力學(xué)性能非晶合金的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為

高強(qiáng)度和高斷裂韌性

。非晶合金的強(qiáng)度與組元類型有關(guān)，金屬一類金華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮屬型的強(qiáng)度高(如

FesOB20非晶)

，而金屬一金屬

型則低一些(如

CUsoZrso非晶)。非晶合金的塑性較低，在拉伸時小于

1%

，但在壓縮、彎曲時有較

好塑性，壓縮塑性可達(dá)

40

%，非晶合金薄帶彎達(dá)

1800也不斷裂。2.

物理性能華才抖料'號基礎(chǔ)戰(zhàn)部級.b.久弩非晶態(tài)合金因其結(jié)構(gòu)呈長程無序，故在物

理性能上與晶態(tài)合金不同，顯示出異常情況。

非晶合金一般具有高的電阻率和小的電阻溫度系數(shù)，有些非晶合金如

Nb-St

，Mo-Si-B

，Ti-Ni-Si等，在低于其臨界轉(zhuǎn)變溫度可具有超導(dǎo)電性。目前非晶合金最令人注目的是其優(yōu)良的磁學(xué)性能，包括軟磁性能和硬磁性能。一些非晶合金很易于磁化，磁矯頑力甚低，且

渦流損失少，是極佳的軟磁材料，其中代表性的是華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮Fe-B-Si

合金

O此外，使非晶合金部分晶化后可獲得10"--'20nm尺度的極細(xì)晶粒，因而細(xì)化磁疇，產(chǎn)

生更好的高頻軟磁性能。有些非晶合金具有很好的硬磁性能，其磁化強(qiáng)度、剩磁、矯頑力、磁能積都很高，例如

Nd-Fe-B

非晶合金經(jīng)部分晶化處理

后(

14"--'50nm尺寸晶粒)達(dá)到目前永磁合金的最高磁能積值，是重要的永磁材料。3.

化學(xué)性能華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮許多非晶態(tài)合金具有極佳的抗腐蝕性，這是由于其結(jié)構(gòu)的均勻性，不存在晶界、位錯、

沉淀相。以及在凝固結(jié)晶過程產(chǎn)生的成分偏析等能導(dǎo)致局部電化學(xué)腐蝕的因素。9.3.4

高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變?nèi)A才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮非晶態(tài)(無定形)高分于可以按其力學(xué)性質(zhì)區(qū)分為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種狀態(tài)。從

圖

9.4可見，高彈態(tài)的高分子材料隨著溫度的降低會

發(fā)生由高彈態(tài)向玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變，這個轉(zhuǎn)變稱為玻

璃化轉(zhuǎn)變。它的轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化溫度

Tgo 如

果高彈態(tài)材料溫度升高，高分子將發(fā)生由高彈態(tài)向粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變溫度稱為粘流溫度

Tfo當(dāng)玻璃態(tài)高分子在

Tg溫度發(fā)生轉(zhuǎn)變時，其華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮模量降落達(dá)

3個數(shù)量級，使材料從堅硬的固體突

然變成柔軟的彈性體(見

圖9.5溫度

)

，完全改

變了材料的使用性能。高分子的其他很多物理

性質(zhì)，如體積(比體積)、熱力學(xué)性質(zhì)(比熱容、

t含)和電磁性質(zhì)(介電常數(shù)和介電損耗、核磁共振吸收譜線寬度等)均有明顯的變化。作為塑料使用的高分子，當(dāng)溫度升高到玻璃華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮化轉(zhuǎn)變溫度以上時，便失去了塑料的性能，變成了橡膠。平時我們所說的塑料和橡膠是按它們的

Tg是在室溫以上還是在室溫以下而言的。

Tg在室溫以下的是橡膠，Tg在室溫以上的是塑料。因此從工藝的角度來看，Tg是非晶態(tài)熱塑性塑料使用的上限溫度，是橡膠使用的下限溫度

Tg

是高分子的特征溫度之

一

，可以作為表征高分子

的指標(biāo)。影響玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的因素很多。因為玻璃化溫度是高分子的鏈段從凍結(jié)到運(yùn)動的一個轉(zhuǎn)變溫度，而鏈段運(yùn)動是通過主鏈的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，所以凡是影響高分子鏈柔性的因素，都會對Tg產(chǎn)生影響。如引人剛性基團(tuán)或極性基團(tuán)、交聯(lián)和結(jié)晶這種減弱高分子鏈柔性或增加分子間作用力的因素都使

Tg升高;如加入

增塑劑或溶劑、引進(jìn)柔性基團(tuán)等這種增加高分子鏈柔性的因素都使

Tg

降低。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn)

.b.久哮9.4

固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮從相圖分析可知，許多材料系中存在著固態(tài)

相變，如同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、包析轉(zhuǎn)變。

固溶體的脫溶分解、合金有序化等。在通常情況下，固態(tài)相轉(zhuǎn)變是擴(kuò)散型的，即相變過程需通過原子的擴(kuò)散來進(jìn)行，但在特定的非平衡條件下，固態(tài)相變也可能是無擴(kuò)散型的，在相變過程中原子不發(fā)生擴(kuò)散，僅藉切變重排形成亞

穩(wěn)態(tài)新相。固態(tài)相變大多數(shù)為形核和生長方式，由于

此過程是在固態(tài)中進(jìn)行，原子擴(kuò)散速率甚低，

且因新、舊相的比體積不同，其形核和生長不僅有界面能，還需克服彼此間比體積差而產(chǎn)生

的應(yīng)變能，故固態(tài)相變往往不能達(dá)到平衡狀態(tài)，

而是通過非平衡轉(zhuǎn)變形成亞穩(wěn)相，且因形成時條件的不同，可能有不同的過渡相。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮這種非平衡的亞穩(wěn)狀態(tài)不僅使材料的組織結(jié)

構(gòu)變化，還對材料性能有很大的影響，甚至出現(xiàn)特殊的性能，恰當(dāng)?shù)赜枰岳?，可以充分發(fā)揮材料的潛力，滿足不同的使用要求。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相類型有多種，這里僅介紹固溶體脫溶產(chǎn)物、馬氏體和貝氏體。固態(tài)相變時為什么常常首先形成亞穩(wěn)過度相?華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮》主要受表面能和應(yīng)變能的制約所致。只有當(dāng)表面能和應(yīng)變能減小，才能有效的減小臨界晶核成功，有利于新相形核。初期，表面能很大，為了減少表面能，形成與母相保持共格關(guān)系的亞穩(wěn)過度相，以便使體系能量降低，有利于相變。9.4.1

固溶體脫溶分解產(chǎn)物華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮當(dāng)固溶體因溫度變化等而呈過飽和狀態(tài)時，

將自發(fā)地發(fā)生分解過程，其所含的過飽和溶質(zhì)

原子通過擴(kuò)散而形成新相析出，此過程稱為脫

溶。新相的脫溶通常以形核和生長方式進(jìn)行，

由于固態(tài)中原子擴(kuò)散速率低，尤其在溫度較低時更為困難，故脫溶過程難以達(dá)到平衡，脫溶產(chǎn)物往往以亞穩(wěn)態(tài)的過渡相存在。1.

脫溶類型:華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮脫溶方式可分為連續(xù)脫溶(連續(xù)沉淀)和不連續(xù)脫溶(不連續(xù)沉淀)兩類。連續(xù)脫溶又分為

均勻脫溶和不均勻脫溶(或稱局部脫溶)。2. 脫溶過程的亞穩(wěn)相過飽和固溶體脫溶分解過程是復(fù)雜多樣的，因成分、溫度、應(yīng)力狀態(tài)及加工處理條件等因素

而異，通常不直接析出平衡相，而是通過亞穩(wěn)態(tài)的過渡相逐步演變過來。3. 脫溶分解對性能的影響

脫溶分解對材料的力學(xué)性能有很大的影響，其作用決定于脫溶相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布等因華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮素。一般來說，均勻脫溶對性能有利，能起到明顯

的強(qiáng)化作用，稱為"時效強(qiáng)化"或"沉淀強(qiáng)化";

而局部脫溶，尤其是沿著晶界析出(包括不連續(xù)脫溶導(dǎo)致的胞狀析出)

，往往對性能有害，使材料塑性下降，呈現(xiàn)脆化，強(qiáng)度也因此下降。9.4.2

馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)A才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮馬氏體轉(zhuǎn)變是一類非擴(kuò)散型的固態(tài)相變，其

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(馬氏體)通常為亞穩(wěn)相。馬氏體名稱

是源自鋼中加熱至奧氏體 (y固溶體)后快速浮

火所形成的高硬度的針片狀組織，為紀(jì)念冶金學(xué)家Martens而命名。馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點是無擴(kuò)散過程，原子協(xié)同作小范圍位移，以類似于孿

生的切變方式形成亞穩(wěn)態(tài)的新相(馬氏體)

，新

舊相化學(xué)成分不變并具有共格關(guān)系。目前己得知，不僅在鋼中，在其他

一些合金系，以及純金屬和陶瓷材料中都可有馬氏體轉(zhuǎn)變，故其含義己是廣

泛了。9.4.3

貝氏體轉(zhuǎn)變?nèi)A才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮貝氏體組織原先是對鋼中過冷奧氏體在中溫范圍轉(zhuǎn)變成的亞穩(wěn)產(chǎn)物而稱的。貝恩C?ain) 和戴文博CDavenport) 在1930年測得鋼中過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線并發(fā)現(xiàn)在中溫保溫會形成一種不同于珠光體或

馬氏體的組織，后人就命名其為貝氏體。貝氏體的光學(xué)組織形貌與其形成溫度有

關(guān)，在較高溫度形成的呈羽毛狀;溫度低時

則呈針狀，于是把前者稱為上貝氏體，后者稱為下貝氏體。后來發(fā)現(xiàn)，除了鋼中貝氏體

組織之外，

一些有色合金中也會發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，形成類似的貝氏體組織。因此，研究

貝氏體轉(zhuǎn)變具有較普遍的意義。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮本章小結(jié)華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮·納米材料是一種典型非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)。它可以通過快冷、強(qiáng)烈塑性變形、PVD

、CVD

以及其它沉積反應(yīng)方法來獲取。由于它在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍，因此量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧穿效應(yīng)以及體積分?jǐn)?shù)超過50%

的晶界結(jié)構(gòu)的影響使納米晶材料呈

現(xiàn)出特殊的力學(xué)、物理和化學(xué)性能?！?zhǔn)晶材料是具有一定周期性有序排列的類似于晶態(tài)但不符合晶體的對稱條件的固體。準(zhǔn)晶態(tài)通常是通過快冷、離子注入或氣相沉積等途徑形成，故大多數(shù)準(zhǔn)晶相屬亞穩(wěn)態(tài)組織。由于準(zhǔn)晶態(tài)不能通過平移操作實現(xiàn)周期性，故不能用

一個晶胞來代表其結(jié)構(gòu)

。

目前較常用的是以拼砌花磚方式的模型來表征準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。華才料科號基礎(chǔ)踐者和穩(wěn).b.久哮·非晶態(tài)材料是另一