材料成型原理6.4非晶準晶納米晶微晶.ppt

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1、大連理工大學(xué)材料學(xué)院本科生課程材料成形原理——液態(tài)成形原理主講教師：姚曼教授大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院6凝固組織及其控制Solidificationstructure6凝固組織及其控制6.1晶粒組織6.2鑄態(tài)宏觀組織6.3影響晶粒結(jié)構(gòu)因素6.4非晶態(tài)固體、準晶、納米晶、微晶←6.5凝固組織控制6.6熔焊金屬的凝固6.4非晶態(tài)固體、準晶、納米晶、微晶凝固速度加快，結(jié)晶組織變細，形成下列組織：微晶納米晶準晶非晶態(tài)這是一個正在發(fā)展中的、受重視的研究領(lǐng)域。6.5.1非晶態(tài)相（amorphous）當凝固過程不發(fā)生結(jié)晶行為，就形成非晶態(tài)固態(tài)材料。這種材料統(tǒng)稱為玻璃（g

2、lass）。可分為：無機玻璃（通常簡稱為“玻璃”）有機玻璃金屬玻璃（非晶態(tài)金屬）。非晶態(tài)固體的磁、電、力學(xué)和化學(xué)性能與晶態(tài)都有差別，呈現(xiàn)出一些獨特的現(xiàn)象。形成非晶態(tài)合金的能力與材料成分密切相關(guān)。凝固組織和相應(yīng)需要的冷卻速度因材料而異.非晶態(tài)材料由過冷液體獲得玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg轉(zhuǎn)變的控制因素是冷卻速度。快速冷卻產(chǎn)生快冷無序（quencheddisorder）效應(yīng)，液相轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)固體。非晶態(tài)相的形成存在一個稱為非晶態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度范圍，轉(zhuǎn)變溫度隨著冷卻速度的增加而升高。非晶態(tài)轉(zhuǎn)變溫度越低，過冷液體的溫度越低，非晶態(tài)固相的密度就越高。玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg隨冷卻速度變化

3、高速冷卻下金屬凝固成非晶態(tài)金屬薄帶(高速攝影）通過極高的冷卻速度，是獲取非晶態(tài)金屬的途徑之一非晶態(tài)相的結(jié)構(gòu)可以用X射線、中子、電子的衍射和擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜（EXAFS）獲取非晶態(tài)材料結(jié)構(gòu)的信息。非晶態(tài)固相的電子衍射花樣是由較寬的暈和彌散的環(huán)組成，沒有表征結(jié)晶態(tài)的任何斑點和條紋（明銳的環(huán)）。非晶態(tài)Pd-20at.%Si合金透視電子衍射花樣（100kV）非晶態(tài)Se（硒）的徑向分布函數(shù)非晶態(tài)或玻璃態(tài)固體是一種無序材料，它們沒有長程有序結(jié)構(gòu)。實驗依據(jù)：非晶態(tài)固相的衍射圖譜和徑向分布函數(shù)沒有表征結(jié)晶態(tài)的任何特征。非晶態(tài)存在短程有序。像在熔點附近的液體一樣，在一個

4、原子間距數(shù)量級的范圍內(nèi)有序非晶態(tài)相的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)相在電子顯微鏡下看不到晶界和晶格缺陷等形成的衍射反差。表明它是質(zhì)點無規(guī)則的、無周期性重復(fù)排列的固體。也就是說，原子在空間排列無長程序，不存在晶格結(jié)構(gòu)、晶粒、晶界和各向異性。非晶態(tài)和液態(tài)的結(jié)構(gòu)較為相近，但有質(zhì)的差別。固體中分子只能在點陣的陣點附近振動。而液體和氣體中的分子則可以自由移動。非晶態(tài)相與晶體、液體結(jié)構(gòu)的區(qū)別非晶態(tài)相結(jié)構(gòu)理論晶子模型（CrystalliteTheory）認為非晶態(tài)相是由一些稱為晶子的很小的晶體的集合體組成。無規(guī)網(wǎng)絡(luò)（RandomNetwork）模型認為非晶態(tài)材料由沒有規(guī)則重復(fù)性的多面體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

5、。硬球無規(guī)密堆模型是目前公認較好的非晶態(tài)金屬模型，例如Bernal模型，在液態(tài)結(jié)構(gòu)理論中介紹的。非晶態(tài)固相結(jié)構(gòu)模型是一個需要深入研究的課題。非晶態(tài)相的穩(wěn)定性非晶態(tài)在熱力學(xué)上屬于亞穩(wěn)態(tài)，體系的自由能比對應(yīng)的晶態(tài)材料高，但是，要它轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，須要克服一定的能量勢壘。Tm

6、ientationalorder）排列，但無平移周期性，不符合晶體的對稱條件。1984年，在快速凝固的Al-14at.%Mn合金中，首先觀察到準晶這種從熔體直接形成的金屬固體。在速凝的含有10-14at.%Mn、Fe或Cr的Al合金中，都觀察到尺寸達2μm的準晶顆粒。它類似一個單晶體衍射電子，衍射班點與晶體一樣明銳。但是具有20面體的點群對稱性(m)，無平移周期性，不符合晶體的對稱條件。準晶的發(fā)現(xiàn)p200案例6.10準晶的發(fā)現(xiàn)p200案例6.10選擇區(qū)域的電子衍射花樣清晰地顯示20面體對稱的6個5重、10個3重和15個2重軸的特性，它不屬于任何一種Bravai

7、s點陣。衍射數(shù)據(jù)與無規(guī)不重疊堆集、邊沿接觸的平行20面體模型很好地相符合。取自一個20面體相單晶粒的選擇區(qū)域電子衍射花樣a-20面體群m35的對稱單元的立體平畫法的投影圖Shechtman因為這項研究獲得2011年諾貝爾化學(xué)獎分析這種準晶界面的生長速度為10-2m/S量級，形成時間為10-4s。這種準晶是亞穩(wěn)相。在300°C加熱6h和350°C加熱1h未發(fā)現(xiàn)晶體化轉(zhuǎn)變。400°C加熱1h轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的Al6Mn晶體。準晶結(jié)構(gòu)有多種形式電子衍射圖中除了5重對稱外，還有10重等其他對稱軸的斑點分布。如：深過冷（過冷度為90K）Al72Ni12Co16合金凝固形成的準

8、晶a-組織由等軸形態(tài)的準晶組成，黑斑是