纳米材料的马氏体相变.pdf

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1、一?综述一一纳米材料 的马氏体相变上 海交通大 学,材 料科学与工程学院?!#徐祖耀全 学军 摘要简述了纳米材料的定义、制备、结构、性能和应用。总结了马 氏体相变的尺寸效应。概括了近十年来,纳米材料的马氏体相变和热力学研究的最新结果。关键词纳米材料马 氏体相变%&()+(,&%).&/%+.)+)01213%.?,45461#7%8 8!9&1:1&(;%(&+%89?!.%(&+%89+()(%);)梦)(&+),9卜%)对超导氧 化 物?如5%2:1。#和金属间化合物?如7#等多种材 料。母相 晶粒大 小对 马氏体相变开始温度的影响 是母相 强化因素和缺陷组态是 否有利于马氏体形核的综合效

2、果”。(一7+是具有典型。?马 氏体相变的合金,:(和,盯)1 88研究了 用氢气还 原制 备含 _7+、颗粒?以上颗粒为单晶#大小为 一!拜/的(7+样品,发现 马 氏体形成量随颗粒尺寸减小 而显著降一一?一戮夔黔赞,一蒸?资方鑫遮夔瑟一瓣夔瓣二餐曝髯图 纳米材料的分类示 意图,按晶粒形状分层状、棒状和等轴晶粒三大类!按晶粒的化 学组成又可分成晶粒组成相同、晶粒组成不同、晶粒与晶界组成不同和晶粒 弥散在不同的荃 体中等四组?自#%&(提 出纳米晶体)+,。./&+#%,0概念以来,已发展了多种制备方法,主 要有以下四类1)20超细粒子)3#,40固结法)5,/#%6+&%,0!)70在传统粒

3、 晶材料中通 过严 重 畸变)如 高能球 磨8%98,9.:+#;4%#%,9、高 能 辐 射8%98,9.%+6%+&%,等0加工、引入高密度晶格缺陷)如位错、晶界等0的方法!)50非晶、过 冷 金属的结晶化和过饱和 固体、液体中 的沉淀等方 法!)0在合适衬底材料上沉积原 子)5=和7纳米材料晶格常数随晶粒尺寸而变化“。纳米材料的优异性能主 要表现在力学上的高强度、高硬度和 良好的塑性及韧性!磁学上的高矫顽力,高的剩磁和超顺磁弛豫!光学上,同成分不 同晶粒大小的半导体可以发不同的光!电学上,电阻高于同类粗晶材料,巨磁阻)0现象明显!热 学上,比热 大于同类粗晶材料!以及固溶性增强,烧结 温

4、 度降低,化学 活性强,良好 的催化 特性 和抗腐蚀能一一)热处理0低,如图!一刁卜 曰曰曰?曰;江弓认匕户两丫一5 效应得到。与;一“,有线形关系”,。,晶粒大小对形状记忆效应?形状回复率#的影响则显示一个极大值。在价廉而加工方便具有应用前景的(一)一9+形状记忆合金中,母相晶粒大小并不 显著影响,但尚未研究对形状记 忆效应的影响。已经揭示合金、金属 和氧化物纳 米 材 料 均具有反常的6%8 8一(效应,见图一,卜。一一二二了曰!们,一鸣2:?#4尹,一!一!图金属:1纳米材料显微硬度 与晶粒线度的一 次方的关系8一8口。乃?#省一。饭,、?4!一尼20#闷刀!9:旧8?#4产/图声发射和

5、电阻法测得(一7+合金的温度与晶粒大小的关系。热处理#口口少口二一”尹肠。一份勺图合金(一。一 9+一纳米材料显微硬度与晶粒线度的一 次方的关系。47.4一一丑傲。几万1布不图金属氧化物,2纳米材料显微硬度与晶拉线度的一 次方 的关系4其 内在机制还未阐明,这种反常效应 对 马 氏体相变及 材料特性的影 响 尚待进一步探求。纳米材料的马氏体相变纳 米 材料 晶粒尺寸?!)/#远 小于粗晶材料,其 马氏体相变很可能呈 现完全 不 同的变化规律。%=+%&%等研究了氢气等离子反 应制备 含 一%_7+的(一7+、纯:.和含一%_(的:.一(、晶粒尺度为!?!)/纳米材料的马 氏体相变,发现在室 温

6、以上时,其马 氏体相变特征参数与粗晶块材无 明显 区别当 在室温以下,即使存在大量形变缺陷,仅靠冷却也难使纳米材料诱 发马 氏体相变,未阐 明其 内在原 因 。2.1等研究了 用 浮熔法 制备、颗粒尺寸为!?!)/、含 一_7+的(一7+纳米样品,得 到%=+%&%相似的结果,他 们认为残余奥氏体在室温下的稳定化是 由于低温小颗粒晶体塑形变形困难所引起的。赵新清”口等以:2激光气 相热 解(?:#一76,在室温获得了单相3一(?7#纳米微粒,粒径为!一8.)/,氮含量根据反 应参数的 不 同可 在4%_ 至!4%_之 间变化。在由高温冷至室温及随后的深冷过 程中,羊(?7#纳米微粒不发生马 氏

7、体相变,尽管这些粒子中含有许多 可供马氏体非均 匀形核的缺陷。对纳米 奥 氏体粒子马氏体相变热力学计算后 认 为,了一(?7#微粒的稳定性是 由于两 个 方面原 因所致。粒径变小后,粒子 的表面张力所导致 的附 加压应力 急剧增大同 时纳米材料 的晶粒 细化引起屈服强度提高。这两方面的作用 阻碍了马 氏体的切变过程,使马 氏体相变在 冷却中不能发生。他们对3一(?7#纳米微粒的高压?!4一4%#诱发马氏体相变的研究表明,马 氏体 在!49%下已开始 形成,转变量随压 力的增大而增 加。而且,由高压诱发纳米粒子中的马 氏体亚结构和块体粗晶材料中的典型形 态一孪晶和位错有所不同。对纳米 材料的热

8、力学研究也有 报道,&3%).等根据表 面热力学的观点,对在 室温下获得的高温稳定相微粒的现象作了定性的解释“,导得微粒和体材料相变温度的差值为,?,下?入#,其 中,为平衡 相变点,入为单位体积的相变潜热,3为表面能,为粒子 的线度或直径。卢柯用热力学基本关系式计算了非晶态合金晶化过程相应热力学参量?焙、嫡及自由能#的变化,!,在非晶态 向 晶体转变中,嫡变9为负值而非晶态向纳米 晶体的相变过 程 中,嫡变9为正值4表明纳米 晶体的嫡大于非晶态的嫡,而且,随温度的升高,9值和焙变6值均增大,而相变自由能差却变小,这两种相变过 程热力学参量的明显差别说明纳米材料 中的界面在相变热力学 中起作用

9、。综上 所述,纳米材料的兴起才十余年,人们对其相变的研究还 刚刚开始。为有效开发新材料,宜深入开展纳米材料的相变,尤其是马氏体相变的研究。参考文献4+&+)(&,46(&,%);64 8(+(&,&%)4 91 84,?#?转引 自马学鸣,热处理,?#444:%),7%1&(,?!#4448+%.,);(%.&,?#464 8(+(&,7%).&1(1&(;%(&+%8,?#4一一热处理#47.49,星兆,柳襄怀,材料导报,一?#4张立德,牟季美,纳米材料学,辽宁科学技术出版社,沈阳,年40421,4+&+)(&,46(&,%);64 8(+(&,3,(4?#!44(&.),49+(8,%(&

10、,(49.(493/4&.(4?#4404+,464+)46445(,0454+),%);04+4)&4一!?#4 7%).8(&%(&+%8(+%8+1(49+()(?#!?4 徐祖翅,金属热处理学报,?#4 徐祖翅,马 氏体相变 与马氏体,科学出版社,北京,初版,。年,年,再版,印刷中444:(%);4,1&)18 8,4(&4,?#4 54%);.,&%)4)4)4(&4,?#4 4&%1 ,44%+%);64 8(+(&,(&%(%8 84,?#4 44.8.),4,1%?+%);4:.(),+)(,1&)188 3/.+1/%(,&%).&/%+.)+):.);()(;9邓(/,49

11、4:%888,49%()%);474,1,;4,%(&4(49 493/4&.(4,?#4 4:.(),%(&4,&%),?#44041,464+%),%);,45461?01213%.#,(%(&4,?#4!44,1,464+%),45461?01213%.#%);4042.),+4?#4 464+%),04!,4045%),442.1%);,45461?01213%.#,(%(&4,?#!4 464:.?+,4.(),%);64 8(+(&,9&+4%(&4,?#4 044+1,&+4(%8 84%(&4,?#4 41,4491+,9(&+4(%8 84%(&4?#4 4%=+%&%,4.

12、).%);46.)/%,+84%4?#4 5+)一1+2.1,46%/(8+)%);+4)&4,?!#4 赵新清,博士论文,中国科学院沈阳金属研究所,所4 4&3%).,%);44,&1.,&.4%(&49+4,?#4 卢柯,金属学报,!?#84!41,34(4?#4产,产 尸、,廿尹、,子产,洲沪气、“尹、户、尹子、尹、“矛 4、匆产、韶户户、矛尹、洲尹、碑尹,、4&4,创尹、,尸内,“砂,、碑尸,、砂翻、尸、研沪、尸、如尸尸、碑沪、“子内、尹 沪、洲尹、?产4、子、沪?、洲子,、尹、“尹、尹、目口声向、训4、沪,、砂产、“?动态与信息一哈尔滨工业大学材料科学与工程学院代表团来沪作学术报告

13、年)月!日,在上海交通大学召开学术交流会并欢迎哈尔滨工业 大学材料科学与工程学院代表团来沪传经送宝4参加欢迎会的有上海交通大学张 申坤副校长、上海交大材料科学与工程学院院长吴建生教授、中国工程 院院士上海交大徐祖耀教授以及上海市热处理学会、协会 的有关领导和上海市有关科技工作者近!名人员参加会议。会上由中国工程院院士哈尔滨工业大学?以下简称哈工大#雷廷权教授 作“形变化学热处理”学术报告哈工大夏 立芳教授作“等离子体淹没离子注入的原理及应用”学术报告哈工大材料学院院长周玉教授 作“碳化硅片晶增韧%十氮化 硅基9 7陶 瓷复合材料”学术 报告哈工大王德尊教授作“铝基复合材料 的研究进展”学术报告。上述内容均是目前国内外正在研 究开发 的热处理高新技术。哈工大在基础理论 的应用方面作了大量的试验研究工作,有的已得到 了专利发明证书,有的已在导弹等尖端科学技术上得 到实际应用。这次学术报告引起与会 者的很大兴趣和启发,深受与会者的欢迎。屠恒悦?热处理47.4一一