非平衡材料讲解
平衡结晶和非平衡结晶
平衡结晶和非平衡结晶
结晶是物质从液态或气态转变成固态的过程。
在这个过程中，原子之间的排列有序，形成晶体结构。
结晶过程可以分为平衡结晶和非平衡结晶。
平衡结晶是指在热力学平衡状态下进行的结晶过程。
这种结晶过程在温度、压力和化学势等方面达到平衡状态。
在平衡状态下，物质的结构和性质可以达到最稳定的状态。
在平衡结晶过程中，物质的成核和生长过程是同时进行的。
成核是指原子或离子聚集在一起形成微小的晶体核，生长是指晶体核在固液界面上生长成为晶体。
平衡结晶过程产生的晶体形态和性质比较规则，是最有序和最稳定的结晶状态。
非平衡结晶的主要特点是快速实现，具有高效性和节省能源。
这种结晶方式常常用于铸造、淬火等工艺过程中，可以显著提高材料的性能和质量。
例如，高温下迅速凝固可制得非晶态合金，其硬度和强度远高于传统的晶态合金。
虽然非平衡结晶有很多优点，但也存在着一些问题。
由于成核和生长过程分开进行，难以控制晶体尺寸和分布。
此外，非平衡结晶产生的晶体具有不规则的形态，会对材料的性质和性能产生不利影响。
因此，对于一些需要具有规则晶体结构材料的应用，适用于平衡结晶。
例如，电子元器件、电池等高精度材料制造，需要具有规则、可预测的晶粒尺寸和方向，这些都需要进行平衡结晶。
综上所述，平衡结晶和非平衡结晶各有优缺点，应根据材料的应用场景和要求选择适合的结晶方法。
在实际应用中，随着科学技术的不断进步和发展，结晶技术也将不断创新和完善，以满足各种复杂材料的制备需求。
非平衡材料
稳态、亚稳态、非稳态
4.1 非晶合金
4.1.1 基本概念
晶体：原子、离子或分子按照一定的空间顺 序排列而成的固体。例如食盐、明矾、金属 等。 非晶：不具有晶体结构的固体。
4.1.1 基本概念
过冷液体：冷却速度很快，不能实现从液相 到固相的转变时，在凝固点以下仍能够保持
液相结构的物质形态。
非晶合金的种类
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
过渡族金属 / B、C、Al、 Si等 过渡族金属的左 / 过渡族 金属的右
金属（Mg、Ca、Sr） / 金属（Al、Zn、Ga）
4.1.2 非晶合金的制备方法
液相凝固控制法： 薄带、细丝、粉末
气相凝缩控制法： 薄膜、超细粉 固相反应控制法： 粉末（固相扩散、 气体吸收）
在工频中大量使用，成本逐渐向硅钢接近。纳米晶合金在
中高频段性能远高于锰锌铁氧体，解决批量生产和成本问 题之后，将成为中高频电源变压器的首选材料。纳米晶合
金在某些抗电磁干扰滤波器已经代替镍锌铁氧体，今后还
会扩大使用范围。复合纳米磁性材料在100mhz至10ghz将 与镍锌铁氧体争夺使用领域。
我国非晶合金材料基本实现产业化
4.1.4 应用与将来展望
特性
强韧性
有希望得到应用的领域
线、导轨、弹簧、应变传感器、复合 件 油净化过滤、化学装置、医疗器械 磁性屏蔽、磁头、耳机磁芯、磁过滤 振子、延迟线、传感器元件 氦气液面计、磁场传感器
耐腐蚀
软磁 磁滞伸缩 超导
非晶合金干式变压器
非晶合金干式变压器,具有如下三大突出优点
原子的易动度随温度的降低而下降，进一步 冷却，得到固体状态、液体结构的物质。
第五章非平衡载流子讲解
外界微扰引起过剩空穴的小注 入之后，n型半导体的内部状态
5.2 非平衡载流子的寿命
外界作用：注入△n， △p使
n0 n, p0 p,
f 0 (E) f n (E) f p (E)
载流子按能量的分布变化 撤消外界作用，则
n n0 , p p 0 ,
f n (E) f p (E) f 0 (E)
tdp(t ) dp
0
te dt e dt
t
t
0
τ称为非平衡载流子的平均寿命
5.2 非平衡载流子的寿命
光电导率衰变测量的示意图
5.2 非平衡载流子的率的瞬态响应（x轴ms,y轴Mv)
5.3准费米能级
半导体处于热平衡状态时，整个半导体有同意的费 米能级，统一的费米能级是热平衡状态的标志。
Ec E F n0 N c exp( ) K 0T
平衡状态下
E F Ev p 0 N v exp( ) K 0T EF n0 E c K 0T ln Nc p0 E v K 0T ln Nv
5.3准费米能级
非平衡载流子注入，就不再存在统一的费米能级了。
但在同一能带内，由于载流子之间的相互散射，很快
第五章非平衡载流子
5.1非平衡载流子的注入与复合 5.2 非平衡载流子的寿命 5.3准费米能级 5.4复合理论
5.5 陷阱效应
5.6 载流子的扩散方程
5.7 载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式
5.8 连续性方程
5.1非平衡载流子的注入与复合
非简并半导体，处于热平衡时，电子浓度n0，空穴 浓度P0
n0 p0 ni2 N c N v e
有色金属非平衡凝固技术___概述及解释说明
有色金属非平衡凝固技术概述及解释说明1. 引言1.1 概述有色金属非平衡凝固技术是一种重要的材料制备方法，其基本原理是通过控制凝固过程中的温度梯度、成分梯度和富集分离场等参数，使材料在非平衡状态下形成特殊的微观组织结构。
这种凝固方式可以有效地调控有色金属的物相形态、晶体缺陷、晶粒尺寸以及成分分布，从而改善材料性能。
1.2 文章结构本文将首先对非平衡凝固技术进行概述，包括其基本原理以及在有色金属领域的发展历程和应用情况。
然后将详细介绍有色金属非平衡凝固技术的要点一，包括物相形态控制、晶体缺陷控制和富集分离场调控。
接着将阐述有色金属非平衡凝固技术的要点二，包括温度梯度与界面稳定性控制、凝固速率与晶粒尺寸控制以及成分梯度与区域功能化调控。
最后，在结论部分总结本文所讨论的有色金属非平衡凝固技术概况和要点，并展望其未来的发展方向和应用前景。
1.3 目的本文的目的旨在系统地介绍有色金属非平衡凝固技术，包括其基本原理、发展历程、应用情况以及关键要点。
通过深入了解该技术，读者将能够全面把握有色金属非平衡凝固技术在材料制备中的作用和优势，为相关领域研究人员提供参考和借鉴。
同时，本文也希望能够促进该领域发展并探索更多应用潜力。
2. 非平衡凝固技术概述:2.1 非平衡凝固的基本原理：非平衡凝固是指通过控制冶炼过程中的温度场和组元分布等参数，使材料在高温下迅速冷却，并利用其特殊的物理化学性质实现晶体形态和组织结构的调控。
相对于常规凝固技术，非平衡凝固技术能够获得更优秀的材料性能。
2.2 有色金属非平衡凝固技术的发展历程：有色金属非平衡凝固技术经历了长期的发展过程。
起初，人们主要依靠试验和经验进行非平衡凝固工艺的探索与研究。
随着计算机技术和数值模拟方法的进步，人们开始使用数值模拟手段来揭示非平衡凝固过程中各种物理和化学行为之间的相互作用关系。
此外，还应用了多种先进成像、表征和分析手段来观测和评价非平衡凝固材料的微观结构与宏观性能。
材料力学中的非平衡态现象分析
材料力学中的非平衡态现象分析第一章引言材料力学是研究材料在力的作用下的变形与破坏行为以及固体结构、热力学性质的学科。
非平衡态现象是材料力学中的重要研究方向之一，主要指热力学方面的非平衡态现象。
在材料失去平衡状态时，会产生各种不同的现象，包括固体的塑性变形、材料的流动和裂纹扩展等。
这些现象与材料的应力和应变分布有着密切的联系，因此对非平衡态现象的深入研究能够进一步揭示材料的本质、特性和行为。
本文旨在探讨材料力学中的非平衡态现象的研究现状、分析方法和应用前景。
第二章非平衡态现象研究现状2.1 塑性变形固体的塑性变形是材料力学中研究非平衡态现象的重要方向之一。
固体在载荷下受力变形，常被认为是由于分子、离子、电子、原子等在空间中的相互作用而实现的。
当应力达到材料的屈服强度时，材料发生塑性变形。
塑性变形是非可逆的、局部的和不规则的，并且常伴随着能量损失。
塑性变形的研究对于揭示材料的塑性特性、应力场分布、力学行为等方面有着重要意义。
2.2 流动现象流动现象是材料力学中非平衡态现象的另一个重要方向。
在三维空间中，流体分子之间相互作用力的传递会导致流动现象的出现。
流体分子之间相互作用力的传递通常是随机和非规则的，这决定了流动是不可逆的和不稳定的。
流动现象在材料力学中的研究对于揭示材料的流态输运特性、材料形变和失稳行为等方面有着重要意义。
2.3 裂纹扩展裂纹扩展是材料力学中非平衡态现象的另一重要方向。
裂纹扩展是指裂纹在材料中扩展的过程。
材料受到载荷时，发生应力集中，导致材料中出现裂纹。
裂纹在加载的过程中不断扩展，导致材料的变形和破坏。
裂纹扩展的研究对于揭示材料的断裂特性、疲劳寿命等方面有着重要意义。
第三章非平衡态现象分析方法3.1 经典力学分析经典力学分析是材料力学中非平衡态现象分析的基本方法。
经典力学可以通过对材料受到的外力、内力、应力和应变进行建模和分析，从而揭示材料的力学行为和非平衡态现象。
经典力学分析的主要方法包括有限元法、应力相似法、材料力学参数等。
第四章 材料相变的动力学特征及非平衡相变资料.
第四章 材料相变的动力学特征 及非平衡相变
process
solidification
forming
Heat-treatment
Fe-C合金平衡冷却到室温----组织与成分一一对应
A
L+
H
温N 度
J
A
B
L
A+ L+A
D
E S
P A+ Fe3CⅡ
C
A+ Fe3C
Le
L+ Fe3C
F
G
F
P
A+F
形成温度为600-550℃，片层极薄，需电镜下才可辨，
用符号T 表示。
光镜形貌
电镜形貌
珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是 形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。
片间距越小，钢的强度、硬度
越高，而塑性和韧性略有改善。
片间距
b
HRC
2、珠光体转变过程
珠光体转变也是形核和长大的过程。 渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形 成，在长大过程中，其两侧奥氏体 的含碳量下降，促进了铁素体形核。 两者相间形核 并长大，形成 一个珠光体团.
随转变温度降低（过冷度增加），原 子在固体中扩散越来越困难，分别会
发生：
1）珠光体转变 2）贝氏体转变
3) 马氏体转变
一、 珠光体转变 pearlite 1、珠光体的组织形态及性能
过冷奥氏体在 A1(727 ℃)到 550℃间将转变为珠光体类 型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物。
光镜下形貌
织转变的规律称热处理原理。
热处理工艺：根据热处理原理制定
《非平衡组织实验》课件
生物学
在生物学领域，非平衡组织实验被用 于研究生物组织的生长、发育和功能 ，如骨骼、肌肉、神经等。
医学
非平衡组织实验在医学领域中用于研 究人体组织的生理和病理过程，如肿 瘤生长、骨关节炎等。
环境科学
在环境科学领域，非平衡组织实验被 用于研究生态系统的结构和功能，如 土壤、水体、森林等。
实验改进方向
01
03 02
实验原理
01
非平衡组织是由于生物体内基因突变、环境变化等因素导致的 组织结构异常。
02
非平衡组织的形成与生物体的遗传、环境、发育等多个因素有
关。
通过实验观察非平衡组织的形态、结构、功能等方面的变化，
03
可以深入了解生物体的适应性和进化过程。
实验步骤
准备实验材料
选择适当的生物材料，如哺乳动物、昆 虫等，并准备显微镜、染色剂等实验器
结论解读
对实验结论进行深入解读，探讨其对非平衡组织研究 的贡献和影响。
未来研究方向
根据实验结论，提出未来研究的方向和展望，促进非 平衡组织研究的深入发展。
04 非平衡组织实验应用与展望
实验应用领域
材料科学
非平衡组织实验在材料科学领域中广 泛应用于研究材料的微观结构和性能 ，如金属、陶瓷、高分子等。
详细描述
某学校班级发现教学资源分配不均，部分学生无法得到充分的学习支持。通过 优化教学资源分配，使每个学生都能获得必要的学习资源和关注，提高了教学 质量和学生的学习效果。
THANKS 感谢观看
数据核对
对整理后的数据进行核对，确保数据的准确无误。
结果分析与解读
数据分析
运用统计学方法对实验数据进行处理和分析。
结果解读
根据数据分析结果，解读非平衡组织实验的意义 和作用机制。
共析反应非平衡结晶其组织特点
共析反应非平衡结晶其组织特点1. 概述共析反应非平衡结晶是指两种或多种化合物在固相状态下同时析出的非平衡结晶过程。
在共析反应的条件下，由于结晶过程的非平衡性，产生的晶体组织结构具有一些特殊的特点。
本文将从晶体形貌、晶体结构、晶界特性和材料性能等方面，对共析反应非平衡结晶的组织特点进行探讨。
2. 晶体形貌在共析反应非平衡结晶过程中，由于各相的成核和生长速度不同，晶体形貌常常具有不规则性。
在铸铁中的共析组织即为一种非平衡结晶，其晶体形貌呈片状、网状和角状等不规则形状，与平衡结晶相比，其形貌更为复杂。
3. 晶体结构共析反应非平衡结晶的晶体结构也表现出一定的特点。
由于晶体生长的速率和条件不同，导致晶体内部的构造不均匀，局部存在着晶格畸变和缺陷。
这些畸变和缺陷会影响晶体的力学性能和物理性质，因此非平衡结晶的晶体结构具有一定的不规则性和复杂性。
4. 晶界特性在共析反应非平衡结晶中，由于不同成分的晶体相互交错生长，晶界的特性常常十分复杂。
晶界是晶体内部的一个重要界面，其性质对材料的性能和行为具有重要影响。
在共析反应非平衡结晶中，晶界的结构和能量常常呈现出不规则和复杂的特点，对晶体的性能产生着重要影响。
5. 材料性能共析反应非平衡结晶所形成的材料具有独特的性能。
由于晶体的不规则形貌、复杂结构和特殊晶界特性，这些材料常常表现出优异的物理和化学性质。
在合金材料中，共析反应非平衡结晶所形成的晶体常常具有较高的强度和硬度，同时具有良好的耐腐蚀性能。
6. 结论在共析反应非平衡结晶过程中，由于晶体的生长条件不均匀，产生的晶体组织结构具有一些特殊的特点。
其不规则形貌、复杂结构和特殊晶界特性赋予了这些材料独特的性能，对其性能和行为产生着重要影响。
对共析反应非平衡结晶的组织特点进行深入研究，有助于揭示材料的内在本质和提高材料的性能，具有重要的理论和应用价值。
7. 共析反应非平衡结晶的研究意义共析反应非平衡结晶不仅在材料科学领域具有重要意义，在地质学、化学工程、冶金工业等领域也有着广泛的应用。
铁碳合金的平衡组织与非平衡组织教学课件
探索铁碳合金的组织结构，了解平衡组织与非平衡组织的基本知识和重要性。
概述
铁碳合金是由铁和不超过2.11%碳组成的合金。学习铁碳相图有助于了解铁碳 合金的性质和组织结构。
平衡组织
定义
平衡组织是指在平衡状态下，由平衡相组成的 组织结构。
形成条件
铁碳合金的冷却速度应符合相图的冷却曲线。
组成
相图中的相区，包括铁素体、珠光体、马氏体 等。
性质
不同平衡组织的性质不同，例如费氏体硬度高、 强韧性好，马氏体脆。
非平衡组织
神经体
形成于高温下冷却速度过快，硬度高。
上部贝壳体
形成条件比神经体更苛刻，脆性更高。
下部贝壳体
由残余奥氏体转变而成，硬度高、韧性好。
飞鱼体
形成于低温下退火，性质与稳定珠光体相似。
参考文献
• 《材料力学》 • 《材料力学及应用》
合金组织的重要性及应用
重要性
合金组织直接影响合金材料的性能和使用寿命。
应用
合金材料广泛应用于制造业的各个领域，如航 空、航天、兵器、汽车、机械等。
结论
学习铁碳合金的平衡组织和非平衡组织有助于理解铁碳合金的性质和应用。 合金组织对合金材料的性能和使用寿命有重要影响。 未来，随着新材料、新工艺的发展，铁碳合金的应用将更广泛。
平衡组织与非平衡组织的比较
1
组成
平衡组织由平衡相组成，非平衡组织由
形成条件
2
非平衡相组成。
平衡组织的形成需要符合相图，非平衡
组织则需要快速冷却或退火。
3
Hale Waihona Puke 性质平衡组织与非平衡组织的性质差异很大， 例如硬度、韧性、脆性等。
高中物理非系统平衡教案
高中物理非系统平衡教案
教学内容：非系统平衡
教学重点：非系统平衡的定义、相关知识点的应用
教学难点：理解非系统平衡的概念，运用所学知识解决相关问题
教学准备：
1. 粉笔、黑板
2. 教学PPT
3. 实验器材（如弹簧、挂钩等）
教学过程：
一、导入（5分钟）
老师用实例引导学生思考：日常生活中有哪些物体处于非系统平衡状态？如何判断一个物体是否处于非系统平衡？
二、概念解释（10分钟）
1. 老师通过PPT介绍非系统平衡的概念，并讲解相关知识点。
2. 老师与学生一起讨论非系统平衡状态下物体的特点和造成非系统平衡的原因。
三、实验演示（15分钟）
1. 老师进行实验演示，展示非系统平衡状态下物体的行为，并引导学生观察实验现象。
2. 学生观察实验现象，总结实验结果，并与老师讨论。
四、问题解决（15分钟）
1. 通过讨论，学生尝试解决一些与非系统平衡相关的问题。
2. 老师指导学生如何运用所学知识解决问题，并提供帮助。
五、课堂小结（5分钟）
1. 老师总结本节课的重点内容，强调非系统平衡的重要性。
2. 学生回答问题，确认对本节课所学知识的掌握情况。
六、作业布置（5分钟）
1. 布置相关练习题，巩固本节课所学知识。
2. 提醒学生复习、准备下节课内容。
教学反思：
通过本节课的教学，学生深入了解了非系统平衡的概念，提高了运用所学知识解决问题的能力。
同时，实验演示的方式使学生更加直观地理解了非系统平衡状态下物体的行为。
在今后的教学中，可以更多地通过实例引导学生思考，增加学生的参与度和学习积极性。
平衡态和非平衡态陶瓷材料构造原理
平衡态和非平衡态陶瓷材料构造原理陶瓷材料是一类重要的工程材料，具有优异的物理、化学和机械性能，在各个领域得到广泛应用。
根据材料的不同构造状态，陶瓷材料可以分为平衡态和非平衡态两种类型。
本文将为您介绍平衡态和非平衡态陶瓷材料的构造原理。
1. 平衡态陶瓷材料构造原理平衡态陶瓷材料是指在热力学平衡条件下制备的陶瓷材料，其结构和组成状态在室温下保持相对稳定。
平衡态陶瓷材料的制备需要遵循热力学平衡的规律，经过高温烧结、晶化等工艺步骤来实现。
（1）晶体结构：平衡态陶瓷材料的晶体结构主要由离子、原子或分子的排列方式决定。
具体而言，常见的晶体结构包括立方晶系、四方晶系、六方晶系等。
晶体结构对材料的物理、力学性能具有重要影响。
（2）晶体缺陷：晶体缺陷是晶体结构中出现的不完整或异常排列的部分。
例如，点缺陷包括空位、插入离子和替代离子，而线缺陷包括位错和堆垛层错。
晶体缺陷对陶瓷材料的化学稳定性、导电性以及机械性能等产生重要影响。
（3）相变行为：平衡态陶瓷材料的相变行为通常在高温下发生。
相变可以是由平衡态晶体结构重排实现的，也可以是由固溶体相变引起的。
相变行为会导致陶瓷材料的性能改变，因此在制备陶瓷材料时需要控制相变条件以达到预期的性能要求。
2. 非平衡态陶瓷材料构造原理非平衡态陶瓷材料是指在非平衡条件下制备的陶瓷材料，其结构和组成状态在室温下不是完全稳定的。
非平衡态陶瓷材料的制备通常需要通过快速冷却或固化等方法来维持材料的非平衡状态。
（1）非晶态结构：非平衡态陶瓷材料常常具有非晶态结构，即无长程有序的晶体结构。
非晶态结构的陶瓷材料具有均匀的组织和几乎无孔隙的特点，从而具有优异的力学性能和导热性能。
（2）溶液固化：非平衡态陶瓷材料的制备常常需要通过溶液固化来实现。
溶液固化是指将溶液中的成分通过化学反应或固相反应转化为固体材料的过程。
通过调控溶液中的成分浓度、温度和pH值等参数，可以实现非平衡态陶瓷材料的制备。
（3）玻璃化转变：非平衡态陶瓷材料的制备过程中常常包含玻璃化转变过程。
铁碳合金非平衡组织观察与分析课件
功能材料与器件开发
功能材料与器件在现代科技领域具有广泛的应用前景，如 电子信息、新能源、生物医疗等。通过观察和分析铁碳合 金的非平衡组织，可以为功能材料与器件的开发提供新的 思路和方法。
定义
铁碳合金是由铁元素和碳元素组 成的合金，是钢和铸铁的统称。
分类
根据碳含量，铁碳合金可分为低 碳钢、中碳钢和高碳钢；根据生 产工艺，可分为铸铁和锻钢。
铁碳合金的相图
01
铁碳相图是表示铁碳合金在不同 温度和成分下组织状态变化的图 谱，是研究铁碳合金的基础。
02
相图中的点和线分别代表不同的 组织状态，如液相、奥氏体、铁 素体、渗碳体等。
2023-2026
ONE
KEEP VIEW
铁碳合金非平衡组织 观察与分析课件
REPORTING
CATALOGUE
目 录
• 铁碳合金基础知识 • 非平衡组织形成机理 • 非平衡组织观察技术 • 非平衡组织分析方法 • 非平衡组织的性能与优化 • 非平衡组织的实际应用
PART 01
铁碳合金基础知识
铁碳合金的定义与分类
溶质再分配与微观偏析
在非平衡凝固过程中，溶质再分配导 致微观偏析。
微观偏析程度与冷却速度、溶质元素 种类和浓度有关。
溶质富集和贫瘠区域的形成，影响组 织结构和性能。
PART 03
非平衡组织观察技术
金相显微镜观察
观察材料表面形貌
金相显微镜能够观察金属 材料的表面形貌，如晶粒 大小、相界等。
确定组织组成
通过金相显微镜观察，可 以识别铁碳合金中的不同 相，如铁素体、奥氏体、 渗碳体等。
平衡凝固和非平衡凝固
平衡凝固和非平衡凝固1. 什么是凝固？说到凝固，大家可能会想起冬天的冰块、冷饮里的冰霜，或者那些被冻得硬邦邦的水果。
这一切其实都跟“凝固”这个过程有很大关系。
简单来说，凝固就是物质从液态转变为固态的过程，听起来很简单对吧？但实际上，这个过程可分为两种类型：平衡凝固和非平衡凝固。
乍一听有点高大上，但别担心，接下来我会带大家轻松了解这两种凝固。
1.1 平衡凝固先说说平衡凝固。
这就像是在大自然的舞台上，所有的演员都在认真排练，各司其职。
想象一下，一杯热巧克力冷却的过程，温度逐渐降低，巧克力分子们就像是慢慢找到了自己的舞伴，逐渐排列整齐，最后形成了一块光滑的固体。
这个过程非常稳定，几乎是一步一步来，不急不躁，像极了冬天里家里的暖气慢慢升温。
大家在这个过程中，温度均匀，没有剧烈的波动，凝固得既优雅又顺畅。
这种凝固过程的一个好处是，生成的固体结构非常均匀，就像精致的糕点，层次分明。
它在工业上也很有用，比如在制作高质量的金属材料时，平衡凝固能帮助材料保持稳定的性能。
所以说，平衡凝固就像一场和谐的舞会，大家都在节奏中舞动，气氛好得不得了。
1.2 非平衡凝固而非平衡凝固就有点不一样了。
这个过程就像是一个突如其来的狂欢派对，大家的情绪高涨，一下子就开始了疯狂的舞动。
想象一下，你把一锅水煮沸，然后突然把火关掉，水就会迅速降温，形成各种形态的冰块。
这个过程中，分子们没那么有序，像是失控的舞者，有的还在忙着找舞伴，有的已经冷得发抖，结果形成的冰块可能会有很多的空隙和不规则的形状。
非平衡凝固在一些特殊情况下很有用，比如说在制造一些特殊材料时，它可以帮助形成特定的微观结构，就像制作花样年华的泡泡糖，有时候要的就是那种独特的、不规则的形状。
虽然这个过程看起来有点混乱，但也正是这种混乱，才带来了意想不到的惊喜。
2. 平衡凝固和非平衡凝固的区别2.1 过程的稳定性现在，咱们来对比一下这两种凝固。
平衡凝固就像是细水长流，温柔地进行，给人一种稳定感。
非平衡载流子名词解释
非平衡载流子名词解释
非平衡载流子是指在半导体材料中，由于外界电场或光照等因素的作用，使得载流子的浓度产生不均衡分布的现象。
具体来说，非平衡载流子可以分为两类：非平衡电子和非平衡空穴。
非平衡电子：在半导体材料中，电子是带负电荷的载流子，晶格中的导带中存在有大量的自由电子。
当存在外界电场时，电子会受到电场力的作用而运动，导致电子的浓度在材料中产生不均衡分布。
非平衡空穴：空穴是带正电荷的载流子，它是晶格中一个原子发生共价键断裂而形成的缺氧空位。
当存在外界电场或光照时，空穴会受到电场力或光照的作用而运动，导致空穴的浓度在材料中产生不均衡分布。
非平衡载流子的产生和运动对于半导体器件的性能具有重要影响，例如在光电二极管中，非平衡载流子的产生和运动使得光电流的产生和传输成为可能。
此外，在太阳能电池、发光二极管等器件中，非平衡载流子的控制和优化也是提高器件效率和性能的关键。
名词解释非平衡凝固
名词解释非平衡凝固在材料科学的领域中，非平衡凝固是一个相当重要的概念呢。
咱们先从凝固说起，凝固就是物质从液态转变为固态的过程。
在理想的平衡状态下，这个过程是非常有序且遵循一定规律的。
然而，实际情况往往并非如此理想，这就引出了非平衡凝固。
非平衡凝固呀，简单来讲，就是在凝固过程中系统偏离了平衡条件。
那为什么会出现这种偏离呢？这其中的原因可不少呢。
比如说，冷却速度就是一个关键因素。
当冷却速度非常快的时候，原子或者分子就没有足够的时间去进行有序的排列，就像一群人在紧急情况下慌乱地找位置站一样。
举个例子，在金属的铸造过程中，如果冷却速度很快，那么金属原子就不能按照平衡凝固时那种完美的晶格结构进行排列。
像钢这种常见的金属材料，在快速冷却的情况下，会形成一些非平衡的组织，比如马氏体。
马氏体的形成就是因为在快速冷却过程中，铁原子和碳原子没有足够的时间去扩散到平衡位置，从而形成了这种特殊的组织，它具有很高的硬度和强度，这与平衡凝固下形成的组织性能有很大的差异。
非平衡凝固还会对材料的性能产生深远的影响哦。
由于组织的不均匀性，材料的力学性能、物理性能都会发生改变。
从力学性能方面来看，非平衡凝固可能会导致材料的强度、韧性、塑性等性能指标的变化。
还是拿金属来说，非平衡凝固形成的组织可能会有更多的缺陷，这些缺陷在受力的时候会成为应力集中的点，影响材料的整体强度和韧性。
从物理性能上看，比如材料的导电性、导热性等也可能会因为非平衡凝固而改变。
在微观层面上，非平衡凝固过程中会涉及到溶质原子的再分配。
这是什么意思呢？在凝固过程中，溶质原子在液态和固态中的溶解度是不一样的。
在平衡凝固时，溶质原子会按照一定的规律在固液界面处进行分配。
但是在非平衡凝固时，由于凝固速度快，溶质原子来不及扩散均匀，就会造成溶质原子在局部区域的富集或者贫化。
这种溶质原子的不均匀分布又会进一步影响材料的组织和性能。
另外，非平衡凝固在一些新型材料的制备过程中也有着特殊的意义。
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类型
机理
A
W（Cu）合金
B
机械活化
球磨时间
长 适中
最终状态
多考虑粉末
烧结块状材料
对烧结的影响
无促进作用
有大的促进作用
密度
低 高
性能
差 好
液相烧结
烧结W-Cu合金的
A类型
应满足的条件
情况
对烧结的作用
B类型 对烧结的作用
1．液相对固相 润湿角随温度的 无明显作用
的润湿性
升高而减小
可改善润湿性
2．固相在液相 W在Cu中基本上
研究人员利用常用的Zr、 Cu、Ni和Al金属元素, 根 据自己提出的模量判据， 通过快速凝固的现代冶金 手段,合成出了在室温条 件下具有超高压缩塑性的 非晶合金。不同于以往的 非晶合金，这种新开发的 材料在室温下的压缩塑性 变形能力非常强，可以像 常见的纯Cu，纯Al一样 弯曲或形变成一定的形状。 在具有超高塑性的同时， 该材料还非晶合金高强度 的特点。
性能
热膨胀系数 密度 热导率 扬氏模量 表面状态
尺寸 吸附性能
W-Cu合金性能
指标要求
测试结果
7.2±0.2ppm ℃-1
7.18 ppm℃-1
16.1 g cm-3
16.36 g cm-3
>180 W m-1K-1
182W m-1K-1
274GPa
274.6GPa
六面光洁度1.6、 无污染
符合图纸
2）耐腐蚀性能
非晶材料的化学活性高 → 形成金属的钝态膜 → 耐腐蚀性提高
Fe-2%Cr 相当于 18-8不锈钢
（非晶）
（晶体材料）
N的盐酸中，1年的腐蚀速度 （mm）
非晶Fe72Cr8P13C7 为 小于 0.00001 18-8不锈钢 为~0.5
钝态膜的形成可防止氢脆，超耐腐蚀性Ti、Nb
我国非晶合金材料基本实现产业化
我国自“六五”开始连续在四个五年计划中投入大量资金， 对非晶合金材料组织了重点科技攻关。经过近20年的努力， 已取得了200项达到国际先进水平的成果，并形成了具有自 主知识产权的专利保护群。
一条千吨级生产线成功地喷出了220mm宽带材，标志着我 国在非晶材料研制和生产上达到国际先进水平（当时美国 生产的带材最大宽度为217mm）。随后，千吨级带材生产 线又成功实现在线自动卷取，从而使我国非晶材料生产能 力继美国之后跃居世界第二位。
1）力学性能 原子无秩序排列 无易滑移面，性能各向同性 非变形硬化，完全弹塑性体 高强度、硬度，高韧性 难加工材料可进行50~90%的冷加工 气氛、温度影响使用，氧化、脆化
塑性
长期以来，探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料 一直是材料领域追求的目标，但是由于变形机制的限制， 在提高材料强度的时候往往伴随着塑性的损失。这一趋势 随着材料晶粒尺寸的减小变得愈加明显。当金属合金达到 结构长程无序的非晶状态时(在室温下，非晶合金强度远 远高于同成分的晶态金属合金)，但是其塑性变形能力几 乎完全丧失。这导致非晶材料的脆性断裂。因此，非晶合 金的脆性严重制约了它们作为高强度工程材料的广泛应用。
金属发汗材料
金属发汗材料出现于20世纪30年代，最先获得应用的是用粉末冶金工艺制 成的钨银“假合金”(pseudoal-loy)和钨铜“假合金”；两种金属各以独立、 均匀的相存在，不形成合金相，所以被称为假合金。它们是以钨为基体， 含有约20～50％的银或铜，用作高电压、大功率的电器开关的触点。在假 合金中，存在于钨基毛细孔中的银或铜在高压电弧所产生的高温下液化蒸 发，吸收了大量的电弧的能量，降低了电弧区温度，因而这种假合金的烧 损量不仅大大低于低熔点金属银、铜触点的烧损量，而且低于熔点最高的 金属(钨)的烧损量。当时未用“金属发汗材料”的名称，而称为“假合 金”。50年代末，固体燃料火箭的发展，理论燃气温度和压强分别达到 3593℃和0.703kgf/mm2，原来用的纯钨的喷管已不能满足这样的使用条件， 当时的其他材料也无法满足要求。60年代初, 根据“发汗冷却”的概念重新 研究了钨银“假合金”，详细研究了制取工艺对材料性能的影响，以及发 汗冷却、抗热震等机理。60年代中期，美国研制出钨银发汗材料（W-10Ag） 火箭喷管，装备于“北极星”潜艇的导弹中。其他一些火箭有用钨铜喷管 的。某些在温度稍低的条件下使用的部件，也采用了钼铜和钼银发汗材料。
钢铁行业的产品结构调整。
非晶合金材料正应用于电子工业技术领域
随着电子技术向高频、小型化方向发展，非晶微晶软磁合 金材料已制成各种各样磁性器件逐步应用于电力工业、电 子工业及电力电子技术领域，诸如铁基非晶合金已经可以 在工频中大量使用，成本逐渐向硅钢接近。纳米晶合金在 中高频段性能远高于锰锌铁氧体，解决批量生产和成本问 题之后，将成为中高频电源变压器的首选材料。纳米晶合 金在某些抗电磁干扰滤波器已经代替镍锌铁氧体，今后还 会扩大使用范围。复合纳米磁性材料在100mhz至10ghz将 与镍锌铁氧体争夺使用领域。
气体吸收）
最常用的是液相凝固控制法
单辊法：1975年； 20cm宽，70μm厚的薄带 纺丝法：1980年，数万米长的线
粉末冶金在非晶合金中的应用
薄带、细丝、粉末 → 颗粒分散强 化材料、非晶合金
固结 爆炸、冲击等晶化温度以下的烧结。 焊接：超声波、激光
4.1.3 材料性能
触头材料也称触点或接点，是高低 压电器中的关键元件，担负着导通 与分断电流的作用，直接影响电器 的可靠性与寿命
对触头材料的基本要求
物理性能：低电阻、高热导、熔点、熔化 热、热稳定性好
力学性能：室温、高温强度，硬度、塑性 电接触性能：耐电弧烧损、接触电阻低 化学性能：耐腐蚀性好、不易氧化、不形
中的溶解度
不溶解
3．适当的液相 一般可满足 量 （ 15% 以 上 ）
Cu 在 W 中 有 溶 解，对烧结不 利
使液相的量减 少
与化学活化结合， 促进固相在液相中 的溶解
能够保证液相的量
a) 本研究制备合金的组织
b) 传统方法制备合金的组织
本研究所制备的合金具有组织均匀、 晶粒细小、性能优异等特点。
成不导电的化合物 加工性能：可焊接 利用Ag与W各自的性能
2） 为材料设计开拓领域
单一材料无法满足要求 互不相容的体系 充分利用各类材料的优点 成分自由度大
合金（复合材料）的形成方式
钼铜合金介绍
1、高电导高热导特性。钼是金属中除金、银、铜等金属外，电导和热 导性比较好的元素。 2、低的可调节的热膨胀系数。铜的热膨胀系数较高，钼的热膨胀系数 却很低。 3、特殊的高温性能。钼的熔点为2 610℃，而铜的熔点仅为1 083 ℃ ， 钼铜合金在常温和中温时，既有较好的强度，又有一定的塑性，而当温 度超过铜的熔点时，材料中的铜可以液化蒸发吸热，起到冷却作用（发 汗冷却）。 4、无磁性。钼和铜均为非铁磁性金属，因此所组成的钼铜合金是一种 优良的无磁材料。 5、低气体含量和良好的真空性能。 6、良好的机加工性。纯钼金属本身由于较高的硬度和脆性，机加工比 较困难。而钼铜合金由于加入铜后材料硬度降低、塑性增加，故有利于 机加工，可以加工成复杂形状的部件。
炉壁材料 吸氢：Ni-Zr，吸氢速度快
4.1.4 应用与将来展望
特性 强韧性
耐腐蚀 软磁 磁滞伸缩 超导
有希望得到应用的领域
线、导轨、弹簧、应变传感器、复合 件
油净化过滤、化学装置、医疗器械
磁性屏蔽、磁头、耳机磁芯、磁过滤
振子、延迟线、传感器元件
氦气液面计、磁场传感器
非晶合金干式变压器
非晶合金干式变压器,具有如下三大突出优点 一、性能好---损耗低（空载损耗较SC（B）10系列下
原子的易动度随温度的降低而下降，进一步 冷却，得到固体状态、液体结构的物质。
基本概念
临界冷却速度：为了得到非晶材料，在液 体材料冷却过程中，不发生晶体化的最小 冷却速度。
一些物质的临界冷却速度
成分
实测 （K/s） 计算 （K/s）
Ni Pd82Si18 Fe83B17
－－ 104.6 106
4. 非平衡材料
稳态、亚稳态、非稳态
4.1 非晶合金
4.1.1 基本概念
晶体：原子、离子或分子按照一定的空间顺 序排列而成的固体。例如食盐、明矾、金属 等。
非晶：不具有晶体结构的固体。
4.1.1 基本概念
过冷液体：冷却速度很快，不能实现从液相 到固相的转变时，在凝固点以下仍能够保持 液相结构的物质形态。
of University of Science and Technology Beijing, 2001, 8(2), 129-132（IDS Number:446AX, ISSN:1005-8850）3
在我国推广应用非晶材料变压器经 济和社会效益十分巨大
全国配电变压器约20亿KVA，如果全部采用非晶变压器， 将减少空载损耗360万KW，每年可节约电耗 321亿度，折 合人民币193亿元；可减少煤耗1220 万吨，减少CO2气体排 放488 万吨，减少SO2气体排放 15.86 万吨，减少NO2气体 排放 7.32 万吨。而非晶变压器价格仅为同规格硅钢变压 器的1.3倍以下，节约的电费3年左右就可将增加的成本收 回。另外，通过推广非晶变压器可促进钢铁行业向高精尖 技术领域发展，促进国内非晶材料的生产能力提高，加快
4.2 伪合金（假合金）
4.2.1 基本概念 合金：一种金属元素与其它金属元素或非
金属元素融合而成的物质 热力学相容性：A+B → AB 时，Δ G<0 伪合金：将热力学不相容的组元以某种形
式组成的具有合金性能的材料
4.2.2 伪合金的意义
1）充分利用材料的性能 例如触头材料