高速發(fā)展中的新型.ppt

高速發(fā)展中的新型金屬材料,姓名：于波常州機電職業(yè)技術(shù)學院模具系,摘要,文章簡單介紹了現(xiàn)代材料科學研究的基本內(nèi)容和最新進展；對新型高性能金屬材料如高溫合金、鈦合金、鋁鋰合金等材料的研究現(xiàn)狀及應用作出了較為詳細的闡述；并對21世紀高性能金屬材料的發(fā)展方向作出了分析與展望。,關(guān)鍵詞,合金金屬材料,能源、信息和材料被認為是一個國家國民經(jīng)濟的三大支柱。沒有先進的材料，就沒有先進的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學技術(shù)。人類從石器時代到青銅時代，從蒸汽機到電子芯片的誕生，每一次時代的飛躍都必然伴隨著材料的革命。如果沒有高純度、大直徑硅單晶的研制成功，就不會有后來發(fā)展起來的集成電路，更不會有今天如此先進的計算機和電子設(shè)備。因此，歷史學家都將材料作為衡量一個國家文明程度的標準，并據(jù)此而將歷史化分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代等等。從世界科技發(fā)展史看，重大的技術(shù)革新往往起始于新材料的產(chǎn)生。例如，上世紀50年代鎳基超級高溫合金的出現(xiàn)，使金屬高溫材料的使用溫度由原來的700提高到900以上，從而導致了超音速飛機的問世。反過來，近代新技術(shù)（如原子能技術(shù)、計算機技術(shù)、航天技術(shù)等）的發(fā)展又促進了新材料的產(chǎn)生。在十八世紀后的歐洲工業(yè)革命中，隨著對金屬材料的需求，在化學、物理及材料力學等學科的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了金屬學這門學科。二十世紀以后，由于X射線衍射技術(shù)、透射電子顯微技術(shù)以及固體物理、量子力學等相關(guān)學科的發(fā)展，進一步推動了金屬材料的深入發(fā)展，在現(xiàn)代材料科技中高分子材料和復合材料（陶瓷材料）、復合材料和具有優(yōu)異的光、電、磁性能的功能,引言,材料應用日益廣泛，金屬材料與非金屬材料相互滲透，互相促進，逐漸形成了一門新形的學科體系材料科學與工程。材料科學與工程關(guān)于材料成份、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系和應用的一門科學，涉及的領(lǐng)域包括材料科學基礎(chǔ)、材料工程、材料表面工程、材料的性能及測試技術(shù)等等。而金屬材料是材料學科中的重要組成（核心）部分，金屬材料的研究往往對一個國家的交通、機械、軍事等相關(guān)領(lǐng)域起到一個重要的影響作用。我們知道，1957年11月，原蘇聯(lián)人造衛(wèi)星被送入太空，它對當時美國朝野的震動可與二戰(zhàn)時期日本偷襲珍珠港事件相比。美國政府的調(diào)查表明，當時主要的問題在于金屬材料的研究落后于原蘇聯(lián)。此后，以美國為代表的西方先進工業(yè)國家十分重視材料的研究與開發(fā)。美國關(guān)鍵技術(shù)委員會早在1991年確定的22項關(guān)鍵技術(shù)中，材料占了五項：材料的合成與加工；電子和光電子材料；陶瓷材料；復合材料；高性能金屬和合金。日本為開拓21世紀選定的基礎(chǔ)技術(shù)研究項目中共涉及46個領(lǐng)域，其中關(guān)于新材料的基礎(chǔ)研究項目就占據(jù)14項之多。鋼鐵材料的發(fā)展在上世紀中期，就世界范圍來說，處于最鼎盛的時期。金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)走過了它最輝煌的年代。在21世紀，金屬材料雖不像信息材料、生物材料、納米材料等屬于高科技的先進,材料，但由于其具有較高強度、高彈性模量、高韌性及優(yōu)異的物理特性和加工工藝性能。因此，在材料科學領(lǐng)域中仍然占有非常重要的地位，尤其在交通運輸和機械制造業(yè)中，鋼鐵材料的應用仍然占90%以上。美國福特汽車公司曾統(tǒng)計在汽車結(jié)構(gòu)件中，金屬材料占90%以上。正如世界著名的材料學家柯垂瓦（Cotterl）在美國金屬學會議上發(fā)言時說：“將來我們會繼續(xù)研究和使用金屬及合金，特別是鋼鐵”。但就目前世界各工業(yè)發(fā)達國家的情況可以看出，在金屬材料研發(fā)方面，常規(guī)的、傳統(tǒng)的金屬材料鋼種體系開發(fā)及熱加工成型工藝（即材料的鑄造技術(shù)，鍛壓技術(shù)、焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)），隨著鋼鐵物理冶金技術(shù)發(fā)展，隨著對鋼中馬氏體相變、貝氏體相變、鋼的合金化原理以及氫致開裂的機理的深入了解和斷裂力學的不斷發(fā)展，而逐漸趨于成熟和完善。因此，發(fā)達國家的材料學家、冶金學者，正在著力研究各種更高性能的新型金屬材料。近十年來，開發(fā)各種高性能的新型金屬材料已成為金屬材料工程領(lǐng)域中主要的發(fā)展方向。所謂高性能是指具有比常用的金屬材料更高強度、高韌性、耐高溫、耐低溫、抗腐蝕、抗輻射等性能的金屬材料。這種材料的產(chǎn)生將對人類發(fā)展空間技術(shù)、核能技術(shù)、海洋開發(fā)等領(lǐng)域領(lǐng)域有著重要的推動意義。,目前，各種高性能金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料現(xiàn)在已廣泛地應用于機械、化工、航空航天、生物醫(yī)學、信息技術(shù)、新能源等高技術(shù)領(lǐng)域，同普通的金屬材料相比較，它有明顯的性價比優(yōu)勢和廣闊的市場前景。今天，我就幾種新型金屬材料的研究情況和發(fā)展動態(tài)向各位作一簡單介紹。,一、高溫合金,航空發(fā)展歷史表明，材料科學每一次新的技術(shù)突破，都給航空技術(shù)帶來巨大的影響，飛行器性能得到較大幅度提高；高溫合金就是隨航空技術(shù)的的發(fā)展而應運而生的。高溫合金一般指在650以上的具有很高并且抗氧化、抗蠕變的金屬材料。這類合金材料中Ni基合金最重要，在航空發(fā)動機中應用最廣。高溫合金的使用始于20世紀初，但我們知道，耐熱鋼和鐵基耐熱合金在較高載荷下的最高使用溫度一般只能達到750-850，對于更高溫度下使用的部件，則需要用Ni基、Co基合金。因此40年代發(fā)展了Nimonic高溫合金（Ni80Cr20）。目前，高溫合金使用溫度已達到1100。但是傳統(tǒng)的高溫合金主要的缺點是隨著使用溫度的升高，力學性能將明顯下降。金屬間化合物是,一種很有發(fā)展前途的新型高溫結(jié)構(gòu)材料，常見的類型是L12型如：C03Ti、Ni3Al，它不同于一般的金屬材料，是一種有序的晶體結(jié)構(gòu)，即晶胞中的Co、Ti、Al原子（按一定規(guī)律有序排列），因此，高溫下晶體的滑移變形受大位錯的分解而受阻。并且具有以下特性：在一定的高溫范圍內(nèi)，具屈服強度隨溫度的升高不是降低而是增加，即出現(xiàn)了反常的高溫力學性能，同時彈性模具高，比強度高，密度小，抗氧化性能好，因此，金屬間化合物可以說是一種很好的航空材料，但金屬間化合物在室溫下脆性大，易斷裂，因此，近十幾年來，美國、日本各國的材料工作者，如美國Wilsdorf教授、日本東北大學的和泉修教授、我國清華大學材料學院和冶金工業(yè)部下屬的鋼鐵研究總院也都對金屬間化合物的這種反常的高溫力學性能的物理本質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、合金化規(guī)律進行了深入的研究。在90年代中期，Ni3Al、TiAl金屬間化合物合金的開發(fā)已比較成熟，有了突破性的發(fā)展，美國已用TiAl制成了噴氣發(fā)動機的高溫構(gòu)件，并已在進行試車考核，可以預言：金屬間化合物高溫合金航天、能源等領(lǐng)域的開發(fā)應用已為期不遠。如能在航空上推廣，則發(fā)動機推重比將有個大的飛躍。,二、鈦合金,鈦及其合金也是近十幾年來發(fā)展應用日益廣泛的一類新型結(jié)構(gòu)材料，其主要性能特點是比強度高，在大氣、海水以及酸、堿介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，抗氧化性優(yōu)于不銹鋼。同時具有超導、記憶、儲氫等特殊性能，作為尖端科技材料，在航空、電力、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛的應用。純鈦呈銀白色，熔點為1668，它的密度?。?.5g.cm-3）。鈦在固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，當溫度低于0.49K時，鈦呈現(xiàn)超導特性，經(jīng)適當合金化，超導轉(zhuǎn)變溫度可提高到910。鈦作為一種強度高、耐腐蝕性好的材料廣泛應用于化學工業(yè)中。鈦及鈦合金比強度是金屬材料中最大的。它是合金鋼的1.41.7倍；是鋁合金的1.3倍；抗拉強度可達1400Mpa。經(jīng)過淬火時效、形變熱處理和化學熱處理后耐磨性和疲勞強度會進一步提高。鈦的耐腐蝕性特別是耐海水腐蝕性能力是目前金屬材料中最好的。一塊鈦板泡于海水中5年后取出仍是光亮閃閃，毫不生銹。鈦還可與其他元素（如鋁、釩）組成各種具有特殊性能的鈦合金。例如儲氫合金、形狀記憶合金、超導合金。Ti合金塑性較差，不易加工成型，特別是制造形狀復雜的零件。如果Ti合金經(jīng)熱處理后形成極細的組織，就可實現(xiàn)所謂“超塑性成形”，這時Ti合金的行為就像熱加工玻璃一樣，可以吹制成各種中空的器皿，即可以柔軟得隨意加工成任意形狀。在醫(yī)學上鈦合金也可作為人體植入材料，現(xiàn)在已成功地用鈦合金制作人工心臟修復裝置，這是因為鈦合金和生物細胞有良好的相容性。美國生產(chǎn)的鈦合金,TA7（型鈦合金）和TC4（+型鈦合金）已大量用作火箭發(fā)動機外殼、航空發(fā)動機壓氣機盤及壓力容器。波音747飛機，鈦合金用量達3.64噸。71高速高空偵探機合金用量達93，被稱為全鈦飛機。因此鈦被認為繼Fe基和Al基合金之后的第三類金屬材料。鈦合金作為21世紀的新材料，被人們稱為“未來的鋼鐵”。目前美、俄、日等材料科學家們都在開發(fā)鈦合金。鈦合金的種類很多，一個潛在的應用是替代馬氏體不銹鋼制作大型蒸氣輪機葉片。目前應用最多的是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金，我國Ti資源豐富，儲量居世界首位，這是我國發(fā)展鈦工業(yè)的優(yōu)勢，目前對Ti合金的相變及破壞機制還不太清楚，Ti合金的加工工藝及合金化研究正在進行。北航空航天大學在這方面做了很多研究工作，并做得了一定的成果?，F(xiàn)在，鈦及其合金的表面處理技術(shù)發(fā)展很快如激光涂覆鈦合金，應用PVD（物理氣相沉積）技術(shù)在刀具上涂TiN層，可以使得切削刀具的壽命提高11.5倍。也可以作為日常生活裝飾用（彩色涂層），從而提升產(chǎn)品的附加值。,三、鋁鋰合金,Al-Li系合金是近年來引起人們廣泛關(guān)注的一種新型超輕結(jié)構(gòu)材料。該合金的研制與應用，標志著半個月多世紀以來鋁合金領(lǐng)域的重要發(fā)展。鋰是一種極為活潑且很輕的化學元素，密度為0.533gcm-3，為鋁的1/5，鐵的1/15。鋰元素為地球存在較多的金屬，同時海水中還有相當大的含量。在鋁合金中加入鋰元素，可以更顯著的降低其密度，并明顯地改善合金的力學性能。例如，在鋁中添加鋰2%，密度可減少10%，強度可與鋁合金中強度最高的硬鋁12合金媲美。因此，Al-Li合金具有比重小、比強度高和剛度大，耐疲勞性能好，耐蝕性好等優(yōu)點。用Al-Li合金制作飛機結(jié)構(gòu)材料，可使飛機減重達20%，提高飛機的速度。因此，Al-Li合金被認為是21世紀航空航天及兵器工業(yè)最理想的輕質(zhì)高強度結(jié)構(gòu)材料。目前，Al-Li合金的研究成了有色合金新材料研究中一個十分活躍的領(lǐng)域。在前蘇聯(lián)，Al-Li合金已用于火箭、航天飛機材料及民用飛機上，1999年，美國“奮進號”航天飛機外儲箱使用Al-Li合金材料，使航天飛機的運載能力提高了3.4t。我國Al-Li合金研究的起步較晚，目前仍處于研究階段，距應用還有一段距離，國內(nèi)某此高效及研究所正在做這方面的工作，哈工大材料學院對Al-Li-Cu系、Al-Li-Mg系合金的時效動力學、斷裂機制及2091Al-Li-合金焊接接頭的強化,機制進行了研究?，F(xiàn)已經(jīng)建立Al-Li合金的研究開發(fā)基地，以Sic纖維、Sic顆粒為增強體的Al-Li基復合材料是剛剛發(fā)展起來的新型材料。經(jīng)過3個五年計劃的材料研究與應用開發(fā)后，其規(guī)模和水平已達到美、俄20世紀80年代水平，國產(chǎn)Al-Li合金已在航空航天工業(yè)中試用，其中1420Al-Li合金深沖模鍛件已批量應用于我國的飛機和導彈上。,四、鈦鎳形狀記憶合金,形狀記憶合金，是一種性質(zhì)與過去的金屬材料變形情況完全不同的合金。眾所周知，金屬材料質(zhì)地較硬，若變形超過彈性極限，則形狀永久不能回復。但是，形狀記憶合金容易變形，通過加熱其形狀可以復原。1963年，美國海軍研究所在開發(fā)新型艦船材料時，在Ti-Ni合金中發(fā)現(xiàn)：把直條形的線材加工成彎曲形狀，經(jīng)加熱后它的形狀又恢復到原來的直條形，該合金能“記憶”原來的形狀的能力。人們把這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應。研究表明，形狀記憶機理是在形狀記憶合金中有熱彈性馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變。熱彈性馬氏體轉(zhuǎn)變時隨著溫度下降，原馬氏體片會繼續(xù)長大，而溫度上升，它又會收縮呈現(xiàn)出熱彈性，而且轉(zhuǎn)變具有完全的可逆性，即馬氏體（低溫相）以足夠快的速度加熱,不會分解而直接轉(zhuǎn)變成高溫相（母相）。如美國國家航空航天局所開發(fā)的宇宙火箭用天線，將該合金預先壓縮成緊湊的一團而安裝于運載火箭上，待運載火箭發(fā)射到月球表面時受到太陽光照射加熱使合金升溫，當溫度達到一定值時，被折疊成球狀的合金絲團就自動完全打開，成為原先定形的拋物狀天線。這樣，就可以認為如果汽車的車身也采用這種記憶合金制造，那么即使遭受碰撞變形也能夠用熱水等稍微加熱的方式即可恢復原狀，可使汽車外形“青春常駐”。形狀記憶合金的主要應用有：（1）自動組裝的結(jié)構(gòu)件，如宇航天線、管子接頭、記憶鉚釘?shù)?。?）熱能機械能轉(zhuǎn)換裝置很多記憶合金在馬氏體相變的逆轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生很大的應力和位移，因此可以作功。利用這一特性，可把熱能轉(zhuǎn)變成機械能。人們正利用這一原理制成記憶材料發(fā)動機。（3）醫(yī)學器械矯正牙齒的拱形金屬絲，比不銹鋼好，整形外科用材料：如脊椎矯正棒、人工股關(guān)節(jié)等。,五、非晶態(tài)合金,非晶態(tài)合金的發(fā)現(xiàn)源于20世紀70年代。我們知道金屬在一般的冷卻速度凝固后均形成晶體，而且晶體中存在著大量的空位、晶界、位錯等缺陷。當時在美國噴氣推進研究所的美國加州大學教授Duwez在一次,實驗中，無意將熔融的金硅合金液滴噴濺到銅板上時，由于冷卻速度極高，液態(tài)合金來不及形成結(jié)晶就凝固了，結(jié)果獲得了如同玻璃一樣沒有晶體結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)合金，所以也有人稱之為金屬玻璃，不過它并不是像玻璃那樣透明的材料，而是一種在本質(zhì)上與原來的晶態(tài)金屬完全不同的新物質(zhì)原子無規(guī)則排列的金屬。由于快速凝固，原子來不及擴散，金屬中的合金元素偏析程度顯著降低，沒有晶界，從而可提高合金化程度，而不致產(chǎn)生脆化相，非晶態(tài)合金具有高強度、耐腐蝕等優(yōu)點。例如非晶態(tài)合金Fe80B20抗拉強度達35310Mpa，而超高強度鋼（晶態(tài)）的抗拉強度僅為18002000Mpa。非晶態(tài)合金伸長率低但并不脆，而且具有很高的韌性，許多淬火態(tài)的非晶態(tài)合金薄帶可以反復彎曲，即使彎曲1800也不會斷裂。在工程應用中，通過激光