新型高性能結(jié)構(gòu)材料(一)

1、第十二章第十二章 : : 新型高性能結(jié)構(gòu)材料新型高性能結(jié)構(gòu)材料第二節(jié)第二節(jié) : : 超超 塑塑 性性 合合 金金第三節(jié)第三節(jié) : : 高高 溫溫 合合 金金第四節(jié)第四節(jié) : : 超超 低低 溫溫 材材 料料第一節(jié)第一節(jié) : : 超超 硬硬 材材 料料前前 言言新新 型型 高高 性性 能能 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 材材 料料 高性能結(jié)構(gòu)材料是具有高比強(qiáng)度、高高性能結(jié)構(gòu)材料是具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的材料，它包括新比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的材料，它包括新型金屬材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料和高分子材料等。型金屬材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料和高分子材料等。 發(fā)展新型高性能結(jié)構(gòu)材料將支撐交通運(yùn)輸

2、、發(fā)展新型高性能結(jié)構(gòu)材料將支撐交通運(yùn)輸、能源動(dòng)力、資源環(huán)境、電子信息、農(nóng)業(yè)和建筑、航天能源動(dòng)力、資源環(huán)境、電子信息、農(nóng)業(yè)和建筑、航天航空、國(guó)防軍工以及國(guó)家重大工程等領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)航空、國(guó)防軍工以及國(guó)家重大工程等領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和國(guó)家安全的保障起著關(guān)展，對(duì)國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和國(guó)家安全的保障起著關(guān)鍵性的作用。鍵性的作用。第第 一一 節(jié)：節(jié)： 超超 硬硬 材材 料料 超硬材料通常是指莫氏硬度達(dá)到或接近超硬材料通常是指莫氏硬度達(dá)到或接近1010的材料，主要指金剛石和立方氮化硼，適于用來(lái)制造的材料，主要指金剛石和立方氮化硼，適于用來(lái)制造加工其他材料的工具加工其他材料的工具 。此外，

3、超硬材料在光學(xué)、電學(xué)、。此外，超硬材料在光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)方面還具有一些特殊性能，是一種重要的功能材料。熱學(xué)方面還具有一些特殊性能，是一種重要的功能材料。 一、人造金剛石和立方氮化硼的問(wèn)世一、人造金剛石和立方氮化硼的問(wèn)世瑞典瑞典ASEAASEA公司的公司的LianderLiander和和LundbladLundblad在在19531953年成功地合年成功地合成了金剛石；成了金剛石； 19571957年物理化學(xué)家溫托夫（年物理化學(xué)家溫托夫（R.H.WentorfR.H.Wentorf）研制成功立方氮化硼。研制成功立方氮化硼。 合成鉆石合成鉆石超硬材料的發(fā)展歷程超硬材料的發(fā)展歷程如表如表12-112

4、-1所示所示。二、超硬材料的性能及應(yīng)用二、超硬材料的性能及應(yīng)用1. 1. 天然單晶金剛石天然單晶金剛石 天然金剛石是一種各向異性的單晶體。硬度達(dá)天然金剛石是一種各向異性的單晶體。硬度達(dá)9000-10000 HV9000-10000 HV，是自然界中最硬的物質(zhì)，最重要的用，是自然界中最硬的物質(zhì)，最重要的用途途在于高速超精加工有色金屬及其合金。在于高速超精加工有色金屬及其合金。 2. 2. 人造單晶金剛石人造單晶金剛石 人造單晶金剛石硬度略遜于天然金剛石，人造單晶金剛石硬度略遜于天然金剛石，其解理方向和尺寸變得可控和統(tǒng)一。其解理方向和尺寸變得可控和統(tǒng)一。 時(shí)間時(shí)間超硬材料超硬材料公司公司方法方法用

5、途用途19551955人造單晶金剛石人造單晶金剛石美國(guó)美國(guó)GEGE高溫高壓高溫高壓磨料磨料19571957立方氮化硼立方氮化硼美國(guó)美國(guó)GEGE高溫高壓高溫高壓磨料磨料19771977人造聚晶金剛石，立方氮化硼燒人造聚晶金剛石，立方氮化硼燒結(jié)體結(jié)體美國(guó)美國(guó)GEGE高溫高壓高溫高壓刀具刀具19951995人造單晶金剛石人造單晶金剛石刀具刀具近年近年人造單晶立方氮化硼人造單晶立方氮化硼刀具刀具近年近年類金剛石膜類金剛石膜刀具刀具近年近年金剛石薄膜金剛石薄膜CVDCVD刀具刀具近年近年金剛石厚膜金剛石厚膜CVDCVD刀具刀具表表12-1 超硬材料發(fā)展史超硬材料發(fā)展史 3人造聚晶金剛石人造聚晶金剛石 人

6、造聚晶金剛石是在高溫高壓下將金剛石人造聚晶金剛石是在高溫高壓下將金剛石微粉加溶劑聚合而成的多晶體材料其硬度比天然金剛微粉加溶劑聚合而成的多晶體材料其硬度比天然金剛石低（石低（6000HV6000HV左右），但抗彎強(qiáng)度比天然金剛石高很左右），但抗彎強(qiáng)度比天然金剛石高很多主要用來(lái)制作刀具。多主要用來(lái)制作刀具。 4化學(xué)氣相沉積金剛石膜化學(xué)氣相沉積金剛石膜 金剛石膜是采用化學(xué)氣相沉積金剛石膜是采用化學(xué)氣相沉積( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱CVD)CVD)的方的方法制備出來(lái)的一種多晶純金剛石材料，他呈膜狀附著法制備出來(lái)的一種多晶純金剛石材料，他呈膜狀附著于基體表面，故又常稱金剛石膜。于基體表面，故又常稱金剛石膜。5立方

7、氮化硼立方氮化硼 立方氮化硼微粉的顯微硬度為立方氮化硼微粉的顯微硬度為80009000HV80009000HV，僅次于金剛石，但熱硬度和熱穩(wěn)定性比金剛石高很多。僅次于金剛石，但熱硬度和熱穩(wěn)定性比金剛石高很多。立方氮化硼在立方氮化硼在13001300時(shí)仍能保持其硬度。時(shí)仍能保持其硬度。6立方氮化硼燒結(jié)體立方氮化硼燒結(jié)體 立方氮化硼燒結(jié)體具有較高的硬度立方氮化硼燒結(jié)體具有較高的硬度(30005000HV)(30005000HV)和耐磨性，并具有很高的熱穩(wěn)定性，在和耐磨性，并具有很高的熱穩(wěn)定性，在800800時(shí)的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度時(shí)的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度 。第第 二二

8、節(jié)節(jié) ： 超超 塑塑 性性 合合 金金 一、超塑性的定義一、超塑性的定義 變形所需應(yīng)力卻很小，變形均勻，拉伸時(shí)不變形所需應(yīng)力卻很小，變形均勻，拉伸時(shí)不產(chǎn)生頸縮；無(wú)加工硬化，無(wú)彈性回復(fù)，變形后內(nèi)部無(wú)產(chǎn)生頸縮；無(wú)加工硬化，無(wú)彈性回復(fù)，變形后內(nèi)部無(wú)殘余應(yīng)力，無(wú)各向異性，這種現(xiàn)象即為殘余應(yīng)力，無(wú)各向異性，這種現(xiàn)象即為超塑性超塑性。 圖圖12-1 12-1 為為Ni-Fe-CrNi-Fe-Cr合金延伸率達(dá)合金延伸率達(dá)1000%1000%以上以上而無(wú)頸縮的拉伸試樣圖。而無(wú)頸縮的拉伸試樣圖。 超塑性合金 Superplastic alloy1 超塑性合金現(xiàn)象10金屬在某一小的應(yīng)力狀態(tài)下，可以延伸十倍甚金屬在

9、某一小的應(yīng)力狀態(tài)下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不發(fā)生斷裂，至是上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不發(fā)生斷裂，呈現(xiàn)一種異常的延伸現(xiàn)象。呈現(xiàn)一種異常的延伸現(xiàn)象。圖圖12-1 Ni-Fe-Cr12-1 Ni-Fe-Cr合金延伸率達(dá)合金延伸率達(dá)1000%1000%以上而無(wú)頸縮的拉伸試樣圖以上而無(wú)頸縮的拉伸試樣圖a a 拉伸試驗(yàn)前；拉伸試驗(yàn)前； b b拉伸試驗(yàn)后拉伸試驗(yàn)后124.3.1 超塑性現(xiàn)象超塑性現(xiàn)象 產(chǎn)生超細(xì)化晶粒；產(chǎn)生超細(xì)化晶粒； 適宜的溫度和應(yīng)變速率。適宜的溫度和應(yīng)變速率。產(chǎn)生超塑性的條件產(chǎn)生超塑性的條件晶粒的超細(xì)化、等軸化以及穩(wěn)定化晶粒的超細(xì)化、等軸化以及穩(wěn)定化 可通過(guò)合金化，控制凝

10、固過(guò)程、可通過(guò)合金化，控制凝固過(guò)程、 熱處理、形變熱處理、粉末冶金、熱處理、形變熱處理、粉末冶金、 機(jī)械加工等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械加工等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。6.4.2 超塑性合金類別n結(jié)構(gòu)類別：結(jié)構(gòu)類別：q細(xì)晶超塑性細(xì)晶超塑性q相變超塑性相變超塑性n合金種類：合金種類：q鋅基合金：巨大的無(wú)頸縮延伸率；低蠕變強(qiáng)度，鋅基合金：巨大的無(wú)頸縮延伸率；低蠕變強(qiáng)度，沖壓加工性能差沖壓加工性能差q鋁基合金：綜合力學(xué)性能較差，室溫脆性大鋁基合金：綜合力學(xué)性能較差，室溫脆性大q鎳基合金鎳基合金q超塑性鋼：超塑性鋼：q鈦基合金鈦基合金13 金屬材料在一般條件下沒(méi)有超塑性。金屬材料在一般條件下沒(méi)有超塑性。要使其能夠發(fā)生超塑性形

11、變，必須具備以下三個(gè)條件：要使其能夠發(fā)生超塑性形變，必須具備以下三個(gè)條件： 材料必須為具有細(xì)小等軸晶粒的兩相材料必須為具有細(xì)小等軸晶粒的兩相組織，晶粒直徑必須小于組織，晶粒直徑必須小于1010( (超細(xì)晶粒超細(xì)晶粒) )，且在超，且在超塑性形變過(guò)程中晶粒不顯著長(zhǎng)大；塑性形變過(guò)程中晶粒不顯著長(zhǎng)大； 超塑性形變要求一定的溫度范圍，一超塑性形變要求一定的溫度范圍，一般為熔點(diǎn)的般為熔點(diǎn)的0.50.650.50.65倍；倍； 超塑性形變時(shí)的應(yīng)變速率很小，一般超塑性形變時(shí)的應(yīng)變速率很小，一般需在需在0.010.0001/s 0.010.0001/s 的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。 二、超塑性行為的產(chǎn)生二、超塑性行為

12、的產(chǎn)生 研究發(fā)現(xiàn)，在兩種特定的條件下，會(huì)出研究發(fā)現(xiàn)，在兩種特定的條件下，會(huì)出現(xiàn)合金的超塑性行為：現(xiàn)合金的超塑性行為：如圖如圖12-212-2所示。所示。 相變超塑性相變超塑性微細(xì)晶粒超塑性微細(xì)晶粒超塑性 三、超塑性合金的應(yīng)用三、超塑性合金的應(yīng)用 超塑性合金最大的應(yīng)用就是航空航天材料。超塑性合金最大的應(yīng)用就是航空航天材料。 圖圖12-2 12-2 常規(guī)變形和超塑性變形的內(nèi)部晶粒變化示意圖常規(guī)變形和超塑性變形的內(nèi)部晶粒變化示意圖(a) (a) 常規(guī)塑性變形常規(guī)塑性變形 （b b）超塑性變形）超塑性變形1.1.高變形能力的應(yīng)用高變形能力的應(yīng)用q真空成型或氣壓成型真空成型或氣壓成型q可以在密封模具內(nèi)擠

13、壓或鍛造，可以得到相當(dāng)可以在密封模具內(nèi)擠壓或鍛造，可以得到相當(dāng)高的加工精度，并能大幅度降低加工壓力、減高的加工精度，并能大幅度降低加工壓力、減少加工工序少加工工序q尤其適于極薄板和極薄管的制造，也非常適用尤其適于極薄板和極薄管的制造，也非常適用于加工具有極微小凹凸表面的制品。于加工具有極微小凹凸表面的制品。q缺點(diǎn)是加工速度慢，效率低缺點(diǎn)是加工速度慢，效率低17JJ 超塑性合金的應(yīng)用Chapter6 Metallic Materials18超塑成型超塑成型2.2.固相粘結(jié)能力的應(yīng)用固相粘結(jié)能力的應(yīng)用q晶粒的超細(xì)化，即晶界體積比的增加使得低壓晶粒的超細(xì)化，即晶界體積比的增加使得低壓下的固相結(jié)合易于

14、進(jìn)行。下的固相結(jié)合易于進(jìn)行。q超塑性合金與另一金屬壓合時(shí)，其微細(xì)晶粒可超塑性合金與另一金屬壓合時(shí)，其微細(xì)晶粒可以順利地填充滿微小凸起的空間，使兩種材料以順利地填充滿微小凸起的空間，使兩種材料間的粘結(jié)能力大大提高。間的粘結(jié)能力大大提高。q利用這一點(diǎn)可軋合多層材料、包復(fù)材料和制造利用這一點(diǎn)可軋合多層材料、包復(fù)材料和制造各種復(fù)合材料，獲得多種優(yōu)良性能的材料。這各種復(fù)合材料，獲得多種優(yōu)良性能的材料。這些性能包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、減振能力、共振些性能包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、減振能力、共振點(diǎn)移動(dòng)、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、耐蝕及耐熱性等。點(diǎn)移動(dòng)、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、耐蝕及耐熱性等。19JJ Chapter6 Metallic M

15、aterials3.3.減振能力的應(yīng)用減振能力的應(yīng)用q合金在超塑性溫度下具有使振動(dòng)迅速衰減的性合金在超塑性溫度下具有使振動(dòng)迅速衰減的性質(zhì)，因此可將超塑性合金直接制成零件以滿足質(zhì)，因此可將超塑性合金直接制成零件以滿足不同溫度下的減振需要。不同溫度下的減振需要。4.4.其他其他q利用動(dòng)態(tài)超塑性可將鑄鐵等難加工的材料進(jìn)行利用動(dòng)態(tài)超塑性可將鑄鐵等難加工的材料進(jìn)行彎曲變形；彎曲變形；q對(duì)于鑄鐵等焊接后易開(kāi)裂的材料，在焊后于超對(duì)于鑄鐵等焊接后易開(kāi)裂的材料，在焊后于超塑性溫度保溫，可消除內(nèi)應(yīng)力，防止開(kāi)裂；塑性溫度保溫，可消除內(nèi)應(yīng)力，防止開(kāi)裂；q高溫苛刻條件下使用的機(jī)械、結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、高溫苛刻條件下使用的機(jī)械

16、、結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及材料的研制。生產(chǎn)及材料的研制。20JJ Chapter6 Metallic Materials第第 三三 節(jié)：節(jié)： 高高 溫溫 合合 金金、高溫合金及其分類、高溫合金及其分類 高溫合金高溫合金是指在是指在60060012001200高溫下能承受高溫下能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金。一定應(yīng)力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金。 1 1鐵基高溫合金鐵基高溫合金2 2鎳基高溫合金鎳基高溫合金3 3鈷基高溫合金鈷基高溫合金 按照基體組元的不同，高溫合金可分為：按照基體組元的不同，高溫合金可分為： 二、高溫合金的應(yīng)用二、高溫合金的應(yīng)用 高溫合金是航空航天動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵材料

17、。高溫合金是航空航天動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵材料。鎳基高溫合金是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的首選材料。鎳基高溫合金是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的首選材料。 按制備工藝不同，高溫合金可分為：按制備工藝不同，高溫合金可分為： 變形高溫合金變形高溫合金鑄造高溫合金鑄造高溫合金粉末冶金高溫合金粉末冶金高溫合金 23Example主要部件占發(fā)動(dòng)機(jī)重量主要部件占發(fā)動(dòng)機(jī)重量7070由超耐熱合金構(gòu)成由超耐熱合金構(gòu)成燃燒室、渦輪盤和渦輪葉片用耐高溫的燃燒室、渦輪盤和渦輪葉片用耐高溫的Ni-CoNi-Co基合金制基合金制造造高壓氧渦輪泵和高壓氫渦輪泵上的葉片，都是高高壓氧渦輪泵和高壓氫渦輪泵上的葉片，都是高Cr-Cr-Co-WCo-W

18、基耐高溫合金，通過(guò)定向凝固精密鑄造制成基耐高溫合金，通過(guò)定向凝固精密鑄造制成 12圖 9.5 渦 輪 噴 氣 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 新 型 復(fù) 合 材 料 應(yīng) 用 情 況3456789101112131415進(jìn) 氣 道（80 )低 壓 轉(zhuǎn) 子（200 ) 燃 燒 室（1100 ) 渦 輪（950 ) 尾 噴 管（900 )壓 氣 機(jī)高 壓 轉(zhuǎn) 子（ 300550 )n鐵基超耐熱合金鐵基超耐熱合金q基于奧氏體不銹鋼基于奧氏體不銹鋼q中溫（中溫（600800）條件下使用）條件下使用n鎳基超耐熱合金鎳基超耐熱合金q鎳含量一般鎳含量一般50%q在在6501000范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良

19、好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力n鈷基超耐熱合金鈷基超耐熱合金q含鈷量含鈷量4065的奧氏體高溫合金的奧氏體高溫合金q在在7301100下下 ，具有一定的高溫，具有一定的高溫 強(qiáng)度、良強(qiáng)度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化能力。好的抗熱腐蝕和抗氧化能力。25超耐熱合金的分類Chapter6 Metallic Materials261 超低溫對(duì)材料的特殊要求超低溫對(duì)材料的特殊要求常溫以下直至絕對(duì)零度的較大溫度范圍常溫以下直至絕對(duì)零度的較大溫度范圍低溫低溫沸點(diǎn)沸點(diǎn)天然氣：天然氣：-163液液 氮：氮：-195.8液液 氫：氫：-253液液 氦：氦：-269第第 四四 節(jié)節(jié) ： 超超 低低

20、溫溫 材材 料料n防止低溫脆性防止低溫脆性q鐵素體鋼呈體心立方結(jié)構(gòu)，在溫度達(dá)到鐵素體鋼呈體心立方結(jié)構(gòu)，在溫度達(dá)到-200-200o oC C左右，左右，就會(huì)出現(xiàn)韌性就會(huì)出現(xiàn)韌性- -脆性轉(zhuǎn)變。脆性轉(zhuǎn)變。q添加添加1313的鎳，可以使其過(guò)渡溫度下降至液氦溫度，的鎳，可以使其過(guò)渡溫度下降至液氦溫度，即在液氦溫度以上不會(huì)出現(xiàn)低溫脆性。即在液氦溫度以上不會(huì)出現(xiàn)低溫脆性。q另一種方法是采用面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，例如鋁合另一種方法是采用面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，例如鋁合金、奧氏體系不銹鋼等。金、奧氏體系不銹鋼等。27n需要具備低溫下的熱性能需要具備低溫下的熱性能q低溫合金膨脹系數(shù)盡可能小低溫合金膨脹系數(shù)盡可能小q低膨脹合金：鐵鎳合金、鈦合金等低膨脹合金：鐵鎳合金、鈦合金等n必須是非磁性合金必須是非磁性合金q超低溫技術(shù)多在磁場(chǎng)下利用超低溫技術(shù)多在磁場(chǎng)下利用q帶有磁性的合金，在構(gòu)件中就會(huì)由于產(chǎn)生電磁力帶有磁性的合金，在構(gòu)件中就會(huì)由于產(chǎn)生電磁力的作用而造成對(duì)磁場(chǎng)的不良影響的作用而造成對(duì)磁場(chǎng)的不良影響28超低溫世界的奇異現(xiàn)象超低溫世界的奇異現(xiàn)象 金屬材料在超低溫下的屈服點(diǎn)、拉伸強(qiáng)度、延金屬材料在超低溫下的屈服點(diǎn)、拉伸強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性質(zhì)與常溫下有很大不同。伸率等力學(xué)性質(zhì)與常溫下有很大不同。在超低溫下，金屬材料的拉伸強(qiáng)度上升，但延展性降在超低溫下，金屬材料的