工程材料認知講義

PAGEPAGE4工程材料認知講義1常見的金屬及合金1.1鐵和鐵的合金廣義的鐵合金是指煉鋼時作為脫氧劑、元素添加劑等加入鐵水中使鋼具備某種特性或達到某種要求的一種產(chǎn)品。鐵與一種或幾種元素組成的中間合金，主要用于鋼鐵冶煉。在鋼鐵工業(yè)中一般還把所有煉鋼用的中間合金，不論含鐵與否（如硅鈣合金），都稱為“鐵合金”。習慣上還把某些純金屬添加劑及氧化物添加劑也包括在內(nèi)?；痉诸愯F合金的品種繁多，分類方法也多一般按下列方法分類：（1）按鐵合金中主元素分類，主要有硅，錳，鉻，釩，鈦，鎢，鉬等系列鐵合金。（2）按鐵合金中含碳量的分類，有高碳，中碳，低碳，微碳，超微碳等品種。（3）含有兩種或者兩種以上合金元素的多元鐵合金，主要品種有硅鋁合金，硅鈣合金，錳硅鋁合金，硅鈣鋁合金，硅鋇鈣合金等。（4）按生產(chǎn)方法分類：有高爐鐵合金，電爐鐵合金，爐外法（金屬熱法）鐵合金，真空固態(tài)還原鐵合金，電解法鐵合金，此外還有氧化物壓塊與發(fā)熱鐵合金等特殊鐵合金。1.2金屬熱處理相關知識熱處理是指金屬材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，改變材料表面或內(nèi)部的化學成分與組織，獲得所需性能的一種金屬熱加工工藝1．正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點AC3或ACM以上的適當溫度保持一定時間后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。2．退火annealing：將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20—40度，保溫一段時間后，隨爐緩慢冷卻（或埋在砂中或石灰中冷卻）至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。3.淬火：將鋼奧氏體化后以適當?shù)睦鋮s速度冷卻，使工件在橫截面內(nèi)全部或一定的范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。50CrVA彈簧鋼880℃淬油金相組織4.回火：將經(jīng)過淬火的工件加熱到臨界點AC1以下的適當溫度保持一定時間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。5.調(diào)質(zhì)處理（quenchingandtempering）：一般習慣將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織，它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織更優(yōu)。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關，一般在HB200—350之間。1.3鋁和鋁的合金純鋁分冶煉品和壓力加工品兩類前者以化學成份Al表示，后者用漢語拼音LV（鋁、工業(yè)用的）表示。鋁合金按加工方法可以分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類：形變鋁合金能承受壓力加工?？杉庸こ筛鞣N形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、建筑用門窗等。形變鋁合金又分為不可熱處理強化型鋁合金和可熱處理強化型鋁合金。不可熱處理強化型不能通過熱處理來提高機械性能，只能通過冷加工變形來實現(xiàn)強化，它主要包括高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁以及防銹鋁等?？蔁崽幚韽娀弯X合金可以通過淬火和時效等熱處理手段來提高機械性能，它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等。鑄造鋁合金按化學成分可分為鋁硅合金，鋁銅合金，鋁鎂合金，鋁鋅合金和鋁稀土合金，其中鋁硅合金又有過共晶硅鋁合金，共晶硅鋁合金，單共晶硅鋁合金，鑄造鋁合金在鑄態(tài)下使用。1.4銅和銅的合金1、純銅高品質(zhì)紅銅純度高，組織細密，含氧量極低。無氣孔、沙眼、疏松，導電性能極佳，適合電蝕刻模具，經(jīng)熱處理工藝，電極無方向性，適合精打，細打。2、青銅原指銅錫合金﹐后除黃銅﹑白銅以外的銅合金均稱青銅﹐并常在青銅名字前冠以第一主要添加元素的名。錫青銅的鑄造性能﹑減摩性能好和機械性能好﹐適合於制造軸承﹑蝸輪﹑齒輪等。鉛青銅是現(xiàn)代發(fā)動機和磨床廣泛使用的軸承材料。鋁青銅強度高﹐耐磨性和耐蝕性好﹐用于鑄造高載荷的齒輪﹑軸套﹑船用螺旋槳等。磷青銅的彈性極限高﹐導電性好﹐適於制造精密彈簧和電接觸元件﹐鈹青銅還用來制造煤礦﹑油庫等使用的無火花工具。鈹銅是一種過飽和固溶體銅基合金，是機械性能，物理性能，化學性能及抗蝕性能良好；粉末冶金制作針對鎢鋼，高碳鋼、耐高溫超硬合金制作的模具需電蝕時，因普通電極損耗大，速度慢，鎢銅是比較理想材料。3、黃銅以鋅作主要添加元素的銅合金﹐具有美觀的黃色﹐統(tǒng)稱黃銅。銅鋅二元合金稱普通黃銅或稱簡單黃銅。三元以上的黃銅稱特殊黃銅或稱復雜黃銅。含鋅低於36%的黃銅合金由固溶體組成﹐銅合金有良好的冷加工性能﹐如含鋅30%的黃銅常用來制作彈殼﹐俗稱彈殼黃銅或七三黃銅。含鋅在36～42%之間的黃銅合金由和固溶體組成﹐其中最常用的是含鋅40%的六四黃銅。為了改善普通黃銅的性則不易吸收氫。其次形成氫化物的平衡壓要適當,最好在室溫附近只有幾個大氣壓,便于吸放氫,而且要吸放速度快，這樣才能夠滿足實際應用的需求。另外合金及其氫化物對水、氧和二氧化碳等雜質(zhì)敏感性小，反復吸放氫時，材料性能不至于惡化。而且，儲氫材料的氫化物還要滿足在存儲與運輸過程中性能可靠、安全、無害、化學性質(zhì)穩(wěn)定等條件。現(xiàn)在已研究的并且符合上述要求的有鎂系、稀土系、鈦系和鋯系等。在上述儲氫材料中，鎂系儲氫合金具有較高的儲氫容量，而且吸放氫平臺好、資源豐富、價格低廉，應用前景十分誘人。鎂可直接與氫反應,在300—400℃和較高的壓力下,反應生成Mg和H2反應生成MgH2:Mg+H2=MgH2?△H=-74.6kJ/mol。MgH2理論氫含量可達7.6%,具有金紅石結(jié)構(gòu),性能較穩(wěn)定,在287℃時分解壓為101.3kPa。由于純鎂的吸放氫反應動力學性能差,吸放氫溫度高,所以純鎂很少被直接用來儲存氫氣，為此人們又開始研究鎂基儲氫合金材料。到目前為止,人們已對300多種重要的鎂基儲氫合金材料進行了研究。二，液態(tài)有機物儲氫材料有機液體氫化物貯氫是借助不飽和液體有機物與氫的一對可逆反應,即加氫和脫氫反應來實現(xiàn)的。加氫反應時貯氫,脫氫反應時放氫,有機液體作為氫載體達到貯存和輸送氫的目的。烯烴、炔烴、芳烴等不飽和有機液體均可作貯氫材料,但從貯氫過程的能耗、貯氫量、貯氫劑、物理等方面考慮,以芳烴特別是單環(huán)芳烴作貯氫劑為佳,常用的有機物氫載體有苯、甲苯、甲基環(huán)己烷、萘等。用這些有機液體氫化物作為貯氫劑的貯氫技術(shù),是20世紀80年代開發(fā)的一種新型貯氫技術(shù)。1980年,Taube等分析、論證了利用甲基環(huán)己烷作氫載體貯氫為汽車提供燃料的可能性。隨后許多學者對為汽車提供燃料的技術(shù)開展了很多卓有成效的研究和開發(fā)工作,對催化加氫脫氫的貯存輸送進行了廣泛的開發(fā)。有機液體氫化物貯氫作為一種新型貯氫材料,其貯氫特點是:有機液的貯存、運輸安全方便,可利用現(xiàn)有的貯存和運輸設備,有利于長距離大量運輸，貯氫量大,苯和甲苯的理論貯氫量分別為7.19(wt)%和6.18(wt)%,比現(xiàn)有的金屬貯氫量高得多，貯氫劑成本低且可多次循環(huán)使用，加氫反應要放出大量的熱,可供利用,脫氫反應可利用廢熱。目前存在的主要問題是有機物氫載體的脫氫溫度偏高,實際釋氫效率偏低。因此,開發(fā)低溫高效的有機物氫載體脫氫催化劑、采用膜催化脫氫技術(shù)對提高過程效能有重要意義。三，納米儲氫材料納米儲氫材料分為兩種方式，一種是將原有的儲氫材料納米化，還有一種就是開發(fā)新的納米材料作為儲氫材料。儲氫合金納米化提高儲氫特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面原因。（1）對于納米尺寸的金屬顆粒，連續(xù)的能帶分裂為分立的能級，并且能級間的平均間距增大，使得氫原子容易獲得解離所需的能量，表現(xiàn)為貯氫合金活化能降低和活化溫度降低。（2）納米顆粒具有巨大的比表面積，電子的輸送將受到微粒表面的散射，顆粒之間的界面形成電子散射的高勢壘，界面電荷的積累產(chǎn)生界面極化，而元素的電負性差越大，合金的生成焓越負,合金氫化物越穩(wěn)定。金屬氫化物能夠大量生成，單位體積吸納的氫的質(zhì)量明顯大于宏觀顆粒。（3）納米貯氫合金比表面積大，表面能高，氫原子有效吸附面積顯著增多，氫擴散阻力下降，而且氫解反應在合金納米晶的催化作用下反應速率增加，納米晶具有高比例的表面活性原子，有利于反應物在其表面吸附，有效降低了電極表面氫原子的吸附活化能,因而具有高的電催化性能。另外，由于納米晶粒相當細小,導致晶界和晶格缺陷增加，而晶體缺陷和位錯處的原子具有較高的能量可視為反應的活性中心,從而降低析氫過電位