材料化學(xué) 課件 第九章 金屬材料及制備3-1 功能合金材料

高等材料化學(xué)第九章：金屬材料及制備金屬材料及制備一、金屬材料概論金屬材料概論金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)鐵-碳相圖和鋼鐵材料二、金屬材料的制備與熱處理

金屬礦物與冶煉金屬材料的熱處理金屬的腐蝕與防護(hù)三、功能性金屬材料功能合金材料

非晶金屬材料

金屬基復(fù)合材料四、金屬材料工程案例(中鋁集團(tuán)陳少華博士)功能合金材料結(jié)構(gòu)功能合金材料兩種及兩種以上的金屬或非金屬組成的金屬體系，包括金屬固溶體、金屬間化合物以及由它們所組成的多相體系合金化可以通過固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、過剩相強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、冷變形強(qiáng)化等機(jī)制大幅度提高金屬的強(qiáng)度。鋁合金地殼中鋁的藏量為7.45%,是含量最多的金屬，年產(chǎn)量僅次于鐵，密度小，導(dǎo)電性好。硬鋁合金:加入少量銅、錳、鎂等金屬，再經(jīng)過熱處理使其強(qiáng)度大為提高，俗稱“鋼精”。輕盈美觀，不易生銹鋁合金強(qiáng)度可與鋼媲美，但卻比其輕近1/4，廣泛用于航空航天業(yè)。鈦合金密度小、強(qiáng)度高、抗蝕性好、工作溫度寬(-200~500℃)。鈦合金強(qiáng)度幾乎是鋁合金的5倍，熱處理后強(qiáng)度與高強(qiáng)度鋼相當(dāng)，密度僅為鋼的57%。鈦合金可用作液氮或液氦等的低溫容器。“空間金屬”：美國新式戰(zhàn)斗機(jī)含鈦量大于90%

“深海金屬”：1977年，前蘇聯(lián)用3500多噸鈦制造當(dāng)時(shí)航行速度最快的核潛艇。功能合金材料超耐熱合金能在700~1200℃高溫下長時(shí)間保持力學(xué)性能正常工作，具抗氧化、抗腐蝕能力的金屬材料。航空燃?xì)廨啓C(jī)中普遍使用超耐熱合金壓氣機(jī)葉片：Cr-Co-W基合金燃燒室/渦輪盤/渦輪葉片：Ni-Co基合金超耐熱合金的分類鐵基超耐熱合金基于奧氏體不銹鋼，中溫(600~800℃)下使用鎳基超耐熱合金鎳含量一般>50%，在650~1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力鈷基超耐熱合金含鈷量40~65％的奧氏體高溫合金，在730~1100℃下使用，具有一定的高溫強(qiáng)度、好的抗熱腐蝕和抗氧化能力功能合金材料原子中未成對的價(jià)電子數(shù)很多---強(qiáng)化學(xué)鍵；原子半徑較小---晶格結(jié)點(diǎn)上粒子間的距離短，相互作用力大。V~VII+VIII超耐熱合金的設(shè)計(jì)內(nèi)因

外因

加入對氧的親和力強(qiáng)的Cr、Si、Al等，形成穩(wěn)定致密的氧化物保護(hù)膜，提高高溫抗腐蝕性；加入提高再結(jié)晶溫度的高熔點(diǎn)合金元素W、Mo、V等，增強(qiáng)耐高溫蠕變性能；加入Ni、Mn、N穩(wěn)定耐熱性高的奧氏體面心立方結(jié)構(gòu)；定向凝固：葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)所受的拉力和熱應(yīng)力平行于葉片縱軸，定向凝固工藝形成沿縱軸方向的柱狀晶粒，消除垂直于應(yīng)力的晶界，可以提高熱疲勞壽命10倍以上；粉末冶金：采用粒度數(shù)十至數(shù)百微米的合金粉末，經(jīng)過壓制、燒結(jié)、成型工序制成零件，可以消除偏析現(xiàn)象，組織成分均勻并可以大大節(jié)省材料。組織結(jié)構(gòu)特種工藝功能合金材料超低溫合金低溫：常溫以下直至絕對零度的較大溫度范圍沸點(diǎn)：天然氣：-163℃110K

液氮：-195℃77K

液氫：-253℃20K

液氦：-269℃4K超低溫對材料的特殊要求防止低溫脆性鐵素體鋼呈體心立方結(jié)構(gòu)，在溫度達(dá)到-200oC

左右，就會出現(xiàn)韌性-脆性轉(zhuǎn)變。添加13％的鎳，可以使其過渡溫度下降至液氦

溫度，即在液氦溫度以上不會出現(xiàn)低溫脆性。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。低膨脹合金鐵鎳合金、鈦合金等，低溫膨脹系數(shù)盡可能小非磁性合金超低溫技術(shù)多在磁場下利用，要求合金構(gòu)件無

磁性，不產(chǎn)生電磁力的作用高錳奧氏體鋼鐵錳鋁新合金鋼功能合金材料超塑性合金塑性(Plasticity)：在外力作用下，材料能穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。金屬的超塑性現(xiàn)象是在1928年發(fā)現(xiàn)的：金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认?大約金屬熔點(diǎn)的一半)變得像軟糖一樣柔軟，在小應(yīng)力下能伸長十倍甚至百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不會斷裂。超塑性是指材料在一定的內(nèi)部條件和外部條件下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現(xiàn)象。超塑性的特點(diǎn)有大延伸率，無縮頸，小應(yīng)力，易成形。拉伸前拉伸后功能合金材料超塑性合金超塑性產(chǎn)生機(jī)理

產(chǎn)生超細(xì)化晶粒晶粒的超細(xì)化、等軸化以及穩(wěn)定化可通過合金化、控制凝固

過程、熱處理、形變熱處理、粉末冶金、機(jī)械加工等實(shí)現(xiàn)

適宜的溫度

適宜的應(yīng)變速率結(jié)構(gòu)類別：

細(xì)晶超塑性/相變超塑性合金種類：

鋅基合金：大的延伸率，低蠕變強(qiáng)度，沖壓加工性能差

鋁基合金：綜合力學(xué)性能較差，室溫脆性大

鎳基合金：超塑性鋼、鈦基合金……超塑成型：數(shù)控超塑脹形裝備及技術(shù)用于載人航天某型號球底蒙皮的研制功能合金材料形狀記憶合金具有一定初始形狀的合金材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學(xué)刺激的處理又可恢復(fù)成初始形狀。一次記憶(單程)：

材科加熱恢復(fù)形狀后，再改變溫度物體不再改變形狀?？赡嬗洃?雙程)：

物體能同時(shí)記憶高溫和低溫的形狀，溫度在高低溫之

間反復(fù)切換時(shí)，物體的形狀也在兩種形狀間變化。全方位記憶(全程)：

除具有可逆記憶特點(diǎn)外，當(dāng)溫度比較低時(shí)，物體的形

狀向與高溫形狀相反的方向變化。一般加熱時(shí)的回復(fù)

力比冷卻時(shí)回復(fù)力大很多。功能合金材料形狀記憶合金Ti-Ni系合金/銅系合金/鐵系合金材料體系應(yīng)用領(lǐng)域月面天線TiNi合金眼鏡架工程：合金管接口功能合金材料儲氫合金在一定的溫度和氫氣壓力下，可以多次吸收、儲存和釋放氫氣的合金材料。儲氫合金的單位體積儲氫密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的一千倍。氫能源是有潛力的清潔能源儲氫材料發(fā)展現(xiàn)狀功能合金材料儲氫合金氫原子在合金晶格中形成固溶體代表性材料LaNi5-LaNi5H7(P63mc)優(yōu)點(diǎn)：易活化，平臺壓力適中且平坦，吸/放氫平衡壓差小，動力學(xué)性能優(yōu)良，不易中毒?？墒覝貎Ψ艢?分解熱為30kJ/molH2)，吸/放氫純度高(99.9%以上)。缺點(diǎn)：儲氫量低(1.4%wt，25℃，0.2MPa)，不抗粉化和氧化，含稀土元素La，價(jià)格偏高。儲氫機(jī)理系列代表合金擴(kuò)展系列AB5LaNi5，RENi5A1-xNxB5-yMy

（x＜1，y＜5）A2BMg2Ni，Ti2NiA2-xNxB1-yMy

（x＜2，y＜1）AB2TiCr2，TiMn2A1-xNxB2-yMy