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1、金属材料,版权所有http:/,1,Chapter 6Metallic Materials,本章内容,6.1金属材料结构与性能6.2 超耐热合金6.3 超低温合金6.4 超塑合金6.5 形状记忆合金6.6 贮氢合金6.7 非晶态金属材料,2,版权所有http:/,学习目的,结合前面所学内容，理解金属材料结构与性能特点；了解各种新型金属材料的特殊性能和结构以及其用途。,3,3,版权所有http:/,学习参考书目,杨兴钰.材料化学导论.武汉：湖北科学技术出版社，2003王正品，张路，贾玉宏 主编，金属功能材料，化学工业出版社，2004李云凯 主编，金属材料学，北京理工大学出版社，2006Marc
2、W.M.van der Wijst，Shape Control of Structures and Materials with Shape Memory Alloys，University of Technology Eindhoven，1998R.LeHolm，B.Norris，High Temperature Alloys for Aerospace Structure，ASM International，2001,4,版权所有http:/,6.1金属材料结构与性能,6.1.1 金属晶体结构金属键特性紧密堆积结构金属材料形态多晶,5,T12号钢退火金相形态,结合第二章内容,版权所有htt
3、p:/,6.1.2 合金基本结构与性能,混合物合金（mixture alloy）细微晶粒相互间混合具有低共熔点固溶体合金（solid solution alloy）金属间化合物合金（intermetallic compound alloy）,6,版权所有http:/,6.1.3 铁系合金的组织结构,铁的同素异晶体-Fe：体心立方-Fe：面心立方-Fe：体心立方,7,版权所有http:/,8,版权所有http:/,奥氏体（Austenite，符号A表示）碳溶解在-Fe中的间隙固溶体仍保持-Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规则多边形727时溶碳为c 0.77，1148时可溶碳2.11具有较高塑性
4、,9,版权所有http:/,马氏体（Martensite，符号M表示）碳在-Fe中的过饱和固溶体马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织普遍具有较高强度和硬度,10,高碳马氏体,低碳马氏体,版权所有http:/,11,奥氏体和马氏体,奥氏体和马氏体的结构,版权所有http:/,铁素体（Ferrite，符号F表示）碳溶解于-Fe的体心立方晶格中形成的间隙固溶体碳原子含量很少(仅0.02%)强度和硬度低，塑性和韧性好。,12,版权所有http:/,渗碳体（cementite，符号C表示）碳与铁形成的一种化合物Fe3C，一般含碳6.67复杂的正交晶格熔点122
5、7。极高硬度（BHN600以上）的脆性化合物，塑性、韧性几乎为零。,13,版权所有http:/,珠光体（pearlite，符号P表示）奥氏体冷却时，在727发生共析转变的产物碳质量分数平均为Wc=0.77%显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织,14,版权所有http:/,Fe-Fe3C phase diagram,15,版权所有http:/,16,版权所有http:/,相图分析,17,主要点,版权所有http:/,ABCD线液相线液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。AHJECF线固相线液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化GS线A3线A开始析出F的转变线，加热时F全部溶
6、入AES线AC线C在A中溶解度曲线ECF线共晶线含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物（莱氏体）。PSK线共析线含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体,18,主要线,版权所有http:/,6.1.4 金属材料热处理,19,版权所有http:/,6.2.1 超耐热合金定义能在7001200高温下仍能长时间保持所需力学性能，具抗氧化、抗腐蚀能力，且能满意工作的金属材料通称超耐热合金。对高温材料的要求在高温下有优良的抗腐蚀性在高温下有较高的强度和韧性,20,6.2 超耐热合金,版权所有http:/,21,Example,航空燃起轮机中使用的高温合
7、金示意图,1压气机叶片2燃烧室3涡轮盘4涡轮叶片,主要部件占发动机重量70由超耐热合金构成燃烧室、涡轮盘和涡轮叶片用耐高温的Ni-Co基合金制造高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是高Cr-Co-W基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成,版权所有http:/,Metals with high melting point,原子中未成对的价电子数很多强化学键；原子半径较小晶格结点上粒子间的距离短，相互作用力大。,22,版权所有http:/,23,Periodic table,版权所有http:/,铁基超耐热合金基于奥氏体不锈钢中温（600800）条件下使用镍基超耐热合金镍含量一般50%在6501
8、000范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力钴基超耐热合金含钴量4065的奥氏体高温合金在7301100下，具有一定的高温 强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。,24,6.2.2 超耐热合金的分类,版权所有http:/,25,6.2.3 提高超耐热合金性能的途径,版权所有http:/,26,(1),在钢中加入对氧的亲和力比铁强的Cr、Si、Al等，可以优先形成稳定、致密的Cr2O3、Al2O3或SiO2等氧化物保护膜，成为提高耐热钢高温抗腐蚀的主要措施。,合金结构,版权所有http:/,27,奥氏体和马氏体,奥氏体和马氏体的结构,版权所有http:/,28,(2),工艺技术,定向凝固
9、叶片旋转时，所受的拉力和热应力，平行于叶片纵轴，定向凝固工艺形成沿纵轴方向的柱状晶粒，消除垂直于应力方向的晶界，从而可以使得热疲劳寿命提高10倍以上。,粉末冶金采用粒度数十至数百微米的合金粉末，经过压制、烧结、成型工序制成零件，可以消除偏析现象，组织成分均匀并可以大大节省材料,版权所有http:/,29,6.3.1 超低温对材料的特殊要求,常温以下直至绝对零度的较大温度范围,低温,沸点,6.3 超低温合金,版权所有http:/,防止低温脆性铁素体钢呈体心立方结构，在温度达到-200oC左右，就会出现韧性-脆性转变。添加13的镍，可以使其过渡温度下降至液氦温度，即在液氦温度以上不会出现低温脆性。
10、另一种方法是采用面心立方结构的金属，例如铝合金、奥氏体系不锈钢等。,30,版权所有http:/,需要具备低温下的热性能低温合金膨胀系数尽可能小低膨胀合金：铁镍合金、钛合金等必须是非磁性合金超低温技术多在磁场下利用带有磁性的合金，在构件中就会由于产生电磁力的作用而造成对磁场的不良影响,31,版权所有http:/,6.3.2 超低温合金的研究,高锰奥氏体钢专门开发的超低温合金。即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸率热膨胀系数特别小缺点：机械加工性不佳，耐冲击性也较差。铁锰铝新合金钢把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝代而制得保持面心立方结构添加多量的铝可增加奥氏体的强度和耐腐蚀性低温下强度、韧性
11、都十分优异。,32,版权所有http:/,6.4 超塑性合金 Superplastic alloy,6.4.1 超塑性合金现象,33,金属在某一小的应力状态下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出现缩颈，也不发生断裂，呈现一种异常的延伸现象。,版权所有http:/,34,版权所有http:/,35,4.3.1 超塑性现象,产生超细化晶粒；适宜的温度和应变速率。,产生超塑性的条件,版权所有http:/,6.4.2 超塑性合金类别,结构类别：细晶超塑性相变超塑性合金种类：锌基合金：巨大的无颈缩延伸率；低蠕变强度，冲压加工性能差铝基合金：综合力学性能较差，室温脆性大镍基合金超塑性钢：钛基合金,36,版权
12、所有http:/,高变形能力的应用真空成型或气压成型可以在密封模具内挤压或锻造，可以得到相当高的加工精度，并能大幅度降低加工压力、减少加工工序尤其适于极薄板和极薄管的制造，也非常适用于加工具有极微小凹凸表面的制品。缺点是加工速度慢，效率低,37,J,6.4.3 超塑性合金的应用,版权所有http:/,38,超塑成型,版权所有http:/,固相粘结能力的应用晶粒的超细化，即晶界体积比的增加使得低压下的固相结合易于进行。超塑性合金与另一金属压合时，其微细晶粒可以顺利地填充满微小凸起的空间，使两种材料间的粘结能力大大提高。利用这一点可轧合多层材料、包复材料和制造各种复合材料，获得多种优良性能的材料。
13、这些性能包括结构强度和刚度、减振能力、共振点移动、韧脆转变温度、耐蚀及耐热性等。,39,J,版权所有http:/,减振能力的应用合金在超塑性温度下具有使振动迅速衰减的性质，因此可将超塑性合金直接制成零件以满足不同温度下的减振需要。其他利用动态超塑性可将铸铁等难加工的材料进行弯曲变形；对于铸铁等焊接后易开裂的材料，在焊后于超塑性温度保温，可消除内应力，防止开裂；高温苛刻条件下使用的机械、结构件的设计、生产及材料的研制。,40,J,版权所有http:/,6.5 形状记忆合金（SMA）Shape Memory Alloy,形状记忆材料是指具有定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电
14、等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料；形状记忆合金是形状记忆材料中的一种。,41,版权所有http:/,6.5.1 形状记忆合金特征,一次记忆（单程）：材科加热恢复原形状后，再改变温度，物体不再改变形状。可逆记忆（双程）：物体不但能记忆高温的形状，而且能记忆低温的形状，当温度在高低温之间反复变化时，物体的形状也自动反应在两种形状间变化。全方位记忆（全程）：除具有可逆记忆特点外，当温度比较低时，物体的形状向与高温形状相反的方向变化。一般加热时的回复力比冷却时回复力大很多。,42,版权所有http:/,43,单程、双程及全程记忆效应示意图,版权所有http:/,6.5.2 形状记忆效
15、应机理,44,版权所有http:/,45,Ni-Ti合金的马氏体和奥氏体结构,版权所有http:/,46,孪晶（twinning）指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为孪晶，,版权所有http:/,47,马氏体与母相的平衡温度,版权所有http:/,6.5.3 形状记忆合金材料,Ti-Ni系合金铜系合金铁系合金特点弯曲量大，塑性高 在记忆温度以上恢复以前形状,48,版权所有http:/,49,4.4.3 SMA materials,形状记忆合金材料及其转变温度,版权所有http:/,6.5.4 形状记忆合金的应用,50,月面天线略图,（1）在军事
16、和航天工业方面的应用,版权所有http:/,51,版权所有http:/,52,（2）在工程方面的应用,形状记忆合金管接口,版权所有http:/,53,Advantages,形状记忆合金作紧固件、连接件的优势：,夹紧力大，接触密封可靠避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；,适于不易焊接的接头；,金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；,安装时不需要熟练的技术。,版权所有http:/,54,（3）在医疗方面的应用,记忆型NiTi牙弓丝,版权所有http:/,55,Examples,形状记忆合金套管连接的铝合金假肢,形状记忆合金制成的血液过滤器,版权所有http:/,56,（4）形状记忆式热发动机
17、,形状记忆用于热发动机的原理,版权所有http:/,57,Examples,镍钛诺尔热机的结构,J,版权所有http:/,58,偏心曲柄型热机,涡轮型热机,版权所有http:/,59,自控元件原理,（5）其它应用,版权所有http:/,60,4.4 SMA,双程CuZnAl记忆合金弹簧,版权所有http:/,61,4.4 SMA,双程CuZnAl记忆合金花,版权所有http:/,62,Examples,TiNi 记忆合金眼镜架,超弹性耐腐蚀性重量轻,版权所有http:/,6.6.1 氢气储存与储氢合金储氢合金在一定的温度和氢气压力下，可以多次吸收、储存和释放氢气的合金材料,63,6.6 储氢合
18、金 hydrogen storage alloys,储氢合金的单位体积储氢密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍,版权所有http:/,一个金属原子能与两个、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量。将其稍稍加热，氢化物又会发生分解，将吸收的氢释放出来，同时吸收热量。,64,6.6.2 储氢原理,版权所有http:/,65,Principle,M-H系统pCT平衡图,平台区：氢气、固溶体、金属氢化物三相共存f k十2=1pCT曲线上方：吸收氢气pCT曲线下方：放出氢气,版权所有http:/,66,合金的吸氢反应机理,H2传质化学吸附氢的解离H22Had表面迁移吸附的
19、氢转化为吸收氢Had Habs 氢在相的稀固溶体中扩散 相转变为氢化物（相）Habs()Habs()氢在相中扩散。,版权所有http:/,67,氢原子在合金晶格中形成固溶体,版权所有http:/,实用要求：容易活化；储气容量高；吸放氢速度快；反复吸放氢循环时不易粉化，性能不退化；有合适的吸放氢平台压力；吸放氢过程中的平衡氢压差小，即滞后现象弱；有确定的化学稳定性；对杂质敏感程度低；原料资源丰富，价格低廉；用作电极材料时具有良好的耐腐蚀性。,68,6.6.3 储氢合金的开发,版权所有http:/,储氢合金种类,69,可以在工程上应用的合金基本上都是金属间化合物，已确认有应用前景的共有四类,A及N
20、吸氢量较大的金属(A，B，B，B族金属)B及M过渡金属（B，B，B，B，A，A族）Mm 混合稀土金属,版权所有http:/,碳纳米管迄今为止最好的储氢材料,70,碳纳米管储氢示意图（红点为氢原子）,版权所有http:/,71,6.6.4 贮氢材料的应用,贮氢容器,重量轻、体积小氢以金属氢化物形式存在于贮氢合金之中，密度比相同湿度、压力条件下的气态氢大1000倍；节省能量，安全可靠用贮氢合金贮氢，无需高压及贮存液氢的极低温设备和绝热措施。,Application 贮氢容器,版权所有http:/,72,Example,贮氢合金制作的贮氢装置,版权所有http:/,73,Example,在高压容器中
21、装入贮氢合金的“混合贮氢容器”,版权所有http:/,74,H2的回收与纯化,H2的回收与纯化,用铀回收氘的捕集器,版权所有http:/,75,氢化物电极,氢化物电极,Ni、MHx电池充放电过程示意图,版权所有http:/,76,镍氢电池结构,版权所有http:/,77,Advantages,(1)比能量为NiCd电他的1.5-2倍；(2)无重金属Cd对人体的危害；(3)良好的耐过充、放电性能；(4)无记忆效应；(5)主要特性与NiCd电他相近，可以互换使用。,优点,版权所有http:/,功能材料,化学能、热能和机械能可以通过氢化反应相互转换，可用于热泵、贮热、空调、制冷、水泵、气体压缩机等方
22、面。,78,功能材料,功能转换机制,版权所有http:/,利用储氢合金的放热吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备,79,利用储氢合金制造的制冷机,版权所有http:/,6.7 非晶态金属材料,80,6.7.1 非晶态金属材料及其基本特征,（1）非晶态形成能力对合金的依赖性非晶态合金通常由金属组成或由金属与类金属组合金属与类金属组合更有利于非晶态的形成较好的组合类金属：B、P、Si、Ge,版权所有http:/,81,（2）结构的长程无序和短程有序性不存在原子排列的长程有序性观察不到晶粒的存在非晶态金属原子的最近邻、第二近邻这样近程的范围内，原子排列与晶态合金极其相似，即存在近程有序
23、性,版权所有http:/,82,（3）热力学的亚稳性从热力学来看，它有继续释放能量、向平衡状态转变的倾向从动力学来看，要实现这种转变首先必须克服一定的能垒位垒高低直接关系到非晶态金属材料的实用价值和使用寿命,版权所有http:/,83,Performance&use,6.7.2 非晶态金属材料的性能与用途（1）高强度高韧性的力学性能,非晶态合金的力学性能,版权所有http:/,结构性能特点：结构中不存在位错，没有晶体那样的滑移面，因而不易发生滑移。非晶态合金断后伸长率低但并不脆，而且具有很高的韧性，非晶薄带可以反复弯曲180而不断裂，并可以冷轧，有些合金的冷轧压下率可达50%。用途：非晶态合金
24、的高强度、高硬度和高韧性可以被利用制做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。,84,版权所有http:/,85,（2）高导磁、低铁损的软磁性能无序结构不存在磁晶各向异性易于磁化；没有位错、晶界等晶体缺陷磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗小目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基，铁一镍基和钴基三大类。,金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材料、磁头材料、磁屏敝材料、磁致伸缩材料等。,版权所有http:/,86,（3）耐强酸、强碱腐蚀的化学特性不存在第二相，组织均匀其无序结构中不存在晶界，位错等缺陷本身活性很高，能够在表面迅速形成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。目前对耐蚀性能
25、研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶态合金，其中大都含有铬。制造耐腐蚀管道、电池的电极、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化工用的催化剂、污水处理系统中的零件等,版权所有http:/,87,Examples,非晶态合金和晶态不锈钢在10FeCl310H2O溶液中的腐蚀速率,版权所有http:/,88,非晶态合金的主要特性和应用,版权所有http:/,思考题,名词解释：1）黑色金属；2）有色金属；3）奥氏体；4）马氏体；5）超耐热合金；6）金属固溶体；7）金属间化合物简述形状记忆合金原理。介绍贮氢合金类别，并说明其贮氢、释氢化学过程。讨论贮氢合金在镍氢电池领域的工作原理。超塑性合金一般具有怎样的结构特点？非晶态金属材料一般如何制得？它具有什么突出性能特点？结构上是热力学稳定体系吗？一般金属材料是否为单晶态金属结构？,89,版权所有http:/,
