金属材料 Metallic Materials

金属材料金属材料 MetallicMetallic MaterialsMaterials 金属材料1Metallic Materials本章内容1 1金属材料结构与性能1 2超耐热合金1 3超低 温合金1 4超塑合金1 5形状记忆合金1 6贮氢合金1 7非晶态金属材 料2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 331 1金属材料结构与性能1 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4T12号钢退火金相形态结合第二章内容1 1 2合金基本结构与性 能 混合物合金 混合物合金 mixture alloy 细微晶粒相互间混合细微晶粒相互间混合 具有低共熔点具有低共熔点固溶体合金 固溶体合金 solid solutionalloy 金属间化合物合金 金属间化合物合金 interme tallic poundalloy 51 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6o o1394C912CFe FeFe 7 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8 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9高碳马氏体低碳马氏体10奥氏体和马氏体 奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体的结构 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 11 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1 67 复杂的正交晶格熔点1227 极高硬度 BHN600以上 的脆性化合物 塑性 韧性几乎为零 12 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13Fe Fe3C phasediagram1415相图分析16主要点 ABCD线线 液相线液相冷却至此开始析出 加热至此全部转化 AHJECF线线 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全部溶入A ES线 A C线C在A中溶解度曲线 ECF线线 共晶线含C量2 11 1 69 至此发生共晶反应 结晶出A与Fe3C混合物 莱氏体 PSK线线 共析线含C量在0 0218 1 69 至此反生共析反应 产生出珠光体17主要线1 1 4金属材料热 处理分类特点常用方法整体热处理是对工件整体进行穿透加热退火 正火 淬火 回火 调质等表面热处理是仅对工件的表面进行的热 处理工艺表面淬火和回火 如感应加热淬火 气相沉积等化学热 处理是改变工件表层的化学成分 组织和性能渗碳 渗氮 碳氮共 渗 氮碳共渗 渗金属 多元共渗等181 2 1超耐热合金定义 能在 能在700 1200 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191 2超耐热合金20Example航空燃起 轮机中使用的高温合金示意图11 压气机叶片22 燃烧室33 涡轮盘44 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 W基耐高温合金 通过定向凝固精密铸造制成Metals withhigh meltingpoint 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 21耐热合金 副族元素和第 族元素形成的合金高熔点金属第 副族 第 副族 第 副族22Periodic table 铁基超耐热合金铁基超耐热合金基于奥氏体不锈钢基于奥氏 体不锈钢 中温 中温 600 800 条件下使用 镍基超耐热合金镍基超耐热 合金镍含量一般镍含量一般 50 在在650 1000 范围内具有较高的强度和良好的抗氧化 抗燃气腐 蚀能力 钴基超耐热合金钴基超耐热合金含钴量含钴量40 65 的奥 氏体高温合金 在在730 1100 下 具有一定的高温强度 良好的抗热腐蚀和抗氧 化能力 231 2 2超耐热合金的分类24改变合金的组织结构采用特种工艺技术 1 2 3提高超耐热合金性能的途径25 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Cr2O 3 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 合金结构为了增强金属材料的耐高温蠕变性能 可以加入一些旨在 提高其再结晶温度的合金元素 例如高熔点的合金元素W Mo V等 钢的组织状态对其抗热性也有影响 奥氏体组织的钢比铁素体组织 的钢耐热性高 Ni Mn N的的加入能扩大和稳定奥氏体面心立方结构26奥氏体和马 氏体奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体的结构27 2 工艺技术定向凝固叶片旋转时 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281 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天然气 163 液氮 195 8 液氢 253 液氦 269 1 3超低温合金 防止低温脆性 铁素体钢呈体心立方结构 在温度达到 200o oC C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 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 29 需要具备低温下的热性能需要具备低温下的热性能温合金膨胀系 数尽可能小低温合金膨胀系数尽可能小 低膨胀合金铁镍合金 钛合金等低膨胀合金铁镍合金 钛合金等 必 须是非磁性合金必须是非磁性合金超低温技术多在磁场下利用超低 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301 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 韧性都十分优异 311 4超塑性合金Superplastic alloy1 4 1超塑性合金现象32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 33344 3 1超塑性现象超塑性现象 产生超细化晶粒 适宜的温度和 应变速率 产生超塑性的条件晶粒的超细化 等轴化以及稳定化可通过合金化 控制凝固过程 热处理 形变热处理 粉末冶金 机械加工等方 法来实现 1 4 2超塑性合金类别 结构类别结构类别细晶细晶超塑性 相变超塑性相变超塑性 合金种类合金种类 锌基合金巨大的无颈缩延伸率 低蠕变强度 锌基合金巨大的无颈 缩延伸率 低蠕变强度 冲压加工性能差铝综合力学性能较差 室 温脆性大铝基合金综合力学性能较差 室温脆性大镍基合金镍基合 金超塑性钢超塑性钢 钛基合金钛基合金35 1 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36J1 4 3超塑性合金的应用37超塑成型 2 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 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 38J 3 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 4 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 39J1 5形状记忆合金 SMA Shape MemoryAlloy 形状记忆材料是指具有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 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 形状记忆合金是形状记忆材料中的一种 401 5 1形状记忆合金特征1 一次记忆 单程 材科加热恢复原形状后 再改变温度 物体不再改变材科加热恢复 原形状后 再改变温度 物体不再改变形状 2 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 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 3 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 一般加热时的回复力比冷却时回复力大很多 4142单程 双程及全程记忆效应示意图1 5 2形状记忆效应机理4344 Ni Ti合金的马氏体和奥氏体结构45 孪晶 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 46马氏体与母相的平衡温 度1 5 3形状记忆合金材料Ti Ni系合金铜 铁系合金特点弯曲量大 塑性高弯曲量大 塑性高 在记忆温度以上恢复以前形状在记忆温度以上恢复以前形状47484 4 3SMA materials形状记忆合金材料及其转变温度1 5 4形状记忆合金的应 用49月面天线略图 1 在军事和航天工业方面的应用5051 2 在工程方面的应用形状记忆合金管接口52Advantages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 53 3 在医疗方面的应用记忆型NiTi牙弓丝54Examples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55 4 形状记忆式热发动机形状记忆用于热发动机的原理56Examples 镍钛诺尔热机的结构J57偏心曲柄型热机涡轮型热机58自控元件原理 5 其它应用594 4SMA4 4SMA双程CuZnAl记忆合金弹簧604 4SMA4 4SMA双程CuZnAl记忆合金花61ExamplesTiNi记忆合金眼镜架超弹性 耐腐蚀性重量轻1 1 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621 6储氢合金hydrogen storagealloys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 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 631 1 2储氢原理22H2H M HMH2xxQ 放热 吸入 吸热 放出64PrincipleM H系统p C T平衡图 平台区氢气 固溶体 金属氢化物三相共存f k 十2 1 p C T曲线上方吸收氢气 p C T曲线下方放出氢气65合金的吸氢反应机理 H2传质 化学吸附氢的 解离H2 2H ad 表面迁移 吸附的氢转化为吸收氢H ad H abs 氢在 相的稀固溶体中扩散 相转变为氢化物 相 H abs H abs 氢在 相中扩散 66氢原子在合金晶格中形成固溶体实用要求 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 671 1 3储氢合金的开发储氢合金种类系列代表合金扩展系列AB5LaN i5 MmNi5A1 x Nx B5 y My x 1 y 5 AB2TiCr2 TiMn2A1 x Nx B2 y My x 1 y 2 AB TiFe TiNi A1 x Nx B1 y My x l y 1 A2B Mg2Ni Ti2Ni A2 x Nx B1 y My x 2 y 1 68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 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 混合稀土金属碳纳米管 迄今为止最好的储氢材料69碳纳米管储氢示意图 红点为氢原子 7 01 1 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贮氢容器贮氢容器71Example贮氢合金制作的贮氢装置7 2Example在高压容器中装入贮氢合金的 混合贮氢容器 73H H22的回收与纯化的回收与纯化 H2的回收与纯化用铀回收氘的捕 集器74氢化物电极氢化物电极 氢化物电极Ni MHx电池充放电过 程示意图75镍氢电池结构76Advantages 1 比能量为Ni Cd电他的1 5 22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Ni Cd电他相近 可以互换使用 优点功能材料功能材料 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 面 77 功能材料功能转换机制 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78利用储 氢合金制造的制冷机1 7非晶态金属材料7911 77 11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 Ge80 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 即存在近程有序性81 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 82Performance use1 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合金硬度 H V抗拉强度 MPa断后伸长率 弹性模量 MPa非晶态合金Pd83Fe7Si104 01818600 166640Cu57Zr43529219600 174480Co75Si15B10891830000 253900Fe80P7744830400 03121520Ni75Si81478400 晶态18Ni 9Co 5Mo1810 213010 12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 8384 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