材料工程课堂

材科14卓越,金属材料的制备,李新奇、赵文艺苏伟波、洪昆,CONTENTS,ThisIsAList,01,金属材料制备的现状,02,新工艺、新方法,03,新品种、新设备,04,发展方向及前景,第一节：李新奇,2.由于我国经济的制约，直到现在我国才只是初步建立起现代市场金属材料发展趋势，还没有完全改变传统的金属材料发展的观念。，,现在,过去,未来,3.未来会把金属材料和生态一样作为发展的基本，尤其是满足高端产业的合金，复合基材料等。,1.金属材料自古以来都占据着极其重要的地位，传统的铁器时代、青铜器时代。,01,主要内容,冶金工艺,01,钢铁冶炼,02,有色金属冶炼,03,1.1,冶金工艺,定义,原因,工序,工艺,原因:自然界中大多数元素都不是单独存在的，而是以各种化合物和盐类的形式存在于各类矿物中。,工艺:,工序：,定义:关于矿产资源的开发利用和金属材料的生产加工的工程技术。,1.2火法冶金,工艺流程：,定义：火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法。,钢铁、大多数有色金属,1.3湿法冶金,定义：湿法冶金就是金属矿物原料在酸性介质或碱性介质的水溶液进行化学处理或有机溶剂萃取、分离杂质、提取金属及其化合物的过程。,有色金属、稀有金属、贵金属,金属或化合物的提纯,电冶金：利用电能从矿石或其原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程。,1.5钢铁的冶炼,电冶金：利用电能从矿石或其原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程。,第二节：赵文艺,02,主要内容,01,放电等离子烧结技术,02,喷射成形技术,2.1喷射成形技术,喷射成形（SprayForming）技术，也有人称为喷射沉积（SprayDeposition）或喷射铸造（Spraycasting）技术,何为喷射成形技术？,原理：用高压惰性气体将合金液流雾化成细小熔滴，在高速气流下飞行并冷却，在尚未完全凝固前沉积成坯件的一种工艺。它具有所获材料晶粒细小、组织均匀、能够抑制宏观偏析等快速凝固技术的各种优点。,由于快速凝固的作用，通过此方式所获金属材料成分均匀、组织细化、无宏观偏析，且含氧量低。拥有新的材料制备和成型工艺技术所具有的独特优点，所以在要求高强度、高韧性、高刚度和轻量化的军用材料中得到广泛的应用。,喷射成型技术的主要应用,（1）采用喷射成形技术制造高强度、高刚度、高阻尼大尺寸鱼雷壳体是这项技术最适宜的应用对象，对提高材料性能和降低成本都具有重要作用；（2）采用喷射成形技术制备各种装甲车辆的发动机铝合金部件具有化学成分均匀、金相组织细小和净化材质等优点，对提高材料的强度、改善疲劳性能和抗腐蚀性能都极为有利；（3）用喷射成形技术制备各种舰船和水陆两栖装甲车辆的螺旋浆、喷水管等可极大地降低成本和提高材料对海水和盐雾的耐腐蚀性能。,在军事方面应用,2.2放电等离子烧结技术,放电等离子烧结(SparkPlasmaSintering,简称SPS)工艺是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。,SPS是利用放电等离子体进行烧结的。等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物质状态，是除固态、液态和气态以外，物质的第四种状态。等离子体是解离的高温导电气体，可提供反应活性高的状态。等离子体温度400010999，其气态分子和原子处在高度活化状态，而且等离子气体内离子化程度很高，这些性质使得等离子体成为一种非常重要的材料制备和加工技术。,2.2放电等离子烧结设备,近几年，国内外用SPS制备新材料的研究主要集中在：陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物，复合材料和功能材料等方面。其中研究最多的是功能材料，它包括热电材料、磁性材料、功能梯度材料、复合功能材料和纳米功能材料等。,SPS的应用,第三节：苏伟波,3,新型金属材料,形状记忆合金,01,储氢合金,02,金属间化合物,03,04,05,非晶态金属,纳米金属材料,形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。形状记忆合金分为三类：,1、单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。2、双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。3、全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。,形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。形状记忆合金问世以来，引起人们极大的兴趣和关注，近年来发现在高分子材料、铁磁材料和超导材料中也存在形状记忆效应。对这类形状记忆材料的研究和开发，将促进机械、电子、自动控制、仪器仪表和机器人等相关学科的发展。,目前储氢合金主要包括有钛系、锆系、铁系及稀土系储氢合金。某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，这些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。,目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。储氢合金不光有储氢的本领，而且还有将储氢过程中的化学能转换成机械能或热能的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热，在放氢时吸热，利用这种放热吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备。,非晶态金属是指在原子尺度上结构无序的一种金属材料。大部分金属材料具有很高的有序结构，原子呈现周期性排列（晶体），表现为平移对称性，或者是旋转对称，镜面对称，角对称（准晶体）等。而与此相反，非晶态金属不具有任何的长程有序结构，但具有短程有序和中程有序（中程有序正在研究中）。一般地，具有这种无序结构的非晶态金属可以从其液体状态直接冷却得到，故又称为“玻璃态”，所以非晶态金属又称为“金属玻璃”或“玻璃态金属”。,DATAPLAY,非晶态金属具有以下特点：1、是强度和韧性兼具，即强度高而韧性好，一般的金属这两者是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。其耐磨性也明显地高于钢铁材料。2、是其优异的耐蚀性，远优于典型的不锈钢，这可能是因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷和不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。3、是非晶态金属优良的磁学性能；由于其电阻率比一般金属晶体高，可以大大减少涡流损失，低损耗、高磁导，成为引人注目的新型材料。非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可降低60-80%，被誉为节能的“绿色材料”。,3.4纳米金属材料纳米金属材料的开发对金属材料进行严重塑性变形可显著细化其微观组织，使晶粒细化至亚微米尺度从而大幅度提高其强度。研究表明，塑性变形过程中提高变形速率和变形梯度可有效提高位错增殖及储存位错密度，从而促进晶粒细化进程。这种新型超硬超高稳定性金属纳米结构有望在工程材料中得到应用以提供其耐磨性和疲劳性能.。可以作为高密度磁记录材料。利用纳米钴粉记录密度高、矫顽力高，信噪比高和抗氧化性好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。,3.5金属间化合物金属间化合物，是指金属和金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物，其原子的排列遵循某种高度有序化的规律。当它以微小颗粒形式存在于金属合金的组织中时，将会使金属合金的整体强度得到提高，特别是在一定温度范围内，合金的强度随温度升高而增强，这就使金属间化合物材料在高温结构应用方面具有极大的潜在优势。然而事物的优劣总是一把双刃剑。伴随着金属间化合物的高温强度而来的，是它本质上难以克服的室温脆性。金属间化合物材料的应用，极大地促进了当代高新技术的进步与发展，促进了结构与元器件的微小型化、轻量化、集成化与智能化，促进了新一代元器件的出现。金属间化合物这一“高温英雄”最大的用武之地是将会在航空航天领域，如密度小、熔点高、高温性能好的钛铝化合物等具有极诱人的应用前景。,4材料制备的新型设备4.1Gleeble热模拟试验机Gleeble热模拟试验机可以精确控制材料的加热、冷却过程和拉伸和压缩等机械变形，从而可以根据生产的实际工艺，物理模拟材料的加工过程，理解材料的力学性能变化与工艺参数之间的联系。4.1.1焊接热影响区模拟实验Gleeble热模拟试验机电阻加热系统具有快速加热和冷却的特点，可以进行焊接热循环过程的模拟。焊接热影响区是指材料在焊接热源的作用下，焊缝两侧因经受热循环和应力循环的作用，从而发生组织和性能变化的区域。,4.1.2材料的冷却转变曲线测定钢铁材料的连续冷却转变曲线（CCT曲线）是钢铁材料组织、性能控制的基础。以往测定CCT曲线的方法主要有端淬法和电阻法等，但是由于实验条件的限制，常规的方法进行测试往往不准确，导致实验结果的误差极高。而Gleeble热模拟试验机具有可控制的加热和冷却速度，因此，通过测量试样在不同冷却和加热速度条件下的膨胀率变化，就可以很方便的测量材料的相变温度，从而绘制CCT曲线图。,4.2纳米压痕测试仪传统的金属材料硬度测试方法一般通过测量残余压痕的尺寸计算出硬度值，但该类材料的弹性模量等强度指标仍需要采用拉伸实验测量。纳米压痕仪能够把压针加卸载过程中的载荷和深度连续记录下来，通过加卸载曲线的分析，直接计算出材料的塑性性质和弹性性质，为金属材料的力学强度性能测试提出了新的解决方法。,4.2纳米压痕测试仪传统的金属材料硬度测试方法一般通过测量残余压痕的尺寸计算出硬度值，但该类材料的弹性模量等强度指标仍需要采用拉伸实验测量。纳米压痕仪能够把压针加卸载过程中的载荷和深度连续记录下来，通过加卸载曲线的分析，直接计算出材料的塑性性质和弹性性质，为金属材料的力学强度性能测试提出了新的解决方法。,第四节：洪昆,4.1黑色金属的转型4.2镁及镁合金4.3钛及钛合金4.4铝及铝合金,黑色金属的转型,镁及镁合金,镁由于优良的物理性能和机械加工性能，丰富的蕴藏量，已经被业内公认为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。,电子电器,其他领域,汽车,1.镁作为实际应用中最轻的金属结构材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人们的重视。2.在未来的7-8年中，欧洲汽车用镁将占总消耗量的14%，预计今后将以15%的速度递增，2005年将达到20万吨。,1.在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成了厂家的最佳选择。2.镁合金外壳可使产品更豪华、美观。,1.镁牺牲阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于长距离输送的地下铁制管道和石油储罐。2.近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高，其生产成本已下降到与铝合金相当的程度，极大地刺激了其在民用领域的应用，,主要应用领域,钛及钛合金,钛及钛合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等优良特性。随着国民经济及国防工业的发展，钛日渐被人们普遍认识，广泛地应用于汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域。,1.美国钛的最大应用领域是航空航天，占到总消费量的58.5%；2.在化学工业及油气田钻探装置上的用钛量都在增加。,1.日本则是火力、核电厂，及板式热交换器，两者合计占总消费量的41.9%2.在计算机磁盘(真空镀膜)、纤维纺织机的框架、餐具、帐篷用具、拐杖和照相机等方面都巧妙地使用钛。,美国,日本,主要应用领域,铝及铝合金,铝合金具有密度