材料概论4- 金属材料2

1、 4.2 形状记忆合金（SMA） Shape Memory Alloy 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定初始形状的 材料经形变并固定成另一种形状后，通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；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, 形状记忆材料包括合金，复合材料及有形状记忆材料包括合金，复合材料及有 机高分子材料。机高分子材料。 4.2.1 形状记忆合金特征 材料在较低温度下受外力而变形，当外力 去除后，仍保持其变形

2、后的形状，但当温 度上升到某数值，材料会自动恢复到变形 前原有的形状，似乎对以前的形状保持记 忆。 合金材料恢复形状所需的刺激源通常为热 源，故也称为热致形状记忆合金。 4.2.2 形状记忆合金的记忆特点 1. 一次记忆（单程）：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。形状。 2. 可逆记忆（双程）：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

3、两种形状间变化。反应在两种形状间变化。 3. 全方位记忆（全程）：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。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。 单程、双程及全程记忆效应示意图单程、双程及全程记忆效应示意图 4.2.3 形状记忆合金材料 Ti-Ni系合金系合金 铜系合金铜系合金：eg: Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Au-Cu-Zn 铁铁系合金系合金：eg: Fe-Pt, Fe-Mn-Si 特点特点 弯曲量大，塑

4、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 目前性能最佳的形状记忆合金 进入实用阶段 4.2.4 形状记忆合金的应用 月面天线略图月面天线略图 （1）在军事和航天工业方面的应用）在军事和航天工业方面的应用 （2）在工程方面的应用）在工程方面的应用 形状记忆合金管接口 Advantages 形状记忆合金作紧固件、连接件的优势：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；接而产生的冶金缺陷； 适于不易焊接的接头；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金属与塑料等不

5、同材料可以通过这种连接 件连成一体；件连成一体； 安装时不需要熟练的技术。安装时不需要熟练的技术。 （3）在医疗方面的应用）在医疗方面的应用 记忆型记忆型NiTi牙弓丝牙弓丝 Examples 形状记忆合金套管连接的铝合金假肢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形状记忆合金制成的血液过滤器 Examples 镍钛诺尔热机的结构镍钛诺尔热机的结构 J （4）形状记忆式热发动机）形状记忆式热发动机 自控元件原理自控元件原理 （5）其它应用）其它应用 4.4 SMA 双程双程CuZnAl记忆合金弹簧记忆合金弹簧 4.4 SMA 双程双程CuZnAl记忆合金花记忆合金花 Ex

6、amples TiNi 记忆合金眼镜架记忆合金眼镜架 超弹性超弹性 耐腐蚀性耐腐蚀性 重量轻重量轻 4.3.1 超耐热合金定义超耐热合金定义 能在能在7001200高温下仍能长时间保高温下仍能长时间保 持所需力学性能，具抗氧化、抗腐蚀能持所需力学性能，具抗氧化、抗腐蚀能 力，且能满意工作的金属材料通称超耐力，且能满意工作的金属材料通称超耐 热合金。热合金。 4.3 超耐热合金 一般说，金属的熔点越高，其可使用的温度限一般说，金属的熔点越高，其可使用的温度限 度越高。度越高。 高熔点材料就一定是超耐热材料吗？高熔点材料就一定是超耐热材料吗？ 对对高温材料的要求高温材料的要求 1. 必要条件：高熔

7、点必要条件：高熔点 2. 在高温下有优良的抗腐蚀性在高温下有优良的抗腐蚀性 3. 在高温下有较高的强度和韧性在高温下有较高的强度和韧性 高熔点金属高熔点金属 第第副族、第副族、第副族、第副族、第副族副族 耐热合金：耐热合金：副族元素和第副族元素和第族元素形成的合族元素形成的合 金金 Example 航空燃起轮机中使用的高温合金示意图航空燃起轮机中使用的高温合金示意图 1 1压气机叶片压气机叶片 2 2燃烧室燃烧室 3 3涡轮盘涡轮盘 4 4涡轮叶片涡轮叶片 主要部件占发动机重量主要部件占发动机重量7070由超耐热合金构成由超耐热合金构成 燃烧室、涡轮盘和涡轮叶片用耐高温的燃烧室、涡轮盘和涡轮叶

8、片用耐高温的Ni-CoNi-Co 基合金制造基合金制造 高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是 高高Cr-Co-WCr-Co-W基耐高温合金基耐高温合金 铁基超耐热合金铁基超耐热合金 基于奥氏体不锈钢，含一定量的铬，镍等元素基于奥氏体不锈钢，含一定量的铬，镍等元素 中温（中温（600800）条件下）条件下使用，抗氧化性较差，使用，抗氧化性较差， 高温强度不足高温强度不足 镍基超耐热合金镍基超耐热合金： 应用最广应用最广 镍含量一般镍含量一般50% 在在6501000范围内具有较高的强度和良好的抗氧范围内具有较高的强度和良好的抗氧 化、抗燃气腐蚀能力化、

9、抗燃气腐蚀能力 钴基超耐热合金钴基超耐热合金: 受限于钴资源的短缺受限于钴资源的短缺 含钴量含钴量4065的奥氏体高温合金的奥氏体高温合金 在在7301100下下 ，具有一定的高温，具有一定的高温 强度、良好的强度、良好的 抗热腐蚀和抗氧化能力。抗热腐蚀和抗氧化能力。 4.3.2 超耐热合金的分类 4.4.1 超低温对材料的特殊要求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常温以下直至绝对零度的较大温度范围 低温低温 沸点沸点 天然气：天然气：-163 液液 氮：氮：-195.8 液液 氢：氢：-253 液液 氦：氦：-269 4.4 超低温合金 1. 1. 防止低温脆性防止低

10、温脆性 2. 需需要具备低温下的热性能要具备低温下的热性能 低温合金膨胀系数尽可能小低温合金膨胀系数尽可能小 3. 必必须是非磁性合金须是非磁性合金 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磁带有磁性的合金，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力的作用而造成对磁场的不良影响 超低温材料的要求 4.4.2 超低温合金的研究超低温合金的研究 高锰奥氏体钢高锰奥氏体钢专门开发的超低温合金。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 热膨胀系数特别小热膨胀系数特别小 缺点：

11、机械加工性不佳，耐冲击性也较差。缺点：机械加工性不佳，耐冲击性也较差。 铁锰铝新合金钢铁锰铝新合金钢把铁镍铬不锈钢中的镍和把铁镍铬不锈钢中的镍和 铬分别由锰和铝铬分别由锰和铝取取代而制得代而制得 低温下强度、韧性都十分优异低温下强度、韧性都十分优异 常温下良好的加工性。常温下良好的加工性。 4.5 超塑性合金 Superplastic alloy 3.4.1 超塑性合金现象 金属在某一小的应力状态下，可以延伸十倍甚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，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。呈现一种异常的延伸现象。 28 超

12、塑性的概念 一般说来，如果材料的延伸率超过一般说来，如果材料的延伸率超过100，就，就 可称为超塑性。凡具有能超过可称为超塑性。凡具有能超过100延伸率的延伸率的 材料，则称之为超塑性材料。现代已知的超塑材料，则称之为超塑性材料。现代已知的超塑 性材料之延伸率最大可超过性材料之延伸率最大可超过1000，有的甚至，有的甚至 可达可达2000 29 纳米铜的室温超塑性 30 在不同温度下在不同温度下ZnAl22的拉伸变形的拉伸变形(250时延伸时延伸 率率 )%1083 31 Bi-44Sn挤压材料在慢速挤压材料在慢速 拉伸下出现异常大的延拉伸下出现异常大的延 伸率（伸率（ ） %1950 4.5

13、.2 超塑性合金类别 合金种类：合金种类： 锌基合金锌基合金：巨大的无颈缩延伸率；低蠕变强度，：巨大的无颈缩延伸率；低蠕变强度， 冲压加工性能差，不适宜做结构材料，用于不冲压加工性能差，不适宜做结构材料，用于不 需切削的简单零件需切削的简单零件 铝基合金铝基合金：综合力学性能较差，室温脆性大：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 4.5.2 实用超塑性合金 1 1、锌合金：、锌合金：是最早的超塑性合金，其蠕变强度低，难是最早的超塑性合金，其蠕变强度低，难 于加工于加工成板材，冲压加工性能差，不宜作结构材料成板材，冲压加工性能差，不宜作结构材料. 用

14、于一般不需切用于一般不需切 削的简单零件。削的简单零件。 如如 Zn-22Al 的成的成 型温度为型温度为 250 - 270，压力为，压力为 0.39-1.37 MPa。 Zn-22Al合金的超塑性拉伸试样合金的超塑性拉伸试样 2、铝合金：、铝合金：超塑性铝合金可加工成复杂形状部件，强超塑性铝合金可加工成复杂形状部件，强 度可达度可达686 MPa，使用温度可达，使用温度可达150。如。如Al-6Cu- 0.42Zr、Al-5Ca-5Zn等超塑性温度为等超塑性温度为300-600，在，在 310-2/秒的应变速率下可达秒的应变速率下可达408%变形率。变形率。 超塑性变超塑性变 形形Al-L

15、i 合金件合金件 传统方式变传统方式变 形铝合金件形铝合金件 3、镍合金：、镍合金：镍基高温合金由于高温强度高，难以锻镍基高温合金由于高温强度高，难以锻 造成型。利用超塑性作精密锻造，锻造压力小，造成型。利用超塑性作精密锻造，锻造压力小， 节约材料和加工费，制品均匀性好。节约材料和加工费，制品均匀性好。 与叶片一体的涡轮盘的超塑性成型与叶片一体的涡轮盘的超塑性成型(快快 速凝固粉末的热挤压坯料两步成型速凝固粉末的热挤压坯料两步成型) 4、超塑性钢超塑性钢: 将超塑性用于钢方面，还未完全达到商品将超塑性用于钢方面，还未完全达到商品 化程度。近年来研究的化程度。近年来研究的IN-744Y超塑性不锈

16、钢，具有铁超塑性不锈钢，具有铁 素体和奥氏体两相细晶组织，如果把含碳量控制在素体和奥氏体两相细晶组织，如果把含碳量控制在 0.03%, 可产生几倍的伸长率可产生几倍的伸长率。碳素钢的超塑性基础研碳素钢的超塑性基础研 究正在进行究正在进行, 其中含碳其中含碳1.25%的碳钢在的碳钢在650-700的加的加 工温度下工温度下, 取得取得400%的伸长率。的伸长率。 超高碳钢的超塑性变形（变形量超高碳钢的超塑性变形（变形量1100%） 5、超塑性钛合金：、超塑性钛合金：以以Ti-6Al-4V为代表，其伸长率可为代表，其伸长率可 达达2000%。 1.1. 高变形能力的应用高变形能力的应用 超塑性加工

17、可制备复杂零件，成型零件尺寸精度高。超塑性加工可制备复杂零件，成型零件尺寸精度高。 缺点是加工速度慢，效率低缺点是加工速度慢，效率低 2.2. 固固相粘结能力的应用相粘结能力的应用 超塑性合金与另一金属压合时，其微细晶粒可以顺利地填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。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，获得多种优良性能的材料料 3.3. 减振能力的应用减振能力的应用 - - 合合金

18、在超塑性温度下具有使振动迅速衰减的性质，因此可将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。超塑性合金直接制成零件以满足不同温度下的减振需要。 4.5.3 超塑性合金的应用 超超 塑塑 性性 成成 形形 实实 例例 轮胎架轮胎架装饰用人工石面装饰用人工石面 国外国外SPF/DB制品制品 F-15E机身在机身在SPF/DB前后的比较前后的比较 SPF/DB Provided Part Reduction 726 Part Details Eliminated 10,000 Fewer Fastners 前前后后 氢能：氢能： - 除核燃料

19、外发热值最高的，是汽油的3倍，焦炭的4.5倍 - 燃烧产物最干净 - 来源丰富，若能从水中制取氢，取之不尽用之不竭。 4.6 储氢合金 hydrogen storage alloys 氢能使用的问题：氢能使用的问题： 储存和运输。储氢技术室氢能利用走上实用化，规模化的关 键。 传统储氢方法：传统储氢方法： - 高压钢瓶(氢气瓶）。缺点：储存氢气容积小，还有爆炸危 险 - 储存液态氢，将气态氢降到-253C。缺点：储存箱体积庞大， 需要极好的绝热装置。 氢气储存与储氢合金氢气储存与储氢合金 储氢合金储氢合金在一定的温度和氢气压在一定的温度和氢气压 力下，可以多次吸收、储存和释放氢力下，可以多次吸

20、收、储存和释放氢 气的合金材料气的合金材料 4.6 储氢合金 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 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。 4.6.2 储氢原理 2 2 H 2 H ) MHMH 2 x x Q 放热（吸入） 吸热（放出 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（

21、相） Habs() Habs() 氢在相中扩散。 氢原子在合金晶格中形成固溶体 储氢合金种类 稀土系储氢合金：最好的储氢合金，应用 最为广泛。 最典型的LaNi5。 钛系储氢合金：具有储氢容量高，循环寿 命长等优点，是目前研究开发热点。eg: TiMn, TiCr, TiFe 镁系储氢合金：密度小，储氢容量高，价 格低廉。 eg: Mg2Ni 贮氢容器贮氢容器 重量轻、体积小重量轻、体积小氢以金氢以金 属氢化物形式存在于贮氢合属氢化物形式存在于贮氢合 金之中，密度比相同湿度、金之中，密度比相同湿度、 压力条件下的气态氢大压力条件下的气态氢大1000 倍；倍； 节省能量，安全可靠节省能量，安全可

22、靠用用 贮氢合金贮氢，无需高压及贮氢合金贮氢，无需高压及 贮存液氢的极低温设备和绝贮存液氢的极低温设备和绝 热措施，安全性能好，无爆热措施，安全性能好，无爆 炸危险炸危险 Application 贮氢容器贮氢容器 贮氢合金制作的 贮氢装置 Example 在高压容器中装入贮氢合金的在高压容器中装入贮氢合金的 “混合贮氢容器混合贮氢容器” 混合贮氢容器混合贮氢容器 中国首座为燃料电池汽车服 务的加氢站是上海安亭国际 汽车城。 安亭加氢站主要为 使用燃料电池的轿车和公交 车提供压缩氢气。氢燃料电 池车的尾气排放几乎为零， 能显著改善城市空气质量。 4.7 非晶态金属材料 （金属玻璃） 非晶态非晶态是指原子呈长程无序的状态。具是指原子呈长程无序的状态。具 有非晶态结构的合金称为有非晶态结构的合金称为非晶态合金非晶态合金，非晶态非晶态 合金又称合金又称金属玻璃金属玻璃 被称为被称为“魔鬼金属魔鬼金属” 非晶态金属是对高温金属熔体以每秒10万摄氏度 的超急冷方法使其凝固而来不及结晶所形成的。 Performance & use 4.7.2 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）高强度高韧性的力学性能