第六章新型合金材料

1、Chapter 6Alloy Materials新型合金材料Chapter6 Mlic Materials1本章内容超耐热合金超低温合金超塑合金形状记忆合金贮氢合金非晶态金属材料6.16.26.36.46.56.6Chapter6 Mlic Materials26.1 超耐热合金6.1.1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Chapter6 Mlic Materials31压气机叶片2燃烧室3涡4涡轮叶片航空燃起轮机中使用的高温合金

2、示意图Ø 主要部件占发Ø 燃烧室、涡基合金制造重量70由超耐热合金和涡轮叶片用耐高温的Ni-CoØ 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Chapter6 Mlic Materials4高熔点金属第副族、第副族、第副族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。耐热合金副族元素和第族元素形成的合金Chapter6 Mlic Materials5Chapter6 Mlic Materials66.1.2 超耐热合金的分类 铁基超耐热合金 基于奥氏体不锈钢 中温（60

3、0800）条件下使用 镍基超耐热合金 镍含量一般>50% 在6501000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。Chapter6 Mlic Materials76.1.3 提高超耐热合金性能的途径改变合金的组织结构采用特种工艺技术Chapter6 Mlic Materials8合金结构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。为了增强金属材料

4、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的加入能扩大和稳定奥氏体面心立方结构Chapter6 Mlic Materials9奥氏体和马氏体的结构Chapter6 Mlic Materials10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

5、分均匀并可以大大节省材料Chapter6 Mlic Materials116.2 超低温合金6.2.1低温常温以下直至绝对零度的较大温度范围超低温对材料的特殊要求天然气：-163氮：-195.8氢：-253氦：-269液液液沸点Chapter6 Mlic Materials12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，即在液氦温度以上出现低温脆性。另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。Chapter6 Mlic Materials13 需要具备低温下的热性能 低温合金膨胀系数尽可能

6、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Chapter6 Mlic Materials146.2.2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。Chapter6 Mlic Materials156.3 超塑性合金Superplastic alloy

7、6.3.1 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。Chapter6 Mlic Materials16Chapter6 Mlic Materials17产生超塑性的条件产生超细化晶粒；适宜的温度和应变速率。晶粒的超细化、等轴化以及稳定化可通过合金化，凝固过程、热处理、形变热处理、粉末冶金、机械等方法来实现。Chapter6 Mlic Materials186.3.2 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，冲压性能差 铝基合金：综合力学性能较差，室温脆

8、性大 镍基合金 超塑性钢： 钛基合金Chapter6 Mlic Materials196.3.3 超塑性合金的应用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，可以得到相当高的减少精度，并能大幅度降低工序、尤其适于极薄板和极薄管的制造，也非常适用于缺点是具有极微小凹凸表面的制品。速度慢，效率低JChapter6 Mlic Materials20超塑成型Chapter6 Mlic Materials212.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

9、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。JChapter6 Mlic Materials223.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4.利用动态超塑性可将铸铁等难进行弯曲变形；的材料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。lic MaterialsJChapter6 M236.4 形状记忆

10、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。Chapter6 Mlic Materials246.4.1 形状记忆合金特征1. 一次记忆（单程）： 材科加热恢复形状。状后，再改变温度，物体不再改变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， 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，物体的形状向与高

11、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。Chapter6 Mlic Materials25Chapter6 Mlic Materials26单程、双程及全程记忆效应示意图6.4.2 形状记忆效应机理Chapter6 Mlic Materials27Chapter6 Mlic Materials28Ni-Ti合金的马氏体和奥氏体结构孪晶（twinning）指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为"孪晶"，Chapter6 Mlic Materials29Chapter6 Mlic Materials30马氏体与

12、母相的平衡温度6.4.3 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Chapter6 Mlic Materials31Chapter6 Mlic Materials32形状记忆合金材料及其转变温度6.4.4 形状记忆合金的应用（1）在军事和航天工业方面的应用Chapter6 Mlic Materials33月面天线略图Chapter6 Mlic Materials34（2）在工程方面的应用Chapter6 Mlic Materials35形状记忆合金管接口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

13、生的冶金缺陷； 适于不易焊接的接头； 金属与件连成一体；等不同材料可以通过这种连接 安装时不需要熟练的技术。Chapter6 Mlic Materials36（3）在医疗方面的应用Chapter6 Mlic Materials37记忆型NiTi牙弓丝形状记忆合金制成的血液过滤器形状记忆合金套管连接的铝合金假肢Chapter6 Mlic Materials38（4）形状记忆式热发Chapter6 Mlic Materials39形状记忆用于热发的原理镍钛诺尔热机的结构JChapter6 Mlic Materials40Chapter6 Mlic Materials41涡轮型热机偏心曲柄型热机（5

14、）其它应用Chapter6 Mlic Materials42自控元件原理Chapter6 Mlic Materials43双程CuZnAl记忆合金弹簧Chapter6 Mlic Materials44双程CuZnAl记忆合金花超弹性耐腐蚀性重量轻Chapter6 Mlic Materials45TiNi 记忆合金眼镜架6.5 储氢合金hydrogen storage alloys6.5.1 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、储存和气的合金材料氢储氢合金的体积储氢密度，是相同温度、条件下气态氢的1000倍Chapter6 Mlic Materials466.5.2

15、 储氢原理Ø 一个金属原子能与两个、三个甚至的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量。Ø 将其稍稍加热，氢化物又会发生分解，将吸收的氢出来，同时吸收热量。Chapter6 Mlic Materials47M + x H ¾放¾热¾（吸¾入H¾2）®MH + Q22 ¬¾吸热¾（放¾出H¾)¾x2平台区：氢气、固溶体、金属氢化物三相共存f k十2=1 pCT曲线上方： 吸收氢气pCT曲线下方： 放出氢气M-H系统pCT平衡图Chapter6 Mlic

16、 Materials48 合金的吸氢反应机理Chapter6 Mlic Materials49 H2传质 化学吸附氢的解离H2®2Had 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（相）Habs() ® Habs() 氢在相中扩散。Chapter6 Mlic Materials50氢原子在合金晶格中形成固溶体6.5.3 储氢合金的开发实用要求： 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； 有合适的吸放氢平台； 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

17、度低； 原料丰富，价格低廉； 用作电极材料时具有良好的耐腐蚀性。Chapter6 Mlic Materials51储氢合金种类Chapter6 Mlic Materials52A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 混合稀土金属系列代表合金扩展系列AB5LaNi5，MmNi5A1-xNxB5-yMy（x1，y5）AB2TiCr2，TiMn2A1-xNxB2-yMy（x1，y2）ABTiFe， TiNiA1-xNxB1-yMy（xl， y1）A2BMg2Ni，Ti2NiA2-xNxB1-yMy（x2，y1）可以在工程上应用的合金基本上都是金属

18、间化合物，已确认有应用前景的共有四类碳纳米管迄今为止最好的储氢材料Chapter6 Mlic Materials53碳纳米管储氢示意图（红点为氢原子）6.5.4 贮氢材料的应用贮氢容器Chapter6 Mlic Materials54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、 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。Chapter6 Mlic Materials55贮氢合金制作的贮氢装臵在高压容器中装入贮氢合金的“混合贮氢容器”Chapter6 Mlic Materials56 H2的回收与纯化用铀回收氘

19、的捕集器Chapter6 Mlic Materials57氢化物电极Ni、MHx电池充放电过程示意图lic MaterialsChapter6 M58Chapter6 Mlic Materials59镍氢电池结构优点Chapter6 Mlic Materials60(1)比能量为NiCd电他的1.5-2倍； (2)无重金属Cd对的危害；(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。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。功能转换机制Chapter6 Mlic Materia

20、ls61 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Chapter6 Mlic Materials62利用储氢合金制造的制冷机6.6 非晶态金属材料6.6.1 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、GeChapter6 Mlic Materials63（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Chapter6

21、 Mlic Materials64（3）热力学的亚稳性从热力学来看，它有继续向平衡状态转变的倾向能量、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Chapter6 Mlic Materials656.6.2 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Chapter6 Mlic Materials66合金硬度/HV抗拉强度/MPa断后伸长率/%弹性模量/MPa非晶态合金Pd83Fe7Si10401818600.166640Cu57Zr43529219600.174480Co75Si15B10891830000.

22、253900Fe80P7744830400.03121520Ni75Si8B.1478400晶态18Ni-9Co-5Mo181021301012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。Chapter6 Mlic Materials67（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、损耗小目前比较成非晶态软磁合金主要有铁基，铁一镍基和钴基三大类。金属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。Chapter6 Mlic Materials68（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