第7章长盛不衰的金属材料

1、v金属王国的风采及其面临的挑战金属王国的风采及其面临的挑战v神秘的形状记忆合金神秘的形状记忆合金v新型贮能材料新型贮能材料贮氢合金贮氢合金v快速冷凝金属非晶及微晶材料快速冷凝金属非晶及微晶材料6.1 6.1 金属王国的风采及其面临的挑战金属王国的风采及其面临的挑战v金属材料具有以下突出金属材料具有以下突出优点：优点：金属的力学性能堪称金属的力学性能堪称“全能冠军全能冠军”；既耐热又耐寒；既耐热又耐寒；金属材料有很出色的金属材料有很出色的工艺性能；工艺性能；金属有良好的导电性、金属有良好的导电性、导热性和铁磁性。导热性和铁磁性。1、钢铁、钢铁现代工业化的基础现代工业化的基础九大应用领域：九大应用

2、领域：电力系统中的工业锅炉、转子、铁芯等电力系统中的工业锅炉、转子、铁芯等汽车工业汽车工业机床与工程机械机床与工程机械铁路与桥梁铁路与桥梁船舶与海上钻井平台船舶与海上钻井平台兵器兵器石油开采机械石油开采机械化工容器与管道化工容器与管道建筑钢筋和构架建筑钢筋和构架2、五光十色的有色金属、五光十色的有色金属（或非铁金属）（或非铁金属）钢铁的主要分类及特点：钢铁的主要分类及特点： 铸铁铸铁 碳钢碳钢 合金钢合金钢（1）轻合金）轻合金 铝合金，钛合金，镁合金等铝合金，钛合金，镁合金等（2）重合金）重合金 铜合金，锌合金，镍合金等铜合金，锌合金，镍合金等（3）贵金属）贵金属（4）难熔金属）难熔金属（5）

3、稀土金属等等）稀土金属等等3、金属材料面临的挑战、金属材料面临的挑战 来自外部的压力：来自外部的压力： 20世纪中期始，非金属材料迅速崛起。世纪中期始，非金属材料迅速崛起。 材料领域已经不知不觉地从金属材料的一统材料领域已经不知不觉地从金属材料的一统天下转变成金属、陶瓷、高聚物和复合材料四天下转变成金属、陶瓷、高聚物和复合材料四足鼎立的新格局。足鼎立的新格局。 来自内部的压力：来自内部的压力： 主要是主要是资源、资源、能源和环境三方面能源和环境三方面因此，有人称金属工业尤其是常规钢铁工业因此，有人称金属工业尤其是常规钢铁工业已经成为一种已经成为一种“夕阳夕阳”工业。工业。金属工业是金属工业是“

4、夕阳夕阳”工业吗？工业吗？1、分析、分析（1）对国外新材料发展情况分析）对国外新材料发展情况分析金属工业是金属工业是“夕阳夕阳”工业吗？工业吗？基数大、基数大、增长率低增长率低从其基数大和增长率低这一客观事实可引伸出从其基数大和增长率低这一客观事实可引伸出两个观点：两个观点：*其一是由于金属材料毕竟是发展历史悠久而且其一是由于金属材料毕竟是发展历史悠久而且系统完整的传统材料，从中发展新兴材料的机系统完整的传统材料，从中发展新兴材料的机率和比例相对较低。率和比例相对较低。*其二是由于基数大而增长率低这一事实并不能其二是由于基数大而增长率低这一事实并不能掩盖新兴金属材料在新材料发展中的重要地位掩盖

5、新兴金属材料在新材料发展中的重要地位和作用。和作用。不要说新兴金属材料，即使是传统金属材料，不要说新兴金属材料，即使是传统金属材料，就以钢铁来说，我国也还处于高速发展的阶段。就以钢铁来说，我国也还处于高速发展的阶段。* *材料的发展一般经历材料的发展一般经历五个阶段五个阶段：孕育期孕育期、成长期成长期、成熟期成熟期、饱和期饱和期和和衰退期衰退期各国的情况差别很大：各国的情况差别很大：美国已进入饱和后期；美国已进入饱和后期；日本和欧洲共同体已开始进入饱和期；日本和欧洲共同体已开始进入饱和期；前苏联也已进入成熟后期，但其居高不下前苏联也已进入成熟后期，但其居高不下 的的钢产量已经障碍了工程塑料等新

6、材料的发展；钢产量已经障碍了工程塑料等新材料的发展；中国和其它发展中国家则还处在成长期。中国和其它发展中国家则还处在成长期。（2）从中国的国情来看）从中国的国情来看（3）在可以预见的未来，金属材料仍将占据）在可以预见的未来，金属材料仍将占据材料工业的主导地位材料工业的主导地位1/ 金属材料工业已经拥有了一整套相当成熟的生产技金属材料工业已经拥有了一整套相当成熟的生产技术和庞大的生产能力，并且质量稳定，供应方便，在术和庞大的生产能力，并且质量稳定，供应方便，在性能价格比上也占有一定优势。性能价格比上也占有一定优势。2/ 最重要的、最根本的原因在于金属材料具有为其他最重要的、最根本的原因在于金属材

7、料具有为其他材料体系不可能完全取代的独特的性质和使用性能。材料体系不可能完全取代的独特的性质和使用性能。1、对已有的金属材料要最大限度地提高质、对已有的金属材料要最大限度地提高质量，挖掘潜力，使其产生最大效益。量，挖掘潜力，使其产生最大效益。 2、开拓金属材料的新功能，适应更高的使、开拓金属材料的新功能，适应更高的使用要求。用要求。2、现代科学技术的发展对、现代科学技术的发展对 金属材料的新要求金属材料的新要求6.2 6.2 神秘的形状记忆合金神秘的形状记忆合金是指合金材料经变形后，在一定条件下，仍是指合金材料经变形后，在一定条件下，仍能恢复到变形前原始形状的现象。能恢复到变形前原始形状的现象

8、。是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。向高温相进行可逆转变的结果。形状记忆材料形状记忆材料是指具有一定初始形状的材料经是指具有一定初始形状的材料经变形并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物变形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，又可恢复成初始状态理刺激或化学刺激的处理，又可恢复成初始状态（形状）的材料。（形状）的材料。一、形状记忆效应一、形状记忆效应无生命的材料却具有一定的无生命的材料却具有一定的”记忆记忆“功功能能马氏体相变分为：马氏体相变分为： 非热弹性马氏体相变非热弹性马氏体相变 热弹性马氏

9、体相变热弹性马氏体相变凡是形状记忆合金都具有进行热弹性马氏体相变的凡是形状记忆合金都具有进行热弹性马氏体相变的能力能力或者说，或者说，热弹性马氏体相变是形状记忆合热弹性马氏体相变是形状记忆合金具有形状记忆效应和超弹性的最基本条件金具有形状记忆效应和超弹性的最基本条件。镍一钛系形状记忆合金镍一钛系形状记忆合金铜系形状记忆合金铜系形状记忆合金铁系合金形状记忆合金铁系合金形状记忆合金 Ni一Ti系形状记忆合金是最有实用化前景的一种形状记忆材料。Ni一Ti形状记忆合金是美国海军兵器研究所在60年代初研制成功的，它以“Niticnol”的商品名称而闻名于世，并已成为用途最广泛的实用合金。工程应用工程应用

10、医学应用医学应用智能应用智能应用二、常用形状记忆合金的分类二、常用形状记忆合金的分类三、形状记忆合金的应用三、形状记忆合金的应用6.3 6.3 新型贮能材料一贮氢合金新型贮能材料一贮氢合金 某些过渡族金属、合金和金属间化合物，由于其特殊某些过渡族金属、合金和金属间化合物，由于其特殊的晶体结构，使氢原子容易进入其晶格的间隙中并形成金的晶体结构，使氢原子容易进入其晶格的间隙中并形成金属氢化物，氢与这些金属的结合力很弱，但这些金属的氢属氢化物，氢与这些金属的结合力很弱，但这些金属的氢化物的贮氢量很大，可以贮存比其本身体积大化物的贮氢量很大，可以贮存比其本身体积大10003000倍的氢，而在加热时氢就

11、能从金属中释放出来。倍的氢，而在加热时氢就能从金属中释放出来。一般来说，贮氢合金的贮氢密度都很大，比标准状态的一般来说，贮氢合金的贮氢密度都很大，比标准状态的氢气密度高出几个数量级，甚至比液态氢密度还要高。氢气密度高出几个数量级，甚至比液态氢密度还要高。贮氢合金必需具备两个条件：贮氢合金必需具备两个条件：v氢与金属以共价键结合；氢与金属以共价键结合；v晶体中四面体空隙的半径大于晶体中四面体空隙的半径大于0.46*10-10 m 。具有使用价值的贮氢合金材料有三大类：具有使用价值的贮氢合金材料有三大类：稀土系贮氢合金稀土系贮氢合金钛系贮氢合金钛系贮氢合金镁系贮氢合金镁系贮氢合金贮氢合金材料的应用

12、贮氢合金材料的应用v氢的贮存与运输氢的贮存与运输v氢气的分离与净化氢气的分离与净化v合成化学的加氢与脱氢合成化学的加氢与脱氢v镍金属氢化物电池镍金属氢化物电池v热泵、空调和热贮存热泵、空调和热贮存v氢能汽车氢能汽车20032003年年1 1月，日本丰田燃氢汽车研制成功月，日本丰田燃氢汽车研制成功, ,并并向社会展示，时速可达向社会展示，时速可达130130公里。公里。小资料小资料v早在世纪年代，德国奔驰公司就研早在世纪年代，德国奔驰公司就研制出了辆燃氢汽车，至今已在柏林市区制出了辆燃氢汽车，至今已在柏林市区运行了万多千米。运行了万多千米。 v法国研制出一种储气金属，这种金属块里含法国研制出一种

13、储气金属，这种金属块里含有氢化物，在低温状态下能够释放出氢气供有氢化物，在低温状态下能够释放出氢气供汽车使用。这样一来，汽车只要一块小小的汽车使用。这样一来，汽车只要一块小小的“金属砖金属砖”，就可以远走高飞了。，就可以远走高飞了。 美国汽车业现时定位v美国总统奥巴马因为对美国汽车业进行一场旷世的大手术,得名“外科医生”。一直自大的美国汽车大佬,被一场金融危机打得遍体鳞伤,纷纷求援。奥巴马下了死命令,汽车业必须整改,而且把研发新能源车型列为“一级战备”。v2009年5 月19 日，奥巴马在白宫玫瑰花园宣布，美国将执行一项统一的汽车燃油效率标准。依照这一标准，到2016 年，美国汽车美国汽车每1

14、00 公里耗油量，将不超过6.6 升，比目前汽车燃油效率提高将近40%。这项规定同时也意味着，美国美国汽车汽车工业将转向开发新能源能源动力系统，并减少温室气体的排放。 美国汽车不能多美国汽车不能多“喝喝”油了油了 6.4 快速冷凝金属非晶及微晶材料快速冷凝金属非晶及微晶材料 快速冷凝技术快速冷凝技术是是20世纪下半叶以来金属材料制备世纪下半叶以来金属材料制备技术中的重大突破，由此而产生了一系列的新型非技术中的重大突破，由此而产生了一系列的新型非平衡态的金属及合金，即非晶（平衡态的金属及合金，即非晶（Amorphous）、微）、微晶（晶（Microcrystamtes）、纳米晶（）、纳米晶（Na

15、nocrvstals）和）和准晶（准晶（Quasicrvstals）。）。 液态金属常规冷却速度范围约在液态金属常规冷却速度范围约在10-5103K/S，枝晶间，枝晶间距为距为50005m；常规的水雾化法制取金属粉末的冷速约常规的水雾化法制取金属粉末的冷速约在在101103KS，枝晶间距为，枝晶间距为505 m ；采用高速气体；采用高速气体雾化、表面激冷技术等快速冷凝方法，可以获得雾化、表面激冷技术等快速冷凝方法，可以获得103106K/S 的高冷却速度，此时的枝晶间距为的高冷却速度，此时的枝晶间距为50.5 m。两种凝固机制：两种凝固机制：*一是在急冷或深过冷条件下晶体大量形核并快速一是在急

16、冷或深过冷条件下晶体大量形核并快速长大，使一些在平衡或近平衡凝固条件下不可能出长大，使一些在平衡或近平衡凝固条件下不可能出现的非平衡相得以形成，即微晶（泛指现的非平衡相得以形成，即微晶（泛指11000m尺寸的晶体）和纳米晶（也称超细晶，泛指尺寸的晶体）和纳米晶（也称超细晶，泛指1100nm尺寸的晶体）。尺寸的晶体）。*另一是当冷却速度足够快或过冷度十分大时，其另一是当冷却速度足够快或过冷度十分大时，其晶体形核及长大机制受到抑制，从而直接生成非晶晶体形核及长大机制受到抑制，从而直接生成非晶或准晶相。或准晶相。快速冷凝工艺技术：快速冷凝工艺技术：1、雾化法、雾化法 （气相沉积法）2、熔体急冷法、熔体急冷法3、束流表层急冷法、束流表层急冷法最高冷速可达108K/S介绍一种快速冷凝