功能材料课件：第三章 弹性合金与膨胀合金二

1、第三章 弹性合金与膨胀合金（二）膨胀合金主要内容一、基本概念二、低膨胀合金（因瓦合金） 三、定膨胀合金四、热双金属片 一、基本概念热膨胀：一般固体材料受热时体积膨胀，冷却时体积收缩，由于温度的改变而导致材料的体积和长度变化的现象称热膨胀。热膨胀的实例火车铁轨火车铁轨间隔一段就要留出一定的缝隙，防止因为热膨胀导致的轨道扭曲变形。膨胀系数热膨胀引起的尺寸变化通常用膨胀系数来表示。平均线膨胀系数l是指在一定温度范围内，温度变化一度时样品长度的相对伸长。式中 l0、l 分别为试样在温度 T0 和 T 时的长度。表达式如下：膨胀系数试样在某一温度下的真实膨胀系数lT（在压力恒定时）表示为：常用的是平均线

2、膨胀系数l相变热膨胀热膨胀的本质：温度升高,金属点阵中的原子（或离子）在点阵结点上的热振动加剧，振幅增大，原子振动中心发生位移，原子间平衡距离增大，导致热膨胀发生。对于纯金属，硬度越大，膨胀系数越小；熔点越高，膨胀系数越小。正常热膨胀铝的正常热膨胀正常热膨胀：随温度上升，膨胀系数先是增加很快，以后减缓，且lT随温度连续变化。正常热膨胀如果合金在加热过程中发生多型性转变或者有序化转变，则曲线在转变点或某一温度范围内发生不连续转变，出现波折。Ti-Zr合金的热膨胀曲线反常热膨胀Ni和FeNi的热膨胀反常热膨胀：正反常在Tc附近膨胀系数增大，如Ni；负反常在Tc附近膨胀系数明显减小,如FeNi因瓦效

3、应。反常热膨胀FeNi的反常热膨胀 因瓦合金反常热膨胀的机理： 在居里温度以下，因瓦合金处于铁磁态，具有很大的正自发磁致伸缩值，随温度升高饱和磁化强度急剧下降，导致较大的体积收缩，抵消了由于原子热振动加剧而产生的正常热膨胀值。所以，因瓦合金在居里温度以下具有很低的热膨胀系数，在居里温度以上具有正常热膨胀。膨胀合金分类膨胀合金：对膨胀系数有一定要求的金属或合金。按膨胀系数大小可分为3类：如FeNi36（4J36），FeNi32Co4Cu0.6 合金等；（1）低膨胀合金（因瓦合金INVAR ）： 具有很低的膨胀系数：膨胀合金分类这类合金主要用在电真空技术中作为封接材料使用，如FeNi29Co17(

4、4J29)合金；（2）定膨胀合金这类合金在某一温度范围内，其膨胀系数近于一恒定值：膨胀合金分类这类合金通常与低膨胀合金组成热双金属片使用，而不单独使用。如Mn75Ni15Cu10(5J75)合金（3）高膨胀合金：具有高的膨胀系数：低膨胀合金主要包括：因瓦合金：Fe-Ni超因瓦合金：Fe-Ni-Co低膨胀高温合金。其他因瓦合金。二、低膨胀合金（因瓦合金）利用其很低的膨胀系数制造精密仪器和仪表中尺寸要求不变的零件，如标准量具、微波谐振腔、双金属被动层、航空发动机间隙控制元件、火箭发动机推力燃烧室等。1、FeNi因瓦合金应用最为广泛的是FeNi36（4J36）因瓦合金成分 质量比：Ni=35%37%

5、, C0.02, P 0.02%, S0.02%, Fe 余量。弯曲点：膨胀系数明显上升的温度，与居里温度有关1、FeNi因瓦合金FeNi36（4J36）因瓦合金室温下为面心立方单相组织。-120左右发生 转变。要求相变温度尽量低，以保持较宽的单一相区，获得稳定的性能。1、FeNi因瓦合金合金的弯曲点温度随Ni含量增加而上升；Ni含量为35.4%时，合金的负反常现象最明显，在室温附近膨胀系数最低。1、FeNi因瓦合金在因瓦成分附近，合金原子磁距很高，居里温度较低！寻求新的低膨胀合金的依据。1、FeNi因瓦合金冷加工使合金的膨胀系数降低，甚至成为负值。所以，冷加工后需要通过退火处理，稳定组织，获

6、得稳定的热膨胀系数。原因：冷加工使合金内部缺陷增多，破坏合金的短程有序化程度，影响合金的磁化强度和磁致伸缩系数，最终影响热膨胀性能。2、FeNiCo超因瓦合金典型合金4J32 成分质量比Ni=31.5%33%, Co =3.24.2%, Cu=0.40.8%, Fe 余量。室温下为面心立方单相组织，-90左右发生 马氏体转变。加入Co可以获得更低的膨胀系数，加入Cu可降低马氏体转变温度。Co含量为5%，Ni含量为31.5%时，膨胀系数接近0。3、低膨胀高温合金航空发动机间隙控制技术，即减小涡轮发动机旋转部件与固定部件之间的间隙，是提高燃油效率的有效手段。叶尖间隙（cl）比叶高（l）的变化每增加

7、0.01，会引起涡轮效率降低约0.81.2%，耗油率增加约2%。采用低膨胀高温合金做薄壁静止结构件，如，机匣、外环等，可以控制部件间隙，减少发动机部件。航空发动机机匣和叶片3、低膨胀高温合金一些低膨胀高温合金的化学成分Nb, Ti, Al ,Mo加入后时效析出第二相强化；Cr提高抗氧化性。4、其他因瓦合金其他因瓦合金（1）不锈因瓦合金：Fe-Co-Cr，膨胀系数为零或负值（2）非铁磁因瓦合金：CrFe5.5Mn0.5（奈尔温度TN（反铁磁到顺磁）附近的因瓦反常）（3）弱磁因瓦合金：Mn-Pd、Fe-Pd（4）非晶因瓦合金： Fe-Co-Zr低膨胀合金三、定膨胀合金的应用及封接真空规管真空电子管

8、金属玻璃封接的结构模型三、定膨胀合金定膨胀合金：在一定温度范围内，具有与玻璃或陶瓷等封接材料相近热膨胀系数的合金。广泛应用与电子管、晶体管和集成电路的引线和结构材料。一般要求从室温到封接温度范围内，合金与被封接材料的热膨胀系数之差小于10封接合金和玻璃的热膨胀曲线软玻璃软化点450,l（20 450 ） (911)10-6/;硬玻璃软化点550,l（20 450 ） 510-6/;95瓷l（20 450 ） 710-6/;定膨胀合金体系对定膨胀合金的要求：膨胀系数与被封接材料相匹配，塑性好，易加工；在贮存和工作期间的温度范围内不相变；导电导热性好；较高的机械强度和加工成型性。主要的定膨胀合金体

9、系：Fe-Ni系Fe-Ni-Co系：典型合金Ni29Co18（4J29）Fe-Cr系Fe-Ni-Cr系Ni-Mo系Cu合金（塑料封装用引线框架材料）1、Fe-Ni系合金成分质量比：Ni=42%54%，其膨胀系数和居里温度随Ni含量增加而上升。典型合金4J42（ Fe-42%Ni） l（20 400 ）5.46.610-6/;用量最大，价格便宜。用于集成电路引线框架、密封插头、与软玻璃封接的元件，表面镀银后可与陶瓷封接。2、Fe-Ni-Co系在Fe-Ni系中加入Co，使合金居里温度提高，在降低Ni含量的情况下，可在较宽的温度范围内保持恒定的膨胀系数。典型合金4J29（ Fe-29%Ni-17.5

10、%Co）：可伐合金Kovar, l（20 400 ）4.65.210-6/。室温下为面心立方单相组织，居里温度435 ，-90左右发生 马氏体转变（Ni增加或Co降低都会降低转变温度）。4J29定膨胀合金感应炉冶炼：控制气体和杂质含量锻造：始锻11501180始锻高于900 浇铸：15301550空冷冷轧4J29合金制备工艺冷变形量不能超过70%，否则容易形成织构，在后续深冲加工成型时容易形成“制耳”。4J29定膨胀合金4J29合金为单相固溶体，不能通过热处理强化，其热处理的目的有：最终热处理：消除零件中的残余应力；去气，去除表面的碳和油污，改善封接和电镀性。预氧化处理：使合金与玻璃封接处生成

11、需要的氧化膜:Fe2O3、Fe3O4 金属玻璃封接的结构模型1. 中间热处理：消除冷加工过程中的加工硬化，利于进一步冷加工。4J29和4J6定膨胀合金4J29和4J6定膨胀合金在玻璃中的元素扩散4J294J93、Cu合金（塑料封装用引线框架材料）现代大功率晶体管和高密度实装的发展，要求元件具有良好的导电和导热性能。目前常用的是塑料封装技术，用无氧铜和铜合金做引线框架材料，与树脂的膨胀系数接近。引线框架用Cu合金带材四、热双金属热双金属（片）是由两层或两层以上具有不同热膨胀系数的金属材料沿层间接触面牢固地结合在一起的片状复合材料。具有高膨胀系数的合金做主动层，具有低膨胀系数的合金做被动层。有时为

12、了获得特殊性能，在两层之间可夹层，也可在表面覆层。右图（a）是热双金属片在室温时的状态，是平直的；加热时变成（b）的状态；冷却时反向弯曲成（c）的形状。具有高膨胀系数的主动层，受热时伸长较大；而具有低膨胀系数的被动层伸长较小。热双金属的应用由于热双金属片在温度变化时发生弯曲，从而产生一定的推力和位移，即可将热能转换成机械能。因此，热双金属片被广泛地用作温度测量及自动控制设备中的热敏元件、传感器元件。其应用大致可分为四个方面：温度指示，温度控制，程序控制和温度补偿。热双金属温控器敞开式热双金属温控器热双金属的主要性能参数热双金属的主要特性参数是热敏感性、电阻率、弹性模量、线性温度范围和允许使用温

13、度范围。1. 热敏感性（热灵敏度）2.线形温度范围3.电阻率4.弹性模量5. 对其他性能的要求热双金属的主要性能参数1. 热敏感性（热灵敏度）热敏感性表示热双金属片由于温度变化而发生弯曲的程度，是最基本的特性参数，用比弯曲K表示。即温度变化一度时，单位厚度的热双金属片的曲率的变化，用下式表示h试样厚度，mm；f试样自由端挠度变化，mm；L试样测试长度，mm；T1，T2分别为试样的测量初始温度和终了温度，。当热双金属片的厚度一定时，组合层线膨胀系数的差值愈大，热灵敏度就越高；两层厚度比为1:1时，可获得最大的热敏感性。热双金属的主要性能参数由于挠度f 的变化与组合层的线膨胀系数的差值密切相关，因

14、此K值的大小主要由热双金属片组合层的热膨胀系数的差值决定。热双金属的主要性能参数2. 线性温度范围线性温度范围是热双金属片弯曲位移量与温度成线性关系的温度范围。在此温度范围内，热双金属片具有最大的热敏感性。这个温度范围的大小主要取决于组成热双金属片的金属材料的膨胀特性和居里温度Tc。热双金属的主要性能参数2. 线性温度范围在右图中，单位厚度为h和单位长度为L的热双金属片，当温度变化很小时，其偏转角=L/R，因为R=2h / 3alT，所以可用下式表示： 在l 保持恒定的温度范围内，与T呈线性关系，这个线性关系存在的温度范围称为线性温度范围。热双金属的主要性能参数3. 电阻率电阻率是表示热双金属

15、片抵抗电流通过时的特性参数，一般用电桥或电位差计法测量（单位为m）。根据电阻率的大小，可将热双金属片分为高、中、低电阻率类型。4. 弹性模量 E弹性模量是表征热双金属片机械性能的主要参数，是计算热双金属元件的推力、力矩、内应力的必要参数（单位为MPa）。5. 其他性能有时考虑使用环境要求耐蚀性、无磁、高强度、高导热热双金属片材料的组成1、主动层材料具有大膨胀系数的高膨胀合金。2、被动层材料低膨胀合金。还要求两层材料具有较高的熔点、焊接性好、弹性模量高且接近，在较宽的温度范围内不发生可逆相变。主动层合金的特性5J1378型热双金属片5J1378型热双金属片性能参数主动层Ni20Cr5被动层Ni36比弯曲K:室温150/(13.85%)10-6电阻率:205/cm785%弹性模量：E/ GPa150180线性温度范围/-20180允许使用温度范围/-70350密度/gcm-38.0特性中敏感、中电阻、中温用热双金属片分类（1）普通型：用量大，工作温度不高，如：5J1378（2）高敏感型：温度变化不大时，弯曲值大，如：5J20110（3）特定电阻率型：要求有一定的电阻，用于自动断流器，如：低电阻型5J1017；高电