材料化学(化学工业出版社)课件10.ppt

1、金属材料,Chapter6 Metallic Materials,1,Chapter 6Metallic Materials,本章内容,6.1金属材料结构与性能 6.2 超耐热合金 6.3 超低温合金 6.4 超塑合金 6.5 形状记忆合金 6.6 贮氢合金 6.7 非晶态金属材料,2,Chapter6 Metallic Materials,学习目的,结合前面所学内容，理解金属材料结构与性能特点； 了解各种新型金属材料的特殊性能和结构以及其用途。,3,3,Chapter6 Metallic Materials,6.1金属材料结构与性能,6.1.1 金属晶体结构 金属键特性：无方向性和饱和性 紧

2、密堆积结构 FCC、BCC、HCP,4,Chapter6 Metallic Materials,金属材料形态多晶体 多晶体：许多取向不同的小晶体组成的。 晶粒：多晶体中每个外形不规则的小晶体。 晶界：晶粒与晶粒间的界面。 金相组织：在显微镜下所观察 到的金属材料各类晶粒的显微 形态，即晶粒的形状、大小、 数量和分布等。,5,T12号钢退火金相形态,Chapter6 Metallic Materials,碳素工具钢,6.1.2 合金基本结构与性能,一、合金：由两种或两种以上的金属或金属 与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成 并具有金属特性的物质称为合金。 组元：组成合金的最基本的、独立的物质。

3、 通常是纯元素或稳定的化合物。,6,Chapter6 Metallic Materials,二、合金的基本类型,混合物合金（mixture alloy） 固溶体合金（solid solution alloy） 金属间化合物合金 （intermetallic compound alloy） 1. 混合物合金（共熔混合物） 当液态合金凝固时，构成合金的各组元分别结晶 而成的合金，如焊锡(锡/银/铜 )、铋镉合金等；,7,Chapter6 Metallic Materials,2. 固溶体合金（solid solution alloy） 当液态合金凝固时形成固溶体的合金， 如金银合金等 。 间隙固溶

4、体 置换固溶体,8,Chapter6 Metallic Materials,9,Chapter6 Metallic Materials,奥氏体的显微组织,(1) 间隙固溶体：原子半径较小的元素参与形成的合金（B、C、N、H）。有限固溶体。 例如：C进入-Fe 的面心立方晶格间隙，形 成间隙固溶体，即奥氏体。,奥氏体晶体结构,钢铁 AlN:六方ZnS型，铝原子六方密堆积，氮原子填 在四面体空隙 ScN,TiN,TiC,ZrC,：NaCl型结构， 金属原 子面心立方密堆积，N，C填在八面体空隙。 特性： 与金属相仿的导电性 ，金属光泽等 硬度大，熔点高(金属非金属间生成部分共价键),10,Chap

5、ter6 Metallic Materials,(2) 置换固溶体 溶剂晶格中的某些格点位置被溶质原子取代的固溶体。 特点：仍保持其中一种元素单质的结构型式，其中一 部分原子被另一组分的原子统计地取代。,例如：CuAu,11,Chapter6 Metallic Materials,相似相熔原则： 单质结构型式 原子半径（差值15%） 价电子结构，电负性等。 无限固溶体 以上统计取代的结构称为无序结构。 在缓慢冷却的条件下可得有序化结构，也叫超结构。 各原子趋向于确定的位置。,12,Chapter6 Metallic Materials,CuAu的无序结构和2种有序结构 （a）无序，FCC； （

6、b）有序，四方; （c）有序，正交。,13,Chapter6 Metallic Materials,CaCu5的结构 (a) Cu和Ca共同组成的层 (b) 完全由Cu组成的层,特殊的合金： CaCu5 六方晶胞中有三个CaCu5, 类似的还有LaNi5, LaCo5, CeCo5等储氢材料。 SmCo5 第一代永磁合金,3 金属化合物 (intermetallic compound alloy) 合金组元发生相互作用而形成的一种具有金属特性 的物质。 电负性、电子结构、原子半径相差较大时，容易出 现金属化合物。 特点： 各组分原子分别占据不同的结构位置 结构型式一般不同于纯组分金属的结构 正

7、常价化合物（组成确定） 电子化合物（组成可变）,15,Chapter6 Metallic Materials,(1) 正常价化合物(组成确定) 化学键介于离子键和共建键之间。 通常由金属元素与IVA，VA，VIA元素组成。 如Mg2Si，Mg2Ge，Mg2Sn，Mg2Pb，Mg3P2，Mg3Bi2， MgTe 等。,16,Chapter6 Metallic Materials,（2）电子化合物（组成可变） 原子间以化学键相互作用，不遵守化合价规则。 特征：价电子数 e 与原子数 a 之比是定值， 即有一定的电子浓度Ce。 VIII族元素Fe,Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Os,Ir和Pt的“电

8、子数”为零， IB族Cu、Ag、Au为1， IIB族Zn、Cd、Hg及IIA族Be、Mg为2， IIIA族Al、In、Ga为3， A族Si、Ge、Sn、Pb为4,17,Chapter6 Metallic Materials,电子数与原子数之比有三种基本类型：3:2，21:13和7:4， 上述三类电子化合物各具有特定结构，分别成为，和相 例：Cu5Zn8为21：13型电子化合物，被称为-黄铜型结构， 许多化学式原子总数为13的倍数的电子化合物具有此结构， 如Fe5Zn21、Cu31Sn8等.,表6-1 Cu与Zn、Al、Sn形成的电子化合物合金,Chapter6 Metallic Materia

9、ls,18,三、合金的通性 各类型合金都有以下通性： (1)多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点； (2)硬度比其组分中任一金属的硬度大； (3)合金的导电性和导热性低于任一组分金属。 利用合金的这一特性，可以制造高电阻和高热阻材料。 (4)有的抗腐蚀能力强(如不锈钢)。 如在铁中掺入15铬和9镍得到一种耐腐蚀的不锈钢， 适用于化学工业。,19,Chapter6 Metallic Materials,6.1.3 铁系合金的组织结构,铁的同素异形体 -Fe：体心立方 -Fe：面心立方 -Fe：体心立方,20,Chapter6 Metallic Materials,半径较小的碳原子进入铁的

10、晶格中， 形成多种相态的合金结构。,一、奥氏体（Austenite，符号A表示） 碳溶解在-Fe中的间隙固溶体 仍保持 -Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规则多边形 727时溶碳为c 0.77，1148时可溶碳2.11 具有较高塑性,21,Chapter6 Metallic Materials,奥氏体的结构,二、马氏体（Martensite，符号M表示） 碳在-Fe中的过饱和固溶体 马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织 普遍具有较高强度和硬度,23,高碳马氏体,Chapter6 Metallic Materials,针状马氏体,马氏体的形成特点：

11、马氏体的形成速度很快 马氏体转变是不彻底的， 总要残留少量奥氏体。,24,低碳马氏体,Chapter6 Metallic Materials,低碳马氏体的强度、硬度 主要取决于碳含量，因此 碳含量应该高，但过高， 韧性、塑性下降，因此 碳含量一般为0.150.25,板条马氏体：在显微镜下为 一束束平行排列的细板条。,马氏体的晶格,铁原子沿奥氏体一定晶面, 集体地(不改变相互位置关系) 作一定距离的移动(不超过一个原子间距), 使面心立方晶 格改变为体心四方晶格，碳原子原地不动，过饱和地留 在新组成的晶胞中；增大了其正方度c/a 。,三、铁素体（Ferrite，符号F表示） 碳溶解于-Fe的体心

12、立方晶格中形成的间隙固溶体 碳原子含量很少(仅0.02%) 强度和硬度低，塑性和韧性好。 性质和纯铁相似。,26,Chapter6 Metallic Materials,四、渗碳体（Cementite，符号C表示） 碳与铁形成的一种化合物Fe3C，一般含碳6.67 复杂的正交晶格 熔点1227。 极高硬度的脆性化合物，塑性、韧性几乎为零。,27,Chapter6 Metallic Materials,6.2.1 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 高熔点 在高温下有优良的抗腐蚀性 在

13、高温下有较高的强度和韧性,28,6.2 超耐热合金,Chapter6 Metallic Materials,29,Example,航空燃气轮机中使用的高温合金示意图,1压气机叶片 2燃烧室 3涡轮盘 4涡轮叶片,主要部件占发动机重量70由超耐热合金构成 燃烧室、涡轮盘和涡轮叶片用耐高温的Ni-Co基合金制造 高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是由Cr-Co-W基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成,Chapter6 Metallic Materials,Metals with high melting point,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，

14、相互作用力大。,30,Chapter6 Metallic Materials,31,Periodic table,Chapter6 Metallic Materials,铁基超耐热合金：从奥氏体不锈钢发展起来的，含有一定量的Ni和Cr元素。 基于奥氏体不锈钢 中温（600800）条件下使用 主要用于航空发动机和工业燃气机上的涡轮盘,32,6.2.2 超耐热合金的分类铁基超耐热合金镍基超耐热合金钴基超耐热合金,Chapter6 Metallic Materials,镍基超耐热合金 以镍为基体，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 镍基合金是高温合金

15、中应用最广、高温强度最高的一类合金。 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。 Co的缺乏使其发展受到限制。,33,Chapter6 Metallic Materials,34,6.2.3 提高超耐热合金性能的途径,Chapter6 Metallic Materials,35,(1),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。,改变合金的组织结构,Chapter6 Metallic Materials,

16、36,(1),Chapter6 Metallic Materials,工艺技术,粉末冶金,37,6.3.1 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,低温,沸点,6.3 超低温合金,Chapter6 Metallic Materials,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，即在液氦温度以上不会出现低温脆性。 另一种方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。,38,Chapter6 Metallic Materials,需要具备低温下的热性能 低温合金膨胀系数尽可能小 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