第2章--高性能结构材料

1第2章高性能结构材料§2.2新型金属结构材料§2.3新型无机非金属结构材料§2.4新型高分子材料§2.1高性能结构材料概述2§2.1高性能结构材料概述结构材料是社会生活和国民经济建设的重要的物质基础。金属、陶瓷和高分子材料长期以来是三大传统的工程结构材料。随着工业化的迅速推进，对工程结构材料的性能提出了越来越高的要求，也推动了发展新一代高性能结构材料。——对应--功能材料3◆材料原因导致的灾难●1912年泰坦尼克号沉没原因：钢材含硫高，脆性断裂。●1986年挑战者号，升空72秒爆炸。费曼调查：火箭助推器某处O型密封圈在摄氏10度以下失去弹性，造成液氢泄漏。4●“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会公布的调查报告称，外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的名为“增强碳碳”（即增强碳-碳隔热板）的材料。当航天飞机返回时，经过大气层，产生剧烈摩擦使温度高达摄氏1400度的空气在冲入左机翼后融化了内部结构，致使机翼和机体融化，导致了悲剧的发生。1981年4月12日首次发射，2003年2月1日在得克萨斯州北部上空解体坠毁，7名宇航员全部遇难。5高性能结构材料是一类具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料。高性能结构材料是在高新技术推动下发展起来的一类新材料，是国民经济现代化的物质基础之一。例如：发展现代航空航天技术，对动力机械而言，工作温度愈高、比强度和比刚度愈高，效率亦愈高，先进军用发动机的发展趋势要求涡轮前温度和推重比不断提高，正在向推重比15～20发展，高温结构材料技术是关键。什么是高性能结构材料？6有资料指出，飞机及发动机性能的改进分别有2/3和1/2靠材料性能提高。对卫星和飞船，减重1公斤能带来极高的效益；汽车节油有37%靠材料轻量化，40%靠发动机改进。绝热发动机（不冷却）主要靠材料性能提高。航空方面的先进复合材料、单晶合金、涡轮盘合金，航天方面的含能材料、热防护材料、弹头材料等不仅要先行，而且还要起到先导的作用。如果没有优质的单晶合金、涡轮前温度无法提高，高推比航空发动机就难以实现。由此可见高性能结构材料在航空航天技术中的基础性和先导性。因此，世界各先进国家在制定国家关键技术发展计划时，高温结构材料与技术被列为高性能结构材料领域的重点发展项目之一。7发展新型高性能结构材料将支撑交通运输、能源动力、资源环境、电子信息、农业和建筑、航天航空、国防军工以及国家重大工程等领域可持续发展，对国家支柱产业的发展和国家安全的保障起着关键性的作用，同时还将促进包括新材料产业在内的我国高新技术产业的形成与发展，带动传统产业和支柱产业的改造和产品的升级换代，提高国际竞争力，形成新的产业和新的经济增长点。8§8.2新型金属结构材料发展情况：初期：铁和钢(铁的合金)。20世纪初：以硬铝为首的铝合金。20世纪50年代：又出现只有钢一半重、耐热性比钢好而强度不低于钢的钛合金。金属材料优点:高韧性，延展性好，强度高，导电性好。现在：主要仍是钢、铝合金、钛合金，镁合金；性能提高。发展：超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢(用作刀具)、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温材料等等。92012年全球粗钢总产量为15.478亿吨，中国大陆7.16亿吨，占全球钢产量的46.3%。高性能钢铁材料发展引起各国关注。2.2.1超级钢钢铁材料具有资源相对丰富、生产规模庞大、加工制造容易、性能多样可靠、成本低廉稳定、使用便利习惯和回收利用方便等特点，是基础设施建设、工业设备制造和人民日常生活中广泛使用的材料。不断地改进钢材质量、降低成本、增强钢铁材料的竞争能力。§2.2新型金属结构材料10新一代钢铁材料---超级钢超级钢是20世纪90年代末为更好地利用钢铁材料在使用性能上的优势，并进一步改进传统钢铁材料的一些不足，减少材料消耗，降低能耗而研制的新材料。其主要目的在于解决传统钢铁材料在强度、寿命上的不足。2.2.1超级钢11超级钢材料计划又称STX-21(StructuralMaterialsXfor21Stcentury)即面向21世纪的结构材料计划。它是日本政府确立的由科学技术厅金属材料技术研究所从1997年4月开始研究的一个国家级课题。其目标是将现有钢材在成分基本不变的前提下实用强度和结构寿命提高到现有性能和寿命的2倍，并在2015年前实现实用化。该课题的目标是在生产成本基本不增加的前提下将现有的碳素钢、低合金钢结构钢和合金结构钢的强度指标提高一倍，即分别达到400MPa、800MPa、和1500MPa，并满足韧度和各种使用性能的要求，追求超细晶技术、洁净化技术和均匀技术的结合。2.2.1超级钢12■洁净化技术各类高洁净钢是20世纪90年代的研究热点。洁净化的含义，一是最大限度地去除钢中P、S、O、N、H（有时包括C）等杂质元素的含量；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。2.2.1超级钢13■高均匀性技术高均匀性是指成分、组织和性能的高度均匀。已有试验表明，材料微区结构越均匀，所对应材料的抗冲击性能越高。■超细晶技术金属材料的强化方式有固溶强化、析出强化、位错强化和晶粒细化强化等。在这些强化方式中，晶粒细化强化是唯一能够同时提高强度和韧度的有效方法。与普通钢比较有三个显著结构特点：①超级钢的晶粒结构均匀化程度更高；②降低了结构中杂质和缺陷数量，使材料纯度更高；③细化材料的结构使晶粒更小。2.2.1超级钢14超级钢的应用——汽车制造业一汽用超级钢制造的卡车横梁（如图）2.2.1超级钢15超级钢的应用——建筑业低成本高强度的超级钢筋建材将为建筑业提供有力的支撑！目前的主要建筑用钢为Q235和Q345(相当于490MPa级)。北京奥运会体育场—鸟巢和央视新大楼也大量使用了Q420和Q460等高强度钢材。广州新电视塔全部采用高强钢，总重5.5万吨，外筒大约3万吨，混凝土15万立方米，电视塔的总重量达到10万吨以上。“细腰”最小处直径仅30多米，可抗8级地震。2.2.1超级钢162.2.2先进铝合金铝合金材料工艺技术趋于成熟，高档铝材成为发展趋势。铸造铝合金变形铝合金铝的密度小（约2.7g/cm3），熔点低（660℃），导电、导热性优良，无磁性。§2.2新型金属结构材料17第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。由于军用航空材料的需要，抗拉强度超过500ＭＰa的Al-Zn-Mg-Cu合金发展起来，其中最著名的合金是7075。战后，铝工业界便着手开发民用铝合金。系列新合金（尤其是7000系），如7050、7010、7475和7055等研制成功。铝合金用量仅次于钢铁，成为第二大金属材料。目前，高强、高韧是铝合金发展的主要方向。■超高强铝合金具有很高的强度和韧性（屈服强度500MPa以上），是航空航天领域极具应用前景的结构材料。Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。2.2.2先进铝合金18■耐热铝合金在高温下有足够的抗氧化性和在温度和载荷（动态和静态）的长时间作用下，具有抗塑性变形（蠕变）和破坏能力及导热性好和密度低等特点。在兵器、船舶、航空、航天、汽车等行业上应用。如发动机活塞Al-Si-Cu-Mg-Ni。新型耐热铝合金是指在快速凝固技术基础上发展起来的耐热铝合金。此类合金多以Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti为基，再适当添加一些V、Mn、Nb、W、Zr、Mo、Ce等2.2.2先进铝合金19■铝锂合金——轻型结构材料以铝为基添加锂（一般为3wt％左右）及其它元素组成的合金称作铝锂合金。特点：密度低、高强度、高模量以及高比强度和比刚度等。原因：锂的密度为0.534gcm-3，是铝的1/5，钢的1/15。在铝合金中增加少量锂可使密度显著降低。主要系列：Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、Al-Mg-Li系。用途：轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂合金，飞机重量可以减轻8％～16％。2.2.2先进铝合金20铝合金在航空航天领域的应用铝合金在目前的民用飞机结构上的用量约为70～80％，在军用飞机结构上的用量约为40～60％。在最新型的B777客机上，铝合金占机体结构重量的70％。一些最新型的军用飞机（F22，B2）结构上大量应用纤维增强树脂基复合材料和钛合金，铝合金用量已降到20％以下。铝：会飞的金属！先进铝合金在A380上的应用在A380上广泛使用了铝合金，其结构重量百分比达到60%，与复合材料实现了谐调共存。A380上应用了一些传统铝合金，但也引入一些新合金及新结构。2.2.2先进铝合金212.2.2先进铝合金222.2.2先进铝合金232.2.3先进钛合金钛的密度4.51g/cm3，熔点高（1688℃），密排六方或体心晶格，纯钛的强度低，比强度高（高于铝、钢），塑性好，易于加工，耐腐蚀性好；钛的导热性差（适合高温下工作），磨擦系数大，因而切削、磨削加工性能和耐磨性能差。纯钛在固态下有同素异构转变：●在882.5℃以下为-Ti，具有密排六方晶格；●在882.5℃以上直至熔点为β-Ti，具有体心立方晶格。●即，温度使材料的结构发生了变化。钛是宇航、国防工业关键的支撑材料之一。§2.2新型金属结构材料24工业纯钛由于其比强度高、耐热性好、抗腐蚀性能优异等优点，是航空、船舶、化工等工业中常用的一种-Ti合金，其板材和棒材可以制造350℃及以下工作的零件，如飞机蒙皮、隔热板、热交换器等。▲比强度：材料拉伸强度与其表观密度之比，是衡量材料轻质高强性能的重要指标。2.2.3先进钛合金25■工业用钛合金在纯钛中加入Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V等合金元素形成钛合金。工业用钛合金按其退火组织可分为：α、β和α+β三大类，分别称之为钛合金、β钛合金和+β钛合金。①相稳定元素:扩大相区，使→β转变的温度升高的元素；②β相稳定元素:扩大β相区，使β→转变的温度降低的元素，又将其细分为β同晶型元素和β共析型元素；③中性元素:对相变温度影响不大的元素。钛合金具有同素异构转变，转变温度随加入的合金元素的性质和含量而定。加入的合金元素通常按其对钛同素异构转变温度的影响分成三类：2.2.3先进钛合金26（1）钛合金主要加入元素是Al，其次是中性元素Sn和Zr，起固溶强化作用。在退火状态下的室温组织是单相固溶体。型钛合金的牌号与工业纯钛相同，均划入TA系列。型钛合金不能进行热处理强化，热处理对于它们只是为了消除应力或消除加工硬化。（2）+β钛合金退火组织为α+β，以TC加顺序号表示其合金的牌号。组织以相为主，β相的数量通常不超过30%。合金可通过淬火及时效进行强化，多在退火状态下使用。+β型钛合金的室温强度和塑性高于α型钛合金，生产工艺比较简单，通过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的性能，应用比较广泛，尤以TC4用途最广、用量最多。2.2.3先进钛合金27（3）β钛合金以TB加顺序号表示其合金的牌号。合金加入了大量的多组元β相稳定元素，同时还加入相稳定元素Al。应用的β型钛合金主要为亚稳定的β钛合金，退火状态为+β两相组织，将其加热到β单相区后淬火，因相来不及析出而得到过饱和的β相，称为亚稳β相。①该类合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通过时效处理，使强度提高；②该类合金的淬透性高；③化学成分偏析严重，这种类型的合金只有两个牌号，实际获得应用的仅有TB2一种。2.2.3先进钛合金28★型钛合金性能及应用性能：室温强度低，高温强度高；具有良好的抗氧化性、焊接性和耐蚀性，不可热处理强化，退火态使用；牌号：TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等，常用的有TA5、TA7等，以TA7最常用。TA7还具有优良的低温性能；用途：用于制造500℃以下温度工作的火箭、飞船的低温高压容器，航空发动机压气机叶片和管道、导弹燃料缸等。TA5主要用于制造船舰零件。2.2.3先进钛合金29★型钛合金性能及应用牌号：有TB1、TB2两个，可热处理强化，实际应用的为TB2。性能：合金的强度高、焊接性好。热稳定性差。用途：用于制造350℃以下温度工作的飞机压气机叶片、弹簧、紧固件等。2.2.3先进钛合金30★