材料化学第6章金属材料.

12/24/20199:00AM第6章金属材料Chapter6MetallicMaterials12/24/20199:00AM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12/24/20199:00AM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。12/24/20199:00AM学习参考书目1.杨兴钰.材料化学导论.武汉：湖北科学技术出版社，20032.王正品，张路，贾玉宏主编，金属功能材料，化学工业出版社，20043.李云凯主编，金属材料学，北京理工大学出版社，20064.MarcW.M.vanderWijst，ShapeControlofStructuresandMaterialswithShapeMemoryAlloys，UniversityofTechnologyEindhoven，19985.R.LeHolm，B.Norris，HighTemperatureAlloysforAerospaceStructure，ASMInternational，200112/24/20199:00AM金属可分为黑色金属和有色金属。黑色金属:铁、铬、锰及其合金，并以铁金属、铁合金为主。有色金属:铁、铬、锰以外的金属。有色金属又可进一步分为:轻有色金属:密度小于4.5g/cm3,如钾、钠、钙、镁、铝、锶、钡等，化学活性高；重有色金属:密度大于4.5g/cm3,铜、镍、锡、铅、镉、汞、钴、铋等；贵金属:铂、金、银、铑、铱、钌、锇、钯等，地壳含量稀少、开采提炼困难而昂贵，密度高(10.4~22.4g/cm3)、熔点高(1200~3300K)、惰性；稀有金属:如锂、铷、铯、铍、钨、钼、钒、铌、钛、铪、镓、铟、铊、锗和稀土元素(镧系和锕系)以及人造超铀元素(自然界含量少或分布稀散、发现晚、难提取或制备应用较晚)；准金属:介于金属与非金属之间，如硼、硅、硒、碲、砷、锗、锑、钋；放射性金属:镭、铀、钍、钋等。12/24/20199:00AM6.1金属材料结构与性能6.1.1金属晶体结构金属键特性紧密堆积结构金属材料形态——多晶T12号钢退火金相形态结合第2章内容12/24/20199:00AM6.1.2合金基本结构与性能混合物合金（mixturealloy）细微晶粒相互间混合具有低共熔点固溶体合金（solidsolutionalloy）金属间化合物合金（intermetalliccompoundalloy）12/24/20199:00AM6.1.3铁系合金的组织结构铁的同素异晶体-Fe：体心立方-Fe：面心立方-Fe：体心立方oo1394C912CFeFeFe12/24/20199:00AM12/24/20199:00AM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12/24/20199:00AM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高碳马氏体低碳马氏体12/24/20199:00AM奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体的结构12/24/20199:00AM铁素体（Ferrite，符号F表示）碳溶解于α-Fe的体心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。12/24/20199:00AM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（BHN600以上）的脆性化合物，塑性、韧性几乎为零。12/24/20199:00AM珠光体（pearlite，符号P表示）奥氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物碳质量分数平均为Wc=0.77%显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织12/24/20199:00AMFe-Fe3Cphasediagram12/24/20199:00AM12/24/20199:00AM相图分析主要点12/24/20199:00AMABCD线——液相线液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。AHJECF线——固相线液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化GS线——A3线A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入AES线——AC线C在A中溶解度曲线ECF线——共晶线含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物（莱氏体）。PSK线——共析线含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体主要线12/24/20199:00AM6.1.4金属材料热处理分类特点常用方法整体热处理是对工件整体进行穿透加热退火、正火、淬火+回火、调质等表面热处理是仅对工件的表面进行的热处理工艺表面淬火和回火（如感应加热淬火）、气相沉积等化学热处理是改变工件表层的化学成分、组织和性能渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗金属、多元共渗等12/24/20199:00AM6.2.1超耐热合金定义一般的金属材料都只能在500～600ºC下长期工作。在700～1200ºC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6.2超耐热合金12/24/20199:00AMExample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，都是高Cr-Co-W基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成12/24/20199:00AMMetalswithhighmeltingpoint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Ⅴ－Ⅶ副族元素和第Ⅷ族元素形成的合金高熔点金属第Ⅴ副族、第Ⅵ副族、第Ⅶ副族12/24/20199:00AMPeriodictable12/24/20199:00AM铁基超耐热合金基于奥氏体不锈钢中温（600～800℃）条件下使用镍基超耐热合金镍含量一般50%在650～1000℃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40～65％的奥氏体高温合金在730～1100℃下，具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。6.2.2超耐热合金的分类12/24/20199:00AM改变合金的组织结构采用特种工艺技术6.2.3提高超耐热合金性能的途径12/24/20199:00AM(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。合金结构为了增强金属材料的耐高温蠕变性能，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12/24/20199:00AM奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体的结构12/24/20199:00AM(2)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寿命提高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，组织成分均匀并可以大大节省材料12/24/20199:00AM6.3.1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天然气：-163℃液氮：-195.8℃液氢：-253℃液氦：-269℃6.3超低温合金12/24/20199:00AM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。12/24/20199:00AM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12/24/20199:00AM6.3.2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：机械加工性不佳，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。12/24/20199:00AM6.4超塑性合金SuperplasticAlloy6.4.1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。在1920年，德国人罗森汉(N.Rosenhaim)对冷轧后的Zn-4Cu-7A1三元共晶合金的铝板弯曲时，出现了塑性异常高的现象(180º)。12/24/20199:00AM12/24/20199:00AM4.3.1超塑性现象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，控制凝固过程、热处理、形变热处理、粉末冶金、机械加工等方法来实现。产生超塑性的条件12/24/20199:00AM6.4.2超塑性合金类别结构类别：细晶超塑性相变超塑性5种重要的超塑性合金种类：锌基合金：巨大的无颈缩延伸率；低蠕变强度，冲压加工性能差，不宜作结构材料;铝基合金：综合力学性能较差，室温脆性大,加入微量细化晶粒元素(如Zr等)后综合力学性能较好；镍基合金:镍基高温合金高温强度高，难以锻造成型，利用超塑性进行精密锻造，压力小、节约材料和成本，制品均匀性好；超塑性钢：超塑性用于钢尚未商品化，含C1.25%的碳钢在650~700ºC的加工温度下，断后伸长率可达400%;钛基合金:钛合金变形抗力大，回弹严重，加工困难，难以获得高精度器件；但利用超塑性进行等温模锻或挤压，变形抗力大为降低，可制形状复杂的精密零件。12/24/20199:00AM1.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，可以得到相当高的加工精度，并能大幅度降低加工压力、减少加工工序尤其适于极薄板和极薄管的制造，也非常适用于加工具有极微小凹凸表面的制品。缺点是加工速度慢，效率低6.4.3超塑性合金的应用12/24/20199:00AM超塑成型12/24/20199:00AM2.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。12/24/20199:00AM3.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。4.其它利用动态超塑性可将铸铁等难加工的材料进行弯曲变形；