新材料概论金属材料及其合金的研究进展

河南工程学院《新材料概论》考查课专业论文金属材料及其合金的研究进展学生姓名：学号：==学院：专业班级：专业课程：任课教师：日新材料概论课程专业论文1金属材料及其合金的研究进展)摘要：金属是人们日常生活生产中最不可或缺的材料，更是人类社会进步的关键所在，本篇论文主要论述金属材料的种类、性能及在社会发展中的重要应用，并且展望金属材料在未的发展前景。关键词：金属材料、镁合金、铝合金、记忆金属金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。由两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质称为合金。工业中广泛使用的金属材料是合金，金属材料中最常用的是钢铁、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金等。现代生产生活中种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。一、金属材料的分类金属材料通常分为黑色金属和有色金属如图1所示1、黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳2％～4％的铸铁，含碳小于2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。2、有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。3、特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。[1]金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。变形新材料概论课程专业论文2金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。图1金属的分类二、金属材料性能金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性）、力学性能（也叫机械性能）。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。三、金属材料及其合金工业中广泛使用的金属材料是合金，金属材料中最常用的是钢铁、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金等。下面展开对这几种合金的代表性分析。新材料概论课程专业论文31镁及镁合金镁由于优良的物理性能和机械加工性能，丰富的蕴藏量，已经被业内公认为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。[2](1)新变形镁合金新变形镁合金（如图2所示）相对于传统变形镁合金而言，主要是通过新工艺的开发，获得强度更高、延展性更好、耐高温、耐腐蚀等多种性能俱佳的镁合金，可满足不同场合结构件的需要。美国通过挤压和热处理后的ZK60高强变形镁合金，其强度及断裂韧性可相当于时效状态的A17075或A17475合金。而采用快速凝固（RS）+粉末冶金（PM）+热挤压工艺开发的Mg-Al-Zn系EA55RS变形镁合金，成为迄今报道的性能最佳的镁合金。[3]图2新变形镁合金影响镁合金高温性能的主要因素是β相在高温时不稳定。因而高温镁合金的开发主要从两个方面考虑：一是不含Al的镁合金；二是合金化。目前，研究的比较多的是后者。(2)耐蚀镁合金镁合金腐蚀问题主要来自于镁合金中的Cu、Ni等高电位元素，因而解决镁合金的耐腐蚀问题主要通过两个方面。[4]首先，尽量减少镁合金中Cu、Ni等元素的含量；其次，对镁合金进行表面处理来形成有效。(3)阻燃镁合金镁合金常用的保护方法为溶剂保护法和气体保护法，但在运用中既污染环境又降低综合力学性能。[5]目前阻燃镁合金的开发是在镁合金中加入稀土元素来改善镁合金的抗阻燃性。(4)阻尼镁合金纯镁的阻尼性能极好，但力学性能很低，而国标中的几种镁合金，虽然力学性能、比刚度较高，可阻尼性能较低。目前阻尼镁合金的前沿是ZMJD阻尼合金。新材料概论课程专业论文4(5)高强高韧镁合金目前提高镁合金强度与韧性的方法主要是向镁合金中加入合金元素，超高强度镁合金主要是快速凝固镁合金、非晶镁合金和镁基复合材。(6)超轻镁合金超轻镁合金的代表是Mg-Li系合金，是密度最低的合金系，可低达1.35g/cm3～1.65g/cm3，是传统镁合金的3/4，仅是铝合金的1/2。(7)镁基非晶合金镁基非晶合金的特点是有无定形原子结构，因而力学性能大大提高，强度、延展性也得到明显的改善，而且兼有一般金属和玻璃的特性Mg-Ni-Y和Mg-Cu-Y非晶合金的抗拉强度可达800MPa以上，是传统晶态镁基合金的两倍。镁基非晶合金不存在晶界、位错和层错等结构缺陷，也没有成分偏析和第二相析出，这种组织和成分的均匀性使其具备优良的局部抗腐蚀能力。镁合金由于其优异的性能在汽车交通（如图3所示）、消费品、能源、化工行业等倍受推崇。机动性的改善可以极大地提高战斗力和生存能力。同时轻、薄、小、美观且易回收、环保一直被消费品所追求，镁合金也正是这类产品的理想材料，但现阶段的研究和运用远远跟不上人们对镁及镁合金的期待，要提高我们在这一领域的研究和运用水平，注重从实验室向实际生产的转化，系统研究镁合金的微观组织对镁合金性能的影响，特别是新型成形技术的基础理论研究，解决镁及镁合金在废料回收中存在的各种不足，做好镁及镁合金废料的再利用。图3镁合金在汽上的应用新材料概论课程专业论文52钛及钛合金钛及钛合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等优良特性。随着国民经济及国防工业的发展，钛日渐被人们普遍认识，广泛地应用于生物医学（如图4所示）、汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域。TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。图4生物医用钛合金20世纪是机电学的时代。传感——集成电路——驱动是最典型的机械电子控制系统，但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。利用记忆合金在特定温度下的形变功能，可以制作多种温控器件，可以制作温控电路、温控阀门，温控的管道连接。人们已经利用记忆合金制作了自动的消防龙头--失火温度升高，记忆合金变形，使阀门开启，喷水救火。[6]制作了机械零件的连接、管道的连接，飞机的空中加油的接口处就是利用了记忆合金--两机油管套结后，利用电加热改变温度，接口处记忆合金变形，使接口紧密滴水（油）不漏。制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线--先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，折叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观，它将大展宏图、造福于人类。新材料概论课程专业论文63铝及铝合金铝合金具有密度小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、土木建设等，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。随着电力工业的发展和冶炼技术的突破，其性价比大为提高。铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成型性能，用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%，被认为是航空航天工业中的理想结构材料。在航天领域，铝锂合金己在许多航天构件上取代了常规高强铝合金（如图5所示）。铝锂合金作为储箱、仪器舱等结构材料具有较大优势。图5c919大型客机铝锂合金机身铝及铝合金是最早用于汽车制造的轻质金属材料,在不减轻汽车容量的情况下减轻汽车自重，使汽车更稳定，乘客空间瞪大，在受到冲击时铝合金结构能吸收和分散更多的能量时汽车更舒适更安全，因此从生产成本、零件质量、材料利用率等方面看，具有多种优势。[7]铝基复合材料在某些范围内替代铝合金、钢和陶瓷等传统的汽车材料，用于汽车关键零件，特别是高速运动零件，对减少质量、减少运动惯性、降低油耗、改善排放和高汽车综合性能等具有非常积极的作用，在汽车领域有着良好的应用前景。泡沫铝材被认为是一种大有前途的未来汽车的良好材料。泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板，即：芯层为泡沫铝或泡沫铝合金，上下层为铝板或其他金属薄板。德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车的顶盖板的刚度，比原来的钢构件高7倍左右，而其质量却比钢件轻25%。新材料概论课程专业论文7筑结构材料不同于建筑装饰材料，是整个建筑物的主要承力部件，建筑装饰材料如门窗、幕墙、围栏、天花板、镶边等一般不承受重力，只需美观耐用就行，而结构材料是整个建筑物的顶梁柱。以往，建筑结构材主要选用优质木材和钢材，现在绿色建筑铝合金结构材正慢慢兴起，而铝合金结构材料有价格较高，生产难度大，各种性能难于合理匹配等特点。铝合金作为一种建筑材料具有其他建材不可替代的优点，铝合金结构稳定，可采用独特短程线结构专利设计，稳定性高，结构紧凑，净跨度大，结构强度能适应各种不均衡风载、雪载等恶劣环境条件。[8]铝合金结构具有高的性价比，耐腐蚀，无需定期维修和防腐处理，永久密封技术和独特设计保证不漏水，良好的隔音和吸音效果。4铜及铜合金铜合金以其良好的导电性、耐蚀性和强度，广泛应用于电子科技、航空航天以及装修领域（如图6所示）。合金化法制备高强高导铜合金主要有固溶强化和沉淀强化两种方法，细晶强化和形变强化常作为辅助强化手段。材料复合法是高强高导铜合金的发展方向。现代工业的飞速发展对铜基导电材料的综合性能提出了更高的要求。图6铜及铜合金应用比例合金化方法由于自身的局限性，在保持铜高导电性的同时，对强度的提高有一定限度。复合强化能同时发挥基体和强化相的协同作用，又具有很大的设计自由度。复合强化不会明显降低铜基体的导电性，由于强化相的作用还改善了基体的室温及高温性能，成为获得高强度导电铜基材料的主要强化手段，代表了高强高导铜合金的发展方向。金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。四、发展展望随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝新材料概论课程专业论文8锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。新的社会形势下迫切需要产品的创新，产品的创新就离不开新材料的发展。新材料概论课程专业论文9参考文献[1]崔忠圻，刘北兴.金属学与热处理原理[M].哈尔滨工业大学出版社，2007.[2]赵亚忠，彭建，宋成猛，等.高塑性镁合金研究现状[J].材料导报，2008，22（10）：68-69.[3]黄光胜，黄光杰，汪凌云，等.变形镁合金塑性的改善[J].材料导报，2012，20（1）：39-41.[4]陈维平，詹美燕，陈宛德，等.变形镁合金的塑性加工技术研究及展望[J].特种铸造及有色合金，2013，27（1）：40-42.[5]陈振华.镁合金[M].北京：化学工业出版社，2004.[6］冯锡光，陈怡，胡广健．记忆合金环抱器治疗髋关节置换并发假体周围骨折［J］．吉林医学，2012,33（19）4050-4051