先进的新型金属材料包括钢铁材料律,发展低成本的金属材料_用高新技术改造传统金属工业金属间化合物结构材

21世纪的新型金属材料金属材料是最重要的结构材料和功能材料•人类社会文明发展的柱石与里程碑，金属材料一直是最重要的结构材料和功能材料•20世纪后期，工业化时代信息化、全球化和知识化的时代。•信息技术，生物技术和新材料技术是当期最重要技术发展领域。•对材料的需求多样性，科学和技术的发展和成熟，各类材料都得到了飞速发展,有些材料已经取代某些金属材料的应用，各类材料之间发生相互竞争，相互复合的趋势，但金属材料还是最重要的结构材料和功能材料金属材料还是最重要的结构材料和功能材料1.不可取代性：最好的综合使用性能能够方便和便宜的实现大规模生产能够回收多次使用的材料2.新金属材料金属材料本身必须要发展，科学和技术的发展给金属材料的发展开辟了道路两类新金属材料:1.先进传统金属材料2.新型金属材料先进传统金属材料先进基础金属材料一。提高面大量广传统金属材料的主要使用性能和质量，以满足社会发展的大量需求。钢铁为例：•已有年产1.8亿吨的能力，预测我国钢产量要增加到2亿吨或更高产量•国际上研究攻关的热点：提高强度和其他使用性能，例如提高强度一倍，提高寿命一倍，那样，就可以一吨钢当二吨钢用200400600800100012001400160018000.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.0调质钢超高强钢（1300-2400）强韧钢（900-1300）高强钢（500-1000）非调质钢（F＋P）软钢YAxisTitle拉伸强度图1各类钢的强度发展材料强度（Mpa）细化的组织结构用途厚板780-980590-780M+BF+B建筑，桥梁50-150mm冷,热轧薄板340-440590-980590—780980-1470IF钢TRIP板Cu强化超高强深冲板汽车板非调质钢780-980780-1200980-1500F+PBM汽车部件，各种机械，及土木等线材2450-4900P钢管690-1470700-840（无缝）650-800（焊缝管）M耐蚀MF＋B汽车油井输送管不锈钢880-1960880-17001350-17502060-2650AMM（PH钢）M时效钢低导磁率汽车，船，构件三化：•材料的组织（晶粒）细化，•组织更均匀化，•材料更纯洁化①第一层次是解决得到，纯度到80-100ppm，微结构细化到大约5微米水平的均质的超级钢。主要是解决金属材料强韧化理论新的组合，应用和发展中，有关远离平衡态微结构的科学问题。②解决第二层次的科学问题就可以得到细化到0.1—1微米水平的均质的微结构超级钢。这要求发展能够得到更细小组织结构的新理论，新工艺和新技术，基础研究更要有深度。固态下的晶粒细化与晶粒长大研究经过相变（组织转变和再结晶）得到的平均晶粒度由形核率和长大速率控制，但晶粒会长大，决定于温度、时间和晶界可动性。主要的晶粒细化理论和工程有：1.相变微结构细化，快速加热和冷却的扩散型相变细化及马氏体相变细化。2.形变再结晶细化，形变，动态再结晶和静态再结晶细化，3.质点细化（合金化），加大非自发形核和形核率4.热机械处理复合细化，综合利用四种细化手段科学地应用和发展这些理论可以得到1微米以上的晶粒度。由于奥氏体形成温度高，晶粒控制更难一些。间隙热加工＋再结晶20m80%冷加工0.9μm奥氏体pM2-3m晶粒奥氏体晶粒细化•热加工和再结晶•反复相变：•奥氏体冷加工诱导马氏体＋回火马氏体＋冷加工＋奥氏体化铁素体晶粒细化•从奥氏体快冷相变•减小奥氏体晶粒•奥氏体加工硬化，相变与热加工结合，细化晶粒•奥氏体相中的细小质点相变组织微结构细化研究组织微结构主要指：珠光体片间距，珠光体团尺度，贝氏体片尺度及质点间距，马氏体板条尺度，贝氏体和马氏体中片中的亚结构和孪晶,残余及其分布,双相组织尺度和形态以及各种组织中的一些位错密度高的亚结构及析出物等等，总之，凡能阻碍位错运动，缩短位错运动长度和减少应力集中的极限细小的组织结构都是追求目标。它将导致强韧性同时提高。主要的细化组织结构的技术有：①板条马氏体的细化技术，②亚稳奥氏体形淬火，马氏体中亚结构尺度可小到1微米，或更小。③极细双相组织钢(MICRO-DP钢)。④形变诱导马氏体，马氏体诱导塑性。⑤形变中相变与相变后形变的相互结合对于要求1微米甚至更细的超细晶粒，要解决的科学问题更难：•①要更科学地运用细化的理论，发展能在更加苛刻的条件下（如更低碳，更纯，更薄等）获得1微米甚至更细的超细晶粒的研究•②发展防止超细晶粒的迅速长大和不均匀长大的理论。，这二方面相互联系，都要解决，否则不容易得到这样小的晶粒度。为了防止超细晶粒的迅速长大和不均均匀长大，有效办法之一是界面第二相粒子的钉扎作用。质点细化第二相对晶粒长大的阻碍作用，粒子尺寸大一点，其阻碍作用降低很多.晶粒越小，晶界移动的驱动力越大，更加难于阻碍晶粒长大，要求有更多的第二相0.000.020.040.060.080.100.120246810121416182022第第第第第第第第第第第第第第第第第第r=1nmr=5nm第第第第第第第第第第第vol%051015200246810第第第第第第第gG晶晶晶晶晶晶晶G第第第第第第纯洁化的问题纯洁化指要高纯度和高净洁二方面。众所周知，不纯和夹杂有害，往往造成脆性。但钢总有杂质元素和夹杂，过分要求则带来很大经济负担。钢中不纯和夹杂的有害性与钢的水平有很大关系，一般是钢的强度越大，要求越高。目前日本钢的纯度大致在80-100ppm水平，这个水平大致能适应细化到10微米尺度或更细一些的钢的要求。问题是对于有更高强度，更细结构的钢，纯洁度到底要求多少，这本身就是一个重要科学问题。晶粒细化与杂质偏析有交互作用，晶粒大小从10微米降到1微米，其偏析程度下降几个数量级界面磷量温度大晶粒小晶粒细晶化对连铸带来的科学问题粗大晶粒（柱晶），热加工量小，冷却快固溶大•连铸过程的精确控制•各种扰乱场（如电磁扰乱场等）下的连铸凝固理论和技术，•半凝固铸造理论和技术等轴化、细化二。满足航空、能源、交通、通讯及国防工业发展新产品的要求，发展出水平更高、性能更好的先进高性能金属材料,特别是轻金属材料。•金属材料；信息通讯行业的发展要求有更高、更快、更强水平的金属功能水平更高的镍基高温合金、各种高强钢和耐蚀合金、各类轻金属材料，如钛合金、铝合金和镁合金•技术路线核心从合金化、新制备工艺两方面入手，两者相辅相成，但改善和发展新制备工艺往往是关键。快速凝固技术＋合金化定向凝固和单晶制备技术＋合金化氧化物质点弥散强化的机械合金化合金＋合金化纳米金属材料的重要制备技术＋合金化三。满足改善地球和社会环境的要求，发展环境友好的金属材料•要求材料从开始生产直到使用后的废料处理整个循环过程中造成污染最少，资源利用最好，能量消耗最低，即对地球最友好•要改善生产过程使之环境污染少和能量消耗少；改善合金设计使之具有更长的使用寿命和能够更好回收再利用；•发展新的动力机械使之提高效率，减少材料消耗等•21世纪必须要把发展环境友好的材料，和能够很好利用回收的材料，同时要淘汰一些环境不友好金属材料•日本科技厅决定从2000年度开始，开展减轻环境负荷新材料的开发工作。不仅要把废钢铁进行再生，而且再生后的钢铁要比一般钢铁的强度高出1.5倍。计划每年投入约10亿日元，5年后要生产出再生钢铁的板材。还计划使用新型的耐热材料试制小型的气体透平机，使其热效率提高20%，使二氧化碳排放量减少30%新型环境友好金属材料的发展1.通用型合金•成分设计控制的通用合金，热加工工艺及热处理控制的通用合金2.环境友好工艺技术的发展——短流程低消耗高效率工艺技术•冶金短流程工艺，连铸技术，电炉与其他炼钢技术•近终形加工技术，Osprey,近终形精密加工技术•计算机工艺模拟技术3.表面处理技术的发展，特别对表面受损的条件，通过表面处理提高耐腐蚀和磨损的能力4.高性能高质量长寿命合金的发展和环境友好设计方法处理好部件的长寿命和机械整体设计寿命或机械模块化设计寿命的关系，着眼于机械整体寿命设计和机械模块化寿命设计5.环境友好的评价标准和环境友好设计通用型钢和合金(general-purposealloy,or,Super-universalalloy)是指一种允许成分范围宽、组织和性能可控制的、工艺性能好的钢和合金。其特点是∶①允许成分范围宽，主要指二方面宽，一方面是主要控制性能的合金元素含量略宽一些，以使生产者有可能控制生产出更适应使用者不同要求的钢号合金；另一方面指一些残余元素的种类略多一些，以利于采用再循环技术等新技术，同时又严格保证钢的质量；关于杂质元素和气体含量则可分为普通和超纯两档统一要求。②在充分掌握材料的成分--工艺--组织--性能关系的专业知识的基础上，能够在生产上严格控制产品性能，以满足使用者严格的性能要求。③工艺性能好，可生产各类产品品种。④具有能满足标准规定要求的材料使用指导书，明确地指导用户得到需要的使用性能。这是一种不同现行技术条件规定的新的钢和合金的概念，同时具备的上述几个特征，反映出它是一种在现代合金设计新思路和方法指导下、建立在现代先进的生产技术水平基础上的，新一代的钢和合金通用型钢和合金可以有不同的类型，不同的合金设计思路∶①成分控制为主导的通用型钢和合金(Composition--controlledalloy)。这类通用型钢和合金的性能对成分很敏感(相对于其他工艺参量)，因而成分控制十分重要，而其它生产环节的控制略宽。②工艺控制为主导的通用型钢和合金(Process--controlledalloy)。这类通用型钢和合金的性能对某些工艺参量很敏感(相对于其他成分及其他参量)，因而某些工艺参量控制要求严格而允许的成分范围较宽，严格的控制工艺是关键。③纯度控制为主导的通用型钢和合金(Purity--controlledalloy)。这类通用型钢和合金的性能对纯度很敏感(相对于其他工艺参量)，严格的纯度(杂质和气体)控制是关键，例如滚珠钢。④数据控制的通用型钢和合金(Data--controlledalloy)。这类合金可能是针对一些有特殊性能要求的钢和合金有效，例如对腐蚀、焊接、长期力学性能等有具体要求而对其他方面关注较少的情况。•例子之一•发展一种通用型高导磁率的铁／镍基合金。在完全掌握导磁率理论的基础上，通过控制当量磁性镍原子与铁原子之比，根据目前达到的技术水平，可以允许存在的合金元素多达13种，除Fe和Ni以外，还可以有Mo,Cu,Nb,Ta,Al,Ti,V,W,SiMn,Cr等，可以根据返回料的成分，根据一定的合金设计计算式控制各个成分的含量，得到较好磁性水平的合金:i(H=0.08A/m)=80000Gs/Ge,i(H=0.4A/m)=120000Gs/Ge,m=278000Gs/Ge,Hc=0.848A/m,Bs=o.73T.当然，热处理工艺也要满足一定的要求，不过要求不是十分严格。所以可以说这是一个成分控制为主导的通用型钢和合金。•工艺控制通用钢：Fe-0.1/0.16C-0.41/0.99Si-1.2/153Mn•长期使用的低合金耐热钢，虽然已经发展了许多不同级别的钢种，其短时力学性能虽有差别，但在一定程度说，其长时力学性能(使用十万小时以上)的差别不大，因此，有条件发展不同使用温度范围的通用型钢和合金，其主要成分可以简单化，但却允许一定的残余元素存在范围。•双相合金。以+双相钛合金为例，该合金系的室温力性和超塑性能力与相的体积百分数、相基体的电子与原子的比例、相的固溶强化程度(它又由合金元素与钛的原子半径差和电阻变化率决定)、和时效温度决定，所以可以根据成分和这些参量的关系进行合理的合金设计，发展出一类通用型双相钛合金，环境友好设计方法1.一个部件的环境友好设计：部件失效带来的成本和环境负荷（包括停产修理）B，修理部件的花费和环境负荷,AB/A越大，最佳寿命应越长345670.00.10.20.30.4Vb/Va=0.1Vb/Va=1.0Vb/Va=10Vb/Va