1、Chapter 6Alloy Materials新型合金材料Chapter6 Mlic Materials1本章內(nèi)容超耐熱合金超低溫合金超塑合金形狀記憶合金貯氫合金非晶態(tài)金屬材料6.16.26.36.46.56.6Chapter6 Mlic Materials26.1 超耐熱合金6.1.1超耐熱合金定義 能在7001200高溫下仍能長時間保持所需力學性能，具抗氧化、抗腐蝕能力，且能滿意工作的金屬材料通稱超耐熱合金。 對高溫材料的要求 在高溫下有優(yōu)良的抗腐蝕性 在高溫下有較高的強度和韌性Chapter6 Mlic Materials31壓氣機葉片2燃燒室3渦4渦輪葉片航空燃起輪機中使用的高溫合金

2、示意圖Ø 主要部件占發(fā)Ø 燃燒室、渦基合金制造重量70由超耐熱合金和渦輪葉片用耐高溫的Ni-CoØ 高壓氧渦輪泵和高壓氫渦輪泵上的葉片，都是高Cr-Co-W基耐高溫合金，通過定向凝固精密鑄造制成Chapter6 Mlic Materials4高熔點金屬第副族、第副族、第副族原子中未成對的價電子數(shù)很多強化學鍵； 原子半徑較小晶格結點上粒子間的距離短，相互作用力大。耐熱合金副族元素和第族元素形成的合金Chapter6 Mlic Materials5Chapter6 Mlic Materials66.1.2 超耐熱合金的分類 鐵基超耐熱合金 基于奧氏體不銹鋼 中溫（60

3、0800）條件下使用 鎳基超耐熱合金 鎳含量一般>50% 在6501000范圍內(nèi)具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力 鈷基超耐熱合金 含鈷量4065的奧氏體高溫合金 在7301100下 ，具有一定的高溫強度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化能力。Chapter6 Mlic Materials76.1.3 提高超耐熱合金性能的途徑改變合金的組織結構采用特種工藝技術Chapter6 Mlic Materials8合金結構在鋼中加入對氧的親和力比鐵強的Cr、Si、Al 等，可以優(yōu)先形成穩(wěn)定、致密的Cr2O3、Al2O3或SiO2等氧化物保護膜，成為提高耐熱鋼高溫抗腐蝕的主要措施。為了增強金屬材料

4、的耐高溫蠕變性能，可以加入一些旨在提高其再結晶溫度的合金元素，例如高熔點的合金元素W、Mo、V等。鋼的組織狀態(tài)對其抗熱性也有影響，奧氏體組織的鋼比鐵素體組織的鋼耐熱性高。Ni、Mn、N的加入能擴大和穩(wěn)定奧氏體面心立方結構Chapter6 Mlic Materials9奧氏體和馬氏體的結構Chapter6 Mlic Materials10工藝技術定向凝固葉片旋轉時，所受的拉力和熱應力，平行于葉片縱軸，定向凝固工藝形成沿縱軸方向的柱狀晶粒，消除垂直于應力方向的晶界，從而可以使得熱疲勞提高10倍以上。粉末冶金采用粒度數(shù)十至數(shù)百微米的合金粉末，經(jīng)過壓制、燒結、成型工序制成零件，可以消除偏析現(xiàn)象，組織成

5、分均勻并可以大大節(jié)省材料Chapter6 Mlic Materials116.2 超低溫合金6.2.1低溫常溫以下直至絕對零度的較大溫度范圍超低溫對材料的特殊要求天然氣：-163氮：-195.8氫：-253氦：-269液液液沸點Chapter6 Mlic Materials12防止低溫脆性鐵素體鋼呈體心立方結構，在溫度達到-200oC左右，就會出現(xiàn)韌性-脆性轉變。添加13的鎳，可以使其過渡溫度下降至液氦溫度，即在液氦溫度以上出現(xiàn)低溫脆性。另法是采用面心立方結構的金屬，例如鋁合金、奧氏體系不銹鋼等。Chapter6 Mlic Materials13 需要具備低溫下的熱性能 低溫合金膨脹系數(shù)盡可能

6、小 低膨脹合金：鐵鎳合金、鈦合金等 必須是非磁性合金 超低溫技術多在磁場下利用 帶有磁性的合金，在構件中就會由于產(chǎn)生電磁力的作用而造成對磁場的不良影響Chapter6 Mlic Materials146.2.2超低溫合金的研究 高錳奧氏體鋼專門開發(fā)的超低溫合金。即使在液氦溫度下也具有良好的強度和延伸率熱膨脹系數(shù)特別小缺點：機械性不佳，耐沖擊性也較差。 鐵錳鋁新合金鋼把鐵鎳鉻不銹鋼中的鎳和鉻分別由錳和鋁代而制得保持面心立方結構添加多量的鋁可增加奧氏體的強度和耐腐蝕性低溫下強度、韌性都十分優(yōu)異。Chapter6 Mlic Materials156.3 超塑性合金Superplastic alloy

7、6.3.1 超塑性合金現(xiàn)象金屬在某一小的應力狀態(tài)下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不發(fā)生斷裂，呈現(xiàn)一種異常的延伸現(xiàn)象。Chapter6 Mlic Materials16Chapter6 Mlic Materials17產(chǎn)生超塑性的條件產(chǎn)生超細化晶粒；適宜的溫度和應變速率。晶粒的超細化、等軸化以及穩(wěn)定化可通過合金化，凝固過程、熱處理、形變熱處理、粉末冶金、機械等方法來實現(xiàn)。Chapter6 Mlic Materials186.3.2 超塑性合金類別 結構類別： 細晶超塑性 相變超塑性 合金種類： 鋅基合金：巨大的無頸縮延伸率；低蠕變強度，沖壓性能差 鋁基合金：綜合力學性能較差，室溫脆

8、性大 鎳基合金 超塑性鋼： 鈦基合金Chapter6 Mlic Materials196.3.3 超塑性合金的應用1.高變形能力的應用真空成型或氣壓成型可以在密封模具內(nèi)擠壓或鍛造，可以得到相當高的減少精度，并能大幅度降低工序、尤其適于極薄板和極薄管的制造，也非常適用于缺點是具有極微小凹凸表面的制品。速度慢，效率低JChapter6 Mlic Materials20超塑成型Chapter6 Mlic Materials212.固相粘結能力的應用晶粒的超細化，即晶界體積比的增加使得低壓下的固相結合易于進行。超塑性合金與另一金屬壓合時，其微細晶粒可以順利地填充滿微小凸起的空間，使兩種材料間的粘結能力

9、大大提高。利用這一點可軋合多層材料、包復材料和制造各種復合材料，獲得多種優(yōu)良性能的材料。這些性能包括結構強度和剛度、減振能力、共振點移動、韌脆轉變溫度、耐蝕及耐熱性等。JChapter6 Mlic Materials223.減振能力的應用 合金在超塑性溫度下具有使振動迅速衰減的性質，因此可將超塑性合金直接制成零件以滿足不同溫度下的減振需要。其他4.利用動態(tài)超塑性可將鑄鐵等難進行彎曲變形；的材料對于鑄鐵等焊接后易開裂的材料，在焊后于超塑性溫度保溫，可消除內(nèi)應力，防止開裂；高溫苛刻條件下使用的機械、結構件的設計、生產(chǎn)及材料的研制。lic MaterialsJChapter6 M236.4 形狀記憶

10、合金（SMA）Shape Memory Alloy 形狀記憶材料是指具有定初始形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學刺激的處理又可恢復成初始形狀的材料； 形狀記憶合金是形狀記憶材料中的一種。Chapter6 Mlic Materials246.4.1 形狀記憶合金特征1. 一次記憶（單程）： 材科加熱恢復形狀。狀后，再改變溫度，物體不再改變2. 可逆記憶（雙程）： 物體不但能記憶高溫的形狀，而且能記憶低溫的形狀， 當溫度在高低溫之間反復變化時，物體的形狀也自動 反應在兩種形狀間變化。3. 全方位記憶（全程）： 除具有可逆記憶特點外，當溫度比較低時，物體的形狀向與高

11、溫形狀相反的方向變化。 一般加熱時的回復力比冷卻時回復力大很多。Chapter6 Mlic Materials25Chapter6 Mlic Materials26單程、雙程及全程記憶效應示意圖6.4.2 形狀記憶效應機理Chapter6 Mlic Materials27Chapter6 Mlic Materials28Ni-Ti合金的馬氏體和奧氏體結構孿晶（twinning）指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面鏡面對稱的位向關系，這兩個晶體就稱為"孿晶"，Chapter6 Mlic Materials29Chapter6 Mlic Materials30馬氏體與

12、母相的平衡溫度6.4.3 形狀記憶合金材料 Ti-Ni系合金 銅系合金 鐵系合金特點 彎曲量大，塑性高 在記憶溫度以上恢復以前形狀Chapter6 Mlic Materials31Chapter6 Mlic Materials32形狀記憶合金材料及其轉變溫度6.4.4 形狀記憶合金的應用（1）在軍事和航天工業(yè)方面的應用Chapter6 Mlic Materials33月面天線略圖Chapter6 Mlic Materials34（2）在工程方面的應用Chapter6 Mlic Materials35形狀記憶合金管接口形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)勢： 夾緊力大，接觸密封可靠避免了由于焊接而產(chǎn)

13、生的冶金缺陷； 適于不易焊接的接頭； 金屬與件連成一體；等不同材料可以通過這種連接 安裝時不需要熟練的技術。Chapter6 Mlic Materials36（3）在醫(yī)療方面的應用Chapter6 Mlic Materials37記憶型NiTi牙弓絲形狀記憶合金制成的血液過濾器形狀記憶合金套管連接的鋁合金假肢Chapter6 Mlic Materials38（4）形狀記憶式熱發(fā)Chapter6 Mlic Materials39形狀記憶用于熱發(fā)的原理鎳鈦諾爾熱機的結構JChapter6 Mlic Materials40Chapter6 Mlic Materials41渦輪型熱機偏心曲柄型熱機（5

14、）其它應用Chapter6 Mlic Materials42自控元件原理Chapter6 Mlic Materials43雙程CuZnAl記憶合金彈簧Chapter6 Mlic Materials44雙程CuZnAl記憶合金花超彈性耐腐蝕性重量輕Chapter6 Mlic Materials45TiNi 記憶合金眼鏡架6.5 儲氫合金hydrogen storage alloys6.5.1 氫氣儲存與儲氫合金儲氫合金在一定的溫度和氫氣壓力下，可以多次吸收、儲存和氣的合金材料氫儲氫合金的體積儲氫密度，是相同溫度、條件下氣態(tài)氫的1000倍Chapter6 Mlic Materials466.5.2

15、 儲氫原理Ø 一個金屬原子能與兩個、三個甚至的氫原子結合，生成穩(wěn)定的金屬氫化物，同時放出熱量。Ø 將其稍稍加熱，氫化物又會發(fā)生分解，將吸收的氫出來，同時吸收熱量。Chapter6 Mlic Materials47M + x H ¾放¾熱¾（吸¾入H¾2）®MH + Q22 ¬¾吸熱¾（放¾出H¾)¾x2平臺區(qū)：氫氣、固溶體、金屬氫化物三相共存f k十2=1 pCT曲線上方： 吸收氫氣pCT曲線下方： 放出氫氣M-H系統(tǒng)pCT平衡圖Chapter6 Mlic

16、 Materials48 合金的吸氫反應機理Chapter6 Mlic Materials49 H2傳質 化學吸附氫的解離H2®2Had 表面遷移 吸附的氫轉化為吸收氫Had® Habs 氫在相的稀固溶體中擴散相轉變?yōu)闅浠铮ㄏ啵〩abs() ® Habs() 氫在相中擴散。Chapter6 Mlic Materials50氫原子在合金晶格中形成固溶體6.5.3 儲氫合金的開發(fā)實用要求： 容易活化； 儲氣容量高； 吸放氫速度快； 反復吸放氫循環(huán)時不易粉化，性能不； 有合適的吸放氫平臺； 吸放氫過程中的平衡氫壓差小，即滯后現(xiàn)象弱； 有確定的化學穩(wěn)定性； 對雜質敏感程

17、度低； 原料豐富，價格低廉； 用作電極材料時具有良好的耐腐蝕性。Chapter6 Mlic Materials51儲氫合金種類Chapter6 Mlic Materials52A及N吸氫量較大的金屬(A，B，B，B族金屬)B及M過渡金屬（B，B，B，B，A，A族）Mm 混合稀土金屬系列代表合金擴展系列AB5LaNi5，MmNi5A1-xNxB5-yMy（x1，y5）AB2TiCr2，TiMn2A1-xNxB2-yMy（x1，y2）ABTiFe， TiNiA1-xNxB1-yMy（xl， y1）A2BMg2Ni，Ti2NiA2-xNxB1-yMy（x2，y1）可以在工程上應用的合金基本上都是金屬

18、間化合物，已確認有應用前景的共有四類碳納米管迄今為止最好的儲氫材料Chapter6 Mlic Materials53碳納米管儲氫示意圖（紅點為氫原子）6.5.4 貯氫材料的應用貯氫容器Chapter6 Mlic Materials54重量輕、體積小氫以金屬氫化物形式存在于貯氫合金之中，密度比相同濕度、 條件下的氣態(tài)氫大1000倍；節(jié)省能量，安全可靠用貯氫合金貯氫，無需高壓及貯存液氫的極低溫設備和絕熱措施。Chapter6 Mlic Materials55貯氫合金制作的貯氫裝臵在高壓容器中裝入貯氫合金的“混合貯氫容器”Chapter6 Mlic Materials56 H2的回收與純化用鈾回收氘

19、的捕集器Chapter6 Mlic Materials57氫化物電極Ni、MHx電池充放電過程示意圖lic MaterialsChapter6 M58Chapter6 Mlic Materials59鎳氫電池結構優(yōu)點Chapter6 Mlic Materials60(1)比能量為NiCd電他的1.5-2倍； (2)無重金屬Cd對的危害；(3)良好的耐過充、放電性能； (4)無記憶效應；(5)主要特性與NiCd電他相近，可以互換使用。功能材料 化學能、熱能和機械能可以通過氫化反應相互轉換，可用于熱泵、貯熱、空調、制冷、水泵、氣體壓縮機等方面。功能轉換機制Chapter6 Mlic Materia

20、ls61 利用儲氫合金的放熱吸熱循環(huán)， 可進行熱的儲存和傳輸，制造制冷或采暖設備Chapter6 Mlic Materials62利用儲氫合金制造的制冷機6.6 非晶態(tài)金屬材料6.6.1 非晶態(tài)金屬材料及其基本特征（1）非晶態(tài)形成能力對合金的依賴性非晶態(tài)合金通常由金屬組成或由金屬與類金屬組合金屬與類金屬組合更有利于非晶態(tài)的形成較好的組合類金屬：B、P、Si、GeChapter6 Mlic Materials63（2）結構的長程無序和短程有序性不存在原子排列的長程有序性觀察不到晶粒的存在非晶態(tài)金屬原子的最近鄰、第二近鄰這樣近程的范圍內(nèi)，原子排列與晶態(tài)合金極其相似，即存在近程有序性Chapter6

21、 Mlic Materials64（3）熱力學的亞穩(wěn)性從熱力學來看，它有繼續(xù)向平衡狀態(tài)轉變的傾向能量、從動力學來看，要實現(xiàn)這種轉變首先必須克服一定的能壘位壘高低直接關系到非晶態(tài)金屬材料的實用價值和使用Chapter6 Mlic Materials656.6.2 非晶態(tài)金屬材料的性能與用途（1）高強度高韌性的力學性能非晶態(tài)合金的力學性能Chapter6 Mlic Materials66合金硬度/HV抗拉強度/MPa斷后伸長率/%彈性模量/MPa非晶態(tài)合金Pd83Fe7Si10401818600.166640Cu57Zr43529219600.174480Co75Si15B10891830000.

22、253900Fe80P7744830400.03121520Ni75Si8B.1478400晶態(tài)18Ni-9Co-5Mo181021301012結構性能特點： 結構中不存在位錯，沒有晶體那樣的滑移面，因而不易發(fā)生滑移。 非晶態(tài)合金斷后伸長率低但并不脆，而且具有很高的韌性，非晶薄帶可以反復彎曲180°而不斷裂，并可以冷軋，有些合金的冷軋壓下率可達50%。用途： 非晶態(tài)合金的高強度、高硬度和高韌性可以被利用制做輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強。Chapter6 Mlic Materials67（2） 高導磁、低鐵損的軟磁性能 無序結構不存在磁晶各向異性 易于磁化；沒有位錯、晶界等晶體缺陷 磁導率、飽和磁感應強度高；矯頑力低、損耗小目前比較成非晶態(tài)軟磁合金主要有鐵基，鐵一鎳基和鈷基三大類。金屬在磁性材料方面的應用主要是作為變壓器材料、磁頭材料、磁屏敝材料、磁致伸縮材料等。Chapter6 Mlic Materials68（3）耐強酸、強堿腐蝕的化學特性不存在第二相，組織均勻其無序結構中不存在晶界，位錯等缺陷本身活性很高，能夠在表面迅速形成均勻的鈍