1、3/20/2022 11:39 AM第第6章章 金屬材料金屬材料3/20/2022 11:39 AM本章內容本章內容6.1金屬材料結構與性能金屬材料結構與性能6.2 超耐熱合金超耐熱合金6.3 超低溫合金超低溫合金6.4 超塑合金超塑合金6.5 形狀記憶合金形狀記憶合金6.6 貯氫合金貯氫合金6.7 非晶態金屬材料非晶態金屬材料3/20/2022 11:39 AM學習目的學習目的v結合前面所學內容，理解結合前面所學內容，理解金屬材料結構與性能特點；金屬材料結構與性能特點；v了解各種新型金屬材料的特殊性能和結構以及其用了解各種新型金屬材料的特殊性能和結構以及其用途。途。3/20/2022 11:

2、39 AM學習參考書目學習參考書目1.楊興鈺. 材料化學導論. 武漢：湖北科學技術出版社，20032.王正品，張路，賈玉宏 主編，金屬功能材料，化學工業出版社，20043.李云凱 主編，金屬材料學，北京理工大學出版社，20064.Marc W. M. van der Wijst，Shape Control of Structures and Materials with Shape Memory Alloys，University of Technology Eindhoven，19985.R. LeHolm，B. Norris，High Temperature Alloys for Aero

3、space Structure，ASM International，20013/20/2022 11:39 AM金屬金屬可分為黑色金屬和有色金屬。黑色金屬黑色金屬: 鐵、鉻、錳及其合金，并以鐵金屬、鐵合金為主。有色金屬有色金屬: 鐵、鉻、錳以外的金屬。 有色金屬有色金屬又可進一步分為:輕有色金屬輕有色金屬: 密度小于4.5g/cm3,如鉀、鈉、鈣、鎂、鋁、鍶、鋇等，化學活性高；重有色金屬重有色金屬: 密度大于4.5g/cm3,銅、鎳、錫、鉛、鎘、汞、鈷、鉍等；貴金屬貴金屬: 鉑、金、銀、銠、銥、釕、鋨、鈀等，地殼含量稀少、開采提煉困難而昂貴，密度高(10.422.4g/cm3)、熔點高(120

4、03300K)、惰性；稀有金屬稀有金屬: 如鋰、銣、銫、鈹、鎢、鉬、釩、鈮、鈦、鉿、鎵、銦、鉈、鍺和稀土元素(鑭系和錒系)以及人造超鈾元素(自然界含量少或分布稀散、發現晚、難提取或制備應用較晚)；準金屬準金屬:介于金屬與非金屬之間，如硼、硅、硒、碲、砷、鍺、銻、釙；放射性金屬放射性金屬: 鐳、鈾、釷、釙等。3/20/2022 11:39 AM6.1金屬材料結構與性能金屬材料結構與性能6.1.1 金屬晶體結構金屬晶體結構v金屬鍵特性金屬鍵特性v緊密堆積結構緊密堆積結構v金屬材料形態金屬材料形態多晶多晶T12號鋼退火金相形態號鋼退火金相形態結合第結合第2章內容章內容3/20/2022 11:39

5、AM6.1.2 合金基本結構與性能合金基本結構與性能v混合物合金（混合物合金（mixture alloy）細微晶粒相互間混合細微晶粒相互間混合具有低共熔點具有低共熔點v固溶體合金（固溶體合金（solid solution alloy）v金屬間化合物合金（金屬間化合物合金（intermetallic compound alloy）3/20/2022 11:39 AM6.1.3 鐵系合金的組織結構鐵系合金的組織結構v鐵的同素異晶體鐵的同素異晶體-Fe：體心立方-Fe：面心立方-Fe：體心立方oo1394 C912 CFeFeFe 3/20/2022 11:39 AM3/20/2022 11:39

6、AM v奧氏體（奧氏體（Austenite，符號，符號A表示）表示）碳溶解在-Fe中的間隙固溶體仍保持 -Fe的面心立方晶格，晶界比較直，呈規則多邊形727時溶碳為c 0.77，1148時可溶碳2.11具有較高塑性3/20/2022 11:39 AM v馬氏體（馬氏體（Martensite，符號，符號M表示）表示）碳在-Fe中的過飽和固溶體馬氏體的晶體結構為體心四方結構（BCT），中高碳鋼中加速冷卻通常能夠獲得這種組織普遍具有較高強度和硬度高碳馬氏體高碳馬氏體低碳馬氏體低碳馬氏體3/20/2022 11:39 AM奧氏體和馬氏體奧氏體和馬氏體奧氏體和馬氏體的結構奧氏體和馬氏體的結構3/20/2

7、022 11:39 AM v鐵素體（鐵素體（Ferrite，符號，符號F表示）表示）碳溶解于-Fe的體心立方晶格中形成的間隙固溶體碳原子含量很少(僅0.02%)強度和硬度低，塑性和韌性好。3/20/2022 11:39 AM v滲碳體（滲碳體（cementite，符號，符號C表示）表示）碳與鐵形成的一種化合物Fe3C，一般含碳6.67復雜的正交晶格熔點1227。極高硬度（BHN600以上）的脆性化合物，塑性、韌性幾乎為零。3/20/2022 11:39 AM v珠光體（珠光體（pearlite，符號，符號P表示）表示）奧氏體冷卻時，在727發生共析轉變的產物碳質量分數平均為Wc=0.77%顯微

8、組織為由鐵素體片與滲碳體片交替排列的片狀組織3/20/2022 11:39 AM Fe-Fe3C phase diagram3/20/2022 11:39 AM3/20/2022 11:39 AM相圖分析主要點3/20/2022 11:39 AM vABCD線線液相線液相冷卻至此開始析出，加熱至此全部轉化。vAHJECF線線固相線液態合金至此線全部結晶為固相，加熱至此開始轉化vGS線線 A3線A開始析出開始析出F的轉變線，加熱時的轉變線，加熱時F全部溶入全部溶入AvES線線AC線C在A中溶解度曲線vECF線線共晶線含C量2.11-6.69%至此發生共晶反應，結晶出A與Fe3C混合物（萊氏體）。

9、vPSK線線共析線含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反應，產生出珠光體主要線3/20/2022 11:39 AM6.1.4 金屬材料熱處理金屬材料熱處理3/20/2022 11:39 AM6.2.1 超耐熱合金定義超耐熱合金定義一般的金屬材料都只能在500600C下長期工作。v在在7001200C高溫下仍能長時間保持所需力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。作的金屬材料通稱超耐熱合金。v對高溫材料的要求對高溫材料的要求在高溫下有優良的抗腐蝕性在高溫下有較高的強度和韌性6.2 超耐熱合金超

10、耐熱合金3/20/2022 11:39 AMExample航空燃氣輪機中使用的高溫合金示意圖航空燃氣輪機中使用的高溫合金示意圖1壓氣機葉片壓氣機葉片2燃燒室燃燒室3渦輪盤渦輪盤4渦輪葉片渦輪葉片 主要部件占發動機重量主要部件占發動機重量70由超耐熱合金構成由超耐熱合金構成 燃燒室、渦輪盤和渦輪葉片用耐高溫的燃燒室、渦輪盤和渦輪葉片用耐高溫的Ni-Co基合金制造基合金制造 高壓氧渦輪泵和高壓氫渦輪泵上的葉片，都是高壓氧渦輪泵和高壓氫渦輪泵上的葉片，都是高高Cr-Co-W基耐高溫合金，通過定向凝固精密基耐高溫合金，通過定向凝固精密鑄造制成鑄造制成 3/20/2022 11:39 AMMetals

11、with high melting point 原子中未成對的價電子數很多原子中未成對的價電子數很多強化學鍵；強化學鍵；原子半徑較小原子半徑較小晶格結點上粒子間的距離短，相晶格結點上粒子間的距離短，相互作用力大。互作用力大。耐熱合金耐熱合金副族元素副族元素和第和第族元素形成的合金族元素形成的合金高熔點金屬高熔點金屬第第副族、第副族、第副族、第副族、第副族副族3/20/2022 11:39 AMPeriodic table3/20/2022 11:39 AMv鐵基超耐熱合金鐵基超耐熱合金基于奧氏體不銹鋼中溫（600800）條件下使用v鎳基超耐熱合金鎳基超耐熱合金鎳含量一般50%在6501000范

12、圍內具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力v鈷基超耐熱合金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。6.2.2 超耐熱合金的分類超耐熱合金的分類3/20/2022 11:39 AM改變合金的組織結構改變合金的組織結構采用特種工藝技術采用特種工藝技術6.2.3 提高超耐熱合金性能的途徑提高超耐熱合金性能的途徑3/20/2022 11:39 AM(1) 在鋼中加入對氧的親和力比鐵強的在鋼中加入對氧的親和力比鐵強的Cr、Si、Al等，可等，可以優先形成穩定、致密的以優先形成穩定、致密的Cr2O3、Al2O3或或SiO2等氧

13、化物保護等氧化物保護膜，成為提高耐熱鋼高溫抗腐蝕的主要措施。膜，成為提高耐熱鋼高溫抗腐蝕的主要措施。 合金結構合金結構 為了增強金屬材料的耐高溫蠕變性能，可以加入一些為了增強金屬材料的耐高溫蠕變性能，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。等。 鋼的組織狀態對其抗熱性也有影響，奧氏體組織的鋼鋼的組織狀態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。比鐵素體組織的鋼耐熱性高。Ni、Mn、N的加入能擴大和穩的加入能擴大和穩定奧氏體面心立方結構定奧氏體面心立方結構3/20/2022 11:39

14、AM奧氏體和馬氏體奧氏體和馬氏體奧氏體和馬氏體的結構奧氏體和馬氏體的結構3/20/2022 11:39 AM(2)工藝技術工藝技術定向凝固定向凝固葉片旋轉時，所受的拉力和熱應力，平行葉片旋轉時，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壽命提高可以使得熱疲勞壽命提高10倍以上。倍以上。粉末冶金粉末冶金采用粒度數十至數百微米的合金粉末，經過采用粒度數十至數百微米的合金粉末，經過壓制、燒結、成型工序制成零件，可以消除偏析壓制、燒結、成型工序制成

15、零件，可以消除偏析現象，組織成分均勻并可以大大節省材料現象，組織成分均勻并可以大大節省材料 3/20/2022 11:39 AM6.3.1 超低溫對材料的特殊要求超低溫對材料的特殊要求常溫以下直至絕對零度的較大溫度范圍常溫以下直至絕對零度的較大溫度范圍低溫低溫沸點沸點天然氣：天然氣：-163液液 氮：氮：-195.8液液 氫：氫：-253液液 氦：氦：-2696.3 超低溫合金超低溫合金3/20/2022 11:39 AMv防止低溫脆性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，即在液氦溫度以上不會出現低

16、溫脆性。另一種方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。3/20/2022 11:39 AMv需要具備低溫下的熱性能需要具備低溫下的熱性能低溫合金膨脹系數盡可能小低溫合金膨脹系數盡可能小低膨脹合金：鐵鎳合金、鈦合金等低膨脹合金：鐵鎳合金、鈦合金等v必須是非磁性合金必須是非磁性合金超低溫技術多在磁場下利用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生電帶有磁性的合金，在構件中就會由于產生電磁力的作用而造成對磁場的不良影響磁力的作用而造成對磁場的不良影響3/20/2022 11:39 AM6.3.2 超低溫合金的研究超低溫合金的研究v高錳奧氏體鋼高錳奧氏體鋼專門開發

17、的超低溫合金。專門開發的超低溫合金。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特別小熱膨脹系數特別小缺點：機械加工性不佳，耐沖擊性也較差。缺點：機械加工性不佳，耐沖擊性也較差。v鐵錳鋁新合金鋼鐵錳鋁新合金鋼把鐵鎳鉻不銹鋼中的鎳和把鐵鎳鉻不銹鋼中的鎳和鉻分別由錳和鋁代而制得鉻分別由錳和鋁代而制得保持面心立方結構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、韌性都十分優異。低溫下強度、韌性都十分優異。3/20/2022 11:39 AM6.4 超塑性合金超塑性合金 Superplastic

18、 Alloy6.4.1 超塑性合金現象超塑性合金現象 金屬在某一小的應力狀態下，可以延伸十倍甚金屬在某一小的應力狀態下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出現縮頸，也不發生斷裂，呈現至是上百倍，既不出現縮頸，也不發生斷裂，呈現一種異常的延伸現象。一種異常的延伸現象。 在在1920年，德國人羅森漢年，德國人羅森漢(N.Rosenhaim)對冷軋后的對冷軋后的Zn-4Cu-7A1三元共晶合金的鋁板彎曲時，出現了塑性異常高的三元共晶合金的鋁板彎曲時，出現了塑性異常高的現象現象(180)。3/20/2022 11:39 AM3/20/2022 11:39 AM4.3.1 超塑性現象超塑性現象產生超細化晶粒

19、；產生超細化晶粒； 適宜的溫度和應變速率。適宜的溫度和應變速率。晶粒的超細化、等軸化以及穩定化晶粒的超細化、等軸化以及穩定化 可通過合金化，控制凝固過程、可通過合金化，控制凝固過程、 熱處理、形變熱處理、粉末冶金、熱處理、形變熱處理、粉末冶金、 機械加工等方法來實現。機械加工等方法來實現。產生超塑性的條件產生超塑性的條件3/20/2022 11:39 AM6.4.2 超塑性合金類別超塑性合金類別v結構類別：結構類別：細晶超塑性細晶超塑性相變超塑性相變超塑性v5種重要的超塑性合金種類：種重要的超塑性合金種類：鋅基合金：巨大的無頸縮延伸率；低蠕變強度，沖壓加工性能差，不宜作鋅基合金：巨大的無頸縮延

20、伸率；低蠕變強度，沖壓加工性能差，不宜作結構材料結構材料;鋁基合金：綜合力學性能較差，室溫脆性大鋁基合金：綜合力學性能較差，室溫脆性大,加入微量細化晶粒元素加入微量細化晶粒元素(如如Zr等等)后綜合力學性能較好；后綜合力學性能較好；鎳基合金鎳基合金: 鎳基高溫合金高溫強度高，難以鍛造成型，利用超塑性進行精鎳基高溫合金高溫強度高，難以鍛造成型，利用超塑性進行精密鍛造，壓力小、節約材料和成本，制品均勻性好；密鍛造，壓力小、節約材料和成本，制品均勻性好；超塑性鋼：超塑性用于鋼尚未商品化，含超塑性鋼：超塑性用于鋼尚未商品化，含C1.25%的碳鋼在的碳鋼在650700C的加的加工溫度下，斷后伸長率可達工

21、溫度下，斷后伸長率可達400%;鈦基合金鈦基合金:鈦合金變形抗力大，回彈嚴重，加工困難，難以獲得高精度器件；鈦合金變形抗力大，回彈嚴重，加工困難，難以獲得高精度器件；但利用超塑性進行等溫模鍛或擠壓，變形抗力大為降低，可制形狀復雜的但利用超塑性進行等溫模鍛或擠壓，變形抗力大為降低，可制形狀復雜的精密零件。精密零件。3/20/2022 11:39 AM1. 高變形能力的應用高變形能力的應用真空成型或氣壓成型真空成型或氣壓成型可以在密封模具內擠壓或鍛造，可以得到相可以在密封模具內擠壓或鍛造，可以得到相當高的加工精度，并能大幅度降低加工壓力、當高的加工精度，并能大幅度降低加工壓力、減少加工工序減少加工

22、工序尤其適于極薄板和極薄管的制造，也非常適尤其適于極薄板和極薄管的制造，也非常適用于加工具有極微小凹凸表面的制品。用于加工具有極微小凹凸表面的制品。缺點是加工速度慢，效率低缺點是加工速度慢，效率低6.4.3 超塑性合金的應用超塑性合金的應用3/20/2022 11:39 AM超塑成型超塑成型3/20/2022 11:39 AM2. 固相粘結能力的應用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。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

23、間，使兩種材料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大大提高。間的粘結能力大大提高。利用這一點可軋合多層材料、包復材料和制造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，獲得多種優良性能的材料。這各種復合材料，獲得多種優良性能的材料。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。點移動、韌脆轉變溫度、耐蝕及耐熱性等。 3/20/2022 11:39 AM3. 3.減振能力的應用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

24、零件以滿足質，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。不同溫度下的減振需要。4. 4.其它其它利用動態超塑性可將鑄鐵等難加工的材料進行利用動態超塑性可將鑄鐵等難加工的材料進行彎曲變形；彎曲變形；對于鑄鐵等焊接后易開裂的材料，在焊后于超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，可消除內應力，防止開裂；塑性溫度保溫，可消除內應力，防止開裂；高溫苛刻條件下使用的機械、結構件的設計、高溫苛刻條件下使用的機械、結構件的設計、生產及材料的研制。生產及材料的研制。 3/20/2022 11:39 AM6.5 形狀記憶合金（形狀記憶合金（SMA）Shape Memory Allo

25、y形狀記憶材料是指具有形狀記憶材料是指具有定初始形狀的材料經形定初始形狀的材料經形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物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理刺激或化學刺激的處理又可恢復成初始形狀的材料；材料；形狀記憶合金是形狀記憶材料中的一種。形狀記憶合金是形狀記憶材料中的一種。3/20/2022 11:39 AM6.5.1 形狀記憶合金特征形狀記憶合金特征1. 一次記憶（單程）：一次記憶（單程）：材科加熱恢復原形狀后，再改變溫度，物體不再改變形材科加熱恢復原形狀后，再改變溫度，物體不再改變形狀。狀。2. 可逆記憶（雙程）：可逆記憶（雙程）

26、：物體不但能記憶高溫的形狀，而且能記憶低溫的形狀，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。應在兩種形狀間變化。3. 全方位記憶（全程）：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，物體的形狀向與高溫形狀相反的方向變化。向與高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。一般加熱時的回復力比冷卻時回復力大很多。3/20/2022 11:39 AM單程、雙程及全程記憶效應示意圖單程、雙程及全程記憶效

27、應示意圖3/20/2022 11:39 AM6.5.2 形狀記憶效應機理形狀記憶效應機理3/20/2022 11:39 AM Ni-Ti合金的馬氏體和奧氏體結構合金的馬氏體和奧氏體結構3/20/2022 11:39 AMv孿晶（孿晶（twinning）指兩個晶體（或一個晶體的指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構成鏡面對稱的位向關系，兩部分）沿一個公共晶面構成鏡面對稱的位向關系，這兩個晶體就稱為這兩個晶體就稱為孿晶孿晶， 3/20/2022 11:39 AM馬氏體與母相的平衡溫度3/20/2022 11:39 AM6.5.3 形狀記憶合金材料形狀記憶合金材料Ti-Ni系合金系合金銅系

28、合金銅系合金鐵系合金鐵系合金特點特點彎曲量大，塑性高彎曲量大，塑性高 在記憶溫度以上恢復以前形狀在記憶溫度以上恢復以前形狀3/20/2022 11:39 AM4.4.3 SMA materials形狀記憶合金材料及其轉變溫度形狀記憶合金材料及其轉變溫度3/20/2022 11:39 AM6.5.4 形狀記憶合金的應用形狀記憶合金的應用月面天線略圖月面天線略圖1. 在軍事和航天工業方面的應用在軍事和航天工業方面的應用3/20/2022 11:39 AM 3/20/2022 11:39 AM 2. 在工程方面的應用在工程方面的應用形狀記憶合金管接口形狀記憶合金管接口3/20/2022 11:39

29、AMAdvantages形狀記憶合金作緊固件、連接件的優勢：形狀記憶合金作緊固件、連接件的優勢： 夾緊力大，接觸密封可靠避免了由于焊接而產夾緊力大，接觸密封可靠避免了由于焊接而產生的冶金缺陷；生的冶金缺陷； 適于不易焊接的接頭；適于不易焊接的接頭； 金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成一體；一體； 安裝時不需要熟練的技術。安裝時不需要熟練的技術。 3/20/2022 11:39 AM 3. 在醫療方面的應用在醫療方面的應用記憶型記憶型NiTi牙弓絲牙弓絲3/20/2022 11:39 AMExamples形狀記憶合金套管連接的鋁合金假肢形狀記憶合

30、金套管連接的鋁合金假肢形狀記憶合金制成的血液過濾器形狀記憶合金制成的血液過濾器3/20/2022 11:39 AM 4. 形狀記憶式熱發動機形狀記憶式熱發動機形狀記憶用于熱發動機的原理形狀記憶用于熱發動機的原理3/20/2022 11:39 AMExamples鎳鈦諾爾熱機的結構鎳鈦諾爾熱機的結構3/20/2022 11:39 AM偏心曲柄型熱機偏心曲柄型熱機渦輪型熱機渦輪型熱機 3/20/2022 11:39 AM自控元件原理自控元件原理5. 其它應用其它應用3/20/2022 11:39 AM4.4 SMA雙程雙程CuZnAl記憶合金彈簧記憶合金彈簧 3/20/2022 11:39 AM4

31、.4 SMA雙程雙程CuZnAl記憶合金花記憶合金花3/20/2022 11:39 AMExamplesTiNi 記憶合金眼鏡架記憶合金眼鏡架超彈性超彈性耐腐蝕性耐腐蝕性重量輕重量輕3/20/2022 11:39 AM6.6.1 氫氣儲存與儲氫合金氫氣儲存與儲氫合金儲氫合金儲氫合金在一定的溫度和氫氣壓力下，在一定的溫度和氫氣壓力下，可以多次吸收、儲存和釋放氫氣的合金材料可以多次吸收、儲存和釋放氫氣的合金材料6.6 儲氫合金儲氫合金 Hydrogen Storage Alloys儲氫合金的單位體積儲氫儲氫合金的單位體積儲氫密度，是相同溫度、壓力密度，是相同溫度、壓力條件下氣態氫的條件下氣態氫的1

32、000倍倍3/20/2022 11:39 AM一個金屬原子能與兩個、三個甚至更多的氫原子結合，生成穩定的金屬氫化物，同時放出熱量。將其稍稍加熱，氫化物又會發生分解，將吸收的氫釋放出來，同時吸收熱量。6.6.2 儲氫原理儲氫原理22H2H )MHMH2xxQ 放熱（吸入）吸熱（放出3/20/2022 11:39 AMPrincipleM-H系統系統pCT平衡圖平衡圖平臺區：氫氣、固溶平臺區：氫氣、固溶體、金屬氫化物三相體、金屬氫化物三相共存共存 f k十十2=1pCT曲線上方：曲線上方：吸收氫氣吸收氫氣pCT曲線下方：曲線下方：放出氫氣放出氫氣3/20/2022 11:39 AM合金的吸氫反應機

33、理合金的吸氫反應機理(1) H2傳質傳質(2) 化學吸附氫的解離化學吸附氫的解離H22Had(3) 表面遷移表面遷移(4) 吸附的氫轉化為吸收氫吸附的氫轉化為吸收氫Had Habs (5) 氫在氫在相的稀固溶體中擴散相的稀固溶體中擴散(6) 相轉變為氫化物（相轉變為氫化物（相）相）Habs() Habs()(7) 氫在氫在相中擴散。相中擴散。3/20/2022 11:39 AM氫原子在合金晶格中形成固溶體氫原子在合金晶格中形成固溶體3/20/2022 11:39 AM實用要求：實用要求： 容易活化；容易活化； 儲氣容量高；儲氣容量高； 吸放氫速度快；吸放氫速度快； 反復吸放氫循環時不易粉化，性

34、能不退化；反復吸放氫循環時不易粉化，性能不退化； 有合適的吸放氫平臺壓力；有合適的吸放氫平臺壓力； 吸放氫過程中的平衡氫壓差小，即滯后現象弱；吸放氫過程中的平衡氫壓差小，即滯后現象弱； 有確定的化學穩定性；有確定的化學穩定性； 對雜質敏感程度低；對雜質敏感程度低； 原料資源豐富，價格低廉；原料資源豐富，價格低廉； 用作電極材料時具有良好的耐腐蝕性。用作電極材料時具有良好的耐腐蝕性。6.6.3 儲氫合金的開發儲氫合金的開發3/20/2022 11:39 AM儲氫合金種類儲氫合金種類系列系列代表合金代表合金擴展系列擴展系列AB5LaNi5，MmNi5A1-xNxB5-yMy （x1，y5）AB2T

35、iCr2，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間化合物，已確認有應用前景的共有四類(鈦系、鋯系、鐵系及稀土系)A及及N吸氫量較大的金屬 (A，B，B，B族金屬)B及及M過渡金屬 （B，B，B，B，A，A族）Mm 混合稀土金屬3/20/2022 11:39 AM碳納米管迄今為止最好的儲氫材料碳納米管儲氫示意圖（紅點為氫原子）碳納米管儲氫示意圖（紅點為氫原子）3/20/2022 11:39 AM6.6.4 貯氫材料

36、的應用貯氫材料的應用 1. 貯氫容器貯氫容器 重量輕、體積小重量輕、體積小氫以金屬氫化物形式存在于貯氫合金之中，密度比相同溫度、壓力條件下的氣態氫大1000倍；節省能量，安全可靠節省能量，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。Application 貯氫容器貯氫容器 3/20/2022 11:39 AMExample貯氫合金制作的貯氫裝置貯氫合金制作的貯氫裝置3/20/2022 11:39 AMExample在高壓容器中裝入貯氫合金的在高壓容器中裝入貯氫合金的“混合貯氫容器混合貯氫容器”3/20/2022 11:39 AMH2的回收與純化的回收與純化2. H2的回收

37、與純化的回收與純化 用鈾回收氘的捕集器用鈾回收氘的捕集器3/20/2022 11:39 AM氫化物電極氫化物電極3. 氫化物電極氫化物電極 Ni、MHx電池充放電過程示意圖電池充放電過程示意圖3/20/2022 11:39 AM鎳氫電池結構鎳氫電池結構3/20/2022 11:39 AMAdvantages(1)比能量為比能量為NiCd電池的電池的1.5-2倍；倍；(2)無重金屬無重金屬Cd對人體與環境的危害；對人體與環境的危害；(3)良好的耐過充、放電性能；良好的耐過充、放電性能；(4)無記憶效應；無記憶效應；(5)主要特性與主要特性與NiCd電池相近，可以互換使用。電池相近，可以互換使用。

38、 優點優點3/20/2022 11:39 AM功能材料功能材料v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。4. 功能材料功能材料 功能轉換機制功能轉換機制3/20/2022 11:39 AM v利用儲氫合金的放利用儲氫合金的放熱熱吸熱循環，可吸熱循環，可進行熱的儲存和傳輸，進行熱的儲存和傳輸，制造制冷或采暖設備制造制冷或采暖設備利用儲氫合金制造的制冷機利用儲氫合金制造的制冷機3/20/2022 11:39 AM6.7 非晶態金屬材料非晶態金屬材料6.7.1 非晶態金屬材料及其基本特征1. 非晶態形成能力對合金的依賴性非晶態形成能力對合金

39、的依賴性非晶態合金通常由金屬組成或由金屬與類金屬非晶態合金通常由金屬組成或由金屬與類金屬組合組合金屬與類金屬組合更有利于非晶態的形成金屬與類金屬組合更有利于非晶態的形成較好的組合類金屬：較好的組合類金屬：B、P、Si、Ge3/20/2022 11:39 AM2. 結構的長程無序和短程有序性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不存在原子排列的長程有序性觀察不到晶粒的存在觀察不到晶粒的存在非晶態金屬原子的最近鄰、第二近鄰這樣近非晶態金屬原子的最近鄰、第二近鄰這樣近程的范圍內，原子排列與晶態合金極其相似，程的范圍內，原子排列與晶態合金極其相似，即存在近程有序性即存在近程有序性3/20

40、/2022 11:39 AM3. 熱力學的亞穩性熱力學的亞穩性從熱力學來看，它有繼續釋放能量、向平從熱力學來看，它有繼續釋放能量、向平衡狀態轉變的傾向衡狀態轉變的傾向從動力學來看，要實現這種轉變首先必須從動力學來看，要實現這種轉變首先必須克服一定的能壘克服一定的能壘位壘高低直接關系到非晶態金屬材料的實位壘高低直接關系到非晶態金屬材料的實用價值和使用壽命用價值和使用壽命3/20/2022 11:39 AMPerformance & use6.7.2 非晶態金屬材料的性能與用途非晶態金屬材料的性能與用途 1. 高強度高韌性的力學性能高強度高韌性的力學性能非晶態合金的力學性能非晶態合金的力學

41、性能合金合金硬度硬度/HV抗拉強度抗拉強度/MPa斷后伸長率斷后伸長率/%彈性模量彈性模量/MPa非非晶晶態態合合金金Pd83Fe7Si10401818600.166640Cu57Zr43529219600.174480Co75Si15B10891830000.253900Fe80P7744830400.03121520Ni75Si81478400晶態晶態18Ni-9Co-5Mo1810213010123/20/2022 11:39 AM 結構性能特點：結構性能特點：結構中不存在位錯，沒有晶體那樣的滑移面，因結構中不存在位錯，沒有晶體那樣的滑移面，因而不易發生滑移。而不易發生滑移。非晶態合金斷后伸長率低但并不脆，而且具有很非晶態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高的