金属材料学科前沿专家讲座

1、金属材料导论金属材料导论 西北工业大学西北工业大学 郭喜平郭喜平主要内容主要内容金属材料展望金属材料展望金属材料的制备及成形技术金属材料的制备及成形技术金属材料与社会发展金属材料与社会发展绪论绪论12345Nb-Si基超高温合金研发基超高温合金研发一、绪论一、绪论工程材料的分类 晶态材料：金属、合金、结晶盐、聚乙烯等晶态材料：金属、合金、结晶盐、聚乙烯等从结构分从结构分 非晶态材料：玻璃、橡胶、有机玻璃等无定型高聚物非晶态材料：玻璃、橡胶、有机玻璃等无定型高聚物 结构材料结构材料 从特性和用途分从特性和用途分 功能材料、结构功能一体化材料功能材料、结构功能一体化材料 金属材料金属材料从组成和成

2、分分：从组成和成分分： 无机非金属材料（陶瓷）无机非金属材料（陶瓷） 有机高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维等）有机高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维等） 复合材料（金属基、树脂基、陶瓷基等）复合材料（金属基、树脂基、陶瓷基等）v 结构材料：结构材料： 功能材料：功能材料： 金属材料：金属材料：主要利用其力学性能，用于制造需承受一定载荷的设备、零部件主要利用其力学性能，用于制造需承受一定载荷的设备、零部件及建筑结构等及建筑结构等;利用其特殊的物理性能（电学、热学、磁学、光学性能等），利用其特殊的物理性能（电学、热学、磁学、光学性能等），用于制造各种电子器件、光敏器件、绝缘材料等；用于制造各种电子器

3、件、光敏器件、绝缘材料等；黑色金属（铸铁、钢）黑色金属（铸铁、钢）有色金属有色金属:轻有色金属：轻有色金属：Al, Mg, Ti重有色金属：重有色金属：Cu, Zn, Pb, Ni贵重有色金属：贵重有色金属：Au, Ag, Pt, Rh等等难熔金属：难熔金属：V, Nb, Ta, Cr, Mo, W等，熔点非常高等，熔点非常高放射性金属：放射性金属：Ra（镭），镭），U（铀）铀）, Th(钍）钍）核心关系核心关系 核心关系核心关系材料的结构 材料的性能 一、绪论一、绪论 什么是金属材料？什么是金属材料？金金银银铜铜铁铁锡锡铝铝锌锌汞汞镁镁钨钨一、绪论一、绪论 什么是金属材料？什么是金属材料？金

4、属材料：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。纯金属：不含其他杂质或其他金属成分的金属金属间化合物：两个及以上金属或类金属组元按比例组成的具有金属特性和长程有序晶体结构的化合物合金：两种或两种以上的金属元素或以金属为基的具有金属特性的金属材料一、绪论一、绪论 金属材料的力学特性金属材料的力学特性塑性塑性冲击韧性冲击韧性硬度硬度疲劳失效疲劳失效一、绪论一、绪论 金属材料的物理特性金属材料的物理特性金属光泽金属光泽导电性导电性导热导热导磁导磁一、绪论一、绪论 金属材料的物理特性金属材料的物理特性不同金属的熔点和密度差异很大不同金属的熔点和密度差异很大汞熔点最低（-38.9 ）钨熔

5、点最高（3410 ）钾为最轻的金属（0.86 g/cm3）锇为最重的金属（22.48 g/cm3）熔点的高低显示了的强弱一、绪论一、绪论 金属材料的化学特性金属材料的化学特性青铜器文物粉状锈青铜器文物粉状锈缓蚀保护前后对比缓蚀保护前后对比 金属材料的结构和键合特点金属材料的结构和键合特点原子键合原子键合：化学键化学键氢键氢键物理键物理键 金属键：金属离子与自由电子间静电作用， 离子键：正负离子间静电作用， 共价键：原子轨道重叠后，高概率地出现在两个原子核之间的电子（）与两个原子核之间的静电作用， 以氢为媒介的一种特殊的分子间或分子内作用力； 键合特点：键合强度介于化学键和物理键之间，。 范德华

6、力：分子间的静电作用力（含色散力、取向力和诱导力）； 键合特点：键合力远小于化学键，决定物质的熔沸点。一、绪论一、绪论一、绪论一、绪论 金属材料的结构和键合特点金属材料的结构和键合特点金属键离子键共价键范德华力氢键一、绪论一、绪论材料种材料种类类结合键结合键熔点熔点弹性模弹性模量量强度、强度、硬度硬度塑性和塑性和韧性韧性导电和导电和导热性导热性耐热性耐热性耐蚀性耐蚀性其他其他金属材料以金属键为主较高较高较高良好良好较高一般密度大，热膨胀系数较大陶瓷材料离子键或共价键高高抗拉强度低，抗压强度和硬度高差绝缘，导热性差高高密度小，热膨胀系数小高分子材料分子内为共价键，分子间为分子键较低较低较低较好绝

7、缘，导热性差较低高密度小，热膨胀系数大，易老化复合材料取决于组成物由组成物决定说明：说明：着色愈浅表示金属键特性愈强着色愈浅表示金属键特性愈强. 发展发展结构金属结构金属间化合物间化合物难熔难熔合金合金 - 、-化合物化合物氧化物晶体氧化物晶体结构结构功能功能陶瓷陶瓷超导超导合金合金金属金属陶瓷陶瓷非晶非晶合金合金复杂分子复杂分子化合物化合物高温氧高温氧化物超导化物超导有机有机/无机无机复合复合材料材料钢钢铁铁铜铜轻轻合合金金Si 半半Ge导导体体Fe高温高温Ni 合金合金Co聚合物聚合物材料与键合特性材料与键合特性由金属键向混合由金属键向混合键，简单立方晶键，简单立方晶体结构向复杂晶体结构向

8、复杂晶体结构及复杂分体结构及复杂分子结构演进，子结构演进，从从而决定或影响了而决定或影响了材料的制备材料的制备/加工、加工、组织、力学和功组织、力学和功能性能。能性能。二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 不同金属材料的生产和使用普遍反映当时社会不同金属材料的生产和使用普遍反映当时社会生产力水平生产力水平 钢铁产量：综合国力重要指标钢铁产量：综合国力重要指标 铜马车、青铜鼎、青铜剑铜马车、青铜鼎、青铜剑工业革命以来工业革命以来 铁制农具的普遍使用和推广铁制农具的普遍使用和推广铁器时代（战国以后）铁器时代（战国以后）青铜时代青铜时代二、金属材料

9、与社会发展二、金属材料与社会发展 金属材料与现代建筑金属材料与现代建筑共使用Q460E型钢材11万吨 二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 金属材料与现代交通金属材料与现代交通高强度钢一般用于汽车需高强度、高抗碰撞吸收能、成形要求严格的零件，如轮圈、加强构件、保险杠和防撞杠等；同时还被用于汽车的内外板件，如车顶板、车门内外板、 发动机舱盖和行李舱盖等。二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 金属材料与现代交通金属材料与现代交通京沪高速铁路使用钢铁735万吨 二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 金属材料与航空工业金属材料与航空工业 金属材料与航空工业金属材料与航空工业二、

10、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展大飞机工程中对金属及金属基复合材料的需求二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 金属材料与航天工业金属材料与航天工业壳体以外（结构支承）：铝-铜-镁系、铝-锌-镁系高强度铝合金；壳体内部（高压气瓶）：钛合金或高强度钢；燃气舵：特种石墨或钨、钼等难熔金属制作，表面再覆以抗氧化涂层。二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 金属材料与航海工业金属材料与航海工业美国航母甲板：690 MPa级高强钢、HSLAll5钢；法国 “凯旋”级核潜艇耐压壳体：HLESl00钢；日本“亲湖”级潜艇（可下潜500米）：NS110钢（屈服强度1000 MPa）。二、金

11、属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 常见轻金属常见轻金属镁合金：镁合金：密度低（1.8 g/cm3），比强度高，比弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比Al合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好，用于制造飞机机身、发动机零件等。Mg合金相机外壳Mg合金引擎外壳 常见轻金属常见轻金属二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展铝合金：铝合金：密度低，比强度高，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用Al合金制造。二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 常见重金属常见重金属Ni基高温合

12、金航空发动机叶片锡黄铜磷青铜波纹管X射线防护铅门二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 半金属半金属半金属元素在元素周期表中处于金属向非金属过渡位置。这类元素的导电性能随温度的变化关系大都与金属相反，即其电导率随温度上升而增加。用途：电气、冶金、半导体材料。CdZnTe g照相机二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 稀有金属稀有金属Ti合金飞机结构件医用Ti合金锂电池铍-中子减速器铀原子弹钒-制造高速切削钢和合金钢钒铅矿二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 难熔金属难熔金属熔点一般大于2000 ，包括钨、钼、钽、铌和铼等。难熔金属及其合金、金属间化合物和碳化物等，由于具有

13、高熔点、高硬度和高强度等性能而广泛应用于国防军工、航空航天、电子信息、能源、冶金、化工和核工业等领域。二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 难熔金属（钨）难熔金属（钨）钨及其合金：钨及其合金：熔点高、密度大、强度高、耐热性优良、弹性模量高、膨胀系数小；但其低温脆性大且高温抗氧化性能较差。穿甲弹火箭喷嘴W-Re热电偶铣刀W-Ni-Fe合金飞机减震材料穿甲弹和子母弹WC-Co硬质合金现代工业的牙齿W-Cu合金电极材料火箭喷嘴W-Re合金热电偶特种电子管二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 难熔金属（钼）难熔金属（钼）钼及其合金：钼及其合金：熔点较高、膨胀系数小、高温抗蠕变性能好；但

14、其低温脆性大且高温抗氧化性能较差。TZM合金（Mo-0.060.12Zr-0.40.55Ti-0.010.03C）用于固体燃料火箭发动机的喷管、火箭鼻锥、飞行器的前缘和方向舵等。TZM块TZM棒二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展 难熔金属（钽）难熔金属（钽）钽及其合金：钽及其合金：高温强度高、膨胀系数小、抗蠕变性能好、抗热震性能及韧塑性优良；但该合金在500 以上的抗氧化性能很差，需要在其表面进行涂层保护。Ta-10W合金已用于宇宙飞船的燃烧室、导弹的鼻锥（使用温度在2500 左右）及火箭发动机喷管等。Ta-10W卫星发动机喷管Ta-W棒二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展

15、难熔金属（铌）难熔金属（铌）铌及其合金：铌及其合金：难熔金属中密度最小的材料，在11001650 下有较高的强度，焊接性能好，且室温下塑性较好，能制成外形复杂的零件。其主要应用于超高音速飞机、航天飞行器、卫星、导弹及火箭上的结构材料等。C103合金（Nb-10Hf-1Ti-0.5Zr）制造的火箭发动机火箭发动机按增强体分类纤维增强金属基复合材料晶须增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料SiC颗粒/晶须增强铝基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料C纤维增强铝基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料Ti基晶须复合材料铝基复合材料刹车鼓硬质合金刀具航天飞机内Al/B纤维桁架 其它新型金属材料其它

16、新型金属材料金属玻璃纳米级金属材料形状记忆金属材料三、金属材料的制备与成型技术三、金属材料的制备与成型技术三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 金属冶炼金属冶炼金属冶炼：金属冶炼：把金属从化合态变为游离态的过程。用碳、一氧化碳、氢气等还原剂与金属氧化物在高温下发生还原反应，获得金属单质。金属冶炼金属冶炼还原法置换法电解法火法冶炼湿法冶炼 金属冶炼金属冶炼Cu的工业冶炼的工业冶炼火法冶炼结合电解精炼：火法冶炼结合电解精炼：CuO + C Cu + CO2三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 金属冶炼金属冶炼热还原法：2Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2高

17、炉炼铁三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 液态成型（铸造、凝固）液态成型（铸造、凝固）铸造：铸造：是一种将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固，清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。特点：特点：不受铸件尺寸、形状及合金材料的限制；技术难点：技术难点：微观组织与成分的精确控制；发展方向：发展方向：精密浇铸，特殊条件下的凝固。铸铸造造砂型铸造特种铸造金属型铸造压力铸造离心铸造熔模铸造三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 液态成型（铸造）液态成型（铸造）凝固微观凝固：原子在平衡位置的振动幅度减弱，排列趋于规则。宏观变化（冰）三

18、、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 塑性成型塑性成型利用金属的可塑性，在外力的作用下使其形成需要的形状的加工方法，包括冲压、拉拔、锻造和轧制等，其中锻造又分为自由锻、模锻和特种锻造。生产效率高，可以大批量生产；改善了金属的组织与结构；材料利用率较高，一般可达7585%；尺寸精度高。三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 塑性成型塑性成型轧制锻造拉拔三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 焊接成型焊接成型焊接：焊接：利用局部加热或加压的手段，使分离的两部分金属通过原子的扩散与结合而形成永久连接的工艺，其涉及到金属的熔化与凝固过程。焊接技术的

19、发展趋势：焊接技术的发展趋势：焊接机器人的开发与生产；灵巧智能型焊接机；计算机模拟技术与控制技术；发展无损探伤技术及可靠性评估的方法及理论；发展恶劣条件下的焊接。三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 焊接成型焊接成型三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术焊接机器人摩擦焊搅拌摩擦焊新型焊接方法新型焊接方法 3D打印打印3D打印：打印：平面打印的叠加，图像一层一层的覆盖和凝固，从平面逐渐增高，渐渐形成立体的物件。特点：特点：无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件；能够打印出一些传统生产技术无法制造出的外型；快速有效。 三、金属材料

20、的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 3D打印打印三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 粉末冶金粉末冶金粉末冶金：粉末冶金：用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成型和烧结来得到各种类型制品的工艺技术。特点：特点：材料利用率高；可加工外形复杂的零件；没有焊接缝等弊端；没有成分偏析等缺点。三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 金属热处理金属热处理金属热处理：金属热处理：将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种

21、工艺。钢的热处理：钢的热处理：退火（缓慢冷却）；正火（空气中冷却）；淬火（在水或油等介质中快速冷却）；回火（淬火后的长时间保温）。三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术热处理钢热处理设备 金属热处理金属热处理三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术 金属材料成型未来发展方向金属材料成型未来发展方向原则：原则：满足工业产业的需求、高效、环保和节能。未来发展方向：未来发展方向：精密成型工艺，由近形向净形发展；复合成型工艺；成形过程中的计算机数值模拟；模具、模型及工装的计算机辅助设计与制造。三、金属材料的制备及成型技术三、金属材料的制备及成型技术四、四、Nb-Si基

22、超高温合金研发基超高温合金研发 Sketch for an aeronautic jet engine and the pressure and temperature trends from the front to the back of the engine.四、四、Nb-Si基超高温合金研发基超高温合金研发Nb-Si基超高温合金的性能指标已达到：使用温度范围：12001450应用场合：叶片、尾喷管、喉衬、燃烧室等超高温部件 合金成分设计、制备技术、综合力学性能超高温整体定向凝固技术超高温整体定向凝固技术抗氧化涂层技术抗氧化涂层技术密度密度6.76.8g/cm3 室温断裂韧性室温断裂韧性

23、23.8MPam1/2 高温拉伸持久高温拉伸持久性能性能 1250/80MPa下的拉伸持久寿命为58.1h制备渗层后高制备渗层后高温抗氧化性能温抗氧化性能 1250氧化100h的氧化膜厚度为9m1250循环氧化100h后氧化膜致密、完整、未剥落 研发了研发了Al, Cr, Zr, B以及稀土元素Y, Ce改性的多元梯度复合硅化物渗层；抗氧化性能达到：抗氧化性能达到：1250的抗氧化时间500h以上；1380的恒温抗氧化时间大于50h，抗热震氧化时间大于30min；渗层致密、缺陷少、厚度可控制备了渗层的工件在1380下30 min热震氧化后的形貌 已成功应用于某高超飞行器部件的抗氧化渗层已成功应用于某高超飞行器部件的抗氧化渗层Guo X. et al. Corrosion Science, Vol. 71 (2014), 10-19Nb-Si基超高温合金抗氧化涂层技术取得重要进展基超高温合金抗氧化涂层技术取得重要进展 Nb-Si基超高温合金在熔体温度为基超高温合金在熔体温度为2050，抽拉速率抽拉速率R=2.5m/s时定向凝固试样的时定向凝固试样的宏观形貌（凝固方向为