《金属材料学》第12章金属功能材料及金属基复合材料

1、第12章 金属功能材料 功能材料往往在能量与信息的显示、转换、传输、存储等方面，具有独特的功能。这些特殊功能是以它们所具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学等物理性能为基础的。 新材料中功能材料大约占85%,种类很多.功能材料对现代科学技术进步、社会发展起着巨大的作用。 一 形状记忆合金 定义 合金在低温下被施加应力产生变形，应力去除后形变保留，但加热会逐渐消除形变，并恢复原来形状，这种现象称为形状记忆效应（shape memory effect），简称SME。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金(shape memery alloy)，简称SMA. 利用记忆效应进行工作的元件、机构和装置,

2、其应用领域遍及温度继电器、玩具、机械、电子、自动控制、机器人、医学应用等许多领域。应用1、形状记忆基本概念 热弹性马氏体 ：马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度 回升时马氏体片又随温度上升而缩小.应力诱发马氏体 ：在Ms以上某一温度对合金施加外力也 可以引起马氏体转变.具备形状记忆材料的条件：马氏体相变是热弹性的；马 氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构为孪晶或层错； 母相和马氏体均为有序点阵结构。形状记忆效应形式：单向形状记忆效应；双向形状记忆效 应（或可逆形状记忆效应）；全方位形状记忆效应。 形状记忆效应的三种形式 单向记忆 双向记忆 全方位记忆2 、常用形状记忆台金 (1) Ti-Ni基形状记

3、忆合金特点 具有记忆效应优良、性能稳定、可靠性高、生物相容性好等一系列的优点。但成本高，加工困难。Ti-Ni合金是所有记忆合金中抗疲劳性能最好的材料。已用于航天航空、海军舰艇和海上石油平台等方面合金化 在Ti-Ni合金基础上，加入Nb、Cu、Fe、Mo、V、Cr等元素 . (2) Cu系形状记忆合金特点 记忆性能良好、相变点可调节、价格便宜和易于制造。CuZnAl合金已实用化，但由于脆性2相的析出使其加工性能极差，严重限制了其应用范围.类型 Cu-Zn-A1基和Cu-A1-Ni基形状记忆合金是最主要的两种Cu基记忆合金 与Ti-Ni相比，Cu基记忆合金疲劳强度和循环寿命等力学性能。强度较低，稳

4、定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容性。(3) Fe系形状记忆合金类型 具有热弹性可逆M相变的有Fe-Pt、Fe-Pd 、Fe-Ni-Co-Ti 等和具有非热弹性可逆M相变的Fe-Mn-Si等特点 热弹性马氏体相变驱动力很小、热滞很小。由于含有极昂贵的Pt、Pd和Co，工业应用受到限制。 Fe-Mn-Si系弹性模量与强度均明显高于铜基和Ni-Ti合金，合金原料丰富，价格低。硅降低合金塑性，一般应6Si。Fe-Mn-Si合金的缺点是抗蚀性很差，易于发生氧化、腐蚀。 欧洲航天计划研制的形状记忆合金材料(Ni-Ti合金)可以像橡皮筋一样拉伸，拉伸后一旦加热到一定温度就会变回原来的形状。 这是魔力水车，

5、周而复始运转。水车叶片是由Cu基形状记忆合金做的.当外界温度发生变化时，水车叶片外形也会发生变形，而驱动水车转动。 形状记忆合金应用例子 新型功能材料不断开发 水下舰艇声纳系统中超磁致伸缩合金GMM制造的声纳装置(Giant Magnetostrictive Material,GMM) 江苏大学开发的铜基形状记忆合金过热保护器 12.2 贮氢合金 人类可持续发展的关键是开发和利用新能源.氢是一种非常重要的二次能源。氢资源丰富，氢比任何一种化学燃料的发热值高，不污染环境，是一种洁净的能源。 储氢合金为金属氢化物储氢材料 . 是目前正在迅速发展的一种储氢方式.目前研究和使用的贮氢合金主要有镁系、稀

6、土系、钛系。 储氢合金原理 许多金属或合金可固溶H2形成含氢固溶体（MHx）,其溶解度H与其平衡氢压PH2平方根成正比。在一定温度和压力条件下，固溶相与氢反应生成金属氢化物贮氢。 这是一可逆过程。正向吸氢、放热；逆向放氢、吸热。改变温度、压力可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸氢与放氢功能。 1、镁系贮氢合金 优点:贮氢量大，重量轻，资源丰富，价格低等 缺点:分解温度过高（250），吸放氢速度慢，使镁系合金实用受到限制。特点原理 镁与氢在300400和较高的氢压下反应生成MgH2，属离子型氢化物，过于稳定，放氢困难。目前通过合金化改善Mg基合金氢化反应的动力学和热力学。Ni，Cu，Re等

7、元素对Mg的氢化反应有良好的催化作用。 正在研究Mg-Ni-Cu-M（M为Cu/Mn/Ti）系,Mg-Ni-Cu系，Mg-Re系等镁基贮氢合金.2、稀土系贮氢合金 特点 LaNi5稀土系贮氢合金 优点:室温即可活化、吸氢放氢容易、平衡压力低、滞后小和抗杂质等优点。 缺点:成本高，大规模应用受到限制。 类型 LaNi5三元系：最主要的是LaNi5-xAlx合金，A1的置换改变了平衡压力和生成热值。 MmNi5系：MmNi5用混合稀土和多元合金化(A1、Cu等)置换LaNi5中LaMm1-xAxNi5型,使平衡压力升高，改善贮氢性能. MINi5系：发展了MINi5-xMx系列合金，其中MINi5

8、-xAlx已应用于氢贮运、回收和净化。 3、钛系贮氢合金 钛铁系合 金 TiFe可在室温与氢反应生成氢化物. 研究了以Co、Cr、Cu,、Mn、Mo、Ni等元素置换部分铁的TiFe1-xMx合金。过渡金属的加入，使合金活化性能得到改善，氢化物稳定性增加. Ti-Mn二元合金中TiMn1.5贮氢性能最佳，在室温下即可活化，与氢反应生成TiMn1.5H2.4。 TiMn原子比Mn/Ti=1.5时，合金吸氢量较大，以TiMn为基的多元合金主要有TiMn1.4M0.1（M为Fe，Co，Ni等）。 钛 锰 系合 金 第13章 金属基复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一

9、种多体材料。复合材料通常有基体和增强材料组成。复合材料能显示出单一材料所不具有的新性能。复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的必然，也是材料设计方面的一个质的飞跃。 金属基复合材料（Metal Matrix Composite，简称MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合而成的复合材料。 13.1 基本概念 1 、 金属基复合材料的种类 按基体分类铝基复合材料 品种和规格最多、应用最广 钛基复合材料 镁基复合材料 高温合金基复合材料按增强体分类（1）颗粒增强复合材料 （2）层状复合材料 （3）纤维增强复合材料 图 典型复合材料结构（a）单向纤维增强复合材料

10、,（b）颗粒增强复合材料,（c）层状复合材料（d）蜂窝夹心复合材料,（e）编织复合材料,（f）功能梯度复合材料2 金属基复合材料的选择工况条件使用性能要求选择金属基体材料。航空和航天:高比强度、高比模量、尺寸稳定性。大多选 择体积质量小的铝合金、镁合金作为基体金属燃气轮机:高比强度、抗蠕变和高温强度，抗氧化、抗气 体腐蚀、耐疲劳、导热等。工作温度800, 应选择铁基、镍基、钴基耐热合金。电子技术: 集电材料、触头材料、耐磨材料、耐蚀电极材 料等，需要高导热、低膨胀的金属基复合材料。基体 主要选用具有导热、导电性的铝及铝合金、铜及铜合 金、银等金属 飞行器 名称每公斤的含金量/美圆 飞行器 名称

11、每公斤的含金量/美圆 小型民用机 40 战斗机 450 直升机 100 Vistol飞机 550 运输机 150 超音速运输机 1100 商业飞机 200 表层轨道卫星 2000 航空发动机 450 同步轨道卫星 20000 波音747 450 宇宙飞船 30000表 每公斤质量对各类飞行器的价值13.2 金属基复合材料的性能特点 现代科学技术对材料的强韧性、导电、导热性、耐高温性、耐磨性等性能都提出了越来越高的要求 特别在航空航天工业和汽车工业中要求材料具有更高的比强度和比模量(刚度) 金属基复合材料具有与金属及其合金相近的一些共同性能，通过纤维、颗粒、晶须等复合后，可以获得比基体金属或合金

12、更好的比强度、比模量、高温性能等性能的新型工程材料。 各类复合材料的比强度随温度的变化 金属基复合材料的性能特点1、高比强度、比模量 2、高韧性、耐冲击性能3、良好的高温性能4、表面耐久性好，表面缺陷敏感性低5、导热、导电性能好6、热膨胀系数小、尺寸稳定性好 1 、高比强度、比模量 金属基体 + 适量高性能的纤维、晶须或颗粒等增强物 材料的比强度和比模量 .（1）高性能水平。如B与SiC纤维增强的铝和钛，单 向b1200MPa，模量200GPa；（2）中等性能水平。如纺丝SiC与碳纤维增强铝等， b在6001000MPa，模量100150GPa间；（3）较低性能水平。如晶须、颗粒或短纤维增强铝

13、 等， b在400600MPa，模量在95130GPa图 几种金属基复合材料与树脂基复合材料和基体金属 的力学性能对比 2、高韧性、耐冲击性能金属及合金基体往往具有高的强韧性增强相无论是纤维或是颗粒都比较脆 受冲击时基体通过塑性变形消耗能量，使裂纹钝化，应力集中 增强相及增强相与基体界面裂纹的扩展，断裂抗力 金属基复合材料与聚合物基、陶瓷基复合材料相比，具有高的韧性和耐冲击性。 3、良好的高温性能 金属基体的高温性能比聚合物高很多，一般增强相在高温下又都具有很高的高温强度和模量。 金属基复合材料具有比金属基体更高的高温性能 相对聚合物基复合材料而言，金属基复合材料具有物理、力学性能的高温稳定性

14、和优良耐热冲击性能。 而陶瓷基复合材料中的陶瓷基体的抗热冲击性因陶瓷的导热性差而比金属基复合材料差，常常使其作为高温结构材料应用受到限制。图 SiCf / Ti比强度与温度的关系 图 SiCf / Ti比强度与温度的关系 图 45W-1ThO2增强Fe-Cr-A1-Y合金的蠕变性能 4、表面耐久性好，表面缺陷敏感性低 金属基体对表面裂纹的敏感性比聚合物或陶瓷要小很多，表面坚实耐久，尤其是颗粒、晶须增强金属基复合材料常可以作为工程构件中的耐磨件使用。 陶瓷基复合材料，由于腐蚀或擦伤等引起的小裂纹可使其强度剧烈降低, 而造成应力集中，引起破坏。这是由于陶瓷弹性模量高，塑韧性低，不能象金属基复合材料的基体那样可借助塑性变形来使缺口或裂纹钝化. 聚合物基复合材料基体的强度和金属基体相比都相当低, 像擦伤、磨损等对其表面都有显著影响。5、导热、导电性能好 金属基复合材料的导热、导电性能是聚合物基、陶瓷基复合材料无法比拟的，它可以使局部的高温热源和集中电荷很好地扩散消除。如碳纤维加入铝合金基体后，基体的导电、导热优异性不会有大的损失。 因此，碳纤维增强铝基复合材料可做航空航天领域中的结构材料，还可作为空间装