合金的性能和应用及其前景

合金的性能和应用及其前景4000——铁与炭的合金。的性质要优于纯金属。不过，一般而言，合金的熔点比较低。2050~60年代，人们就发现了一些合金有“记19511953年的铟铊合金试验中都出现过合60年代初的一天，美国海军军械实验室的研究人员领来一批弄弯的镍钛合金和50%钛的合金在温度升高到40℃以上时，可以“记住”自己原来的形状。这种现象就被称作为“形状记忆效一般的金属材料收到外力作用后是由两种以上金属组合成的合金。形状记忆效应一般分为三类：单程记忆效应单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。双程记忆效应双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。全程记忆效应全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由T0T0时才会产生马氏体相变，反之，只有T0时才会发生逆相变。在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。形状记忆合金种类繁多，用途也甚是广泛。形状记忆合金通常分为镍-钛系、铜系、铁系合金三大类，不过如今实用化的只有前两类合金。其中钛-镍系合金是最有使用前景的形状记忆材料，其性能优良，可靠性好，而且与人体有生物相容性，但是成本很高，加工困难。能优良，可靠性好，而且与人体有生物相容性，但是成本很高，加工困难。在航天技术方面形状记忆合金的应用是很多的，比如美国宇航局就用镍钛合金在40℃以上制成半球形的月面天线，再让天线冷却到28℃一下。这时，合金内部晶体结构发生了变化，变得非常柔软，所以很容易就把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船里。到达月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助阳光照射或其他热源的烘烤使环境温度超过40℃，这时天线犹如一把折叠伞一般自动张开，迅速投入正常工作，将月球上收集到的各种讯息发回地球。形状记忆合金还可以在制作工程零件时起到很大的作用，用它做铆钉，只要线加热到转变温度以上，把铆钉的两脚分开并弯曲，再冷却到转变温度以下把它拉直，插入被连接的零件的孔中，最后只要再将其加热到转变温度以上，让其回复原先的形状就可以把两个零件紧紧地连接在一起。-钛合金材料作为原料的人造血管能治疗心血管疾病。在提问条件下，将镍-X光照射下，慢慢插入动脉中，在导管中的镍-钛合金丝在提问的条件下，重新恢复记忆，慢慢又变成弹簧形的螺旋状，就像在动脉血管的内壁形成了一层衬层，从而能防止或避免由于动脉内壁过薄而带来的险情。现在，欧美一些国家还在尝试将形状记忆合金应用于治疗某些心脏疾病。便可以恢复原状。形状记忆合金可以在很多领域发挥杰出的作用Tm的被定义为理论上可以使用的温度上限，即。这是因为500~600℃下长期工作，能在700℃以上的高温下工作（能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力）的合金通常称为高温合金或耐热合金。3种。铁基超耐热合金铁基高温合金是从奥氏体不锈钢发展起来的，含有一定量温强度不足，因而铁基合金不能再更高温度条件下应用。镍基超耐热合金以镍为基体（含量一般大于、在℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一时镍基合金中可以溶解较多金属元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序金属间化合物作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。钴基超耐热合金钴基高温合金是含钴量40%~65%的奥氏体高温合金，在730~1100制作工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片等。钴基合金的发展应考虑钴的资源情况。虽然上述这些超耐热合金有着无与伦比的优异性能所以，如何继续提高耐热合金性能成了有一个很有价值的课题。提高超耐热合金高温强度和耐腐蚀性通常通过两种途径即改变黑鸟组织结构和采用特种工艺技术①金属在高温下氧化的起始阶段是一种纯粹的化学反应过程但是随着氧化反应的进一步发展便成为一种复杂的热化学过程了在金属表面形成氧化膜后反应是否继续向内部扩展取决于氧原子穿过表面氧化膜的扩散速度而后者则取决于温度和表面氧化膜的结构为了增强金属材料的耐高温蠕变性能可以加入一些旨在提高其结晶温度的合金元素此外钢的组织状态对其抗热性也有影响奥氏体组织的钢比铁素体组织的钢耐热性高②从工艺技术角度可以采用定向凝固和粉末冶金来提高合金的温度强度。 定向凝固——由于高温合金中含有多种合金元素塑性和韧性都很差通常采用精密铸造工艺成型铸造结构中一些等轴晶粒的晶界处于垂直于受力方向时，最容易产生裂纹。叶片旋转时所受的拉力和热应力平行于叶片纵轴定向凝固工艺形成沿纵轴方向的柱状晶粒消除垂直于应力方向的晶界从而可使得热疲劳寿命提高10倍以上。 粉末冶金——高熔点金属的加入凝固时会在铸件内部产生偏析造成组织成分的不均匀，采用粒度数十至数百微米的合金粉末经过压制、烧结、成型工序制成零件，可以消除偏析现象，组织成分均匀并可以大大节省材料。与超耐热合金相对应的就是超低温合金，超低温合金亦具有举足轻重的低位。通常，把长问一下直至热力学零度的较大温度范围成为低温。针对不同特殊用途，不同低温领域的构造物，必须利用与之相适应的合金材料。防止低温脆性 一般合金在低温下强度会增加，但是延展率、断面收缩率、冲击值等都会下降，从而产生脆性破坏（影响低温脆性的因素很多,它不仅取决于晶格类型,还受材料的成分、组织等因素的影.分别讨论材料成分、晶粒尺寸、显微组织对低温脆性转变温度的影响可以从两个方面来解释宏观上材料的断裂强度与屈服强度与温度有关系对称度低的金属这个特点就更明显一般是材料的断裂强度随温度的降低而减小屈服强度会增加这两个函数在脆韧转变温度处相交在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大，因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了，材料显示脆性从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关阻力增大则材料屈服强度也相应增加因为材料在塑性变形时主要依靠位错运动来完成的对对称性低的金属，合金而言温度降低位错运动的点阵阻力增加，原子热激活能力下降因此材料屈服强度增加。影响材料脆韧转变的因素有：1裂趋势明显，塑性差；2性变差，材料脆性提高；3材料的强度和塑性，韧性。细化晶粒提高材料韧性原因为,细化晶粒可以使基体变形更积很大也不会很大，可以防止裂纹的产生；金相组织；4团的形成会使得材料塑性变差。5度升高。6．试样形状以及尺寸的影响）需要具备低温下的热性能 低温构件在经历低温和室温之间反复多次变化后容易发生热变形这种现象是需要避免发生的为了避免这种现象的发生我们就要求低温合金热膨胀系数尽可能小低温下强度和韧性都较好的不锈钢铝合金的热膨胀系数去比较大所以，低温膨胀合金，例如铁镍合金、钛合金的研究和改进正受到持不断的关注。必须是非磁性合金 超低温技术多在磁场下应用在这样的情况下若是一旦采用了带有磁性的合金在构件中机会由于产生电磁力的作用造成对磁场的不良影响奥氏体系不锈钢虽然属于非磁性合金但是其在低温下不稳定在超低温反复冷却循环中，就会形成有磁性的马氏体相，于是便产生了磁性。超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长1020倍甚至1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、铋锡等。一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍，然而这些材料的强度太低，不能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、铝、铜合金中也具有超塑性，于是前苏联、美国70年代，各种材料的超塑性成型已发展成流行的新工艺。现在超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、镍、10～15200～20001000％，铝铜共晶合金为超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长1020倍甚至1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、铋锡等。一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍，然而这些材料的强度太低，不能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、铝、铜合金中也具有超塑性，于是前苏联、美国70年代，各种材料的超塑性成型已发展成流行的新工艺。现在超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、镍、10～15200～20001000％，铝铜共晶合金为％，纯铝高达％，碳和不锈钢在150～800％之间，钛合金在450～1000％了“超塑性”这一术语，并在许许多多有色金属共晶体及共析体合金中，发现了不少的延展性特别显著的特异现象。７０年代的初期，全世界都在追寻金属的超塑性，并已发现１７０多种合金材料具有超塑性。在通常情况下，金属的延伸率不超过９０％，而超塑性材料的最大延伸率可高达１０００％～２０００％，个别的达到６０００％。金属只有在特定条件下才显示出超塑性。在一定的变形温度范围内进行低速加工时可能出现超塑性。产生超塑性的合金，晶粒一般为微细晶粒，这种超塑性叫作微晶超塑性。有些金属受热达到某个温度区域时，会出现一些异常的变化，若使这种金属在内部结构发生变化的温度范围上下波动，同时又对金属施力，就会使金属呈现相变超塑性。从本质上讲，超塑性是高温蠕变的一种，因而发生超塑性需要一定的温度条件，称超塑性温度Ts。但是金属不会“自动”具有超塑性，必须在一定的温度条件下进行预处理。产生超塑性合金，晶粒一般为微小的等轴晶粒，是塑性合金的组织结构基础，这种超塑性叫做微晶超塑性。有些金属受热但是因为它是晶粒组织细致，又容易和其他合金压接在一起，组成复合材料，这在材料加工中又是一个极大的优势。轴晶粒（直径五微米以下，这种超塑性称为超细晶粒超塑性。还有一些钢，在一定的温度下组织中的相发生转变，在相变点附近加工也能完成超塑性，称为相变超塑性。模锻的几秒增至几分钟。超塑性的铅合金已经商品化，如英国的Supral100（A—6Cu—0.4Zr）和加拿大的Alcan08050（AL—5Ca—5Zn）。铝板可在300～600℃时利用超塑性成型为复杂形状，所用模具费用降低至普通压力加工模具费用的十分之一，因此它具有和薄钢板、铝压铸件及塑料模压件相竞争的能力。据推测，最近超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门中广泛采用，所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高温合金等超塑性合金的研究与开发为金属结构材料的加工技术和功能材料的发展，开拓了芯的前景，收到各国普遍重视。例如：高变形能力的应用 在温度和变形速度合适时，利用超塑性合金的极大伸展率，可完成通常压力加工方法难以完成或用多道工序才能完成的加工任务。如Zn-22AL合金可加工成“金属气球”，即可像气球一样易于变形到任何程度。这对于一些形状复杂的深冲加工，内缘翻边等工艺的成有十分重要的意义。超塑性加工的缺点也显而易见，那就是加工速度缓慢，效率低。但优点是作一种固态铸造方式，成型零件尺寸精度高，可制备复杂零件。塑性温度，并通过拉拔和线圈移动速度的调整来获得各种减面率。固相黏结能力的应用 细晶超塑性合金的晶粒尺寸远小于普通粗糙金属表面的微小凸起的尺寸（大约为10微米），所以当它与另一金属压合时，超塑性合金的晶粒可以顺利地填充满微小凸起的空间，使两种材料间的黏结能力大大提高。利用这一点可轧合多层材料、包覆材料和制造各材料，获得多种