新型高性能结构材料一详解演示文稿

新型高性能结构材料一详解演示文稿当前第1页\共有27页\编于星期二\8点优选新型高性能结构材料一当前第2页\共有27页\编于星期二\8点第一节：超硬材料

超硬材料通常是指莫氏硬度达到或接近10的材料，主要指金刚石和立方氮化硼，适于用来制造加工其他材料的工具。此外，超硬材料在光学、电学、热学方面还具有一些特殊性能，是一种重要的功能材料。一、人造金刚石和立方氮化硼的问世瑞典ASEA公司的Liander和Lundblad在1953年成功地合成了金刚石；1957年物理化学家温托夫（）研制成功立方氮化硼。当前第3页\共有27页\编于星期二\8点请同学们猜一猜合成钻石当前第4页\共有27页\编于星期二\8点超硬材料的发展历程如表12-1所示。二、超硬材料的性能及应用1.天然单晶金刚石

天然金刚石是一种各向异性的单晶体。硬度达9000-10000HV，是自然界中最硬的物质，最重要的用途在于高速超精加工有色金属及其合金。2.人造单晶金刚石

人造单晶金刚石硬度略逊于天然金刚石，其解理方向和尺寸变得可控和统一。当前第5页\共有27页\编于星期二\8点时间超硬材料公司方法用途1955人造单晶金刚石美国GE高温高压磨料1957立方氮化硼美国GE高温高压磨料1977人造聚晶金刚石，立方氮化硼烧结体美国GE高温高压刀具1995人造单晶金刚石刀具近年人造单晶立方氮化硼刀具近年类金刚石膜刀具近年金刚石薄膜CVD刀具近年金刚石厚膜CVD刀具表12-1超硬材料发展史当前第6页\共有27页\编于星期二\8点3．人造聚晶金刚石

人造聚晶金刚石是在高温高压下将金刚石微粉加溶剂聚合而成的多晶体材料其硬度比天然金刚石低（6000HV左右），但抗弯强度比天然金刚石高很多主要用来制作刀具。4．化学气相沉积金刚石膜

金刚石膜是采用化学气相沉积(简称CVD)的方法制备出来的一种多晶纯金刚石材料，他呈膜状附着于基体表面，故又常称金刚石膜。当前第7页\共有27页\编于星期二\8点5．立方氮化硼

立方氮化硼微粉的显微硬度为8000~9000HV，仅次于金刚石，但热硬度和热稳定性比金刚石高很多。立方氮化硼在1300℃时仍能保持其硬度。6．立方氮化硼烧结体

立方氮化硼烧结体具有较高的硬度(3000~5000HV)和耐磨性，并具有很高的热稳定性，在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。当前第8页\共有27页\编于星期二\8点第二节：超塑性合金一、超塑性的定义

变形所需应力却很小，变形均匀，拉伸时不产生颈缩；无加工硬化，无弹性回复，变形后内部无残余应力，无各向异性，这种现象即为超塑性。

图12-1为Ni-Fe-Cr合金延伸率达1000%以上而无颈缩的拉伸试样图。当前第9页\共有27页\编于星期二\8点

超塑性合金

Superplasticalloy1超塑性合金现象10金属在某一小的应力状态下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出现缩颈，也不发生断裂，呈现一种异常的延伸现象。当前第10页\共有27页\编于星期二\8点图12-1Ni-Fe-Cr合金延伸率达1000%以上而无颈缩的拉伸试样图a拉伸试验前；b拉伸试验后当前第11页\共有27页\编于星期二\8点124.3.1超塑性现象产生超细化晶粒；适宜的温度和应变速率。产生超塑性的条件晶粒的超细化、等轴化以及稳定化可通过合金化，控制凝固过程、热处理、形变热处理、粉末冶金、机械加工等方法来实现。当前第12页\共有27页\编于星期二\8点6.4.2超塑性合金类别结构类别：细晶超塑性相变超塑性合金种类：锌基合金：巨大的无颈缩延伸率；低蠕变强度，冲压加工性能差铝基合金：综合力学性能较差，室温脆性大镍基合金超塑性钢：钛基合金13当前第13页\共有27页\编于星期二\8点

金属材料在一般条件下没有超塑性。要使其能够发生超塑性形变，必须具备以下三个条件：①材料必须为具有细小等轴晶粒的两相组织，晶粒直径必须小于10μｍ(超细晶粒)，且在超塑性形变过程中晶粒不显著长大；②超塑性形变要求一定的温度范围，一般为熔点的0.5~0.65倍；③超塑性形变时的应变速率很小，一般需在0.01~0.0001/s的范围内。当前第14页\共有27页\编于星期二\8点二、超塑性行为的产生

研究发现，在两种特定的条件下，会出现合金的超塑性行为：如图12-2所示。①相变超塑性②微细晶粒超塑性三、超塑性合金的应用

超塑性合金最大的应用就是航空航天材料。当前第15页\共有27页\编于星期二\8点图12-2常规变形和超塑性变形的内部晶粒变化示意图(a)常规塑性变形（b）超塑性变形当前第16页\共有27页\编于星期二\8点高变形能力的应用真空成型或气压成型可以在密封模具内挤压或锻造，可以得到相当高的加工精度，并能大幅度降低加工压力、减少加工工序尤其适于极薄板和极薄管的制造，也非常适用于加工具有极微小凹凸表面的制品。缺点是加工速度慢，效率低17J

超塑性合金的应用Chapter6MetallicMaterials当前第17页\共有27页\编于星期二\8点18超塑成型当前第18页\共有27页\编于星期二\8点固相粘结能力的应用晶粒的超细化，即晶界体积比的增加使得低压下的固相结合易于进行。超塑性合金与另一金属压合时，其微细晶粒可以顺利地填充满微小凸起的空间，使两种材料间的粘结能力大大提高。利用这一点可轧合多层材料、包复材料和制造各种复合材料，获得多种优良性能的材料。这些性能包括结构强度和刚度、减振能力、共振点移动、韧脆转变温度、耐蚀及耐热性等。19J

Chapter6MetallicMaterials当前第19页\共有27页\编于星期二\8点减振能力的应用合金在超塑性温度下具有使振动迅速衰减的性质，因此可将超塑性合金直接制成零件以满足不同温度下的减振需要。其他利用动态超塑性可将铸铁等难加工的材料进行弯曲变形；对于铸铁等焊接后易开裂的材料，在焊后于超塑性温度保温，可消除内应力，防止开裂；高温苛刻条件下使用的机械、结构件的设计、生产及材料的研制。20J

Chapter6MetallicMaterials当前第20页\共有27页\编于星期二\8点第三节：高温合金、高温合金及其分类

高温合金是指在600～1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。1．铁基高温合金2．镍基高温合金3．钴基高温合金

按照基体组元的不同，高温合金可分为：当前第21页\共有27页\编于星期二\8点二、高温合金的应用

高温合金是航空航天动力系统的关键材料。镍基高温合金是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。

按制备工艺不同，高温合金可分为：①变形高温合金②铸造高温合金③粉末冶金高温合金当前第22页\共有27页\编于星期二\8点23Example主要部件占发动机重量70％由超耐热合金构成燃烧室、涡轮盘和涡轮叶片用耐高温的Ni-Co基合金制造高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是高Cr-Co-W基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成当前第23页\共有27页\编于星期二\8点当前第24页\共有27页\编于星期二\8点铁基超耐热合金基于奥氏体不锈钢中温（600～800℃）条件下使用镍基超耐热合金镍含量一般>50%在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力钴基超耐热合金含钴量40～65％的奥氏体高温合金在730～1100℃下，具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。25超耐热合金的分类Chapter6MetallicMaterials当前第25页\共有27页\编于星期二\8点261超低温对材料的特殊要求常温以下直至绝对零度的较大温度范围低温沸点天然气：-163℃液氮：-195.8℃液氢：-253℃液氦：-269℃