工程材料认知讲义

PAGEPAGE4工程材料认知讲义1常见的金属及合金1.1铁和铁的合金广义的铁合金是指炼钢时作为脱氧剂、元素添加剂等加入铁水中使钢具备某种特性或达到某种要求的一种产品。铁与一种或几种元素组成的中间合金，主要用于钢铁冶炼。在钢铁工业中一般还把所有炼钢用的中间合金，不论含铁与否（如硅钙合金），都称为“铁合金”。习惯上还把某些纯金属添加剂及氧化物添加剂也包括在内。基本分类铁合金的品种繁多，分类方法也多一般按下列方法分类：（1）按铁合金中主元素分类，主要有硅，锰，铬，钒，钛，钨，钼等系列铁合金。（2）按铁合金中含碳量的分类，有高碳，中碳，低碳，微碳，超微碳等品种。（3）含有两种或者两种以上合金元素的多元铁合金，主要品种有硅铝合金，硅钙合金，锰硅铝合金，硅钙铝合金，硅钡钙合金等。（4）按生产方法分类：有高炉铁合金，电炉铁合金，炉外法（金属热法）铁合金，真空固态还原铁合金，电解法铁合金，此外还有氧化物压块与发热铁合金等特殊铁合金。1.2金属热处理相关知识热处理是指金属材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，改变材料表面或内部的化学成分与组织，获得所需性能的一种金属热加工工艺1．正火：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。2．退火annealing：将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺。3.淬火：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺。50CrVA弹簧钢880℃淬油金相组织4.回火：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。5.调质处理（quenchingandtempering）：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织更优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200—350之间。1.3铝和铝的合金纯铝分冶炼品和压力加工品两类前者以化学成份Al表示，后者用汉语拼音LV（铝、工业用的）表示。铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类：形变铝合金能承受压力加工。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、建筑用门窗等。形变铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金，其中铝硅合金又有过共晶硅铝合金，共晶硅铝合金，单共晶硅铝合金，铸造铝合金在铸态下使用。1.4铜和铜的合金1、纯铜高品质红铜纯度高，组织细密，含氧量极低。无气孔、沙眼、疏松，导电性能极佳，适合电蚀刻模具，经热处理工艺，电极无方向性，适合精打，细打。2、青铜原指铜锡合金﹐后除黄铜﹑白铜以外的铜合金均称青铜﹐并常在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名。锡青铜的铸造性能﹑减摩性能好和机械性能好﹐适合於制造轴承﹑蜗轮﹑齿轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铝青铜强度高﹐耐磨性和耐蚀性好﹐用于铸造高载荷的齿轮﹑轴套﹑船用螺旋桨等。磷青铜的弹性极限高﹐导电性好﹐适於制造精密弹簧和电接触元件﹐铍青铜还用来制造煤矿﹑油库等使用的无火花工具。铍铜是一种过饱和固溶体铜基合金，是机械性能，物理性能，化学性能及抗蚀性能良好；粉末冶金制作针对钨钢，高碳钢、耐高温超硬合金制作的模具需电蚀时，因普通电极损耗大，速度慢，钨铜是比较理想材料。3、黄铜以锌作主要添加元素的铜合金﹐具有美观的黄色﹐统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。含锌低於36%的黄铜合金由固溶体组成﹐铜合金有良好的冷加工性能﹐如含锌30%的黄铜常用来制作弹壳﹐俗称弹壳黄铜或七三黄铜。含锌在36～42%之间的黄铜合金由和固溶体组成﹐其中最常用的是含锌40%的六四黄铜。为了改善普通黄铜的性则不易吸收氢。其次形成氢化物的平衡压要适当,最好在室温附近只有几个大气压,便于吸放氢,而且要吸放速度快，这样才能够满足实际应用的需求。另外合金及其氢化物对水、氧和二氧化碳等杂质敏感性小，反复吸放氢时，材料性能不至于恶化。而且，储氢材料的氢化物还要满足在存储与运输过程中性能可靠、安全、无害、化学性质稳定等条件。现在已研究的并且符合上述要求的有镁系、稀土系、钛系和锆系等。在上述储氢材料中，镁系储氢合金具有较高的储氢容量，而且吸放氢平台好、资源丰富、价格低廉，应用前景十分诱人。镁可直接与氢反应,在300—400℃和较高的压力下,反应生成Mg和H2反应生成MgH2:Mg+H2=MgH2?△H=-74.6kJ/mol。MgH2理论氢含量可达7.6%,具有金红石结构,性能较稳定,在287℃时分解压为101.3kPa。由于纯镁的吸放氢反应动力学性能差,吸放氢温度高,所以纯镁很少被直接用来储存氢气，为此人们又开始研究镁基储氢合金材料。到目前为止,人们已对300多种重要的镁基储氢合金材料进行了研究。二，液态有机物储氢材料有机液体氢化物贮氢是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应,即加氢和脱氢反应来实现的。加氢反应时贮氢,脱氢反应时放氢,有机液体作为氢载体达到贮存和输送氢的目的。烯烃、炔烃、芳烃等不饱和有机液体均可作贮氢材料,但从贮氢过程的能耗、贮氢量、贮氢剂、物理等方面考虑,以芳烃特别是单环芳烃作贮氢剂为佳,常用的有机物氢载体有苯、甲苯、甲基环己烷、萘等。用这些有机液体氢化物作为贮氢剂的贮氢技术,是20世纪80年代开发的一种新型贮氢技术。1980年,Taube等分析、论证了利用甲基环己烷作氢载体贮氢为汽车提供燃料的可能性。随后许多学者对为汽车提供燃料的技术开展了很多卓有成效的研究和开发工作,对催化加氢脱氢的贮存输送进行了广泛的开发。有机液体氢化物贮氢作为一种新型贮氢材料,其贮氢特点是:有机液的贮存、运输安全方便,可利用现有的贮存和运输设备,有利于长距离大量运输，贮氢量大,苯和甲苯的理论贮氢量分别为7.19(wt)%和6.18(wt)%,比现有的金属贮氢量高得多，贮氢剂成本低且可多次循环使用，加氢反应要放出大量的热,可供利用,脱氢反应可利用废热。目前存在的主要问题是有机物氢载体的脱氢温度偏高,实际释氢效率偏低。因此,开发低温高效的有机物氢载体脱氢催化剂、采用膜催化脱氢技术对提高过程效能有重要意义。三，纳米储氢材料纳米储氢材料分为两种方式，一种是将原有的储氢材料纳米化，还有一种就是开发新的纳米材料作为储氢材料。储氢合金纳米化提高储氢特性主要表现在以下几个方面原因。（1）对于纳米尺寸的金属颗粒，连续的能带分裂为分立的能级，并且能级间的平均间距增大，使得氢原子容易获得解离所需的能量，表现为贮氢合金活化能降低和活化温度降低。（2）纳米颗粒具有巨大的比表面积，电子的输送将受到微粒表面的散射，颗粒之间的界面形成电子散射的高势垒，界面电荷的积累产生界面极化，而元素的电负性差越大，合金的生成焓越负,合金氢化物越稳定。金属氢化物能够大量生成，单位体积吸纳的氢的质量明显大于宏观颗粒。（3）纳米贮氢合金比表面积大，表面能高，氢原子有效吸附面积显著增多，氢扩散阻力下降，而且氢解反应在合金纳米晶的催化作用下反应速率增加，纳米晶具有高比例的表面活性原子，有利于反应物在其表面吸附，有效降低了电极表面氢原子的吸附活化能,因而具有高的电催化性能。另外，由于纳米晶粒相当细小,导致晶界和晶格缺陷增加，而晶体缺陷和位错处的原子具有较高的能量可视为反应的活性中心,从而降低析氢过电位