材料化学 课件 第九章 金属材料及制备3-1 功能合金材料

高等材料化学第九章：金属材料及制备金属材料及制备一、金属材料概论金属材料概论金属材料的晶体结构铁-碳相图和钢铁材料二、金属材料的制备与热处理

金属矿物与冶炼金属材料的热处理金属的腐蚀与防护三、功能性金属材料功能合金材料

非晶金属材料

金属基复合材料四、金属材料工程案例(中铝集团陈少华博士)功能合金材料结构功能合金材料两种及两种以上的金属或非金属组成的金属体系，包括金属固溶体、金属间化合物以及由它们所组成的多相体系合金化可以通过固溶强化、沉淀强化、过剩相强化、细晶强化、冷变形强化等机制大幅度提高金属的强度。铝合金地壳中铝的藏量为7.45%,是含量最多的金属，年产量仅次于铁，密度小，导电性好。硬铝合金:加入少量铜、锰、镁等金属，再经过热处理使其强度大为提高，俗称“钢精”。轻盈美观，不易生锈铝合金强度可与钢媲美，但却比其轻近1/4，广泛用于航空航天业。钛合金密度小、强度高、抗蚀性好、工作温度宽(-200~500℃)。钛合金强度几乎是铝合金的5倍，热处理后强度与高强度钢相当，密度仅为钢的57%。钛合金可用作液氮或液氦等的低温容器。“空间金属”：美国新式战斗机含钛量大于90%

“深海金属”：1977年，前苏联用3500多吨钛制造当时航行速度最快的核潜艇。功能合金材料超耐热合金能在700~1200℃高温下长时间保持力学性能正常工作，具抗氧化、抗腐蚀能力的金属材料。航空燃气轮机中普遍使用超耐热合金压气机叶片：Cr-Co-W基合金燃烧室/涡轮盘/涡轮叶片：Ni-Co基合金超耐热合金的分类铁基超耐热合金基于奥氏体不锈钢，中温(600~800℃)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℃下使用，具有一定的高温强度、好的抗热腐蚀和抗氧化能力功能合金材料原子中未成对的价电子数很多---强化学键；原子半径较小---晶格结点上粒子间的距离短，相互作用力大。V~VII+VIII超耐热合金的设计内因

外因

加入对氧的亲和力强的Cr、Si、Al等，形成稳定致密的氧化物保护膜，提高高温抗腐蚀性；加入提高再结晶温度的高熔点合金元素W、Mo、V等，增强耐高温蠕变性能；加入Ni、Mn、N稳定耐热性高的奥氏体面心立方结构；定向凝固：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，消除垂直于应力的晶界，可以提高热疲劳寿命10倍以上；粉末冶金：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。组织结构特种工艺功能合金材料超低温合金低温：常温以下直至绝对零度的较大温度范围沸点：天然气：-163℃110K

液氮：-195℃77K

液氢：-253℃20K

液氦：-269℃4K超低温对材料的特殊要求防止低温脆性铁素体钢呈体心立方结构，在温度达到-200oC

左右，就会出现韧性-脆性转变。添加13％的镍，可以使其过渡温度下降至液氦

温度，即在液氦温度以上不会出现低温脆性。另一种方法是采用面心立方结构的金属，例如

铝合金、奥氏体系不锈钢等。低膨胀合金铁镍合金、钛合金等，低温膨胀系数尽可能小非磁性合金超低温技术多在磁场下利用，要求合金构件无

磁性，不产生电磁力的作用高锰奥氏体钢铁锰铝新合金钢功能合金材料超塑性合金塑性(Plasticity)：在外力作用下，材料能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。金属的超塑性现象是在1928年发现的：金属在适当的温度下(大约金属熔点的一半)变得像软糖一样柔软，在小应力下能伸长十倍甚至百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。超塑性的特点有大延伸率，无缩颈，小应力，易成形。拉伸前拉伸后功能合金材料超塑性合金超塑性产生机理

产生超细化晶粒晶粒的超细化、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、机械加工等实现

适宜的温度

适宜的应变速率结构类别：

细晶超塑性/相变超塑性合金种类：

锌基合金：大的延伸率，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……超塑成型：数控超塑胀形装备及技术用于载人航天某型号球底蒙皮的研制功能合金材料形状记忆合金具有一定初始形状的合金材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状。一次记忆(单程)：

材科加热恢复形状后，再改变温度物体不再改变形状。可逆记忆(双程)：

物体能同时记忆高温和低温的形状，温度在高低温之

间反复切换时，物体的形状也在两种形状间变化。全方位记忆(全程)：

除具有可逆记忆特点外，当温度比较低时，物体的形

状向与高温形状相反的方向变化。一般加热时的回复

力比冷却时回复力大很多。功能合金材料形状记忆合金Ti-Ni系合金/铜系合金/铁系合金材料体系应用领域月面天线TiNi合金眼镜架工程：合金管接口功能合金材料储氢合金在一定的温度和氢气压力下，可以多次吸收、储存和释放氢气的合金材料。储氢合金的单位体积储氢密度，是相同温度、压力条件下气态氢的一千倍。氢能源是有潜力的清洁能源储氢材料发展现状功能合金材料储氢合金氢原子在合金晶格中形成固溶体代表性材料LaNi5-LaNi5H7(P63mc)优点：易活化，平台压力适中且平坦，吸/放氢平衡压差小，动力学性能优良，不易中毒。可室温储放氢(分解热为30kJ/molH2)，吸/放氢纯度高(99.9%以上)。缺点：储氢量低(1.4%wt，25℃，0.2MPa)，不抗粉化和氧化，含稀土元素La，价格偏高。储氢机理系列代表合金扩展系列AB5LaNi5，RENi5A1-xNxB5-yMy

（x＜1，y＜5）A2BMg2Ni，Ti2NiA2-xNxB1-yMy

（x＜2，y＜1）AB2TiCr2，TiMn2A1-xNxB2-yMy