08-弹性合金分析.ppt

弹性弹性弹性材料弹性材料普通弹性合金，如弹簧钢普通弹性合金，如弹簧钢特殊弹性合金特殊弹性合金 高高弹弹性性合合金金具具有有高高的的弹弹性性模模量量(E=181.3215.6 GPa)、高高弹弹性性极极限限(e=1180 MPa)、高高强强度度(b=11762450 MPa)、高高硬硬度度(HRC=3060)、耐耐蚀蚀、耐耐高高温温、无无磁磁、高高的的疲疲劳劳强强度度、小的弹性后效及良好的加工性与焊接性等。小的弹性后效及良好的加工性与焊接性等。高弹性合金高弹性合金恒弹性合金恒弹性合金 恒恒弹弹性性合合金金亦亦称称埃埃林林瓦瓦（Elinvar）合合金金。所所谓谓恒恒弹弹性性是是指指在在一一定定温温度度范范围围内内，材材料料的的弹弹性性模模量量（或或共共振振频频率率）随随温温度度变变化化很很小小或或不不变变。具具有有小小的的或或恒恒定定的的弹弹性性模模量量温温度度系系数数 E（或或 G），或或频频率率温温度度系系数数 f，同同时时要要求求合合金金具具有有高高的的E、e、b，高的机械品质因数，高的机械品质因数Q值，时间稳定性好等特性。值，时间稳定性好等特性。第八章第八章 弹性合金弹性合金1南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗金属与合金的弹性金属与合金的弹性恒弹性合金恒弹性合金弹弹性性模模量量、弹弹性性模模量量温温度度系系、频频率率温温度度系系数数、铁磁材料的弹性反常、金属与合金的滞弹性铁磁材料的弹性反常、金属与合金的滞弹性高弹性合高弹性合铁基高弹性合金铁基高弹性合金、其它高弹性合金其它高弹性合金铁铁磁磁性性恒恒弹弹性性合合金金、无无磁磁恒恒弹弹性性合合金金、特特殊殊性性能的恒弹性合金能的恒弹性合金 第六章第六章 弹性合金弹性合金2南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（1 1）一、一、弹性极限与弹性模量弹性极限与弹性模量1、实验规律、实验规律BC0 0,%,MPaA弹性变形弹性变形弹性极限弹性极限3南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗弹性模量弹性模量杨氏模量杨氏模量E剪切模量剪切模量G体积弹性模量体积弹性模量K*材料在受拉伸或材料在受拉伸或压缩时压缩时，不，不仅仅沿沿纵纵向向发发生生纵纵向向变变形，形，在横向也会同在横向也会同时发时发生生缩缩短或增大的横向短或增大的横向变变形。由材料力学形。由材料力学知知,在在弹弹性性变变形范形范围围内，横向内，横向应变应变 y和和纵纵向向应变应变 x成正比关系，成正比关系，这这一比一比值值称称为为材料的材料的泊松比泊松比，一般以，一般以表示，即表示，即 2、弹性模量、弹性模量8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（2 2）4南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗E、G、K的物理意义的物理意义对各向同性材料对各向同性材料E、G、K的相互关系的相互关系8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（3 3）5南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗（1 1）、原子间结合力与弹性模量）、原子间结合力与弹性模量3 3、影响弹性模量的因素、影响弹性模量的因素 弹弹性性模模量量是是表表征征原原子子间间结结合合力力大大小小的的物物理理量量，是是组组织织结结构构不不敏敏感感的的力力学学参参数数。主主要要取取决决于于金金属属与与合合金金的的原原子子结结构构，点点阵阵类类型型等等本质。本质。金属弹性模量的周期变化金属弹性模量的周期变化 8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（4 4）6南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗（2）、影响弹性模量的因素）、影响弹性模量的因素:原子结构原子结构点阵类型点阵类型晶体学位向晶体学位向成分与组织成分与组织温度温度弹性模量温度系数弹性模量温度系数8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（5 5）7南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗二、二、弹性模量温度系数弹性模量温度系数 弹弹性性模模量量E(G)随随温温度度变变化化而而变变化化，用用 E(G)表表示示温温度度变变化化1时弹时弹性模量的相性模量的相对变对变化，即：化，即：(1/C)(1/C)8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（6 6）8南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗三、三、频率温度系数频率温度系数 弹弹性性元元件件在在动动态态应应用用中中（如如用用作作频频率率元元件件），常常对对频频率率温温度度系系数数这这一一指指标标有有要要求求，它它表表示示材材料料的的共共振振频频率率随随温度的温度的变变化，用化，用 f表示：表示：同一材料在同一振同一材料在同一振动动模式下，它的模式下，它的弹弹性模量温度系数性模量温度系数 E与与频频率温度系数率温度系数 f之之间间的关系的关系为为：(1/C)f0材料的共振材料的共振频频率。率。材料的材料的线线膨膨胀胀系数。系数。E=2 f 8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（7 7）9南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗四、铁磁材料的四、铁磁材料的弹性反常弹性反常 一一般般金金属属与与合合金金的的弹弹性性模模量量随随温温度度升升高高而而减减小小，0），这这属属于于弹弹性性模模量量的的反反常常变变化化，称称弹弹性性反常反常。原因原因：相变、有序相变、有序-无序转变、铁磁性无序转变、铁磁性-反铁磁性转变等。反铁磁性转变等。铁磁性材料的弹性模量的反常原因铁磁性材料的弹性模量的反常原因-力致伸缩力致伸缩B0 0,%,MPaA8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（8 8）10南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 在在居居里里温温度度Tc以以下下某某一一温温度度范范围围，铁铁磁磁材材料料的的E可可用用下式表示：下式表示：E=EpE=Ep(E +E +EA)Ep顺磁状态下材料的弹性模量；顺磁状态下材料的弹性模量；E 力致线性伸缩引起力致线性伸缩引起E值的变化；值的变化；E 力致体积伸缩引起的力致体积伸缩引起的E值的变化；值的变化；EA由自发体积磁致伸缩引起的由自发体积磁致伸缩引起的E值的变化。值的变化。常见现象常见现象NiNi42Fe588.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（9 9）11南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 铁铁磁磁材材料料的的E是是由由Ep和和 E两两部部分分组组成成，因因此此E随随温温度度的的变变化化也也应应由由这这两两部部分分的的温温度度系系数数所所构构成成。Ep随随温温度度升升高高而而减减小小，但但这这一一减减小小可可由由 E效效应应随随温温度度的的变变化化进进行行补补偿偿，从从而而使使材材料料的的E值值随随温温度度变变化化很很小小（0）；如如果果超超量量补补偿偿，则则可可使使E随随温温度度升升高高而而增增加加（0），出出现现弹弹性性反反常常变化。变化。对对不不同同材材料料，E效效应应中中的的各各分分量量 E、E、EA所所占占分分数数不不同同，所所以以E随随温温度度的的变变化化表表现现出出不不同同的的特特征征。对对于于 0的的弹弹性性合合金金，称称其其为为埃埃林林瓦瓦合合金金（Elinvar），即即恒恒弹弹性合金。性合金。大大多多数数顺顺磁磁性性、反反铁铁磁磁性性金金属属与与合合金金也也具具有有弹弹性性反反常行为，因此也可获得恒弹特性。常行为，因此也可获得恒弹特性。8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（10 10）12南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗五、金属与合金的滞五、金属与合金的滞弹性弹性 对对于于实实际际弹弹性性体体，即即使使在在弹弹性性变变形形范范围围内内，应应力力与与应应变变之之间间也也是是一一种种非非线线性性关关系系，变变形形不不是是完完整整弹弹性性的的，这这种种现象称为现象称为滞弹性滞弹性或称为或称为弹性的不完整性弹性的不完整性。弹性不完整性的大小是弹性合金的重要指标。弹性不完整性的大小是弹性合金的重要指标。各种弹各种弹性敏感元件或频率元件一般都要求材料的弹性不完整性越性敏感元件或频率元件一般都要求材料的弹性不完整性越小越好，而作为减振合金则要求其弹性的不完整性越大越小越好，而作为减振合金则要求其弹性的不完整性越大越好。好。8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（11 11）13南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗主要表现主要表现固定载荷固定载荷-弹性后效弹性后效循环载荷循环载荷-弹性滞后弹性滞后能量效应能量效应-内耗内耗 弹弹性性的的不不完完整整性性有有5种种表表现现形形式式：正正/反反弹弹性性后后效效、弹弹性性滞后、应力松弛、模量亏损和内耗。滞后、应力松弛、模量亏损和内耗。8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（12 12）14南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗弹性后效弹性后效示意图示意图t1加载加载10min；t2卸载卸载10min8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（13 13）15南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗弹性滞后弹性滞后示意图示意图 8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（14 14）16南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 内内耗耗在在弹弹性性材材料料研研究究中中有有两两种种意意义义：在在一一些些场场合合下下，一一些些精精密密仪仪器器仪仪表表中中的的弹弹性性或或频频率率元元件件为为提提高高其其精精度度和和灵灵敏敏度度，要要求求材材料料的的内内耗耗要要小小，以以减减少少能能量量的的损损耗耗；而而在在另另一一些些场场合合，为为了了减减振振降降噪噪则则需需要要材材料料具具有有大大的的内内耗耗值值，这这就就是是高高阻阻尼尼材材料，即减振合金。料，即减振合金。金金属属材材料料在在振振动动过过程程中中，即即使使与与外外界界完完全全隔隔绝绝，其其振振动动机机械械能能也也会会由由于于弹弹性性的的不不完完整整性性而而转转变变成成热热能能，使使振振动动逐逐渐渐停止，从而停止，从而导导致能量的致能量的损损耗，耗，这这一一现现象称象称为为内耗内耗。内内耗耗的的类类型型有有3 3种种：滞滞弹弹性性内内耗耗、阻阻尼尼共共振振型型内内耗耗和和静静滞后内耗。滞后内耗。内耗内耗Q Q 1 1是机械品是机械品质质因数因数Q Q的倒数。的倒数。8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（15 15）17南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 W振振动动一周能量的一周能量的损损耗；耗；W 振振动动一周的一周的总总能量；能量；An和和An+1第第n次次和和第第n+1次次振振动动的的振振幅幅，用用扭扭摆摆法或共振法法或共振法测测量。量。对对于减振合金内耗的大小可用防振系数于减振合金内耗的大小可用防振系数 来表示，即：来表示，即：8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（16 16）18南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗弹性不完整性的弹性不完整性的起因起因微观塑性变形的不均匀性微观塑性变形的不均匀性间隙原子的扩散间隙原子的扩散晶界的粘滞性流动晶界的粘滞性流动弹性不完整性的弹性不完整性的控制方法控制方法提高弹性极限提高弹性极限降低合金微观区域的不均匀性降低合金微观区域的不均匀性8.18.1 金属与合金的弹性（金属与合金的弹性（17 17）19南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗8.28.2 高弹性合金（高弹性合金（1 1）一、铁基高弹性合金一、铁基高弹性合金 铁铁基基高高弹弹性性合合金金应应用用最最广广泛泛的的是是Ni36CrTiAl(3J1)和和在在此此基基础础 上上 添添 加加 w(Mo)=5%的的 Ni36CrTiAlMo5(3J2)及及 w(Mo)=8 的的Ni36CrTiAlMo8(3J3)合合金金。该该类类合合金金淬淬火火状状态态具具有有较较好好的的塑塑性性，可可进进行行各各种种冷冷加加工工及及弹弹性性元元件件的的成成型型。时时效效后后得得到到强强化化，具具有有很很高高的的机机械械和和弹弹性性性性能能，并并且且无无磁磁、耐耐蚀蚀。它它们们的的工工作作温温度分别为度分别为250、350、400。在在Ni36CrTiAl合合金金中中，通通过过加加入入w(Mo)=5%和和w(Mo)=8%的的 Mo，得得 到到 了了 2个个 新新 牌牌 号号 高高 弹弹 性性 合合 金金：Ni36CrTiAlMo5(3J2)，Ni36CrTiAlMo8(3J3)，它它们们的的工工作作温温度可达到度可达到350500。20南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 Ni是是扩扩大大Fe的的 区区元元素素，稳稳定定奥奥氏氏体体组组织织。在在Fe-Ni二二元元合合金金中中，Ni的的质质量量分分数数大大于于36时时，用用一一般般冷冷却却速速度度冷冷到到-196时时也也不不会会发发生生奥奥氏氏体体向向马马氏氏体体的的转转变变。在在合合金金中中加加入入w(Cr)=13%也也不不会会明明显显改改变变这这一一状状态态。这这就就使使合合金金具具有有良良好好的的塑塑性性和和低低温温韧韧性性。Ni的的另另一一个个作作用用是是与与Ti、Al形形成成面面心心立立方方结结构构的的强强化化相相-Ni3(Ti,Al)和和密密排排六六方方的的 相相，即即Ni3Ti，使使合合金金时时效效后后得得到到弥弥散散强强化化。但但Ni含含量量过过高高会会降降低低合合金金的的弹弹性性模模量量，同时使居里温度同时使居里温度Tc提高，合金可能成为铁磁性的。提高，合金可能成为铁磁性的。w(Ni)=34.5%36.5%，w(Cr)=11.513.0%，w(Ti)=2.7%3.2%，w(Al)=1.0%1.8%，w(C)0.05%，w(Si)0.08%，w(Mn)1.00%，Fe余量。余量。1、Ni36CrTiAl合金的成分及组织合金的成分及组织各元素在合金中的作用如下：各元素在合金中的作用如下：8.28.2 高弹性合金（高弹性合金（2 2）21南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 Cr的的加加入入（w(Cr)11.5%）可可提提高高合合金金的的电电极极电电位位，增增强强耐耐蚀蚀性性。铬铬可可降降低低合合金金的的居居里里温温度度Tc。在在室室温温以以上上为为顺顺磁磁性性。同同时时Cr溶溶于于 相相的的基基体体中中，增增强强了了晶晶格格中中原原子子间间结结合合力力，使使合合金金的的弹弹性性模模量量提提高高。Cr的的加加入入还还能能增增加加析析出出相相的的数数量量，起起到到固固溶溶强强化化作作用用。但但Cr的的质质量量分分数数大大于于13%时时，增增加加合合金金脆脆性性，冷变形困难。冷变形困难。Ti、Al是是 合合 金金 的的 重重 要要 强强 化化 元元 素素，时时 效效 时时 形形 成成 -Ni3(Ti,Al)相相从从 固固溶溶体体中中析析出出，使使合合金金得得到到强强化化，由由于于Ti的的原原子子半半径径较较大大，因因此此Ti的的强强化化效效果果比比A1的的大大。但但A1能能促促进进 相相的的形形核核过过程程，从从而而增增加加 相相的的析析出出量量，提提高高合合金金的的强强度度。相相是是亚亚稳稳态态，时时效效温温度度过过高高时时，很很容容易易发发生生相相的的转转变变。Al的的加加入入可可使使 相相的的稳稳定定性性增增加加，抑抑制制 相相的的转转变变。但但A1含含量量过过高高使使加加工工性性恶恶化化。综综合合考考虑虑，Ni36CrTiAl合合金金中中Al含含量量控控制制在在w(Al)=0.8%1.2%为为好好。只只要要Al含含量量能能保保证证合合金金生生成成足足够够数数量量的的、较较稳稳定定的的 相相就就可可以以了了。对对于于Fe-Ni基基高高弹弹性性合合金金，一般采用高一般采用高Ti低低A1，这有利于合金强度的提高。，这有利于合金强度的提高。8.28.2 高弹性合金（高弹性合金（3 3）22南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 合合金金中中C含含量量应应尽尽量量低低。因因为为C与与Ti生生成成TiC可可降降低低Ti的的强强化化效效果果；另另外外C与与Cr生生成成Cr23C6会会造造成成晶晶间间腐腐蚀蚀，使使合合金金的的耐耐蚀蚀性性下下降降，故故C含含量量一一般般控制在控制在w(C)=0.05%左右。左右。8.28.2 高弹性合金（高弹性合金（4 4）23南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗(1)标标准准（普普通通）热热处处理理：固固溶溶处处理理+时时效效。固固溶溶温温度度一一般般为为900950，保保温温30min后后淬淬火火；时时效效温温度度为为650700，保保温温4h，空空冷。这种工艺得到的是冷。这种工艺得到的是 相混合析出结构。主要考虑合金的强度和塑性。相混合析出结构。主要考虑合金的强度和塑性。(2)形形变变热热处处理理：固固溶溶处处理理+冷冷变变形形+时时效效。形形变变热热处处理理是是在在固固溶溶处处理理后后进进行行冷冷变变形形（50%），从从而而导导致致亚亚结结构构细细化化，位位错错密密度度增增加加，加加速速时时效效过过程程中中 相相的的不不连连续续析析出出。使使合合金金的的强强度度和和硬硬度度大大大大提提高高，但但塑塑性性恶恶化。对于复杂的弹性元件的成型，不宜采用此热处理工艺。化。对于复杂的弹性元件的成型，不宜采用此热处理工艺。(3)二二次次淬淬火火形形变变热热处处理理：固固溶溶处处理理+冷冷变变形形+二二次次淬淬火火+时时效效。二二次次快快速速淬淬火火(3s)可可使使冷冷变变形形过过程程产产生生的的大大量量位位错错进进行行重重新新排排列列，形形成成稳稳定定的的多多边边化化结结构构。为为保保证证二二次次淬淬火火过过程程小小第第2相相来来不不及及析析出出，仍仍是是过过饱饱和和固固溶溶体体，一一般般要要求求二二次次淬淬火火时时快快速速加加热热，短短时时保保温温，从从而而保保证证在在随随后后的的时时效效过过程程中中 相相沿沿分分布布均均匀匀的的多多边边化化位位错错网网均均匀匀析析出出。二二次次淬淬火火工工艺艺不不仅仅能能显显著著提提高高合合金金的的弹弹性性极极限限，而而且且保保持持较较好好的的塑塑性性，克克服服了了一一般般形形变变热热处处理使塑性下降的缺点。此工艺对小截面元件或半成品片、丝材特别适用。理使塑性下降的缺点。此工艺对小截面元件或半成品片、丝材特别适用。(4)为为了了提提高高合合金金或或弹弹性性元元件件的的性性能能及及性性能能稳稳定定性性，还还可可采采用用稳稳定定化化处理、表面电抛光处理、动态时效处理、分级时效处理等热处理工艺。处理、表面电抛光处理、动态时效处理、分级时效处理等热处理工艺。3、Ni36CrTiAl系列合金的热处理工艺系列合金的热处理工艺8.28.2 高弹性合金（高弹性合金（5 5）24南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 Ni36CrTiAl合合金金在在淬淬火火状状态态是是单单相相奥奥氏氏体体 相相组组织织，经经550750回回火火后后，从从单单相相固固溶溶体体中中析析出出弥弥散散的的 相相，使使合合金金得得到到强强化化。该该合合金金不不足足之之处处是是使使用用温温度度较较低低（250）。为为进进一一步步提提高高合合金金的的使使用用温温度度和和热热稳稳定定性性，研研究究发发现现，Mo和和B对对增增加加合合金金的的热热稳稳定定性性和和降降低低非非弹弹性性行行为为有有良良好好的的作作用用。在在Ni36CrTiAl合合金金中中加加入入w(Mo)=5%8%的的Mo可可大大大大提提高高合合金金的的 s/b值值。w(Mo)=5%和和w(Mo)=8%的的合合金金，当当温温度度升升高高到到500时时，其其强强度度只只减减小小6%。而而且且含含Mo的的合合金金的的 相相的的组组成成为为(Ni,Fe)3(Ti,Al,Mo)。由由于于 相相中中不不溶溶Mo，所所以以Mo有有稳稳定定 相相的的作作用用，使使 相相聚聚集集和和相相的的转转变变速速度度大大大大降降低低，结结果果使使含含Mo合合金金的的 e、b、HB、E增增加加，热热稳稳定定性性和和抗抗松松弛弛能能力提高。力提高。2、热处理和冷变形对合金组织及性能的影响、热处理和冷变形对合金组织及性能的影响8.28.2 高弹性合金（高弹性合金（6 6）25南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗Ni36CrTiAl合金性能与固溶温度的关系曲线（保温合金性能与固溶温度的关系曲线（保温20min，水淬），水淬）D晶粒尺寸；晶粒尺寸；d点阵常数；点阵常数；电阻率电阻率 固溶处理固溶处理 8.28.2 高弹性合金（高弹性合金（7 7）26南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗时效处理时效处理 强度与时效温度及时效前的状态之间的关系强度与时效温度及时效前的状态之间的关系-50%变形率；变形率；-950固溶；固溶；-1050固溶固溶8.28.2 高弹性合金（高弹性合金（8 8）27南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗冷变形量和时效温度对冷变形量和时效温度对Ni36CrTiAl合金硬度的影响合金硬度的影响 时效温度对时效温度对Ni36CrTiAl合金合金性能的影响性能的影响 8.28.2 高弹性合金（高弹性合金（9 9）28南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗二、其它高弹性合金二、其它高弹性合金铜铜基高基高弹弹性合金性合金的主要性能的主要性能 合金合金/%性能性能黄黄铜铜(33Zn)磷青磷青铜铜(8Sn0.2P)德德银银(18Ni27Zn)铍铍青青铜铜(1.52.0Be)钛铜钛铜(4Ti)密度密度/g cm 18.478.808.708.208.59电电阻率阻率/cm,10813315.77.81257导热导热率率/Wm K 1119.762.829.3113.0125.6膨膨胀胀系数系数/10 6 1(20300)18.018.216.717.016.6抗拉抗拉强强度度/MN m 26868926869808821030109813737351375维维氏硬度氏硬度/HV115180160260150250350430250400杨杨氏模量氏模量E/GPa103103110130.43122.58剪切模量剪切模量G/GPa38453848熔点熔点/90993810201055865980100010608.28.2 高弹性合金（高弹性合金（10 10）29南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗几种几种Ni基高基高弹弹性合金性合金的成分和性能的成分和性能合金合金成成 分分（质质量分数）量分数）/%杨杨氏模量氏模量/GPa抗拉抗拉强强度度/MPa电电阻率阻率 10 8m硬度硬度工作温度工作温度/NiBe21.0Mn,1.92.4Be,余余Ni1961570181020HV470500370Monel2.0Mn,30Cu,2.5Fe,余余Ni178480116048.2HRC19200Nimonic1821Cr,18Co,3Ti,2Al,余余Ni1931230115600 钴基高弹性合金钴基高弹性合金是以钴为基（是以钴为基（w(Co)=38%45%），含），含有质量分数为有质量分数为10%20%的的Cr和和Ni，此外尚有，此外尚有Fe、W、Mo、Ti、A1等元素。等元素。8.28.2 高弹性合金（高弹性合金（11 11）30南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（1 1）一、铁磁性恒弹性合金一、铁磁性恒弹性合金1、Fe-Ni基合金基合金几种典型几种典型Fe-Ni基恒基恒弹弹性合金的化学成分性合金的化学成分合金合金成分（成分（质质量分数）量分数）/%CSiMnCrNiTiAlFeNi36Cr12(Elinvar)0.70.81236余余Ni42CrTiAl(3J53)0.05 0.08 0.085.25.841.543.02.32.70.50.8余余Ni44CrTiAl(3J58)0.05 0.08 0.085.25.643.545.52.32.70.50.8余余Ni-Spanc（美国）（美国）0.060.400.405.2422.30.4余余31南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 Ni与与合合金金中中的的Fe、Cr等等元元素素形形成成 固固溶溶体体，Ni和和Fe是是合合金金产产生生弹弹性性反反常常行行为为的的基基础础。固固溶溶体体中中的的Ni含含量量影影响响着着合合金金的的恒恒弹弹特特性性，固固溶溶体体中中的的Ni含含量量与与合合金金的的原原始始成成分分相相时时效效后后析析出出的的-Ni3(Ti,Al)相相的的数数量量有有关关。Ni含含量量在在w(Ni)=28%和和w(Ni)=44%时时，合合金金的的 E 0；美美国国的的克克拉拉克克(Clark C.A.)研研究究发发现现，经经35%冷冷变变形形，在在650时时效效，这这种种Fe-Ni-Cr-Ti合合金金的的热热弹弹性性系系数数2 E与与 相相中中的的Ni质质量量分分数数N及及 相相中中的的Cr、Ti、A1、Mn等元素的总质量分数等元素的总质量分数A呈抛物线关系。呈抛物线关系。1、合金中各元素的作用、合金中各元素的作用A 相相中中Cr、Ti、Al、Mn、Si的的质质量量分分数数总总和；和；N 相相中中Ni的的质质量量分分数数，Ni =Ni%3.66(Ti%1%)。Ni%、Ti%为合金中为合金中Ni和和Ti的质量分数。的质量分数。8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（2 2）32南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗Fe-Ni合金合金 E随随Ni浓度变化曲线浓度变化曲线(a)二元合金；二元合金；(b)附附加加Cr的三元合金的三元合金8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（3 3）33南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗Ni42CrTiAl合合 金金热热弹弹性性系系数数(2 f)与成分的关系与成分的关系 8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（4 4）34南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 Cr主主 要要 是是 使使 弹弹 性性 模模 量量 温温 度度 系系 数数 E值值 降降 低低，当当w(Ni)=42%时时，w(Cr)=4%6%之之间间，E值值则则在在零零附附近近，同同时时Cr的的加加入入可可降降低低合合金金的的Tc，提提高高合合金金的的耐耐蚀蚀性性。Cr不不参参与与形形成成金金属属间间化化合合物物，也也不不改改变变析析出出相相的的结结构构它它主主要要存存在在于于 固固溶溶体体中中，当当合合金金中中Ti、Al、Si、Mn含含量量增增加加或或加加入入Cu、V等等元元素素时时，可可相相应应降降低低Cr含含量量，以以防防止止热热弹弹性性系数和居里温度过低。系数和居里温度过低。Ti、A1是是合合金金中中的的主主要要强强化化元元素素，其其中中除除约约质质量量分分数数为为1%的的Ti溶溶于于 固固溶溶体体中中与与C形形成成以以TiC，其其余余的的Ti与与Ni和和Al在在时时效效过过程程中中形形成成 -Ni3(Ti或或Al)金金属属间间化化合合物物，弥弥散散分分布布 基基体体中中，起起强强化化作作用用。Ti和和A1也也是是提提高高合合金金机机械械品品质因数质因数Q值的重要元素。值的重要元素。8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（5 5）35南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 合合金金的的化化学学成成分分确确定定之之后后，合合金金的的性性能能主主要要由由时时效效过过程程中中 相相的的析析出出量量、形形貌貌和和分分布布状状态态所所决决定定。而而合合金金的的组组织织结构则与固溶处理、冷变形、时效工艺密切相关。结构则与固溶处理、冷变形、时效工艺密切相关。2、组织结构与性能、组织结构与性能固溶处理固溶处理8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（6 6）36南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗冷变形、时效工艺冷变形、时效工艺冷变形和时效温度冷变形和时效温度对对Ni42CrTiAl合金合金 b影响影响 8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（7 7）37南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗Ni42CrTiAl合金的合金的 E值与时效温度的关系值与时效温度的关系8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（8 8）38南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 不不锈锈因因瓦瓦合合金金：w(Co)=54%、w(Cr)=9.5%的的Co-Fe合合金金不不仅仅具具有有很很强强的的因因瓦瓦效效应应，形形成成膨膨胀胀系系数数很很小小的的不不锈锈因因瓦瓦合合金金，而而且且这这种种合合金金还还同同时时表表现现出出最最强强的的埃埃林林瓦瓦特特性性。在在退退火火状状态态下下，它它的的弹弹性性模模量量温温度度系系数数 E=82 10 5/，切切变变模模量量温温度度系系数数 G=35.9 10 5/。人人们们把把这这种种Co-Fe-Cr合合金金称称为为Co-E1invar合合金金，并并在在Co-Fe-Cr系系合合金金基基础础上上 添添 加加 第第 3或或 第第 4种种 元元 素素，研研 制制 出出 了了 Mo-Elinvar、W-Elinvar、V-Elinvar及及Mn-Elinvar合金。合金。在在Co-Fe-Cr合合金金中中加加Ni（置置换换其其中中的的Co、Cr）时时，可可加加强强合合金金的的弹弹性性反反常常行行为为，扩扩大大反反常常的的成成分分范范围围，并并能能改改善善合合金金的的加加工工性性能能。复复合合加加入入Cr、W、Ni、Ni的的Co-Fe合合金金称称Elcolloy合合金金。此此合合金金具具有有优优异异的的力力学学性性能能，在在退退火火状状态态下下，合合金金的的强强度度 b=1717MPa、弹弹性性极极限限 e1305MPa，它正在逐步代替，它正在逐步代替Co-E1invar合金。合金。Co-Elinvar合合金金特特点点：性性能能稳稳定定、不不受受振振动动模模式式影影响响、E 和和 G可同时趋于零可同时趋于零用此合金作手表游丝，可使手表日走时差在用此合金作手表游丝，可使手表日走时差在1s以下。以下。2、Co-Fe系恒弹性合金系恒弹性合金8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（9 9）39南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗二、无磁恒弹性合金二、无磁恒弹性合金Nb基合金基合金 w(Zr)9.9%19%的的Nb-Zr合合金金经经冷冷轧轧和和1200、1h高高温温退退火火后后、由由于于得得到到 110 和和 111 织织构构，合合金金的的 f/f T曲曲线线出现反常变化，合金在较宽的温度范围内表现出恒弹特性。出现反常变化，合金在较宽的温度范围内表现出恒弹特性。w(Zr)=19%22%的的Nb-Zr合合金金经经97冷冷变变形形和和660、64h退退火火，可可获获得得恒恒弹弹特特性性。这这是是由由于于大大的的冷冷变变形形量量使使合合金金内内部部产产生生高高密密度度位位错错（约约1012/cm2），位位错错与与O，N等等一一些些杂杂质质原原子子有有强强烈烈地地交交互互作作用用，在在位位措措周周围围形形成成Cottrell气气团团。温温度度升升高高，这这种种交交互互作作用用被被激激活活而而加加强强，位位错错运运动动被被这这种种气气团团所所钉钉扎扎，使使合合金金在在一一定定的的温温度度范范围围内内，弹弹性性模模量量E保保持持有有限限的变化，表现出恒弹特性。的变化，表现出恒弹特性。1、顺磁性恒弹性合金、顺磁性恒弹性合金8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（10 10）40南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 Ti基合金基合金 主主要要有有Ti-Ni-Co-Fe和和Ti-Ni-Co两两类类合合金金。Ti基基恒恒弹弹合合 金金 的的 特特 点点 是是：能能 在在 较较 高高 温温 度度 下下 保保 持持 恒恒 弹弹 特特 性性（600700），频频率率温温度度系系数数 f 在在10 5/的的水水平平，有有的可达到的可达到(12)10-6/；但这类合金难加工。；但这类合金难加工。Nb-Ti基合金基合金 w(Ti)=50 的的 Nb-Ti合合 金金 经经 900淬淬 火火 w(Ti)=65%的的 Nb-Ti合合 金金 经经 冷冷 变变 形形+低低 温温 回回 火火(350)。w(Ti)=40%的的Nb-Ti合合金金冷冷变变形形后后经经1000、1h高高温温退退火火后后均均可可在在很很宽宽的的温温度度范范围围内内表表现现出出恒恒弹弹特特性性。Nb-Ti合合金金最大特点是使用温度较高。最大特点是使用温度较高。8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（11 11）41南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 Fe-Mn系系 W(Mn)=20%40%。通常控制在。通常控制在30%左右。左右。w(Mn)30%时时，合合金金由由 固固溶溶体体组组成成；w(Mn)25000；在在Fe-Ni-Mo合合金金中中，通通过过添添加加Mo、W、Cr或或Sn、In，也可获得高的也可获得高的Q值（值（Q30000）；）；对对传传统统的的Ni42CrTiAl合合金金采采取取分分级级时时效效二二次次冷冷轧轧，二二次时效等工艺也可获得高次时效等工艺也可获得高Q值。值。2、高、高Q值恒弹性合金值恒弹性合金8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（15 15）45南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗 非非晶晶态态合合金金与与传传统统的的晶晶态态材材料料相相比比具具有有制制造造工工艺艺简简单单、成成材材率率高高、机机械械强强度度高高、韧韧性性好好、耐耐腐腐蚀蚀等等优优点点，是是一一种种新新型的恒弹性合合。型的恒弹性合合。铁铁磁磁性性非非晶晶恒恒弹弹性性合合金金有有Fe-B系系、Fe-P系系、M-Zr系系（M：Fe、Ni、Co及及其其合合金金）、Fe-X-B系系（X：Si、Cr、Mo）、Fe-Ni-P-B系系等等。如如非非晶晶合合金金Fe85B15和和Fe81Cr4B5，在在无无磁磁场场时时，居居里里温温度度Tc以以下下弹弹性性模模量量E值值不不随随温温度度变变化化，可可用用于于制制造造延延迟迟线线，而而(FeCr)85B15非非晶晶态态合合金金具具有有因因瓦瓦和和埃埃林林瓦瓦双双重重特特性性，延延时时特特性性好好。该该合合金金的的弹弹性性受受磁磁场场影影响响很很大大，故可用磁场很容易地控制音速。故可用磁场很容易地控制音速。无无磁磁非非晶晶恒恒弹弹性性合合金金有有Pd-Si系系、Ni-Si-B系系等等，例例如如有有Pd80Si20、Ni78Si10B12等。等。3、非晶态恒弹性合金、非晶态恒弹性合金8.38.3 恒弹性合金（恒弹性合金（16 16）46南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗恒弹性合金恒弹性合金特点是在一定的温度范围特点是在一定的温度范围(一般为一般为-60+100)内其弹性模量或共振频率不随温度而变化内其弹性模量或共振频率不随温度而变化(或变化或变化很小很小)。由于此独特性能。由于此独特性能,使它在精密仪器仪表、测量技术、使它在精密仪器仪表、测量技术、通讯技术及计算技术中获得广泛应用。通讯技术及计算技术中获得广泛应用。高弹性合金高弹性合金的特点主要是弹性大、强度高的特点主要是弹性大、强度高,故广泛用于航故广泛用于航空、无线电、精密机械和精密仪表中空、无线电、精密机械和精密仪表中,如航空仪表中的波如航空仪表中的波纹膜盒、继电器装置中的接触点弹簧片、钟表和仪表中的纹膜盒、继电器装置中的接触点弹簧片、钟表和仪表中的发条等。发条等。弹性合金包括弹性模量温度系数很小的弹性合金包括弹性模量温度系数很小的恒弹性合金恒弹性合金(如如Ni42CrTi,Ni35CrMoW)及弹性极限很高的及弹性极限很高的高弹性合金高弹性合金(如如铁基铁基Ni36CrTiAl)两类。两类。小结小结47南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗48南航材料学院南航材料学院 王寅岗王寅岗