材料化学第讲新型金属材料.ppt

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1、材料化学第讲新型金属材料1现在学习的是第1页，共56页（2）金属的冶炼过程）金属的冶炼过程高炉冶炼用的原料主要由铁矿石、燃料和熔剂三部分组成。高炉冶炼用的原料主要由铁矿石、燃料和熔剂三部分组成。（一）铁矿石（一）铁矿石 高炉冶炼用的铁矿石要求成分稳定、含铁品位高、脉石（矿石中有用部分与没有高炉冶炼用的铁矿石要求成分稳定、含铁品位高、脉石（矿石中有用部分与没有工业价值的岩石或其它矿物伴生在一起，工业价值的岩石或其它矿物伴生在一起，这些没有用的部分叫脉石这些没有用的部分叫脉石）少、有害杂质少、矿石粒）少、有害杂质少、矿石粒度均匀、强度好、还原性好。铁矿石含铁量的多少（即品位高低），直接影响到炼铁生

2、产的各项度均匀、强度好、还原性好。铁矿石含铁量的多少（即品位高低），直接影响到炼铁生产的各项指标。一般含铁量在指标。一般含铁量在3030以上的铁矿石才有开采价值。当前作为炼铁原料的铁矿石主要以上的铁矿石才有开采价值。当前作为炼铁原料的铁矿石主要有：有：（1 1）磁铁矿。）磁铁矿。主要成分主要成分Fe3O4，纯矿石最高含铁量为纯矿石最高含铁量为72.472.4。（2 2）赤铁矿。）赤铁矿。主要成分主要成分Fe2O3，纯矿石最高含铁量为纯矿石最高含铁量为70.070.0。（3 3）褐铁矿。）褐铁矿。主要成分主要成分FeO(OH)，纯矿石含铁量在纯矿石含铁量在48486363之间。之间。（4 4）菱

3、铁矿。主要成分）菱铁矿。主要成分FeCO3，经过焙烧，二氧化碳从矿石中分解出来。，经过焙烧，二氧化碳从矿石中分解出来。（5 5）钒钛磁铁矿。除含铁外，还有金属钒和轻金属钛，理论上钒钛磁铁矿的含铁量）钒钛磁铁矿。除含铁外，还有金属钒和轻金属钛，理论上钒钛磁铁矿的含铁量为为36.836.8，含钛，含钛31.631.6，其余是钒和氧。我国西南地区重要钢铁基地攀枝花钢铁公司所，其余是钒和氧。我国西南地区重要钢铁基地攀枝花钢铁公司所用的矿石就是钒钛磁铁矿。用的矿石就是钒钛磁铁矿。3.2.5.高温高温熔融法熔融法v高炉冶炼用的原料高炉冶炼用的原料2现在学习的是第2页，共56页v高炉用燃料包括焦炭和喷吹燃料

4、两大类。高炉用燃料包括焦炭和喷吹燃料两大类。v焦炭在炼铁过程中有三种作用：一是燃烧供给热量（热源）；二是作为料柱骨架焦炭在炼铁过程中有三种作用：一是燃烧供给热量（热源）；二是作为料柱骨架（气窗）；三是作还原剂。因此，焦炭中的含碳量越高越好。除了强度好和骨架（气窗）；三是作还原剂。因此，焦炭中的含碳量越高越好。除了强度好和骨架作用外，高炉对喷吹燃料的要求及其作用与焦炭相同。作用外，高炉对喷吹燃料的要求及其作用与焦炭相同。v高炉炼铁主要用焦炭作燃料。焦炭含碳量较高，气孔率高，最大的特点是高炉炼铁主要用焦炭作燃料。焦炭含碳量较高，气孔率高，最大的特点是机械强度（以转鼓指数表示）高，能满足大型高炉的要

5、求。因此，目前在高机械强度（以转鼓指数表示）高，能满足大型高炉的要求。因此，目前在高炉炼铁中一般都采用焦炭作主要燃料。炉炼铁中一般都采用焦炭作主要燃料。20世纪世纪60年代开始盛行喷吹技术（喷煤、年代开始盛行喷吹技术（喷煤、油、天然气等），目的在于部分取代宝贵的焦炭资源，但只能取代焦炭的还原剂油、天然气等），目的在于部分取代宝贵的焦炭资源，但只能取代焦炭的还原剂和热源两个作用，而料柱骨架作用取代不了。焦炭是高炉炼铁必不可少的燃料。和热源两个作用，而料柱骨架作用取代不了。焦炭是高炉炼铁必不可少的燃料。（2）金属的冶炼过程）金属的冶炼过程3.2.5.高温高温熔融法熔融法v（二）燃料（二）燃料3现在

6、学习的是第3页，共56页v在铁矿石中，除铁以外，还有脉石及硫等有害杂质，在焦炭及煤在铁矿石中，除铁以外，还有脉石及硫等有害杂质，在焦炭及煤粉中含有灰分，所以炼铁时要加入熔剂，与脉石和焦炭及煤粉中粉中含有灰分，所以炼铁时要加入熔剂，与脉石和焦炭及煤粉中的灰分及其它杂质化合，形成的灰分及其它杂质化合，形成炉渣炉渣，以达到降低脉石熔点并使杂质、，以达到降低脉石熔点并使杂质、灰分与铁水分离的目的。灰分与铁水分离的目的。v高炉冶炼采用的熔剂主要有石灰石、白云石、蛇纹石等。对熔剂的高炉冶炼采用的熔剂主要有石灰石、白云石、蛇纹石等。对熔剂的要求是：碱性氧化物（主要是氧化钙）的含量要高，而酸性氧化物要求是：碱

7、性氧化物（主要是氧化钙）的含量要高，而酸性氧化物（主要是二氧化硅和三氧化二铝）的含量尽可能低，有害杂质硫、（主要是二氧化硅和三氧化二铝）的含量尽可能低，有害杂质硫、磷含量也要低，强度高，块度适宜。磷含量也要低，强度高，块度适宜。（2）金属的冶炼过程）金属的冶炼过程3.2.5.高温高温熔融法熔融法v（三）熔剂（三）熔剂4现在学习的是第4页，共56页（2）金属的冶炼过程）金属的冶炼过程转炉炼钢转炉炼钢3.2.5.高温高温熔融法熔融法5现在学习的是第5页，共56页氧化：氧化：转炉炼钢是在转炉里进行。开始时，向内注入转炉炼钢是在转炉里进行。开始时，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并摄氏度的液态生铁，

8、并加入一定量的生石灰，然后鼓入氧气。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰加入一定量的生石灰，然后鼓入氧气。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化氧化(FeO,SiO2,MnO,)生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾，炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。（放热）使钢液剧烈沸腾，炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。随着温度升高，磷也发

9、生氧化并进一步生成磷酸亚铁、硫酸亚铁随着温度升高，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁、硫酸亚铁,同时，同时，石灰逐渐溶石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣。解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣。1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。现在已经成为世界上主要炼钢方法。原理：原理：靠吹入熔池的空气或氧气与生铁水中各种元素的放热氧化反应完成脱碳和脱除靠吹入熔池的空气或氧气与生铁水中各种元素的放热氧化反应完成脱碳和脱除杂质的任务，并将钢液加热到出钢（杂质的任务，并将钢液加热到出钢（1600或更高）温度。

10、或更高）温度。（2）金属的冶炼过程）金属的冶炼过程3.2.5.高温高温熔融法熔融法6现在学习的是第6页，共56页脱氧：脱氧：转炉吹炼终了转炉吹炼终了时，钢液中存在着少时，钢液中存在着少量过剩的溶解氧，一量过剩的溶解氧，一般为般为0.010.08。其。其含量主要取决于终点含量主要取决于终点钢水的碳含量钢水的碳含量(图图1)。但在固体钢中氧的溶但在固体钢中氧的溶解度很低解度很低,仅为仅为0.0020.003,因此在浇铸后因此在浇铸后的钢水凝固过程中，氧的钢水凝固过程中，氧便以便以FeO形式析出形式析出,影影响钢的质量。响钢的质量。（2）金属的冶炼过程）金属的冶炼过程3.2.5.高温高温熔融法熔融法

11、7现在学习的是第7页，共56页要炼成合格的钢要炼成合格的钢,就必须脱氧。就必须脱氧。脱氧是将与氧亲和力较大的元素及脱氧是将与氧亲和力较大的元素及其合金作为脱氧剂加入钢液中，利其合金作为脱氧剂加入钢液中，利用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮脱离钢液的原理脱离钢液的原理,使钢中的含氧量使钢中的含氧量降到规定限度之下。降到规定限度之下。各元素在各元素在1600时的脱氧能时的脱氧能力比较见图力比较见图2。在生产中常用的。在生产中常用的脱氧元素锰、硅、铝脱氧元素锰、硅、铝,它们的脱氧它们的脱氧能力依次递增。为提高脱氧效能力依次递增。为提高脱氧效率率,使脱氧产物易于形成大颗粒使脱

12、氧产物易于形成大颗粒排出，排出，脱氧剂的加入一般应采脱氧剂的加入一般应采用由弱到强的顺序，即先加锰用由弱到强的顺序，即先加锰铁，再加硅铁，最后加铝（或铁，再加硅铁，最后加铝（或铝铁）。铝铁）。（2）金属的冶炼过程）金属的冶炼过程3.2.5.高温高温熔融法熔融法8现在学习的是第8页，共56页主要内容：主要内容：v4 4.1.1 超耐热合金v4 4.2.2 超低温合金v4 4.3.3 超塑合金v4 4.4.4 形状记忆合金v4 4.5.5 贮氢合金v4 4.6.6 非晶态金属材料9现在学习的是第9页，共56页 在在7001200C高温下能满意工作的高温下能满意工作的金属材料。金属材料。4.1超耐热

13、合金超耐热合金4.1.1超耐热合金的定义超耐热合金的定义决定其在高温下能否正常使用决定其在高温下能否正常使用还需要考虑施加在构件上的还需要考虑施加在构件上的应力。应力。10现在学习的是第10页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金4.1.1超耐热合金的定义超耐热合金的定义占发动机重量占发动机重量70由超耐热由超耐热合金构合金构成。可以说超耐热合金成。可以说超耐热合金是燃气轮机的生命。是燃气轮机的生命。发动机的涡轮前温度、推力、发动机的涡轮前温度、推力、耗油率和寿命，都取决于超耐热耗油率和寿命，都取决于超耐热合金的性能和质量。合金的性能和质量。发动机的发动机的燃烧室为温度的最高区域，如把燃烧室为温

14、度的最高区域，如把涡轮前温度由涡轮前温度由900提高到提高到1300，则发动机椎力将会，则发动机椎力将会增加到增加到130，耗油率会大幅，耗油率会大幅度下降。度下降。11现在学习的是第11页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金4.1.1超耐热合金的定义超耐热合金的定义超耐热合金超耐热合金即受到高温作用不会变软，能始终保持合金体的硬度不变；另一方面即受到高温作用不会变软，能始终保持合金体的硬度不变；另一方面要求加以高应力时，合金的要求加以高应力时，合金的蠕变断裂蠕变断裂寿命长。寿命长。材料在长时间的恒温恒应力作用下缓慢产生材料在长时间的恒温恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为塑性变形的现象称为

15、蠕变蠕变。零件由于这种变。零件由于这种变形而引起的断裂称为形而引起的断裂称为蠕变断裂蠕变断裂。12现在学习的是第12页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金4.1.1超耐热合金的定义超耐热合金的定义现在，工业生产中广泛使用的耐热合金主要是镍合金，虽然在镍合金里也加现在，工业生产中广泛使用的耐热合金主要是镍合金，虽然在镍合金里也加入了金属铝和钛，但是它的耐热程度比钴合金低。入了金属铝和钛，但是它的耐热程度比钴合金低。最近日本东北大学大学研究小组成功地开发出在摄氏最近日本东北大学大学研究小组成功地开发出在摄氏1200度高温下仍然能保度高温下仍然能保持足够强度的钴金属新型合金，这个温度比普通的合金高出

16、摄氏持足够强度的钴金属新型合金，这个温度比普通的合金高出摄氏100度。这种新型度。这种新型合金只能达到几公斤，所以如何能生产出大型的新型钴金属合金，并使之真合金只能达到几公斤，所以如何能生产出大型的新型钴金属合金，并使之真正用于工业生产中，是向工业实用化迈进的一个新课题。正用于工业生产中，是向工业实用化迈进的一个新课题。日本最近制成了一种可在日本最近制成了一种可在1000以上高温条件下使用的新型合金材料，以上高温条件下使用的新型合金材料，可用于制造飞机发动机部件。这种新合金是以镍为基材，加入一定比例的可用于制造飞机发动机部件。这种新合金是以镍为基材，加入一定比例的钛、铬、铝、钨、钽和钼等金属元

17、素制成的。经试验，在钛、铬、铝、钨、钽和钼等金属元素制成的。经试验，在1040的高温下，的高温下，加以加以137MPa的应力，这种合金的蠕变断裂寿命约为的应力，这种合金的蠕变断裂寿命约为500h，是目前使用的高性能材料，是目前使用的高性能材料的的3倍。倍。13现在学习的是第13页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金4.1.1超耐热合金的定义超耐热合金的定义14现在学习的是第14页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金4.1.1超耐热合金的定义超耐热合金的定义15现在学习的是第15页，共56页AAA A A A AA H HeLi Be 固体元素人造元素B C N O F Ne Na Mg 气体元

18、素液体元素Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs MtUun Uuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am C

19、m Bk Cf Es Fm Md No Lr BBBBB.B.BB元素中文名:原子量：熔点：原子序数：元素英文名:价电子：沸点：核外电子排布:16现在学习的是第16页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金4.1.2超耐热合金的超耐热合金的分类分类17现在学习的是第17页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金4.1.2超耐热合金的超耐热合金的分类分类铁基超耐热合金由奥氏体不锈钢发展而来，铁基超耐热合金由奥氏体不锈钢发展而来，20世纪世纪40年代在年代在18-8型不锈钢中加型不锈钢中加入钼、铌、钛等元素，使该钢在入钼、铌、钛等元素，使该钢在500-700条件下的持久强度提高。条件下的持久强度提高。(1

20、)铁基超耐热合金铁基超耐热合金铁基合金中的镍是形成稳定奥氏体的主要元素，铬用来提高抗氧化性和抗燃气腐蚀铁基合金中的镍是形成稳定奥氏体的主要元素，铬用来提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性，性，钼和钨用来强化固溶体的晶界，铝、钛、铌起沉淀硬化作用。故它的基体为奥氏体。铁钼和钨用来强化固溶体的晶界，铝、钛、铌起沉淀硬化作用。故它的基体为奥氏体。铁基高温合金基高温合金用于低于用于低于800的条件，但由于其成本较低，主要用于制作一些使用温度要求不的条件，但由于其成本较低，主要用于制作一些使用温度要求不高的航空高的航空发动机和工业燃气轮机的零部件等。发动机和工业燃气轮机的零部件等。奥氏体奥氏体是碳溶解在是碳溶解在

21、Fe中的间隙固溶体。它仍保持中的间隙固溶体。它仍保持Fe的的面心立方晶格面心立方晶格。其溶碳能。其溶碳能力较大，在力较大，在727时溶碳为时溶碳为0.77,1148时可溶碳时可溶碳2.11。奥氏体是在大于。奥氏体是在大于727高温下才高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。不锈钢中的不锈钢中的“铁素体铁素体”,指的是碳溶解在指的是碳溶解在aFe中的间隙固溶体，它仍保持的中的间隙固溶体，它仍保持的体心立方体心立方晶格晶格。其溶碳能力很小，常温下仅能溶解为。其溶碳能力

22、很小，常温下仅能溶解为0.0008的碳，在的碳，在727时最大的溶碳能力为时最大的溶碳能力为0.02,18现在学习的是第18页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金4.1.2超耐热合金的超耐热合金的分类分类(2)镍基超耐热合金镍基超耐热合金 镍基超耐热合金镍基超耐热合金以镍为基体，镍含量以镍为基体，镍含量50，可在，可在700-1000温度范围使用。温度范围使用。这种这种 合金最在合金最在1941年由美国首先研制。以后为提高蠕变强度加入铝，随后美国和前苏联也年由美国首先研制。以后为提高蠕变强度加入铝，随后美国和前苏联也相继生产，中国相继生产，中国 在在20世纪世纪50年代也获成功，如我国生产的通

23、常用于涡轮盘制作的年代也获成功，如我国生产的通常用于涡轮盘制作的GH901，其主要成分，其主要成分 为为Ni-34Fe-13Cr-2A1-3Ti。由于其高温强度很高，难以变形，后。由于其高温强度很高，难以变形，后来用于精密铸造工艺。来用于精密铸造工艺。镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较好的组织稳定性镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较好的组织稳定性。含。含Cr的镍基合金比铁基的镍基合金比铁基的抗氧化性和抗腐蚀性更好，现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部采用镍基合金制的抗氧化性和抗腐蚀性更好，现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部采用镍基合金制造。造。19现在学习的是第19页，共56页4.1超耐热合

24、金超耐热合金4.1.2超耐热合金的超耐热合金的分类分类(3)钴基超耐热合金钴基超耐热合金 钴基超耐热合金钴基超耐热合金是含钴量为是含钴量为40-60的奥氏体，可在的奥氏体，可在730-1100条件下使用。条件下使用。钴钴基合金最早研制是出于基合金最早研制是出于20世纪世纪30年代活塞式航空发动机中涡轮增压器的需要，年代活塞式航空发动机中涡轮增压器的需要，1942 年美国首先研制成年美国首先研制成Vitallium(Co-72Cr-5Mo-0.5Ti)合金后加入合金后加入2.6Ni，降低合金，降低合金碳含量至碳含量至0.3，以减少因析出碳化物而变脆，发展了，以减少因析出碳化物而变脆，发展了HA-

25、21合金，使温度提高至合金，使温度提高至850870 范围，为锻造祸轮叶片采用。范围，为锻造祸轮叶片采用。钴基超耐钴基超耐 热合金缺少共格的强化相，中温强度只有镍基合金的热合金缺少共格的强化相，中温强度只有镍基合金的50-75；但当高；但当高于于980时，其强度较高，抗热疲劳、热腐蚀性均佳，适合于制作航空发动机、时，其强度较高，抗热疲劳、热腐蚀性均佳，适合于制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽轮工业燃汽轮机、舰船燃汽轮 机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机喷嘴等。机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机喷嘴等。20现在学习的是第20页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金4.1.3提高超耐热合金性

26、能的途径提高超耐热合金性能的途径v在钢中加入对氧的亲和力比铁强的在钢中加入对氧的亲和力比铁强的Cr、Si、Al等，可以优先形成稳定、致密等，可以优先形成稳定、致密的的Cr2O3、Al2O3或或SiO2等氧化物保护膜，成为提高耐热钢高温抗腐蚀的等氧化物保护膜，成为提高耐热钢高温抗腐蚀的主要措施。主要措施。(1)改变合金组织结构改变合金组织结构v为了增强金属材料的耐高温蠕变性能，即主要防止再结晶导致晶格破坏，为了增强金属材料的耐高温蠕变性能，即主要防止再结晶导致晶格破坏，可以加入一些旨在提高其再结晶温度的合金元素，例如高熔点的合金元可以加入一些旨在提高其再结晶温度的合金元素，例如高熔点的合金元素素

27、W、Mo、V等。等。v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。的钢耐热性高。21现在学习的是第21页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金4.1.3提高超耐热合金性能的途径提高超耐热合金性能的途径22现在学习的是第22页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金(2)从工艺角度考虑从工艺角度考虑v定向凝固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造工艺成形，铸造结构中的一些等轴晶粒的晶界处于垂直于受力方向时，最容易产

28、生裂艺成形，铸造结构中的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，从而可以使涡轮叶片的使用温度轴方向的柱状晶粒，消除垂直于应力方向的晶界，从而可以使涡轮叶片的使用温度提高提高1030，涡轮进口温度提高，涡轮进口温度提高2060，从而提高发动机的推力和可靠性，并延长，从而提高发动机的推力和可靠性，并延长使用寿命。使用寿命。4.1.3提高超耐热合金性能的途径提高超耐热合金性能的途径在熔模铸造型壳中建立特

29、定方向的温度在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。凝固过程中，在特定方向上强制冷却，凝固过程中，在特定方向上强制冷却，晶粒中易传热的晶向倾向于沿热流方向排列。晶粒中易传热的晶向倾向于沿热流方向排列。23现在学习的是第23页，共56页4.1超耐热合金超耐热合金(2)从工艺角度考虑从工艺角度考虑v粉末冶金粉末冶金高熔点元素高熔点元素W，Mo，Ta，Nb的加入，凝固时会在铸件内部产生的加入，凝固时会在铸件内部产生偏析偏析，造成组织成，造成组织成分的不均匀。分

30、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、成形工序制成零件，可消除采用粒度数十至数百微米的合金粉末，经过压制、烧结、成形工序制成零件，可消除偏析现象，组织成分均匀，并可大大节省材料。例如一个锻造涡轮盘毛坯质量为偏析现象，组织成分均匀，并可大大节省材料。例如一个锻造涡轮盘毛坯质量为180一一200kg，而用粉末冶金法制造的祸轮盘质量只有，而用粉末冶金法制造的祸轮盘质量只有73kg。4.1.3提高超耐热合金性能的途径提高超耐热合金性能的途径粉末冶金粉末冶金是用金属粉末（或金属粉末是用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形

31、和烧结，制造金属材料、复合以及各种类形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。材料的制备。偏析偏析（合金凝固后其截面上不（合金凝固后其截面上不同部位没有因液态合金宏观流同部位没有因液态合金宏观流动而造成的化学成分不均匀现动而造成的化学成分不均匀现象）象）24现在学习的是第24页，共56页4.2超低温合金超低温合金4.2.1超低温合金对材料的特殊要求超低温合金对材料的特殊要求低温：低温：常温以下直至绝对零度的较

32、大温度范围。常温以下直至绝对零度的较大温度范围。沸点：沸点：天然气：天然气：-163C液氮：液氮：-195.8C液氢：液氢：-253C液氦：液氦：-269C超低温技术对所用的材料的特性要求比一般材料高而复杂。超低温技术对所用的材料的特性要求比一般材料高而复杂。(1)首先是防止首先是防止低温脆性低温脆性。一般合金在低温下强度会增加，但一般合金在低温下强度会增加，但延伸率、断面收缩率、冲延伸率、断面收缩率、冲击值击值等都会下降，从而产生脆性破坏。例如铁素体钢呈体心立方结构，在温度达到等都会下降，从而产生脆性破坏。例如铁素体钢呈体心立方结构，在温度达到-200左右，就会出现韧性左右，就会出现韧性-脆

33、性转变，这也是体心立方结构金属的固有特性。脆性转变，这也是体心立方结构金属的固有特性。25现在学习的是第25页，共56页4.2超低温合金超低温合金4.2.1超低温合金对材料的特殊要求超低温合金对材料的特殊要求(2)是防止是防止低温热变形低温热变形。低温构件在经历低温和室温之间反复多次变化后容。低温构件在经历低温和室温之间反复多次变化后容易发易发生热变形。要防止这种现象，就要求低温合金热膨胀系数尽可能小。生热变形。要防止这种现象，就要求低温合金热膨胀系数尽可能小。(3)是防止是防止磁性产生磁性产生。超低温技术多在磁场下利用，在这种情况下，如果采用带有磁性。超低温技术多在磁场下利用，在这种情况下，

34、如果采用带有磁性的合金，则构件中就的合金，则构件中就会由于产生电磁力的作用而造成对磁场的不良影响，所以必须会由于产生电磁力的作用而造成对磁场的不良影响，所以必须是是非磁性合金非磁性合金。奥氏体系不锈钢虽属非磁性合金，但其在低温下不稳定，在超低温。奥氏体系不锈钢虽属非磁性合金，但其在低温下不稳定，在超低温反复冷却循环中，结果会生成有磁性的马氏体相，因而会产生磁性。反复冷却循环中，结果会生成有磁性的马氏体相，因而会产生磁性。26现在学习的是第26页，共56页4.2超低温合金超低温合金4.2.2超低温合金的研究超低温合金的研究v较早使用含较早使用含9镍的钢可在液化天然气中使用。尔后发现这种镍的钢可在

35、液化天然气中使用。尔后发现这种18-8不锈钢虽在超低不锈钢虽在超低温下有良好韧性，但热膨胀系数大，以此不锈钢为基本材料，添加碳和氟可温下有良好韧性，但热膨胀系数大，以此不锈钢为基本材料，添加碳和氟可增加其强度，适宜于往核聚变的液氦容器等方面应用。增加其强度，适宜于往核聚变的液氦容器等方面应用。v高锰奥氏体钢是专门开发的超低温合金。即使在液氦温度下也具有良好的强度和高锰奥氏体钢是专门开发的超低温合金。即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸率，而且热膨胀系数特别小，但是机械加工性不佳，耐冲击性也较差。延伸率，而且热膨胀系数特别小，但是机械加工性不佳，耐冲击性也较差。v如果把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分

36、别由锰和铝代替，则可以制得铁锰铝新合金钢，如果把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝代替，则可以制得铁锰铝新合金钢，其强度、韧性都十分优异。其强度、韧性都十分优异。27现在学习的是第27页，共56页4.3超塑合金超塑合金4.3.1超塑性现象超塑性现象v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。裂，呈现一种异常的延伸现象。v所谓合金的超塑性现所谓合金的超塑性现象是在适当的温度下用象是在适当的温度下用较小的应变速率较小的应变速率(拉伸速拉伸速率为率为10mms-1

37、)使合金产使合金产生生300以上以上的平均延的平均延伸率的现象。例如，含伸率的现象。例如，含铝量为铝量为22的锌铝台金的锌铝台金在在250以每秒约以每秒约0.1一一0.01的速率拉伸，的速率拉伸，可得到可得到10倍于原来的延倍于原来的延伸。伸。28现在学习的是第28页，共56页4.3超塑合金超塑合金4.3.2超塑性合金的应用超塑性合金的应用（1）高变形能力的应用）高变形能力的应用v这种合金适合于像热塑性塑料板的真空成型或气压成型那样的加工方式。在温度和变形这种合金适合于像热塑性塑料板的真空成型或气压成型那样的加工方式。在温度和变形速度得到充分控制时，可在密封模具内挤压或锻造，可以得到相当高的加

38、工精度，并能速度得到充分控制时，可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。由于其晶粒极细，尤适于极薄板和极薄管的制造，大幅度降低加工压力减少加工工序。由于其晶粒极细，尤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也非常适用于加工具有极微小凹凸表面的制品(如熔模造型用模具、塑料成型模具等如熔模造型用模具、塑料成型模具等)。（2）固相结合能力的应用）固相结合能力的应用v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。利用这一晶粒的超细化，即晶界体积比的增加使得低压下的固相结合易于进行。利用这一特性，已在特性，已在轧制

39、粘合轧制粘合多层材料、包覆材料、复合材料等方面得到应用，也在以箔材多层材料、包覆材料、复合材料等方面得到应用，也在以箔材或粉粒形式用作或粉粒形式用作粘合材料粘合材料方面开发了一些新用途。例如在金属粉末或陶瓷粉末中方面开发了一些新用途。例如在金属粉末或陶瓷粉末中掺人超塑性合金粉末，可以提高材料的密度和塑性。如果用超塑性合金箔材料掺人超塑性合金粉末，可以提高材料的密度和塑性。如果用超塑性合金箔材料或粉末作粘合剂，可将两种以或粉末作粘合剂，可将两种以上的金属结合在一起。上的金属结合在一起。29现在学习的是第29页，共56页4.3超塑合金超塑合金4.3.2超塑性合金的应用超塑性合金的应用（3）减震能力

40、的应用）减震能力的应用v超塑性合金可以单独，也可以与其他材料复合制成不同形状、不同尺寸的部件，超塑性合金可以单独，也可以与其他材料复合制成不同形状、不同尺寸的部件，用于需要减振的地方，也可以作为捎音材料和部件使用。用于需要减振的地方，也可以作为捎音材料和部件使用。4.3.3实用超塑性合金实用超塑性合金v(1)锌基超塑性合金锌基超塑性合金(最早发现的超塑性合金最早发现的超塑性合金)(2)铝基超塑性合金铝基超塑性合金(3)镍基超塑性合金镍基超塑性合金等。等。30现在学习的是第30页，共56页4.4形状记忆合金形状记忆合金4.4.1形状记忆合金特征形状记忆合金特征v合金材料在某一温度下受外力而变形，

41、当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但合金材料在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某数值当温度上升到某数值，材料会自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以前的形，材料会自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状保持记忆。状保持记忆。记忆合金花是利用形状记忆合金双程记忆效应制成的，随温度变化可记忆合金花是利用形状记忆合金双程记忆效应制成的，随温度变化可自行开、闭的仿菊花花朵。演示实验时，将闭合的记忆合金花放入热自行开、闭的仿菊花花朵。演示实验时，将闭合的记忆合金花放入热水中，花会立即开放。水中，花会立即开放。双程双程CuZnAl记忆合金花记忆合金花31现在学

42、习的是第31页，共56页由由记忆记忆合金制成的合金制成的弹弹簧放簧放进进热热水中水中发发生收生收缩缩，离开，离开热热水水后，由于温度下降，后，由于温度下降，弹弹簧逐簧逐渐渐伸伸长长,恢复到原来形状，恢复到原来形状，弹弹簧收簧收缩时缩时会会对轮对轮子子轴线轴线产产生力矩，于是生力矩，于是轮轮子便旋子便旋转转起来，几根起来，几根弹弹簧周期性簧周期性变变形，形，轮轮子便不停子便不停转动转动4.4形状记忆合金形状记忆合金4.4.1形状记忆合金特征形状记忆合金特征32现在学习的是第32页，共56页4.4形状记忆合金形状记忆合金4.4.1形状记忆合金特征形状记忆合金特征分类：分类：33现在学习的是第33页

43、，共56页4.4形状记忆合金形状记忆合金4.4.1形状记忆合金特征形状记忆合金特征分类示意图：分类示意图：34现在学习的是第34页，共56页4.4形状记忆合金形状记忆合金4.4.2形状记忆效应机理形状记忆效应机理由图可见，当形状记亿合金从高温由图可见，当形状记亿合金从高温母相奥氏体母相奥氏体(a)在冷却至马氏在冷却至马氏相相变温度变温度(TMf)之后，转变成含之后，转变成含有孪晶的低温马氏体相晶体有孪晶的低温马氏体相晶体孪晶马氏体孪晶马氏体(b)。在这种在这种 状态下，孪晶马氏体状态下，孪晶马氏体(b)受到外力作用时，适合于受到外力作用时，适合于变形的变形的 孪晶部分将不适合于孪晶部分将不适合

44、于变形的孪晶部分侵变形的孪晶部分侵 蚀掉，成蚀掉，成为一有利于取向的有序马氏体为一有利于取向的有序马氏体 形变马氏体形变马氏体(c)。将形变马。将形变马氏体加热氏体加热 至至逆转温度逆转温度(TAs)以上以上(TAf)，晶体恢复到，晶体恢复到 原来单一取向原来单一取向的奥氏体母相。的奥氏体母相。35现在学习的是第35页，共56页4.4形状记忆合金形状记忆合金 钢的钢的TAs 和和TMf之间的温度差之间的温度差(称为相变温度滞后称为相变温度滞后)高达高达数百摄氏度数百摄氏度，即必须过热或冷却到足以积蓄很大的亥姆霍兹自由能差即必须过热或冷却到足以积蓄很大的亥姆霍兹自由能差(称为相称为相变趋动力变趋

45、动力)才能发生马氏体相的转变；而才能发生马氏体相的转变；而 Au-Cd合金和合金和TiNi合金合金相变温度滞后仅有相变温度滞后仅有10-30，也就是说只要有极小的相变驱动力就发生，也就是说只要有极小的相变驱动力就发生相变。因此，把后面这种类型的相变叫做相变。因此，把后面这种类型的相变叫做热弹性型马氏相变热弹性型马氏相变，以示与，以示与前者的区前者的区 别。别。形状记忆效应的合金都仅限于热弹性型相变的范围之内形状记忆效应的合金都仅限于热弹性型相变的范围之内。4.4.2形状记忆效应机理形状记忆效应机理36现在学习的是第36页，共56页4.4形状记忆合金形状记忆合金4.4.3形状记忆合金材料形状记忆

46、合金材料具有形状记忆效应和超具有形状记忆效应和超弹性的合金已发现很多，弹性的合金已发现很多，但目前已进入实用阶段但目前已进入实用阶段的主要有的主要有 Ti-Ni合金和合金和Cu-Zn-Al合金，前合金，前者价格较贵，但性者价格较贵，但性能优良，并与人体能优良，并与人体有生物相容性；后有生物相容性；后者具有价廉物美的者具有价廉物美的特点，普遍受人们特点，普遍受人们亲睐。其他台金因亲睐。其他台金因晶界面易断裂晶界面易断裂，只，只有处于单晶时才能有处于单晶时才能使用。对于形状记使用。对于形状记忆合金的研究，目忆合金的研究，目前正方兴未艾。前正方兴未艾。37现在学习的是第37页，共56页4.4形状记忆

47、合金形状记忆合金4.4.4形状记忆合金应用形状记忆合金应用室温下由形状记忆合金制成的大型抛物面形天线，在低温下揉成室温下由形状记忆合金制成的大型抛物面形天线，在低温下揉成小团后故小团后故人阿波罗人阿波罗ll号舱内。在月面上安装后在阳光照射下可恢复到原来的抛物面形状。这号舱内。在月面上安装后在阳光照射下可恢复到原来的抛物面形状。这样，有效地解决了体态庞大的天线运输问题。样，有效地解决了体态庞大的天线运输问题。（1）在军事和航天工业方面的应用）在军事和航天工业方面的应用38现在学习的是第38页，共56页4.4形状记忆合金形状记忆合金4.4.4形状记忆合金应用形状记忆合金应用形状记忆合金目前形状记忆

48、合金目前使用量最大的是用以使用量最大的是用以制作管接口。在使用制作管接口。在使用温度下加工的管接口温度下加工的管接口内径比管子外径略小，内径比管子外径略小，安装时在低温下将其安装时在低温下将其机械扩张，套接完毕机械扩张，套接完毕后由于管接口在使用后由于管接口在使用温度下围形状记忆效温度下围形状记忆效应回复到原形而实现应回复到原形而实现与管子的紧密配合。与管子的紧密配合。（2）在工程方面的应用）在工程方面的应用39现在学习的是第39页，共56页4.4形状记忆合金形状记忆合金4.4.4形状记忆合金应用形状记忆合金应用（3）在医疗方面的应用）在医疗方面的应用在医学上，镍在医学上，镍钛合金与生物体有好

49、的相容性，可以在人体内作为固定折断骨钛合金与生物体有好的相容性，可以在人体内作为固定折断骨骼的插销，做成接骨板，使断骨紧紧相接；用记忆合金做成精细的网络，然后骼的插销，做成接骨板，使断骨紧紧相接；用记忆合金做成精细的网络，然后降低温度压成细丝，插入血管，由于体温使它恢复网络形状，在血管里起血栓降低温度压成细丝，插入血管，由于体温使它恢复网络形状，在血管里起血栓的过滤作用；也可用于牙矫形弓丝的过滤作用；也可用于牙矫形弓丝，人造心脏等。，人造心脏等。40现在学习的是第40页，共56页4.4形状记忆合金形状记忆合金4.4.4形状记忆合金应用形状记忆合金应用（4）在热电等高科技方面的应用）在热电等高科

50、技方面的应用20世纪是机电学的时代世纪是机电学的时代。传感传感集成电路集成电路驱动驱动是最典型的机械电子控是最典型的机械电子控制系统，但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制制系统，但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的系统的微型化和智能化微型化和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域不受任何环境条件的