精品材料化学课件第三章 金属材料.ppt

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1、第三章 金属材料化化学学元元素素中中，其其单单质质形形式式为为金金属属的的约约80%80%，自自古古至至今都占据着重要作用。今都占据着重要作用。有有很很多多的的分分类类如如：碱碱金金属属、碱碱土土金金属属、过过渡渡金金属属、重金属、贵金属、稀有金属重金属、贵金属、稀有金属等。等。研研究究对对象象为为具具有有特特殊殊功功能能和和性性质质的的新新型型金金属属合合金金材材料料：非非晶晶态态、形形状状记记忆忆、高高塑塑性性、耐耐温温性性、超超导导性性、半导性半导性、强磁性强磁性、高储氢能力高储氢能力等等轻金属4.5g/cm3如Al、Mg、K、Na、Ca等。重金属4.5g/cm3如Cu、Zn、Ni、Sn

2、、Pb、Co等。贵金属Au、Ag、Pt、Rh（铑）、Cd（镉）等。稀有金属相对稀少或产量较少Ti、W、V、Nb、Mo等。放射性金属如镭（Ra）、铀（U）、钍（Th）等。半金属介于金属与非金属之间的元素，如硅、锗、硼。回顾 1.金属的性质 2.金属单质的分类 3.金属材料本节内容1.金属特性和金属键2.金属单质结构3.1金属特性和金属键金属的显著特点：不透明不透明不透明不透明 有光泽有光泽有光泽有光泽 能导电传热能导电传热能导电传热能导电传热 延展性延展性延展性延展性 说明金属单质中存在特殊的键合形式说明金属单质中存在特殊的键合形式说明金属单质中存在特殊的键合形式说明金属单质中存在特殊的键合形式

3、金属键金属键金属键金属键金属键：金属键：电负性较小的金属元素，其电离能也小，电负性较小的金属元素，其电离能也小，最外最外层电子层电子很容易摆脱原子束缚从而很容易摆脱原子束缚从而在金属晶粒中正离在金属晶粒中正离子势场内自由运动子势场内自由运动形成自由电子。形成自由电子。离域共价键离域共价键金属中的自由（离域）电子金属中的自由（离域）电子金金金金属属属属键键键键的的的的本本本本质质质质：高高度度离离域域的的共共价价键键，使使体体系系能能量量下下降降，形形成成强强烈烈的的吸吸引引作作用用，即即金金属属键键（无无饱饱和和性性、无方向性无方向性）。）。金金金金属属属属键键键键的的的的强强强强度度度度：一

4、一般般以以金金属属的的原原子子化化热热来来衡衡量量。其其定义为定义为1mol1mol的固态金属变成气态原子吸收的能量。的固态金属变成气态原子吸收的能量。原原原原子子子子化化化化热热热热与与与与金金金金属属属属熔熔熔熔点点点点、硬硬硬硬度度度度等等等等有有有有直直直直接接接接相相相相关关关关。因此研究者提出不同的金属键理论因此研究者提出不同的金属键理论因此研究者提出不同的金属键理论因此研究者提出不同的金属键理论。3.1.13.1.1自由电子理论自由电子理论自由电子理论自由电子理论20世世纪纪初初，Drude-Lorentz提提出出的的自自由由电电子子理理论论认认为为：金金属属中中的的价价电电子子

5、类类似似于于理理想想气气体体分分子子，互互相相之之间间没没有有相相互互作作用用，但但受受到到原原子子恒恒定定势势场场的的作作用用，可可以在整块晶体中自由运动但不能离开表面。以在整块晶体中自由运动但不能离开表面。可以用来解释：可以用来解释：金属的导电导热性、不透明有光泽、延展性、可塑性金属的导电导热性、不透明有光泽、延展性、可塑性；存在局限性：存在局限性：不能定量，对另一些现象如光电效应不能定量，对另一些现象如光电效应,导体、绝缘体的区别不能解释。导体、绝缘体的区别不能解释。3.1.2能带理论能带理论 1.1.非完全自由电子模型非完全自由电子模型非完全自由电子模型非完全自由电子模型 自由电子的运

6、动并非在均匀的势场中，不能完全自由自由电子的运动并非在均匀的势场中，不能完全自由自由电子的运动并非在均匀的势场中，不能完全自由自由电子的运动并非在均匀的势场中，不能完全自由。电电子子运运动动与与带带正正电电荷荷且且周周期期排排列列的的金金属属离离子子之之间间存存在在吸吸引势能，因此电子实际上是在一维周期性变化的电场中运动。引势能，因此电子实际上是在一维周期性变化的电场中运动。一维周期性变化的势场一维周期性变化的势场 能带理论：能带理论：能带理论：能带理论：在金属晶体中，所有原子的能量相近的在金属晶体中，所有原子的能量相近的轨道组合成新的分子轨道，由于这些分子轨道之间轨道组合成新的分子轨道，由于

7、这些分子轨道之间能量差别小，则形成了一个能带能量差别小，则形成了一个能带。各个能带按能量各个能带按能量高低排列起来，形成能带结构高低排列起来，形成能带结构。注：注：原子轨道之间的组合完全满足分子轨道理论的要求。原子轨道之间的组合完全满足分子轨道理论的要求。原子轨道之间的组合完全满足分子轨道理论的要求。原子轨道之间的组合完全满足分子轨道理论的要求。满带满带满带满带 价带中所有状态都被价电子占满价带中所有状态都被价电子占满价带中所有状态都被价电子占满价带中所有状态都被价电子占满导带导带导带导带 未被占满的价带未被占满的价带未被占满的价带未被占满的价带空带空带空带空带 没有电子的能带没有电子的能带没

8、有电子的能带没有电子的能带禁带禁带禁带禁带 能带的间隙即电子不能存在的区域能带的间隙即电子不能存在的区域能带的间隙即电子不能存在的区域能带的间隙即电子不能存在的区域。GaAs的扫描隧道显微镜图象的扫描隧道显微镜图象晶体能带结构示意图 禁带宽度禁带宽度 金属：金属：01eV半导体：半导体：5 eV2.分子轨道理论法分子轨道理论法Li晶体的晶体的2s带带3pMg晶体的晶体的3s、3p带带3s2s(b)(b)3.价键理论方法价键理论方法 单电子键双电子共振的方式单电子键双电子共振的方式 Pauling Pauling 发发展展的的价价键键理理论论：假假定定一一定定数数目目的的价价电电子子与与周周围围

9、原原子子的的价价电电子子配配对对成成为为化化学学键键，从从而而出出现这种单电子键和双电子键共振模型。现这种单电子键和双电子键共振模型。可以解释金属晶体配位数很高而价电子很少。可以解释金属晶体配位数很高而价电子很少。3.2 金属单质结构金属单质结构3.2.1 金属单质结构的近似模型金属单质结构的近似模型 金属晶体中的原子金属晶体中的原子 单一原子单一原子 最外层电子结构 全满或半满 金属键的饱和性 无 金属键的方向性 无 原子半径均一、电子层分布为球形、堆积按原子半径均一、电子层分布为球形、堆积按照最紧密堆积照最紧密堆积 等径圆球密堆积模型等径圆球密堆积模型1.密置列密置列直线点阵直线点阵结构基

10、元结构基元2.蜜置层蜜置层平面六方平面六方结构基元结构基元3.密置双层密置双层平面六方平面六方结构基元结构基元密置双层中的堆积空穴四面体空穴四面体空穴八面体空穴八面体空穴3.2.2 三维密堆积的三种典型型式三维密堆积的三种典型型式 金金属属单单质质的的堆堆积积形形式式主主要要有有三三种种，其其中中两两种种为为最紧密堆积，一种非紧密堆积最紧密堆积，一种非紧密堆积。（1）最紧密堆积）最紧密堆积 在在一一个个层层中中，最最紧紧密密的的堆堆积积方方式式，是是一一个个球球与与周周围围 6 个个球球相相切切，在在中中心心的的周周围围形形成成 6 个个凹凹位位，假假设设为第一层。为第一层。123456123

11、456AB，第二层堆砌原子第二层堆砌原子 B第一层堆砌原子第一层堆砌原子A 侧面图侧面图ABABA第三层堆砌方式：第三层堆砌方式：第一种是将球对准第一层的球。第一种是将球对准第一层的球。123456 1.六方最紧密堆积(hcp标记为A3)每两层形成一个周期，即 ABAB 堆积方式，形成六方紧密堆积。配位数 12。AB，第三层的第三层的另一种另一种排列方式：排列方式：将球对准第一层的将球对准第一层的 2，4，6 位位，不同于不同于 AB 两层的位置两层的位置，这是这是 C 层。层。123456123456123456123456此种立方紧密堆积的前视图此种立方紧密堆积的前视图ABCAABC 第第

12、四四层层再再排排 A，于于是是形形成成 ABC排排列列，ABC三三层层一一个个周周期。期。BCA ABC ABC 形式的堆积，形式的堆积，为什么是面心立方堆积？为什么是面心立方堆积？我们来加以说明。我们来加以说明。2.立方最紧密堆积（ccp 标记为A1)按照ABCABC 方式堆积 三层一个周期结构，可以划出面心立方晶胞，称为立方最紧密堆积。配位数12。(2)非紧密堆积 立方体心堆积（bcp A2)立方体 8 个顶点上的球互不相切，但均与体心位置上的球相切。配位数 8。六方紧密堆积六方紧密堆积面心立方紧密堆积面心立方紧密堆积立方体心堆积立方体心堆积 金属的金属的堆积方式堆积方式堆积效应和堆积空穴

13、堆积效应和堆积空穴不同堆积方式其堆积效应和空穴有所不同不同堆积方式其堆积效应和空穴有所不同堆积系数堆积系数堆积系数为0.7405hcp六方最紧密堆积系数六方最紧密堆积系数0.7405ccp立方最紧密堆积系数立方最紧密堆积系数 bcp体心立方最紧密堆积系数体心立方最紧密堆积系数 0.6802堆积空穴堆积空穴 ccp N个个半半径径为为R原原子子堆堆积积构构成成N个个八八面面体体、2N个个四四面面体体空空穴穴；八面体空穴容纳八面体空穴容纳0.414R、四面体空穴容纳、四面体空穴容纳0.225R小球。小球。堆积空穴堆积空穴hcp N个个半半径径为为R原原子子堆堆积积构构成成N个个八八面面体体、2N个

14、个四四面面体体空空穴穴；八面体空穴容纳八面体空穴容纳0.414R、四面体空穴容纳、四面体空穴容纳0.225R小球。小球。堆积空穴堆积空穴bcp面中心、边中心面中心、边中心八面体空穴；每个面有四个四面体空穴八面体空穴；每个面有四个四面体空穴3.2.3金属单质结构概况 金属单质存在周期更复杂的密堆积结构形式。如：ACAB、ABCBCACAB、ACBCBACACBAB等重复周期的结构。非最紧密堆积还有简简单单立立方方、简简单单六六方方、体体心心四方、金刚石型四方、金刚石型等多种堆积形式。堆积名称堆积名称结构形式记号结构形式记号堆积系数堆积系数%配位数配位数实例实例金刚石型金刚石型A434.014Sn

15、简单立方简单立方-52.366a-Po简单六方简单六方-60.048-体心立方体心立方A268.028K体心四方体心四方A669.8110Pa立方最紧密立方最紧密A174.0512Cu六方最紧密六方最紧密A374.0512Mg3.2.4 金属原子半径金属原子半径 金属原子半径随配位数不同稍有变化，即配位数高则半径大。金属原子半径随配位数不同稍有变化，即配位数高则半径大。原子规律性包括：1.同族随原子序数增大而增大；2.同周期随原子序数增大而减小；3.同周期过渡元素原子半径先稳定下降，再稍有增大；4.镧系收缩。课后作业：1，4，5，73.3 合金结构合金结构合金合金是指两种或两种以上的金属（或者

16、金属与某是指两种或两种以上的金属（或者金属与某些非金属）经熔合后形成的宏观均匀体系些非金属）经熔合后形成的宏观均匀体系。按合金结构和相图等特点一般分为：按合金结构和相图等特点一般分为：金属固溶体金属固溶体、金属化合物金属化合物。3.3.1 金属固溶体金属固溶体 所所谓谓金金属属固固溶溶体体：两种或多种金属化合物相互溶解组成的均匀物相，其中组分的比例可以改变而不破坏均匀性。存在三种结构类型：置置换换固固溶溶体体、间间隙隙固固溶溶体体、缺位固溶体缺位固溶体1.置换固溶体置换固溶体：由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点位置所组成。金属固溶体可以表示为：AxB1-x。形成金属固溶体和固

17、溶体存在的浓度范围取决于这两种金属性质是否相似，“相似相溶相似相溶”。金属固溶体形形成成无无限限互互溶溶度度的必要条件为：a.组组分分A和和B具具有有相相同同的的结结构构形形式式;b.组组分分金金属属的的原原子子半半径相近径相近;c.组分金属的电负性相差很少。组分金属的电负性相差很少。与与此此条条件件符符合合好好，常常形形成成无无限限固固溶溶体体；符符合合不不好好的的情况只能形成有限固溶体。情况只能形成有限固溶体。ccp A1:Cu,Ag,Au,Ni,-Co,-Fe,Pt,Ir,Rh,Pdbcp A2:-Fe,V,Cr,Mo,W,Nb,Ta,Rb,Cshcp A3:-Co,Zn,Mg,Ti无限

18、可溶：Nb-Ta；Rb-Cs；-Co 和-Fe；Ag-Au；Mo-W；Cu-Ni；Au-Ni等有限固溶：Cu-Zn；Ag-Zn等由一种金属原子无规则的取代每一个位置上的另一种金属原子得到的置换固溶体常为无序化结构无序化结构；无序固溶体在缓慢冷却过程中发生有序化，形成有序的超结构超结构。无序的无序的Cu1-xAux有序的有序的Cu3Au1有序的有序的CuAu2.间隙固溶体：原子半径较小的非金属原子（H,B,N,C等）统计的渗入到过渡金属结构的间隙中形成间隙固溶体。间间隙隙固固溶溶体体不不是是组组分分元元素素间间形形成成的的化化合合物物，其其组组成成一一定定范范围围内内可可变变，具具有有明明显显金

19、金属属性性。但但是是基基体体和和添添隙隙原原子子之之间间必必有有一一定定程程度度的的共共价价键键形形成成，使使得得合合金金比比纯纯金金属属的的硬硬度度更更高高、熔熔点点更更高高。控控制制添添隙隙原原子子的的加加入入量量可可以以获获得得不不同同的的硬硬度度和和熔点。熔点。钢钢铁铁是是以以铁铁和和碳碳为为基基本本元元素素的的间间隙隙固固溶溶体体。在在后后续续章章节节会会更详细讲解钢铁的结构和性质之间的联系。更详细讲解钢铁的结构和性质之间的联系。3.缺位固溶体：一般是由被溶元素溶于金属化合物中生成。如Sb溶于NiSb中的固溶体，溶入的Sb占据正常晶格位置，但会导致Ni组分的位置产生空缺。形成固溶体后

20、对材料物理性质的影响固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低。3.3.2 金属化合物金属化合物 当合金组分中的当合金组分中的原子半径，原子电负性和价电子层结构原子半径，原子电负性和价电子层结构以及单质的结构形式间差别增大时以及单质的结构形式间差别增大时，倾向于生成，倾向于生成金属化合金属化合物物相物物相。分为。分为正常价化合物正常价化合物、电子化合物电子化合物。结构特征：结构特征：1.金属化合物结构形式不同于纯组分的结构金属化合物结构形式不同于纯组分的结构形式；形式；2.形成金属化合物的原子各自拥有独立的结构位置

21、。形成金属化合物的原子各自拥有独立的结构位置。1.正常价化合物 其组成唯一确定，以其组成唯一确定，以AmBn形式表示。形式表示。MgCu2CaCu5很多储氢材料如LaNi5、LaCo5 及CeCo5等和CaCu5的结构相同，他们都具有储氢性能。原理在于储氢合金可以与氢形成金属氢化物。2.电子化合物电子化合物 其组成AmBn在一定范围内可以变化。通常其结构形式决定于每个原子平均分摊到的价电子数，称为电子化合物。Hume-Rothery首先提出按照价电子数和原子数之比来判断电子化合物结构。电子密度=价电子数/原子数价电子数计算时，价电子数计算时，族元素价电子数为族元素价电子数为0 0；CuCu、A

22、gAg、AuAu、为、为1 1；ZnZn、CdCd、HgHg为为2 2；AlAl、InIn、GaGa为为3 3；SiSi、GeGe、SnSn、PbPb为为4 4。电子浓度电子浓度3/23/23/23/221/1321/137/47/4结构结构CsClCsCl-MnMn型型-黄铜型黄铜型立方密堆积立方密堆积合金合金CuZnCuZnCuCu3 3AlAlAgAg3 3AlAlAuAu3 3AlAlCuCu5 5ZnZn8 8CoCo5 5ZnZn2121CuCu5 5ZnZn3 3AgAg5 5AlAl3 33.3.3 合金结构与性能合金结构与性能1.单相合金单相合金 即即单单相相固固溶溶体体，性

23、性能能受受溶溶剂剂、溶溶质质种种类类、数数量量和和溶溶入入方方式式的的影影响响；一一般般溶溶入入的的溶溶质质越越多多，溶溶剂剂晶晶格格畸畸变变越越大大，强强度、硬度和电阻越高度、硬度和电阻越高。2.多相合金多相合金 多多相相合合金金的的各各相相保保持持各各自自的的性性能能特特点点，其其综综合合性性能能一一般般是是组组成成相相的的算算术术平平均均值值，也也受受到到组组成成相相的的形形状状、大大小小、和分布。和分布。常常见见的的多多相相合合金金相相结结构构是是一一种种固固溶溶体体为为基基体体，在在其其中中分分布布着着第第二二相相。第第二二相相常常是是硬硬而而脆脆的的化化合合物物，根根据据第第二二相

24、相作作用用情情况况可可以以把把这这类类合合金金分分为为四四种种情情况况：a.脆脆性性相相以以网网状状分分布布塑塑性性、韧韧性性低低、有有热热脆脆性性；b.脆脆性性相相以以片片状状分分布布硬硬度度强强度度高高；c.脆脆性性相相以以颗颗粒粒状状分分布布塑塑性性高高、强强度度硬硬度度低低于于b；d.脆性相呈弥散的质点分布脆性相呈弥散的质点分布高强度、硬度，称为弥散强化。高强度、硬度，称为弥散强化。作业:9,10,133.4 金属材料3.4.1 轻金属合金轻金属合金 铝铝、镁镁、钛钛等等金金属属的的密密度度小小，分分别别为为2.7、1.7和和4.5g/cm3，因因此此通通常常称称为为轻轻金金属属，其其

25、相相应应的的铝合金、镁合金、钛合金则称为轻合金铝合金、镁合金、钛合金则称为轻合金。1.铝合金铝合金 铝铝合合金金是是一一种种较较年年轻轻的的金金属属材材料料，在在20世世纪纪初初才才开开始始工工业业应应用用。铝铝合合金金具具有有密密度度小小、导导热热性性好好、易易于于成成形形和和价价格格低低廉廉等等优优点点，广广泛泛应应用用于于航航空空航航天天、交交通通运运输输以以及及轻轻工工建建材材等等部部门门，轻轻合合金金中中应应用用最最广广、用用量量最最多多。而而且且其其用用量量仅仅次次于于钢钢材材，成为第二大金属材料。成为第二大金属材料。铝铝合合金金的的研研制制在在不不断断地地提提高高强强度度的的同同

26、时时，更更注注意意改改善善其其抗抗应应力力腐腐蚀蚀性性能能和和断断裂裂韧韧性性。因因此此，高高强强、高高韧韧是是铝铝合合金金发发展展的主要方向。的主要方向。不同的金属合金系和合金中的添加元素会改变金属的性能不同的金属合金系和合金中的添加元素会改变金属的性能。两种重要铝合金类别a.硬铝和超强度硬铝硬铝和超强度硬铝 硬铝：主要添加成分为镁、铜；铁和硅元素则是有害杂质，应予限制；锰的存在体改高抗腐蚀性、细化颗粒、提高强度，锰过高会使塑性降低控制在1%以下。可用作飞机螺旋桨、飞机构件、铆钉和飞机蒙皮等。超硬铝：含有Zn、Mg、Cu等元素；其强度与中碳钢类似、密度较小、可用于航空工业中承力的飞机构件和超

27、音速飞机蒙皮。b.铸造铝合金铸造铝合金 以以铸铸件件形形式式应应用用的的铝铝合合金金，铝铝合合金金具具有有低低熔熔点点，铸铸件件表表面面光光泽泽流流动动性性好好和和传传热热快快、化化学学性性质质稳稳定定、缺缺陷陷少少，应应用用广广泛。泛。在在全全世世界界的的铝铝消消耗耗中中，在在全全世世界界的的铝铝消消耗耗中中，15%25%为为铸铸造造铝铝合合金金，铸铸件件成成型型一一般般采采用用压压模模、硬硬模模、砂砂模模、熔熔模模、石石膏膏，也也易易于于用用真真空空铸铸造造、低低压压铸铸造造、离离心心铸铸造造等等，以压模铸造最多。以压模铸造最多。主要有主要有Al-Cu、Al-Cu-Si、Al-Si、Al-

28、Zn等等。2.镁合金镁合金 镁镁合合金金是是实实际际应应用用中中最最轻轻的的金金属属结结构构材材料料，具具有有比比重重小小，比比强强度度、比比刚刚度度高高，阻阻尼尼性性、切切削削加加工工性性、导导热热性性好好，资资源源丰丰富富、无无污污染染等等特特点点；但但与与铝铝合合金金相相比比，镁镁合合金金的的研研究究和和发发展展还还很很不不充充分分，应用有限，其最大的用途是铸件应用有限，其最大的用途是铸件。限制镁合金应用的主要问题：限制镁合金应用的主要问题：镁镁元元素素的的活活泼泼性性，使使熔熔炼炼和和加加工工过过程程中中容容易易氧氧化化燃燃烧烧，生生产产难难度度大大；镁镁合合金金形形成成技技术术有有待

29、待改改进进；耐耐腐腐蚀蚀性性差差；高高温温强强度度、蠕蠕变变性性能能低低；常常温温的的强强度度、塑塑韧韧性性有有待待改改进进；合合金金开开发发较较少少，变变形形镁合金研究滞后镁合金研究滞后不适应市场需求。不适应市场需求。重要的几类镁合金体系（1）耐热镁合金）耐热镁合金 耐耐热热性性能能差差是是阻阻碍碍镁镁合合金金广广泛泛应应用用的的主主要要原原因因。通通过过开开发发镁镁和和稀稀土土或或硅硅的的合合金金是是提提高高其其耐耐热热性性的的重重要要思思路路，但但成本较高。成本较高。（2）耐蚀镁合金）耐蚀镁合金 解解决决耐耐蚀蚀问问题题主主要要从从：a.严严格格限限制制合合金金中中铁铁、铜铜、镍镍等等杂

30、杂质质元元素素含含量量；b.对对镁镁合合金金表表面面进进行行处处理理,如如经经化化学学镀镀层、阳极氧化、有机涂覆等层、阳极氧化、有机涂覆等。（3）阻燃镁合金）阻燃镁合金 利利用用溶溶剂剂保保护护法法和和二二氧氧化化硫硫、二二氧氧化化碳碳、氩氩气气等等保保护护是是行之有效的阻燃方法，但可能降低合金性能，设备成本增加。行之有效的阻燃方法，但可能降低合金性能，设备成本增加。加加入入钙钙能能够够提提高高镁镁液液的的抗抗氧氧化化燃燃烧烧能能力力，但但同同时时引引起起机机械械性性能能下下降降；钛钛也也有有相相似似功功能能但但会会引引起起晶晶粒粒粗粗化化，并并增增加加热热裂倾向。裂倾向。（4）高强高韧镁合金

31、）高强高韧镁合金 Mg-Zn和和Mg-Y体体系系中中加加入入Ca、Zr可可增增强强抗抗拉拉强强度度和和屈屈服强度；在服强度；在Mg-RE-Zr体系中加入体系中加入Ag和和Th可以提高力学性能。可以提高力学性能。（5）变形镁合金）变形镁合金 开发变形镁合金是镁合金更长远的发展趋势。开发变形镁合金是镁合金更长远的发展趋势。（6）镁合金成形技术）镁合金成形技术 主要分为两种：变形和铸造。主要分为两种：变形和铸造。新型的铸造方新型的铸造方法还包括：半固态触变铸造成形、消失模铸造、法还包括：半固态触变铸造成形、消失模铸造、挤压铸造挤压铸造-低压铸造结合法、挤压铸造低压铸造结合法、挤压铸造-流变铸造流变铸

32、造结合法、真空倾转法差压铸造。结合法、真空倾转法差压铸造。3.钛合金钛合金 钛钛合合金金是是上上世世纪纪50年年代代发发展展起起来来的的一一种种重重要要结结构构金金属属，具具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，应用广泛有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，应用广泛。第第一一个个实实用用的的钛钛合合金金是是Ti-6Al-4V合合金金，是是钛钛合合金金中中的的主主要产品，很多钛合金可以看作其改型。要产品，很多钛合金可以看作其改型。在在上上世世纪纪70年年代代还还出出现现了了Ti-Ni等等形形状状记记忆忆合合金金，并并用用处处广广泛泛。目目前前世世界界上上已已经经研研制制出出数数百百种种钛钛合合金

33、金，著著名名的的有有20-30种。可以分为种。可以分为、+、TiTix xAlAl四四类类。国内外钛合金材料的研究进展主要体现在以下方面：国内外钛合金材料的研究进展主要体现在以下方面：（1）高高温温钛钛合合金金：采采用用快快速速凝凝固固/粉粉末末冶冶金金技技术术、纤纤维维或或颗颗粒粒增强复合材料法获得高温钛合金，是重要的研究方向。增强复合材料法获得高温钛合金，是重要的研究方向。（2）钛钛铝铝化化合合物物为为基基的的钛钛合合金金：这这类类材材料料具具有有好好的的高高温温性性能能、抗氧化性能和抗蠕变性能，是飞机结构件最具竞争力的材料。抗氧化性能和抗蠕变性能，是飞机结构件最具竞争力的材料。（3）高温

34、高韧高温高韧形形钛钛合金合金（4 4）阻燃阻燃钛钛合金合金（5)5)医医用用钛钛合合金金：钛钛无无毒毒、质质轻轻、强强度度高高且且具具有有优优良良的的生生物物相相容性，是理想的医用金属材料。容性，是理想的医用金属材料。3.4.2 钢铁的结构和合金钢铁的结构和合金1.钢铁的结构钢铁的结构 钢铁是以铁和碳为基本元素的合金体系的总称，是工农业建设的重要基本材料。纯铁有、和四种变体；其中变体具有立方面心，其他为立方体心。Fe具有铁磁性，居里转变温度为770oC。钢铁中，碳含量质量分数不同2.0%生铁生铁2.0%C%0.02 钢铁钢铁C%0.6%高碳钢高碳钢 钢钢铁铁的的性性能能随随其其化化学学组组成成

35、、热热处处理理工工艺艺的的不不同同而而不同；这主要由内部结构变化所引起。不同；这主要由内部结构变化所引起。钢铁中主要的四种含铁物相：钢铁中主要的四种含铁物相：（1）奥奥氏氏体体 是是碳碳在在-Fe-Fe中中的的间间隙隙固固溶溶体体，碳碳原原子子无无序的分布在序的分布在铁铁原子所原子所组组成的八面体空隙。成的八面体空隙。a=356pmFe/C=27:1723oC时，时，C%为为0.8%(2)铁铁素素体体 碳碳在在a-Fe中中的的固固溶溶体体(a=286.6 pm)，溶溶碳碳能能力力很很小小，723oC时时C%只只有有0.02%，只只是是在在各种缺陷处填入极少量的碳，性质与纯铁相似。各种缺陷处填入

36、极少量的碳，性质与纯铁相似。(3)渗渗碳碳体体 铁铁和和碳碳之之间间的的组组成成为为3：1的的化化合合物物，C%6.67%,化化 学学 式式 Fe3C。正正 交交 晶晶 系系:a=452,b=509,c=674pm。（4）马马氏氏体体 可看作a-Fe中C%达1.6%的过饱和固溶体。质地硬而脆，晶型不稳定；其结构为四方单位，晶胞常数c,a随含碳量可变。当含碳量至零时，a=c。2.钢铁的性能钢铁的性能 钢钢铁铁的的性性能能受受到到形形成成物物相相、金金相相组组织织、碳碳含含量量、晶粒大小、加工处理等因素晶粒大小、加工处理等因素的影响。的影响。铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体是是稳稳定定晶晶型型，奥奥氏

37、氏体体高高温温稳稳定定、快快速速冷冷却为过冷奥氏体，却为过冷奥氏体，200oC附近转为马氏体，钢淬火得马氏体。附近转为马氏体，钢淬火得马氏体。生生铁铁由由渗渗碳碳体体、铁铁素素体体组组成成，硬硬而而脆脆。含含碳碳量量越越高高，钢钢的硬度越高，含渗碳体、马氏体越多，越是硬而脆。的硬度越高，含渗碳体、马氏体越多，越是硬而脆。在钢铁中存在的物相以一定的形状大小和分布方式组成在钢铁中存在的物相以一定的形状大小和分布方式组成的体系为钢铁的金相组织，以金相显微镜观察研究。的体系为钢铁的金相组织，以金相显微镜观察研究。钢铁钢铁的结构主要指微观晶体结构和亚微观金相组织两个结构层的结构主要指微观晶体结构和亚微观

38、金相组织两个结构层次。次。在发生弹性形变时，晶格形状发生暂时变化；原子间距在发生弹性形变时，晶格形状发生暂时变化；原子间距改变，外力消失则恢复原状。塑性变形时，内部晶粒的原改变，外力消失则恢复原状。塑性变形时，内部晶粒的原子沿晶面滑动，除去外力不复原。子沿晶面滑动，除去外力不复原。一般细晶粒金属强度和一般细晶粒金属强度和塑性都比粗晶粒高。塑性都比粗晶粒高。经经过过塑塑性性变变形形后后，金金属属由由于于晶晶面面之之间间产产生生滑滑动动、晶晶粒粒破破碎碎或或伸伸长长等等致致使使金金属属内内出出现现内内应应力力，发发生生硬硬化化以以阻阻止止再再产产生生滑滑动动，其其强强度度、硬硬度度增增加加，塑塑性

39、性韧韧性性降降低低。再再结结晶晶会会消消除除内内应力，恢复金属塑性前的性能。应力，恢复金属塑性前的性能。钢钢锭锭锻锻炼炼轧轧制制时时，大大晶晶粒粒会会破破碎碎成成小小晶晶粒粒，同同时时弥弥合合晶晶界间的微隙，形成致密结构，提高它的机械性能。界间的微隙，形成致密结构，提高它的机械性能。3.4.3 非晶态金属材料非晶态金属材料 一般金属都是由许多小晶粒组成，在晶粒内一般金属都是由许多小晶粒组成，在晶粒内部原子呈规则排列。部原子呈规则排列。非晶态金属材料即为非结晶非晶态金属材料即为非结晶状态的金属材料。状态的金属材料。1.金属玻璃金属玻璃 1959年年Duwez将熔融的将熔融的Au-Si的合金喷射到

40、冷的合金喷射到冷的铜板上的铜板上快速降温快速降温，快速的冷凝过程，快速的冷凝过程使合金来不使合金来不及结晶得到如玻璃一样的非晶态合金及结晶得到如玻璃一样的非晶态合金。因为像玻。因为像玻璃一样没有规则结构，称为璃一样没有规则结构，称为金属玻璃金属玻璃。研研究究发发现现，在在金金属属中中添添加加15%-30%的的硼硼、碳碳、硅硅、硫硫、磷磷、镓镓、锗锗、砷砷等等促促进进非非晶晶化化的的元元素素，也也有有助助于于形形成成非非晶晶态金属。态金属。金金属属玻玻璃璃的的结结构构并并无无定定论论：1.完完全全无无规规则则；2.存存在在几几个个至至几几十十个个原原子子规规则则排排列列组组成成的的纳纳米米尺尺寸

41、寸的的微微晶晶，短短程程有有序序，但微晶取向无规则。但微晶取向无规则。2.非晶态金属的结构和性能非晶态金属的结构和性能 结构特性结构特性 特殊性质特殊性质原子排列长程无序原子排列长程无序 无各向异性，无磁性无各向异性，无磁性短程有序短程有序 保持晶态金属的性质保持晶态金属的性质无晶界无晶界 均匀的结构增强力学、电磁性能、抗腐蚀性均匀的结构增强力学、电磁性能、抗腐蚀性不稳定性不稳定性 一定条件下向晶态转变，影响非晶态性质一定条件下向晶态转变，影响非晶态性质 特别的非晶态金属具有卓越的硬度和机械性能、优越的磁特别的非晶态金属具有卓越的硬度和机械性能、优越的磁屏蔽性能。屏蔽性能。鉴于以上的这些特性，

42、金属玻璃应用前景广阔鉴于以上的这些特性，金属玻璃应用前景广阔。高比强度高比强度 2 2倍于钛合金倍于钛合金高比强度、高比模量高比强度、高比模量目目前前，大大块块非非晶晶应应用用于于国国防防军军工工、能能源源化化工工、航航空空航航天天和和信信息息等等领领域域；非非晶晶超超微微晶晶软软磁磁合合金金材材料料已已制制成成各各种种各各样样磁磁性性器器件件代代替替硅硅钢钢、铁铁氧氧体体和和坡坡莫莫合合金金等等应应用用于于电电力力工工业业、电电子子工工业业及及电电力力电电子子技技术术领领域域，用用作作电电流流互互感感器器、大大功功率率开开关关电电源源、逆逆变变电电源源和和程程控控交交换换机机电电源源的的变变

43、压压器器、电电抗抗器器、滤滤波波器器、互互感感器器、及及传传感器等。感器等。非晶金属的应用非晶金属的应用3.4.4形状记忆合金形状记忆合金 形形状状记记忆忆合合金金是是具具有有形形状状记记忆忆效效应应的的合合金金，它它能能够够记记忆忆起起受受外外力力作作用用而而变变形形前前的的的的形形状状，并并且且在在特特定定条条件件下下自自动动恢恢复复。上上世世纪纪60-70年年代代，美美国国海海军军研研究究所首次发现。所首次发现。用钛用钛-镍形状记忆合金制成的人造卫星天线镍形状记忆合金制成的人造卫星天线1.形状记忆合金的结构和性能形状记忆合金的结构和性能 形状记忆合金的记忆效应，源自于马氏体相形状记忆合金的记忆效应，源自于马氏体相变及其逆转变的特性。变及其逆转变的特性。形形状状记记忆忆合合金金的的三三个个特特征征：合金存在热弹性马氏体相，外力作用下易变形；马氏体相的形变主要通过孪晶取向改变产生；母相和马氏体的晶体结构都是有序的 具具有有形形状状记记忆忆效效应应的的合合金金体体系系：Ni-Ti体体系系合合金金、Cu-Zn-Al合金及合金及Cu-Al-Ni体系合金体系合金。2.形状记忆效应合金应用形状记忆效应合金应用 （1）航天航空领域的应用 （2）合金管接头 （3）热敏感驱动器 （4）医疗智能器械形状记忆合金铆钉