材料科学与人类文明 第5章金属材料简介课件.ppt

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1、,第五章常用结构材料简介,金属材料,金属材料简介,钢,铁,碳素钢,合金钢,金属材料,黑色金属材料,有色金属材料,Cu、Al、Ti、Mg合金,碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢,碳素钢,成分(GB/T 13304-91),按成分分类,按用途分类,碳素钢,碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢,碳素结构钢,牌号：-b,脱氧方法：沸腾钢；b半镇静钢,质量等级：、,屈,屈服点s,主要牌号及应用,wc0.06-0.38%常用热处理：一般不热处理，直接使用,碳素钢,碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢,钢,合金钢,Q235-AF A级沸腾钢,优质碳素结构钢,主要牌号、性能及应用,wc0.

2、05-0.75%常用热处理：正火、调质、淬火、回火、渗碳,碳素钢,碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢,随含C量提高，强度增大，塑性降低性能调节方法：渗碳、回火,钢,合金钢,碳素工具钢,牌号：T10A,碳,wc0.65-1.35%常用热处理：球化退火、淬火、低温回火,主要牌号：T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13性能特点：热处理后，硬度、耐磨性高；塑性、韧性低；淬透性差主要应用：小截面刃具、模具,碳素钢,碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢,钢,合金钢,T8MnA，含C%=0.8%、含Mn、高级,P、S含量低于一般优质碳素工具钢,铸造碳钢,wc0.15-0.60%,主要

3、牌号：ZG200-400,ZG230-450,ZG270-500,ZG310-570,ZG340-640主要应用：形状复杂、力学性能要求高、铸铁难以满足的零件,碳素钢,碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢,钢,合金钢,合金钢,主要合金元素Al、Co、Si、Cu、Mo、Ni、Cr、Mn合金元素的主要作用细化晶粒固溶强化（形成合金渗碳体或特殊碳化物）提高淬透性提高回火稳定性获得室温奥氏体（奥氏体不锈钢）,合金钢,调质钢,机器结构钢,工程结构钢,渗碳钢,合金结构钢,合金工具钢,低合金结构钢,锅炉用钢,造船用钢,刃具钢,弹簧钢,轴承钢,易切削钢,耐候钢,模具钢,量具钢,高强度钢,耐蚀钢,耐热钢,

4、特殊性能钢,耐磨钢,碳素钢,钢,合金钢,工程结构钢,我国几种低合金高强度钢的用途,调质钢,常用合金调质钢的牌号及其用途(轴),主要热处理：淬火+高温回火,机器结构钢,工程结构钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,碳素钢,钢,合金钢,调质钢,渗碳钢,弹簧钢,轴承钢,渗碳钢,成分特点 低含碳量(wc=0.100.25%)添加Cr、Ni、Mn、B增加淬透性，固溶强化 添加少量Mo、W、V、Ti等形成稳 定碳化物，细化晶粒,用途轴、齿轮、蜗杆、活塞销等,性能要求 表面良好的耐磨性 高强度、高硬度 心部良好的韧性,常用合金渗碳钢的牌号及其用途（齿轮）,主要热处理：渗碳+淬火+低温回火,机器结构钢,工程

5、结构钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,碳素钢,钢,合金钢,调质钢,渗碳钢,弹簧钢,轴承钢,弹簧钢,常用合金弹簧钢的牌号及其用途,主要热处理：淬火+中温回火，获得回火索氏体组织。表面喷丸强化,机器结构钢,工程结构钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,碳素钢,钢,合金钢,调质钢,渗碳钢,弹簧钢,轴承钢,轴承钢,成分特点 高含碳量（wc=0.901.10%）添加Cr（wCr=0.501.65%）提高淬透性，细化碳化物,用途轴承的滚珠、滚针、套圈，某些工具、量具、模具,性能要求 高硬度、高耐磨性 高接触疲劳强度和弹性极限 良好的综合力学性能,常用滚动轴承钢的牌号及其用途,主要热处理：正火、球化

6、退火、不完全淬火+低温回火、冷处理,机器结构钢,工程结构钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,碳素钢,钢,合金钢,调质钢,渗碳钢,弹簧钢,轴承钢,轴承钢金相,内含碳化物,合金工具钢,说明：含碳量用千分数表示，wc1.0%时不标注。高速钢不标注含碳量,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,碳素钢,钢,合金钢,刃具钢,模具钢,量具钢,工具钢金相,T7(碳素工具钢)经球化退火,高速钢 铸态,特殊性能钢,合金结构钢,合金工具钢,高强度钢,耐蚀钢,耐热钢,特殊性能钢,耐磨钢,碳素钢,钢,合金钢,易切削钢,不锈钢金相,奥氏体不锈钢,马氏体不锈钢,铸铁分类、特点及应用,其它铸铁：可锻铸铁，冷硬铸铁，耐磨铸铁

7、，耐热铸铁，耐蚀铸铁,白口铁、灰口铁、球墨铸铁,球状石墨,片状石墨,渗碳体,紫铜,纯铜(紫铜)FCC=8.94 g/cm3Tm=1083 C,性能特点 塑性好，可进行各种冷热加工 导电、导热、耐腐蚀 无磁性 强度低，b=230-240MPa,黄铜,Cu-Zn基合金，wZn=050 wt%易加工成形 良好的机械性能 耐大气、海水腐蚀 色泽美丽，价格低廉,青铜,以Zn、Ni外的其他元素作为主要合金元素的Cu合金,锡青铜：QSn4-3,QSn7-0.2 具有高强度、耐磨性和弹性 适用于制造弹性元件、滑动轴承、齿轮及艺术品铝青铜：QAl9-4,QAl10-4-4 价格低，是重要的结构材料 适用于制造齿

8、轮、轴套等零件铍青铜：QBe2,QBe1.7 高强度、高弹性、高疲劳强度；良好的耐磨性、抗腐蚀、导电导热 无冲击火花 可以时效强化，是优良的弹性材料 可制造高级精密弹簧、膜片、轴承、齿轮等,铝合金,纯铝 银白色，2.7 g/cm3，FCC，Tm=660.24 C 强度低，导电导热性优良，仅次于Ag、Cu 主要用于制造电线、电缆铝合金 主要合金元素有Si、Cu、Mg、Zn、Mn 一般用作结构材料,铝合金的时效,G.P.区,经淬火后的铝合金强度、硬度随时间延长而发生显著提高，称之为时效，或时效硬化实质是第二相Al2Cu从过饱和固溶体中沉淀的过程,富铜区。铜原子在(100)晶面上偏聚，呈圆片状,正方

9、结构，在(001)面上与基体铝共格,平衡相Al2Cu正方结构，完全脱离母相，丧失了与基体的共格关系，合金硬度、强度下降,铝合金应用,铝合金功放面板,铝合金发动机压气机叶轮,铝合金散热器,铝合金支架,铝铰链,铝合金型材,铝锂合金模锻件,钛及钛合金,纯 钛 4.54 g/cm3，Tm=1668 C 室温882.5C:HCP(-Ti)882.5C熔点:BCC(-Ti)强度低，韧性、塑性好,钛合金主要应用航空、航天、机械、医疗、化工,Ti-2Cu,Ti-6Al-4V,以TC4、TB5、TB6、TB8、TA15、TC16等为代表的高强钛合金减轻了结构重量，提高了战机作战性能,飞机钛合金接头,飞机活动腹鳍

10、前接头,飞机承力框异型筒状零件,超高强钛合金,钛合金机翼接头,钛合金应用,形状记忆合金（SMA）,形状记忆材料是指具有定初始形状的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的材料；形状记忆合金是形状记忆材料中的一种,形状记忆材料包括合金，复合材料及有机高分子材料。,形状记忆合金特征,材料在较低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，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。合金材料恢复形状所需的刺激源通常为热源，故也称为热致形状记忆合金。,形状记忆合金的记忆特点,一次记忆（单程）：材科加热恢

11、复原形状后，再改变温度，物体不再改变形状。可逆记忆（双程）：物体不但能记忆高温的形状，而且能记忆低温的形状，当温度在高低温之间反复变化时，物体的形状也自动反应在两种形状间变化。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。,单程、双程及全程记忆效应示意图,形状记忆合金材料,Ti-Ni系合金铜系合金：eg:Cu-Zn,Cu-Zn-Al,Au-Cu-Zn铁系合金：eg:Fe-Pt,Fe-Mn-Si特点弯曲量大，塑性高 在记忆温度以上恢复以前形状,目前性能最佳的形状记忆合金,进入实用阶段,形状记忆合金的应用,月

12、面天线略图,（1）在军事和航天工业方面的应用,（2）在工程方面的应用,形状记忆合金管接口,Advantages,形状记忆合金作紧固件、连接件的优势：,夹紧力大，接触密封可靠避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；,适于不易焊接的接头；,金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；,安装时不需要熟练的技术。,（3）在医疗方面的应用,记忆型NiTi牙弓丝,Examples,形状记忆合金套管连接的铝合金假肢,形状记忆合金制成的血液过滤器,Examples,镍钛诺尔热机的结构,J,（4）形状记忆式热发动机,自控元件原理,（5）其它应用,4.4 SMA,双程CuZnAl记忆合金弹簧,4.4 SMA,双程Cu

13、ZnAl记忆合金花,Examples,TiNi 记忆合金眼镜架,超弹性耐腐蚀性重量轻,超耐热合金定义能在7001200高温下仍能长时间保持所需力学性能，具抗氧化、抗腐蚀能力，且能满意工作的金属材料通称超耐热合金。,超耐热合金,一般说，金属的熔点越高，其可使用的温度限度越高。高熔点材料就一定是超耐热材料吗？,对高温材料的要求,1.必要条件：高熔点2.在高温下有优良的抗腐蚀性3.在高温下有较高的强度和韧性,耐热合金：副族元素和第族元素形成的合金,Example,航空燃起轮机中使用的高温合金示意图,1压气机叶片2燃烧室3涡轮盘4涡轮叶片,主要部件占发动机重量70由超耐热合金构成燃烧室、涡轮盘和涡轮叶

14、片用耐高温的Ni-Co基合金制造高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是高Cr-Co-W基耐高温合金,铁基超耐热合金基于奥氏体不锈钢，含一定量的铬，镍等元素中温（600800）条件下使用，抗氧化性较差，高温强度不足镍基超耐热合金：应用最广镍含量一般50%在6501000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:受限于钴资源的短缺含钴量4065的奥氏体高温合金在7301100下，具有一定的高温 强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。,超耐热合金的分类,超低温对材料的特殊要求,常温以下直至绝对零度的较大温度范围,低温,沸点,超低温合金,1.防止低温脆性2.需要具备低温下的热性能

15、低温合金膨胀系数尽可能小3.必须是非磁性合金超低温技术多在磁场下利用带有磁性的合金，在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,超低温材料的要求,超低温合金的研究,高锰奥氏体钢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热膨胀系数特别小缺点：机械加工性不佳，耐冲击性也较差。铁锰铝新合金钢把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝取代而制得低温下强度、韧性都十分优异 常温下良好的加工性。,超塑性合金,超塑性合金现象,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。,57,超塑性的概念,一般说来，如果材料的延伸率超过1

16、00，就可称为超塑性。凡具有能超过100延伸率的材料，则称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之延伸率最大可超过1000，有的甚至可达2000,58,纳米铜的室温超塑性,59,在不同温度下ZnAl22的拉伸变形(250时延率),60,Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率,超塑性合金类别,合金种类：锌基合金：巨大的无颈缩延伸率；低蠕变强度，冲压加工性能差，不适宜做结构材料，用于不需切削的简单零件铝基合金：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,实用超塑性合金,1、锌合金：是最早的超塑性合金，其蠕变强度低，难于加工成板材，冲压加工性能差，不宜作结构材料.,用于一般不需

17、切削的简单零件。如 Zn-22Al 的成型温度为 250-270，压力为0.39-1.37 MPa。,Zn-22Al合金的超塑性拉伸试样,2、铝合金：超塑性铝合金可加工成复杂形状部件，强度可达686 MPa，使用温度可达150。如Al-6Cu-0.42Zr、Al-5Ca-5Zn等超塑性温度为300-600，在310-2/秒的应变速率下可达408%变形率。,3、镍合金：镍基高温合金由于高温强度高，难以锻造成型。利用超塑性作精密锻造，锻造压力小，节约材料和加工费，制品均匀性好。,与叶片一体的涡轮盘的超塑性成型(快速凝固粉末的热挤压坯料两步成型),4、超塑性钢:将超塑性用于钢方面，还未完全达到商品化

18、程度。近年来研究的IN-744Y超塑性不锈钢，具有铁素体和奥氏体两相细晶组织，如果把含碳量控制在0.03%,可产生几倍的伸长率。碳素钢的超塑性基础研究正在进行,其中含碳1.25%的碳钢在650-700的加工温度下,取得400%的伸长率。,超高碳钢的超塑性变形（变形量1100%）,5、超塑性钛合金：以Ti-6Al-4V为代表，其伸长率可达2000%。,高变形能力的应用超塑性加工可制备复杂零件，成型零件尺寸精度高。缺点是加工速度慢，效率低固相粘结能力的应用超塑性合金与另一金属压合时，其微细晶粒可以顺利地填充满微小凸起的空间，使两种材料间的粘结能力大大提高。利用这一点可轧合多层材料、包复材料和制造各

19、种复合材料，获得多种优良性能的材料减振能力的应用-合金在超塑性温度下具有使振动迅速衰减的性质，因此可将超塑性合金直接制成零件以满足不同温度下的减振需要。,超塑性合金的应用,超塑性成形实例,国外SPF/DB制品,F-15E机身在SPF/DB前后的比较,SPF/DB Provided Part Reduction 726 Part Details Eliminated 10,000 Fewer Fastners,氢能：-除核燃料外发热值最高的，是汽油的3倍，焦炭的4.5倍-燃烧产物最干净-来源丰富，若能从水中制取氢，取之不尽用之不竭。,储氢合金,氢能使用的问题：储存和运输。储氢技术室氢能利用走上实

20、用化，规模化的关键。传统储氢方法：-高压钢瓶(氢气瓶）。缺点：储存氢气容积小，还有爆炸危险-储存液态氢，将气态氢降到-253C。缺点：储存箱体积庞大，需要极好的绝热装置。,氢气储存与储氢合金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,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1000倍,一个金属原子能与两个、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量。将其稍稍加热，氢化物又会发生分解，将吸收的氢释放出来，同时吸收热量。,储氢原理,合金的吸氢反应机理,H2传质化学吸附氢的解离H22Had表面迁移吸附的氢转化为吸收氢Had

21、Habs 氢在相的稀固溶体中扩散 相转变为氢化物（相）Habs()Habs()氢在相中扩散。,氢原子在合金晶格中形成固溶体,储氢合金种类,稀土系储氢合金：最好的储氢合金，应用最为广泛。最典型的LaNi5。钛系储氢合金：具有储氢容量高，循环寿命长等优点，是目前研究开发热点。eg:TiMn,TiCr,TiFe镁系储氢合金：密度小，储氢容量高，价格低廉。eg:Mg2Ni,贮氢容器,重量轻、体积小氢以金属氢化物形式存在于贮氢合金之中，密度比相同湿度、压力条件下的气态氢大1000倍；节省能量，安全可靠用贮氢合金贮氢，无需高压及贮存液氢的极低温设备和绝热措施，安全性能好，无爆炸危险,Application

22、 贮氢容器,贮氢合金制作的贮氢装置,Example,在高压容器中装入贮氢合金的“混合贮氢容器”,混合贮氢容器,中国首座为燃料电池汽车服务的加氢站是上海安亭国际汽车城。安亭加氢站主要为使用燃料电池的轿车和公交车提供压缩氢气。氢燃料电池车的尾气排放几乎为零，能显著改善城市空气质量。,非晶态金属材料（金属玻璃）,非晶态是指原子呈长程无序的状态。具有非晶态结构的合金称为非晶态合金，非晶态合金又称金属玻璃 被称为“魔鬼金属”,Performance&use,非晶态金属材料的性能与用途（1）高强度高韧性的力学性能,用途：非晶态合金的高强度、高硬度和高韧性可以被利用制做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强

23、纤维。,（2）高导磁、低铁损的软磁性能 易于磁化；磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗小，是理想的软磁材料（在外磁场作用下容易被磁化）目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基，铁一镍基和钴基三大类。,用途：金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材料、磁头材料、磁屏蔽材料、磁致伸缩材料等。,软磁材料硬磁材料,（3）耐强酸、强碱腐蚀的化学特性不存在第二相，组织均匀其无序结构中不存在晶界，位错等缺陷本身活性很高，能够在表面迅速形成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。,目前对耐蚀性能研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶态合金，其中大都含有铬。用途：制造耐腐蚀管道、电池的电极、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化工用的催化剂、污水处理系统中的零件等,非晶态合金的主要特性和应用,