第六章 金属材料

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• 渗碳体（cementite，符号C表示）
– – – – 碳与铁形成的一种化合物Fe3C，一般含碳6.67％ 复杂的正交晶格 熔点1227℃。 极高硬度（BHN600以上）的脆性化合物，塑性、 韧性几乎为零。
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• 珠光体（pearlite，符号P表示）
– 奥氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物 – 碳质量分数平均为Wc=0.77% – 显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状 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。Ni、Mn、N的 加入能扩大和稳定奥氏体面心立方结构
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奥氏体和马氏体
奥氏体和马氏体的结构
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工艺技术 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，消除垂直于应力方向的晶界，从而 可以使得热疲劳寿命提高10倍以上。
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• 马氏体（Martensite，符号M表示）
–碳在-Fe中的过饱和固溶体 –马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），中高碳 钢中加速冷却通常能够获得这种组织 – 普遍具有较高强度和硬度
高碳马氏体
低碳马氏体
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奥氏体和马氏体
奥氏体和马氏体的结构
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• 铁素体（Ferrite，符号F表示） – 碳溶解于α-Fe的体心立方晶格中形成的间隙 固溶体 – 碳原子含量很少(仅0.02%) – 强度和硬度低，塑性和韧性好。
• 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。
Metals with high melting point
耐热合金
Ⅴ－Ⅶ副族元素 和第Ⅷ族元素形成的合金
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Periodic table
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6.2.2 超耐热合金的分类
• 铁基超耐热合金
呈现一种异常的延伸现象。
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产生超塑性的条件
• 产生超细化晶粒； • 适宜的温度和应变速率。
4.3.1 超塑性现象
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、 机械加工等方法来实现。
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6.4.2 超塑性合金类别
• 结构类别：
– 细晶超塑性 – 相变超塑性
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形状记忆合金作紧固件、连接件的优势： ① 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； ② 适于不易焊接的接头；
Advantages
③ 金属与塑料等不同材料可以通过这种连接 件连成一体； ④ 安装时不需要熟练的技术。
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（3）在医疗方面的应用
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6.2 超耐热合金
6.2.1 超耐热合金定义 • 能在700～1200℃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。 • 对高温材料的要求
– 在高温下有优良的抗腐蚀性 – 在高温下有较高的强度和韧性
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1——压气机叶片 2——燃烧室 3——涡轮盘 4——涡轮叶片
J
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超塑成型
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2. 固相粘结能力的应用
–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。 –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 制造各种复合材料，获得多种优良性能的材 料。这些性能包括结构强度和刚度、减振能 力、共振点移动、韧脆转变温度、耐蚀及耐 热性等。
– 基于奥氏体不锈钢 – 中温（600～800℃）条件下使用
• 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 ，具有一定的高温 强度、 良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。
J
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3. 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。
4. 其他
–利用动态超塑性可将铸铁等难加工的材料 进行弯曲变形； –对于铸铁等焊接后易开裂的材料，在焊后于 超塑性温度保温，可消除内应力，防止开裂； –高温苛刻条件下使用的机械、结构件的设计、 生产及材料的研制。
(2)
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
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6.3 超低温合金
6.3.1 超低温对材料的特殊要求
低温
常温以下直至绝对零度的较大温度范围 天然气：-163℃ 液 氮：-195.8℃ 液 氢：-253℃ 液 氦：-269℃
• Ti-Ni系合金 • 铜系合金 • 铁系合金
特点
– 弯曲量大，塑性高 – 在记忆温度以上恢复以前形状
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4.4.3 SMA materials
形状记忆合金材料及其转变温度
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6.5.4 形状记忆合金的应用
（1）在军事和航天工业方面的应用
月面天线略图
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（2）在工程方面的应用
形状记忆合金管接口
航空燃起轮机中使用的高温合金示意图
Example
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，通过定向凝固精密 铸造制成
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高熔点金属
第Ⅴ副族、第Ⅵ副族、第Ⅶ副族
– 材科加热恢复原形状后，再改变温度，物体不再改变 形状。
2. 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。
3. 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。
• 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 – 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
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6.4.3 超塑性合金的应用
1. 高变形能力的应用
–真空成型或气压成型 –可以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 –尤其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。 –缺点是加工速度慢，效率低
Chapter 6 Metallic Materials
金属材料
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本章内容
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 金属材料结构与性能 超耐热合金 超低温合金 超塑合金 形状记忆合金 贮氢合金 非晶态金属材料
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学习目的
• 结合前面所学内容，理解金属材料结构与性能 特点； • 了解各种新型金属材料的特殊性能和结构以及 其用途。
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6.2.3 提高超耐热合金性能的途径
改变合金的组织结构
采用特种工艺技术
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合金结构
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、致密的Cr2O3、Al2O3或 SiO2等氧化物保护膜，成为提高耐热钢高温抗腐蚀 的主要措施。
(1)
为了增强金属材料的耐高温蠕变性能，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W、Mo、V等。
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6.1 金属材料结构与性能
6.1.1 金属晶体结构 • 金属键特性 • 紧密堆积结构 • 金属材料形态——多晶 结合第二章内容
T12号钢退火金相形态
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6.1.2 合金基本结构与性能
• 混合物合金（mixture alloy）
– 细微晶粒相互间混合 – 具有低共熔点
• 固溶体合金（solid solution alloy） • 金属间化合物合金（intermetallic compound alloy）
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6.1.4 金属材料热处理
分类 整体热处理 表面热处理 特点 常用方法 是 对 工 件 整 体 进 退火、正火、 淬火+回火、 行穿透加热 调质等 是 仅 对 工 件 的 表 表面淬火和回火 （如感应 面 进 行 的 热 处 理 加热淬火）、气相沉积等 工艺
化学热处理
是 改 变 工 件 表 层 渗碳、渗氮、碳氮共渗、 的 化 学 成 分 、 组 氮碳共渗 、渗金属 、多元 织和性能 共渗等
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沸点
• 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。
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• 需要具备低温下的热性能
– 低温合金膨胀系数尽可能小 – 低膨胀合金：铁镍合金、钛合金等
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单程、双程及全程记忆效应示意图
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6.5.2 形状记忆效应机理
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Ni-Ti合金的马氏体和奥氏体结构
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• 孪晶（twinning）——指两个晶体（或一个晶 体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的 位向关系，这两个晶体就称为"孪晶"，
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马氏体与母相的平衡温度
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6.5.3 形状记忆合金材料
• 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