新型高性能结构材料(一)

4．化学气相沉积金刚石膜
金刚石膜是采用化学气相沉积(简称CVD)的方法 制备出来的一种多晶纯金刚石材料，他呈膜状附着于 基体表面，故又常称金刚石膜。
5．立方氮化硼
立方氮化硼微粉的显微硬度为8000~9000HV， 仅次于金刚石，但热硬度和热稳定性比金刚石高很多。 立方氮化硼在1300℃时仍能保持其硬度。
• 铁锰铝新合金钢——把铁镍铬不锈钢中的镍和 铬分别由锰和铝代而制得
–保持面心立方结构 –添加多量的铝可增加奥氏体的强度和耐腐蚀性 –低温下强度、韧性都十分优异。
32
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Chapter6 Metallic Materials 20
第 三 节： 高
一、高温合金及其分类
温 合 金
高温合金是指在600～1200℃高温下能承受一 定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。 按照基体组元的不同，高温合金可分为： 1．铁基高温合金
2．镍基高温合金
3．钴基高温合金
按制备工艺不同，高温合金可分为： ①变形高温合金 ②铸造高温合金 ③粉末冶金高温合金
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
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Chapter6 Metallic Materials 17
a 拉伸试验前； b拉伸试验后
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。
12
6.4.2 超塑性合金类别

结构类别：


细晶超塑性 相变超塑性 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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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

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
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超低温世界的奇异现象
金属材料在超低温下的屈服点、拉伸强度、延伸 率等力学性质与常温下有很大不同。

合金种类：


13
金属材料在一般条件下没有超塑性。要使其 能够发生超塑性形变，必须具备以下三个条件： ①材料必须为具有细小等轴晶粒的两相组织， 晶粒直径必须小于10μ ｍ(超细晶粒)，且在超塑性形变 过程中晶粒不显著长大； ②超塑性形变要求一定的温度范围，一般为 熔点的0.5~0.65倍； ③超塑性形变时的应变速率很小，一般需在 0.01~0.0001/s 的范围内。
③在低温下对缺口敏感性小，即不易在有
铝合金还也能在超低温下保持良好的韧性，冲 击值也基本保持不变
奥氏体不锈钢不锈钢的强、韧、塑性配合良 好，低温韧性极佳
2 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。
第十二章 : 新型高性能结构材料
前 言
第一节 : 超 硬 材 料 第二节 : 超 塑 性 合 金
第三节 : 高 温 合 金
第四节 : 超 低 温 材 料
新型高性能结构材料
高性能结构材料是具有高比强度、高比刚度、 耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料，它包括新型金属材 料、高性能结构陶瓷材料和高分子材料等。
发展新型高性能结构材料将支撑交通运输、 能源动力、资源环境、电子信息、农业和建筑、航天 航空、国防军工以及国家重大工程等领域的可持续发 展，对国家支柱产业的发展和国家安全的保障起着关 键性的作用。
第 一 节： 超 硬 材 料
超硬材料通常是指莫氏硬度达到或接近10的材 料，主要指金刚石和立方氮化硼，适于用来制造加工其 他材料的工具 。此外，超硬材料在光学、电学、热学 方面还具有一些特殊性能，是一种重要的功能材料。
Example

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低压转子 进气道 （ 200 （ 80℃) ℃)
压气机 高压转子 （300 550℃)
燃烧室 （ 1100 ℃)
涡轮 （ 950 ℃)
尾喷管 （ 900 ℃)
1
2
3 4
5
6
7
8
9
15
14
13
12 11
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图9.5 涡轮喷气发动机新型复合材料应用情况
超耐热合金的分类

铁基超耐热合金

镍基超耐热合金


钴基超耐热合金

第 四 节：超 低 温 材 料 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℃
沸点
液 液 液
氮：-195.8℃ 氢：-253℃ 氦：-269℃
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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。

基于奥氏体不锈钢 中温（600～800℃）条件下使用 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 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。
Chapter6 Metallic Materials 25
6．立方氮化硼烧结体
立方氮化硼烧结体具有较高的硬度 (3000~5000HV)和耐磨性，并具有很高的热稳定性， 在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度 。
第二节：超 塑 性 合 金
一、超塑性的定义
变形所需应力却很小，变形均匀，拉伸时不产生 颈缩；无加工硬化，无弹性回复，变形后内部无残余 应力，无各向异性，这种现象即为超塑性。
在超低温下，金属材料的拉伸强度上升，但延展性降 低，塑性明显下降。
超低温合金的分类及应用
应用较多的超低温合金主要有三类：9%镍钢、 钛合金和铝合金。而在-253℃的极低温度以下，应用 较多的则是奥氏体不锈钢。 钛合金有三大优点： ①比强度高； ②强度随温度的降低而提高，且有足够的
韧性；
缺口的地方出现裂纹
2. 人造单晶金刚石
人造单晶金刚石硬度略逊于天然金刚石，其解 理方向和尺寸变得可控和统一。
时间 1955
超硬材料 人造单晶金刚石
公司 美国GE
方法 高温高压
用途 磨料
1957
1977 1995 近年
立方氮化硼
人造聚晶金刚石，立方氮化硼烧 结体 人造单晶金刚石 人造单晶立方氮化硼
美国GE
美国GE
高温高压
二、超塑性行为的产生
研究发现，在两种特定的条件下，会出现合金 的超塑性行为：如图12-2所示。
①相变超塑性 ②微细晶粒超塑性 三、超塑性合金的应用
超塑性合金最大的应用就是航空航天材料。
图12-2 常规变形和超塑性变形的内部晶粒变化示意图 (a) 常规塑性变形 （b）超塑性变形
超塑性合金的应用
1.
图12-1 为Ni-Fe-Cr合金延伸率达1000%以上 而无颈缩的拉伸试样图。
超塑性合金 Superplastic alloy
1 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。
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图12-1 Ni-Fe-Cr合金延伸率达1000%以上而无颈缩的拉伸试样图
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Chapter6 Metallic Materials 19
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。
一、人造金刚石和立方氮化硼的问世
瑞典ASEA公司的Liander和Lundblad在1953年成功 地合成了金刚石； 1957年物理化学家温托夫 （R.H.Wentorf）研制成功立方氮化硼。
请同学们猜一猜
合成钻石
超硬材料的发展历程如表12-1所示。
二、超硬材料的性能及应用
1. 天然单晶金刚石 天然金刚石是一种各向异性的单晶体。硬度达 9000-10000 HV，是自然界中最硬的物质，最重要的 用途在于高速超精加工有色金属及其合金。
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二、高温合金的应用
高温合金是航空航天动力系统的关键材料。镍基 高温合金是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。

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CrCo-W基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成
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。
高温高压
磨料
刀具 刀具 刀具
近年
近年 近年
类金刚石膜
金刚石薄膜 金刚石厚膜 CVD CVD
刀具
刀具 刀具
表12-1 超硬材料发展史
3．人造聚晶金刚石
人造聚晶金刚石是在高温高压下将金刚石微粉 加溶剂聚合而成的多晶体材料其硬度比天然金刚石低 （6000HV左右），但抗弯强度比天然金刚石高很多 主要用来制作刀具。