材料化学第6章金属材料讲义
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5/19/2018 1:55 PM
高熔点金属
第Ⅴ副族、第Ⅵ副族、第Ⅶ副族
Metals with high melting point
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。
耐热合金 Ⅴ－Ⅶ副族元素 和第Ⅷ族元素形成的合金
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
6.2 超耐热合金 6.2.1 超耐热合金定义
一般的金属材料都只能在500～600º C下长期工作。
在700～1200º C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
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
金属可分为黑色金属和有色金属。 黑色金属: 铁、铬、锰及其合金，并以铁金属、铁合金为主。 有色金属: 铁、铬、锰以外的金属。 有色金属又可进一步分为:
轻有色金属: 密度小于4.5g/cm3,如钾、钠、钙、镁、铝、锶、钡等，化学活性高； 重有色金属: 密度大于4.5g/cm3,铜、镍、锡、铅、镉、汞、钴、铋等； 贵金属: 铂、金、银、铑、铱、钌、锇、钯等，地壳含量稀少、开采提炼困难而昂贵， 密度高(10.4~22.4g/cm3)、熔点高(1200~3300K)、惰性； 稀有金属: 如锂、铷、铯、铍、钨、钼、钒、铌、钛、铪、镓、铟、铊、锗和稀土元 素(镧系和锕系)以及人造超铀元素(自然界含量少或分布稀散、发现晚、难提取或 制备应用较晚)； 准金属:介于金属与非金属之间，如硼、硅、硒、碲、砷、锗、锑、钋； 放射性金属: 镭、铀、钍、钋等。
Periodic table
5/19/2018 1:55 PM
6.2.2 超耐热合金的分类
铁基超耐热合金
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
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
低碳马氏体
奥氏体和马氏体
奥氏体和马氏体的结构
5/19/2018 1:55 PM
6.1.4 金属材料热处理
分类 整体热处理 表面热处理 化学热处理 特点
是 对 工 件 整 体进 行 穿 透 加热 是 仅 对 工 件 的表 面 进 行 的热处理工艺 是 改 变 工 件 表层 的 化 学 成分、组织和性能
常用方法
退火、 正火、 淬火+回火、 调质等 表面淬火和回火（如感应 加热淬火） 、气相沉积等 渗碳、渗氮、碳氮共渗、 氮碳共渗、渗金属、多元 共渗等
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
5/19/2018 1:55 PM
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℃
5/19/2018 1:55 PM
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2章内容
T12号钢退火金相形态
5/19/2018 1:55 PM
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
第6章 金属材料 Chapter 6 Metallic Materials
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
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。
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
6.4 超塑性合金 Superplastic Alloy 6.4.1 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。
在1920年，德国人罗森汉(N.Rosenhaim)对冷轧后的Zn4Cu-7A1三元共晶合金的铝板弯曲时，出现了塑性异常高的 现象(180º )。
6.4.2 超塑性合金类别
结构类别：
细晶超塑性
相变超塑性
5种重要的超塑性合金种类：
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，不宜作
结构材料; 铝基合金：综合力学性能较差，室温脆性大,加入微量细化晶粒元素(如Zr 等)后综合力学性能较好； 镍基合金: 镍基高温合金高温强度高，难以锻造成型，利用超塑性进行精 密锻造，压力小、节约材料和成本，制品均匀性好； 超塑性钢：超塑性用于钢尚未商品化，含C1.25%的碳钢在650~700º C的加 工温度下，断后伸长率可达400%; 钛基合金:钛合金变形抗力大，回弹严重，加工困难，难以获得高精度器件； 但利用超塑性进行等温模锻或挤压，变形抗力大为降低，可制形状复杂的 精密零件。
5/19/2018 1:55 PM
1——压气机叶片 2——燃烧室 3——涡轮盘 4——涡轮叶片
航空燃气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
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
相图分析
主要点
5/19/2018 1:55 PM
主要线 ABCD线——液相线 液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。 AHJECF线——固相线 液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化 GS线—— A3线 A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A ES线——AC线 C在A中溶解度曲线 ECF线——共晶线 含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物 （莱氏体）。 PSK线——共析线 含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体
韧性几乎为零。
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
Fe-Fe3C phase diagram
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Leabharlann Baidu分优异。
蚀和抗氧化能力。
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
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。 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。 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
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。
5/19/2018 1:55 PM
学习参考书目
1. 2. 3. 4.
5.
杨兴钰. 材料化学导论. 武汉：湖北科学技术出版社， 2003 王正品，张路，贾玉宏 主编，金属功能材料，化学工 业出版社，2004 李云凯 主编，金属材料学，北京理工大学出版社， 2006 Marc W. M. van der Wijst，Shape Control of Structures and Materials with Shape Memory Alloys，University of Technology Eindhoven，1998 R. LeHolm，B. Norris，High Temperature Alloys for Aerospace Structure，ASM International，2001
1394o C
912o C
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
奥氏体（Austenite，符号A表示）
碳溶解在-Fe中的间隙固溶体
仍保持 -Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规则多
边形 727℃时溶碳为c ＝0.77％，1148℃时可溶碳2.11％ 具有较高塑性
5/19/2018 1:55 PM
(1)
奥氏体和马氏体
奥氏体和马氏体的结构
5/19/2018 1:55 PM
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。
(2)
粉末冶金
5/19/2018 1:55 PM
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。
5/19/2018 1:55 PM
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、
固溶体合金（solid solution alloy） 金属间化合物合金（intermetallic compound alloy）
5/19/2018 1:55 PM
6.1.3 铁系合金的组织结构
铁的同素异晶体
-Fe：体心立方 -Fe：面心立方 -Fe：体心立方
Fe Fe Fe
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
6.3.2 超低温合金的研究
沸点
5/19/2018 1:55 PM
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。
高熔点金属
第Ⅴ副族、第Ⅵ副族、第Ⅶ副族
Metals with high melting point
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。
耐热合金 Ⅴ－Ⅶ副族元素 和第Ⅷ族元素形成的合金
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
6.2 超耐热合金 6.2.1 超耐热合金定义
一般的金属材料都只能在500～600º C下长期工作。
在700～1200º C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
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
金属可分为黑色金属和有色金属。 黑色金属: 铁、铬、锰及其合金，并以铁金属、铁合金为主。 有色金属: 铁、铬、锰以外的金属。 有色金属又可进一步分为:
轻有色金属: 密度小于4.5g/cm3,如钾、钠、钙、镁、铝、锶、钡等，化学活性高； 重有色金属: 密度大于4.5g/cm3,铜、镍、锡、铅、镉、汞、钴、铋等； 贵金属: 铂、金、银、铑、铱、钌、锇、钯等，地壳含量稀少、开采提炼困难而昂贵， 密度高(10.4~22.4g/cm3)、熔点高(1200~3300K)、惰性； 稀有金属: 如锂、铷、铯、铍、钨、钼、钒、铌、钛、铪、镓、铟、铊、锗和稀土元 素(镧系和锕系)以及人造超铀元素(自然界含量少或分布稀散、发现晚、难提取或 制备应用较晚)； 准金属:介于金属与非金属之间，如硼、硅、硒、碲、砷、锗、锑、钋； 放射性金属: 镭、铀、钍、钋等。
Periodic table
5/19/2018 1:55 PM
6.2.2 超耐热合金的分类
铁基超耐热合金
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
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
低碳马氏体
奥氏体和马氏体
奥氏体和马氏体的结构
5/19/2018 1:55 PM
6.1.4 金属材料热处理
分类 整体热处理 表面热处理 化学热处理 特点
是 对 工 件 整 体进 行 穿 透 加热 是 仅 对 工 件 的表 面 进 行 的热处理工艺 是 改 变 工 件 表层 的 化 学 成分、组织和性能
常用方法
退火、 正火、 淬火+回火、 调质等 表面淬火和回火（如感应 加热淬火） 、气相沉积等 渗碳、渗氮、碳氮共渗、 氮碳共渗、渗金属、多元 共渗等
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
5/19/2018 1:55 PM
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℃
5/19/2018 1:55 PM
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2章内容
T12号钢退火金相形态
5/19/2018 1:55 PM
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
第6章 金属材料 Chapter 6 Metallic Materials
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
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。
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
6.4 超塑性合金 Superplastic Alloy 6.4.1 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。
在1920年，德国人罗森汉(N.Rosenhaim)对冷轧后的Zn4Cu-7A1三元共晶合金的铝板弯曲时，出现了塑性异常高的 现象(180º )。
6.4.2 超塑性合金类别
结构类别：
细晶超塑性
相变超塑性
5种重要的超塑性合金种类：
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，不宜作
结构材料; 铝基合金：综合力学性能较差，室温脆性大,加入微量细化晶粒元素(如Zr 等)后综合力学性能较好； 镍基合金: 镍基高温合金高温强度高，难以锻造成型，利用超塑性进行精 密锻造，压力小、节约材料和成本，制品均匀性好； 超塑性钢：超塑性用于钢尚未商品化，含C1.25%的碳钢在650~700º C的加 工温度下，断后伸长率可达400%; 钛基合金:钛合金变形抗力大，回弹严重，加工困难，难以获得高精度器件； 但利用超塑性进行等温模锻或挤压，变形抗力大为降低，可制形状复杂的 精密零件。
5/19/2018 1:55 PM
1——压气机叶片 2——燃烧室 3——涡轮盘 4——涡轮叶片
航空燃气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
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
相图分析
主要点
5/19/2018 1:55 PM
主要线 ABCD线——液相线 液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。 AHJECF线——固相线 液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化 GS线—— A3线 A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A ES线——AC线 C在A中溶解度曲线 ECF线——共晶线 含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物 （莱氏体）。 PSK线——共析线 含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体
韧性几乎为零。
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
Fe-Fe3C phase diagram
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Leabharlann Baidu分优异。
蚀和抗氧化能力。
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
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。 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。 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
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。
5/19/2018 1:55 PM
学习参考书目
1. 2. 3. 4.
5.
杨兴钰. 材料化学导论. 武汉：湖北科学技术出版社， 2003 王正品，张路，贾玉宏 主编，金属功能材料，化学工 业出版社，2004 李云凯 主编，金属材料学，北京理工大学出版社， 2006 Marc W. M. van der Wijst，Shape Control of Structures and Materials with Shape Memory Alloys，University of Technology Eindhoven，1998 R. LeHolm，B. Norris，High Temperature Alloys for Aerospace Structure，ASM International，2001
1394o C
912o C
5/19/2018 1:55 PM
5/19/2018 1:55 PM
奥氏体（Austenite，符号A表示）
碳溶解在-Fe中的间隙固溶体
仍保持 -Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规则多
边形 727℃时溶碳为c ＝0.77％，1148℃时可溶碳2.11％ 具有较高塑性
5/19/2018 1:55 PM
(1)
奥氏体和马氏体
奥氏体和马氏体的结构
5/19/2018 1:55 PM
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。
(2)
粉末冶金
5/19/2018 1:55 PM
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。
5/19/2018 1:55 PM
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、
固溶体合金（solid solution alloy） 金属间化合物合金（intermetallic compound alloy）
5/19/2018 1:55 PM
6.1.3 铁系合金的组织结构
铁的同素异晶体
-Fe：体心立方 -Fe：面心立方 -Fe：体心立方
Fe Fe Fe
5/19/2018 1:55 PM
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
5/19/2018 1:55 PM
6.3.2 超低温合金的研究
沸点
5/19/2018 1:55 PM
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。