Chapter 6 Metallic Materials

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1 Chapter 6 Metallic Materials
金属材料 Chapter6 Metallic Materials

2 本章内容 6.1 金属材料结构与性能 6.2 超耐热合金 6.3 超低温合金 6.4 超塑合金 6.5 形状记忆合金 6.6 贮氢合金 6.7 非晶态金属材料 Chapter6 Metallic Materials

3 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。
Chapter6 Metallic Materials 3

4 学习参考书目 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 Chapter6 Metallic Materials

5 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 结合第二章内容 紧密堆积结构 金属材料形态——多晶 T12号钢退火金相形态
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 Chapter6 Metallic Materials

6 6.1.2 合金基本结构与性能 混合物合金（mixture alloy） 固溶体合金（solid solution 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） Chapter6 Metallic Materials

7 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
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9 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 Chapter6 Metallic Materials

10 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 Chapter6 Metallic Materials

11 奥氏体和马氏体 奥氏体和马氏体的结构 Chapter6 Metallic Materials

12 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。
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。 Chapter6 Metallic Materials

13 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。 Chapter6 Metallic Materials

14 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 Chapter6 Metallic Materials

15 Fe-Fe3C phase diagram Chapter6 Metallic Materials

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17 相图分析 主要点 Chapter6 Metallic Materials

18 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
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 %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 %至此反生共析反应，产生出珠光体 Chapter6 Metallic Materials

19 6.1.4 金属材料热处理 分 类 特 点 常 用 方 法 整体热处理 是对工件整体进行穿透加热 退火、正火、 淬火+回火、调质等
表面热处理 是仅对工件的表面进行的热处理工艺 表面淬火和回火（如感应加热淬火）、气相沉积等 化学热处理 是改变工件表层的化学成分、组织和性能 渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗金属、多元共渗等 Chapter6 Metallic Materials

20 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 Chapter6 Metallic Materials

21 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
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 Chapter6 Metallic Materials

22 Metals with high melting point
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 Chapter6 Metallic Materials

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Periodic table Chapter6 Metallic Materials

24 6.2.2 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 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 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。 Chapter6 Metallic Materials

25 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 Chapter6 Metallic Materials

26 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。 (1) 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 Chapter6 Metallic Materials

27 奥氏体和马氏体 奥氏体和马氏体的结构 Chapter6 Metallic Materials

28 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 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 Chapter6 Metallic Materials

29 6.3 超低温合金 低温 沸点 6.3.1 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 天然气：-163℃
液 氮：-195.8℃ 液 氢：-253℃ 液 氦：-269℃ 沸点 Chapter6 Metallic Materials

30 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。 Chapter6 Metallic Materials

31 需要具备低温下的热性能 必须是非磁性合金 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 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 Chapter6 Metallic Materials

32 6.3.2 超低温合金的研究 高锰奥氏体钢——专门开发的超低温合金。 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
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、韧性都十分优异。 Chapter6 Metallic Materials

33 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。 Chapter6 Metallic Materials

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35 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。 Chapter6 Metallic Materials

36 6.4.2 超塑性合金类别 结构类别： 合金种类： 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 Chapter6 Metallic Materials

37 J 6.4.3 超塑性合金的应用 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 J Chapter6 Metallic Materials

38 超塑成型 Chapter6 Metallic Materials

39 J 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。 J Chapter6 Metallic Materials

40 J 减振能力的应用 其他 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。
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。 J Chapter6 Metallic Materials

41 6.5 形状记忆合金（SMA） Shape Memory Alloy
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。 Chapter6 Metallic Materials

42 6.5.1 形状记忆合金特征 一次记忆（单程）： 可逆记忆（双程）： 全方位记忆（全程）：
材科加热恢复原形状后，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。 Chapter6 Metallic Materials

43 单程、双程及全程记忆效应示意图 Chapter6 Metallic Materials

44 6.5.2 形状记忆效应机理 Chapter6 Metallic Materials

45 Ni-Ti合金的马氏体和奥氏体结构 Chapter6 Metallic Materials

46 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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47 马氏体与母相的平衡温度 Chapter6 Metallic Materials

48 6.5.3 形状记忆合金材料 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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49 4.4.3 SMA materials 形状记忆合金材料及其转变温度 Chapter6 Metallic Materials

50 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 Chapter6 Metallic Materials

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52 （2）在工程方面的应用 形状记忆合金管接口 Chapter6 Metallic Materials

53 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；
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。 Chapter6 Metallic Materials

54 （3）在医疗方面的应用 记忆型NiTi牙弓丝 Chapter6 Metallic Materials

55 形状记忆合金制成的血液过滤器 Examples 形状记忆合金套管连接的铝合金假肢 Chapter6 Metallic Materials

56 （4）形状记忆式热发动机 形状记忆用于热发动机的原理 Chapter6 Metallic Materials

57 Examples 镍钛诺尔热机的结构 J Chapter6 Metallic Materials

58 偏心曲柄型热机 涡轮型热机 Chapter6 Metallic Materials

59 （5）其它应用 自控元件原理 Chapter6 Metallic Materials

60 双程CuZnAl记忆合金弹簧 4.4 SMA Chapter6 Metallic Materials

61 双程CuZnAl记忆合金花 4.4 SMA Chapter6 Metallic Materials

62 超弹性 耐腐蚀性 重量轻 Examples TiNi 记忆合金眼镜架 Chapter6 Metallic Materials

63 6.6 储氢合金 hydrogen storage alloys
6.6.1 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 Chapter6 Metallic Materials

64 6.6.2 储氢原理 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。 Chapter6 Metallic Materials

65 M-H系统p—C—T平衡图 平台区：氢气、固溶体、金属氢化物三相共存 f ＝ k－φ十2=1 p—C—T曲线上方：吸收氢气
Principle M-H系统p—C—T平衡图 Chapter6 Metallic Materials

66 合金的吸氢反应机理 H2传质 化学吸附氢的解离 H22Had 表面迁移 吸附的氢转化为吸收氢 Had Habs 氢在α相的稀固溶体中扩散
α相转变为氢化物（β相） Habs(α)  Habs(β) 氢在β相中扩散。 合金的吸氢反应机理 Chapter6 Metallic Materials

67 氢原子在合金晶格中形成固溶体 Chapter6 Metallic Materials

68 6.6.3 储氢合金的开发 实用要求： ① 容易活化； ② 储气容量高； ③ 吸放氢速度快； ④ 反复吸放氢循环时不易粉化，性能不退化；
⑤ 有合适的吸放氢平台压力； ⑥ 吸放氢过程中的平衡氢压差小，即滞后现象弱； ⑦ 有确定的化学稳定性； ⑧ 对杂质敏感程度低； ⑨ 原料资源丰富，价格低廉； ⑩ 用作电极材料时具有良好的耐腐蚀性。 Chapter6 Metallic Materials

69 储氢合金种类 可以在工程上应用的合金基本上都是金属间化合物，已确认有应用前景的共有四类 系列 代表合金 扩展系列 AB5
LaNi5，MmNi5 A1-xNxB5-yMy （x＜1，y＜5） AB2 TiCr2，TiMn2 A1-xNxB2-yMy （x＜1，y＜2） AB TiFe， TiNi A1-xNxB1-yMy （x＜l， y＜1） A2B Mg2Ni，Ti2Ni A2-xNxB1-yMy （x＜2，y＜1） A及N——吸氢量较大的金属 (ⅡA，ⅢB，ⅣB，ⅤB族金属) B及M——过渡金属 （ⅥB，ⅦB，Ⅷ，ⅠB，ⅡB，ⅢA，ⅣA族） Mm ——混合稀土金属 Chapter6 Metallic Materials

70 碳纳米管——迄今为止最好的储氢材料 碳纳米管储氢示意图（红点为氢原子） Chapter6 Metallic Materials

71 6.6.4 贮氢材料的应用 ① 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。 Application 贮氢容器 Chapter6 Metallic Materials

72 Example 贮氢合金制作的贮氢装置 Chapter6 Metallic Materials

73 在高压容器中装入贮氢合金的 “混合贮氢容器”
Example 在高压容器中装入贮氢合金的 “混合贮氢容器” Chapter6 Metallic Materials

74 ② H2的回收与纯化 H2的回收与纯化 用铀回收氘的捕集器 Chapter6 Metallic Materials

75 ③ 氢化物电极 氢化物电极 Ni、MHx电池充放电过程示意图 Chapter6 Metallic Materials

76 镍氢电池结构 Chapter6 Metallic Materials

77 优点 (1)比能量为Ni—Cd电他的1.5-2倍； (2)无重金属Cd对人体的危害； (3)良好的耐过充、放电性能； (4)无记忆效应；
Advantages Chapter6 Metallic Materials

78 ④ 功能材料 化学能、热能和机械能可以通过氢化反应相互转换，可用于热泵、贮热、空调、制冷、水泵、气体压缩机等方面。 功能转换机制
④ 功能材料 功能材料 化学能、热能和机械能可以通过氢化反应相互转换，可用于热泵、贮热、空调、制冷、水泵、气体压缩机等方面。 功能转换机制 Chapter6 Metallic Materials

79 利用储氢合金的放热——吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备
利用储氢合金制造的制冷机 Chapter6 Metallic Materials

80 6.7 非晶态金属材料 6.7.1 非晶态金属材料及其基本特征 （1）非晶态形成能力对合金的依赖性
非晶态合金通常由金属组成或由金属与类金属组合 金属与类金属组合更有利于非晶态的形成 较好的组合类金属：B、P、Si、Ge Chapter6 Metallic Materials

81 （2）结构的长程无序和短程有序性 不存在原子排列的长程有序性 观察不到晶粒的存在
非晶态金属原子的最近邻、第二近邻这样近程的范围内，原子排列与晶态合金极其相似，即存在近程有序性 Chapter6 Metallic Materials

82 （3）热力学的亚稳性 从热力学来看，它有继续释放能量、向平衡状态转变的倾向 从动力学来看，要实现这种转变首先必须克服一定的能垒
位垒高低直接关系到非晶态金属材料的实用价值和使用寿命 Chapter6 Metallic Materials

83 6.7.2 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 非晶态合金的力学性能 合金 硬度 /HV 抗拉强度 /MPa
断后伸长率/% 弹性模量/MPa 非 晶 态 合 金 Pd83Fe7Si10 4018 1860 0.1 66640 Cu57Zr43 5292 1960 74480 Co75Si15B10 8918 3000 0.2 53900 Fe80P7 7448 3040 0.03 121520 Ni75Si8B17 8408 2650 0.14 78400 晶态 18Ni-9Co-5Mo 1810～2130 10～12 Performance & use Chapter6 Metallic Materials

84 结构性能特点： 用途： 结构中不存在位错，没有晶体那样的滑移面，因而不易发生滑移。
非晶态合金断后伸长率低但并不脆，而且具有很高的韧性，非晶薄带可以反复弯曲180°而不断裂，并可以冷轧，有些合金的冷轧压下率可达50%。 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纤维。 Chapter6 Metallic Materials

85 （2）高导磁、低铁损的软磁性能 无序结构——不存在磁晶各向异性 易于磁化；没有位错、晶界等晶体缺陷
磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗小 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。 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、磁屏敝材料、磁致伸缩材料等。 Chapter6 Metallic Materials

86 （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。 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 Chapter6 Metallic Materials

87 非晶态合金和晶态不锈钢在10％FeCl3·10H2O溶液中的腐蚀速率
试 样 腐 蚀 速 度（mm/年） 晶态不锈钢 18Cr-8Ni 17.75 120.0 17Cr-14Ni-2.5Mo —— 29.24 非晶态铁合金 Fe72Cr8P7 0.0000 Fe70Cr10P7 Fe65Cr10Ni5P7 Examples Chapter6 Metallic Materials

88 非晶态合金的主要特性和应用 主要特性 实际应用材料 高强度、高韧性 结构加强材料 高电阻率、低温度系数 高电阻材料、精密电阻合金材料
高导磁率、低矫顽力 磁分离、磁屏蔽、磁头、磁芯材料 高磁感、低损耗 功率变压器、磁芯材料 高耐蚀性 刀具材料、电极材料、表面保持材料 恒体积、恒弹性 不胀钢材料、恒弹性合金材料 超导电性 超导材料 高磁致伸缩 应变仪、延迟线、磁致伸缩振子材料 高磁能积 永磁薄膜材料 Chapter6 Metallic Materials

89 思考题 名词解释： 1）黑色金属；2）有色金属；3）奥氏体；4）马氏体；5）超耐热合金；6）金属固溶体；7）金属间化合物
简述形状记忆合金原理。 介绍贮氢合金类别，并说明其贮氢、释氢化学过程。 讨论贮氢合金在镍氢电池领域的工作原理。 超塑性合金一般具有怎样的结构特点？ 非晶态金属材料一般如何制得？它具有什么突出性能特点？结构上是热力学稳定体系吗？ 一般金属材料是否为单晶态金属结构？ Chapter6 Metallic Materials