材料化學(xué)第6章金屬材料

1、2/23/2022 11:13 PM第第6章章 金屬材料金屬材料2/23/2022 11:13 PM本章內(nèi)容本章內(nèi)容6.1金屬材料結(jié)構(gòu)與性能金屬材料結(jié)構(gòu)與性能6.2 超耐熱合金超耐熱合金6.3 超低溫合金超低溫合金6.4 超塑合金超塑合金6.5 形狀記憶合金形狀記憶合金6.6 貯氫合金貯氫合金6.7 非晶態(tài)金屬材料非晶態(tài)金屬材料2/23/2022 11:13 PM學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的v結(jié)合前面所學(xué)內(nèi)容，理解結(jié)合前面所學(xué)內(nèi)容，理解金屬材料結(jié)構(gòu)與性能特點；金屬材料結(jié)構(gòu)與性能特點；v了解各種新型金屬材料的特殊性能和結(jié)構(gòu)以及其用了解各種新型金屬材料的特殊性能和結(jié)構(gòu)以及其用途。途。2/23/2022 11:

2、13 PM學(xué)習(xí)參考書目學(xué)習(xí)參考書目1.楊興鈺. 材料化學(xué)導(dǎo)論. 武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，20032.王正品，張路，賈玉宏 主編，金屬功能材料，化學(xué)工業(yè)出版社，20043.李云凱 主編，金屬材料學(xué)，北京理工大學(xué)出版社，20064.Marc W. M. van der Wijst，Shape Control of Structures and Materials with Shape Memory Alloys，University of Technology Eindhoven，19985.R. LeHolm，B. Norris，High Temperature Alloys for Aero

3、space Structure，ASM International，20012/23/2022 11:13 PM金屬金屬可分為黑色金屬和有色金屬。黑色金屬黑色金屬: 鐵、鉻、錳及其合金，并以鐵金屬、鐵合金為主。有色金屬有色金屬: 鐵、鉻、錳以外的金屬。 有色金屬有色金屬又可進(jìn)一步分為:輕有色金屬輕有色金屬: 密度小于4.5g/cm3,如鉀、鈉、鈣、鎂、鋁、鍶、鋇等，化學(xué)活性高；重有色金屬重有色金屬: 密度大于4.5g/cm3,銅、鎳、錫、鉛、鎘、汞、鈷、鉍等；貴金屬貴金屬: 鉑、金、銀、銠、銥、釕、鋨、鈀等，地殼含量稀少、開采提煉困難而昂貴，密度高(10.422.4g/cm3)、熔點高(120

4、03300K)、惰性；稀有金屬稀有金屬: 如鋰、銣、銫、鈹、鎢、鉬、釩、鈮、鈦、鉿、鎵、銦、鉈、鍺和稀土元素(鑭系和錒系)以及人造超鈾元素(自然界含量少或分布稀散、發(fā)現(xiàn)晚、難提取或制備應(yīng)用較晚)；準(zhǔn)金屬準(zhǔn)金屬:介于金屬與非金屬之間，如硼、硅、硒、碲、砷、鍺、銻、釙；放射性金屬放射性金屬: 鐳、鈾、釷、釙等。2/23/2022 11:13 PM6.1金屬材料結(jié)構(gòu)與性能金屬材料結(jié)構(gòu)與性能6.1.1 金屬晶體結(jié)構(gòu)金屬晶體結(jié)構(gòu)v金屬鍵特性金屬鍵特性v緊密堆積結(jié)構(gòu)緊密堆積結(jié)構(gòu)v金屬材料形態(tài)金屬材料形態(tài)多晶多晶T12號鋼退火金相形態(tài)號鋼退火金相形態(tài)結(jié)合第結(jié)合第2章內(nèi)容章內(nèi)容2/23/2022 11:13

5、PM6.1.2 合金基本結(jié)構(gòu)與性能合金基本結(jié)構(gòu)與性能v混合物合金（混合物合金（mixture alloy）細(xì)微晶粒相互間混合細(xì)微晶粒相互間混合具有低共熔點具有低共熔點v固溶體合金（固溶體合金（solid solution alloy）v金屬間化合物合金（金屬間化合物合金（intermetallic compound alloy）2/23/2022 11:13 PM6.1.3 鐵系合金的組織結(jié)構(gòu)鐵系合金的組織結(jié)構(gòu)v鐵的同素異晶體鐵的同素異晶體-Fe：體心立方-Fe：面心立方-Fe：體心立方oo1394 C912 CFeFeFe 2/23/2022 11:13 PM2/23/2022 11:13

6、PM v奧氏體（奧氏體（Austenite，符號，符號A表示）表示）碳溶解在-Fe中的間隙固溶體仍保持 -Fe的面心立方晶格，晶界比較直，呈規(guī)則多邊形727時溶碳為c 0.77，1148時可溶碳2.11具有較高塑性2/23/2022 11:13 PM v馬氏體（馬氏體（Martensite，符號，符號M表示）表示）碳在-Fe中的過飽和固溶體馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)為體心四方結(jié)構(gòu)（BCT），中高碳鋼中加速冷卻通常能夠獲得這種組織普遍具有較高強(qiáng)度和硬度高碳馬氏體高碳馬氏體低碳馬氏體低碳馬氏體2/23/2022 11:13 PM奧氏體和馬氏體奧氏體和馬氏體奧氏體和馬氏體的結(jié)構(gòu)奧氏體和馬氏體的結(jié)構(gòu)2/23/2

7、022 11:13 PM v鐵素體（鐵素體（Ferrite，符號，符號F表示）表示）碳溶解于-Fe的體心立方晶格中形成的間隙固溶體碳原子含量很少(僅0.02%)強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性好。2/23/2022 11:13 PM v滲碳體（滲碳體（cementite，符號，符號C表示）表示）碳與鐵形成的一種化合物Fe3C，一般含碳6.67復(fù)雜的正交晶格熔點1227。極高硬度（BHN600以上）的脆性化合物，塑性、韌性幾乎為零。2/23/2022 11:13 PM v珠光體（珠光體（pearlite，符號，符號P表示）表示）奧氏體冷卻時，在727發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為Wc=0.77%顯微

8、組織為由鐵素體片與滲碳體片交替排列的片狀組織2/23/2022 11:13 PM Fe-Fe3C phase diagram2/23/2022 11:13 PM2/23/2022 11:13 PM相圖分析主要點2/23/2022 11:13 PM vABCD線線液相線液相冷卻至此開始析出，加熱至此全部轉(zhuǎn)化。vAHJECF線線固相線液態(tài)合金至此線全部結(jié)晶為固相，加熱至此開始轉(zhuǎn)化vGS線線 A3線A開始析出開始析出F的轉(zhuǎn)變線，加熱時的轉(zhuǎn)變線，加熱時F全部溶入全部溶入AvES線線AC線C在A中溶解度曲線vECF線線共晶線含C量2.11-6.69%至此發(fā)生共晶反應(yīng)，結(jié)晶出A與Fe3C混合物（萊氏體）。

9、vPSK線線共析線含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反應(yīng)，產(chǎn)生出珠光體主要線2/23/2022 11:13 PM6.1.4 金屬材料熱處理金屬材料熱處理2/23/2022 11:13 PM6.2.1 超耐熱合金定義超耐熱合金定義一般的金屬材料都只能在500600C下長期工作。v在在7001200C高溫下仍能長時間保持所需力高溫下仍能長時間保持所需力學(xué)性能，具抗氧化、抗腐蝕能力，且能滿意工學(xué)性能，具抗氧化、抗腐蝕能力，且能滿意工作的金屬材料通稱超耐熱合金。作的金屬材料通稱超耐熱合金。v對高溫材料的要求對高溫材料的要求在高溫下有優(yōu)良的抗腐蝕性在高溫下有較高的強(qiáng)度和韌性6.2 超耐熱合金超

10、耐熱合金2/23/2022 11:13 PMExample航空燃?xì)廨啓C(jī)中使用的高溫合金示意圖航空燃?xì)廨啓C(jī)中使用的高溫合金示意圖1壓氣機(jī)葉片壓氣機(jī)葉片2燃燒室燃燒室3渦輪盤渦輪盤4渦輪葉片渦輪葉片 主要部件占發(fā)動機(jī)重量主要部件占發(fā)動機(jī)重量70由超耐熱合金構(gòu)成由超耐熱合金構(gòu)成 燃燒室、渦輪盤和渦輪葉片用耐高溫的燃燒室、渦輪盤和渦輪葉片用耐高溫的Ni-Co基合金制造基合金制造 高壓氧渦輪泵和高壓氫渦輪泵上的葉片，都是高壓氧渦輪泵和高壓氫渦輪泵上的葉片，都是高高Cr-Co-W基耐高溫合金，通過定向凝固精密基耐高溫合金，通過定向凝固精密鑄造制成鑄造制成 2/23/2022 11:13 PMMetals

11、with high melting point 原子中未成對的價電子數(shù)很多原子中未成對的價電子數(shù)很多強(qiáng)化學(xué)鍵；強(qiáng)化學(xué)鍵；原子半徑較小原子半徑較小晶格結(jié)點上粒子間的距離短，相晶格結(jié)點上粒子間的距離短，相互作用力大。互作用力大。耐熱合金耐熱合金副族元素副族元素和第和第族元素形成的合金族元素形成的合金高熔點金屬高熔點金屬第第副族、第副族、第副族、第副族、第副族副族2/23/2022 11:13 PMPeriodic table2/23/2022 11:13 PMv鐵基超耐熱合金鐵基超耐熱合金基于奧氏體不銹鋼中溫（600800）條件下使用v鎳基超耐熱合金鎳基超耐熱合金鎳含量一般50%在6501000范

12、圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力v鈷基超耐熱合金鈷基超耐熱合金含鈷量4065的奧氏體高溫合金在7301100下 ，具有一定的高溫強(qiáng)度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化能力。6.2.2 超耐熱合金的分類超耐熱合金的分類2/23/2022 11:13 PM改變合金的組織結(jié)構(gòu)改變合金的組織結(jié)構(gòu)采用特種工藝技術(shù)采用特種工藝技術(shù)6.2.3 提高超耐熱合金性能的途徑提高超耐熱合金性能的途徑2/23/2022 11:13 PM(1) 在鋼中加入對氧的親和力比鐵強(qiáng)的在鋼中加入對氧的親和力比鐵強(qiáng)的Cr、Si、Al等，可等，可以優(yōu)先形成穩(wěn)定、致密的以優(yōu)先形成穩(wěn)定、致密的Cr2O3、Al2O3或或SiO2等氧

13、化物保護(hù)等氧化物保護(hù)膜，成為提高耐熱鋼高溫抗腐蝕的主要措施。膜，成為提高耐熱鋼高溫抗腐蝕的主要措施。 合金結(jié)構(gòu)合金結(jié)構(gòu) 為了增強(qiáng)金屬材料的耐高溫蠕變性能，可以加入一些為了增強(qiáng)金屬材料的耐高溫蠕變性能，可以加入一些旨在提高其再結(jié)晶溫度的合金元素，例如高熔點的合金元素旨在提高其再結(jié)晶溫度的合金元素，例如高熔點的合金元素W、Mo、V等。等。 鋼的組織狀態(tài)對其抗熱性也有影響，奧氏體組織的鋼鋼的組織狀態(tài)對其抗熱性也有影響，奧氏體組織的鋼比鐵素體組織的鋼耐熱性高。比鐵素體組織的鋼耐熱性高。Ni、Mn、N的加入能擴(kuò)大和穩(wěn)的加入能擴(kuò)大和穩(wěn)定奧氏體面心立方結(jié)構(gòu)定奧氏體面心立方結(jié)構(gòu)2/23/2022 11:13

14、PM奧氏體和馬氏體奧氏體和馬氏體奧氏體和馬氏體的結(jié)構(gòu)奧氏體和馬氏體的結(jié)構(gòu)2/23/2022 11:13 PM(2)工藝技術(shù)工藝技術(shù)定向凝固定向凝固葉片旋轉(zhuǎn)時，所受的拉力和熱應(yīng)力，平行葉片旋轉(zhuǎn)時，所受的拉力和熱應(yīng)力，平行于葉片縱軸，定向凝固工藝形成沿縱軸方向的于葉片縱軸，定向凝固工藝形成沿縱軸方向的柱狀晶粒，消除垂直于應(yīng)力方向的晶界，從而柱狀晶粒，消除垂直于應(yīng)力方向的晶界，從而可以使得熱疲勞壽命提高可以使得熱疲勞壽命提高10倍以上。倍以上。粉末冶金粉末冶金采用粒度數(shù)十至數(shù)百微米的合金粉末，經(jīng)過采用粒度數(shù)十至數(shù)百微米的合金粉末，經(jīng)過壓制、燒結(jié)、成型工序制成零件，可以消除偏析壓制、燒結(jié)、成型工序制成

15、零件，可以消除偏析現(xiàn)象，組織成分均勻并可以大大節(jié)省材料現(xiàn)象，組織成分均勻并可以大大節(jié)省材料 2/23/2022 11:13 PM6.3.1 超低溫對材料的特殊要求超低溫對材料的特殊要求常溫以下直至絕對零度的較大溫度范圍常溫以下直至絕對零度的較大溫度范圍低溫低溫沸點沸點天然氣：天然氣：-163液液 氮：氮：-195.8液液 氫：氫：-253液液 氦：氦：-2696.3 超低溫合金超低溫合金2/23/2022 11:13 PMv防止低溫脆性防止低溫脆性鐵素體鋼呈體心立方結(jié)構(gòu)，在溫度達(dá)到-200oC左右，就會出現(xiàn)韌性-脆性轉(zhuǎn)變。添加13的鎳，可以使其過渡溫度下降至液氦溫度，即在液氦溫度以上不會出現(xiàn)低

16、溫脆性。另一種方法是采用面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，例如鋁合金、奧氏體系不銹鋼等。2/23/2022 11:13 PMv需要具備低溫下的熱性能需要具備低溫下的熱性能低溫合金膨脹系數(shù)盡可能小低溫合金膨脹系數(shù)盡可能小低膨脹合金：鐵鎳合金、鈦合金等低膨脹合金：鐵鎳合金、鈦合金等v必須是非磁性合金必須是非磁性合金超低溫技術(shù)多在磁場下利用超低溫技術(shù)多在磁場下利用帶有磁性的合金，在構(gòu)件中就會由于產(chǎn)生電帶有磁性的合金，在構(gòu)件中就會由于產(chǎn)生電磁力的作用而造成對磁場的不良影響磁力的作用而造成對磁場的不良影響2/23/2022 11:13 PM6.3.2 超低溫合金的研究超低溫合金的研究v高錳奧氏體鋼高錳奧氏體鋼專門開發(fā)

17、的超低溫合金。專門開發(fā)的超低溫合金。即使在液氦溫度下也具有良好的強(qiáng)度和延伸率即使在液氦溫度下也具有良好的強(qiáng)度和延伸率熱膨脹系數(shù)特別小熱膨脹系數(shù)特別小缺點：機(jī)械加工性不佳，耐沖擊性也較差。缺點：機(jī)械加工性不佳，耐沖擊性也較差。v鐵錳鋁新合金鋼鐵錳鋁新合金鋼把鐵鎳鉻不銹鋼中的鎳和把鐵鎳鉻不銹鋼中的鎳和鉻分別由錳和鋁代而制得鉻分別由錳和鋁代而制得保持面心立方結(jié)構(gòu)保持面心立方結(jié)構(gòu)添加多量的鋁可增加奧氏體的強(qiáng)度和耐腐蝕性添加多量的鋁可增加奧氏體的強(qiáng)度和耐腐蝕性低溫下強(qiáng)度、韌性都十分優(yōu)異。低溫下強(qiáng)度、韌性都十分優(yōu)異。2/23/2022 11:13 PM6.4 超塑性合金超塑性合金 Superplastic

18、 Alloy6.4.1 超塑性合金現(xiàn)象超塑性合金現(xiàn)象 金屬在某一小的應(yīng)力狀態(tài)下，可以延伸十倍甚金屬在某一小的應(yīng)力狀態(tài)下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不發(fā)生斷裂，呈現(xiàn)至是上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不發(fā)生斷裂，呈現(xiàn)一種異常的延伸現(xiàn)象。一種異常的延伸現(xiàn)象。 在在1920年，德國人羅森漢年，德國人羅森漢(N.Rosenhaim)對冷軋后的對冷軋后的Zn-4Cu-7A1三元共晶合金的鋁板彎曲時，出現(xiàn)了塑性異常高的三元共晶合金的鋁板彎曲時，出現(xiàn)了塑性異常高的現(xiàn)象現(xiàn)象(180)。2/23/2022 11:13 PM2/23/2022 11:13 PM4.3.1 超塑性現(xiàn)象超塑性現(xiàn)象產(chǎn)生超細(xì)化晶粒

19、；產(chǎn)生超細(xì)化晶粒； 適宜的溫度和應(yīng)變速率。適宜的溫度和應(yīng)變速率。晶粒的超細(xì)化、等軸化以及穩(wěn)定化晶粒的超細(xì)化、等軸化以及穩(wěn)定化 可通過合金化，控制凝固過程、可通過合金化，控制凝固過程、 熱處理、形變熱處理、粉末冶金、熱處理、形變熱處理、粉末冶金、 機(jī)械加工等方法來實現(xiàn)。機(jī)械加工等方法來實現(xiàn)。產(chǎn)生超塑性的條件產(chǎn)生超塑性的條件2/23/2022 11:13 PM6.4.2 超塑性合金類別超塑性合金類別v結(jié)構(gòu)類別：結(jié)構(gòu)類別：細(xì)晶超塑性細(xì)晶超塑性相變超塑性相變超塑性v5種重要的超塑性合金種類：種重要的超塑性合金種類：鋅基合金：巨大的無頸縮延伸率；低蠕變強(qiáng)度，沖壓加工性能差，不宜作鋅基合金：巨大的無頸縮延

20、伸率；低蠕變強(qiáng)度，沖壓加工性能差，不宜作結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料;鋁基合金：綜合力學(xué)性能較差，室溫脆性大鋁基合金：綜合力學(xué)性能較差，室溫脆性大,加入微量細(xì)化晶粒元素加入微量細(xì)化晶粒元素(如如Zr等等)后綜合力學(xué)性能較好；后綜合力學(xué)性能較好；鎳基合金鎳基合金: 鎳基高溫合金高溫強(qiáng)度高，難以鍛造成型，利用超塑性進(jìn)行精鎳基高溫合金高溫強(qiáng)度高，難以鍛造成型，利用超塑性進(jìn)行精密鍛造，壓力小、節(jié)約材料和成本，制品均勻性好；密鍛造，壓力小、節(jié)約材料和成本，制品均勻性好；超塑性鋼：超塑性用于鋼尚未商品化，含超塑性鋼：超塑性用于鋼尚未商品化，含C1.25%的碳鋼在的碳鋼在650700C的加的加工溫度下，斷后伸長率可達(dá)工

21、溫度下，斷后伸長率可達(dá)400%;鈦基合金鈦基合金:鈦合金變形抗力大，回彈嚴(yán)重，加工困難，難以獲得高精度器件；鈦合金變形抗力大，回彈嚴(yán)重，加工困難，難以獲得高精度器件；但利用超塑性進(jìn)行等溫模鍛或擠壓，變形抗力大為降低，可制形狀復(fù)雜的但利用超塑性進(jìn)行等溫模鍛或擠壓，變形抗力大為降低，可制形狀復(fù)雜的精密零件。精密零件。2/23/2022 11:13 PM1. 高變形能力的應(yīng)用高變形能力的應(yīng)用真空成型或氣壓成型真空成型或氣壓成型可以在密封模具內(nèi)擠壓或鍛造，可以得到相可以在密封模具內(nèi)擠壓或鍛造，可以得到相當(dāng)高的加工精度，并能大幅度降低加工壓力、當(dāng)高的加工精度，并能大幅度降低加工壓力、減少加工工序減少加工

22、工序尤其適于極薄板和極薄管的制造，也非常適尤其適于極薄板和極薄管的制造，也非常適用于加工具有極微小凹凸表面的制品。用于加工具有極微小凹凸表面的制品。缺點是加工速度慢，效率低缺點是加工速度慢，效率低6.4.3 超塑性合金的應(yīng)用超塑性合金的應(yīng)用2/23/2022 11:13 PM超塑成型超塑成型2/23/2022 11:13 PM2. 固相粘結(jié)能力的應(yīng)用固相粘結(jié)能力的應(yīng)用晶粒的超細(xì)化，即晶界體積比的增加使得低壓晶粒的超細(xì)化，即晶界體積比的增加使得低壓下的固相結(jié)合易于進(jìn)行。下的固相結(jié)合易于進(jìn)行。超塑性合金與另一金屬壓合時，其微細(xì)晶?？沙苄院辖鹋c另一金屬壓合時，其微細(xì)晶?？梢皂樌靥畛錆M微小凸起的空

23、間，使兩種材料以順利地填充滿微小凸起的空間，使兩種材料間的粘結(jié)能力大大提高。間的粘結(jié)能力大大提高。利用這一點可軋合多層材料、包復(fù)材料和制造利用這一點可軋合多層材料、包復(fù)材料和制造各種復(fù)合材料，獲得多種優(yōu)良性能的材料。這各種復(fù)合材料，獲得多種優(yōu)良性能的材料。這些性能包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、減振能力、共振些性能包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、減振能力、共振點移動、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、耐蝕及耐熱性等。點移動、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、耐蝕及耐熱性等。 2/23/2022 11:13 PM3. 3.減振能力的應(yīng)用減振能力的應(yīng)用合金在超塑性溫度下具有使振動迅速衰減的性合金在超塑性溫度下具有使振動迅速衰減的性質(zhì)，因此可將超塑性合金直接制成

24、零件以滿足質(zhì)，因此可將超塑性合金直接制成零件以滿足不同溫度下的減振需要。不同溫度下的減振需要。4. 4.其它其它利用動態(tài)超塑性可將鑄鐵等難加工的材料進(jìn)行利用動態(tài)超塑性可將鑄鐵等難加工的材料進(jìn)行彎曲變形；彎曲變形；對于鑄鐵等焊接后易開裂的材料，在焊后于超對于鑄鐵等焊接后易開裂的材料，在焊后于超塑性溫度保溫，可消除內(nèi)應(yīng)力，防止開裂；塑性溫度保溫，可消除內(nèi)應(yīng)力，防止開裂；高溫苛刻條件下使用的機(jī)械、結(jié)構(gòu)件的設(shè)計、高溫苛刻條件下使用的機(jī)械、結(jié)構(gòu)件的設(shè)計、生產(chǎn)及材料的研制。生產(chǎn)及材料的研制。 2/23/2022 11:13 PM6.5 形狀記憶合金（形狀記憶合金（SMA）Shape Memory Allo

25、y形狀記憶材料是指具有形狀記憶材料是指具有定初始形狀的材料經(jīng)形定初始形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學(xué)刺激的處理又可恢復(fù)成初始形狀的理刺激或化學(xué)刺激的處理又可恢復(fù)成初始形狀的材料；材料；形狀記憶合金是形狀記憶材料中的一種。形狀記憶合金是形狀記憶材料中的一種。2/23/2022 11:13 PM6.5.1 形狀記憶合金特征形狀記憶合金特征1. 一次記憶（單程）：一次記憶（單程）：材科加熱恢復(fù)原形狀后，再改變溫度，物體不再改變形材科加熱恢復(fù)原形狀后，再改變溫度，物體不再改變形狀。狀。2. 可逆記憶（雙程）：可逆記憶（雙程）

26、：物體不但能記憶高溫的形狀，而且能記憶低溫的形狀，物體不但能記憶高溫的形狀，而且能記憶低溫的形狀，當(dāng)溫度在高低溫之間反復(fù)變化時，物體的形狀也自動反當(dāng)溫度在高低溫之間反復(fù)變化時，物體的形狀也自動反應(yīng)在兩種形狀間變化。應(yīng)在兩種形狀間變化。3. 全方位記憶（全程）：全方位記憶（全程）：除具有可逆記憶特點外，當(dāng)溫度比較低時，物體的形狀除具有可逆記憶特點外，當(dāng)溫度比較低時，物體的形狀向與高溫形狀相反的方向變化。向與高溫形狀相反的方向變化。一般加熱時的回復(fù)力比冷卻時回復(fù)力大很多。一般加熱時的回復(fù)力比冷卻時回復(fù)力大很多。2/23/2022 11:13 PM單程、雙程及全程記憶效應(yīng)示意圖單程、雙程及全程記憶效

27、應(yīng)示意圖2/23/2022 11:13 PM6.5.2 形狀記憶效應(yīng)機(jī)理形狀記憶效應(yīng)機(jī)理2/23/2022 11:13 PM Ni-Ti合金的馬氏體和奧氏體結(jié)構(gòu)合金的馬氏體和奧氏體結(jié)構(gòu)2/23/2022 11:13 PMv孿晶（孿晶（twinning）指兩個晶體（或一個晶體的指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個晶體就稱為這兩個晶體就稱為孿晶孿晶， 2/23/2022 11:13 PM馬氏體與母相的平衡溫度2/23/2022 11:13 PM6.5.3 形狀記憶合金材料形狀記憶合金材料Ti-Ni系合金系合金銅系

28、合金銅系合金鐵系合金鐵系合金特點特點彎曲量大，塑性高彎曲量大，塑性高 在記憶溫度以上恢復(fù)以前形狀在記憶溫度以上恢復(fù)以前形狀2/23/2022 11:13 PM4.4.3 SMA materials形狀記憶合金材料及其轉(zhuǎn)變溫度形狀記憶合金材料及其轉(zhuǎn)變溫度2/23/2022 11:13 PM6.5.4 形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用月面天線略圖月面天線略圖1. 在軍事和航天工業(yè)方面的應(yīng)用在軍事和航天工業(yè)方面的應(yīng)用2/23/2022 11:13 PM 2/23/2022 11:13 PM 2. 在工程方面的應(yīng)用在工程方面的應(yīng)用形狀記憶合金管接口形狀記憶合金管接口2/23/2022 11:13

29、PMAdvantages形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)勢：形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)勢： 夾緊力大，接觸密封可靠避免了由于焊接而產(chǎn)夾緊力大，接觸密封可靠避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷；生的冶金缺陷； 適于不易焊接的接頭；適于不易焊接的接頭； 金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成一體；一體； 安裝時不需要熟練的技術(shù)。安裝時不需要熟練的技術(shù)。 2/23/2022 11:13 PM 3. 在醫(yī)療方面的應(yīng)用在醫(yī)療方面的應(yīng)用記憶型記憶型NiTi牙弓絲牙弓絲2/23/2022 11:13 PMExamples形狀記憶合金套管連接的鋁合金假肢形狀記憶合

30、金套管連接的鋁合金假肢形狀記憶合金制成的血液過濾器形狀記憶合金制成的血液過濾器2/23/2022 11:13 PM 4. 形狀記憶式熱發(fā)動機(jī)形狀記憶式熱發(fā)動機(jī)形狀記憶用于熱發(fā)動機(jī)的原理形狀記憶用于熱發(fā)動機(jī)的原理2/23/2022 11:13 PMExamples鎳鈦諾爾熱機(jī)的結(jié)構(gòu)鎳鈦諾爾熱機(jī)的結(jié)構(gòu)2/23/2022 11:13 PM偏心曲柄型熱機(jī)偏心曲柄型熱機(jī)渦輪型熱機(jī)渦輪型熱機(jī) 2/23/2022 11:13 PM自控元件原理自控元件原理5. 其它應(yīng)用其它應(yīng)用2/23/2022 11:13 PM4.4 SMA雙程雙程CuZnAl記憶合金彈簧記憶合金彈簧 2/23/2022 11:13 PM4

31、.4 SMA雙程雙程CuZnAl記憶合金花記憶合金花2/23/2022 11:13 PMExamplesTiNi 記憶合金眼鏡架記憶合金眼鏡架超彈性超彈性耐腐蝕性耐腐蝕性重量輕重量輕2/23/2022 11:13 PM6.6.1 氫氣儲存與儲氫合金氫氣儲存與儲氫合金儲氫合金儲氫合金在一定的溫度和氫氣壓力下，在一定的溫度和氫氣壓力下，可以多次吸收、儲存和釋放氫氣的合金材料可以多次吸收、儲存和釋放氫氣的合金材料6.6 儲氫合金儲氫合金 Hydrogen Storage Alloys儲氫合金的單位體積儲氫儲氫合金的單位體積儲氫密度，是相同溫度、壓力密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的條件下氣態(tài)氫的1

32、000倍倍2/23/2022 11:13 PM一個金屬原子能與兩個、三個甚至更多的氫原子結(jié)合，生成穩(wěn)定的金屬氫化物，同時放出熱量。將其稍稍加熱，氫化物又會發(fā)生分解，將吸收的氫釋放出來，同時吸收熱量。6.6.2 儲氫原理儲氫原理22H2H )MHMH2xxQ 放熱（吸入）吸熱（放出2/23/2022 11:13 PMPrincipleM-H系統(tǒng)系統(tǒng)pCT平衡圖平衡圖平臺區(qū)：氫氣、固溶平臺區(qū)：氫氣、固溶體、金屬氫化物三相體、金屬氫化物三相共存共存 f k十十2=1pCT曲線上方：曲線上方：吸收氫氣吸收氫氣pCT曲線下方：曲線下方：放出氫氣放出氫氣2/23/2022 11:13 PM合金的吸氫反應(yīng)機(jī)

33、理合金的吸氫反應(yīng)機(jī)理(1) H2傳質(zhì)傳質(zhì)(2) 化學(xué)吸附氫的解離化學(xué)吸附氫的解離H22Had(3) 表面遷移表面遷移(4) 吸附的氫轉(zhuǎn)化為吸收氫吸附的氫轉(zhuǎn)化為吸收氫Had Habs (5) 氫在氫在相的稀固溶體中擴(kuò)散相的稀固溶體中擴(kuò)散(6) 相轉(zhuǎn)變?yōu)闅浠铮ㄏ噢D(zhuǎn)變?yōu)闅浠铮ㄏ啵┫啵〩abs() Habs()(7) 氫在氫在相中擴(kuò)散。相中擴(kuò)散。2/23/2022 11:13 PM氫原子在合金晶格中形成固溶體氫原子在合金晶格中形成固溶體2/23/2022 11:13 PM實用要求：實用要求： 容易活化；容易活化； 儲氣容量高；儲氣容量高； 吸放氫速度快；吸放氫速度快； 反復(fù)吸放氫循環(huán)時不易粉化，性

34、能不退化；反復(fù)吸放氫循環(huán)時不易粉化，性能不退化； 有合適的吸放氫平臺壓力；有合適的吸放氫平臺壓力； 吸放氫過程中的平衡氫壓差小，即滯后現(xiàn)象弱；吸放氫過程中的平衡氫壓差小，即滯后現(xiàn)象弱； 有確定的化學(xué)穩(wěn)定性；有確定的化學(xué)穩(wěn)定性； 對雜質(zhì)敏感程度低；對雜質(zhì)敏感程度低； 原料資源豐富，價格低廉；原料資源豐富，價格低廉； 用作電極材料時具有良好的耐腐蝕性。用作電極材料時具有良好的耐腐蝕性。6.6.3 儲氫合金的開發(fā)儲氫合金的開發(fā)2/23/2022 11:13 PM儲氫合金種類儲氫合金種類系列系列代表合金代表合金擴(kuò)展系列擴(kuò)展系列AB5LaNi5，MmNi5A1-xNxB5-yMy （x1，y5）AB2T

35、iCr2，TiMn2A1-xNxB2-yMy （x1，y2）ABTiFe， TiNiA1-xNxB1-yMy （xl， y1） A2BMg2Ni，Ti2NiA2-xNxB1-yMy （x2，y1）可以在工程上應(yīng)用的合金基本上都是金屬間化合物，已確認(rèn)有應(yīng)用前景的共有四類(鈦系、鋯系、鐵系及稀土系)A及及N吸氫量較大的金屬 (A，B，B，B族金屬)B及及M過渡金屬 （B，B，B，B，A，A族）Mm 混合稀土金屬2/23/2022 11:13 PM碳納米管迄今為止最好的儲氫材料碳納米管儲氫示意圖（紅點為氫原子）碳納米管儲氫示意圖（紅點為氫原子）2/23/2022 11:13 PM6.6.4 貯氫材料

36、的應(yīng)用貯氫材料的應(yīng)用 1. 貯氫容器貯氫容器 重量輕、體積小重量輕、體積小氫以金屬氫化物形式存在于貯氫合金之中，密度比相同溫度、壓力條件下的氣態(tài)氫大1000倍；節(jié)省能量，安全可靠節(jié)省能量，安全可靠用貯氫合金貯氫，無需高壓及貯存液氫的極低溫設(shè)備和絕熱措施。Application 貯氫容器貯氫容器 2/23/2022 11:13 PMExample貯氫合金制作的貯氫裝置貯氫合金制作的貯氫裝置2/23/2022 11:13 PMExample在高壓容器中裝入貯氫合金的在高壓容器中裝入貯氫合金的“混合貯氫容器混合貯氫容器”2/23/2022 11:13 PMH2的回收與純化的回收與純化2. H2的回收

37、與純化的回收與純化 用鈾回收氘的捕集器用鈾回收氘的捕集器2/23/2022 11:13 PM氫化物電極氫化物電極3. 氫化物電極氫化物電極 Ni、MHx電池充放電過程示意圖電池充放電過程示意圖2/23/2022 11:13 PM鎳氫電池結(jié)構(gòu)鎳氫電池結(jié)構(gòu)2/23/2022 11:13 PMAdvantages(1)比能量為比能量為NiCd電池的電池的1.5-2倍；倍；(2)無重金屬無重金屬Cd對人體與環(huán)境的危害；對人體與環(huán)境的危害；(3)良好的耐過充、放電性能；良好的耐過充、放電性能；(4)無記憶效應(yīng)；無記憶效應(yīng)；(5)主要特性與主要特性與NiCd電池相近，可以互換使用。電池相近，可以互換使用。

38、 優(yōu)點優(yōu)點2/23/2022 11:13 PM功能材料功能材料v化學(xué)能、熱能和機(jī)械能可以通過氫化反應(yīng)相互轉(zhuǎn)換，可用于熱泵、貯熱、空調(diào)、制冷、水泵、氣體壓縮機(jī)等方面。4. 功能材料功能材料 功能轉(zhuǎn)換機(jī)制功能轉(zhuǎn)換機(jī)制2/23/2022 11:13 PM v利用儲氫合金的放利用儲氫合金的放熱熱吸熱循環(huán)，可吸熱循環(huán)，可進(jìn)行熱的儲存和傳輸，進(jìn)行熱的儲存和傳輸，制造制冷或采暖設(shè)備制造制冷或采暖設(shè)備利用儲氫合金制造的制冷機(jī)利用儲氫合金制造的制冷機(jī)2/23/2022 11:13 PM6.7 非晶態(tài)金屬材料非晶態(tài)金屬材料6.7.1 非晶態(tài)金屬材料及其基本特征1. 非晶態(tài)形成能力對合金的依賴性非晶態(tài)形成能力對合金

39、的依賴性非晶態(tài)合金通常由金屬組成或由金屬與類金屬非晶態(tài)合金通常由金屬組成或由金屬與類金屬組合組合金屬與類金屬組合更有利于非晶態(tài)的形成金屬與類金屬組合更有利于非晶態(tài)的形成較好的組合類金屬：較好的組合類金屬：B、P、Si、Ge2/23/2022 11:13 PM2. 結(jié)構(gòu)的長程無序和短程有序性結(jié)構(gòu)的長程無序和短程有序性不存在原子排列的長程有序性不存在原子排列的長程有序性觀察不到晶粒的存在觀察不到晶粒的存在非晶態(tài)金屬原子的最近鄰、第二近鄰這樣近非晶態(tài)金屬原子的最近鄰、第二近鄰這樣近程的范圍內(nèi)，原子排列與晶態(tài)合金極其相似，程的范圍內(nèi)，原子排列與晶態(tài)合金極其相似，即存在近程有序性即存在近程有序性2/23

40、/2022 11:13 PM3. 熱力學(xué)的亞穩(wěn)性熱力學(xué)的亞穩(wěn)性從熱力學(xué)來看，它有繼續(xù)釋放能量、向平從熱力學(xué)來看，它有繼續(xù)釋放能量、向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的傾向衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的傾向從動力學(xué)來看，要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變首先必須從動力學(xué)來看，要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變首先必須克服一定的能壘克服一定的能壘位壘高低直接關(guān)系到非晶態(tài)金屬材料的實位壘高低直接關(guān)系到非晶態(tài)金屬材料的實用價值和使用壽命用價值和使用壽命2/23/2022 11:13 PMPerformance & use6.7.2 非晶態(tài)金屬材料的性能與用途非晶態(tài)金屬材料的性能與用途 1. 高強(qiáng)度高韌性的力學(xué)性能高強(qiáng)度高韌性的力學(xué)性能非晶態(tài)合金的力學(xué)性能非晶態(tài)合金的力學(xué)

41、性能合金合金硬度硬度/HV抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度/MPa斷后伸長率斷后伸長率/%彈性模量彈性模量/MPa非非晶晶態(tài)態(tài)合合金金Pd83Fe7Si10401818600.166640Cu57Zr43529219600.174480Co75Si15B10891830000.253900Fe80P7744830400.03121520Ni75Si81478400晶態(tài)晶態(tài)18Ni-9Co-5Mo1810213010122/23/2022 11:13 PM 結(jié)構(gòu)性能特點：結(jié)構(gòu)性能特點：結(jié)構(gòu)中不存在位錯，沒有晶體那樣的滑移面，因結(jié)構(gòu)中不存在位錯，沒有晶體那樣的滑移面，因而不易發(fā)生滑移。而不易發(fā)生滑移。非晶態(tài)合金斷后伸長率低但并不脆，而且具有很非晶態(tài)合金斷后伸長率低但并不脆，而且具有很高的韌性，非晶薄帶可以反復(fù)彎曲高的