工程材料認(rèn)知講義

1、工程材料認(rèn)知講義1常見的金屬及合金1.1 鐵和鐵的合金廣義的鐵合金是指煉鋼時(shí)作為脫氧劑、元素添加劑等加入鐵水中使鋼具備某種特性或達(dá)到某種要求的一種產(chǎn)品。鐵與一種或幾種元素組成的中間合金，主要用于鋼鐵冶煉。在鋼鐵工業(yè)中一般還把所有煉鋼用的中間合金，不論含鐵與否(如硅鈣合金)，都稱為“鐵合金”。習(xí)慣上還把某些純金屬添加劑及氧化物添加劑也包括在內(nèi)?；痉诸愯F合金的品種繁多，分類方法也多一般按下列方法分類：(1)按鐵合金中主元素分類，主要有硅，鈕，銘，銳，鈦，鴇，鋁等系列鐵合金。(2)按鐵合金中含碳量的分類，有高碳，中碳，低碳，微碳，超微碳等品種。(3)含有兩種或者兩種以上合金元素的多元鐵合金，主要品

2、種有硅鋁合金，硅鈣合金，鉆硅鋁合金，硅鈣鋁合金，硅鋼鈣合金等。(4)按生產(chǎn)方法分類：有高爐鐵合金，電爐鐵合金，爐外法(金屬熱法)鐵合金，真空固態(tài)還原鐵合金，電解法鐵合金，此外還有氧化物壓塊與發(fā)熱鐵合金等特殊鐵合金。1.2 金屬熱處理相關(guān)知識(shí)熱處理是指金屬材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，改變材料表面或內(nèi)部的化學(xué)成分與組織，獲得所需性能的一種金屬熱加工工藝1 .正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點(diǎn)AC3或ACMZ上的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。2 .退火annealing:將亞共析鋼工件加熱至AC3以上2040度，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻(或埋在砂中或

3、石灰中冷卻)至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。3 .淬火：將鋼奧氏體化后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻，使工件在橫截面內(nèi)全部或一定的范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。50CrVA彈簧鋼880c淬油金相組織4 .回火：將經(jīng)過淬火的工件加熱到臨界點(diǎn)AC1以下的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)問，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。5 .調(diào)質(zhì)處理(quenchingandtempering):一般習(xí)慣將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織，它的機(jī)械性

4、能均比相同硬度的正火索氏體組織更優(yōu)。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關(guān)，一般在HB200-350之間。1.3 鋁和鋁的合金純鋁分冶煉品和壓力加工品兩類前者以化學(xué)成份Al表示，后者用漢語拼音LV（鋁、工業(yè)用的）表示。鋁合金按加工方法可以分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類：形變鋁合金能承受壓力加工?？杉庸こ筛鞣N形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、建筑用門窗等。形變鋁合金又分為不可熱處理強(qiáng)化型鋁合金和可熱處理強(qiáng)化型鋁合金。不可熱處理強(qiáng)化型不能通過熱處理來提高機(jī)械性能，只能通過冷加工變形來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，它主要包括高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁以及防銹鋁等。可熱處理強(qiáng)化型鋁合

5、金可以通過淬火和時(shí)效等熱處理手段來提高機(jī)械性能，它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等。鑄造鋁合金按化學(xué)成分可分為鋁硅合金，鋁銅合金，鋁鎂合金，鋁鋅合金和鋁稀土合金，其中鋁硅合金又有過共晶硅鋁合金，共晶硅鋁合金，單共晶硅鋁合金，鑄造鋁合金在鑄態(tài)下使用。1.4 銅和銅的合金1、純銅高品質(zhì)紅銅純度高，組織細(xì)密，含氧量極低。無氣孔、沙眼、疏松，導(dǎo)電性能極佳，適合電蝕刻模具，經(jīng)熱處理工藝，電極無方向性，適合精打，細(xì)打。2、青銅原指銅錫合金，后除黃銅、白銅以外的銅合金均稱青銅，并常在青銅名字前冠以第一主要添加元素的名。錫青銅的鑄造性能、減摩性能好和機(jī)械性能好，適合於制造軸承、蝸輪、齒輪等。鉛青銅是現(xiàn)代

6、發(fā)動(dòng)機(jī)和磨床廣泛使用的軸承材料。鋁青銅強(qiáng)度高，耐磨性和耐蝕性好，用于鑄造高載荷的齒輪、軸套、船用螺旋槳等。磷青銅的彈性極限高，導(dǎo)電性好，適於制造精密彈簧和電接觸元件，鍍青銅還用來制造煤礦、油庫(kù)等使用的無火花工具。鍍銅是一種過飽和固溶體銅基合金，是機(jī)械性能，物理性能，化學(xué)性能及抗蝕性能良好；粉末冶金制作針對(duì)鴇鋼，高碳鋼、耐高溫超硬合金制作的模具需電蝕時(shí)，因普通電極損耗大，速度慢，鴇銅是比較理想材料。3、黃銅以鋅作主要添加元素的銅合金，具有美觀的黃色，統(tǒng)稱黃銅。銅鋅二元合金稱普通黃銅或稱簡(jiǎn)單黃銅。三元以上的黃銅稱特殊黃銅或稱復(fù)雜黃銅。含鋅低於36%勺黃銅合金由固溶體組成，銅合金有良好的冷加工性能，

7、如含鋅30%勺黃銅常用來制作彈殼，俗稱彈殼黃銅或七三黃銅。含鋅在3642%：?jiǎn)柕狞S銅合金由和固溶體組成,其中最常用的是含鋅40%勺六四黃銅。為了改善普通黃銅的性2能，常添加其他元素，如鋁、鍥、鈕、錫、硅、鉛等。鋁能提高黃銅的強(qiáng)度、硬度和耐蝕性，但使塑性降低，適合作海輪冷凝管及其他耐蝕零件。錫能提高黃銅的強(qiáng)度和對(duì)海水的耐腐性，故稱海軍黃銅，用作船舶熱工設(shè)備和螺旋槳等。鉛能改善黃銅的切削性能；這種易切削黃銅常用作鐘表零件。黃銅鑄件常用來制作閥門和管道配件等。船舶常用的消防栓防爆月牙扳手，就是黃銅加鋁鑄造而成。1.5 鑄鐵相關(guān)知識(shí)及用途含碳量在2犯上的鐵碳合金。工業(yè)用鑄鐵一般含碳量為2.5%3.5%

8、。碳在鑄鐵中多以石墨形態(tài)存在，有時(shí)也以滲碳體形態(tài)存在。除碳外，鑄鐵中還含有1%-3%勺硅，以及鈕、磷、硫等元素。合金鑄鐵還含有鍥、銘、鋁、鋁、銅、硼、鈾等元素。碳、硅是影響鑄鐵顯微組織和性能的主要元素。鑄鐵可分為：灰口鑄鐵。含碳量較高（2.7%4.0%）,碳主要以片狀石墨形態(tài)存在，斷口呈灰色，簡(jiǎn)稱灰鐵。熔點(diǎn)低（11451250C）,凝固時(shí)收縮量小，抗壓強(qiáng)度和硬度接近碳素鋼，減震性好。由于片狀石墨存在，故耐磨性好。鑄造性能和切削加工較好。用于制造機(jī)床床身、汽缸、箱體等結(jié)構(gòu)件。其牌號(hào)以“HT后面附兩組數(shù)字。例如：HT20-40（第一數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度，第二組數(shù)字表示最低抗彎強(qiáng)度）。白口鑄鐵。碳、

9、硅含量較低，碳主要以滲碳體形態(tài)存在，斷口呈銀白色。凝固時(shí)收縮大，易產(chǎn)生縮孔、裂紋。硬度高，脆性大，不能承受沖擊載荷。多用作可鍛鑄鐵的坯件和制作耐磨損的零部件。可鍛鑄鐵。由白口鑄鐵退火處理后獲得，石墨呈團(tuán)絮狀分布，簡(jiǎn)稱韌鐵。其組織性能均勻，耐磨損，有良好的塑性和韌性。用于制造形狀復(fù)雜、能承受強(qiáng)動(dòng)載荷的零件。球墨鑄鐵。將灰口鑄鐵鐵水經(jīng)球化處理后獲得，析出的石墨呈球狀，簡(jiǎn)稱球鐵。碳全部或大部分以自由狀態(tài)的球狀石墨存在，斷口成銀灰色。比普通灰口鑄鐵有較高強(qiáng)度、較好韌性和塑性。其牌號(hào)以“QT后面附兩組數(shù)字表示，例如：QT45-5（第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度，第二組數(shù)字表示最低延伸率）。用于制造內(nèi)燃機(jī)、汽

10、車零部件及農(nóng)機(jī)具等。蠕墨鑄鐵。將灰口鑄鐵鐵水經(jīng)蠕化處理后獲得，析出的石墨呈蠕蟲狀。力學(xué)性能與球墨鑄鐵相近，鑄造性能介于灰口鑄鐵與球墨鑄鐵之間。用于制造汽車的零部件。合金鑄鐵件。普通鑄鐵加入適量合金元素（如硅、鈕、磷、鍥、銘、鑰、銅、鋁、硼、銳、錫等）獲得。合金元素使鑄鐵的基體組織發(fā)生變化，從而具有相應(yīng)的耐熱、耐磨、耐蝕、耐低溫或無磁等特性。用于制造礦山、化工機(jī)械和儀器、儀表等的零部件。2金屬材料創(chuàng)新應(yīng)用2.1 超導(dǎo)材料相關(guān)知識(shí)超導(dǎo)材料，是指具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。到80年代，超導(dǎo)材料的應(yīng)用主要有：

11、利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體，應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲(chǔ)能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達(dá)10000MVA;可制作通信電纜和天線，具性能優(yōu)于常規(guī)材料。利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。利用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密測(cè)量?jī)x表以及輻射探測(cè)器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計(jì)算機(jī)的邏輯和存儲(chǔ)元件，其運(yùn)算速度比高性能集成電路的快1020倍，功耗只有四分之一。2014年3月28日，日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)研究小組研究、合成了含有金和硅元素的新型超導(dǎo)化合物。1研究小組在1500度、6萬個(gè)大氣壓的高溫高壓條件下，使金和硅以及二硅化鍬等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

12、，生成了被稱為“SrAuSi3”的新型超導(dǎo)體，在1.6K絕對(duì)溫度下達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)。經(jīng)理論計(jì)算分析，該新型超導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)與原子序號(hào)較大的金元素相比，電子數(shù)有增加、電子磁性和自旋軌道耦合均較強(qiáng)，屬于BaNiSn3構(gòu)造的化合物。該研究成果已在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)主編的材料化學(xué)上發(fā)表。12.2 納米材料相關(guān)知識(shí)納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子（nanoparticle）組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。其尺度已接近光的波長(zhǎng)，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體

13、狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測(cè)技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。2.3 儲(chǔ)氫材料相關(guān)知識(shí)目前儲(chǔ)氫材料有金屬氫化物、碳纖維碳納米管、非碳納米管、玻璃儲(chǔ)氫微球、絡(luò)合物儲(chǔ)氫材料以及有機(jī)液體氫化物。下面僅就合金、有機(jī)液體以及納米儲(chǔ)氫材料三個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)氫材料加以介紹。一,合金儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫合金是指在一定溫度和氫氣壓力下，能可逆的大量吸收、儲(chǔ)存和釋放氫氣的金屬

14、間化合物，其原理是金屬與氫形成諸如離子型化合物、共價(jià)型金屬氫化物、金屬相氫化物-金屬間化合物等結(jié)合物，并在一定條件下能將氫釋放出來。合金作為儲(chǔ)氫材料要滿足一定的要求，首先其氫化物的生成熱要適當(dāng)，如果生成熱太高，生成的氫化物過于穩(wěn)定，釋放氫時(shí)就需要較高的溫度.而如果生成熱太低，則不易吸收氫。其次形成氫化物的平衡壓要適當(dāng)，最好在室溫附近只有幾個(gè)大氣壓，便于吸放氫，而且要吸放速度快，這樣才能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。另外合金及其氫化物對(duì)水、氧和二氧化碳等雜質(zhì)敏感性小，反復(fù)吸放氫時(shí)，材料性能不至于惡化。而且，儲(chǔ)氫材料的氫化物還要滿足在存儲(chǔ)與運(yùn)輸過程中性能可靠、安全、無害、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等條件?，F(xiàn)在已研究的并

15、且符合上述要求的有鎂系、稀土系、鈦系和結(jié)系等。在上述儲(chǔ)氫材料中，鎂系儲(chǔ)氫合金具有較高的儲(chǔ)氫容量，而且吸放氫平臺(tái)好、資源豐富、價(jià)格低廉，應(yīng)用前景十分誘人。鎂可直接與氫反應(yīng)，在300400c和較高的壓力下,反應(yīng)生成Mg和H2反應(yīng)生成MgH2:Mg+H2=MgH2H=74.6kJ/mol。MgH21論氫含量可達(dá)7.6%,具有金紅石結(jié)構(gòu)，性能較穩(wěn)定，在287c時(shí)分解壓為101.3kPa。由于純鎂的吸放氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能差，吸放氫溫度高，所以純鎂很少被直接用來儲(chǔ)存氫氣，為此人們又開始研究鎂基儲(chǔ)氫合金材料。到目前為止，人們已對(duì)300多種重要的鎂基儲(chǔ)氫合金材料進(jìn)行了研究。二，液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫材料有機(jī)液體氫化物貯

16、氫是借助不飽和液體有機(jī)物與氫的一對(duì)可逆反應(yīng)，即加氫和脫氫反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。加氫反應(yīng)時(shí)貯氫，脫氫反應(yīng)時(shí)放氫，有機(jī)液體作為氫載體達(dá)到貯存和輸送氫的目的。烯姓:、煥姓:、芳姓:等不飽和有機(jī)液體均可作貯氫材料，但從貯氫過程的能耗、貯氫量、貯氫劑、物理等方面考慮，以芳爛特別是單環(huán)芳燒作貯氫劑為佳，常用的有機(jī)物氫載體有苯、甲苯、甲基環(huán)己烷、蔡等。用這些有機(jī)液體氫化物作為貯氫劑的貯氫技術(shù)，是20世紀(jì)80年代開發(fā)的一種新型貯氫技術(shù)。1980年,Taube等分析、論證了利用甲基環(huán)己烷作氫載體貯氫為汽車提供燃料的可能性。隨后許多學(xué)者對(duì)為汽車提供燃料的技術(shù)開展了很多卓有成效的研究和開發(fā)工作，對(duì)催化加氫脫氫的貯存輸送進(jìn)行

17、了廣泛的開發(fā)。有機(jī)液體氫化物貯氫作為一種新型貯氫材料，其貯氫特點(diǎn)是：有機(jī)液的貯存、運(yùn)輸安全方便，可利用現(xiàn)有的貯存和運(yùn)輸設(shè)備，有利于長(zhǎng)距離大量運(yùn)輸，貯氫量大，苯和甲苯的理論貯氫量分別為7.19(wt)%和6.18(wt)%,比現(xiàn)有的金屬貯氫量高得多，貯氫劑成本低且可多次循環(huán)使用，加氫反應(yīng)要放出大量的熱，可供利用，脫氫反應(yīng)可利用廢熱。目前存在的主要問題是有機(jī)物氫載體的脫氫溫度偏高，實(shí)際釋氫效率偏低。因此，開發(fā)低溫高效的有機(jī)物氫載體脫氫催化劑、采用膜催化脫氫技術(shù)對(duì)提高過程效能有重要意義。三，納米儲(chǔ)氫材料納米儲(chǔ)氫材料分為兩種方式，一種是將原有的儲(chǔ)氫材料納米化，還有一種就是開發(fā)新的納米材料作為儲(chǔ)氫材料。

18、儲(chǔ)氫合金納米化提高儲(chǔ)氫特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面原因。(1)對(duì)于納米尺寸的金屬顆粒，連續(xù)的能帶分裂為分立的能級(jí)，并且能級(jí)間的平均間距增大，使得氫原子容易獲得解離所需的能量，表現(xiàn)為貯氫合金活化能降低和活化溫度降低。(2)納米顆粒具有巨大的比表面積，電子的輸送將受到微粒表面的散射，顆粒之間的界面形成電子散射的高勢(shì)壘，界面電荷的積累產(chǎn)生界面極化，而元素的電負(fù)性差越大，合金的生成始越負(fù)，合金氫化物越穩(wěn)定。金屬氫化物能夠大量生成，單位體積吸納的氫的質(zhì)量明顯大于宏觀顆粒。（3）納米貯氫合金比表面積大，表面能高，氫原子有效吸附面積顯著增多，氫擴(kuò)散阻力下降，而且氫解反應(yīng)在合金納米品的催化作用下反應(yīng)速率增加，納米晶具有高比例的表面活性原子，有利于反應(yīng)物在其表面吸附，有效降低了電極表面氫原子的吸附活化能，因而具有高的電催化性能。另外，由于納米晶粒相當(dāng)細(xì)小，導(dǎo)致晶界和品格缺陷增加，而晶體缺陷和位錯(cuò)處的原子具有較高的能量可視為反應(yīng)的活性中心，從而降低析氫過電位。（4）晶粒的細(xì)化使其硬度增加，貯氫合金的整體強(qiáng)度隨晶粒尺寸的增加而增強(qiáng)，這對(duì)于抗酸堿及抗循環(huán)充放粉化，以及抵抗充放電形成的氧壓對(duì)貯氫基體的沖擊大有裨益，并且顯著提高了貯氫合金耐腐蝕性。12.4 航空用鋁鋰合金1983年在巴黎國(guó)際航空博覽會(huì)上，世界上兩家最大的鋁合金生產(chǎn)企業(yè)一一英國(guó)阿爾康鋁業(yè)公司和美