新型結(jié)構(gòu)材料-2

1、第二單元第二單元 新型結(jié)構(gòu)材料新型結(jié)構(gòu)材料 12.3 超低溫材料廣泛用于低溫下工作的設(shè)備，如冷凍設(shè)備、制氧設(shè)備、石油液化設(shè)備、航天工業(yè)用的高能推進(jìn)劑液氫、液氮等液體燃料的制造、貯運(yùn)裝置、寒冷地區(qū)（如北極、南極）開(kāi)發(fā)所用的機(jī)械設(shè)施等等。22.3.1超低溫常溫以下直至絕對(duì)零度的較大溫度范圍常溫以下直至絕對(duì)零度的較大溫度范圍低溫低溫沸點(diǎn)沸點(diǎn)天然氣：天然氣：-163 液液 氮：氮：-195.8 液液 氫：氫：-253 液液 氦：氦：-26932.3.2超低溫材料的要求 防止低溫脆性 具備低溫下的熱性能-高低溫環(huán)境下反復(fù)使用，熱膨脹系數(shù)小 由于超低溫技術(shù)多在磁場(chǎng)中進(jìn)行，是非磁性合金42.3.3 超低溫合

2、金的研究超低溫合金的研究 高錳奧氏體鋼是專門開(kāi)發(fā)的超低溫合金。高錳奧氏體鋼是專門開(kāi)發(fā)的超低溫合金。即使在液氦溫度下也具有良好的強(qiáng)度和延伸即使在液氦溫度下也具有良好的強(qiáng)度和延伸率，而且熱膨脹系數(shù)特別小，但是機(jī)械加工率，而且熱膨脹系數(shù)特別小，但是機(jī)械加工性不佳，耐沖擊性也較差。性不佳，耐沖擊性也較差。 如果把鐵鎳鉻不銹鋼中的鎳和鉻分如果把鐵鎳鉻不銹鋼中的鎳和鉻分別由錳和鋁代替，則可以制得鐵錳鋁新別由錳和鋁代替，則可以制得鐵錳鋁新合金鋼，其強(qiáng)度、韌性都十分優(yōu)異。合金鋼，其強(qiáng)度、韌性都十分優(yōu)異。 56鋼鐵的性能隨著它的化學(xué)成分和熱處理工藝而鋼鐵的性能隨著它的化學(xué)成分和熱處理工藝而改變是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化

3、所引起的，構(gòu)成鋼鐵改變是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化所引起的，構(gòu)成鋼鐵的物相除石墨外主要有下面四種含鐵物相的物相除石墨外主要有下面四種含鐵物相奧氏體：奧氏體：0.8%C鐵素體：鐵素體：0.02%C滲碳體：滲碳體：Fe:C=3:1馬氏體：馬氏體：1.6%C沖擊韌性沖擊韌性FATT Fracture Appearance Transition Temperature. 斷口形貌轉(zhuǎn)化溫度。斷口形貌轉(zhuǎn)化溫度。7試驗(yàn)溫度試驗(yàn)溫度剪剪切切面面積積比比例例剪剪切切面面積積比比例例FATT508 C、S、P會(huì)會(huì)FATT， Mn、Ni會(huì)會(huì)FATT, BCC隨隨T韌性顯著降低，韌性顯著降低， FCC隨隨T影響不大。影響不大。

4、成分及性能特點(diǎn)成分及性能特點(diǎn)92.4.1 硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金：硬質(zhì)合金：副族元素，和副族元素，和C、N、B形成的化合物形成的化合物 化學(xué)結(jié)構(gòu)：間隙固溶體 特點(diǎn)：金屬光澤、導(dǎo)電、傳熱好、硬度高、熔點(diǎn)高 、脆性大 2.4 超硬材料10（1）固溶體固溶體：就是固體溶液，是溶質(zhì)原子溶入溶劑中就是固體溶液，是溶質(zhì)原子溶入溶劑中所形成的晶體，保持溶劑元素的晶體結(jié)構(gòu)。所形成的晶體，保持溶劑元素的晶體結(jié)構(gòu)。固溶度：溶質(zhì)原子在溶劑中的最大含量（極限溶解度）。固溶度：溶質(zhì)原子在溶劑中的最大含量（極限溶解度）。固溶體基本特征：固溶體基本特征：保持原溶劑的晶體結(jié)構(gòu)；保持原溶劑的晶體結(jié)構(gòu)；有一定的成份范圍；有一定的成份

5、范圍；具有比較明顯的金屬性質(zhì)。具有一定的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性和一具有比較明顯的金屬性質(zhì)。具有一定的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性和一定的塑性等等。這表明，固溶體中的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。定的塑性等等。這表明，固溶體中的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。11(2)固溶體分類：固溶體分類：按溶質(zhì)原子在溶劑點(diǎn)陣中的位置分：按溶質(zhì)原子在溶劑點(diǎn)陣中的位置分： 置換固溶體、間隙固溶體置換固溶體、間隙固溶體按溶解度分：無(wú)限固溶體、有限固溶體按溶解度分：無(wú)限固溶體、有限固溶體按原子在點(diǎn)陣中排列的秩序性分：按原子在點(diǎn)陣中排列的秩序性分： 無(wú)序固溶體、有序固溶體無(wú)序固溶體、有序固溶體12置換固溶體：溶質(zhì)原子和溶劑原子尺寸相差較小，形成固溶體時(shí)置換固溶體：

6、溶質(zhì)原子和溶劑原子尺寸相差較小，形成固溶體時(shí)溶質(zhì)原子替換了溶劑晶格中的一部分原子，就形成了置換固溶體。溶質(zhì)原子替換了溶劑晶格中的一部分原子，就形成了置換固溶體。如：如：FeFe與與MnMn、Si Si 、Al Al 、Cr Cr 、Ti Ti 、NbNb等形成置換固溶體等形成置換固溶體間隙固溶體：間隙固溶體：溶質(zhì)原子和溶劑原子直徑相差較大，溶質(zhì)原子處于溶質(zhì)原子和溶劑原子直徑相差較大，溶質(zhì)原子處于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的間隙位置上，則形成間隙固溶體。溶劑晶體結(jié)構(gòu)的間隙位置上，則形成間隙固溶體。 例如：例如：Fe Fe 與與 C ,N ,O ,H C ,N ,O ,H 形成間隙固溶體形成間隙固溶體 置換固置

7、換固溶體溶體間隙固間隙固溶體溶體溶劑原子溶劑原子溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子溶劑原子溶劑原子溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子AB13 置換固溶體：溶質(zhì)原子位于晶格點(diǎn)陣位置的固溶體。置換固溶體：溶質(zhì)原子位于晶格點(diǎn)陣位置的固溶體。 Hume-RotheryHume-Rothery三大經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：三大經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：v溶劑、溶質(zhì)原子半徑之差與溶劑原子半徑比超過(guò)溶劑、溶質(zhì)原子半徑之差與溶劑原子半徑比超過(guò)14%14%15%15%時(shí)，固溶度極為有限。時(shí)，固溶度極為有限。v溶劑和溶質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)相近。溶劑和溶質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)相近。v固溶度與元素的原子價(jià)有關(guān)。固溶度與元素的原子價(jià)有關(guān)。 影響固溶度的因素影響固溶度的因素v原子尺寸因素：原子半徑差越

8、小，固溶度越大。原子尺寸因素：原子半徑差越小，固溶度越大。v晶體結(jié)構(gòu)因素：晶體結(jié)構(gòu)因素：結(jié)構(gòu)相同，溶解度大；間隙原子在結(jié)構(gòu)相同，溶解度大；間隙原子在FCCFCC中中溶解度大于溶解度大于BCCBCC中溶解度。中溶解度。v負(fù)電性因素負(fù)電性因素( (化學(xué)親和力化學(xué)親和力) )：負(fù)電性差越大，溶解度大。負(fù)電性差越大，溶解度大。（負(fù)電性差很大時(shí)，形成化合物）（負(fù)電性差很大時(shí)，形成化合物）v電子濃度因素：電子濃度電子濃度因素：電子濃度e/ae/a越大，溶解度越小。越大，溶解度越小。c=e/a=xu +(1-x)vc=e/a=xu +(1-x)v（電子濃度：合金中兩個(gè)組元的價(jià)電子（電子濃度：合金中兩個(gè)組元的

9、價(jià)電子總數(shù)和原子總數(shù)之比。）總數(shù)和原子總數(shù)之比。）14當(dāng)溶劑為一價(jià)面心立方金當(dāng)溶劑為一價(jià)面心立方金屬時(shí)，不同溶質(zhì)的最大固屬時(shí)，不同溶質(zhì)的最大固溶度對(duì)應(yīng)的電子濃度具有溶度對(duì)應(yīng)的電子濃度具有一定的極限值；一定的極限值；溶質(zhì)元素原子價(jià)愈高，固溶質(zhì)元素原子價(jià)愈高，固溶度愈小。溶度愈小。 以 Cu 為 基 以 Ag 為 基 加入元素 化合價(jià) 固熔度 Zn Gn Ge As 2 3 4 5 38.4 19.3 11.8 7 Cd In Sn Sb 2 3 4 5 42 20 12 7 Ga15間隙固溶體：原子半徑小于間隙固溶體：原子半徑小于0.1nm的非金屬元素溶的非金屬元素溶入到溶劑金屬晶體點(diǎn)陣的間隙中

10、形成的固溶體。入到溶劑金屬晶體點(diǎn)陣的間隙中形成的固溶體。非金屬元素：非金屬元素：H, N, C , B, O溶解度一般都很小，只能形成有限固溶體。溶解度一般都很小，只能形成有限固溶體。典型間隙固溶體：典型間隙固溶體： 碳溶于碳溶于-Fe-Fe（八面體間隙）、（八面體間隙）、-Fe-Fe形成固溶體形成固溶體16間隙化合物形成的條件： 間隙原子半徑：金屬原子半徑0.59 碳的原子半徑；0.077nm，與原子半徑大于0.13nm的Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等形成間隙化合物。17第四周期，從左至右碳化物的穩(wěn)定性依次降低過(guò)渡金屬原子次外層d亞層的電子越少，空軌道越多，金屬與碳的結(jié)合力越強(qiáng)

11、182.4.2 硬質(zhì)合金組成及特點(diǎn)硬質(zhì)合金組成及特點(diǎn)（1）硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物和金屬粘結(jié)劑）硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物和金屬粘結(jié)劑經(jīng)粉末冶金方法制成。經(jīng)粉末冶金方法制成。（2）硬質(zhì)合金的性能特點(diǎn)）硬質(zhì)合金的性能特點(diǎn)硬質(zhì)合金優(yōu)點(diǎn)：硬質(zhì)合金中高熔點(diǎn)、高硬度碳化硬質(zhì)合金優(yōu)點(diǎn)：硬質(zhì)合金中高熔點(diǎn)、高硬度碳化物含量高，熱熔性好物含量高，熱熔性好 ,熱硬性好，切削速度高。熱硬性好，切削速度高。硬質(zhì)合金缺點(diǎn)：脆性大，抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性硬質(zhì)合金缺點(diǎn)：脆性大，抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性不強(qiáng)?？箯潖?qiáng)度只有高速鋼的不強(qiáng)?？箯潖?qiáng)度只有高速鋼的1/31/2，沖擊韌性，沖擊韌性只有高速鋼的只有高速鋼的1/41/35。硬質(zhì)

12、合金力學(xué)性能：主要由組成硬質(zhì)合金碳化物硬質(zhì)合金力學(xué)性能：主要由組成硬質(zhì)合金碳化物的種類、數(shù)量、粉末顆粒的粗細(xì)和粘化劑的含量的種類、數(shù)量、粉末顆粒的粗細(xì)和粘化劑的含量決定。決定。 192.4.3 硬質(zhì)合金的種類硬質(zhì)合金的種類按其化學(xué)成分的不同可分為按其化學(xué)成分的不同可分為 ：、鎢鈷類（、鎢鈷類（WC+Co）（合金代號(hào)為）（合金代號(hào)為YG，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)K類類 ）合金鈷含量越高，韌性越好，適于粗加合金鈷含量越高，韌性越好，適于粗加工；鈷含量低，適于精加工。工；鈷含量低，適于精加工。 20 鎢鈦鈷類鎢鈦鈷類 鎢鈦鈷類（鎢鈦鈷類（WC+TiC+Co）（合金代號(hào)為）（合金代號(hào)為YT，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)對(duì)

13、應(yīng)于國(guó)標(biāo)P類類 ） 此類合金有較高的硬度和耐熱性，主要用于此類合金有較高的硬度和耐熱性，主要用于加工切屑不易斷屑的金屬。加工切屑不易斷屑的金屬。 合金中合金中TiC含量高，則耐磨性和耐熱性提高，含量高，則耐磨性和耐熱性提高，但強(qiáng)度降低但強(qiáng)度降低 粗加工一般選擇粗加工一般選擇TiC含量少的含量少的牌號(hào)，精加工選擇牌號(hào)，精加工選擇TiC含量多的牌號(hào)。含量多的牌號(hào)。21 鎢鈦鉭（鈮）鈷類鎢鈦鉭（鈮）鈷類 鎢鈦鉭（鈮）鈷類（鎢鈦鉭（鈮）鈷類（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（）（合金代號(hào)為合金代號(hào)為YW，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)M類）類） 適用于加工冷硬鑄鐵、有色金屬及合金適用于加工冷硬鑄鐵、有色金

14、屬及合金半精加工，也能用于高錳鋼、淬火鋼、半精加工，也能用于高錳鋼、淬火鋼、合金鋼及耐熱合金鋼的半精加工和精加合金鋼及耐熱合金鋼的半精加工和精加工。工。22 、碳化鈦基類（、碳化鈦基類（WC+TiC+Ni+Mo）合金代號(hào)合金代號(hào)YN，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)，對(duì)應(yīng)于國(guó)標(biāo)P01類。類。 用于精加工和半精加工，對(duì)于大長(zhǎng)零用于精加工和半精加工，對(duì)于大長(zhǎng)零件且加工精度較高的零件尤其適合，件且加工精度較高的零件尤其適合，但不適于有沖擊載荷的粗加工和低速但不適于有沖擊載荷的粗加工和低速切削。切削。23（5）超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金）超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金 超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金多用于超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金多用于YG類合金，它的硬類合金，它的硬度

15、和耐磨性得到較大提高，抗彎強(qiáng)度和沖擊度和耐磨性得到較大提高，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度也得到提高，已接近高速鋼。韌度也得到提高，已接近高速鋼。 適合做小尺寸銑刀、鉆頭等，并可用于加工適合做小尺寸銑刀、鉆頭等，并可用于加工高硬度難加工材料。高硬度難加工材料。24人造金剛石立方晶體氮化硼碳化硅人造寶石2.4.4 超硬陶瓷美國(guó)GE超級(jí)磨料公司推出新CBN切削工具材料，Ti基陶瓷基體上制成，整體粘結(jié)在碳化鎢基體上。 25 金剛石金剛石（1）分類：天然金剛石刀具；人造聚晶金剛石刀）分類：天然金剛石刀具；人造聚晶金剛石刀具；復(fù)合聚晶金剛石刀具。具；復(fù)合聚晶金剛石刀具。 （2）優(yōu)點(diǎn)：極高的硬度和耐磨性，人造金剛石硬

16、）優(yōu)點(diǎn)：極高的硬度和耐磨性，人造金剛石硬度達(dá)度達(dá)10000HV，耐磨性是硬質(zhì)合金的，耐磨性是硬質(zhì)合金的6080倍；倍；切削刃鋒利，能實(shí)現(xiàn)超精密微量加工和鏡面加切削刃鋒利，能實(shí)現(xiàn)超精密微量加工和鏡面加工；很高的導(dǎo)熱性。工；很高的導(dǎo)熱性。（3）缺點(diǎn)：耐熱性差，強(qiáng)度低，脆性大，對(duì)振動(dòng)）缺點(diǎn)：耐熱性差，強(qiáng)度低，脆性大，對(duì)振動(dòng)很敏感。很敏感。（4）適用范圍：用于高速條件下精細(xì)加工有色金）適用范圍：用于高速條件下精細(xì)加工有色金屬及其合金和非金屬材料。屬及其合金和非金屬材料。 26 立方氮化硼刀具立方氮化硼刀具（1）概念：立方氮化硼（簡(jiǎn)稱）概念：立方氮化硼（簡(jiǎn)稱CBN）是由六方氮）是由六方氮化硼為原料在高溫

17、高壓下合成。化硼為原料在高溫高壓下合成。（2）優(yōu)點(diǎn)：硬度高，硬度僅次于金剛石，熱穩(wěn)定）優(yōu)點(diǎn)：硬度高，硬度僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性好，較高的導(dǎo)熱性和較小的摩擦系數(shù)。性好，較高的導(dǎo)熱性和較小的摩擦系數(shù)。（3）缺點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性較差，抗彎強(qiáng)度僅為陶瓷）缺點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性較差，抗彎強(qiáng)度僅為陶瓷刀具的刀具的1/51/2。 （4）適用范圍：適用于加工高硬度淬火鋼、冷硬）適用范圍：適用于加工高硬度淬火鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金材料。它不宜加工塑性大的鋼件鑄鐵和高溫合金材料。它不宜加工塑性大的鋼件和鎳基合金，也不適合加工鋁合金和銅合金，通和鎳基合金，也不適合加工鋁合金和銅合金，通常采用負(fù)前角的高速切削。常采用負(fù)前角的高

18、速切削。272.5 超塑性合金超塑性合金 2.5.1 超塑性現(xiàn)象超塑性現(xiàn)象金屬在某一小的應(yīng)力狀態(tài)下，可以延伸金屬在某一小的應(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)一種異常的延伸現(xiàn)象。不發(fā)生斷裂，呈現(xiàn)一種異常的延伸現(xiàn)象。282.5.2 超塑性的特點(diǎn)超塑性的概念： 金屬和合金具有超常的均勻變形能力，其伸長(zhǎng)率可以達(dá)到百分之幾百、甚至百分之幾千。 至今仍無(wú)物理本質(zhì)上的確切定義。超塑性變形的一般特點(diǎn)： 1、大伸長(zhǎng)率； 2、無(wú)縮頸； 3、低流動(dòng)應(yīng)力； 4、易成形。29 超塑性成形實(shí)例 Bi-44Sn擠壓材料在慢速拉伸下出現(xiàn)異常大的延伸率現(xiàn)象

19、（1950），左為拉伸前的試樣。302.5.3 超塑性現(xiàn)象的種類細(xì)晶超塑性相變超塑性 是指在一定的恒溫下，在應(yīng)變速率和晶粒度都滿足要求的條件下所呈現(xiàn)的細(xì)晶超塑性。又稱為結(jié)構(gòu)超塑性或恒溫超塑性。主要控制因素：晶粒超細(xì)化（10um）、等軸化，并在成形期間保持穩(wěn)定；變形溫度：0.50.7 Tm應(yīng)變速率：10-110-5 s-1 是指在一定外力作用下，使金屬或合金在相變溫度附近反復(fù)加熱和冷卻，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后獲得很大的伸長(zhǎng)率。又稱為動(dòng)態(tài)超塑性。主要控制因素：溫度幅度（t = t上 t下）；溫度循環(huán)率（即加熱-冷卻速度）31使原材料產(chǎn)生超細(xì)化晶粒、適宜的應(yīng)變速率和溫度。使原材料產(chǎn)生超細(xì)化晶粒、適宜的

20、應(yīng)變速率和溫度。2.5.4 產(chǎn)生超塑性的條件產(chǎn)生超塑性的條件 材料本身最好是兩相組織的共析或共晶合金，材料本身最好是兩相組織的共析或共晶合金，經(jīng)過(guò)一定的處理后其結(jié)晶應(yīng)是等軸、球形、細(xì)晶經(jīng)過(guò)一定的處理后其結(jié)晶應(yīng)是等軸、球形、細(xì)晶粒組織，晶粒尺寸一般不大于粒組織，晶粒尺寸一般不大于10m，愈細(xì)愈好。，愈細(xì)愈好。通過(guò)合金化，控制凝固過(guò)程、通過(guò)合金化，控制凝固過(guò)程、 熱處理、形變熱熱處理、形變熱處理、粉末冶金、處理、粉末冶金、 機(jī)械加工等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械加工等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 32 2.4.52.4.5超塑性合金超塑性合金 1 1、鋅基合金：用于一般不需切削的簡(jiǎn)單零件。、鋅基合金：用于一般不需切削的簡(jiǎn)單零

21、件。 2 2、鋁基合金：含有微量細(xì)化晶粒元素（如、鋁基合金：含有微量細(xì)化晶粒元素（如ZrZr等）的等）的超塑性鋁合金具有較好的綜合力學(xué)性能，可加工成復(fù)超塑性鋁合金具有較好的綜合力學(xué)性能，可加工成復(fù)雜形狀部件。雜形狀部件。 3 3、鎳合金：利用超塑性進(jìn)行精密鍛造，壓力小，節(jié)、鎳合金：利用超塑性進(jìn)行精密鍛造，壓力小，節(jié)約材料和加工費(fèi)，制品均勻性好。約材料和加工費(fèi)，制品均勻性好。 4 4、超塑性鋼、超塑性鋼 ：將超塑性用于鋼方面，至今尚未達(dá)到：將超塑性用于鋼方面，至今尚未達(dá)到商品化程度。商品化程度。 5 5、鈦基合金：利用超塑性進(jìn)行等溫模鍛或擠壓，變、鈦基合金：利用超塑性進(jìn)行等溫模鍛或擠壓，變形抗力

22、大為降低，可制出形狀復(fù)雜的精密零件。形抗力大為降低，可制出形狀復(fù)雜的精密零件。 332.5.6 超塑性變形機(jī)理 目前仍處于探討階段，尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。幾種主流的觀點(diǎn)： 晶界滑移的觀點(diǎn)； 擴(kuò)散蠕變機(jī)理的作用； 動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。 一般地認(rèn)為，超塑性變形機(jī)理比常規(guī)塑性變形機(jī)理更為復(fù)雜，它包括晶界的滑移和晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)、擴(kuò)散蠕變、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)、在特殊情況下還有再結(jié)晶等，是幾個(gè)機(jī)理的綜合作用。34A-V超塑變形機(jī)理 由Ashby和Verrall提出的晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散蠕變聯(lián)合機(jī)理，簡(jiǎn)稱A-V機(jī)理。起始狀態(tài)中間狀態(tài)終了階段 該理論認(rèn)為，在晶界滑移的同時(shí)伴隨有擴(kuò)散蠕變，對(duì)晶界滑移起調(diào)節(jié)作用的不是晶內(nèi)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，而

23、是原子的擴(kuò)散遷移。352.5.7 影響細(xì)晶超塑性的主要因素 411 1010minm細(xì)晶超塑性具有高度的速度敏感性，速度的變化對(duì)流動(dòng)應(yīng)力和 值的影響很顯著，只有控制在 范圍內(nèi)，才能獲得超塑性。 mT超塑性變形溫度大約在0.5左右，當(dāng)?shù)陀诨虺^(guò)某一溫度范圍時(shí)，就不出現(xiàn)超塑性現(xiàn)象。 金屬需要具有超細(xì)、等軸、雙相及穩(wěn)定的晶粒。1 應(yīng)變速率應(yīng)變速率2變形溫度變形溫度3 組織的影響組織的影響364.3.2 Application 2.5.8超塑性合金的應(yīng)用超塑性合金的應(yīng)用（1）高變形能力的應(yīng)用）高變形能力的應(yīng)用（2）固相結(jié)合能力的應(yīng)用）固相結(jié)合能力的應(yīng)用 （3）減振能力的應(yīng)用）減振能力的應(yīng)用372.6

24、2.6 非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金 非晶態(tài)是指原子呈長(zhǎng)程無(wú)序排列的狀態(tài)。具有非非晶態(tài)是指原子呈長(zhǎng)程無(wú)序排列的狀態(tài)。具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的合金稱非晶態(tài)合金，非晶態(tài)合金又稱晶態(tài)結(jié)構(gòu)的合金稱非晶態(tài)合金，非晶態(tài)合金又稱金屬玻璃。金屬玻璃。 382.6.12.6.1非晶態(tài)合金的制備非晶態(tài)合金的制備 1 1、氣態(tài)急冷法、氣態(tài)急冷法 氣態(tài)急冷法即氣相沉積法，主要包括濺射法和氣態(tài)急冷法即氣相沉積法，主要包括濺射法和蒸發(fā)法。這兩種方法制得的非晶材料只是小片的蒸發(fā)法。這兩種方法制得的非晶材料只是小片的薄膜，不能進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，但由于其可制成非晶薄膜，不能進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，但由于其可制成非晶態(tài)材料的范圍較寬，因而可用于研究。態(tài)材料的

25、范圍較寬，因而可用于研究。392 2、液態(tài)急冷法、液態(tài)急冷法 目前最常用的液態(tài)急冷法是旋輥急冷法，分為目前最常用的液態(tài)急冷法是旋輥急冷法，分為單輥法和雙輥法。下圖是單輥法示意圖。將試塊單輥法和雙輥法。下圖是單輥法示意圖。將試塊放入石英坩堝中，在氬氣保護(hù)下用高頻感應(yīng)加熱放入石英坩堝中，在氬氣保護(hù)下用高頻感應(yīng)加熱使其熔化，再用氣壓將熔融金屬?gòu)墓艿撞康谋馄绞蛊淙刍儆脷鈮簩⑷廴诮饘購(gòu)墓艿撞康谋馄娇趪姵?，落在高速旋轉(zhuǎn)的銅輥輪上，經(jīng)過(guò)急冷立口噴出，落在高速旋轉(zhuǎn)的銅輥輪上，經(jīng)過(guò)急冷立即形成很薄的非晶帶。即形成很薄的非晶帶。 單輥法制備非晶帶示意圖單輥法制備非晶帶示意圖402.6.2 非晶態(tài)金屬材料的基本

26、特征非晶態(tài)金屬材料的基本特征 （3）熱力學(xué)的亞穩(wěn)性）熱力學(xué)的亞穩(wěn)性（2）結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序和短程有序性）結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序和短程有序性（1）非晶態(tài)形成能力對(duì)合金組分的依賴性）非晶態(tài)形成能力對(duì)合金組分的依賴性（4）優(yōu)異的性能）優(yōu)異的性能412.6.22.6.2非晶態(tài)合金的性能非晶態(tài)合金的性能1 1、力學(xué)性能：具有高的強(qiáng)度和硬度、力學(xué)性能：具有高的強(qiáng)度和硬度 2 2、耐蝕性：非晶態(tài)合金具有很強(qiáng)的耐腐蝕能力。、耐蝕性：非晶態(tài)合金具有很強(qiáng)的耐腐蝕能力。 3 3、電性能：與晶態(tài)合金相比，非晶態(tài)合金的電阻率、電性能：與晶態(tài)合金相比，非晶態(tài)合金的電阻率顯著增高（顯著增高（2-32-3倍）。多數(shù)非晶態(tài)合金具有負(fù)的電倍

27、）。多數(shù)非晶態(tài)合金具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻率連續(xù)下降。阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻率連續(xù)下降。 4 4、軟磁性：、軟磁性： 非晶態(tài)合金磁性材料具有高導(dǎo)磁率、非晶態(tài)合金磁性材料具有高導(dǎo)磁率、高磁感、低鐵損和低矯頑力等特性，而且無(wú)磁各高磁感、低鐵損和低矯頑力等特性，而且無(wú)磁各向異性。向異性。 5 5、其他性能：非晶態(tài)合金還具有好的催化特性，高、其他性能：非晶態(tài)合金還具有好的催化特性，高的吸氫能力，超導(dǎo)電性，低居里溫度等特性。的吸氫能力，超導(dǎo)電性，低居里溫度等特性。 42表表2.6.1 非晶態(tài)合金的力學(xué)性能非晶態(tài)合金的力學(xué)性能43表表2.6.2 非晶態(tài)合金和晶態(tài)不銹鋼非晶態(tài)合金和晶態(tài)不

28、銹鋼 在在10FeCl310H2O溶液中的腐蝕速率溶液中的腐蝕速率442.6.32.6.3非晶態(tài)合金的應(yīng)用非晶態(tài)合金的應(yīng)用 利用非晶態(tài)合金的高強(qiáng)度、高韌性、以及工藝上利用非晶態(tài)合金的高強(qiáng)度、高韌性、以及工藝上可以制成條帶或薄片，目前已用它來(lái)制作輪胎、可以制成條帶或薄片，目前已用它來(lái)制作輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強(qiáng)纖維。還可傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強(qiáng)纖維。還可用來(lái)制作各種切削刀具和保安刀片。用來(lái)制作各種切削刀具和保安刀片。 非晶態(tài)的鐵合金是極好的軟磁材料，它容易磁化非晶態(tài)的鐵合金是極好的軟磁材料，它容易磁化和退磁，比普通的晶體磁性材料導(dǎo)磁率高、損耗和退磁，比普通的晶體磁性材料導(dǎo)磁

29、率高、損耗小，電阻率大。小，電阻率大。 非晶態(tài)合金耐腐蝕，特別是在氯化物和硫酸鹽中非晶態(tài)合金耐腐蝕，特別是在氯化物和硫酸鹽中的抗腐蝕性大大超過(guò)不銹鋼，獲得了的抗腐蝕性大大超過(guò)不銹鋼，獲得了“超不銹鋼超不銹鋼”的名稱，可以用于海洋和醫(yī)學(xué)方面。的名稱，可以用于海洋和醫(yī)學(xué)方面。 45表表2.6.3 非晶態(tài)合金的主要特性和應(yīng)用非晶態(tài)合金的主要特性和應(yīng)用462.7 復(fù)合材料復(fù)合材料 2.7.1 概述概述 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的組分材料通過(guò)適當(dāng)?shù)闹苽涔に噺?fù)合在一起的多相固體的組分材料通過(guò)適當(dāng)?shù)闹苽涔に噺?fù)合在一起的多相固體材料。材料。 其既

30、保留原組分材料的特性，又具有原單一組分其既保留原組分材料的特性，又具有原單一組分材料所無(wú)法獲得的或更優(yōu)異的特性。材料所無(wú)法獲得的或更優(yōu)異的特性。47復(fù)合材料中復(fù)合材料中 一相為連續(xù)相，稱為基體一相為連續(xù)相，稱為基體matrix，占主，占主要組分；另一相為要組分；另一相為分散相，稱為增強(qiáng)材料分散相，稱為增強(qiáng)材料Reinforcement。 分散相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中分散相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的，兩相之間存在著相界面；的，兩相之間存在著相界面； 分散相可以分散相可以是增強(qiáng)纖維，也可以是顆粒狀或彌散的填料。是增強(qiáng)纖維，也可以是顆粒狀或彌散的填料。48各種類型的復(fù)合材料中相的排

31、列各種類型的復(fù)合材料中相的排列49Classification2.7.2 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類 50越王劍（下）與吳王矛（上）越王劍（下）與吳王矛（上）51金屬基復(fù)合材料在直升飛機(jī)中的應(yīng)用金屬基復(fù)合材料在直升飛機(jī)中的應(yīng)用 52玻璃鋼建筑材料用于玻璃鋼建筑材料用于 上海東方明珠電視塔大堂裝潢上海東方明珠電視塔大堂裝潢復(fù)合材料復(fù)合材料(玻璃鋼玻璃鋼) 制作的漁船制作的漁船53與基體材料相比，復(fù)合材料的優(yōu)異性能：與基體材料相比，復(fù)合材料的優(yōu)異性能：比強(qiáng)度和比模量高；比強(qiáng)度和比模量高； 抗疲勞性能好；抗疲勞性能好； 高韌性和抗熱沖擊性；高韌性和抗熱沖擊性； 耐熱性高；耐熱性高； 減振性能好；減

32、振性能好； 耐燒蝕性、耐磨損、導(dǎo)電和導(dǎo)熱；耐燒蝕性、耐磨損、導(dǎo)電和導(dǎo)熱； 特殊的光、電、磁性能等；特殊的光、電、磁性能等；可設(shè)計(jì)性，根據(jù)對(duì)材料的性能要求，在基體、可設(shè)計(jì)性，根據(jù)對(duì)材料的性能要求，在基體、 增強(qiáng)材料的類型和含量進(jìn)行選擇，并進(jìn)行適當(dāng)增強(qiáng)材料的類型和含量進(jìn)行選擇，并進(jìn)行適當(dāng) 的制備與加工。的制備與加工。54Classification2.7.3 增強(qiáng)材料的分類增強(qiáng)材料的分類 55增強(qiáng)材料的強(qiáng)度、模量和密度增強(qiáng)材料的強(qiáng)度、模量和密度 增強(qiáng)材料與基體材料的物理相容性增強(qiáng)材料與基體材料的物理相容性 化學(xué)相容性化學(xué)相容性 性能性能/價(jià)格比價(jià)格比在復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，選擇增強(qiáng)材料的原則在復(fù)合材料設(shè)

33、計(jì)中，選擇增強(qiáng)材料的原則對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，第一考慮的是增強(qiáng)材料的強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，第一考慮的是增強(qiáng)材料的強(qiáng)度、模量和密度，其與基體物理及化學(xué)相容性主要反映、模量和密度，其與基體物理及化學(xué)相容性主要反映界面作用和影響。界面作用和影響。562.7.4 典型的復(fù)合材料及其應(yīng)用典型的復(fù)合材料及其應(yīng)用 聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料 Polymer Matrix Composites，PMC 表表6 各種單向連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料性能各種單向連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料性能 57玻璃鋼應(yīng)用于體育用品玻璃鋼應(yīng)用于體育用品58CFRP在民用在民用飛機(jī)中的應(yīng)用飛機(jī)中的應(yīng)用CFRP在空間站大型結(jié)

34、構(gòu)在空間站大型結(jié)構(gòu) 以及太陽(yáng)能電池支架中的應(yīng)用以及太陽(yáng)能電池支架中的應(yīng)用 59金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 Metal Matrix Composites表表7 幾種典型的鋁基幾種典型的鋁基MMC的性能的性能 60硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于航天飛機(jī)主艙體支柱硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于航天飛機(jī)主艙體支柱6162 陶瓷基復(fù)合材料（陶瓷基復(fù)合材料（CMC） 63 碳碳/碳復(fù)合材料（碳復(fù)合材料（C/C） C/C在航天領(lǐng)域中在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用的應(yīng)用C/C作為剎車盤作為剎車盤642.7.5 雜化納米復(fù)合材料雜化納米復(fù)合材料兩相結(jié)構(gòu)已分子級(jí)分散在基體中的復(fù)合材料。溶膠-凝膠技術(shù)是指有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)過(guò)溶液、

35、溶膠、凝膠固化，再經(jīng)熱處理而得到氧化物或其它化合物的方法。 65第一代聚合物納米復(fù)合材料 溶膠溶膠凝膠法是凝膠法是6060年代發(fā)展起來(lái)的一種制備玻璃、陶瓷等年代發(fā)展起來(lái)的一種制備玻璃、陶瓷等無(wú)機(jī)材料的新工藝，近年來(lái)，許多人用此法來(lái)制備聚合物納米無(wú)機(jī)材料的新工藝，近年來(lái)，許多人用此法來(lái)制備聚合物納米復(fù)合材料。通常的方法是在有機(jī)金屬化合物或含復(fù)合材料。通常的方法是在有機(jī)金屬化合物或含SiSi的有機(jī)物前的有機(jī)物前驅(qū)體溶液中引入有機(jī)相聚合物，在適當(dāng)?shù)臈l件下驅(qū)體溶液中引入有機(jī)相聚合物，在適當(dāng)?shù)臈l件下( (如水解如水解) )形成形成穩(wěn)定的溶膠，然后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變成凝膠穩(wěn)定的溶膠，然后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變成凝

36、膠, ,或在無(wú)機(jī)物溶膠或在無(wú)機(jī)物溶膠中加入單體，然后進(jìn)行聚合形成聚合物中加入單體，然后進(jìn)行聚合形成聚合物 無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料。無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料。 目前已經(jīng)采用溶膠目前已經(jīng)采用溶膠凝膠法制備了聚酰亞胺凝膠法制備了聚酰亞胺( (PI) /SiO2PI) /SiO2納納米復(fù)合材料、聚苯胺米復(fù)合材料、聚苯胺/ / SiO2SiO2、聚吡咯聚吡咯/ / SiO2SiO2納米復(fù)合材料等。納米復(fù)合材料等。66雜化復(fù)合材料的基本概念雜化復(fù)合材料的基本概念19世紀(jì)中葉，正硅酸乙酯水解形成的SiO2呈玻璃態(tài)。20世紀(jì)3070年代，化學(xué)家、礦物學(xué)家、陶瓷學(xué)家、玻璃學(xué)家等分別通過(guò)溶膠-凝膠技術(shù)制備出了各自的研究對(duì)象，核化學(xué)家利用溶膠-凝膠技術(shù)制備了核燃料，避免了危險(xiǎn)粉塵的產(chǎn)生。 67第二代聚合物納米復(fù)合材料第二代聚合物納米復(fù)合材料 第二代聚合物納米復(fù)合材料是指從上個(gè)世紀(jì)八十年代起第二代聚合物納米復(fù)合材料是指從上個(gè)世紀(jì)八十年代起開(kāi)始研究的以粘土、云母、開(kāi)始研究的以粘土、云母、 V V2 2O O5 5、MnMn2 2O O3 3等為納米分散