汽車輕量化材料

汽車輕量化材料2021/6/271

當(dāng)前，節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、智能和網(wǎng)絡(luò)是汽車技術(shù)發(fā)展的總趨勢，尤其是節(jié)能和環(huán)保更是關(guān)系人類可持續(xù)發(fā)展的重大問題。因此，降低燃耗、減少向大氣排出CO2和有害氣體及顆粒已成為汽車工程界主攻的方向。人們現(xiàn)已熟知的美國PNGV計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2004年或2005年，美國轎車將達(dá)到每升汽油可行駛約34km（3倍燃料效率）。

減小汽車自重是汽車降低燃耗及減少排放的最有效措施之一。美國的PNGV計(jì)劃要求轎車自身質(zhì)量減小40％。2021/6/2721.汽車輕量化的內(nèi)涵和途徑

汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化而已。首先應(yīng)保持汽車原有的性能不受影響，既要有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性，同時(shí)汽車本身的造價(jià)不被提高，以免給客戶造成經(jīng)濟(jì)上的壓力。

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汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和輕量化材料的使用兩大方面。汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化技術(shù)包括緊湊化技術(shù)和為采用輕量化材料并能滿足碰撞新要求而最新開發(fā)的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù).在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面可以采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達(dá)到輕量化的目的，在用材方面可以通過材料替代或采用新材料來達(dá)到汽車輕量化的目的。

2021/6/274實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑

減少汽車白車身重量對降低發(fā)動機(jī)的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)。為此，首先應(yīng)該在白車身制造材料方面尋找突破口。具體有如下幾種方案：

1）使用密度小、強(qiáng)度高的輕質(zhì)材料，像鋁鎂輕合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；

2）使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強(qiáng)度鋼；(???)

3）使用基于新材料加工技術(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)用材，如連續(xù)擠壓變截面型材、金屬基復(fù)合材料板、激光焊接板材等。

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僅奧迪A8和英國捷豹XJ兩個(gè)高級豪華車據(jù)守輕金屬車身這唯一一塊陣地.寶馬5系列車身前端總成以沖壓鋁板件,鑄鋁合金件和鋁擠壓件焊接而成.目前只是在中高檔轎車中廣泛采用Mg,Al,工程塑料和高強(qiáng)度鋼的混合車身.現(xiàn)代汽車的絕大部分內(nèi)飾件以翼子板,保險(xiǎn)桿外罩和許多乘用車的發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板都是由工程塑料制成的.

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相比之下，至少在目前及至今后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，鋼仍然是汽車車身制造用材的最佳選擇：鋼材不僅具有優(yōu)異的性能價(jià)格比，還有長期積累起來的冶金技術(shù)和成型加工經(jīng)驗(yàn)，使之在汽車行業(yè)中仍然坐擁不可撼動的霸主地位。而方案3）正是從材料加工的角度出發(fā)，使經(jīng)過特殊加工后的鋼板材料的承載性能、成型性能或者其他方面的性能大大提高。

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2材料技術(shù)在輕量化汽車中的作用材料技術(shù)是推動汽車技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵，輕量化是今后汽車發(fā)展的關(guān)鍵。選用新材料（包括高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂、鈦合金、塑料及復(fù)合材料等）來實(shí)現(xiàn)減小汽車自身質(zhì)量的目的，并把先進(jìn)的輕質(zhì)材料作為急需開發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域。

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3輕量化汽車材料技術(shù)的發(fā)展趨勢由于鋼鐵材料在強(qiáng)度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優(yōu)越，其在汽車材料中的主導(dǎo)地位仍是不可動搖的。但高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，如汽車車身、底盤、懸架、轉(zhuǎn)向等零部件上，將有較大增長。

鋁鎂合金在汽車上的用量將明顯增加。

工程塑料、復(fù)合材料所占比例將有明顯增長。多材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，既能改進(jìn)汽車性能，又能顯著減小質(zhì)量。當(dāng)前材料的組合仍以高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂和塑料為主。要實(shí)現(xiàn)多材料輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須強(qiáng)調(diào)“合適的材料用在合適的部位”

2021/6/279第一節(jié)高強(qiáng)度鋼板

一、概述

采用高強(qiáng)度鋼板可以達(dá)到減薄車身用板的厚度和重量的目的,在輕量化的同時(shí)，增加了安全性能。

高強(qiáng)度鋼一般是指冷軋340MPa、熱軋490MPa以上的鋼,這些新型高強(qiáng)度鋼板具有較低的屈強(qiáng)比、較好的應(yīng)變分布能力和較高的應(yīng)變硬化特性,同時(shí)高強(qiáng)度鋼板的力學(xué)性能更加均勻,從而具有更好的碰撞特性和更高的疲勞壽命。2021/6/27102汽車用鋼板的強(qiáng)化機(jī)理和汽車用高強(qiáng)度鋼板、超高強(qiáng)度鋼板傳統(tǒng)的汽車用鋼板主要是采用向低碳鋼中添加合金元素形成固溶強(qiáng)化型鋼以及晶粒細(xì)化的析出型鋼的兩種方式來實(shí)現(xiàn)低碳鋼的高強(qiáng)度化?，F(xiàn)代汽車高強(qiáng)度鋼板是采用使其金相組織得到強(qiáng)化的機(jī)理，而獲得組織強(qiáng)化、復(fù)合組織強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、熱處理強(qiáng)化、冷作硬化和時(shí)效強(qiáng)化等現(xiàn)代高強(qiáng)度鋼。目前高強(qiáng)度鋼板主要包括冷軋含磷板、雙相鋼(DP鋼)板以及相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP鋼)板等。2021/6/27112021/6/27123國內(nèi)外汽車高強(qiáng)度鋼材料概況二十世紀(jì)60～70年代，汽車結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼是以添加各種合金成分的固溶強(qiáng)化型和析出強(qiáng)化型高強(qiáng)度鋼為主體，但為了達(dá)到更高的強(qiáng)度,從80年代開始，研究方向已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向組織強(qiáng)化型高強(qiáng)度鋼，通過Cu析出物和三段冷卻方式提高強(qiáng)度與加工性，通過冶金制造的組織控制來提高各種性能。特別是到了二十一世紀(jì)，發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，各種新鋼種層出不窮，強(qiáng)度也不斷提高，如含銅熱處理強(qiáng)化鋼，Rm＝590～780MPa高翻邊性能鋼板，Rm＝440～780MPa，超高強(qiáng)度鋼板，Rm＝980～1400MPa。2021/6/2713

德國的兩款轎車和SUV上所用的高強(qiáng)度鋼材料VWPolo（大眾波羅）、PorscheCayanne（保時(shí)捷卡宴）、OpeVectra（歐寶維佳）等車型中現(xiàn)代高強(qiáng)度鋼的用量分別為60%、36%、45%，用量非常大，而且已經(jīng)超越了普通鋼，成為汽車用鋼的主力軍，成為未來汽車材料的發(fā)展方向之一。2021/6/2714豐田汽車公司在其生產(chǎn)的豐田系列轎車上已經(jīng)應(yīng)用高強(qiáng)度鋼制作車身及其零部件。車身質(zhì)量要求越來越輕.白車身重量的變化及高強(qiáng)度鋼的使用比例2021/6/2715本田兩代思域（CIVIC）轎車上高強(qiáng)度鋼的使用情況對比2021/6/2716新一代日本鈴木奧拓牌微型車車身使用高強(qiáng)度鋼板的情況

看出高強(qiáng)度鋼的用量和應(yīng)用范圍都非常大，其中的前門內(nèi)板、主地板、門框內(nèi)板、立柱等都用高強(qiáng)度鋼制成，最高的占到了整個(gè)汽車用鋼的68％。2021/6/2717除上述國家外，各大汽車企業(yè)和鋼鐵協(xié)會也組成了超輕鋼車體計(jì)劃(ultralightsteelautobody)，目的是研究出新型高強(qiáng)度鋼材料，擴(kuò)大高強(qiáng)度鋼材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，其目標(biāo)是開發(fā)新型輕型鋼車體，該型車比現(xiàn)有的車型更安全、更節(jié)能、更有利于環(huán)境保護(hù)、售價(jià)不增加。其中材料的開發(fā)與優(yōu)化包括：新型高強(qiáng)度高成形性鋼的開發(fā)與使用的優(yōu)化，形成了以高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、雙相鋼和TRIP鋼為主的新型汽車用鋼系列；以激光拼焊板、液壓成形管件和夾層板為特色的新型鋼材系列。2021/6/2718ULSAB-AVC車身結(jié)構(gòu)所選用鋼種的強(qiáng)度級別、重量及重量比例USLAB-AVC所選用的高強(qiáng)度鋼種類很多，應(yīng)用的零件范圍也很廣，其中DP700/1000的用量最大，達(dá)到了59.32%，其次是MART1250/1520和DP300/500，用量分別為47.71%和18.14%。2021/6/2719我國汽車用高強(qiáng)鋼材料的研制開發(fā)工作較晚，但已有武鋼、寶鋼、鞍鋼、上汽集團(tuán)、上海大學(xué)、重慶汽車研究所等單位對汽車高強(qiáng)度鋼材料開展了研究，特別是寶鋼、武鋼、上汽集團(tuán)等單位在高強(qiáng)度鋼領(lǐng)域有突出地位。國家科技部已將“500MPa以上高強(qiáng)度鋼的先進(jìn)制造技術(shù)”列為了863重點(diǎn)支持項(xiàng)目。2021/6/2720高強(qiáng)鋼若干典型實(shí)例液壓成型車架、后副車架、油底殼、發(fā)動機(jī)托架、儀表板橫梁等，可以看出，國內(nèi)的汽車高強(qiáng)度鋼應(yīng)用范圍已經(jīng)十分廣泛。2021/6/2721廠家/MPa/MPa/%n備注寶鋼403.0628.035.0226080.22-NKK414.0628.034.0211010.21-USS399.7626.730.5--ASTM50標(biāo)距寶鋼TRIP600與國外同類鋼的典型性能

寶鋼生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度等級為600MPa以上，性能與國外同類鋼相差無幾，但在國產(chǎn)轎車上還沒有正式采用，相關(guān)的加工和成型技術(shù)也必須依賴國外。2021/6/2722

汽車用高強(qiáng)度鋼的減重潛能相對于傳統(tǒng)的340MPa的材料,600MPa級的鋼種在理論上的減重潛能大約為20%.然而,對于800MPa的材料,其減重潛能會提高至30%以上.Sumitomo公司的論文闡述了生產(chǎn)車輪用的700MPa和800MPa的熱軋鋼的發(fā)展.可達(dá)到該目標(biāo)強(qiáng)度的化學(xué)成分為低碳,硅,錳,鉻以及鈮和鈦微合金化元素.2021/6/2723高強(qiáng)度鋼在主要零部件及研究的內(nèi)容如下：(要考慮成形方式)擋泥板：抗凹陷性與回彈（先進(jìn)高強(qiáng)度鋼與鋁比較），粘接性能與焊接性能；提升式門：抗凹陷性評估，成形與裝配工藝研究，不同材料的結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)評估；車輪：強(qiáng)度更高、成形性能更好的車輪用鋼開發(fā),以滿足進(jìn)一步減重及靈活生產(chǎn)的需要開發(fā)低成本，高尺寸精度的制造技術(shù)與鋁車輪競爭，開發(fā)具有成本優(yōu)勢的車輪外觀裝飾系統(tǒng)，用于在鋼車輪骨架上安裝永久性鑄鋁外飾件，研究車輪導(dǎo)致車輛振動的根本原因，并通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)予以消除，開發(fā)車輪焊接新技術(shù)；輕型載貨車車架：高剛度的輕型載貨車車架連接技術(shù)，車身車架一體化設(shè)計(jì)方法；油箱：開發(fā)新材料品種（在道路環(huán)境和各種燃油條件下可使用15年）、新設(shè)計(jì)方法和制造方法，以在與塑料油箱的性能、質(zhì)量、價(jià)格競爭中取勝;2021/6/2724座椅:開發(fā)強(qiáng)度級別應(yīng)在500~1400MPa、成形性能優(yōu)良(彎曲半徑小、孔伸長率高)的新型高強(qiáng)度鋼,滿足座椅零件的需要；皮卡車廂和提升式車門：高強(qiáng)度鋼的焊接性能與成形性能，提高鋼的減重、成本競爭力；儀表板橫梁：管狀截面高強(qiáng)度鋼儀表板橫梁的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)；支座與支架：開發(fā)新一代微合金鋼,使工作應(yīng)力從目前600MPa提高到750MPa，輥壓與液壓成形生產(chǎn)設(shè)備開發(fā)，近凈成形工藝與設(shè)備開發(fā)；懸架彈簧：開發(fā)工作應(yīng)力達(dá)1300MPa以上的新型彈簧鋼，開發(fā)可控失效彈簧鋼用于單片彈簧，開發(fā)低成本的涂層及耐蝕彈簧材料。2021/6/2725其它輕量化材料

鋁具有高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，密度小，塑性好，易成型，易回收利用。鑄、鍛、沖壓工藝均適合于其零件制造，在汽車上的用量將明顯增加。

鎂的密度為鋁的2/3、鋼的1/4。鎂具有較高的比強(qiáng)度和比彈性模量、良好的剛性和抗電磁干擾屏蔽性、高的阻尼性能和減震抗沖擊能力，其切削加工性和尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于鋁。鎂合金易于回收利用，其應(yīng)用極為廣泛，也是汽車工業(yè)中最有發(fā)展前景的輕金屬結(jié)構(gòu)材料。工程塑料（？？？）2021/6/2726第二節(jié)鋁及鋁合金

一、鋁及鋁合金性能特點(diǎn)

純鋁具有銀白色金屬光澤,密度小(2.72),熔點(diǎn)低(660.4℃),導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良。耐大氣腐蝕，易于加工成形.具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。鋁合金制造的機(jī)翼2021/6/2727鋁合金既具有高強(qiáng)度又保持純鋁的優(yōu)良特性。鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外還有Cr、Ni、Ti、Zr等輔加元素。

鋁合金型材鋁鑄件2021/6/2728可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金又分為可熱處理強(qiáng)化和不可熱處理強(qiáng)化兩類。鋁合金分類示意圖二、鋁合金的分類鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖。2021/6/2729三、鋁合金的熱處理

并淬火后獲得過飽和的單相固溶體組織的處理。時(shí)效是指將過飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強(qiáng)化相的熱處理。

可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金的熱處理方法：固溶處理+時(shí)效。固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上，保溫加熱固溶淬火過飽和時(shí)效析出2021/6/2730在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱自然時(shí)效；在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱人工時(shí)效。時(shí)效強(qiáng)化效果與加熱溫度和保溫時(shí)間有關(guān)。

溫度一定時(shí)，隨時(shí)效時(shí)間延長，時(shí)效曲線上出現(xiàn)峰值，超過峰值時(shí)間,析出相聚集長大，強(qiáng)度下降，為過時(shí)效。隨時(shí)效溫度提高，峰值強(qiáng)度下降，出現(xiàn)峰值的時(shí)間提前。含4%Cu鋁合金的時(shí)效曲線

時(shí)效時(shí)間/d2021/6/2731時(shí)效時(shí)間屈服強(qiáng)度時(shí)效峰過時(shí)效亞時(shí)效鋁合金的熱處理2021/6/2732四、鋁合金的牌號、性能及用途

1、變形鋁合金⑴變形鋁及鋁合金牌號表示方法

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，變形鋁及鋁合金可直接引用國際四位數(shù)字體系牌號或采用國標(biāo)規(guī)定的四位字符牌號。全世界鋁的用量百萬噸一次生產(chǎn)量二次回收量總用量2021/6/2733GB3190-82中的舊牌號仍可繼續(xù)使用，表示方法為:

防銹鋁合金：LF+序號

硬鋁合金：LY+序號

超硬鋁合金：LC+序號

鍛鋁合金：LD+序號鋁合金波紋管鋁合金制品鋁是可以回收利用的金屬2021/6/2734⑵常用變形鋁合金①防銹鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是衛(wèi)星天線（LF2）

提高抗蝕能力和塑性，并起固溶強(qiáng)化作用。防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，常利用加工硬化提高其強(qiáng)度。2021/6/2735汽化器(熱交換管為LF21)常用的Al-Mn系合金有

LF21（3A21），其抗蝕性和強(qiáng)度高于純鋁，用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘?shù)刃枰獜澢?、沖壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05）,其密度比

純鋁小，強(qiáng)度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如制造管道、容器、鉚釘及承受中等載荷的零件。2021/6/2736②硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn?？蛇M(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，也可進(jìn)行變形強(qiáng)化。強(qiáng)度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。常用硬鋁合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件，如螺旋槳、梁、鉚釘?shù)取?/p>

飛機(jī)翼梁(腹板為硬鋁合金)2021/6/2737③超硬鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。時(shí)效強(qiáng)化效果超過硬鋁合金。熱態(tài)塑性好，但耐蝕性差。常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作溫度較低、受力較大的結(jié)構(gòu)件,如飛機(jī)大梁、起落架等。飛機(jī)主起落架2021/6/2738④鍛鋁合金Al-Cu-Mg-Si系合金可鍛性好，力學(xué)性能高，用于形狀復(fù)雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪等。壓氣機(jī)葉片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金

常用牌號有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等。用于制造150~225℃下工作的零件，如壓氣機(jī)葉片、超音速飛機(jī)蒙皮等。2021/6/2739美F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)

(所用材料大部分是鋁合金)高比強(qiáng)鋁合金機(jī)翼2021/6/27402、鑄造鋁合金包括：Al-Si系：代號為ZL1+兩位數(shù)字順序號Al-Cu系：代號為ZL2+兩位數(shù)字順序號Al-Mg系：代號為ZL3+兩位數(shù)字順序號Al-Zn系：代號為ZL4+兩位數(shù)字順序號⑴Al-Si系鑄造鋁合金

又稱硅鋁明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的鋁硅二元合金，稱為簡單硅鋁明。

577℃12.7%2021/6/2741在普通鑄造條件下，ZL102組織幾乎全部為共晶體，由粗針狀的硅晶體和

固溶體組成，強(qiáng)度和塑性都較差。生產(chǎn)上通常用鈉鹽變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理,得到細(xì)小均勻的共晶體加一次

固溶體組織，以提高性能。未變質(zhì)處理

經(jīng)變質(zhì)處理

ZL102的鑄態(tài)組織2021/6/2742加入其他合金元素的鋁硅鑄造合金稱復(fù)雜(或特殊)硅鋁明。Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性和焊接性能?；钊?裙部為鋁硅合金)用于制造飛機(jī)、儀表、電動機(jī)殼體、汽缸體、風(fēng)機(jī)葉片、發(fā)動機(jī)活塞等。2021/6/2743⑵Al-Cu系鑄造鋁合金這類合金的耐熱性好，強(qiáng)度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強(qiáng)度低于Al-Si系合金。汽缸頭常用代號有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在較高溫度下工作的高強(qiáng)零件，如內(nèi)燃機(jī)汽缸頭、汽車活塞等。2021/6/2744⑶Al-Mg系鑄造鋁合金這類合金的耐蝕性好，強(qiáng)度高，密度小；但鑄造性能差,耐熱性低。常用代號為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)

等。主要用于制造外形簡單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件,如艦船配件、氨用泵體等。鼓風(fēng)機(jī)密封件等(ZL102、301)2021/6/2745⑷Al-Zn系鑄造鋁合金這類合金的鑄造性能好，強(qiáng)度較高，可自然時(shí)效強(qiáng)化；但密度大，耐蝕性較差。大型空壓機(jī)活塞(ZL401)常用代號為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.主要用于制造形狀復(fù)雜受力較小的汽車、飛機(jī)、儀器零件。2021/6/2746第三節(jié)鈦及鈦合金

一、工業(yè)純鈦

純鈦密度小，熔點(diǎn)高。882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

-Ti?

-Ti,由體心立方

-Ti轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕?/p>

-Ti.純鈦比強(qiáng)度高，塑性、低溫韌性和耐蝕性好。美F-22戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制造2021/6/2747純鈦主要用于350℃以下工作、強(qiáng)度要求不高的零件，如石油化工用熱交換器、反應(yīng)器，海水凈化裝置及艦船零部件。鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔2021/6/2748二、鈦合金純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金幾乎都含有鋁。鋁能提高鈦合金的強(qiáng)度、比強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度.按退火組織，鈦合金可分為

型鈦合金、

型鈦合金和

+

型鈦合金三類，它們的牌號分別用TA、TB、TC加順序號表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3為工業(yè)純鈦。鈦合金泵2021/6/27491、

型鈦合金主加元素為鋁，還有錫、硼等。

不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用,組織為單相

固溶體。

強(qiáng)度低于另兩類鈦合金，但高溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越。

鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪鈦合金氫泵殼體2021/6/2750常用牌號有TA5、TA7等主要用于制造500℃以下工作的零件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪機(jī)匣及飛船上的高壓低溫容器等。鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵-Ti合金組織2021/6/27512、

型鈦合金加入的合金元素有鉬、鉻、釩、鋁等。經(jīng)淬火加時(shí)效處理后，組織為

相基體上分布著細(xì)小的

相粒子。這類合金強(qiáng)度高，但冶煉工藝復(fù)雜，難于焊接,應(yīng)用受到限制。鈦合金管鈦合金管應(yīng)用2021/6/2752

型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個(gè)牌號。主要用于350℃以下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件,如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、軸、彈簧、輪盤等。鈦合金棒β鈦合金眼鏡架鈦離心泵2021/6/27533、

+

型鈦合金加入的合金元素有鋁、釩、鉬鉻等?？蛇M(jìn)行熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的熱強(qiáng)性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器2021/6/2754

+

型鈦合金共有九個(gè)牌號,其中以TC4應(yīng)用最廣、用量最大，其經(jīng)過淬火加時(shí)效處理后,組織為

+

+時(shí)效析出的針狀

。α+β鈦合金組織(電鏡)α+β鈦合金組織2021/6/2755

+

型鈦合金主要用于制造400℃以下工作的飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、火箭發(fā)動機(jī)外殼、火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體等。

生物醫(yī)用材料飛機(jī)壓氣機(jī)葉片2021/6/2756第四節(jié)鎂及鎂合金

鎂及其合金是最輕的結(jié)構(gòu)材料之一,由于鎂合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性能、高的比度、比剛度、減震性、加工工藝性能和易回收、有利于環(huán)保等特性,因此早已引起航空工業(yè)和汽車工業(yè)注意。2021/6/2757鎂合金的研究和應(yīng)用至今有一百多年的歷史。鎂在1755年被首次發(fā)現(xiàn)，1808年英國科學(xué)家戴維在實(shí)驗(yàn)室從汞合金中制得純鎂。1830年英國科學(xué)家法拉第用電化學(xué)的方法從熔融氯化鎂獲得鎂。1886年在德國的Bremen附近創(chuàng)建了世界上第一個(gè)電解鎂廠，開始鎂的工業(yè)化生產(chǎn)。二戰(zhàn)期間，鎂合金的研究與應(yīng)用獲得較大發(fā)展，二戰(zhàn)結(jié)束后，在民用工業(yè)上開始開發(fā)和應(yīng)用鎂合金，后來由于鎂合金研究遇到困難和價(jià)格因素，使鎂合金材料的研發(fā)停滯不前。進(jìn)入20世紀(jì)90年代中期，由于環(huán)境和能源問題越來越突出，因此又重新喚起人們對鎂的重視。近年來，鎂合金的研究與開發(fā)成為金屬材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)。2021/6/2758一、鎂合金的研究開發(fā)概況

目前在汽車行業(yè)中,鎂合金材料主要應(yīng)用于車內(nèi)部件、發(fā)動機(jī)部件、傳動系統(tǒng)部件等,其使用或正在開發(fā)的鑄件有:儀表盤骨架、閥殼、齒輪箱、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤、變速箱殼體、離合器外殼、缸蓋、進(jìn)氣歧管、車輪、車門框架、前燈支承托架、制動/離合器踏板托架、駕駛桿等幾十種產(chǎn)品。

2021/6/2759一、鎂合金的研究開發(fā)概況

目前鎂合金應(yīng)用發(fā)展勢頭最大的國家和地區(qū)是:北美和歐洲、日本、韓國和中國臺灣地區(qū)。在北美、歐洲,鎂合金主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車行業(yè);亞洲各國普遍側(cè)重于鎂合金在3C類產(chǎn)品上的應(yīng)用。變形鎂合金也開始受到各國重視。2021/6/2760二、鎂合金成型工藝進(jìn)展(1)鎂合金熔煉技術(shù)鎂化學(xué)性質(zhì)較活潑,在大氣中熔煉時(shí),鎂合金容易氧化和燃燒,因此常采用合金液阻燃技術(shù)和變質(zhì)處理技術(shù)。(2)鎂合金鑄造成型技術(shù)生產(chǎn)工藝主要是鑄造工藝和變形工藝,鑄造工藝主要有壓力鑄造、砂型鑄造、低壓鑄造、精密鑄造、擠壓鑄造和半固態(tài)壓力鑄造等,變形工藝主要為鍛造和沖壓。鑄造成形方法中以壓力鑄造應(yīng)用最廣泛。2021/6/2761三、新型鎂合金材料開發(fā)及存在的主要問題(1)高溫抗蠕變鎂合金

(2)高韌性鎂合金(3)高強(qiáng)度鎂合金(4)高耐腐蝕性鎂合金(5)變形鎂合金2021/6/2762四、抗蠕變耐熱鎂合金

鎂合金的高溫變形特點(diǎn)是晶內(nèi)位錯運(yùn)動與晶界滑移相結(jié)合。因此，耐熱鎂合金的設(shè)計(jì)思路是：遵循強(qiáng)化基體與晶界、限制基體位錯運(yùn)動及阻止晶界滑移的原則，綜合運(yùn)用基體的固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化，以及彌散小顆粒對晶界的釘扎作用等復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)提高鎂合金耐熱性的目的。2021/6/2763從限制位錯運(yùn)動和強(qiáng)化晶界入手，通過引入熱穩(wěn)定性高的第二相、在晶界處形成適當(dāng)?shù)慕饘匍g化合物取代晶界上原有的存在相等手段可實(shí)現(xiàn)提高鎂合金高溫蠕變抗力的目的。在鎂合金中加入能形成較高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的金屬間化合物的合金元素，是改善鎂合金抗蠕變性能最有效的途徑。2021/6/2764合金元素對鎂合金性能的影響Al低溫下固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化；增加合金的流動性RE增加合金的流動性；高溫和低溫下固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化；提高耐蝕性能Th有效提高合金的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能Y細(xì)化晶粒；提高合金的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能；提高耐蝕性能Zn增加合金的流動性；固溶強(qiáng)化Zr細(xì)化晶粒；和Fe、Al、Si元素親和提高合金室溫抗拉強(qiáng)度Mn形成Fe-Mn化合物沉淀強(qiáng)化；細(xì)化晶粒；提高合金抗蠕變性能和耐蝕性能Si降低合金流動性；和Al，Zn，Mg元素親和細(xì)化晶粒；提高合金抗蠕變性能2021/6/2765Mg-Al及Mg-Zn系合金:Mg-Al及Mg-Zn系合金是最早用于鑄件生產(chǎn)的二元系鎂合金，許多新型的鎂合金均是在這兩類合金的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。這兩類鎂合金的抗蠕變耐熱性能均不高。提高鎂合金高溫抗蠕變性能。通常采用的方法是降低鋁含量，以減少熔點(diǎn)低且在高溫下容易軟化和粗化的Mg17Al12相。此外，還可加入容易形成較高穩(wěn)定性彌散相的合金元素，以形成熱穩(wěn)定性高的金屬間化合物，從而改善鎂合金的高溫蠕變性能

2021/6/2766Mg-RE系耐熱鎂合金對于鑄造鎂合金而言，稀土是改善其耐熱性能最為有效和最具實(shí)用價(jià)值的合金元素，這是因?yàn)椋?1)稀土使晶界擴(kuò)散滲透性降低，相界的凝聚作用減慢，且所形成的第二相在整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)始終是位錯運(yùn)動的有效障礙；(2)稀土元素可減少金屬氧化物缺陷以及改變其結(jié)晶晶格參數(shù)；(3)大部分稀土元素與Mg的原子尺寸接近，以稀土為主要合金元素的鑄造Mg合金，在室溫和高溫下固溶強(qiáng)化和沉淀效果好，特別是在Mg中加入三價(jià)稀土元素后電子濃度提高，原子結(jié)合力增強(qiáng)，在200-300℃之間固溶度變化較小，時(shí)效析出比較均勻，相界附近濃度梯度變化較小。上述因素有助于阻止高溫下Mg合金的晶界遷移和減小擴(kuò)散蠕變，從而使鎂合金具有優(yōu)良的高溫抗蠕變性能。2021/6/2767

儲氫材料

2021/6/2768一、緒言

氫－二十一世紀(jì)的綠色能源;2021/6/27691.1能源危機(jī)與環(huán)境問題化石能源的有限性與人類需求的無限性－石油、煤炭等主要能源將在未來數(shù)十年至數(shù)百年內(nèi)枯竭！?。。萍既請?bào)，2004年2月25日，第二版）化石能源的使用正在給地球造成巨大的生態(tài)災(zāi)難－溫室效應(yīng)、酸雨等嚴(yán)重威脅地球動植物的生存！?。∪祟惖某雎泛卧?？－新能源研究勢在必行?。?！2021/6/27701.2氫能開發(fā)，大勢所趨氫是自然界中最普遍的元素，資源無窮無盡－不存在枯竭問題氫的熱值高，燃燒產(chǎn)物是水－零排放，無污染，可循環(huán)利用氫能的利用途徑多－燃燒放熱或電化學(xué)發(fā)電氫的儲運(yùn)方式多－氣體、液體、固體或化合物2021/6/27711.3實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)廉價(jià)而又高效的制氫技術(shù)安全高效的儲氫技術(shù)－開發(fā)新型高效的儲氫材料和安全的儲氫技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急車用氫氣存儲系統(tǒng)目標(biāo)：IEA:質(zhì)量儲氫容量>5%;體積容量>50kg(H2)/m3DOE:>6.5%,>62kg(H2)/m32021/6/2772二、不同儲氫方式的比較氣態(tài)儲氫：能量密度低不太安全液化儲氫：能耗高對儲罐絕熱性能要求高2021/6/2773

固態(tài)儲氫的優(yōu)勢：體積儲氫容量高無需高壓及隔熱容器安全性好，無爆炸危險(xiǎn)可得到高純氫，提高氫的附加值2021/6/27742.1體積比較2021/6/27752.2氫含量比較2021/6/2776三、儲氫材料技術(shù)現(xiàn)狀3.1金屬氫化物3.2配位氫化物3.3納米材料2021/6/2777金屬氫化物儲氫特點(diǎn)反應(yīng)可逆氫以原子形式儲存，固態(tài)儲氫，安全可靠較高的儲氫體積密度Abs.Des.M+x/2H2MHx+?H2021/6/2778PositionforHoccupiedatHSM

HydrogenonTetrahedralSitesHydrogenonOctahedralSites2021/6/27793.1金屬氫化物儲氫目前研制成功的：稀土鑭鎳系鈦鐵系鎂系鈦/鋯系2021/6/2780稀土鑭鎳系儲氫合金

典型代表：LaNi5,荷蘭Philips實(shí)驗(yàn)室首先研制特點(diǎn)：活化容易平衡壓力適中且平坦，吸放氫平衡壓差小抗雜質(zhì)氣體中毒性能好適合室溫操作經(jīng)元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土，主要成分La、Ce、Pr、Nd)廣泛用于鎳/氫電池2021/6/2781PCTcurvesofLaNi5alloy

2021/6/2782鈦鐵系

典型代表：TiFe，美Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室首先發(fā)明價(jià)格低室溫下可逆儲放氫易被氧化活化困難抗雜質(zhì)氣體中毒能力差實(shí)際使用時(shí)需對合金進(jìn)行表面改性處理2021/6/2783PCTcurvesofTiFealloy

TiFe(40℃)2021/6/2784TiFealloy

Characteristics:twohydridephases;phase(TiFeH1.04)&

phase(TiFeH1.95)2.13TiFeH0.10+1/2H2→2.13TiFeH1.042.20TiFeH1.04+1/2H2→2.20TiFeH1.95

2021/6/2785鎂系

典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室首先報(bào)道儲氫容量高資源豐富價(jià)格低廉放氫溫度高（250－300℃）放氫動力學(xué)性能較差改進(jìn)方法：機(jī)械合金化－加TiFe和CaCu5球磨，或復(fù)合2021/6/2786鈦/鋯系

具有Laves相結(jié)構(gòu)的金屬間化合物原子間隙由四面體構(gòu)成，間隙多，有利于氫原子的吸附TiMn1.5H2.5日本松下（1.8％）Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4活性好用于：氫汽車儲氫、電池負(fù)極Ovinic

2021/6/27873.2配位氫化物儲氫堿金屬（Li、Na、K）或堿土金屬（Mg、Ca）與第三主族元素(B、Al)形成儲氫容量高再氫化難(LiAlH4在TiCl3、TiCl4等催化下180℃，8MPa氫壓下獲得5％的可逆儲放氫容量)2021/6/2788金屬配位氫化物的的主要性能℃2021/6/27893.3碳納米管（CNTs）1991年日本NEC公司Iijima教授發(fā)現(xiàn)CNTs2021/6/2790納米碳管儲氫-美學(xué)者Dillon1997首開先河

單壁納米碳管束TEM照片多壁納米碳管TEM照片2021/6/2791納米碳管吸附儲氫：HydrogenstoragecapacitiesofCNTsandLaNi5forcomparison(datadeterninedbyIMR，RT，10MPa)2021/6/2792納米碳管電化學(xué)儲氫開口多壁MoS2納米管及其循環(huán)伏安分析循環(huán)伏安曲線2021/6/2793納米碳管電化學(xué)儲氫2021/6/2794多壁納米碳管電極循環(huán)充放電曲線，經(jīng)過100充放電后

保持最大容量的70％單壁納米碳管循環(huán)充放電曲線，經(jīng)過100充放電后保持最大容量的80％2021/6/2795碳納米管電化學(xué)儲氫小結(jié)

純化處理后多壁納米碳管最大放電容量為

1157mAh/g，相當(dāng)于4.1％重量儲氫容量。經(jīng)過100充放電后，其仍