1、第十二章第十二章 : : 新型高性能结构材料新型高性能结构材料第二节第二节 : : 超超 塑塑 性性 合合 金金第三节第三节 : : 高高 温温 合合 金金第四节第四节 : : 超超 低低 温温 材材 料料第一节第一节 : : 超超 硬硬 材材 料料前前 言言新新 型型 高高 性性 能能 结结 构构 材材 料料 高性能结构材料是具有高比强度、高高性能结构材料是具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料，它包括新比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料，它包括新型金属材料、高性能结构陶瓷材料和高分子材料等。型金属材料、高性能结构陶瓷材料和高分子材料等。 发展新型高性能结构材料将支撑交通运输
2、、发展新型高性能结构材料将支撑交通运输、能源动力、资源环境、电子信息、农业和建筑、航天能源动力、资源环境、电子信息、农业和建筑、航天航空、国防军工以及国家重大工程等领域的可持续发航空、国防军工以及国家重大工程等领域的可持续发展，对国家支柱产业的发展和国家安全的保障起着关展，对国家支柱产业的发展和国家安全的保障起着关键性的作用。键性的作用。第第 一一 节：节： 超超 硬硬 材材 料料 超硬材料通常是指莫氏硬度达到或接近超硬材料通常是指莫氏硬度达到或接近1010的材料，主要指金刚石和立方氮化硼，适于用来制造的材料，主要指金刚石和立方氮化硼，适于用来制造加工其他材料的工具加工其他材料的工具 。此外，
3、超硬材料在光学、电学、。此外，超硬材料在光学、电学、热学方面还具有一些特殊性能，是一种重要的功能材料。热学方面还具有一些特殊性能，是一种重要的功能材料。 一、人造金刚石和立方氮化硼的问世一、人造金刚石和立方氮化硼的问世瑞典瑞典ASEAASEA公司的公司的LianderLiander和和LundbladLundblad在在19531953年成功地合年成功地合成了金刚石；成了金刚石； 19571957年物理化学家温托夫（年物理化学家温托夫（R.H.WentorfR.H.Wentorf）研制成功立方氮化硼。研制成功立方氮化硼。 合成钻石合成钻石超硬材料的发展历程超硬材料的发展历程如表如表12-112
4、-1所示所示。二、超硬材料的性能及应用二、超硬材料的性能及应用1. 1. 天然单晶金刚石天然单晶金刚石 天然金刚石是一种各向异性的单晶体。硬度达天然金刚石是一种各向异性的单晶体。硬度达9000-10000 HV9000-10000 HV，是自然界中最硬的物质，最重要的用，是自然界中最硬的物质，最重要的用途途在于高速超精加工有色金属及其合金。在于高速超精加工有色金属及其合金。 2. 2. 人造单晶金刚石人造单晶金刚石 人造单晶金刚石硬度略逊于天然金刚石，人造单晶金刚石硬度略逊于天然金刚石，其解理方向和尺寸变得可控和统一。其解理方向和尺寸变得可控和统一。 时间时间超硬材料超硬材料公司公司方法方法用
5、途用途19551955人造单晶金刚石人造单晶金刚石美国美国GEGE高温高压高温高压磨料磨料19571957立方氮化硼立方氮化硼美国美国GEGE高温高压高温高压磨料磨料19771977人造聚晶金刚石，立方氮化硼烧人造聚晶金刚石，立方氮化硼烧结体结体美国美国GEGE高温高压高温高压刀具刀具19951995人造单晶金刚石人造单晶金刚石刀具刀具近年近年人造单晶立方氮化硼人造单晶立方氮化硼刀具刀具近年近年类金刚石膜类金刚石膜刀具刀具近年近年金刚石薄膜金刚石薄膜CVDCVD刀具刀具近年近年金刚石厚膜金刚石厚膜CVDCVD刀具刀具表表12-1 超硬材料发展史超硬材料发展史 3人造聚晶金刚石人造聚晶金刚石 人
6、造聚晶金刚石是在高温高压下将金刚石人造聚晶金刚石是在高温高压下将金刚石微粉加溶剂聚合而成的多晶体材料其硬度比天然金刚微粉加溶剂聚合而成的多晶体材料其硬度比天然金刚石低（石低（6000HV6000HV左右），但抗弯强度比天然金刚石高很左右），但抗弯强度比天然金刚石高很多主要用来制作刀具。多主要用来制作刀具。 4化学气相沉积金刚石膜化学气相沉积金刚石膜 金刚石膜是采用化学气相沉积金刚石膜是采用化学气相沉积( (简称简称CVD)CVD)的方的方法制备出来的一种多晶纯金刚石材料，他呈膜状附着法制备出来的一种多晶纯金刚石材料，他呈膜状附着于基体表面，故又常称金刚石膜。于基体表面，故又常称金刚石膜。5立方
7、氮化硼立方氮化硼 立方氮化硼微粉的显微硬度为立方氮化硼微粉的显微硬度为80009000HV80009000HV，仅次于金刚石，但热硬度和热稳定性比金刚石高很多。仅次于金刚石，但热硬度和热稳定性比金刚石高很多。立方氮化硼在立方氮化硼在13001300时仍能保持其硬度。时仍能保持其硬度。6立方氮化硼烧结体立方氮化硼烧结体 立方氮化硼烧结体具有较高的硬度立方氮化硼烧结体具有较高的硬度(30005000HV)(30005000HV)和耐磨性，并具有很高的热稳定性，在和耐磨性，并具有很高的热稳定性，在800800时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度 。第第 二二
8、节节 ： 超超 塑塑 性性 合合 金金 一、超塑性的定义一、超塑性的定义 变形所需应力却很小，变形均匀，拉伸时不变形所需应力却很小，变形均匀，拉伸时不产生颈缩；无加工硬化，无弹性回复，变形后内部无产生颈缩；无加工硬化，无弹性回复，变形后内部无残余应力，无各向异性，这种现象即为残余应力，无各向异性，这种现象即为超塑性超塑性。 图图12-1 12-1 为为Ni-Fe-CrNi-Fe-Cr合金延伸率达合金延伸率达1000%1000%以上以上而无颈缩的拉伸试样图。而无颈缩的拉伸试样图。 超塑性合金 Superplastic alloy1 超塑性合金现象10金属在某一小的应力状态下，可以延伸十倍甚金属在
9、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，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。呈现一种异常的延伸现象。图图12-1 Ni-Fe-Cr12-1 Ni-Fe-Cr合金延伸率达合金延伸率达1000%1000%以上而无颈缩的拉伸试样图以上而无颈缩的拉伸试样图a a 拉伸试验前；拉伸试验前； b b拉伸试验后拉伸试验后124.3.1 超塑性现象超塑性现象 产生超细化晶粒；产生超细化晶粒； 适宜的温度和应变速率。适宜的温度和应变速率。产生超塑性的条件产生超塑性的条件晶粒的超细化、等轴化以及稳定化晶粒的超细化、等轴化以及稳定化 可通过合金化，控制凝
10、固过程、可通过合金化，控制凝固过程、 热处理、形变热处理、粉末冶金、热处理、形变热处理、粉末冶金、 机械加工等方法来实现。机械加工等方法来实现。6.4.2 超塑性合金类别n结构类别：结构类别：q细晶超塑性细晶超塑性q相变超塑性相变超塑性n合金种类：合金种类：q锌基合金：巨大的无颈缩延伸率；低蠕变强度，锌基合金：巨大的无颈缩延伸率；低蠕变强度，冲压加工性能差冲压加工性能差q铝基合金：综合力学性能较差，室温脆性大铝基合金：综合力学性能较差，室温脆性大q镍基合金镍基合金q超塑性钢：超塑性钢：q钛基合金钛基合金13 金属材料在一般条件下没有超塑性。金属材料在一般条件下没有超塑性。要使其能够发生超塑性形
11、变，必须具备以下三个条件：要使其能够发生超塑性形变，必须具备以下三个条件： 材料必须为具有细小等轴晶粒的两相材料必须为具有细小等轴晶粒的两相组织，晶粒直径必须小于组织，晶粒直径必须小于1010( (超细晶粒超细晶粒) )，且在超，且在超塑性形变过程中晶粒不显著长大；塑性形变过程中晶粒不显著长大； 超塑性形变要求一定的温度范围，一超塑性形变要求一定的温度范围，一般为熔点的般为熔点的0.50.650.50.65倍；倍； 超塑性形变时的应变速率很小，一般超塑性形变时的应变速率很小，一般需在需在0.010.0001/s 0.010.0001/s 的范围内。的范围内。 二、超塑性行为的产生二、超塑性行为
12、的产生 研究发现，在两种特定的条件下，会出研究发现，在两种特定的条件下，会出现合金的超塑性行为：现合金的超塑性行为：如图如图12-212-2所示。所示。 相变超塑性相变超塑性微细晶粒超塑性微细晶粒超塑性 三、超塑性合金的应用三、超塑性合金的应用 超塑性合金最大的应用就是航空航天材料。超塑性合金最大的应用就是航空航天材料。 图图12-2 12-2 常规变形和超塑性变形的内部晶粒变化示意图常规变形和超塑性变形的内部晶粒变化示意图(a) (a) 常规塑性变形常规塑性变形 （b b）超塑性变形）超塑性变形1.1.高变形能力的应用高变形能力的应用q真空成型或气压成型真空成型或气压成型q可以在密封模具内挤
13、压或锻造，可以得到相当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、减高的加工精度，并能大幅度降低加工压力、减少加工工序少加工工序q尤其适于极薄板和极薄管的制造，也非常适用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。于加工具有极微小凹凸表面的制品。q缺点是加工速度慢，效率低缺点是加工速度慢，效率低17JJ 超塑性合金的应用Chapter6 Metallic Materials18超塑成型超塑成型2.2.固相粘结能力的应用固相粘结能力的应用q晶粒的超细化，即晶界体积比的增加使得低压晶粒的超细化，即晶界体积比的增加使得低压下的固相结合易于
14、进行。下的固相结合易于进行。q超塑性合金与另一金属压合时，其微细晶粒可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。间的粘结能力大大提高。q利用这一点可轧合多层材料、包复材料和制造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。点移动、韧脆转变温度、耐蚀及耐热性等。19JJ Chapter6 Metallic M
15、aterials3.3.减振能力的应用减振能力的应用q合金在超塑性温度下具有使振动迅速衰减的性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。不同温度下的减振需要。4.4.其他其他q利用动态超塑性可将铸铁等难加工的材料进行利用动态超塑性可将铸铁等难加工的材料进行弯曲变形；弯曲变形；q对于铸铁等焊接后易开裂的材料，在焊后于超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；塑性温度保温，可消除内应力，防止开裂；q高温苛刻条件下使用的机械、结构件的设计、高温苛刻条件下使用的机械
16、、结构件的设计、生产及材料的研制。生产及材料的研制。20JJ Chapter6 Metallic Materials第第 三三 节：节： 高高 温温 合合 金金、高温合金及其分类、高温合金及其分类 高温合金高温合金是指在是指在60060012001200高温下能承受高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。 1 1铁基高温合金铁基高温合金2 2镍基高温合金镍基高温合金3 3钴基高温合金钴基高温合金 按照基体组元的不同，高温合金可分为：按照基体组元的不同，高温合金可分为： 二、高温合金的应用二、高温合金的应用 高温合金是航空航天动力系统的关键材料
17、。高温合金是航空航天动力系统的关键材料。镍基高温合金是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。镍基高温合金是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。 按制备工艺不同，高温合金可分为：按制备工艺不同，高温合金可分为： 变形高温合金变形高温合金铸造高温合金铸造高温合金粉末冶金高温合金粉末冶金高温合金 23Example主要部件占发动机重量主要部件占发动机重量7070由超耐热合金构成由超耐热合金构成燃烧室、涡轮盘和涡轮叶片用耐高温的燃烧室、涡轮盘和涡轮叶片用耐高温的Ni-CoNi-Co基合金制基合金制造造高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是高高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是高Cr-Cr-Co-WCo-W
18、基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成 12图 9.5 涡 轮 喷 气 发 动 机 新 型 复 合 材 料 应 用 情 况3456789101112131415进 气 道（80 )低 压 转 子（200 ) 燃 烧 室（1100 ) 涡 轮（950 ) 尾 喷 管（900 )压 气 机高 压 转 子（ 300550 )n铁基超耐热合金铁基超耐热合金q基于奥氏体不锈钢基于奥氏体不锈钢q中温（中温（600800）条件下使用）条件下使用n镍基超耐热合金镍基超耐热合金q镍含量一般镍含量一般50%q在在6501000范围内具有较高的强度和良好范围内具有较高的强度和良
19、好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的抗氧化、抗燃气腐蚀能力n钴基超耐热合金钴基超耐热合金q含钴量含钴量4065的奥氏体高温合金的奥氏体高温合金q在在7301100下下 ，具有一定的高温，具有一定的高温 强度、良强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。好的抗热腐蚀和抗氧化能力。25超耐热合金的分类Chapter6 Metallic Materials261 超低温对材料的特殊要求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常温以下直至绝对零度的较大温度范围低温低温沸点沸点天然气：天然气：-163液液 氮：氮：-195.8液液 氢：氢：-253液液 氦：氦：-269第第 四四 节节 ： 超超 低低
20、温温 材材 料料n防止低温脆性防止低温脆性q铁素体钢呈体心立方结构，在温度达到铁素体钢呈体心立方结构，在温度达到-200-200o oC C左右，左右，就会出现韧性就会出现韧性- -脆性转变。脆性转变。q添加添加1313的镍，可以使其过渡温度下降至液氦温度，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。即在液氦温度以上不会出现低温脆性。q另一种方法是采用面心立方结构的金属，例如铝合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。金、奥氏体系不锈钢等。27n需要具备低温下的热性能需要具备低温下的热性能q低温合金膨胀系数尽可能小低温合金膨胀系数尽可能小q
21、低膨胀合金：铁镍合金、钛合金等低膨胀合金：铁镍合金、钛合金等n必须是非磁性合金必须是非磁性合金q超低温技术多在磁场下利用超低温技术多在磁场下利用q带有磁性的合金，在构件中就会由于产生电磁力带有磁性的合金，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的作用而造成对磁场的不良影响28超低温世界的奇异现象超低温世界的奇异现象 金属材料在超低温下的屈服点、拉伸强度、延金属材料在超低温下的屈服点、拉伸强度、延伸率等力学性质与常温下有很大不同。伸率等力学性质与常温下有很大不同。在超低温下，金属材料的拉伸强度上升，但延展性降在超低温下，金属材料的拉伸强度上升，但延展性降低，塑性明显下降。低，塑性明
22、显下降。超低温合金的分类及应用超低温合金的分类及应用 应用较多的超低温合金主要有三类：应用较多的超低温合金主要有三类：9%9%镍钢、镍钢、钛合金和铝合金。而在钛合金和铝合金。而在-253-253的极低温度以下，应用的极低温度以下，应用较多的则是奥氏体不锈钢。较多的则是奥氏体不锈钢。 钛合金有三大优点：钛合金有三大优点： 比强度高；比强度高； 强度随温度的降低而提高，且有强度随温度的降低而提高，且有足够的韧性；足够的韧性； 在低温下对缺口敏感性小，即不在低温下对缺口敏感性小，即不易在有缺口的地方出现裂纹易在有缺口的地方出现裂纹 铝合金还也能在超低温下保持良好的韧性，铝合金还也能在超低温下保持良好
23、的韧性，冲击值也基本保持不变冲击值也基本保持不变 奥氏体不锈钢不锈钢的强、韧、塑性配合良奥氏体不锈钢不锈钢的强、韧、塑性配合良好，低温韧性极佳好，低温韧性极佳2 超低温合金的研究超低温合金的研究 高锰奥氏体钢高锰奥氏体钢专门开发的超低温合金。专门开发的超低温合金。即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸率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热膨胀系数特别小缺点：机械加工性不佳，耐冲击性也较差。缺点：机械加工性不佳，耐冲击性也较差。 铁锰铝新合金钢铁锰铝新合金钢把铁镍铬不锈钢中的镍和把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝代而制得铬分别由锰和铝代而制得保持面心立方结构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。低温下强度、韧性都十分优异。32
