1、10/29/2022 2:25 AM第第6章章 金属材料金属材料10/29/2022 2:25 AM本章内容本章内容6.1金属材料结构与性能金属材料结构与性能6.2 超耐热合金超耐热合金6.3 超低温合金超低温合金6.4 超塑合金超塑合金6.5 形状记忆合金形状记忆合金6.6 贮氢合金贮氢合金6.7 非晶态金属材料非晶态金属材料10/29/2022 2:25 AM学习目的学习目的v结合前面所学内容，理解结合前面所学内容，理解金属材料结构与性能特点；金属材料结构与性能特点；v了解各种新型金属材料的特殊性能和结构以及其用了解各种新型金属材料的特殊性能和结构以及其用途。途。10/29/2022 2:
2、25 AM学习参考书目学习参考书目1.杨兴钰.材料化学导论.武汉：湖北科学技术出版社，20032.王正品，张路，贾玉宏 主编，金属功能材料，化学工业出版社，20043.李云凯 主编，金属材料学，北京理工大学出版社，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 Aerospace
3、Structure，ASM International，200110/29/2022 2:25 AM金属金属可分为黑色金属和有色金属。黑色金属黑色金属:铁、铬、锰及其合金，并以铁金属、铁合金为主。有色金属有色金属:铁、铬、锰以外的金属。有色金属有色金属又可进一步分为:轻有色金属轻有色金属:密度小于4.5g/cm3,如钾、钠、钙、镁、铝、锶、钡等，化学活性高；重有色金属重有色金属:密度大于4.5g/cm3,铜、镍、锡、铅、镉、汞、钴、铋等；贵金属贵金属:铂、金、银、铑、铱、钌、锇、钯等，地壳含量稀少、开采提炼困难而昂贵，密度高(10.422.4g/cm3)、熔点高(12003300K)、惰性；稀
4、有金属稀有金属:如锂、铷、铯、铍、钨、钼、钒、铌、钛、铪、镓、铟、铊、锗和稀土元素(镧系和锕系)以及人造超铀元素(自然界含量少或分布稀散、发现晚、难提取或制备应用较晚)；准金属准金属:介于金属与非金属之间，如硼、硅、硒、碲、砷、锗、锑、钋；放射性金属放射性金属:镭、铀、钍、钋等。10/29/2022 2:25 AM6.1金属材料结构与性能金属材料结构与性能6.1.1 金属晶体结构金属晶体结构v金属键特性金属键特性v紧密堆积结构紧密堆积结构v金属材料形态金属材料形态多晶多晶T12号钢退火金相形态号钢退火金相形态结合第结合第2章内容章内容10/29/2022 2:25 AM6.1.2 合金基本结构
5、与性能合金基本结构与性能v混合物合金（混合物合金（mixture alloy）细微晶粒相互间混合细微晶粒相互间混合具有低共熔点具有低共熔点v固溶体合金（固溶体合金（solid solution alloy）v金属间化合物合金（金属间化合物合金（intermetallic compound alloy）10/29/2022 2:25 AM6.1.3 铁系合金的组织结构铁系合金的组织结构v铁的同素异晶体铁的同素异晶体-Fe：体心立方-Fe：面心立方-Fe：体心立方oo1394 C912 CFeFeFe 10/29/2022 2:25 AM10/29/2022 2:25 AM v奥氏体（奥氏体（Au
6、stenite，符号，符号A表示）表示）碳溶解在-Fe中的间隙固溶体仍保持-Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规则多边形727时溶碳为c 0.77，1148时可溶碳2.11具有较高塑性10/29/2022 2:25 AM v马氏体（马氏体（Martensite，符号，符号M表示）表示）碳在-Fe中的过饱和固溶体马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织普遍具有较高强度和硬度高碳马氏体高碳马氏体低碳马氏体低碳马氏体10/29/2022 2:25 AM奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体的结构奥氏体和马氏体的结构10/29/2022 2:25 AM v铁
7、素体（铁素体（Ferrite，符号，符号F表示）表示）碳溶解于-Fe的体心立方晶格中形成的间隙固溶体碳原子含量很少(仅0.02%)强度和硬度低，塑性和韧性好。10/29/2022 2:25 AM v渗碳体（渗碳体（cementite，符号，符号C表示）表示）碳与铁形成的一种化合物Fe3C，一般含碳6.67复杂的正交晶格熔点1227。极高硬度（BHN600以上）的脆性化合物，塑性、韧性几乎为零。10/29/2022 2:25 AM v珠光体（珠光体（pearlite，符号，符号P表示）表示）奥氏体冷却时，在727发生共析转变的产物碳质量分数平均为Wc=0.77%显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替
8、排列的片状组织10/29/2022 2:25 AM Fe-Fe3C phase diagram10/29/2022 2:25 AM10/29/2022 2:25 AM相图分析主要点10/29/2022 2:25 AM vABCD线线液相线液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。vAHJECF线线固相线液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化vGS线线 A3线A开始析出开始析出F的转变线，加热时的转变线，加热时F全部溶入全部溶入AvES线线AC线C在A中溶解度曲线vECF线线共晶线含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物（莱氏体）。vPSK线线共析线含C量在0.
9、0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体主要线10/29/2022 2:25 AM6.1.4 金属材料热处理金属材料热处理10/29/2022 2:25 AM6.2.1 超耐热合金定义超耐热合金定义一般的金属材料都只能在500600C下长期工作。v在在7001200C高温下仍能长时间保持所需力高温下仍能长时间保持所需力学性能，具抗氧化、抗腐蚀能力，且能满意工学性能，具抗氧化、抗腐蚀能力，且能满意工作的金属材料通称超耐热合金。作的金属材料通称超耐热合金。v对高温材料的要求对高温材料的要求在高温下有优良的抗腐蚀性在高温下有较高的强度和韧性6.2 超耐热合金超耐热合金10/29/2022
10、2:25 AMExample航空燃气轮机中使用的高温合金示意图航空燃气轮机中使用的高温合金示意图1压气机叶片压气机叶片2燃烧室燃烧室3涡轮盘涡轮盘4涡轮叶片涡轮叶片 主要部件占发动机重量主要部件占发动机重量70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-Co基合金制造基合金制造 高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵上的叶片，都是高高Cr-Co-W基耐高温合金，通过定向凝固精密基耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成铸造制成 10/29/2022 2:25 AMMetals with high melti
11、ng point 原子中未成对的价电子数很多原子中未成对的价电子数很多强化学键；强化学键；原子半径较小原子半径较小晶格结点上粒子间的距离短，相晶格结点上粒子间的距离短，相互作用力大。互作用力大。耐热合金耐热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点金属高熔点金属第第副族、第副族、第副族、第副族、第副族副族10/29/2022 2:25 AMPeriodic table10/29/2022 2:25 AMv铁基超耐热合金铁基超耐热合金基于奥氏体不锈钢中温（600800）条件下使用v镍基超耐热合金镍基超耐热合金镍含量一般50%在6501000范围内具有较高的强度和良好的抗氧
12、化、抗燃气腐蚀能力v钴基超耐热合金钴基超耐热合金含钴量4065的奥氏体高温合金在7301100下，具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。6.2.2 超耐热合金的分类超耐热合金的分类10/29/2022 2:25 AM改变合金的组织结构改变合金的组织结构采用特种工艺技术采用特种工艺技术6.2.3 提高超耐热合金性能的途径提高超耐热合金性能的途径10/29/2022 2:25 AM(1)在钢中加入对氧的亲和力比铁强的在钢中加入对氧的亲和力比铁强的Cr、Si、Al等，可等，可以优先形成稳定、致密的以优先形成稳定、致密的Cr2O3、Al2O3或或SiO2等氧化物保护等氧化物保护膜，成为提高耐
13、热钢高温抗腐蚀的主要措施。膜，成为提高耐热钢高温抗腐蚀的主要措施。合金结构合金结构 为了增强金属材料的耐高温蠕变性能，可以加入一些为了增强金属材料的耐高温蠕变性能，可以加入一些旨在提高其再结晶温度的合金元素，例如高熔点的合金元素旨在提高其再结晶温度的合金元素，例如高熔点的合金元素W、Mo、V等。等。钢的组织状态对其抗热性也有影响，奥氏体组织的钢钢的组织状态对其抗热性也有影响，奥氏体组织的钢比铁素体组织的钢耐热性高。比铁素体组织的钢耐热性高。Ni、Mn、N的加入能扩大和稳的加入能扩大和稳定奥氏体面心立方结构定奥氏体面心立方结构10/29/2022 2:25 AM奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体奥氏体
14、和马氏体的结构奥氏体和马氏体的结构10/29/2022 2:25 AM(2)工艺技术工艺技术定向凝固定向凝固叶片旋转时，所受的拉力和热应力，平行叶片旋转时，所受的拉力和热应力，平行于叶片纵轴，定向凝固工艺形成沿纵轴方向的于叶片纵轴，定向凝固工艺形成沿纵轴方向的柱状晶粒，消除垂直于应力方向的晶界，从而柱状晶粒，消除垂直于应力方向的晶界，从而可以使得热疲劳寿命提高可以使得热疲劳寿命提高10倍以上。倍以上。粉末冶金粉末冶金采用粒度数十至数百微米的合金粉末，经过采用粒度数十至数百微米的合金粉末，经过压制、烧结、成型工序制成零件，可以消除偏析压制、烧结、成型工序制成零件，可以消除偏析现象，组织成分均匀并
15、可以大大节省材料现象，组织成分均匀并可以大大节省材料 10/29/2022 2:25 AM6.3.1 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：-2696.3 超低温合金超低温合金10/29/2022 2:25 AMv防止低温脆性防止低温脆性铁素体钢呈体心立方结构，在温度达到-200oC左右，就会出现韧性-脆性转变。添加13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。另一种方法是采用面心立方结构的
16、金属，例如铝合金、奥氏体系不锈钢等。10/29/2022 2:25 AMv需要具备低温下的热性能需要具备低温下的热性能低温合金膨胀系数尽可能小低温合金膨胀系数尽可能小低膨胀合金：铁镍合金、钛合金等低膨胀合金：铁镍合金、钛合金等v必须是非磁性合金必须是非磁性合金超低温技术多在磁场下利用超低温技术多在磁场下利用带有磁性的合金，在构件中就会由于产生电带有磁性的合金，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磁力的作用而造成对磁场的不良影响10/29/2022 2:25 AM6.3.2 超低温合金的研究超低温合金的研究v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
17、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。v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。10/29/2022 2:25 AM6.4 超塑性合金超塑性合金 Superplastic Alloy6.4.1 超塑性合金现象
18、超塑性合金现象 金属在某一小的应力状态下，可以延伸十倍甚金属在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，呈现至是上百倍，既不出现缩颈，也不发生断裂，呈现一种异常的延伸现象。一种异常的延伸现象。在在1920年，德国人罗森汉年，德国人罗森汉(N.Rosenhaim)对冷轧后的对冷轧后的Zn-4Cu-7A1三元共晶合金的铝板弯曲时，出现了塑性异常高的三元共晶合金的铝板弯曲时，出现了塑性异常高的现象现象(180)。10/29/2022 2:25 AM10/29/2022 2:25 AM4.3.1 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。
19、适宜的温度和应变速率。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。产生超塑性的条件产生超塑性的条件10/29/2022 2:25 AM6.4.2 超塑性合金类别超塑性合金类别v结构类别：结构类别：细晶超塑性细晶超塑性相变超塑性相变超塑性v5种重要的超塑性合金种类：种重要的超塑性合金种类：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，不宜作锌基合金：巨大的无颈缩延伸率；低蠕变强度，冲压加工性能差，不宜作结构材
20、料结构材料;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,加入微量细化晶粒元素加入微量细化晶粒元素(如如Zr等等)后综合力学性能较好；后综合力学性能较好；镍基合金镍基合金:镍基高温合金高温强度高，难以锻造成型，利用超塑性进行精镍基高温合金高温强度高，难以锻造成型，利用超塑性进行精密锻造，压力小、节约材料和成本，制品均匀性好；密锻造，压力小、节约材料和成本，制品均匀性好；超塑性钢：超塑性用于钢尚未商品化，含超塑性钢：超塑性用于钢尚未商品化，含C1.25%的碳钢在的碳钢在650700C的加的加工温度下，断后伸长率可达工温度下，断后伸长率可达400%;钛基合金钛基合金
21、:钛合金变形抗力大，回弹严重，加工困难，难以获得高精度器件；钛合金变形抗力大，回弹严重，加工困难，难以获得高精度器件；但利用超塑性进行等温模锻或挤压，变形抗力大为降低，可制形状复杂的但利用超塑性进行等温模锻或挤压，变形抗力大为降低，可制形状复杂的精密零件。精密零件。10/29/2022 2:25 AM1.高变形能力的应用高变形能力的应用真空成型或气压成型真空成型或气压成型可以在密封模具内挤压或锻造，可以得到相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、当高的加工精度，并能大幅度降低加工压力、减少加工工序减少加工工序尤其适于极薄板和极薄管的制造，也非常适尤其适于
22、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。用于加工具有极微小凹凸表面的制品。缺点是加工速度慢，效率低缺点是加工速度慢，效率低6.4.3 超塑性合金的应用超塑性合金的应用10/29/2022 2:25 AM超塑成型超塑成型10/29/2022 2:25 AM2.固相粘结能力的应用固相粘结能力的应用晶粒的超细化，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进行。下的固相结合易于进行。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
23、料间的粘结能力大大提高。间的粘结能力大大提高。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。10/29/2022 2:25 AM3.3.减振能力的应用减振能力的应用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
24、度下的减振需要。不同温度下的减振需要。4.4.其它其它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；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；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、结构件的设计、生产及材料的研制。生产及材料的研制。10/29/2022 2:25 AM6.5 形状记忆合金（形状记忆合金（SMA）Shape Memory Alloy形状记忆材料是指具有形状记忆材料是指具有定初始形状的材料经
25、形定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料；材料；形状记忆合金是形状记忆材料中的一种。形状记忆合金是形状记忆材料中的一种。10/29/2022 2:25 AM6.5.1 形状记忆合金特征形状记忆合金特征1.一次记忆（单程）：一次记忆（单程）：材科加热恢复原形状后，再改变温度，物体不再改变形材科加热恢复原形状后，再改变温度，物体不再改变形状。状。2.可逆记忆（双程）：可逆记忆（双程）：物体不但能记忆高温的形状，而且能记忆低温的形状，物体不但能记忆
26、高温的形状，而且能记忆低温的形状，当温度在高低温之间反复变化时，物体的形状也自动反当温度在高低温之间反复变化时，物体的形状也自动反应在两种形状间变化。应在两种形状间变化。3.全方位记忆（全程）：全方位记忆（全程）：除具有可逆记忆特点外，当温度比较低时，物体的形状除具有可逆记忆特点外，当温度比较低时，物体的形状向与高温形状相反的方向变化。向与高温形状相反的方向变化。一般加热时的回复力比冷却时回复力大很多。一般加热时的回复力比冷却时回复力大很多。10/29/2022 2:25 AM单程、双程及全程记忆效应示意图单程、双程及全程记忆效应示意图10/29/2022 2:25 AM6.5.2 形状记忆效
27、应机理形状记忆效应机理10/29/2022 2:25 AM Ni-Ti合金的马氏体和奥氏体结构合金的马氏体和奥氏体结构10/29/2022 2:25 AMv孪晶（孪晶（twinning）指两个晶体（或一个晶体的指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为这两个晶体就称为孪晶孪晶，10/29/2022 2:25 AM马氏体与母相的平衡温度10/29/2022 2:25 AM6.5.3 形状记忆合金材料形状记忆合金材料Ti-Ni系合金系合金铜系合金铜系合金铁系合金铁系合金特点特点弯曲量大，塑性高弯曲量大，塑性高
28、 在记忆温度以上恢复以前形状在记忆温度以上恢复以前形状10/29/2022 2:25 AM4.4.3 SMA materials形状记忆合金材料及其转变温度形状记忆合金材料及其转变温度10/29/2022 2:25 AM6.5.4 形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用月面天线略图月面天线略图1.在军事和航天工业方面的应用在军事和航天工业方面的应用10/29/2022 2:25 AM 10/29/2022 2:25 AM 2.在工程方面的应用在工程方面的应用形状记忆合金管接口形状记忆合金管接口10/29/2022 2:25 AMAdvantages形状记忆合金作紧固件、连接件的优势：形状记忆合金
29、作紧固件、连接件的优势：夹紧力大，接触密封可靠避免了由于焊接而产夹紧力大，接触密封可靠避免了由于焊接而产生的冶金缺陷；生的冶金缺陷；适于不易焊接的接头；适于不易焊接的接头；金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体；一体；安装时不需要熟练的技术。安装时不需要熟练的技术。10/29/2022 2:25 AM 3.在医疗方面的应用在医疗方面的应用记忆型记忆型NiTi牙弓丝牙弓丝10/29/2022 2:25 AMExamples形状记忆合金套管连接的铝合金假肢形状记忆合金套管连接的铝合金假肢形状记忆合金制成的血液过滤器形状记忆合金制成的血液过滤器10/
30、29/2022 2:25 AM 4.形状记忆式热发动机形状记忆式热发动机形状记忆用于热发动机的原理形状记忆用于热发动机的原理10/29/2022 2:25 AMExamples镍钛诺尔热机的结构镍钛诺尔热机的结构10/29/2022 2:25 AM偏心曲柄型热机偏心曲柄型热机涡轮型热机涡轮型热机 10/29/2022 2:25 AM自控元件原理自控元件原理5.其它应用其它应用10/29/2022 2:25 AM4.4 SMA双程双程CuZnAl记忆合金弹簧记忆合金弹簧 10/29/2022 2:25 AM4.4 SMA双程双程CuZnAl记忆合金花记忆合金花10/29/2022 2:25 AM
31、ExamplesTiNi 记忆合金眼镜架记忆合金眼镜架超弹性超弹性耐腐蚀性耐腐蚀性重量轻重量轻10/29/2022 2:25 AM6.6.1 氢气储存与储氢合金氢气储存与储氢合金储氢合金储氢合金在一定的温度和氢气压力下，在一定的温度和氢气压力下，可以多次吸收、储存和释放氢气的合金材料可以多次吸收、储存和释放氢气的合金材料6.6 储氢合金储氢合金 Hydrogen Storage Alloys储氢合金的单位体积储氢储氢合金的单位体积储氢密度，是相同温度、压力密度，是相同温度、压力条件下气态氢的条件下气态氢的1000倍倍10/29/2022 2:25 AM一个金属原子能与两个、三个甚至更多的氢原子
32、结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量。将其稍稍加热，氢化物又会发生分解，将吸收的氢释放出来，同时吸收热量。6.6.2 储氢原理储氢原理22H2H)MHMH2xxQ 放热（吸入）吸热（放出10/29/2022 2:25 AMPrincipleM-H系统系统pCT平衡图平衡图平台区：氢气、固溶平台区：氢气、固溶体、金属氢化物三相体、金属氢化物三相共存共存 f k十十2=1pCT曲线上方：曲线上方：吸收氢气吸收氢气pCT曲线下方：曲线下方：放出氢气放出氢气10/29/2022 2:25 AM合金的吸氢反应机理合金的吸氢反应机理(1)H2传质传质(2)化学吸附氢的解离化学吸附氢的解离H22Had(
33、3)表面迁移表面迁移(4)吸附的氢转化为吸收氢吸附的氢转化为吸收氢Had Habs(5)氢在氢在相的稀固溶体中扩散相的稀固溶体中扩散(6)相转变为氢化物（相转变为氢化物（相）相）Habs()Habs()(7)氢在氢在相中扩散。相中扩散。10/29/2022 2:25 AM氢原子在合金晶格中形成固溶体氢原子在合金晶格中形成固溶体10/29/2022 2:25 AM实用要求：实用要求：容易活化；容易活化；储气容量高；储气容量高；吸放氢速度快；吸放氢速度快；反复吸放氢循环时不易粉化，性能不退化；反复吸放氢循环时不易粉化，性能不退化；有合适的吸放氢平台压力；有合适的吸放氢平台压力；吸放氢过程中的平衡氢
34、压差小，即滞后现象弱；吸放氢过程中的平衡氢压差小，即滞后现象弱；有确定的化学稳定性；有确定的化学稳定性；对杂质敏感程度低；对杂质敏感程度低；原料资源丰富，价格低廉；原料资源丰富，价格低廉；用作电极材料时具有良好的耐腐蚀性。用作电极材料时具有良好的耐腐蚀性。6.6.3 储氢合金的开发储氢合金的开发10/29/2022 2:25 AM储氢合金种类储氢合金种类系列系列代表合金代表合金扩展系列扩展系列AB5LaNi5，MmNi5A1-xNxB5-yMy （x1，y5）AB2TiCr2，TiMn2A1-xNxB2-yMy （x1，y2）ABTiFe，TiNiA1-xNxB1-yMy （xl，y1）A2B
35、Mg2Ni，Ti2NiA2-xNxB1-yMy （x2，y1）可以在工程上应用的合金基本上都是金属间化合物，已确认有应用前景的共有四类(钛系、锆系、铁系及稀土系)A及及N吸氢量较大的金属(A，B，B，B族金属)B及及M过渡金属（B，B，B，B，A，A族）Mm 混合稀土金属10/29/2022 2:25 AM碳纳米管迄今为止最好的储氢材料碳纳米管储氢示意图（红点为氢原子）碳纳米管储氢示意图（红点为氢原子）10/29/2022 2:25 AM6.6.4 贮氢材料的应用贮氢材料的应用 1.贮氢容器贮氢容器 重量轻、体积小重量轻、体积小氢以金属氢化物形式存在于贮氢合金之中，密度比相同温度、压力条件下的
36、气态氢大1000倍；节省能量，安全可靠节省能量，安全可靠用贮氢合金贮氢，无需高压及贮存液氢的极低温设备和绝热措施。Application 贮氢容器贮氢容器 10/29/2022 2:25 AMExample贮氢合金制作的贮氢装置贮氢合金制作的贮氢装置10/29/2022 2:25 AMExample在高压容器中装入贮氢合金的在高压容器中装入贮氢合金的“混合贮氢容器混合贮氢容器”10/29/2022 2:25 AMH2的回收与纯化的回收与纯化2.H2的回收与纯化的回收与纯化 用铀回收氘的捕集器用铀回收氘的捕集器10/29/2022 2:25 AM氢化物电极氢化物电极3.氢化物电极氢化物电极 Ni
37、、MHx电池充放电过程示意图电池充放电过程示意图10/29/2022 2:25 AM镍氢电池结构镍氢电池结构10/29/2022 2:25 AMAdvantages(1)比能量为比能量为NiCd电池的电池的1.5-2倍；倍；(2)无重金属无重金属Cd对人体与环境的危害；对人体与环境的危害；(3)良好的耐过充、放电性能；良好的耐过充、放电性能；(4)无记忆效应；无记忆效应；(5)主要特性与主要特性与NiCd电池相近，可以互换使用。电池相近，可以互换使用。优点优点10/29/2022 2:25 AM功能材料功能材料v化学能、热能和机械能可以通过氢化反应相互转换，可用于热泵、贮热、空调、制冷、水泵、
38、气体压缩机等方面。4.功能材料功能材料 功能转换机制功能转换机制10/29/2022 2:25 AM v利用储氢合金的放利用储氢合金的放热热吸热循环，可吸热循环，可进行热的储存和传输，进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备制造制冷或采暖设备利用储氢合金制造的制冷机利用储氢合金制造的制冷机10/29/2022 2:25 AM6.7 非晶态金属材料非晶态金属材料6.7.1 非晶态金属材料及其基本特征1.非晶态形成能力对合金的依赖性非晶态形成能力对合金的依赖性非晶态合金通常由金属组成或由金属与类金属非晶态合金通常由金属组成或由金属与类金属组合组合金属与类金属组合更有利于非晶态的形成金属与类金属组合更
39、有利于非晶态的形成较好的组合类金属：较好的组合类金属：B、P、Si、Ge10/29/2022 2:25 AM2.结构的长程无序和短程有序性结构的长程无序和短程有序性不存在原子排列的长程有序性不存在原子排列的长程有序性观察不到晶粒的存在观察不到晶粒的存在非晶态金属原子的最近邻、第二近邻这样近非晶态金属原子的最近邻、第二近邻这样近程的范围内，原子排列与晶态合金极其相似，程的范围内，原子排列与晶态合金极其相似，即存在近程有序性即存在近程有序性10/29/2022 2:25 AM3.热力学的亚稳性热力学的亚稳性从热力学来看，它有继续释放能量、向平从热力学来看，它有继续释放能量、向平衡状态转变的倾向衡状
40、态转变的倾向从动力学来看，要实现这种转变首先必须从动力学来看，要实现这种转变首先必须克服一定的能垒克服一定的能垒位垒高低直接关系到非晶态金属材料的实位垒高低直接关系到非晶态金属材料的实用价值和使用寿命用价值和使用寿命10/29/2022 2:25 AMPerformance&use6.7.2 非晶态金属材料的性能与用途非晶态金属材料的性能与用途 1.高强度高韧性的力学性能高强度高韧性的力学性能非晶态合金的力学性能非晶态合金的力学性能合金合金硬度硬度/HV抗拉强度抗拉强度/MPa断后伸长率断后伸长率/%弹性模量弹性模量/MPa非非晶晶态态合合金金Pd83Fe7Si10401818600.1666
41、40Cu57Zr43529219600.174480Co75Si15B10891830000.253900Fe80P7744830400.03121520Ni75Si8B17840826500.1478400晶态晶态18Ni-9Co-5Mo18102130101210/29/2022 2:25 AM 结构性能特点：结构性能特点：结构中不存在位错，没有晶体那样的滑移面，因结构中不存在位错，没有晶体那样的滑移面，因而不易发生滑移。而不易发生滑移。非晶态合金断后伸长率低但并不脆，而且具有很非晶态合金断后伸长率低但并不脆，而且具有很高的韧性，非晶薄带可以反复弯曲高的韧性，非晶薄带可以反复弯曲180而不
42、断而不断裂，并可以冷轧，有些合金的冷轧压下率可达裂，并可以冷轧，有些合金的冷轧压下率可达50%。用途：用途：非晶态合金的高强度、高硬度和高韧性可以被利非晶态合金的高强度、高硬度和高韧性可以被利用制做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增用制做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。强纤维。10/29/2022 2:25 AM2.高导磁、低铁损的软磁性能高导磁、低铁损的软磁性能无序结构无序结构不存在磁晶各向异性不存在磁晶各向异性易于磁化；没有位错、晶界等晶体缺陷易于磁化；没有位错、晶界等晶体缺陷磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗小小目前比较成熟的非
43、晶态软磁合金主要有铁基，铁一镍基和目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基，铁一镍基和钴基三大类。钴基三大类。金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材料、金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材料、磁头材料、磁屏敝材料、磁致伸缩材料等。磁头材料、磁屏敝材料、磁致伸缩材料等。10/29/2022 2:25 AM3.耐强酸、强碱腐蚀的化学特性耐强酸、强碱腐蚀的化学特性不存在第二相，组织均匀不存在第二相，组织均匀其无序结构中不存在晶界，位错等缺陷其无序结构中不存在晶界，位错等缺陷本身活性很高，能够在表面迅速形成均匀的钝本身活性很高，能够在表面迅速形成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。化膜，
44、阻止内部进一步腐蚀。目前对耐蚀性能研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶态合金，其中大都含有铬。制造耐腐蚀管道、电池的电极、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化工用的催化剂、污水处理系统中的零件等 10/29/2022 2:25 AMExamples非晶态合金和晶态不锈钢在非晶态合金和晶态不锈钢在10FeCl310H2O溶液溶液中的腐蚀速率中的腐蚀速率试试 样样腐腐 蚀蚀 速速 度（度（mm/年）年）晶态不锈钢晶态不锈钢18Cr-8Ni17.75120.017Cr-14Ni-2.5Mo29.24非晶态铁合金非晶态铁合金Fe72Cr8P70.0000Fe70Cr10P70.00000.0000Fe65Cr10
45、Ni5P70.00000.000010/29/2022 2:25 AM非晶态合金的主要特性和应用非晶态合金的主要特性和应用主要特性主要特性实际应用材料实际应用材料高强度、高韧性高强度、高韧性结构加强材料结构加强材料高电阻率、低温度系数高电阻率、低温度系数 高电阻材料、精密电阻合金材料高电阻材料、精密电阻合金材料高导磁率、低矫顽力高导磁率、低矫顽力磁分离、磁屏蔽、磁头、磁芯材料磁分离、磁屏蔽、磁头、磁芯材料高磁感、低损耗高磁感、低损耗功率变压器、磁芯材料功率变压器、磁芯材料高耐蚀性高耐蚀性刀具材料、电极材料、表面保持材料刀具材料、电极材料、表面保持材料恒体积、恒弹性恒体积、恒弹性不胀钢材料、恒弹性合金材料不胀钢材料、恒弹性合金材料超导电性超导电性超导材料超导材料高磁致伸缩高磁致伸缩应变仪、延迟线、磁致伸缩振子材料应变仪、延迟线、磁致伸缩振子材料高磁能积高磁能积永磁薄膜材料永磁薄膜材料10/29/2022 2:25 AM思考题思考题 课后习题90Chapter6 Metallic Materials
