金属材料学科前沿专家讲座

金属材料导论 西北工业大学 郭喜平主要内容金属材料展望金属材料的制备及成形技术金属材料与社会发展绪论12345Nb-Si基超高温合金研发一、绪论工程材料的分类晶态材料：金属、合金、结晶盐、聚乙烯等 从结构分非晶态材料：玻璃、橡胶、有机玻璃等无定型高聚物结构材料 从特性和用途分功能材料、结构功能一体化材料金属材料 从组成和成分分： 无机非金属材料（陶瓷）有机高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维等）复合材料（金属基、树脂基、陶瓷基等）v 结构材料：功能材料：金属材料：主要利用其力学性能，用于制造需承受一定载荷的设备、零部件 及建筑结构等;利用其特殊的物理性能（电学、热学、磁学、光学性能等）， 用于制造各种电子器件、光敏器件、绝缘材料等；黑色金属（铸铁、钢）有色金属:轻有色金属：Al, Mg, Ti重有色金属：Cu, Zn, Pb, Ni贵重有色金属：Au, Ag, Pt, Rh等难熔金属：V, Nb, Ta, Cr, Mo, W等，熔点非常高放射性金属：Ra（镭），U（铀）, Th(钍）核心关系 核心关系材料的结构 材料的性能 一、绪论Ø 什么是金属材料？金银铜铁锡铝锌汞镁钨长周期表的右侧，长周期表的右侧，B B向右下方画线延伸到砹（向右下方画线延伸到砹（ At At ）的的斜线，将元素分为金属和非金属两部分，斜线，将元素分为金属和非金属两部分，斜线的右上方大斜线的右上方大部分是非金属，斜线左下方为金属，斜线附近为准金属部分是非金属，斜线左下方为金属，斜线附近为准金属。金属金属已知的元素已知的元素109109种，种，2222种非金属，种非金属，8787种为金属种为金属。在。在2222种非金属中，有种非金属中，有5 5种准金属（种准金属（B B、SiSi、AsAs、SeSe、TeTe），），在在金属中金属中GeGe、SbSb、PoPo也是准金属，严格说，金属有也是准金属，严格说，金属有8484种。种。一、绪论Ø 什么是金属材料？金属材料： 金属元素或 以金属元素 为主构成的 具有金属特 性的材料的 统称。纯金属：不含其他杂质或其他金属成分的金属金属间化合物：两个及以上金属或类金属组元按比例 组成的具有金属特性和长程有序晶体结构的化合物合金：两种或两种以上的金属元素或以金属为基 的具有金属特性的金属材料一、绪论Ø 金属材料的力学特性塑性冲击韧性硬度疲劳失效一、绪论Ø 金属材料的物理特性金属光泽导电性导热导磁一、绪论Ø 金属材料的物理特性不同金属的熔点和密度差异很大汞熔点最低（-38.9 ） 钨熔点最高（3410 ）钾为最轻的金属（0.86 g/cm3） 锇为最重的金属（22.48 g/cm3）熔点的高低显示了金属键金属键的强弱一、绪论Ø 金属材料的化学特性青铜器文物粉状锈缓蚀保护前后对比Ø 金属材料的结构和键合特点www.themegallery.com原子键合： 反映电子结构，决定反映电子结构，决定 材料分类及其物化、材料分类及其物化、 力学性能力学性能化学键氢键物理键 金属键：金属离子与自由电子间静电作 用，无方向性和饱和性；无方向性和饱和性； 离子键：正负离子间静电作用，无方向无方向 性和饱和性；性和饱和性； 共价键：原子轨道重叠后，高概率地出 现在两个原子核之间的电子（共用电子共用电子 对对）与两个原子核之间的静电作用，具具 有方向性和饱和性。有方向性和饱和性。 以氢为媒介的一种特殊 的分子间或分子内作用 力； 键合特点：键合强度介 于化学键和物理键之间 ，具有饱和性具有饱和性。 范德华力：分子间的静 电作用力（含色散力、 取向力和诱导力）； 键合特点：键合力远小 于化学键，无方向性和无方向性和 饱和性饱和性，决定物质的熔 沸点。一、绪论一、绪论Ø 金属材料的结构和键合特点金属键离子键共价键范德华力氢键一、绪论材料种 类结合键熔点弹性模 量强度、 硬度塑性和 韧性导电和 导热性耐热性耐蚀性其他金属材 料以金属 键为主较高较高较高良好良好较高一般密度大 ，热膨 胀系数 较大陶瓷材 料离子键 或共价 键高高抗拉强 度低， 抗压强 度和硬 度高差绝缘， 导热性 差高高密度小 ，热膨 胀系数 小高分子 材料分子内 为共价 键，分 子间为 分子键较低较低较低较好绝缘， 导热性 差较低高密度小 ，热膨 胀系数 大，易 老化复合材 料取决于 组成物由组成物决定说明：着色愈浅表示金属键特性愈强. 发展结构金属 间化合物难熔 合金- 、 - 化合物氧化物晶体结构 功能 陶瓷超导 合金金属 陶瓷非晶 合金复杂分子 化合物高温氧 化物超导 有机/ 无机 复合 材料钢铁铜轻 合 金Si 半 Ge导 体Fe高温 Ni 合金 Co聚合物材料与键合特性由金属键向混合键，简单立方晶体结构向复杂晶体结构及复杂分子结构演进，从而决定或影响了材料的制备/加工、组织、力学和功能性能。二、金属材料与社会发展二、金属材料与社会发展Ø 不同金属材料的生产和使用普遍反映当时社会 生产力水平钢铁产量：综合国力重要指标铜马车、青铜鼎、青铜剑工业革命以来铁制农具的普遍使用和推广铁器时代（战国以后）青铜时代二、金属材料与社会发展Ø 金属材料与现代建筑共使用Q460E型钢材11万吨 二、金属材料与社会发展Ø 金属材料与现代交通高强度钢一般用于汽车需高强度、高抗碰撞吸收能、成形要求严格的零件，如 轮圈、加强构件、保险杠和防撞杠等；同时还被用于汽车的内外板件，如车顶 板、车门内外板、 发动机舱盖和行李舱盖等。二、金属材料与社会发展Ø 金属材料与现代交通京沪高速铁路使用钢铁735万吨 二、金属材料与社会发展Ø 金属材料与航空工业Ø 金属材料与航空工业二、金属材料与社会发展大飞机工程中对金属及金属基复合材料的需求二、金属材料与社会发展Ø 金属材料与航天工业壳体以外（结构支承）：铝-铜-镁系、铝-锌-镁系高强度铝合金； 壳体内部（高压气瓶）：钛合金或高强度钢； 燃气舵：特种石墨或钨、钼等难熔金属制作，表面再覆以抗氧化涂层。二、金属材料与社会发展Ø 金属材料与航海工业美国航母甲板：690 MPa级高强钢、HSLAll5钢； 法国 “凯旋”级核潜艇耐压壳体：HLESl00钢； 日本“亲湖”级潜艇（可下潜500米）：NS110钢（屈服强度1000 MPa）。二、金属材料与社会发展Ø 常见轻金属镁合金：密度低（1.8 g/cm3），比强度高，比弹性模量大， 散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比Al合金大，耐有机物 和碱的腐蚀性能好，用于制造飞机机身、发动机零件等。Mg合金相机外壳Mg合金引擎外壳Ø 常见轻金属二、金属材料与社会发展铝合金：密度低，比强度高，具有优良的导电性、导热性和抗 蚀性，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已 大量应用。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框 和起落架都可以用Al合金制造。二、金属材料与社会发展Ø 常见重金属Ni基高温合金航空发动机叶片锡黄铜磷青铜波纹管X射线防护铅门二、金属材料与社会发展Ø 半金属半金属元素在元素周期表中处于金属向非金 属过渡位置。这类元素的导电性能随温度的 变化关系大都与金属相反，即其电导率随温 度上升而增加。 用途：电气、冶金、半导体材料。CdZnTe g照相机二、金属材料与社会发展Ø 稀有金属Ti合金飞机结构件医用Ti合金锂电池铍-中子减速器铀原子弹钒-制造高速切削钢和合金钢钒铅矿二、金属材料与社会发展Ø 难熔金属熔点一般大于2000 ，包括钨、钼、钽、铌和铼等。难熔金 属及其合金、金属间化合物和碳化物等，由于具有高熔点、高 硬度和高强度等性能而广泛应用于国防军工、航空航天、电子 信息、能源、冶金、化工和核工业等领域。二、金属材料与社会发展Ø 难熔金属（钨）钨及其合金：熔点高、密度大、强度高、耐热性优良、弹性模 量高、膨胀系数小；但其低温脆性大且高温抗氧化性能较差。穿甲弹火箭喷嘴W-Re热电偶铣刀W-Ni-Fe合金 飞机减震材料 穿甲弹和子母弹WC-Co硬质合金 现代工业的牙齿W-Cu合金 电极材料 火箭喷嘴W-Re合金 热电偶 特种电子管二、金属材料与社会发展Ø 难熔金属（钼）钼及其合金：熔点较高、膨胀系数小、高温抗蠕变性能好；但 其低温脆性大且高温抗氧化性能较差。TZM合金（Mo-0.060.12Zr-0.40.55Ti-0.010.03C）用于固体燃料火箭 发动机的喷管、火箭鼻锥、飞行器的前缘和方向舵等。TZM块TZM棒二、金属材料与社会发展Ø 难熔金属（钽）钽及其合金：高温强度高、膨胀系数小、抗蠕变性能好、抗 热震性能及韧塑性优良；但该合金在500 以上的抗氧化性能 很差，需要在其表面进行涂层保护。Ta-10W合金已用于宇宙飞船的燃烧室、导弹的鼻锥（使用温度在 2500 左右）及火箭发动机喷管等。Ta-10W卫星发动机喷管Ta-W棒二、金属材料与社会发展Ø 难熔金属（铌）铌及其合金：难熔金属中密度最小的材料，在11001650 下有较高的强度，焊接性能好，且室温下塑性较好，能制成 外形复杂的零件。其主要应用于超高音速飞机、航天飞行器 、卫星、导弹及火箭上的结构材料等。C103合金（Nb-10Hf-1Ti-0.5Zr）制造的火箭发动机火箭发动机ü 按增强体分类纤维增强金属基复合材料晶须增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料SiC颗粒/晶须增强铝基复合材料 Ø 金属基复合材料C纤维增强铝基复合材料Ø 金属基复合材料Ti基晶须复合材料铝基复合材料刹车鼓硬质合金刀具航天飞机内Al/B纤维桁架Ø 其它新型金属材料金属玻璃纳米级金属材料形状记忆金属材料三、金属材料的制备与成型技术三、金属材料的制备及成型技术Ø 金属冶炼金属冶炼：把金属从化合态变为游离态的过程。用碳、一氧化 碳、氢气等还原剂与金属氧化物在高温下发生还原反应，获得 金属单质。金属冶炼还原法置换法电解法火法冶炼湿法冶炼Ø 金属冶炼Cu的工业冶炼火法冶炼结合电解精炼：CuO + C Cu + CO2三、金属材料的制备及成型技术Ø 金属冶炼热还原法：2Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2高炉炼铁三、金属材料的制备及成型技术Ø 液态成型（铸造、凝固）铸造：是一种将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里 ，经冷却凝固，清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸 件的工艺过程。 特点：不受铸件尺寸、形状及合金材料的限制； 技术难点：微观组织与成分的精确控制； 发展方向：精密浇铸，特殊条件下的凝固。铸 造砂型铸造特种铸造金属型铸造压力铸造离心铸造熔模铸造三、金属材料的制备及成型技术Ø 液态成型（铸造）凝固微观凝固：原子在平衡位置的振 动幅度减弱，排列趋于规则。宏观变化（冰）三、金属材料的制备及成型技术Ø 塑性成型利用金属的可塑性，在外力的作用下使其形成需要的形 状的加工方法，包括冲压、拉拔、锻造和轧制等，其中 锻造又分为自由锻、模锻和特种锻造。ü 生产效率高，可以大批量生产； ü 改善了金属的组织与结构； ü 材料利用率较高，一般可达7585%； ü 尺寸精度高。三、金属材料的制备及成型技术Ø 塑性成型轧制锻造拉拔三、金属材料的制备及成型技术Ø 焊接成型焊接：利用局部加热或加压的手段，使分离的两部分 金属通过原子的扩散与结合而形成永久连接的工艺， 其涉及到金属的熔化与凝固过程。 焊接技术的发展趋势： ü 焊接机器人的开发与生产； ü 灵巧智能型焊接机； ü 计算机模拟技术与控制技术； ü 发展无损探伤技术及可靠性评估的方法及理论； ü 发展恶劣条件下的焊接。三、金属材料的制备及成型技术Ø 焊接成型三、金属材料的制备及成型技术焊接机器人摩擦焊搅拌摩擦焊新型焊接方法Ø 3D打印3D打印：平面打印的叠加， 图像一层一层的覆盖和凝固 ，从平面逐渐增高，渐渐形 成立体的物件。 特点： ü 无需机械加工或任何模具， 就能直接从计算机图形数据 中生成