金屬材料學科前沿專家講座

1、金屬材料導論金屬材料導論 西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學 郭喜平郭喜平主要內容主要內容金屬材料展望金屬材料展望金屬材料的制備及成形技術金屬材料的制備及成形技術金屬材料與社會發(fā)展金屬材料與社會發(fā)展緒論緒論12345Nb-Si基超高溫合金研發(fā)基超高溫合金研發(fā)一、緒論一、緒論工程材料的分類 晶態(tài)材料：金屬、合金、結晶鹽、聚乙烯等晶態(tài)材料：金屬、合金、結晶鹽、聚乙烯等從結構分從結構分 非晶態(tài)材料：玻璃、橡膠、有機玻璃等無定型高聚物非晶態(tài)材料：玻璃、橡膠、有機玻璃等無定型高聚物 結構材料結構材料 從特性和用途分從特性和用途分 功能材料、結構功能一體化材料功能材料、結構功能一體化材料 金屬材料金屬材料從組成和成

2、分分：從組成和成分分： 無機非金屬材料（陶瓷）無機非金屬材料（陶瓷） 有機高分子材料（塑料、橡膠、合成纖維等）有機高分子材料（塑料、橡膠、合成纖維等） 復合材料（金屬基、樹脂基、陶瓷基等）復合材料（金屬基、樹脂基、陶瓷基等）v 結構材料：結構材料： 功能材料：功能材料： 金屬材料：金屬材料：主要利用其力學性能，用于制造需承受一定載荷的設備、零部件主要利用其力學性能，用于制造需承受一定載荷的設備、零部件及建筑結構等及建筑結構等;利用其特殊的物理性能（電學、熱學、磁學、光學性能等），利用其特殊的物理性能（電學、熱學、磁學、光學性能等），用于制造各種電子器件、光敏器件、絕緣材料等；用于制造各種電子器

3、件、光敏器件、絕緣材料等；黑色金屬（鑄鐵、鋼）黑色金屬（鑄鐵、鋼）有色金屬有色金屬:輕有色金屬：輕有色金屬：Al, Mg, Ti重有色金屬：重有色金屬：Cu, Zn, Pb, Ni貴重有色金屬：貴重有色金屬：Au, Ag, Pt, Rh等等難熔金屬：難熔金屬：V, Nb, Ta, Cr, Mo, W等，熔點非常高等，熔點非常高放射性金屬：放射性金屬：Ra（鐳），鐳），U（鈾）鈾）, Th(釷）釷）核心關系核心關系 核心關系核心關系材料的結構 材料的性能 一、緒論一、緒論 什么是金屬材料？什么是金屬材料？金金銀銀銅銅鐵鐵錫錫鋁鋁鋅鋅汞汞鎂鎂鎢鎢一、緒論一、緒論 什么是金屬材料？什么是金屬材料？金

4、屬材料：金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。純金屬：不含其他雜質或其他金屬成分的金屬金屬間化合物：兩個及以上金屬或類金屬組元按比例組成的具有金屬特性和長程有序晶體結構的化合物合金：兩種或兩種以上的金屬元素或以金屬為基的具有金屬特性的金屬材料一、緒論一、緒論 金屬材料的力學特性金屬材料的力學特性塑性塑性沖擊韌性沖擊韌性硬度硬度疲勞失效疲勞失效一、緒論一、緒論 金屬材料的物理特性金屬材料的物理特性金屬光澤金屬光澤導電性導電性導熱導熱導磁導磁一、緒論一、緒論 金屬材料的物理特性金屬材料的物理特性不同金屬的熔點和密度差異很大不同金屬的熔點和密度差異很大汞熔點最低（-38.9 ）鎢熔

5、點最高（3410 ）鉀為最輕的金屬（0.86 g/cm3）鋨為最重的金屬（22.48 g/cm3）熔點的高低顯示了的強弱一、緒論一、緒論 金屬材料的化學特性金屬材料的化學特性青銅器文物粉狀銹青銅器文物粉狀銹緩蝕保護前后對比緩蝕保護前后對比 金屬材料的結構和鍵合特點金屬材料的結構和鍵合特點原子鍵合原子鍵合：化學鍵化學鍵氫鍵氫鍵物理鍵物理鍵 金屬鍵：金屬離子與自由電子間靜電作用， 離子鍵：正負離子間靜電作用， 共價鍵：原子軌道重疊后，高概率地出現在兩個原子核之間的電子（）與兩個原子核之間的靜電作用， 以氫為媒介的一種特殊的分子間或分子內作用力； 鍵合特點：鍵合強度介于化學鍵和物理鍵之間，。 范德華

6、力：分子間的靜電作用力（含色散力、取向力和誘導力）； 鍵合特點：鍵合力遠小于化學鍵，決定物質的熔沸點。一、緒論一、緒論一、緒論一、緒論 金屬材料的結構和鍵合特點金屬材料的結構和鍵合特點金屬鍵離子鍵共價鍵范德華力氫鍵一、緒論一、緒論材料種材料種類類結合鍵結合鍵熔點熔點彈性模彈性模量量強度、強度、硬度硬度塑性和塑性和韌性韌性導電和導電和導熱性導熱性耐熱性耐熱性耐蝕性耐蝕性其他其他金屬材料以金屬鍵為主較高較高較高良好良好較高一般密度大，熱膨脹系數較大陶瓷材料離子鍵或共價鍵高高抗拉強度低，抗壓強度和硬度高差絕緣，導熱性差高高密度小，熱膨脹系數小高分子材料分子內為共價鍵，分子間為分子鍵較低較低較低較好絕

7、緣，導熱性差較低高密度小，熱膨脹系數大，易老化復合材料取決于組成物由組成物決定說明：說明：著色愈淺表示金屬鍵特性愈強著色愈淺表示金屬鍵特性愈強. 發(fā)展發(fā)展結構金屬結構金屬間化合物間化合物難熔難熔合金合金 - 、-化合物化合物氧化物晶體氧化物晶體結構結構功能功能陶瓷陶瓷超導超導合金合金金屬金屬陶瓷陶瓷非晶非晶合金合金復雜分子復雜分子化合物化合物高溫氧高溫氧化物超導化物超導有機有機/無機無機復合復合材料材料鋼鋼鐵鐵銅銅輕輕合合金金Si 半半Ge導導體體Fe高溫高溫Ni 合金合金Co聚合物聚合物材料與鍵合特性材料與鍵合特性由金屬鍵向混合由金屬鍵向混合鍵，簡單立方晶鍵，簡單立方晶體結構向復雜晶體結構向

8、復雜晶體結構及復雜分體結構及復雜分子結構演進，子結構演進，從從而決定或影響了而決定或影響了材料的制備材料的制備/加工、加工、組織、力學和功組織、力學和功能性能。能性能。二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 不同金屬材料的生產和使用普遍反映當時社會不同金屬材料的生產和使用普遍反映當時社會生產力水平生產力水平 鋼鐵產量：綜合國力重要指標鋼鐵產量：綜合國力重要指標 銅馬車、青銅鼎、青銅劍銅馬車、青銅鼎、青銅劍工業(yè)革命以來工業(yè)革命以來 鐵制農具的普遍使用和推廣鐵制農具的普遍使用和推廣鐵器時代（戰(zhàn)國以后）鐵器時代（戰(zhàn)國以后）青銅時代青銅時代二、金屬材料

9、與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 金屬材料與現代建筑金屬材料與現代建筑共使用Q460E型鋼材11萬噸 二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 金屬材料與現代交通金屬材料與現代交通高強度鋼一般用于汽車需高強度、高抗碰撞吸收能、成形要求嚴格的零件，如輪圈、加強構件、保險杠和防撞杠等；同時還被用于汽車的內外板件，如車頂板、車門內外板、 發(fā)動機艙蓋和行李艙蓋等。二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 金屬材料與現代交通金屬材料與現代交通京滬高速鐵路使用鋼鐵735萬噸 二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 金屬材料與航空工業(yè)金屬材料與航空工業(yè) 金屬材料與航空工業(yè)金屬材料與航空工業(yè)二、

10、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展大飛機工程中對金屬及金屬基復合材料的需求二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 金屬材料與航天工業(yè)金屬材料與航天工業(yè)殼體以外（結構支承）：鋁-銅-鎂系、鋁-鋅-鎂系高強度鋁合金；殼體內部（高壓氣瓶）：鈦合金或高強度鋼；燃氣舵：特種石墨或鎢、鉬等難熔金屬制作，表面再覆以抗氧化涂層。二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 金屬材料與航海工業(yè)金屬材料與航海工業(yè)美國航母甲板：690 MPa級高強鋼、HSLAll5鋼；法國 “凱旋”級核潛艇耐壓殼體：HLESl00鋼；日本“親湖”級潛艇（可下潛500米）：NS110鋼（屈服強度1000 MPa）。二、金

11、屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 常見輕金屬常見輕金屬鎂合金：鎂合金：密度低（1.8 g/cm3），比強度高，比彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比Al合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好，用于制造飛機機身、發(fā)動機零件等。Mg合金相機外殼Mg合金引擎外殼 常見輕金屬常見輕金屬二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展鋁合金：鋁合金：密度低，比強度高，具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè)中已大量應用。飛機上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架都可以用Al合金制造。二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 常見重金屬常見重金屬Ni基高溫合

12、金航空發(fā)動機葉片錫黃銅磷青銅波紋管X射線防護鉛門二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 半金屬半金屬半金屬元素在元素周期表中處于金屬向非金屬過渡位置。這類元素的導電性能隨溫度的變化關系大都與金屬相反，即其電導率隨溫度上升而增加。用途：電氣、冶金、半導體材料。CdZnTe g照相機二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 稀有金屬稀有金屬Ti合金飛機結構件醫(yī)用Ti合金鋰電池鈹-中子減速器鈾原子彈釩-制造高速切削鋼和合金鋼釩鉛礦二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 難熔金屬難熔金屬熔點一般大于2000 ，包括鎢、鉬、鉭、鈮和錸等。難熔金屬及其合金、金屬間化合物和碳化物等，由于具有

13、高熔點、高硬度和高強度等性能而廣泛應用于國防軍工、航空航天、電子信息、能源、冶金、化工和核工業(yè)等領域。二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 難熔金屬（鎢）難熔金屬（鎢）鎢及其合金：鎢及其合金：熔點高、密度大、強度高、耐熱性優(yōu)良、彈性模量高、膨脹系數??；但其低溫脆性大且高溫抗氧化性能較差。穿甲彈火箭噴嘴W-Re熱電偶銑刀W-Ni-Fe合金飛機減震材料穿甲彈和子母彈WC-Co硬質合金現代工業(yè)的牙齒W-Cu合金電極材料火箭噴嘴W-Re合金熱電偶特種電子管二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 難熔金屬（鉬）難熔金屬（鉬）鉬及其合金：鉬及其合金：熔點較高、膨脹系數小、高溫抗蠕變性能好；但

14、其低溫脆性大且高溫抗氧化性能較差。TZM合金（Mo-0.060.12Zr-0.40.55Ti-0.010.03C）用于固體燃料火箭發(fā)動機的噴管、火箭鼻錐、飛行器的前緣和方向舵等。TZM塊TZM棒二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展 難熔金屬（鉭）難熔金屬（鉭）鉭及其合金：鉭及其合金：高溫強度高、膨脹系數小、抗蠕變性能好、抗熱震性能及韌塑性優(yōu)良；但該合金在500 以上的抗氧化性能很差，需要在其表面進行涂層保護。Ta-10W合金已用于宇宙飛船的燃燒室、導彈的鼻錐（使用溫度在2500 左右）及火箭發(fā)動機噴管等。Ta-10W衛(wèi)星發(fā)動機噴管Ta-W棒二、金屬材料與社會發(fā)展二、金屬材料與社會發(fā)展

15、難熔金屬（鈮）難熔金屬（鈮）鈮及其合金：鈮及其合金：難熔金屬中密度最小的材料，在11001650 下有較高的強度，焊接性能好，且室溫下塑性較好，能制成外形復雜的零件。其主要應用于超高音速飛機、航天飛行器、衛(wèi)星、導彈及火箭上的結構材料等。C103合金（Nb-10Hf-1Ti-0.5Zr）制造的火箭發(fā)動機火箭發(fā)動機按增強體分類纖維增強金屬基復合材料晶須增強金屬基復合材料顆粒增強金屬基復合材料SiC顆粒/晶須增強鋁基復合材料 金屬基復合材料金屬基復合材料C纖維增強鋁基復合材料 金屬基復合材料金屬基復合材料Ti基晶須復合材料鋁基復合材料剎車鼓硬質合金刀具航天飛機內Al/B纖維桁架 其它新型金屬材料其它

16、新型金屬材料金屬玻璃納米級金屬材料形狀記憶金屬材料三、金屬材料的制備與成型技術三、金屬材料的制備與成型技術三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 金屬冶煉金屬冶煉金屬冶煉：金屬冶煉：把金屬從化合態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)的過程。用碳、一氧化碳、氫氣等還原劑與金屬氧化物在高溫下發(fā)生還原反應，獲得金屬單質。金屬冶煉金屬冶煉還原法置換法電解法火法冶煉濕法冶煉 金屬冶煉金屬冶煉Cu的工業(yè)冶煉的工業(yè)冶煉火法冶煉結合電解精煉：火法冶煉結合電解精煉：CuO + C Cu + CO2三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 金屬冶煉金屬冶煉熱還原法：2Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2高

17、爐煉鐵三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 液態(tài)成型（鑄造、凝固）液態(tài)成型（鑄造、凝固）鑄造：鑄造：是一種將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里，經冷卻凝固，清整處理后得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。特點：特點：不受鑄件尺寸、形狀及合金材料的限制；技術難點：技術難點：微觀組織與成分的精確控制；發(fā)展方向：發(fā)展方向：精密澆鑄，特殊條件下的凝固。鑄鑄造造砂型鑄造特種鑄造金屬型鑄造壓力鑄造離心鑄造熔模鑄造三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 液態(tài)成型（鑄造）液態(tài)成型（鑄造）凝固微觀凝固：原子在平衡位置的振動幅度減弱，排列趨于規(guī)則。宏觀變化（冰）三

18、、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 塑性成型塑性成型利用金屬的可塑性，在外力的作用下使其形成需要的形狀的加工方法，包括沖壓、拉拔、鍛造和軋制等，其中鍛造又分為自由鍛、模鍛和特種鍛造。生產效率高，可以大批量生產；改善了金屬的組織與結構；材料利用率較高，一般可達7585%；尺寸精度高。三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 塑性成型塑性成型軋制鍛造拉拔三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 焊接成型焊接成型焊接：焊接：利用局部加熱或加壓的手段，使分離的兩部分金屬通過原子的擴散與結合而形成永久連接的工藝，其涉及到金屬的熔化與凝固過程。焊接技術的

19、發(fā)展趨勢：焊接技術的發(fā)展趨勢：焊接機器人的開發(fā)與生產；靈巧智能型焊接機；計算機模擬技術與控制技術；發(fā)展無損探傷技術及可靠性評估的方法及理論；發(fā)展惡劣條件下的焊接。三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 焊接成型焊接成型三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術焊接機器人摩擦焊攪拌摩擦焊新型焊接方法新型焊接方法 3D打印打印3D打?。捍蛴。浩矫娲蛴〉寞B加，圖像一層一層的覆蓋和凝固，從平面逐漸增高，漸漸形成立體的物件。特點：特點：無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件；能夠打印出一些傳統(tǒng)生產技術無法制造出的外型；快速有效。 三、金屬材料

20、的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 3D打印打印三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 粉末冶金粉末冶金粉末冶金：粉末冶金：用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經過成型和燒結來得到各種類型制品的工藝技術。特點：特點：材料利用率高；可加工外形復雜的零件；沒有焊接縫等弊端；沒有成分偏析等缺點。三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 金屬熱處理金屬熱處理金屬熱處理：金屬熱處理：將金屬工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度在不同的介質中冷卻，通過改變金屬材料表面或內部的顯微組織結構來控制其性能的一種

21、工藝。鋼的熱處理：鋼的熱處理：退火（緩慢冷卻）；正火（空氣中冷卻）；淬火（在水或油等介質中快速冷卻）；回火（淬火后的長時間保溫）。三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術熱處理鋼熱處理設備 金屬熱處理金屬熱處理三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術 金屬材料成型未來發(fā)展方向金屬材料成型未來發(fā)展方向原則：原則：滿足工業(yè)產業(yè)的需求、高效、環(huán)保和節(jié)能。未來發(fā)展方向：未來發(fā)展方向：精密成型工藝，由近形向凈形發(fā)展；復合成型工藝；成形過程中的計算機數值模擬；模具、模型及工裝的計算機輔助設計與制造。三、金屬材料的制備及成型技術三、金屬材料的制備及成型技術四、四、Nb-Si基

22、超高溫合金研發(fā)基超高溫合金研發(fā) Sketch for an aeronautic jet engine and the pressure and temperature trends from the front to the back of the engine.四、四、Nb-Si基超高溫合金研發(fā)基超高溫合金研發(fā)Nb-Si基超高溫合金的性能指標已達到：使用溫度范圍：12001450應用場合：葉片、尾噴管、喉襯、燃燒室等超高溫部件 合金成分設計、制備技術、綜合力學性能超高溫整體定向凝固技術超高溫整體定向凝固技術抗氧化涂層技術抗氧化涂層技術密度密度6.76.8g/cm3 室溫斷裂韌性室溫斷裂韌性

23、23.8MPam1/2 高溫拉伸持久高溫拉伸持久性能性能 1250/80MPa下的拉伸持久壽命為58.1h制備滲層后高制備滲層后高溫抗氧化性能溫抗氧化性能 1250氧化100h的氧化膜厚度為9m1250循環(huán)氧化100h后氧化膜致密、完整、未剝落 研發(fā)了研發(fā)了Al, Cr, Zr, B以及稀土元素Y, Ce改性的多元梯度復合硅化物滲層；抗氧化性能達到：抗氧化性能達到：1250的抗氧化時間500h以上；1380的恒溫抗氧化時間大于50h，抗熱震氧化時間大于30min；滲層致密、缺陷少、厚度可控制備了滲層的工件在1380下30 min熱震氧化后的形貌 已成功應用于某高超飛行器部件的抗氧化滲層已成功應用于某高超飛行器部件的抗氧化滲層Guo X. et al. Corrosion Science, Vol. 71 (2014), 10-19Nb-Si基超高溫合金抗氧化涂層技術取得重要進展基超高溫合金抗氧化涂層技術取得重要進展 Nb-Si基超高溫合金在熔體溫度為基超高溫合金在熔體溫度為2050，抽拉速率抽拉速率R=2.5m/s時定向凝固試樣的時定向凝固試樣的宏觀形貌（凝固方向為