工程材料認(rèn)知講義

PAGEPAGE6工程材料認(rèn)知講義1常見(jiàn)的金屬及合金1.1鐵和鐵的合金廣義的鐵合金是指煉鋼時(shí)作為脫氧劑、元素添加劑等加入鐵水中使鋼具備某種特性或達(dá)到某種要求的一種產(chǎn)品。鐵與一種或幾種元素組成的中間合金，主要用于鋼鐵冶煉。在鋼鐵工業(yè)中一般還把所有煉鋼用的中間合金，不論含鐵與否（如硅鈣合金），都稱為“鐵合金”。習(xí)慣上還把某些純金屬添加劑及氧化物添加劑也包括在內(nèi)?；痉诸愯F合金的品種繁多，分類方法也多一般按下列方法分類：（1）按鐵合金中主元素分類，主要有硅，錳，鉻，釩，鈦，鎢，鉬等系列鐵合金。（2）按鐵合金中含碳量的分類，有高碳，中碳，低碳，微碳，超微碳等品種。（3）含有兩種或者兩種以上合金元素的多元鐵合金，主要品種有硅鋁合金，硅鈣合金，錳硅鋁合金，硅鈣鋁合金，硅鋇鈣合金等。（4）按生產(chǎn)方法分類：有高爐鐵合金，電爐鐵合金，爐外法（金屬熱法）鐵合金，真空固態(tài)還原鐵合金，電解法鐵合金，此外還有氧化物壓塊與發(fā)熱鐵合金等特殊鐵合金。1.2金屬熱處理相關(guān)知識(shí)熱處理是指金屬材料在固態(tài)下，通過(guò)加熱、保溫和冷卻的手段，改變材料表面或內(nèi)部的化學(xué)成分與組織，獲得所需性能的一種金屬熱加工工藝1．正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點(diǎn)AC3或ACM以上的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。2．退火annealing：將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20—40度，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻（或埋在砂中或石灰中冷卻）至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。3.淬火：將鋼奧氏體化后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻，使工件在橫截面內(nèi)全部或一定的范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。50CrVA彈簧鋼880℃淬油金相組織4.回火：將經(jīng)過(guò)淬火的工件加熱到臨界點(diǎn)AC1以下的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。5.調(diào)質(zhì)處理（quenchingandtempering）：一般習(xí)慣將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織，它的機(jī)械性能均比相同硬度的正火索氏體組織更優(yōu)。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關(guān)，一般在HB200—350之間。1.3鋁和鋁的合金純鋁分冶煉品和壓力加工品兩類前者以化學(xué)成份Al表示，后者用漢語(yǔ)拼音LV（鋁、工業(yè)用的）表示。鋁合金按加工方法可以分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類：形變鋁合金能承受壓力加工?？杉庸こ筛鞣N形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、建筑用門(mén)窗等。形變鋁合金又分為不可熱處理強(qiáng)化型鋁合金和可熱處理強(qiáng)化型鋁合金。不可熱處理強(qiáng)化型不能通過(guò)熱處理來(lái)提高機(jī)械性能，只能通過(guò)冷加工變形來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，它主要包括高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁以及防銹鋁等?？蔁崽幚韽?qiáng)化型鋁合金可以通過(guò)淬火和時(shí)效等熱處理手段來(lái)提高機(jī)械性能，它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等。鑄造鋁合金按化學(xué)成分可分為鋁硅合金，鋁銅合金，鋁鎂合金，鋁鋅合金和鋁稀土合金，其中鋁硅合金又有過(guò)共晶硅鋁合金，共晶硅鋁合金，單共晶硅鋁合金，鑄造鋁合金在鑄態(tài)下使用。1.4銅和銅的合金1、純銅高品質(zhì)紅銅純度高，組織細(xì)密，含氧量極低。無(wú)氣孔、沙眼、疏松，導(dǎo)電性能極佳，適合電蝕刻模具，經(jīng)熱處理工藝，電極無(wú)方向性，適合精打，細(xì)打。2、青銅原指銅錫合金﹐后除黃銅﹑白銅以外的銅合金均稱青銅﹐并常在青銅名字前冠以第一主要添加元素的名。錫青銅的鑄造性能﹑減摩性能好和機(jī)械性能好﹐適合於制造軸承﹑蝸輪﹑齒輪等。鉛青銅是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)和磨床廣泛使用的軸承材料。鋁青銅強(qiáng)度高﹐耐磨性和耐蝕性好﹐用于鑄造高載荷的齒輪﹑軸套﹑船用螺旋槳等。磷青銅的彈性極限高﹐導(dǎo)電性好﹐適於制造精密彈簧和電接觸元件﹐鈹青銅還用來(lái)制造煤礦﹑油庫(kù)等使用的無(wú)火花工具。鈹銅是一種過(guò)飽和固溶體銅基合金，是機(jī)械性能，物理性能，化學(xué)性能及抗蝕性能良好；粉末冶金制作針對(duì)鎢鋼，高碳鋼、耐高溫超硬合金制作的模具需電蝕時(shí)，因普通電極損耗大，速度慢，鎢銅是比較理想材料。3、黃銅以鋅作主要添加元素的銅合金﹐具有美觀的黃色﹐統(tǒng)稱黃銅。銅鋅二元合金稱普通黃銅或稱簡(jiǎn)單黃銅。三元以上的黃銅稱特殊黃銅或稱復(fù)雜黃銅。含鋅低於36%的黃銅合金由固溶體組成﹐銅合金有良好的冷加工性能﹐如含鋅30%的黃銅常用來(lái)制作彈殼﹐俗稱彈殼黃銅或七三黃銅。含鋅在36～42%之間的黃銅合金由和固溶體組成﹐其中最常用的是含鋅40%的六四黃銅。為了改善普通黃銅的性超導(dǎo)材料，是指具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。到80年代，超導(dǎo)材料的應(yīng)用主要有：①利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體，應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲(chǔ)能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達(dá)10000MVA）；可制作通信電纜和天線，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。②利用材料的完全抗磁性可制作無(wú)摩擦陀螺儀和軸承。③利用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密測(cè)量?jī)x表以及輻射探測(cè)器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計(jì)算機(jī)的邏輯和存儲(chǔ)元件，其運(yùn)算速度比高性能集成電路的快10～20倍，功耗只有四分之一。2014年3月28日，日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)研究小組研究、合成了含有金和硅元素的新型超導(dǎo)化合物。[1]

研究小組在1500度、6萬(wàn)個(gè)大氣壓的高溫高壓條件下，使金和硅以及二硅化鍶等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了被稱為“SrAuSi3”的新型超導(dǎo)體，在1.6K絕對(duì)溫度下達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)。經(jīng)理論計(jì)算分析，該新型超導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)與原子序號(hào)較大的金元素相比，電子數(shù)有增加、電子磁性和自旋軌道耦合均較強(qiáng)，屬于BaNiSn3構(gòu)造的化合物。該研究成果已在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)主編的《材料化學(xué)》上發(fā)表。[1]2.2納米材料相關(guān)知識(shí)納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子(nanoparticle)組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域。其尺度已接近光的波長(zhǎng)，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測(cè)技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。2.3儲(chǔ)氫材料相關(guān)知識(shí)目前儲(chǔ)氫材料有金屬氫化物、碳纖維碳納米管、非碳納米管、玻璃儲(chǔ)氫微球、絡(luò)合物儲(chǔ)氫材料以及有機(jī)液體氫化物。下面僅就合金、有機(jī)液體以及納米儲(chǔ)氫材料三個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)氫材料加以介紹。一,合金儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫合金是指在一定溫度和氫氣壓力下,能可逆的大量吸收、儲(chǔ)存和釋放氫氣的金屬間化合物,其原理是金屬與氫形成諸如離子型化合物、共價(jià)型金屬氫化物、金屬相氫化物-金屬間化合物等結(jié)合物,并在一定條件下能將氫釋放出來(lái)。合金作為儲(chǔ)氫材料要滿足一定的要求,首先其氫化物的生成熱要適當(dāng),如果生成熱太高,生成的氫化物過(guò)于穩(wěn)定,釋放氫時(shí)就需要較高的溫度.而如果生成熱太低,則不易吸收氫。其次形成氫化物的平衡壓要適當(dāng),最好在室溫附近只有幾個(gè)大氣壓,便于吸放氫,而且要吸放速度快，這樣才能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。另外合金及其氫化物對(duì)水、氧和二氧化碳等雜質(zhì)敏感性小，反復(fù)吸放氫時(shí)，材料性能不至于惡化。而且，儲(chǔ)氫材料的氫化物還要滿足在存儲(chǔ)與運(yùn)輸過(guò)程中性能可靠、安全、無(wú)害、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等條件?，F(xiàn)在已研究的并且符合上述要求的有鎂系、稀土系、鈦系和鋯系等。在上述儲(chǔ)氫材料中，鎂系儲(chǔ)氫合金具有較高的儲(chǔ)氫容量，而且吸放氫平臺(tái)好、資源豐富、價(jià)格低廉，應(yīng)用前景十分誘人。鎂可直接與氫反應(yīng),在300—400℃和較高的壓力下,反應(yīng)生成Mg和H2反應(yīng)生成MgH2:Mg+H2=MgH2?△H=-74.6kJ/mol。MgH2理論氫含量可達(dá)7.6%,具有金紅石結(jié)構(gòu),性能較穩(wěn)定,在287℃時(shí)分解壓為101.3kPa。由于純鎂的吸放氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能差,吸放氫溫度高,所以純鎂很少被直接用來(lái)儲(chǔ)存氫氣，為此人們又開(kāi)始研究鎂基儲(chǔ)氫合金材料。到目前為止,人們已對(duì)300多種重要的鎂基儲(chǔ)氫合金材料進(jìn)行了研究。二，液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫材料有機(jī)液體氫化物貯氫是借助不飽和液體有機(jī)物與氫的一對(duì)可逆反應(yīng),即加氫和脫氫反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。加氫反應(yīng)時(shí)貯氫,脫氫反應(yīng)時(shí)放氫,有機(jī)液體作為氫載體達(dá)到貯存和輸送氫的目的。烯烴、炔烴、芳烴等不飽和有機(jī)液體均可作貯氫材料,但從貯氫過(guò)程的能耗、貯氫量、貯氫劑、物理等方面考慮,以芳烴特別是單環(huán)芳烴作貯氫劑為佳,常用的有機(jī)物氫載體有苯、甲苯、甲基環(huán)己烷、萘等。用這些有機(jī)液體氫化物作為貯氫劑的貯氫技術(shù),是20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的一種新型貯氫技術(shù)。1980年,Taube等分析、論證了利用甲基環(huán)己烷作氫載體貯氫為汽車提供燃料的可能性。隨后許多學(xué)者對(duì)為汽車提供燃料的技術(shù)開(kāi)展了很多卓有成效的研究和開(kāi)發(fā)工作,對(duì)催化加氫脫氫的貯存輸送進(jìn)行了廣泛的開(kāi)發(fā)。有機(jī)液體氫化物貯氫作為一種新型貯氫材料,其貯氫特點(diǎn)是:有機(jī)液的貯存、運(yùn)輸安全方便,可利用現(xiàn)有的貯存和運(yùn)輸設(shè)備,有利于長(zhǎng)距離大量運(yùn)輸，貯氫量大,苯和甲苯的理論貯氫量分別為7.19(wt)%和6.18(wt)%,比現(xiàn)有的金屬貯氫量高得多，貯氫劑成本低且可多次循環(huán)使用，加氫反應(yīng)要放出大量的熱,可供利用,脫氫反應(yīng)可利用廢熱。目前存在的主要問(wèn)題是有機(jī)物氫載體的脫氫溫度偏高,實(shí)際釋氫效率偏低。因此,開(kāi)發(fā)低溫高效的有機(jī)物氫載體脫氫催化劑、采用膜催化脫氫技術(shù)對(duì)提高過(guò)程效能有重要意義。三，納米儲(chǔ)氫材料納米儲(chǔ)氫材料分為兩種方式，一種是將原有的儲(chǔ)氫材料納米化，還有一種就是開(kāi)發(fā)新的納米材料作為儲(chǔ)氫材料。儲(chǔ)氫合金納米化提高儲(chǔ)氫特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面原因。（1）對(duì)于納米尺寸的金屬顆粒，連續(xù)的能帶分裂為分立的能級(jí)，并且能級(jí)間的平均間距增大，使得氫原子容易獲得解離所需的能量，表現(xiàn)為貯氫合金活化能降低和活化溫度降低。（2）納米顆粒具有巨大的比表面積，電子的輸送將受到微粒表面的散射，顆粒之間的界面形成電子散射的高勢(shì)壘，界面電荷的積累產(chǎn)生界面極化，而元素的電負(fù)性差越大，合金的生成焓越負(fù),合金氫化物越穩(wěn)定。金屬氫化物能夠大量生成，單位體積吸納的氫的質(zhì)量明顯大于宏觀顆粒。（3）納米貯氫合金比表面積大，表面能高，氫原子有效吸附面積顯著增多，氫擴(kuò)散阻力下降，而且氫解反應(yīng)在合金納米晶的催化作用下反應(yīng)速率增加，納米晶具有高比例的表面活性原子，有利于反應(yīng)物在其表面吸附，有效降低了電極表面氫原子的吸附活化能,因而具有高的電催化性能。另外，由于納米晶粒相當(dāng)細(xì)小,導(dǎo)致晶界和晶格缺陷增加，而晶體缺陷和位錯(cuò)處的原子具有較高的能量可視為反應(yīng)的活性中心,從而降低析氫過(guò)電位。（4）晶粒的細(xì)化使其硬度增加，貯氫合金的整體強(qiáng)度隨晶粒尺寸的增加而增強(qiáng)，這對(duì)于抗酸堿及抗循環(huán)充放粉化，以及抵抗充放電形成的氧壓對(duì)貯氫基體的沖擊大有裨益，并且顯著提高了貯氫合金耐腐蝕性。[1]2.4航空用鋁鋰合金1983年在巴黎國(guó)際航空博覽會(huì)上，世界上兩家最大的鋁合金生產(chǎn)企業(yè)——英國(guó)阿爾康鋁業(yè)公司和美國(guó)阿爾考鋁業(yè)公司，同時(shí)宣布研制成功新的革命性材料——鋁鋰合金。專家們認(rèn)為，鋁鋰合金是從1943年