結(jié)構(gòu)材料-金屬材料-新材料概論

結(jié)構(gòu)材料-金屬材料-新材料概論新材料概論第一章新型高性能結(jié)構(gòu)材料一、新型金屬材料二、新型合成高分子材料三、新型陶瓷材料四、新型復(fù)合材料34

高性能結(jié)構(gòu)材料是一類具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的材料。高性能結(jié)構(gòu)材料是在高新技術(shù)推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的一類新材料，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。

例如：發(fā)展現(xiàn)代航空航天技術(shù)，對(duì)動(dòng)力機(jī)械而言，工作溫度愈高、比強(qiáng)度和比剛度愈高，效率亦愈高，先進(jìn)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)要求渦輪前溫度和推重比不斷提高，正在向推重比15～20發(fā)展，高溫結(jié)構(gòu)材料技術(shù)是關(guān)鍵。什么是高性能結(jié)構(gòu)材料？5

有資料指出，飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)分別有2/3和1/2靠材料性能提高。對(duì)衛(wèi)星和飛船，減重1公斤能帶來(lái)極高的效益；汽車節(jié)油有37%靠材料輕量化，40%靠發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)。絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)（不冷卻）主要靠材料性能提高。航空方面的先進(jìn)復(fù)合材料、單晶合金、渦輪盤合金，航天方面的含能材料、熱防護(hù)材料、彈頭材料等不僅要先行，而且還要起到先導(dǎo)的作用。如果沒有優(yōu)質(zhì)的單晶合金、渦輪前溫度無(wú)法提高，高推比航空發(fā)動(dòng)機(jī)就難以實(shí)現(xiàn)。由此可見高性能結(jié)構(gòu)材料在航空航天技術(shù)中的基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性。因此，世界各先進(jìn)國(guó)家在制定國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展計(jì)劃時(shí)，高溫結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)被列為高性能結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目之一。

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發(fā)展新型高性能結(jié)構(gòu)材料將支撐交通運(yùn)輸、能源動(dòng)力、資源環(huán)境、電子信息、農(nóng)業(yè)和建筑、航天航空、國(guó)防軍工以及國(guó)家重大工程等領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展，對(duì)國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和國(guó)家安全的保障起著關(guān)鍵性的作用，同時(shí)還將促進(jìn)包括新材料產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的我國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展，帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)的改造和產(chǎn)品的升級(jí)換代，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，形成新的產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

一、新型金屬結(jié)構(gòu)材料7發(fā)展情況：

初期：鐵和鋼(鐵的合金)。

20世紀(jì)初：以硬鋁為首的鋁合金。

20世紀(jì)50年代：又出現(xiàn)只有鋼一半重、耐熱性比鋼好而強(qiáng)度不低于鋼的鈦合金。金屬材料優(yōu)點(diǎn):高韌性，延展性好，強(qiáng)度高，導(dǎo)電性好?，F(xiàn)在：主要仍是鋼、鋁合金、鈦合金，鎂合金；性能提高。發(fā)展：超高純度鐵、超高強(qiáng)度鋼、超高速鋼(用作刀具)、超硬合金、超塑性合金、超耐熱合金、超低溫材料等等。1.1超級(jí)鋼82012年全球粗鋼總產(chǎn)量為16.9億噸，中國(guó)大陸8.32億噸，占全球鋼產(chǎn)量的46.3%。高性能鋼鐵材料發(fā)展引起各國(guó)關(guān)注。

鋼鐵材料具有資源相對(duì)豐富、生產(chǎn)規(guī)模龐大、加工制造容易、性能多樣可靠、成本低廉穩(wěn)定、使用便利習(xí)慣和回收利用方便等特點(diǎn)，是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工業(yè)設(shè)備制造和人民日常生活中廣泛使用的材料。不斷地改進(jìn)鋼材質(zhì)量、降低成本、增強(qiáng)鋼鐵材料的競(jìng)爭(zhēng)能力。9新一代鋼鐵材料---超級(jí)鋼

超級(jí)鋼是20世紀(jì)90年代末為更好地利用鋼鐵材料在使用性能上的優(yōu)勢(shì)，并進(jìn)一步改進(jìn)傳統(tǒng)鋼鐵材料的一些不足，減少材料消耗，降低能耗而研制的新材料。其主要目的在于解決傳統(tǒng)鋼鐵材料在強(qiáng)度、壽命上的不足。10

超級(jí)鋼材料計(jì)劃又稱STX-21(StructuralMaterialsXfor21stcentury)即面向21世紀(jì)的結(jié)構(gòu)材料計(jì)劃。

它是日本政府確立的由科學(xué)技術(shù)廳金屬材料技術(shù)研究所從1997年4月開始研究的一個(gè)國(guó)家級(jí)課題。其目標(biāo)是將現(xiàn)有鋼材在成分基本不變的前提下實(shí)用強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)壽命提高到現(xiàn)有性能和壽命的2倍，并在2015年前實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

該課題的目標(biāo)是在生產(chǎn)成本基本不增加的前提下將現(xiàn)有的碳素鋼、低合金鋼結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度指標(biāo)提高一倍，即分別達(dá)到400MPa、800MPa、和1500MPa，并滿足韌度和各種使用性能的要求，追求超細(xì)晶技術(shù)、潔凈化技術(shù)和均勻技術(shù)的結(jié)合。11■潔凈化技術(shù)

各類高潔凈鋼是20世紀(jì)90年代的研究熱點(diǎn)。潔凈化的含義，一是最大限度地去除鋼中P、S、O、N、H（有時(shí)包括C）等雜質(zhì)元素的含量；二是嚴(yán)格控制鋼中夾雜物的數(shù)量、成分、尺寸、形態(tài)及分布。超級(jí)鋼12■高均勻性技術(shù)

高均勻性是指成分、組織和性能的高度均勻。已有試驗(yàn)表明，材料微區(qū)結(jié)構(gòu)越均勻，所對(duì)應(yīng)材料的抗沖擊性能越高?！龀?xì)晶技術(shù)

金屬材料的強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和晶粒細(xì)化強(qiáng)化等。在這些強(qiáng)化方式中，晶粒細(xì)化強(qiáng)化是唯一能夠同時(shí)提高強(qiáng)度和韌度的有效方法。與普通鋼比較有三個(gè)顯著結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①超級(jí)鋼的組織均勻化程度更高；②降低了結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)和缺陷數(shù)量，使材料純度更高；③細(xì)化材料的結(jié)構(gòu)使晶粒更小。超級(jí)鋼13超級(jí)鋼的應(yīng)用——汽車制造業(yè)一汽用超級(jí)鋼制造的卡車橫梁（如圖）超級(jí)鋼14超級(jí)鋼的應(yīng)用——建筑業(yè)低成本高強(qiáng)度的超級(jí)鋼筋建材將為建筑業(yè)提供有力的支撐！

目前的主要建筑用鋼為Q235和Q345(相當(dāng)于490MPa級(jí))。北京奧運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)—鳥巢和央視新大樓也大量使用了Q420和Q460等高強(qiáng)度鋼材。

廣州新電視塔全部采用高強(qiáng)鋼，總重5.5萬(wàn)噸，外筒大約3萬(wàn)噸，混凝土15萬(wàn)立方米，電視塔的總重量達(dá)到10萬(wàn)噸以上。“細(xì)腰”最小處直徑僅30多米，可抗8級(jí)地震。超級(jí)鋼15由于析出相具有極低的錯(cuò)配度及極小的尺寸，傳統(tǒng)鋼中用于強(qiáng)化的共格畸變被大幅度降低，但是，該析出相本身具有很高的反相疇界能，從而以有序化效應(yīng)為主導(dǎo)，阻礙位錯(cuò)切過(guò)并大幅度提高變形抗力。《自然》雜志2017年4月10日在線發(fā)表了這一研究成果?？估瓘?qiáng)度達(dá)到2200MPa1.2先進(jìn)鋁合金1616鋁合金材料工藝技術(shù)趨于成熟，高檔鋁材成為發(fā)展趨勢(shì)。鑄造鋁合金變形鋁合金

鋁的密度?。s2.7g/cm3

），熔點(diǎn)低（660℃），導(dǎo)電、導(dǎo)熱性優(yōu)良，無(wú)磁性。17

第二次世界大戰(zhàn)期間，鋁材主要用于制造軍用飛機(jī)。由于軍用航空材料的需要，抗拉強(qiáng)度超過(guò)500ＭＰa的Al-Zn-Mg-Cu合金發(fā)展起來(lái)，其中最著名的合金是7075。

戰(zhàn)后，鋁工業(yè)界便著手開發(fā)民用鋁合金。系列新合金（尤其是7000系），如7050、7010、7475和7055等研制成功。

鋁合金用量?jī)H次于鋼鐵，成為第二大金屬材料。目前，高強(qiáng)、高韌是鋁合金發(fā)展的主要方向。

■超高強(qiáng)鋁合金

具有很高的強(qiáng)度和韌性（屈服強(qiáng)度500MPa以上），是航空航天領(lǐng)域極具應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料。Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金。先進(jìn)鋁合金18■耐熱鋁合金

在高溫下有足夠的抗氧化性和在溫度和載荷（動(dòng)態(tài)和靜態(tài)）的長(zhǎng)時(shí)間作用下，具有抗塑性變形（蠕變）和破壞能力及導(dǎo)熱性好和密度低等特點(diǎn)。在兵器、船舶、航空、航天、汽車等行業(yè)上應(yīng)用。如發(fā)動(dòng)機(jī)活塞Al-Si-Cu-Mg-Ni。新型耐熱鋁合金是指在快速凝固技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的耐熱鋁合金。此類合金多以Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti為基，再適當(dāng)添加一些V、Mn、Nb、W、Zr、Mo、Ce等。先進(jìn)鋁合金19■鋁鋰合金——輕型結(jié)構(gòu)材料

以鋁為基添加鋰（一般為3wt％左右）及其它元素組成的合金稱作鋁鋰合金。特點(diǎn)：密度低、高強(qiáng)度、高模量以及高比強(qiáng)度和比剛度等。原因：鋰的密度為0.534gcm-3，是鋁的1/5，鋼的1/15。在鋁合金中增加少量鋰可使密度顯著降低。

主要系列：Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、Al-Mg-Li系。用途：輕合金中用途最廣泛。民航機(jī)上改用鋁鋰合金，飛機(jī)重量可以減輕8％～16％。先進(jìn)鋁合金20鋁合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用鋁合金在目前的民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量約為70～80％，在軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量約為40～60％。在最新型的B777客機(jī)上，鋁合金占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的70％。一些最新型的軍用飛機(jī)（F22，B2）結(jié)構(gòu)上大量應(yīng)用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料和鈦合金，鋁合金用量已降到20％以下。先進(jìn)鋁合金在A380上的應(yīng)用

在A380上廣泛使用了鋁合金，其結(jié)構(gòu)重量百分比達(dá)到60%，與復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了諧調(diào)共存。A380上應(yīng)用了一些傳統(tǒng)鋁合金，但也引入一些新合金及新結(jié)構(gòu)。先進(jìn)鋁合金21先進(jìn)鋁合金先進(jìn)鋁合金221.3先進(jìn)鈦合金

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鈦的密度4.51g/cm3

，熔點(diǎn)高（1688℃），密排六方或體心晶格，純鈦的強(qiáng)度低，比強(qiáng)度高（高于鋁、鋼），塑性好，易于加工，耐腐蝕性好；鈦的導(dǎo)熱性差（適合高溫下工作），磨擦系數(shù)大，因而切削、磨削加工性能和耐磨性能差。純鈦在固態(tài)下有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：●在882.5℃以下為

-Ti，具有密排六方晶格；●在882.5℃以上直至熔點(diǎn)為β-Ti，具有體心立方晶格?！窦?，溫度使材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。鈦是宇航、國(guó)防工業(yè)關(guān)鍵的支撐材料之一。

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飛機(jī)和導(dǎo)彈的速度已增加到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)音速，某些采用鋁合金的部件已不能滿足其耐熱性的要求，所以采用新材料，尤其是鈦及其合金來(lái)代替。鈦密度小，具有高的熱強(qiáng)性和持久強(qiáng)度，對(duì)在振動(dòng)載荷及沖擊載荷作用下裂紋擴(kuò)展的敏感性低，并且有良好的耐蝕性。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)及殼體結(jié)構(gòu)中優(yōu)先采用了高強(qiáng)度的鈦及鈦合金。

美國(guó)的高空超音速偵察機(jī)SR-71是應(yīng)用例證,20世紀(jì)60年代生產(chǎn)的SR-71用鈦量達(dá)機(jī)體質(zhì)量的93%,而且首次采用了β鈦合金。

先進(jìn)鈦合金25F119發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)鈦合金J20戰(zhàn)斗機(jī)F15大框架26工業(yè)用純鈦由于其比強(qiáng)度高、耐熱性好、抗腐蝕性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，是航空、船舶、化工等工業(yè)中常用的一種

-Ti合金，其板材和棒材可以制造350℃及以下工作的零件，如飛機(jī)蒙皮、隔熱板、熱交換器等?！葟?qiáng)度：材料拉伸強(qiáng)度與其表觀密度之比，是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的重要指標(biāo)。先進(jìn)鈦合金鈦棒材海綿鈦27■工業(yè)用鈦合金

在純鈦中加入Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V等合金元素形成鈦合金。工業(yè)用鈦合金按其退火組織可分為：α、β和α+β三大類，分別稱之為

鈦合金、β鈦合金和

+β鈦合金。①

相穩(wěn)定元素:擴(kuò)大

相區(qū)，使

→β轉(zhuǎn)變的溫度升高的元素；②β相穩(wěn)定元素:擴(kuò)大β相區(qū)，使β→

轉(zhuǎn)變的溫度降低的元素，又將其細(xì)分為β同晶型元素和β共析型元素；③中性元素:對(duì)相變溫度影響不大的元素。

鈦合金具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度隨加入的合金元素的性質(zhì)和含量而定。加入的合金元素通常按其對(duì)鈦同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度的影響分成三類：先進(jìn)鈦合金28（1）鈦合金

主要加入元素是Al，其次是中性元素Sn和Zr，起固溶強(qiáng)化作用。在退火狀態(tài)下的室溫組織是單相

固溶體。

型鈦合金的牌號(hào)與工業(yè)純鈦相同，均劃入TA系列。

型鈦合金不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，熱處理對(duì)于它們只是為了消除應(yīng)力或消除加工硬化。

（2）+β鈦合金

退火組織為α+β，以TC加順序號(hào)表示其合金的牌號(hào)。組織以

相為主，β相的數(shù)量通常不超過(guò)30%。合金可通過(guò)淬火及時(shí)效進(jìn)行強(qiáng)化，多在退火狀態(tài)下使用。

+β型鈦合金的室溫強(qiáng)度和塑性高于α型鈦合金，生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，通過(guò)改變成分和選擇熱處理制度又能在很寬的范圍內(nèi)改變合金的性能，應(yīng)用比較廣泛，尤以TC4用途最廣、用量最多。

先進(jìn)鈦合金29（3）β鈦合金

以TB加順序號(hào)表示其合金的牌號(hào)。合金加入了大量的多組元β相穩(wěn)定元素，同時(shí)還加入

相穩(wěn)定元素Al。應(yīng)用的β型鈦合金主要為亞穩(wěn)定的β鈦合金，退火狀態(tài)為

+β兩相組織，將其加熱到β單相區(qū)后淬火，因

相來(lái)不及析出而得到過(guò)飽和的β相，稱為亞穩(wěn)β相。①該類合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通過(guò)時(shí)效處理，使強(qiáng)度提高；②該類合金的淬透性高；③化學(xué)成分偏析嚴(yán)重，這種類型的合金只有兩個(gè)牌號(hào)，實(shí)際獲得應(yīng)用的僅有TB2一種。先進(jìn)鈦合金30★

型鈦合金性能及應(yīng)用性能：室溫強(qiáng)度低，高溫強(qiáng)度高；具有良好的抗氧化性、焊接性和耐蝕性，不可熱處理強(qiáng)化，退火態(tài)使用；牌號(hào)：TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等，常用的有TA5、TA7等，以TA7最常用。TA7還具有優(yōu)良的低溫性能；用途：用于制造500℃以下溫度工作的火箭、飛船的低溫高壓容器，航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片和管道、導(dǎo)彈燃料缸等。TA5主要用于制造船艦零件。先進(jìn)鈦合金31★

型鈦合金性能及應(yīng)用牌號(hào)：有TB1、TB2兩個(gè)，可熱處理強(qiáng)化，實(shí)際應(yīng)用的為TB2。性能：合金的強(qiáng)度高、焊接性好。熱穩(wěn)定性差。用途：用于制造350℃以下溫度工作的飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、彈簧、緊固件等。

先進(jìn)鈦合金32★

型鈦合金性能及應(yīng)用性能：具有

型和β型鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，但焊接性能不如

型鈦合金，可通過(guò)熱處理來(lái)強(qiáng)化。牌號(hào)：TC1~TC11，常用的有TC3、TC4、TC6、TC10等，以TC4（Ti-6Al-4V）最常用。用途：制造400℃以下工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件，船艦?zāi)蛪簹んw等。TC10是在TC4基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有更高的強(qiáng)度和耐熱性。高溫鈦合金：典型牌號(hào)TC4，成分為Ti-6Al-4V先進(jìn)鈦合金33◆我國(guó)鈦合金的牌號(hào)、成分及性能先進(jìn)鈦合金34●美國(guó)：B120VCA（Ti-13V-11Cr-3Al）20世紀(jì)50年代研制；

Ti1023（Ti-10V-2Fe-3Al）；

Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)

1000MPa以上；

β21S（）●日本：SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）●俄羅斯：BT-22（Ti-5V-5Mo-1Cr-5Al）◆國(guó)外高強(qiáng)高韌鈦合金的牌號(hào)先進(jìn)鈦合金35◆鈦合金新進(jìn)展

近年來(lái)，各國(guó)正在開發(fā)低成本和高性能的新型鈦合金，努力使鈦合金進(jìn)入具有巨大市場(chǎng)潛力的民用工業(yè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外鈦合金材料的研究新進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾方面。（1）高溫鈦合金

第一個(gè)研制成功的高溫鈦合金是Ti-6Al-4V，使用溫度為300～350℃。隨后相繼研制出使用溫度達(dá)400℃的IMI550、BT3-1等合金，以及使用溫度為450～500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。目前已成功地應(yīng)用在軍用和民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的新型高溫鈦合金有：英國(guó)的IMI829、IMI834合金，美國(guó)的Ti-1100合金，俄羅斯的BT18Y、BT36合金等。

先進(jìn)鈦合金36部分國(guó)家新型高溫鈦合金的最高使用溫度

先進(jìn)鈦合金37（2）鈦鋁化合物為基的鈦合金

與一般鈦合金相比，鈦鋁化合物為基的Ti3Al（

2）和TiAl（

）金屬間化合物的最大優(yōu)點(diǎn)是：高溫性能好（最高使用溫度分別為816和982℃），抗氧化能力強(qiáng)，抗蠕變性能好和輕質(zhì)（密度僅為鎳基合金的1/2)。目前，已有兩個(gè)Ti3Al為基的鈦合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-0.5Mo在美國(guó)開始批量生產(chǎn)。其他近年來(lái)發(fā)展的Ti3Al為基的鈦合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等。

TiAl（γ）為基的鈦合金受關(guān)注的成分范圍為Ti-（46～52）Al-（1～10）M（Ｍ為V,Cr,Mn,Nb,Mn,Mo和Ｗ中的至少一種元素）。最近，TiAl3為基的鈦合金開始引起注意，如Ti-65Al-10Ni合金。

先進(jìn)鈦合金38（3）高強(qiáng)高韌β型鈦合金

β型鈦合金最早是20世紀(jì)50年代中期由美國(guó)Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13v-11Cr-3Al）。新型高強(qiáng)高韌β型鈦合金最具代表性的有以下幾種:?Ti1023（Ti-10v-2Fe），該合金具有優(yōu)異的鍛造性能；?Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），該合金冷加工性能比工業(yè)純鈦還好，時(shí)效后的室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上；?β21S（），該合金是由美國(guó)鈦金屬公司Timet分部研制的一種新型抗氧化、超高強(qiáng)鈦合金，具有良好的抗氧化性能，冷熱加工性能優(yōu)良，可制成厚度為0.064mm的箔材；?日本鋼管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）鈦合金，該合金強(qiáng)度高，超塑性延伸率高達(dá)2000％，且超塑成形溫度比Ti-6Al-4V低140℃，可制造各種航空航天構(gòu)件；?俄羅斯研制的BT-22（Ti-5V-5Mo-1Cr-5Al），抗拉強(qiáng)度>1105MPa。

先進(jìn)鈦合金39（４）阻燃鈦合金

常規(guī)鈦合金在特定條件下有燃燒的傾向，這在很大程度上限制了其應(yīng)用。針對(duì)這種情況，各國(guó)都展開了對(duì)阻燃鈦合金的研究并取得一定突破。美國(guó)研制出的AlloyC（也稱為Ti-1720），名義成分為50Ti-35V-15Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），是一種對(duì)持續(xù)燃燒不敏感的阻燃鈦合金，己用于F119發(fā)動(dòng)機(jī)。BTT-1和BTT-3為俄羅斯研制的阻燃鈦合金，均為Ti-Cu-Al系合金，具有相當(dāng)好的熱變形工藝性能，可用其制成復(fù)雜的零件。先進(jìn)鈦合金40

輕質(zhì)高性能鎂合金因具有系列優(yōu)良性能和資源優(yōu)勢(shì)而被稱為“21世紀(jì)新興綠色工程材料”，也是工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家大力發(fā)展的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。1.4先進(jìn)鎂合金

Mg，原子序數(shù)12，相對(duì)密度1.7441鎂鋁鋅（AZ）

330MPa，強(qiáng)度較高，能夠熱處理強(qiáng)化且具有良好的鑄造性能。合金系的耐蝕性較差，屈服強(qiáng)度和耐熱性較低。添加微量稀土元素可以改善鑄造、加工性能。

鎂鋅鋯（ZK）

420MPa，鎂合金中強(qiáng)度最高的合金系，最有代表性—ZK60。強(qiáng)度、塑性、韌性都好的高強(qiáng)度鎂合金。鑄造性能沒有鎂鋁鋅系合金好，偏析嚴(yán)重。

高強(qiáng)度鎂合金42Mg-Al系耐熱鎂合金

Mg-Al耐熱鎂合金主要包括AZ(Mg2Al2Zn)系和AM(Mg2Al2Mn)系，為鑄造耐熱鎂合金。

Mg-RE系耐熱鎂合金

開始應(yīng)用的耐熱變形鎂-稀土系合金有：Mg-Mn-Ce系，Mg-Mn-Nd系，Mg-Y-Zn-Zr和Mg-Zn-Nd系。

鎂釷系合金

以釷做主要元素的鎂合金，生產(chǎn)在300－400℃的高溫中工作的結(jié)構(gòu)材料。耐熱鎂合金

有些鎂合金零件要求在較高的溫度下工作而不發(fā)生時(shí)效。鑄造合金零件要求在150溫度下強(qiáng)度大于150MPa；變形鎂合金零件要求在200-300℃，持久強(qiáng)度為50-100MPa的耐熱鎂合金。

43阻尼鎂合金晶體材料的阻尼機(jī)制可分為四類：熱彈性阻尼、磁阻尼、粘性阻尼和缺陷阻尼振動(dòng)和噪聲——三大公害之一

減小振動(dòng)，降低噪聲——采用高阻尼合金

純鎂及其合金阻尼性能主要來(lái)源于位錯(cuò)，屬于缺陷阻尼鎂合金44

阻尼，又稱內(nèi)耗。指材料在振動(dòng)中由于內(nèi)部原因引起機(jī)械振動(dòng)能消耗的現(xiàn)象，這種能量消耗通常指材料將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散于材料和環(huán)境中。

Mg-Zr系阻尼鎂合金

●主要用于航空、航天、國(guó)防等尖端領(lǐng)域?！馣1-A（含Zr量為0.6％）——優(yōu)異的阻尼性能、良好的鑄造性能、細(xì)小的晶粒度、高的液態(tài)流動(dòng)性和塑性、高的抗腐蝕性能和良好的焊接性。Mg-Ni系阻尼鎂合金

●要保證阻尼性能往往要犧牲其耐蝕性。

Mg-Cu系阻尼鎂合金●當(dāng)Cu含量增加至3.0%時(shí)，Mg-Cu合金的阻尼性能隨Cu含量的增加而緩慢降低。但當(dāng)Cu含量超過(guò)3.0%時(shí)內(nèi)耗迅速降低，而強(qiáng)度卻增大。

鎂合金45鎂合金46鎂合金的發(fā)展趨勢(shì)鎂合金47鎂合金鎂合金的發(fā)展趨勢(shì)48鎂合金1.5高溫合金49◆高溫合金的定義

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料。

◆性能特點(diǎn)：⑴高溫合金具有較高的高溫強(qiáng)度；⑵良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能；⑶良好的疲勞性能、斷裂韌性、塑性。◆組織特點(diǎn)：高溫合金為單一（奧氏體）基體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用的可靠性。1.高溫合金概述501929年：英美Meriea、Bedford和Pilling將少量的Ti和Al加入到80Ni-20Cr電工合金，蠕變顯著強(qiáng)化。1937年：德Hansvonohain渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)Heinkel問(wèn)世。1939年：英研制出Whittle渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。1939年：英Mond鎳公司(國(guó)際鎳公司)研制出鎳基合金Nimonic75，準(zhǔn)備用作Whittle發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，后為Nimonic80取代，其含鋁、鈦，蠕變性能比Nimonic75高50℃。1942年：Nimonic80用作渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片，成為最早的Ni3(A1，Ti)強(qiáng)化的渦輪葉片材料。此后，該公司在合金中加入硼、鋯、鈷、鉬等合金元素，相繼開發(fā)了Nimonic80A、Nimonic90等合金，形成Nimonic合金系列。

◆國(guó)外高溫合金發(fā)展?fàn)顩r高溫合金511932年：美國(guó)Halliwell開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強(qiáng)化型鎳基合金K42B，用以制造活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓渦輪。1941年：美國(guó)開始發(fā)展航空燃?xì)鉁u輪。1942年：HastelloyB鎳基合金用于GE公司的Bellp-59噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)及其后的I-40噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。1944年：西屋公司的YanKee19A發(fā)動(dòng)機(jī)采用鈷基合金HS23精密鑄造葉片。1950年美國(guó)出兵朝鮮，由于鈷的資源短缺，鎳基合金得到發(fā)展并被廣泛用作渦輪葉片。美國(guó)的PW公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出了Waspalloy、M-252和Udmit500等合金。并在這些合金發(fā)展基礎(chǔ)上，形成了Inconel、Mar-M和Udmit等牌號(hào)系列。

高溫合金52二十世紀(jì)40年代～50年代中期：通過(guò)合金成分的調(diào)整來(lái)提高合金的性能。二十世紀(jì)40年代：出現(xiàn)了真空熔煉技術(shù)，去除合金中有害雜質(zhì)和氣體，精確控制合金成分，如Mar-M200、In100和B1900等高性能的鑄造高溫合金。二十世紀(jì)60年代：定向凝固、單晶合金、粉末冶金、機(jī)械合金化、陶瓷過(guò)濾、等溫鍛造等新型工藝的研究開發(fā)。其中定向凝固工藝所起的作用尤為重要，采用定向凝固工藝制出的單晶合金，其使用溫度接近合金熔點(diǎn)的90％，至今，各國(guó)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)不采用單晶高溫合金渦輪葉片。

制造工藝對(duì)高溫合金的發(fā)展起著極大的推進(jìn)作用。高溫合金531956年：正式開始研制生產(chǎn)高溫合金，第一種高溫合金是GH3030，用作WP－5火焰筒（殲-5），由撫順鋼廠、鞍山鋼鐵公司、冶金部鋼鐵研究總院、航空材料研究所和410廠共同試制1957年：通過(guò)長(zhǎng)期試車后投入生產(chǎn)。57年底：繼GH3030合金之后，WP－5發(fā)動(dòng)機(jī)用的GH4033(DH437B)、K412合金相繼試制成功。60年代初：先后研制成功GH4037、GH3039、GH3044、GH4049、GH3128、K417等高溫合金。70年代初：高溫合金的生產(chǎn)試制和研究已初具規(guī)模，通過(guò)仿制、消化和發(fā)展蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金及其工藝，質(zhì)量達(dá)到或超過(guò)蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)物水平。◆我國(guó)高溫合金發(fā)展歷程高溫合金54

我國(guó)資源缺鎳少鈷，鐵基高溫合金的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用成為六七十年代的主線。至70年代初，研制生產(chǎn)的鐵基高溫合金牌號(hào)達(dá)33個(gè)，其中我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的達(dá)18種之多。大量應(yīng)用至今的有GHll40、GH2135、GH35A和K213等4種合金。70年代后：引進(jìn)歐美發(fā)動(dòng)機(jī)WS-8、WS-9、WZ-6、WZ-8，并研制生產(chǎn)WP－13等發(fā)動(dòng)機(jī)，引進(jìn)和試制了一批歐美體系的高溫合金，使我國(guó)高溫合金生產(chǎn)水平接近西方工業(yè)國(guó)家的水平。自行研究和開發(fā)了一批新的鎳基合金，如GH4133、GH4133B、GH3128、GHl70、K405、K423A、K419等。高溫合金5540多年來(lái)：研究、試制和生產(chǎn)了100多種高溫合金，總計(jì)產(chǎn)量達(dá)6萬(wàn)t左右。生產(chǎn)高溫合金的裝備：大型真空感應(yīng)爐、不同容量的電渣爐、1～7t大型真空電弧爐、200kg真空電子束爐以及大型快鍛、精鍛機(jī)、擠壓機(jī)、水壓機(jī)等設(shè)備。國(guó)際公認(rèn)的工藝技術(shù)：低偏析新技術(shù)和加鎂微合金化技術(shù)。通過(guò)低偏析技術(shù)，控制雜質(zhì)元素磷、硫、硅等的低含量，創(chuàng)制了一系列低偏析合金，其承溫能力比原型合金高20℃～25℃。在國(guó)外加Mg凈化材質(zhì)和改善熱加工性能基礎(chǔ)上，我國(guó)七八十年代進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Mg的偏聚晶界、改變晶界行為可顯著提高合金的持久強(qiáng)度和塑性等性能。

1964年開始，高溫合金應(yīng)用于民用工業(yè)部門，如柴油機(jī)增壓渦輪、地面燃?xì)廨啓C(jī)、煙氣輪機(jī)、核反應(yīng)堆燃料空位格架等。在民用工業(yè)的推廣應(yīng)用中，除傳統(tǒng)的高溫高強(qiáng)度的高溫合金外，還相繼開發(fā)出一批高溫耐磨和高溫耐蝕的高溫合金。

高溫合金562.高溫合金的分類和牌號(hào)●按基體分類：

鐵基:（含25~60%Ni，又稱鐵鎳基）最高使用溫度800℃

鎳基:(Ni-Al-Cr-Co-W-Mo-Nb-Ta-C-B-Zr-Ce-Y-Hf-Re-Ru)最高使用溫度1150℃

鈷基:（Co-Cr-W-Mo-Nb-Al-Ti-C)最高使用溫度1100℃

IMC基合金（Ni3Al、NiAl、高Nb-TiAl)

鉻基合金（特殊情況下使用）（1）高溫合金的分類高溫合金因合金化程度很高，在英美稱之超合金（superalloy）。

57●按強(qiáng)化機(jī)制分類：

固溶強(qiáng)化型

時(shí)效沉淀強(qiáng)化型

彌散強(qiáng)化型

復(fù)合強(qiáng)化型●按成型方式分類

:

變形合金：鑄錠→熱變形（鍛、軋）→熱處理（固溶時(shí)效）

鑄造合金：鑄錠→重熔成零件→熱處理（固溶時(shí)效）細(xì)分：普通鑄造（CC）；定向凝固(DS)；單晶(SX)

粉末冶金高溫合金：鑄錠→制粉→壓實(shí)→熱變形→熱處理高溫合金58（2）高溫合金的牌號(hào)●美國(guó):Inconel系，IN，Mar-M，Udimet，CMSX，Rene，PWA等●英國(guó):Nimomic，PE，PK，RR●法國(guó):AM，MC●俄羅斯：Зи，ЗП，жC等●中國(guó)：變形合金：GH（>50）鑄造合金：CC：K

（28）

DS：DZ（~10）

SX：DD

粉末合金：FGH（95，96）

高溫合金59高溫合金牌號(hào)：漢語(yǔ)拼音字母＋成形方式＋強(qiáng)化類型與基體組元變形高溫合金：“GH＋4位阿拉伯?dāng)?shù)字”

“G”、“H”分別為“高”、“合”漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母“GH”后的第一位數(shù)字為分類號(hào)：

l和2——鐵基或鐵鎳基高溫合金

3和4——鎳基合金

5和6——鈷基合金

1、3和5——固溶強(qiáng)化型

2、4和6——時(shí)效沉淀強(qiáng)化型“GH”后的第2、3、4位數(shù)字則表示合金的編號(hào)。如：GH4169。時(shí)效沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，編號(hào)169鑄造高溫合金：“K＋3位阿拉伯?dāng)?shù)字”。

“K”后第1位數(shù)字表示分類號(hào)，其含義與變形合金相同

2、3位數(shù)字——合金編號(hào)。如：K418。時(shí)效沉淀強(qiáng)化型鎳基鑄造高溫合金，編號(hào)18高溫合金60粉末高溫合金：“FGH”后跟阿拉伯?dāng)?shù)字表示焊接用的高溫合金絲：“HGH”后跟阿拉伯?dāng)?shù)字

MGH——機(jī)械合金化粉末高溫合金

DK——定向凝固高溫合金

DD——單晶鑄造高溫合金70年代以前，我國(guó)高溫合金牌號(hào)簡(jiǎn)單，變形高溫合金只有3位數(shù)字編號(hào)，鑄造高溫合金只有2位數(shù)字編號(hào)，即省略了前綴后的表示基體類別和強(qiáng)化型類別的第一位數(shù)字，如“K17”，即現(xiàn)在的“K417”，“GH39”即為現(xiàn)在的“GH3039”高溫合金613.高溫合金的強(qiáng)化

鎳基高溫合金應(yīng)用廣泛，鐵基高溫合金和鈷基高溫合金也有一定的應(yīng)用。所有高溫合金都含有多種合金元素，有時(shí)多達(dá)幾十種。這些合金元素將產(chǎn)生合金強(qiáng)化。

合金強(qiáng)化：加入的多種合金元素與基體元素(鎳、鐵或鈷)產(chǎn)生作用，從而產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)。

固溶強(qiáng)化第二相強(qiáng)化(沉淀析出強(qiáng)化和彌散相強(qiáng)化)

晶界強(qiáng)化工藝強(qiáng)化：采用新工藝，或者改善冶煉、凝固結(jié)晶、熱加工、熱處理及表面處理等環(huán)節(jié)從而改善合金組織