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1、Chapter 4 Metallic Materials,第四章 金属材料,4.2 形状记忆合金（SMA） Shape Memory Alloy,形状记忆材料是指具有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、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料； 形状记忆合金是形状记忆材料中的一种,形状记忆材料包括合金，复合材料及有机高分子材料。,4.2.1 形状记忆合金特征,材料在较低温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某数值，材料会自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状保持记忆。 合金材料恢复形状所需的刺激源通常为热源，故也称为热致形状
2、记忆合金。,4.2.2 形状记忆合金的记忆特点,一次记忆（单程）： 材科加热恢复原形状后，再改变温度，物体不再改变形状。 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，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。 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。,单程、双程及全程记忆效应示意图,4.2.3 形状记忆合金材料,Ti-Ni系合金 铜系合金：eg: Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Au-Cu-Zn 铁系合金：eg: Fe-Pt, Fe-Mn-Si
3、 特点 弯曲量大，塑性高 在记忆温度以上恢复以前形状,目前性能最佳的形状记忆合金,进入实用阶段,4.2.4 形状记忆合金的应用,月面天线略图,（1）在军事和航天工业方面的应用,（2）在工程方面的应用,形状记忆合金管接口,Advantages,形状记忆合金作紧固件、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生的冶金缺陷；, 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一体；, 安装时不需要熟练的技术。,（3）在医疗方面的应用,记忆型NiTi牙弓丝,Examples,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,Examples,镍钛诺尔热机
4、的结构,J,（4）形状记忆式热发动机,自控元件原理,（5）其它应用,4.4 SMA,双程CuZnAl记忆合金弹簧,4.4 SMA,双程CuZnAl记忆合金花,Examples,TiNi 记忆合金眼镜架,超弹性 耐腐蚀性 重量轻,4.3.1 超耐热合金定义 能在7001200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，且能满意工作的金属材料通称超耐热合金。,4.3 超耐热合金,一般说，金属的熔点越高，其可使用的温度限度越高。 高熔点材料就一定是超耐热材料吗？,对高温材料的要求,1. 必要条件：高熔点 2. 在高温下有优良的抗腐蚀性 3. 在高温下有较高的强度和韧性,耐热合金：副族元素
5、和第族元素形成的合金,Example,航空燃起轮机中使用的高温合金示意图,1压气机叶片 2燃烧室 3涡轮盘 4涡轮叶片,主要部件占发动机重量70由超耐热合金构成 燃烧室、涡轮盘和涡轮叶片用耐高温的Ni-Co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Cr-Co-W基耐高温合金,铁基超耐热合金 基于奥氏体不锈钢，含一定量的铬，镍等元素 中温（600800）条件下使用，抗氧化性较差，高温强度不足 镍基超耐热合金： 应用最广 镍含量一般50% 在6501000范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力 钴基超耐热合金: 受限于钴资源的短缺 含钴量4065的奥氏体高温合金 在7301
6、100下 ，具有一定的高温 强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。,4.3.2 超耐热合金的分类,4.4.1 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,低温,沸点,4.4 超低温合金,1. 防止低温脆性 2. 需要具备低温下的热性能 低温合金膨胀系数尽可能小 3. 必须是非磁性合金 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磁力的作用而造成对磁场的不良影响,超低温材料的要求,4.4.2 超低温合金的研究,高锰奥氏体钢专门开发的超低温合金。 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 缺点：机械加工性不佳，耐冲击性也较差。 铁锰铝新合金钢把铁镍
7、铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝取代而制得 低温下强度、韧性都十分优异 常温下良好的加工性。,4.5 超塑性合金 Superplastic alloy,3.4.1 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。,28,超塑性的概念,一般说来，如果材料的延伸率超过100，就可称为超塑性。凡具有能超过100延伸率的材料，则称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之延伸率最大可超过1000，有的甚至可达2000,29,纳米铜的室温超塑性,30,在不同温度下ZnAl22的拉伸变形(250时延伸率 ),31,Bi-44Sn挤压材料在慢
8、速拉伸下出现异常大的延伸率（ ）,4.5.2 超塑性合金类别,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，不适宜做结构材料，用于不需切削的简单零件 铝基合金：综合力学性能较差，室温脆性大 镍基合金 超塑性钢 钛基合金,4.5.2 实用超塑性合金,1、锌合金：是最早的超塑性合金，其蠕变强度低，难于加工成板材，冲压加工性能差，不宜作结构材料.,用于一般不需切削的简单零件。如 Zn-22Al 的成型温度为 250 -270，压力为0.39-1.37 MPa。,Zn-22Al合金的超塑性拉伸试样,2、铝合金：超塑性铝合金可加工成复杂形状部件，强度可达686 MPa，使用温度可
9、达150。如Al-6Cu-0.42Zr、Al-5Ca-5Zn等超塑性温度为300-600，在310-2/秒的应变速率下可达408%变形率。,3、镍合金：镍基高温合金由于高温强度高，难以锻造成型。利用超塑性作精密锻造，锻造压力小，节约材料和加工费，制品均匀性好。,与叶片一体的涡轮盘的超塑性成型(快速凝固粉末的热挤压坯料两步成型),4、超塑性钢: 将超塑性用于钢方面，还未完全达到商品化程度。近年来研究的IN-744Y超塑性不锈钢，具有铁素体和奥氏体两相细晶组织，如果把含碳量控制在0.03%, 可产生几倍的伸长率。碳素钢的超塑性基础研究正在进行, 其中含碳1.25%的碳钢在650-700的加工温度下
10、, 取得400%的伸长率。,超高碳钢的超塑性变形（变形量1100%）,5、超塑性钛合金：以Ti-6Al-4V为代表，其伸长率可达2000%。,高变形能力的应用 超塑性加工可制备复杂零件，成型零件尺寸精度高。 缺点是加工速度慢，效率低 固相粘结能力的应用 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、包复材料和制造各种复合材料，获得多种优良性能的材料 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质，因此可将超塑性合金直接制成零件以满足不同温度下的减振需要。,4.5.3 超塑性合金的应用,超塑性成形
11、实例,国外SPF/DB制品,F-15E机身在SPF/DB前后的比较,SPF/DB Provided Part Reduction 726 Part Details Eliminated 10,000 Fewer Fastners,氢能： - 除核燃料外发热值最高的，是汽油的3倍，焦炭的4.5倍 - 燃烧产物最干净 - 来源丰富，若能从水中制取氢，取之不尽用之不竭。,4.6 储氢合金 hydrogen storage alloys,氢能使用的问题： 储存和运输。储氢技术室氢能利用走上实用化，规模化的关键。 传统储氢方法： - 高压钢瓶(氢气瓶）。缺点：储存氢气容积小，还有爆炸危险 - 储存液态氢
12、，将气态氢降到-253C。缺点：储存箱体积庞大，需要极好的绝热装置。,氢气储存与储氢合金 储氢合金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,4.6 储氢合金 hydrogen storage alloys,储氢合金的单位体积储氢密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍,一个金属原子能与两个、三个甚至更多的氢原子结合，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。,4.6.2 储氢原理,合金的吸氢反应机理,H2传质 化学吸附氢的解离 H22Had 表面迁移 吸附的氢转化为吸收氢 Had Habs 氢在相的稀
13、固溶体中扩散 相转变为氢化物（相） Habs() Habs() 氢在相中扩散。,氢原子在合金晶格中形成固溶体,储氢合金种类,稀土系储氢合金：最好的储氢合金，应用最为广泛。 最典型的LaNi5。 钛系储氢合金：具有储氢容量高，循环寿命长等优点，是目前研究开发热点。eg: TiMn, TiCr, TiFe 镁系储氢合金：密度小，储氢容量高，价格低廉。 eg: Mg2Ni,贮氢容器,重量轻、体积小氢以金属氢化物形式存在于贮氢合金之中，密度比相同湿度、压力条件下的气态氢大1000倍； 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，安全性能好，无爆炸危险,Applicati
14、on 贮氢容器,贮氢合金制作的 贮氢装置,Example,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,中国首座为燃料电池汽车服务的加氢站是上海安亭国际汽车城。 安亭加氢站主要为使用燃料电池的轿车和公交车提供压缩氢气。氢燃料电池车的尾气排放几乎为零，能显著改善城市空气质量。,4.7 非晶态金属材料 （金属玻璃）,非晶态是指原子呈长程无序的状态。具有非晶态结构的合金称为非晶态合金，非晶态合金又称金属玻璃 被称为“魔鬼金属”,Performance & use,4.7.2 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,用途： 非晶态合金的高强度、高硬度和高韧性可以被利用制
15、做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。,（2）高导磁、低铁损的软磁性能 易于磁化；磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗小，是理想的软磁材料（在外磁场作用下容易被磁化） 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。,用途： 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、磁屏蔽材料、磁致伸缩材料等。,软磁材料 硬磁材料,（3）耐强酸、强碱腐蚀的化学特性 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 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。,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。 用途： 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,非晶态合金的主要特性和应用,
