高性能结构材料课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/11/8,#,1,第,2,章 高性能结构材料,2.2,新型金属结构材料,2.3,新型无机非金属结构材料,2.4,新型高分子材料,2.1,高性能结构材料概述,1第2章 高性能结构材料2.2 新型金属结构材料2.3,2,2.1,高性能结构材料概述,结构材料是社会生活和国民经济建设的重要的物质基础。,金属,、,陶瓷,和,高分子,材料长期以来是,三大传统的工程结构材料,。随着工业化的迅速推进，对工程结构材料的性能提出了越来越高的要求，也推动了发展新一代,高性能结构材料,。,对应,-,功能材料,22.1 高性能结构材料概述 结构材料是社会,3,材料原因导致的灾难,1912,年,泰坦尼克,号沉没原因：钢材含硫高，脆性断裂,。,1986,年,挑战者号,，升空,72,秒爆炸。费曼调查：火箭助推器某处,O,型密封圈在摄氏,10,度以下失去弹性，造成液氢泄漏。,3材料原因导致的灾难1912年泰坦尼克号沉没原因：钢材含,4,“,哥伦比亚”号航天飞机,事故调查委员会公布的调查报告称，外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的名为“增强碳碳”（即增强碳,-,碳隔热板）的材料。当航天飞机返回时，经过大气层，产生剧烈摩擦使温度高达摄氏,1400,度的空气在冲入左机翼后融化了内部结构，致使机翼和机体融化，导致了悲剧的发生。,1981,年,4,月,12,日首次发射，,2003,年,2,月,1,日在,得克萨斯州,北部上空解体坠毁，,7,名,宇航员,全部遇难。,4 “哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会公布的调查报告称,5,高性能结构材料,是一类具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料。,高性能结构材料是在,高新技术,推动下发展起来的一类新材料，是国民经济现代化的物质基础之一。,例如：发展现代航空航天技术，对动力机械而言，工作温度愈高、比强度和比刚度愈高，效率亦愈高，先进军用发动机的发展趋势要求涡轮前温度和推重比不断提高，正在向推重比,15,20,发展，,高温结构材料技术,是关键。,什么是高性能结构材料？,5 高性能结构材料是一类具有高比强度、高比刚度、,6,有资料指出，飞机及发动机性能的改进分别有,2/3,和,1/2,靠材料性能提高。对卫星和飞船，减重,1,公斤能带来极高的效益；汽车节油有,37%,靠材料轻量化，,40%,靠发动机改进。绝热发动机（不冷却）主要靠材料性能提高。航空方面的先进复合材料、单晶合金、涡轮盘合金，航天方面的含能材料、热防护材料、弹头材料等不仅要先行，而且还要起到先导的作用。如果没有优质的单晶合金、涡轮前温度无法提高，高推比航空发动机就难以实现。由此可见高性能结构材料在航空航天技术中的基础性和先导性。,因此，世界各先进国家在制定国家关键技术发展计划时，高温结构材料与技术被列为高性能结构材料领域的重点发展项目之一。,6 有资料指出，飞机及发动机性能的改进分别有2/,7,发展新型高性能结构材料将支撑,交通运输,、,能源动力,、,资源环境,、,电子信息,、,农业和建筑,、,航天航空,、,国防军工,以及,国家重大工程,等领域可持续发展，对国家支柱产业的发展和国家安全的保障起着关键性的作用，同时还将促进包括新材料产业在内的我国高新技术产业的形成与发展，带动传统产业和支柱产业的改造和产品的升级换代，提高国际竞争力，形成新的产业和新的经济增长点。,7 发展新型高性能结构材料将支撑交通运输、能源,8,8.2,新型金属结构材料,发展情况,：,初期,：,铁和钢,(,铁的合金,),。,20,世纪初,：以硬铝为首的,铝合金。,20,世纪,50,年代,：又出现只有钢一半重、耐热性比钢好而强度不低于钢的,钛合金,。,金属材料优点,:,高韧性，延展性好，强度高，导电性好。,现在,：主要仍是钢、铝合金、钛合金，镁合金；,性能提高,。,发展,：超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢,(,用作刀具,),、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温材料等等。,88.2 新型金属结构材料发展情况：金属材料优点: 高韧,9,2012,年全球粗钢总产量为,15.478,亿吨，中国大陆,7.16,亿吨，占全球钢产量的,46.3%,。,高性能钢铁材料,发展引起各国关注。,2.2.1,超级钢,钢铁材料具有资源相对丰富、生产规模庞大、加工制造容易、性能多样可靠、成本低廉稳定、使用便利习惯和回收利用方便等特点，是基础设施建设、工业设备制造和人民日常生活中广泛使用的材料。,不断地改进钢材质量、降低成本、增强钢铁材料的竞争能力。,2.2,新型金属结构材料,9 2012年全球粗钢总产量为15.478亿吨,10,新一代钢铁材料,-,超级钢,超级钢是,20,世纪,90,年代末为更好地利用钢铁材料在使用性能上的优势，并进一步改进传统钢铁材料的一些不足，减少材料消耗，降低能耗而研制的新材料。其主要目的在于解决传统钢铁材料在,强度、寿命上的不足,。,2.2.1,超级钢,10新一代钢铁材料-超级钢 超级钢是20世,11,超级钢材料计划,又称,STX- 21( Structural Materials X for 21 St century ),即面向,21,世纪的结构材料计划。,它是日本政府确立的由科学技术厅金属材料技术研究所从,1997,年,4,月开始研究的一个国家级课题。其目标是将现有钢材在,成分基本不变,的前提下,实用强度和结构寿命,提高到现有,性能和寿命的,2,倍,， 并在,2015,年前实现实用化。,该课题的目标是 在,生产成本基本不增加的前提下,将现有的,碳素钢,、,低合金钢结构钢,和,合金结构钢,的,强度指标提高一倍,，即分别达到,400MPa,、,800MPa,、和,1500MPa,，并满足韧度和各种使用性能的要求，,追求,超细晶技术,、,洁净化技术,和,均匀技术,的结合。,2.2.1,超级钢,11 超级钢材料计划又称STX- 21( Str,12,洁净化技术,各类高洁净钢是,20,世纪,90,年代的研究热点。,洁净化的含义，一是最大限度地去除钢中,P,、,S,、,O,、,N,、,H,（有时包括,C,）等杂质元素的含量；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。,2.2.1,超级钢,12洁净化技术 各类高洁净钢是20世纪90年,13,高均匀性技术,高均匀性是指成分、组织和性能的高度均匀。,已有试验表明，材料微区结构越均匀，所对应材料的抗冲击性能越高。,超细晶技术,金属材料的强化方式有固溶强化、析出强化、位错强化和晶粒细化强化等。在这些强化方式中，,晶粒细化强化是唯一能够同时提高强度和韧度的有效方法。,与普通钢比较有三个显著结构特点,：,超级钢的晶粒结构均匀化程度更高；, 降低了结构中杂质和缺陷数量，使材料纯度更高；,细化材料的结构使晶粒更小。,2.2.1,超级钢,13高均匀性技术 高均匀性是指成分、组织和性,14,超级钢的应用,汽车制造业,一汽用超级钢制造的卡车横梁,（如图）,2.2.1,超级钢,14超级钢的应用汽车制造业一汽用超级钢制造的卡车横梁（如,15,超级钢的应用,建筑业,低成本高强度的超级钢筋建材将为建筑业提供有力的支撑！,目前的主要建筑用钢为,Q235,和,Q345,(,相当于,490MPa,级,),。北京奥运会体育场,鸟巢,和,央视新大楼,也大量使用了,Q420,和,Q460,等高强度钢材。,广州新电视塔全部采用高强钢，总重,5.5,万吨，外筒大约,3,万吨，混凝土,15,万立方米，电视塔的总重量达到,10,万吨以上。,“,细腰,”,最小处直径仅,30,多米，可抗,8,级地震 。,2.2.1,超级钢,15超级钢的应用建筑业低成本高强度的超级钢筋建材将为建筑,16,2.2.2,先进铝合金,铝合金,材料工艺技术趋于成熟，,高档铝材,成为发展趋势。,铸造铝合金,变形铝合金,铝的密度小（约,2.7g/cm,3,），熔点低（,660,），导电、导热性优良，无磁性。,2.2,新型金属结构材料,162.2.2 先进铝合金铝合金材料工艺技术趋于成熟，高档铝,17,第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。由于军用航空材料的需要，,抗拉强度,超过,500,a,的,Al-Zn-Mg-Cu,合金,发展起来，其中最著名的合金是,7075,。,战后，铝工业界便着手开发民用铝合金。系列新合金（尤其是,7000,系），如,7050,、,7010,、,7475,和,7055,等研制成功。,铝合金用量仅次于钢铁，成为第二大金属材料。目前，高强、高韧是铝合金发展的主要方向。,超高强铝合金,具有,很高的强度和韧性,（,屈服强度,500MPa,以上），是航空航天领域极具应用前景的结构材料。,Al-Zn-Mg-Cu,系铝合金。,2.2.2,先进铝合金,17 第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用,18,耐热铝合金,在高温下有足够的抗氧化性和在温度和载荷（动态和静态）的长时间作用下，具有抗塑性变形（蠕变）和破坏能力及导热性好和密度低等特点。,在兵器、船舶、航空、航天、汽车等行业上应用。,如发动机活塞,Al-Si-Cu-Mg-Ni,。,新型耐热铝合金,是指在,快速凝固技术,基础上发展起来的耐热铝合金。此类合金多以,Al-Fe,、,Al-Cr,、,Al-Ti,为基，再适当添加一些,V,、,Mn,、,Nb,、,W,、,Zr,、,Mo,、,Ce,等,2.2.2,先进铝合金,18耐热铝合金 在高温下有足够的抗氧化性和在,19,铝锂合金,轻型结构材料,以铝为基添加锂（一般为,3wt,左右）及其它元素组成的合金称作铝锂合金。,特点,：,密度低、高强度、高模量以及高比强度和比刚度等。,原因,：锂的密度为,0.534gcm,-3,，是铝的,1/5,，钢的,1/15,。在铝合金中增加少量锂可使密度显著降低。,主要系列,：,Al-Cu-Li-Zr,系、,Al-Cu-Mg-Li,系、,Al-Mg-Li,系。,用途,：轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂 合金，飞机重量可以减轻,8,16,。,2.2.2,先进铝合金,19铝锂合金轻型结构材料 以铝为基添加锂（一般为,20,铝合金在航空航天领域的应用, 铝合金在目前的民用飞机结构上的用量约为,70,80,，在军用飞机结构上的用量约为,40,60,。在最新型的,B777,客机上，铝合金占机体结构重量的,70,。, 一些最新型的军用飞机（,F22,，,B2,）结构上大量应用,纤维增强树脂基复合材料,和,钛合金,，铝合金用量已降到,20,以下。,铝：会飞的金属！,先进铝合金在,A380,上的应用,在,A380,上广泛使用了铝合金，其结构重量百分比达到,60%,，与复合材料实现了谐调共存。,A380,上应用了一些传统铝合金，但也引入一些新合金及新结构。,2.2.2,先进铝合金,20铝合金在航空航天领域的应用铝：会飞的金属！先进铝合金在A,21,2.2.2,先进铝合金,212.2.2 先进铝合金,22,2.2.2,先进铝合金,222.2.2 先进铝合金,23,2.2.3,先进钛合金,钛的密度,4.51 g/cm,3,，熔点高（,1688 ,），密排六方或体心晶格，纯钛的强度低，比强度高（高于铝、钢），塑性好，易于加工，耐腐蚀性好；钛的导热性差（适合高温下工作），磨擦系数大，因而切削、磨削加工性能和耐磨性能差。,纯钛在固态下有同素异构转变,：,在,882.5,以下为,-Ti,，具有密排六方晶格；,在,882.5,以上直至熔点为,-Ti,，具有体心立方晶格。,即，温度使材料的结构发生了变化。,钛是宇航、国防工业关键的支撑材料之一。,2.2,新型金属结构材料,232.2.3 先进钛合金 钛的密度4.51,24,工业纯钛由于其比强度高、耐热性好、抗腐蚀性能优异等优点，是航空、船舶、化工等工业中常用的一种,-Ti,合金，其板材和棒材可以制造,350,及以下工作的零件，如飞机蒙皮、隔热板、热交换器等。,比强度,：材料拉伸强度与其表观密度之比，是衡量材料轻质高强性能的重要指标。,2.2.3,先进钛合金,24 工业纯钛由于其比强度高、耐热性好、抗腐蚀,25,工业用钛合金,在纯钛中加入,Al,、,Mo,、,Cr,、,Sn,、,Mn,、,V,等合金元素形成钛合金。工业用钛合金按其退火组织可分为：,、,和,+,三大类，分别称之为,钛合金、,钛合金和,+,钛合金。,相稳定元素,:,扩大,相区，使,转变的温度,升高,的元素；,相稳定元素,:,扩大,相区，使,转变的温度,降低,的元素，又将其细分为,同晶型元素和,共析型元素；,中性元素,:,对,相变温度,影响不大的元素。,钛合金具有同素异构转变，转变温度随加入的合金元素的性质和含量而定。加入的合金元素通常按其对钛同素异构转变温度的影响分成三类：,2.2.3,先进钛合金,25工业用钛合金 在纯钛中加入Al、Mo、C,26,（,1,）,钛合金,主要加入元素是,Al,，其次是中性元素,Sn,和,Zr,，起固溶强化作用。在退火状态下的室温组织是单相,固溶体。,型钛合金的牌号与工业纯钛相同，均划入,TA,系列,。,型钛合金不能进行热处理强化，热处理对于它们只是为了消除应力或消除加工硬化。,（,2,）,+,钛合金,退火组织为,+,，以,TC,加顺序号表示其合金的牌号。组织以,相为主，,相的数量通常不超过,30%,。合金可通过淬火及时效进行强化，多在退火状态下使用。,+,型钛合金的室温强度和塑性高于,型钛合金，生产工艺比较简单，通过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的性能，应用比较广泛，尤以,TC4,用途最广、用量最多。,2.2.3,先进钛合金,26（1）钛合金 主要加入元素是Al，其次是,27,（,3,）,钛合金,以,TB,加顺序号表示其合金的牌号。合金加入了大量的多组元,相稳定元素，同时还加入,相稳定元素,Al,。应用的,型钛合金主要为亚稳定的,钛合金，退火状态为,+,两相组织，将其加热到,单相区后淬火，因,相来不及析出而得到过饱和的,相，称为亚稳,相。,该类合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通过时效处理，使强度提高；,该类合金的淬透性高；,化学成分偏析严重，这种类型的合金只有两个牌号，实际获得应用的仅有,TB2,一种。,2.2.3,先进钛合金,27（3）钛合金 以TB加顺序号表示其合金的,28,型钛合金性能及应用,性能：室温强度低，高温强度高；具有良好的抗氧化性、焊接性和耐蚀性，不可热处理强化，退火态使用；,牌号：,TA4,、,TA5,、,TA6,、,TA7,、,TA8,等，常用的有,TA5,、,TA7,等，以,TA7,最常用。,TA7,还具有优良的低温性能；,用途：用于制造,500,以下温度工作的火箭、飞船的低温高压容器，航空发动机压气机叶片和管道、导弹燃料缸等。,TA5,主要用于制造船舰零件。,2.2.3,先进钛合金,28 型钛合金性能及应用 性能：室温强度低，高温强度高；,29,型钛合金性能及应用,牌号：有,TB1,、,TB2,两个，可热处理强化，实际 应用的为,TB2,。,性能：合金的强度高、焊接性好。热稳定性差。,用途：用于制造,350,以下温度工作的飞机压气 机叶片、弹簧、紧固件等。,2.2.3,先进钛合金,29 型钛合金性能及应用 牌号：有TB1、TB2两个，可,30,型钛合金性能及应用,性能：具有,型和,型钛合金的优点，但焊接性能不如,型钛合金，可通过热处理来强化。,牌号：,TC1TC11,，常用的有,TC3,、,TC4,、,TC6,、,TC10,等，以,TC4,（,Ti-6Al-4V,）最常用。,用途：制造,400,以下工作的航空发动机压气机叶片，火箭发动机外壳，火箭和导弹的液氢燃料箱部件，船舰耐压壳体等。,TC10,是在,TC4,基础上发展起来的，具有更高的强度和耐热性。,高温钛合金：典型牌号,TC4,，成分为,Ti-6Al-4V,2.2.3,先进钛合金,30 型钛合金性能及应用 性能：具有型和型钛合金,31,我国钛合金的牌号、成分及性能,2.2.3,先进钛合金,31我国钛合金的牌号、成分及性能2.2.3 先进钛合金,32,美国：,B120VCA,（,Ti-13V-11Cr-3Al,）,20,世纪,50,年代研制；,Ti1023,（,Ti-10V-2Fe-3Al,）；,Ti153,（,Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn,），室温抗拉强度可达,1000MPa,以上；,21S,（,Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si,）,日本：,SP-700,（,Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe,）,俄罗斯：,BT-22,（,Ti-5V-5Mo-1Cr-5Al,）,国外高强高韧钛合金的牌号,2.2.3,先进钛合金,32美国：B120VCA（Ti-13V-11Cr-3Al）,33,飞机和导弹的速度已增加到,远远超过音速,，某些采用铝合金的部件已不能满足其耐热性的要求，所以采用新材料，尤其是钛及其合金来代替。,钛密度小，具有高的热强性和持久强度，对在振动载荷及冲击载荷作用下裂纹扩展的敏感性低，并且有良好的耐蚀性。因此在,发动机,及,壳体结构,中优先采用了高强度的钛及钛合金。,美国的高空超音速侦察机,SR-71,是应用例证,20,世纪,60,年代生产的,SR-71,用钛量达机体质量的,93%,而且首次采用了,钛合金。,2.2.3,先进钛合金,33 飞机和导弹的速度已增加到远远超过音速，某些,34,F119,发动机,F22,猛禽战机钛合金占,41%,2.2.3,先进钛合金,34F119发动机F22猛禽战机钛合金占41%2.2.3 先,35,钛合金新进展,近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面。,（,1,）高温钛合金,第一个研制成功的高温钛合金是,Ti-6Al-4V,，使用温度为,300,350,。随后相继研制出使用温度达,400,的,IMI550,、,BT3-1,等合金，以及使用温度为,450,500,的,IMI679,、,IMI685,、,Ti-6246,、,Ti-6242,等合金。,目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有：英国的,IMI829,、,IMI834,合金，美国的,Ti-1100,合金，俄罗斯的,BT18Y,、,BT36,合金等。,2.2.3,先进钛合金,35 钛合金新进展 近年来，各国正在开发低,36,部分国家新型高温钛合金的最高使用温度,2.2.3,先进钛合金,36部分国家新型高温钛合金的最高使用温度 2.2.3 先进钛,37,（,2,）钛铝化合物为基的钛合金,与一般钛合金相比，钛铝化合物为基的,Ti,3,Al,（,2,）和,TiAl,（,）金属间化合物的最大优点是：高温性能好（最高使用温度分别为,816,和,982,），抗氧化能力强，抗蠕变性能好和轻质（密度仅为镍基合金的,1/2),。目前，已有两个,Ti,3,Al,为基的钛合金,Ti-21Nb-14Al,和,Ti-24Al-14Nb-0.5Mo,在美国开始批量生产。其他近年来发展的,Ti,3,Al,为基的钛合金有,Ti-24Al-11Nb,、,Ti25Al-17Nb-1Mo,和,Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo,等。,TiAl,（,）为基的钛合金受关注的成分范围为,Ti-,（,46,52,）,Al-,（,1,10,）,M,（为,V,Cr,Mn,Nb,Mn,Mo,和中的至少一种元素）。最近，,TiAl,3,为基的钛合金开始引起注意，如,Ti-65Al-10Ni,合金。,2.2.3,先进钛合金,37（2）钛铝化合物为基的钛合金 2.2.3 先进钛合金,38,（,3,）高强高韧,型钛合金,型钛合金最早是,20,世纪,50,年代中期由美国,Crucible,公司研制出的,B120VCA,合金（,Ti-13v-11Cr-3Al,）。新型高强高韧,型钛合金最具代表性的有以下几种,:, Ti1023,（,Ti-10v-2Fe,），该合金具有优异的锻造性能；, Ti153,（,Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn,），该合金冷加工性能比工业纯钛还好，时效后的室温抗拉强度可达,1000MPa,以上；, 21S,（,Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si,），该合金是由美国钛金属公司,Timet,分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，可制成厚度为,0.064mm,的箔材；,日本钢管公司（,NKK,）研制成功的,SP-700,（,Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe,）钛合金，该合金强度高，超塑性延伸率高达,2000,，且超塑成形温度比,Ti-6Al-4V,低,140,，可制造各种航空航天构件；,俄罗斯研制的,BT-22,（,Ti-5V-5Mo-1Cr-5Al,），抗拉强度,1105MPa,。,2.2.3,先进钛合金,38（3）高强高韧型钛合金 Ti1023（Ti-10v,39,（）阻燃钛合金,常规钛合金在特定条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。,美国研制出的,Alloy C,（也称为,Ti-1720,），名义成分为,50Ti-35V-15Cr,（质量分数），是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，己用于,F119,发动机。,BTT-1,和,BTT-3,为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为,Ti-Cu-Al,系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件。,2.2.3,先进钛合金,39（）阻燃钛合金 2.2.3 先进钛合金,40,高温合金的定义,2.2.4,高温合金,高温合金是指以,铁,、,镍,、,钴,为,基,，能在,600,以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。,性能特点：, 高温合金具有较高的高温强度；, 良好的抗氧化和抗热腐蚀性能；, 良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性。,组织特点,：,高温合金为单一（,奥氏体,）基体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性。,1.,高温合金概述,2.2,新型金属结构材料,40高温合金的定义 2.2.4 高温合金 高,41,1929,年：英美,Meriea,、,Bedford,和,Pilling,将少量的,Ti,和,Al,加入到,80Ni-20Cr,电工合金，蠕变显著强化。,1937,年：德,Hans von ohain,涡轮喷气发动机,Heinkel,问世。,1939,年：英研制出,Whittle,涡轮喷气发动机。,1939,年：英,Mond,镍公司,(,国际镍公司,),研制出镍基合金,Nimonic 75,，准备用作,Whittle,发动机涡轮叶片，后为,Nimonic 80,取代，其含铝、钛，蠕变性能比,Nimonic 75,高,50,。,1942,年：,Nimonic 80,用作涡轮喷气发动机的叶片，成为最早的,Ni3(A1,，,Ti),强化的涡轮叶片材料。此后，该公司在合金中加入硼、锆、钴、钼等合金元素，相继开发了,Nimonic80A,、,Nimonic 90,等合金，形成,Nimonic,合金系列。,国外高温合金发展状况,2.2.4,高温合金,411929年：英美Meriea、Bedford和Pilli,42,1932,年：美国,Halliwell,开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金,K42B,，用以制造活塞式航空发动机的增压涡轮。,1941,年：美国开始发展航空燃气涡轮。,1942,年：,Hastelloy B,镍基合金用于,GE,公司的,Bellp-59,喷气发动机及其后的,I-40,喷气发动机。,1944,年：西屋公司的,Yan Kee19A,发动机采用钴基合金,HS 23,精密铸造叶片。,1950,年美国出兵朝鲜，由于钴的资源短缺，镍基合金得到发展并被广泛用作涡轮叶片。美国的,PW,公司、,GE,公司和特殊金属公司分别开发出了,Waspalloy,、,M-252,和,Udmit 500,等合金。并在这些合金发展基础上，形成了,Inconel,、,Mar-M,和,Udmit,等牌号系列。,2.2.4,高温合金,421932年：美国Halliwell开发了含铝、钛的弥散强,43,二十世纪,40,年代,50,年代中期：,通过合金成分的调整来提高合金的性能。,二十世纪,40,年代：,出现了真空熔炼技术，去除合金中有害杂质和气体，精确控制合金成分，如,Mar-M200,、,In100,和,B1900,等高性能的铸造高温合金。,二十世纪,60,年代：,定向凝固、单晶合金、粉末冶金、机械合金化、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究开发。其中定向凝固工艺所起的作用尤为重要，采用定向凝固工艺制出的单晶合金，其使用温度接近合金熔点的,90,，至今，各国先进航空发动机无不采用单晶高温合金涡轮叶片。,制造工艺对高温合金的发展起着极大的推进作用。,2.2.4,高温合金,43二十世纪40年代50年代中期： 制造工艺对高温合金的发,44,1956,年：正式开始研制生产高温合金，第一种高温合金是,GH3030,，用作,WP,5,火焰筒（歼,-5,），由抚顺钢厂、鞍山钢铁公司、冶金部钢铁研究总院、航空材料研究所和,410,厂共同试制,1957,年：通过长期试车后投入生产。,57,年底：继,GH3030,合金之后，,WP,5,发动机用的,GH4033(DH437B),、,K412,合金相继试制成功。,60,年代初：先后研制成功,GH4037,、,GH3039,、,GH3044,、,GH4049,、,GH3128,、,K417,等高温合金。,70,年代初：高温合金的生产试制和研究已初具规模，通过仿制、消化和发展苏联高温合金为主体的合金及其工艺，质量达到或超过苏联标准和实物水平。,我国高温合金发展历程,2.2.4,高温合金,441956年：正式开始研制生产高温合金，第一种高温合金是G,45,我国资源,缺镍少钴,，铁基高温合金的研制、生产和应用成为六七十年代的主线。至,70,年代初，研制生产的铁基高温合金牌号达,33,个，其中我国独创的达,18,种之多。大量应用至今的有,GHll40,、,GH2135,、,GH35A,和,K213,等,4,种合金。,70,年代后：引进欧美发动机,WS-8,、,WS-9,、,WZ-6,、,WZ-8,，并研制生产,WP,13,等发动机，引进和试制了一批欧美体系的高温合金，使我国高温合金生产水平接近西方工业国家的水平。自行研究和开发了一批新的镍基合金，如,GH4133,、,GH4133B,、,GH3128,、,GHl70,、,K405,、,K423A,、,K419,等,。,2.2.4,高温合金,45 我国资源缺镍少钴，铁基高温合金的研制、生产,46,40,多年来：,研究、试制和生产了,100,多种高温合金，总计产量达,6,万,t,左右。生产高温合金的装备：大型真空感应炉、不同容量的电渣炉、,1,7t,大型真空电弧炉、,200kg,真空电子束炉以及大型快锻、精锻机、挤压机、水压机等设备。,国际公认的工艺技术：低偏析新技术和加镁微合金化技术。通过低偏析技术，控制杂质元素磷、硫、硅等的低含量，创制了一系列低偏析合金，其承温能力比原型合金高,20,25,。在国外加,Mg,净化材质和改善热加工性能基础上，我国七八十年代进一步发现,Mg,的偏聚晶界、改变晶界行为可显著提高合金的持久强度和塑性等性能。,1964,年开始，高温合金应用于民用工业部门，如柴油机增压涡轮、地面燃气轮机、烟气轮机、核反应堆燃料空位格架等。在民用工业的推广应用中，除传统的高温高强度的高温合金外，还相继开发出一批高温耐磨和高温耐蚀的高温合金。,2.2.4,高温合金,4640多年来：2.2.4 高温合金,47,2.,高温合金的分类和牌号,按基体分类,：,铁基,:,（含,2560%Ni,，又称铁镍基）最高使用温度,800,镍基,:(Ni-Al-Cr-Co-W-Mo-Nb-Ta-C-B-Zr-Ce-Y-Hf-Re-Ru),最高使用温度,1150,钴基,:,（,Co-Cr-W-Mo-Nb-Al-Ti-C),最高使用温度,1100,IMC,基合金,（,Ni,3,Al,、,NiAl,、高,Nb-TiAl),铬基合金,（特殊情况下使用）,（,1,）高温合金的分类,2.2.4,高温合金,因合金化程度很高，在英美称之,超合金,（,superalloy,）。,472.高温合金的分类和牌号按基体分类： （1）高温合金的,48,按强化机制分类,：,固溶强化型,时效沉淀强化型,弥散强化型,复合强化型,按成型方式分类,:,变形合金,：铸锭,热变形（锻、轧）,热处理（固溶时效）,铸造合金,：铸锭,重熔成零件,热处理（固溶时效）,细分：,普通铸造,（,CC,）；,定向凝固,(DS),；,单晶,(SX),粉末冶金高温合金,：铸锭,制粉,压实,热变形,热处理,2.2.4,高温合金,48按强化机制分类： 按成型方式分类 :2.2.4 高温,49,（,2,）高温合金的牌号,美国,:Inconel,系，,IN,，,Mar-M,，,Udimet,，,CMSX,，,Rene,，,PWA,等,英国,:Nimomic,，,PE,，,PK,，,RR,法国,:AM,，,MC,俄罗斯：,，,，, C,等,中国：变形合金：,GH,（,50,）,铸造合金：,CC,：,K,（,28,）,DS,：,DZ,（,10,）,SX,：,DD,粉末合金：,FGH,（,95,，,96,）,2.2.4,高温合金,49（2）高温合金的牌号美国:Inconel系，IN，Ma,50,我国高温合金,：,汉语拼音字母成形方式强化类型与基体组元,变形高温合金,：,“,GH,4,位阿拉伯数字”,“,G”,、“,H”,分别为“高”、“合”汉语拼音的第一个字母,“,GH”,后的第一位数字为分类号：,l,和,2,铁基或铁镍基高温合金,3,和,4,镍基合金,5,和,6,钴基合金,1,、,3,和,5,固溶强化型,2,、,4,和,6,时效沉淀强化型,“,GH”,后的第,2,、,3,、,4,位数字则表示合金的编号。,如：,GH4169,。时效沉淀强化型镍基高温合金，编号,169,铸造高温合金,：,“,K,3,位阿拉伯数字”,。,“,K”,后第,1,位数字表示分类号，其含义与变形合金相同,2,、,3,位数字,合金编号。,如：,K418,。 时效沉淀强化型镍基铸造高温合金，编号,18,2.2.4,高温合金,50我国高温合金：汉语拼音字母成形方式强化类型与基体组元,51,粉末高温合金,：,“,FGH”,后跟阿拉伯数字表示,焊接用的高温合金丝,：,“,HGH”,后跟阿拉伯数字,MGH,机械合金化粉末高温合金,DK,定向凝固高温合金,DD,单晶铸造高温合金,70,年代以前，我国高温合金牌号简单，变形高温合金只有,3,位数字编号，铸造高温合金只有,2,位数字编号，即省略了前缀后的表示基体类别和强化型类别的第一位数字，如“,K17”,，即现在的“,K417”,，“,GH39”,即为现在的“,GH3039”,2.2.4,高温合金,51粉末高温合金：“FGH”后跟阿拉伯数字表示,52,3.,高温合金的强化,镍基高温合金应用广泛，铁基高温合金和钴基高温合金也有一定的应用。所有高温合金都含有多种合金元素，有时多达几十种。这些合金元素将产生,合金强化,。,合金强化,：加入的多种合金元素与基体元素,(,镍、铁或钴,),产生作用，从而产生强化效应。,固溶强化,第二相强化,(,沉淀析出强化和弥散相强化,),晶界强化,工艺强化,：采用新工艺，或者改善冶炼、凝固结晶、热加工、热处理及表面处理等环节从而改善合金组织结构而强化。,高温合金强化,=,合金强化,+,工艺强化,2.2.4,高温合金,523.高温合金的强化 镍基高温合金应用广泛，铁基,53,4.,高温合金的用途,主要应用领域,航空、航天、核工业、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等 。,高温合金中一部分主要仍然利用高温合金的高温高强度特性，而另有一大部分则主要是开发和应用高温合金的高温耐磨和耐腐蚀性能。,航空上的应用,：,现代航空发动机中用量占发动机总量的,40,60,，主要用于,四大热端部件,：,导向器,、,涡轮叶片,、,涡轮盘,和,燃烧室,。,火箭发动机及燃气轮机高温热端部件。,2.2.4,高温合金,534.高温合金的用途 主要应用领域 火箭发动机及燃气轮机,54,2.2.5,镁合金,轻质高性能,镁合金因具有系列优良性能和资源优势而被称为“,21,世纪新兴绿色工程材料”，也是工业发达的国家大力发展的,轻质结构材料,。,镁铝锌（,AZ,）,330MPa,，强度较高，能够热处理强化且具有良好的铸造性能。 合金系的耐蚀性较差，屈服强度和耐热性较低。,添加微量稀土元素可以改善铸造、加工性能。,镁锌锆（,ZK,）,420MPa,，镁合金中强度最高的合金系，最有代表性,ZK60,。强度、塑性、韧性都好的高强度镁合金。 铸造性能没有镁铝锌系合金好，偏析严重。,高强度镁合金,2.2,新型金属结构材料,542.2.5 镁合金 轻质高性能镁合金因具有,55,Mg-Al,系耐热镁合金,Mg-Al,耐热镁合金主要包括,AZ(Mg2Al2Zn),系和,AM(Mg2Al2Mn),系，为铸造耐热镁合金。,Mg-RE,系耐热镁合金,开始应用的耐热变形镁,-,稀土系合金有：,Mg-Mn-Ce,系，,Mg-Mn-Nd,系，,Mg-Y-Zn-Zr,和,Mg-Zn-Nd,系。,镁钍系合金,以钍做主要元素的镁合金，生产在,300,400,的高温中工作的结构材料,.,钍是放射性元素，我国禁止使用的。,耐热镁合金,有些镁合金零件要求在较高的温度下工作而不发生时效。,铸造合金零件要求在,150,温度下强度大于,150MPa,；,变形镁合金零件要求在,200-300,，持久强度为,50-100MPa,的耐热镁合金。,2.2.5,镁合金,55Mg-Al系耐热镁合金 耐热镁合金 有些镁合,56,阻尼镁合金,晶体材料的阻尼机制可分为四类：热弹性阻尼、磁阻尼、粘性阻尼和缺陷阻尼,振动和噪声,三大公害之一,减小振动，降低噪声,采用高阻尼合金,纯镁及其合金阻尼性能主要来源于位错，属于缺陷阻尼,2.2.5,镁合金,56阻尼镁合金晶体材料的阻尼机制可分为四类：热弹性阻尼、磁阻,57,阻尼，又称内耗。指材料在振动中由于内部原因引起机械振动能消耗的现象，这种能量消耗通常指材料将机械振动能转化为热能而耗散于材料和环境中。,Mg-Zr,系阻尼镁合金,主要用于航空、航天、国防等尖端领域。,K1-A,（含,Zr,量为,0.6,）,优异的阻尼性能、良好的铸造性能、细小的晶粒度、高的液态流动性和塑性、高的抗腐蚀性能和良好的焊接性,。,Mg-Ni,系阻尼镁合金,要保证阻尼性能往往要牺牲其耐蚀性。,Mg-Cu,系阻尼镁合金,当,Cu,含量增加至,3.0%,时，,Mg-Cu,合金的阻尼性能随,Cu,含量的增加而缓慢降低。但当,Cu,含量超过,3.0%,时内耗迅速降低，而强度却增大。,2.2.5,镁合金,57 阻尼，又称内耗。指材料在振动中由于内部原,58,2.2.5,镁合金,582.2.5 镁合金,59,镁合金的发展趋势,2.2.5,镁合金,59镁合金的发展趋势2.2.5 镁合金,60,2.2.5,镁合金,602.2.5 镁合金,61,镁,合,金,的,应,用,高强高韧,耐热抗蠕变,变形镁合金,强耐腐蚀,发,展,方,向,镁合金发展势头较好，研发和应用各具特色,61镁高强高韧变形镁合金发镁合金发展势头较好，研发和应用各,62,22.5,镁合金,6222.5 镁合金,63,低屈强点钢和极低强度钢,“,软钢,”,耐火结构钢,耐候钢,高效焊接钢,不锈钢,其它新型金属结构材料,非晶态金属,金属玻璃,超塑性合金,耐火钢的概念是日本于上世纪,80,年代率先提出的。耐火钢是指通过在钢材中添加耐高温的合金元素,Mo,、,Cr,、,Nb,等，使得钢材,在,600,o,C,时的屈服强度不小于常温屈服强度的,2,3,，且,其他性能,(,如可焊性等,),与相应规格的普通结构钢基本一致,。,钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为,400,时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，,温度达到,600,时，钢材基本丧失全部强度和刚度,。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。,耐候钢原理,：钢中加入磷、铜、铬、镍等,微量元素后，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜,，阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，,以减缓其腐蚀速度,。,耐候钢是,可减薄使用,、,裸露使用或简化涂装,，而使制品抗蚀延寿、省工降耗、升级换代的钢系，也是一个,可融入现代冶金新机制、新技术、新工艺,而使其持续发展和创新的钢系。,在,空气中,或,化学腐蚀介质,中能够,抵抗腐蚀,的一种,高合金钢,。,（,1,）,高强度高韧性的力学性能,（,2,）,高导磁、低铁损的软磁特性,（,3,）,耐强酸、强碱腐蚀的化学特性,外表轻薄如纸、优雅华丽、用手可轻易撕断的带形金属玻璃,平均延伸率,300,以上。,应用：,（,1,）高变形能力的应用,（,2,）固相结合能力的利用,（,3,）减振能力的利用,2.2,新型金属结构材料,63低屈强点钢和极低强度钢“软钢”耐火结构钢耐候钢,64,多种金属元素结合而成的化合物，此外，还包括金属,-,非金属化合物。室温延性不足及高温强度不足是金属间化合物最大的缺点。,金属间化合物的成分设计与组织控制,主成分选择：过渡元素是首选，铝，硅，硼是主要的构成元素,。 添加合金元素可改善力学性能及抗氧化性能。,组织控制：通过改变成分，控制凝固过程、加工热处理、粉末冶金等手段改变组织因素以提高力学性能,。组织因素包括：相组成、晶粒的形状和大小、界面、缺陷等。,典型的金属间化合物,Ni-Al,系、,Ti-Al,系、,Fe-Al,系,制备技术：鋳造法、粉末冶金法,2.3,金属间化合物结构材料,64 多种金属元素结合而成的化合物，此外，还包,65,水泥,建筑工业的粮食。抗折强度不足是水泥最大的缺点。,1,、新型超高强水泥,DSP,水泥：含均匀分布超细颗粒的致密系统,主成分：硅酸盐水泥,+,硅灰,+,超塑性剂,MDF,水泥：无宏观缺陷水泥,主成分：水泥,+,水溶性聚合物,。,制备关键技术：加入水溶性聚合物,+,碾压式拌合,+,加压排气成型,2.4,新型无机非金属结构材料,65水泥建筑工业的粮食。抗折强度不足是水泥最大的缺点。1,66,2,、新型陶瓷材料,定义：采用高度精选和合成的材料，具有能够精确控制的化学组成，按照便于控制的技术加工的、便于结构设计并具有优越性能的陶瓷。,性能特点：见表,2-13,2-14,品种：,氮化硅陶瓷,：发动机部件、陶瓷轴承、陶瓷刀具。,赛隆陶瓷,：某些金属氧化物或氮化物进入到氮化硅的晶,格中。,碳化硅陶瓷：,2.4,新型无机非金属结构材料,662、新型陶瓷材料2.4 新型无机非金属结构材料,67,通用高分子材料存在机械强度低、刚性差、耐热性差等不足,特种工程塑料：具有杂链型分子结构，应用于国防军工和尖端技术领域,主要品种：,PI,PAI,，,PEI,PPS,PEEK,等。,高性能合成橡胶：硅橡胶、氟橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶,高性能纤维：,PBT,纤维，芳纶纤维、,PTFE,纤维、碳纤维,2.5,新型高分子材料,67通用高分子材料存在机械强度低、刚性差、耐热性差等不足2,