最新热处理原理及工工艺(XXXX金属)

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,*,*,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,*,热处理原理及工艺,1,课程性质,热加工原理,材料科学基础,热处理原理,铸造原理,焊接原理,锻造原理,材料类专业主干课程,2,课程内容,热处理原理,在加热和冷却时的组织转变。,热处理工艺,正、退、淬、回火、,固溶时效,。,其它热处理,表面淬火，化学热处理等。,3,为什么要学习热处理？,4,在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。,在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。,模具、滚动轴承,100%,需经过热处理。,5,6,主要性能,7,力-伸长曲线,8,怎样学习热处理？,9,课程安排,：原理42h，工艺30h，实验8h,课程要求,：课堂笔记，完成作业，认真听讲,考核方法：,期末+平时（作业、实验、出勤、笔记）,课程安排及要求,10,金属热处理原理与工艺，王顺兴，哈尔滨工业大学出版社,热处理工程基础，陆兴，机械工业出版社,金属学及热处理，崔忠圻，机械工业出版社,热处理原理及工艺，赵乃勤，机械工业出版社,材料固态相变，徐洲，赵连城，科学出版社,【学习参考书】,11,热处理工艺的历史悠久,什么是热处理？,“吴山开，越溪涸，三金合冶成宝锷。淬绿水，鉴红云，五采焰起光氛氲,”,12,近代热处理工艺发展,13,14,热处理工艺分类,其他热处理,普通热处理,表面热处理,热处理,退火正火淬火回火,真空热处理形变热处理激光热处理,控制气氛热处理,表面淬火,感应加热、火焰加热、,电接触加热等,化学热处理,渗碳、氮化、碳氮,共渗、渗其他元素等,15,16,预备热处理与最终热处理,预备热处理,最终热处理,W18Cr4V,钢热处理工艺曲线,时间,温度,/,17,热处理与相图,18,Fe-C合金相图,19,20,21,22,23,铁碳相图中,PSK,、,GS,、,ES,线分别用,A,1,、,A,3,、,A,cm,表示。,24,合金元素在钢中的作用,25,26,27,28,作业题（第1次）,什么是热处理？目的和作用是什么？,Fe,C,合金相图上那条线为,A,1,、,A,3,、,Acm,线，加热冷却通过该线有何相变？有,A,2,线否？,合金元素可分为几种？其在在钢中都有哪些作用？,29,固态相变,金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的转变，这种转变称为固态相变。,纯组元, Cr,、,Na,固溶体, ,（,Al,）、,（,Mg,）,化合物, Cu,3,Au,、,Al,3,Sc,（,1,）晶体结构的变化,（,2,）化学成分的变化,（,3,）物质性质的变化,相的种类,相的变化,30,固态相变是金属材料热处理的基础。通过固态相变的热处理可改善材料的性能组织，强韧化材料，充分发挥材料的潜力。,如：马氏体相变使钢淬火硬化（马氏体强化）,过饱和固溶体的分解（时效强化、析出强化）,反过来，固态相变理论的发展又推动了新材料和热处理实践的发展。,固态相变的实际意义,31,相界面,32,图,a,第一类共格,图,b,第二类共格,共格,(coherent),界面,33,两相沿平行于界面的晶向上的原子间距之差。,错配度,34,半共格,(semi-coherent),界面,非共格,(incoherent ),界面,35,新相形状与体积应变能的关系,非共格界面时,体积应变能新旧相比容体积变化,应变能,36,弹性应变能的影响因素,完整晶体中相变产生的弹性应变能,新相和母相的比容差,新相和母相的弹性模量,新相的形状,37,讨论,T,大新相临界晶核,r,k,单位体积新相的表面积,S,界面能（居主要地位）两相倾向形成共格或半共格界面界面能新相倾向形成盘状；,（前提：使界面能的降低足以超过由于形成共格或半共格界面所引起的应变能）,T,小新相临界晶核,r,k,单位体积新相的表面积,S,界面能（居次要地位）倾向形成非共格界面应变能（比容差应变能）,比容差不大形成球状界面能,比容差大形成针状兼顾两者,固态相变过程中，应变能与界面能以何者为主？,38,惯习面和位向关系,39,晶体缺陷与成核,40,过渡相：指成分或结构，或者成分和结构二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相。,过渡相,41,母相,新相,成分不同,某些组元的扩散,固态中原子的扩散速度远远低于液体原子，所以，原子扩散速度对固态相变影响很大。,原子的扩散,42,1.,相界面特殊,2.,面相变阻力大,弹性应变能作用,3.,存在位向关系与惯习,4.,晶体缺陷影响相变,5.,易产生过渡相,6.,原子的扩散慢,总结：金属固态相变特点,43,作业题（第2次）,1、什么叫错配度？它与界面类型有何关系？,2、界面能具体包括哪些？其产生的原因是什么？,3、讨论固态相变过程中，应变能与界面能如何影响新相的形状？,4、为什么固态相变过程中易于出现过渡相？,5、总结固态相变的主要特点。,6、钢加热或冷却到相图的A,1,、A,3,、A,cm,时是否发生相变，为什么？,44,一级相变,45,C,p,-,热容，,-,压缩系数，,-,膨胀系数,二级相变,46,相图上一级相变与二级相变的区别,47,纯铁的同素异构转变,48,具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图,49,具有共析相变的二元合金平衡状态图,50,Fe-Fe,3,C,相图的伪共析区,51,52,相变的实质是相结构、成分或有序化程度发生变化，相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。,如：,马氏体相变,是非扩散相变、,（新旧相成分相同、结构不相同）,珠光体相变,是扩散相变、,（新旧相成分不相同、结构不相同）,非平衡相变、,有核相变；,平衡相变、,有核相变；,相变分类小结,53,r,*,均匀形核,令,得,当,Gv,一定时，固态相变比液,-,固相变要困难，需要大过冷度。,54,均匀形核,固态原子的扩散激活能,Q,较大，固态相变的弹性应变能又进一步增大形核功,W,。所以，与液态结晶相比，固态相变的均匀形核率要低得多。,55,晶体缺陷与成核,56,晶界类型：界面、界棱、界隅,晶界形核时的能量变化,提供的能量：,结论：界隅形核的最容易,界面,界棱,界隅,晶界形核,57,释放能量提供成核驱动力,凝聚成位错,加速扩散过程（空位机制）,空位及空位集团形核,58,作业题（第3次）,1、何谓一级相变和二级相变？其性质各有何特点？,2、固态相变的相变驱动力和阻力有哪些？,3、为什么固态相变比液固相变需要更大的相变驱动力？,4、为什么固态相变过程中更倾向于在晶体缺陷处形核？,59,马氏体转变的均匀切变,60,相界面上位错的滑动,61,非共格界面的可能结构,62,原子由,向,迁移的频率,:,原子由,向,迁移的频率,:,母相,新相,无成分变化的新相长大,63,设单原子层厚度为,，则界面迁移速率为：,64,新相的长大必须通过溶质原子的长程扩散来实现，故其长大速度受原子的扩散所控制。,有成分变化的新相长大,65,单位面积内，,dt,时间内界面推进,dx,距离，扩散流量相等：,移相后，界面迁移速度为：,66,坐标系中，,S,曲线为直线，拟合后得到,Avrami,方程：,转变量,时间,常,数,指数,等温转变动力学曲线,67,Temperature-Time-Transformation Curve,TTT,图,(,曲线,),等温转变动力学图,68,作业题（第4次）,1、,固态相变的过程中形核和长大的方式是什么？,2 、,固态相变的晶核长大控制因素有哪些？结合过冷度进行具体讨论。,3 、扩散型相变和非扩散型相变的本质区别是什么？为什么有些新相与母相成分相同的相变还属于扩散型相变？,4、画出等温转变动力学曲线 ，说明其转变特点,。,69,纯铁的同素异构转变,70,a,刚球模型,b,质点模型,c,晶胞原子数,面心立方晶胞,71,单胞原子数,Fe,：,6*1/2+8*1/8=4,C,：,1+1/4*12=4,中理论上的最大含碳量,72,73,奥氏体的长大,74,作业题（第5次）,1、奥氏体中，碳原子占据晶胞中的八面体间隙，计算理论上奥氏体最大含碳量?,2、为什么奥氏体实际最大含碳量低于理论值？,3、珠光体加热时，为什么和Fe,3,C界面是形核的有利地点？,4、分析奥氏体形核后的长大机理，并说明C,-,、C,- k,、 C, -,、 C, -k,各有何含义？,5、画出P转变的动力学图？14线各是什么线？各区分别是什么组织？,75,作业题（第6次）,1、名词解释：初始晶粒度、实际晶粒度，本质晶粒度,2、分析合金元素影响奥氏体形成速度原因。,3、什么是本质细晶粒钢？为什么超过一定温度后本质细晶粒钢的晶粒反而变得粗大？,4、以共析钢为例说明奥氏体的形成过程；非共析钢的奥氏体形成与共析钢有何不同？,5、哪些因素影响的晶粒度？研究的晶粒度有何意义？,76,珠光体的形成,77,珠光体的形核与长大,78,析出相,溶质浓度高,溶质浓度低,溶质浓度高,溶质浓度低,吉布斯汤姆效应,粒状珠光体的形成,小溶质含量高,大溶质含量低,界面曲,率半径,思考：片状,P,形成后，在,A1,温度下加热，片状,P,是否可否变成粒状,P,？,79,作业题（第7次）,1、名词解释：珠光体，伪共析组织,2、画出两种形态的珠光体组织示意图，同时说明其组织和性能特点。,3、列表总结片状珠光体的形成温度对片层间距及性能的影响。,4、珠光体的片成间距与过冷度有何关系？为什么温度越低，片层间距越小？,5、叙述珠光体在奥氏体中形核后的长大机制。,6、说明伪共析组织的特点、形成条件、原因及应用。,80,块状与网状铁素体,网状的先共析渗碳体,先共析相形态,81,铁素体魏氏组织,渗碳体魏氏组织,魏氏组织：由针状的先共析相及其间的珠光体组成的复相组织。,影响： 严重恶化钢的性能。,消除：正火、退火、锻造细化晶粒,魏氏组织,82,P,转变动力学曲线,珠光体转变动力学,P,转变动力学图,（有独立的转变,C,曲线）,83,过冷奥氏体等温转变曲线又称,TTT图、或C曲线,。,综合反映了过冷奥氏体在冷却时的等温转变温度、等温时间和转变量之间的关系。,TTTTemperature Time Transformation,过冷奥氏体等温转变动力学图,84,（1）将一系列试样加热奥氏体化；,（2）在A,1,点下不同温度保温间；,（3）淬水冷却，固定转变产物；,（4）确定各温度下的动力学曲线；,（不同温度下，转变量与时间关系）,（5）变换坐标为温度、时间,建立等温转变动力学图。,过冷奥氏体等温转变动力学图,实验步骤,85,86,共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图,时间,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A,1,87,金相硬度法,奥氏体和转变产物的金相形态和硬度不同。,膨胀法,奥氏体和转变产物的比容不同。,磁性法及电阻法,奥氏体为顺磁性，转变产物为铁磁性。,C,曲线的测定方法,88,共析碳钢,TTT,曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A,向产,物转变开始线,A,向产物,转变终止线,A,+,产,物,区,产物区,A,1,550,;,高温转变区,;,扩散型转变,;P,转变区。,550,230,;,中温转变,区,;,半扩散型转变,;,贝氏体,( B ),转变区,;,230,- 50,;,低温转,变区,;,非扩散型转变,;,马氏体,( M ),转变区。,时间,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A,1,Ms,M,f,89,作业题（第8次）,1、获得粒状珠光体的条件是什么？将钢加热至两相区和低于A,1,线时能否获得粒状珠光体？球化的机理是什么？,2、画出平衡态C1.2的碳钢的室温下组织示意图，并完成以下内容：,（1）计算室温下P和Fe3C,的相对含量。,（2）设计热处理以消除网状Fe3C,。,3、何谓魏氏组织？其有何危害？如何消除魏氏组织？,4、叙述在何种成分、温度、晶粒尺寸等条件下容易得到对魏氏组织？,5、阐述合金元素对P转变产生影响的机理有哪些？,6、画出共析钢等温转变C曲线，并对各线、区进行标注。,90,91,a),亚共析钢,b),过共析钢,非共析钢的,C,曲线,91,92,合金元素对,C,曲线的影响,92,93,94,95,C,曲线的类型,碳钢以及含有,Si,、,Ni,、,Cu,、,Co,等合金元素的钢均属于此种,其鼻尖温度约为,500,600,。,实际上是由两个邻近的,C,曲线合并而成,第一种，具有单一的“,C”,形曲线,。,95,96,第二种和第三种，曲线呈双,“,C,”,形,使贝氏体转变温度范围下降，或使珠光体转变温度范围上升的合金元素（如Cr、Mo、W，V等）,96,在含,Mn,、,Cr,、,Ni,、,W,、,Mo,量高的,低碳钢,中，扩散型的珠光体转变受到极大阻碍，因而只出现贝氏体转变的,C,曲线,第四种，只有贝氏体转变的C曲线。,97,常出现于中碳高铬钢中,第五种，只有珠光体转变的C曲线,98,又称,CCT,图或,CT,图,过冷奥氏体连续转变图,CCT,Continuous Cooling Transformation,共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变图,99,作业题（第9次）,1、为什么冷却P等温转变图（C曲线）有拐点（鼻子尖），而加热P等温转变图没有拐点？,2、根据共析钢等温转变C曲线，说明随过冷度增加过冷奥氏体所发生那三种类型的转变，其在相变驱动力和原子扩散性上有何特点？,3、画图并说明非共析钢的C曲线与共析钢C曲线有何不同。,4、碳含量和合金元素对C曲线有何影响?,5、画图并说并C曲线的五种类型及其成因。,100,6、共析钢C曲线和冷却曲线1，2，3，4如图所示，指出图中各点的组织。,101,珠光体转变中止线,共析碳钢,TTT,曲线与,CCT,曲线的比较,102,出现先共析,F,析出区和贝氏体转变区。,图,0.30%C,钢连续冷却转变曲线,奥氏体化温度：,930,；时间：,30,min,亚共析钢,CCT,图,103,104,向上曲折,过共析钢,CCT,图,105,106,一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束（板条群）。,在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织（板条束）。,每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列的板条。,光镜下,电镜下,板条马氏体,立体形态为细长的扁棒状,107,在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，,=10,12,/cm,2,又称位错马氏体。,SEM,TEM,108,立体形态为双凸透镜形的片状，显微组织为针状。,在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。,电镜下,电镜下,光镜下,片状马氏体,109,作业题（第10次）,1、教材93页第1题。,2、教材93页第2题。,3、教材93页第3题。,4、画出共析钢连续冷却转变动力学图，并说明临界冷却速度如何影响组织。,5、两块C0.4的钢，分别加热至AC130、AC330淬火时，Ms点有何不同，为什么？,6、什么是马氏体？马氏体的过饱和程度用什么参数衡量？,110,板条马氏体和片状马氏体对比,板条M,片状M,亚结构,高密度位错,微孪晶,显微形态,平行板条,一定角度针状,长大,相撞机会少，Ar薄壳,高速长大相互撞击,内应力,通过塑性变形松弛应力,难以通过塑性变形松弛应力,结论,综合性能好,脆性大，硬度高,111,112,马氏体的形态主要取决于其含碳量,C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。,C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体.,C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。,马氏体形态与含碳量的关系,0.45%C,0.2%C,1.2%C,113,奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度。,Ms,点的物理意义,114,作业题（第11次）,1、概念解释,(1)正方度 (2)隐晶马氏体 （3）奥氏体稳定化,2、画出钢中两种典型形态M的组织示意图，说明组织形态特点？,3、,哪些因素影响马氏体的形态和亚结构？,4、为什么钢淬火后都有残余奥氏体产生？哪些因素影响AR含量？,5、合金元素对钢的Ms、M,f,点有何影响？为什么？,6、说明M高强度、高硬度原因？为什么板条M的塑、韧性好于片状M？,7、两块C0.4的钢，分别加热至AC130、AC330淬火时，各得到何种形态的马氏体，何者AR的量与M的相比较多？为什么？,8、粒状珠光体组织T12钢（含碳1.2%），分别加热到AC130和ACm30，淬火后各得到什么组织？何者AR的量与M的相比较多？为什么？,9、平衡态组织的T12钢，最终若要获得隐晶马氏体，需如何安排热处理工序？画出各步热处理的组织示意图并注明温度。,115,预备热处理,最终热处理,W18Cr4V,钢热处理工艺曲线,时间,温度,/,116,原子的无扩散性,最本质的特征,相变切变共格性,晶体学特征,组织的特征,动力学特征,马氏体转变的基本特征,117,1、通常在一个温度范围内形成,马氏体转变量是温度的函数，一般与等温时间无关。,118,2、表面浮凸和切变共格性,马氏体相变时，钢中马氏体相变大约产生,3,4%,的体积应变，同时伴有点阵畸变。,马氏体的部分发生了宏观切变，并使周围基体产生变形，表面发生倾动，这种现象称为,表面浮凸,。,马氏体和奥氏体之间界面上的原子是共有的，既属于马氏体，又属于奥氏体，这种界面为,切变共格界面,。,它是以,母相的切变,来维持共格关系的，故称为,第二类共格界面,。,119,3,特定的位向关系（三种）,K-S,关系,G-T,关系,西山关系,位向关系,120,4,、惯习面及其不变性,马氏体总是在母相的特定的晶面上形成，该面称为惯习面,以母相的晶面指数表示。,在马氏体长大过程中惯习面既,不畸变,也,不转动,，为不变平面。,121,122, 0.5%C,，惯习面为,(111),，晶体学位向关系符合,K-S,关系；, 0.5,1.4%C,惯习面为,(225) ,，晶体学位向关系为,KS,关系；, 1.5,1.8%C,惯习面为,(259) ,，晶体学位向关系为西山关系；,随形成温度的下降，由,225,变为,259,小结：马氏体惯习面、位向与含碳量关系,123,5、原子无扩散性,相变前后两相成分不变，只有晶体结构改变，没有原子的扩散，是非扩散型相变。,M,f,M(50%),M(90%),相变过程中原子是集体运动，原子邻近关系不变，之间相对位移不超过一个原子间距。,实验证据,钢中奥氏体通过点阵切变改组转变为马氏体。,马氏体相变可在相当低温下以极快的速度进行。,124,6、马氏体相变的可逆性,母相向马氏体相转变开始、终了温度称为Ms、M,f,；马氏体向母相逆转变开始、终了温度称为As、A,f,。,（,1,）相变特征温度,冷却时：,M,，,Ms,，,M,f,加热时：,M ,，,As,，,A,f,（,2,）相变滞后温度,=As-Ms,125,马氏体转变的形核理论,均匀形核模型,位错圈核胚模型,应变形核模型,126,（,1,）均匀形核模型,设在奥氏体基体上马氏体晶核为盘状，厚度为,2C,，半径为,r,，界面能和体积应变能为相变阻力。,通过计算引起的自由能变化得出铁基合金中，,临界形核功,G*,是实测值得,10,4,倍，形核率,I,接近,0,，证明均匀形核很难进行。,127,（,2,）位错圈核胚模型,由,fcc-bct,转变的铁基马氏体相变中，,Frank,最早提出位错晶胚模型，借助于界面上一组位错可以使,fcc,和,bct,马氏体点阵之间的错配度减至最小。,位错晶胚模型,128,KD,模型,Kaufman,和,Dehlinger,根据,Frank,界面模型，设想马氏体晶胚为薄扁圆片，其周围有一系列大小不等的位错圈环绕，位错圈在冷却过程中向外扩展，直到形成马氏体片。,129,（,3,）应变形核模型,母相中复杂缺陷如位错圈和较大第二相粒子周围存在应变区，应变区形成马氏体核胚，核胚与母相界面为位错，应变场和核胚交互作用时位错移动，核胚长大，缺陷处的应变能释放出来。,形核区域（缺陷）的应变能超过经典形核理论的临界形核功。,130,1,、贝茵机制,-Bain,模型,1924,年,E.C.Bain,提出由奥氏体面心立方晶胞转变为马氏体的体心正方晶胞的模型，通过沿晶轴膨胀、收缩的方法把一种晶格转变为另一种晶格的简单畸变称为“贝茵畸变”。,马氏体转变的切变模型,131,2,、,K-S,均匀切变模型, 第一次均匀切变,(,主切变,),：,第二次均匀切变：,晶格调整：,132,133,3,、,G-T,机制切变模型,1949,年,A.Greninger,和,.R.Troiano,研究,Fe-22Ni-0.8C,合金单晶马氏体转变的晶体学关系，提出“两次切变”的马氏体转变机制（简称为,G-T,机制）。,G-T,机制比以前提出的机制较为完善，它既可说明马氏体转变时结构的变化和取向关系，又联系了惯析面和浮凸效应，但不能解释碳钢（,1.4%C,）马氏体转变的取向关系。,134,第一次切变为宏观均匀切变，发生宏观变形，产生表面浮凸；并发生点阵改组，形成马氏体点阵结构。,135,第二次切变为微观不均匀切变，也称为晶格不变切变，可以是滑移，也可以是孪生。,切变的结果，无宏观变形，晶格不变。同时，降低了应变能（应力松弛），在马氏体内产生位错或孪晶亚结构。,136,137,形状记忆效应,具有一定形状的固体材料在某一低温状态下发生塑性变形后，经过加热到某一温度之上，能够恢复到初始形状，这种现象,就叫做,形状记忆效应,。,初始形状,拉 直,加热后恢复,热弹性马氏体与形状记忆效应,138,记忆起始态,固定变形态,恢复起始态,物理因素：热能，光能，电能和声能等。,化学因素：酸碱度，螯合反应和相变等。,外部,刺激,139,140,单程形状记忆效应,：材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时不能恢复低温相时的形状。,双程形状记忆效应,：材料加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复高低温相形状的现象。,全程形状记忆效应,：材料加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状。目前只在富镍的Ti-Ni合金中发现。,形状记忆效应的,3,种形式,141,具有马氏体逆转变，且,M,s,与,A,s,相差很小的合金，将其冷却到,M,s,点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度回升时马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小，这种马氏体叫热弹性马氏体。,热弹性马氏体相变,142,143,相变伪弹性（超弹性）,应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变，去除应力后，马氏体消失，应变也随之回复，这种现象称为伪弹性或超弹性。,144,形状记忆效应与超弹性出现条件的模式图,145,已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为镍,-,钛系、铜系、铁系合金三大类。,近年发现一些聚合物和陶瓷材料也具有形状记忆功能，其形状记忆原理与合金不同，还有待于进一步研究。,目前已实用化的形状记忆材料只有,Ti-Ni,合金,和,铜系形状记忆合金,。,形状记忆合金,146,SMA,可做成形状恢复元件、动作元件和拟弹性元件，在很多领域具有广泛的应用前景。,形状记忆合金的应用,147,美国已在喷气式战斗机的液压系统中使用了,10,多万个这类接头，至今未有漏油或破损、脱落等事故。,这类管接头还可用于舰船管道、海底输油管道的修补，代替在海底难以进行的焊接工艺。,（,1,）连接紧固件,SMA,连接件结构简单、重量轻、所占空间小，并且安全性高、拆卸方便、性能稳定可靠。管接头是,SMA,最成功的应用之一。,148,图,4-1 Ni-Ti-Nb,宽滞,记忆合金管接头与传统连接的比较,149,图,4-2,记忆合金同轴电缆紧固圈,美国,Rachem,公司研制生产了,Ni-Ti-Nb,宽滞后记忆合金同轴电缆紧固圈。由丝材焊接而成，表面涂有一层可随温度改变颜色的化学涂料，安装前可在常温下保存，安装时用小型加热器加热到涂料改变颜色即可。,这种紧固圈在美国通信工程和信号装置中已广泛应用。与其它机械紧固法相比：体积小、重量轻、安装方便、连接无漏丝、安全可靠。,150,图,形状记忆合金紧固铆钉,工程中常用铆钉和螺栓进行紧固，但有时候操作困难，例如在密闭真空中很难进行操作，可以用,SMA,紧固铆钉方便的实现紧固。,尾部处理成记忆开口状，紧固前，把铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直，插入被紧固件的孔中，温度上升产生形状恢复，铆钉尾部叉开实现紧固。,151,（,2,）飞行器用天线,图,4-3,人造卫星天线的示意图,由,Ti-Ni,合金板制成的天线能卷入卫星体内，当卫星进入轨道后，利用太阳能或其它热源加热就能在太空中展开。,152,图,4-4,形状记忆合金月面天线的自动展开示意图,美国字航局,(NASA),利用,Ti-Ni,合金加工制成半球状的月面天线，先加以形状记忆热处理，压成一团，阿波罗运载火箭送上月球表面，小团天线受太阳照射加热恢复原状，即构成正常运行的半球状天线，,用于通讯。,153,（,3,）驱动、控制元件,利用记忆合金在加热时形状恢复力可对外作功的特性，制成各种驱动元件。这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好。,记忆合金 马 达 蚂 蚁 人,形状记忆合金的驱动能力,600MPa,154,图,4-5,记忆合金空间有用载荷释放机构,安装前，记忆合金驱动器被轴向压缩；释放时，加热记忆合金驱动器，驱动器恢复原长而产生足够的轴向拉力拉断缺口螺栓，使有用载荷释放。,1994,年,2,月,3,日，美国在,Clementine,航天器上，用该机构在,15s,内成功释放了,4,只太阳能板。,155,图,4-6,形状记忆温控阀,SMA,温控阀原理：当温度升到一定温度时，形状记忆弹簧克服偏压弹簧的压力，产生位移打开阀门，当温度降低时，偏压弹簧压缩形状记忆弹簧，使阀门关闭。目前，我国已在热水器等设备上装有,Cu-Zn-Al,记忆元件。,156,机械手柔性三维运动,157,自动开闭百叶窗,温室窗自动开闭机构,158,太阳尾随装置,159,（,4,）医学应用,医学领域的记忆合金除了具备所需要的形状记忆或超弹性外，与生物体接触后会形成稳定性很强的钝化膜。在现有的,SMA,中，仅有,TiNi,合金满足条件，是目前医学上使用的惟一的记忆合金,。,我国率先于,20,世纪,80,年代初，成功将,TiNi,合金应用于临床，最早在口腔和骨科得到应用，其后推广到医学各领域。我国在临床应用上处于国际领先水平。,腔内支架,血液过滤器,骨外科治疗,其它：牙科、外科整形、人造关节等,160,图,4-7 Ti-Ni,合金做成的薄板型牙根结构,在牙齿矫形手术中，传统使用不锈钢和,Co,Cr,合金丝，后用,Ti-Ni,加工硬化后的,合金（超弹性）取代不锈钢丝（,1978,年）。,1984,年日本采用,Ti-Ni SMA,成功研制出薄板结构型牙根。低温下使牙根端部合并，埋入颚骨后，用高频感应热或在口腔内灌入热生理盐水，使,Ti-Ni SMA,上升到,42,度，这时牙根端部,向两侧张开,30,，其结合力比原来方法提高了,40,。,161,图,4-8 Ti-Ni,形状记忆合金锯齿臂环抱内固定器,(a),环抱器由体部、臂部和锯齿部组成,(b),环抱器横截面,c),圆柱形环抱器,(,上,),、圆锥形环抱器,(,下,),1994,年，有人研制出上图内固定器用于治疗长管骨折。这种环抱器具有良好的抗弯和抗扭作用，对压缩应力的对抗作用明显低于接骨板，有利于促进骨折愈合和减小固定后骨质疏松，为长骨干骨折提供了一种新的有效治疗手段。,162,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凝过滤器,163,医用腔内支架的应用原理示意图,预压缩 受热扩张后 植入腔道内效果,164,腔内支架临床应用实例,消化道内支架 血管内支架 胆道内支架,165,“记忆金属”食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。,166,女性内衣,热水控温阀,烟灰缸,眼镜架,咖啡壶,（5）日常生活,167,记忆照明灯,法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯泡显露出来。,记忆毛毯,人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯后，如毛毯温度过热，它就会自动掀开一部分，适当降低温度，使人睡得更安稳。,168,记忆钉子,菲力浦公司研制了一种由“记忆金属”制成的钉子,把它安在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会“自动”从外胎里伸出来，防止车轮打滑。,用这种“记忆金属”造出汽车，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。,汽车,169,形状记忆合金其他应用,形状记忆合金发动机,形状记忆合金机器人,形状记忆合金人工心脏,形状记忆合金人工心脏,5,自由度的微型机械手,曲轴偏心式热机,皮带轮式热机,170,1973,年，美国试制成第一台,Ti-Ni,热机，利用形状记忆合金在高温、低温时发生相变，产生形状的改变，并伴随极大的应力，实现机械能与热能之间的相互转换,如图,3-13,所示。,图,3-13,镍钛诺尔热机的结构,尽管这种热机只产生了,0.5w,的功率,(,至,1983,年功率已达,20 w),，但发展前景十分诱人，可以利用这种装置实现利用海水温差发电的梦想。,171,作业（第12次）,1、概念 （1）热弹性马氏体 （2）形状记忆效应,2、列表总结板条M和片状M的亚结构、显微组织、长大方式、内应力及性能特点。,3、画图并说明什么是奥氏体的热稳定化？为什么其具有可逆性？衡量奥氏体的热稳定化指标有哪些？,5、总结马氏体转变的主要特点。,6、为什么铁碳合金的M相变实际中很难观察到逆相变，而TiNi记忆合金则很明显？,7、教材146页第4题；,8、教材146页第5题；,172,上贝氏体,下贝氏体,173,光镜下,电镜下,上贝氏体,上贝氏体,贝氏体组织的透射电镜形貌,174,下贝氏体,光镜下,电镜下,在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈,55-60,角。,下贝氏体,175,550,650,2s,10s,5s,2s,5s,10s,30s,40s,176,转变类型,转变产物,形成温度， ,转变机制,显微组织特征,HRC,获得工艺,珠,光,体,P,A,1,650,扩,散,型,粗片状，F、Fe,3,C相间分布,5-20,退火,S,650600,细片状，F、Fe,3,C相间分布,20-30,正火,T,600550,极细片状，F、Fe,3,C相间分布,30-40,等温处理,贝,氏,体,B,上,550350,半扩散型,羽毛状，短棒状Fe,3,C分布于过饱和F条之间,40-50,等温处理,B,下,350M,S,竹叶状，细片状Fe,3,C分布于过饱和F针上,50-60,等温淬火,马,氏,体,M,针,M,S,M,f,无扩散型,针状,60-65,淬火,M,*,板条,M,S,M,f,板条状,50,淬火,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,177,画出组织示意图并说明四类典型贝氏体的显微形态、组织组成和形成条件。,为什么说贝氏体的长大速度取决于,C,在铁素体和奥氏体中的扩散速度？,画图并说明,B,上,和,B,下,的形成过程。,作业（第13次）,178,M,双相分解,179,180,M单相分解,181,1,、什么是回火，为什么淬火钢一定要进行回火？,2,、贝氏体高强度的原因？为什么下贝氏体的远韧性好于下贝氏体？,3,、若要空淬获得贝氏体，对材料成分有何要求？获得的贝氏体为何种类型？,4,、简要说明淬火钢不同温度回火时组织转变的规律,5,、高碳马氏体在不同温度回火的得到何种组织，画出组织示意图并说明组织组成。,6,、为什么回火时残余奥氏体能够转变成,M,回,或,B,下,？,7,、淬火碳素钢回火时，马氏体完全分解的温度及标志是什么？,作业（第14次）,182,