工程材料認(rèn)知講義全

1、.word可編輯.工程材料認(rèn)知講義1常見的金屬及合金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、元素添加劑等參加鐵水中使鋼具備某種特性或到達(dá)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, 不管含鐵與否(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).根本分類鐵合金的品種繁多,分類方法也多一般按以下方法分類：(1)按鐵合金中主元素分類,主要有硅,鈕,銘,銳,鈦,鴇,鋁等系列 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

2、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,鉆硅鋁合金,硅鈣鋁合金,硅鋼鈣合金等.(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)復(fù)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)專業(yè).專注.word可編輯.熱處理是指金屬材料在固態(tài)下,通過加熱、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ACMZ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

3、件加熱至 AC3以上2040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880c淬油金相組織4 .回火：將經(jīng)過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) 問,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(quenching and tempering ): 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

4、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專業(yè).專注.word可編輯.前者以化學(xué)成份Al表示,后者用漢語拼音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.可加工成各種形態(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

5、通過熱處理來提升機(jī)械性能, 只能通過冷加工變形來實(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.可熱處理強(qiáng)化型鋁合金可以通過淬火和時(shí)效等熱處理手段來提升機(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

6、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、船用螺專業(yè).專注.word可編輯.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,鍍 青銅還用來制造煤礦、油庫等使用的無火花工具. 鍍銅是一種過飽和固溶體銅基 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)鴇 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, 鴇銅是比擬理想材料.3、黃銅以鋅作

7、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%勺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%勺黃 銅常用來制作彈殼,俗稱彈殼黃銅或七三黃銅.含鋅在3642%：問的黃銅合金由和固溶體組成,其中最常用的是含鋅 40%勺六四黃銅.為了改善普通黃銅的性 能,常添加其他元素,如鋁、鍥、鈕、錫、硅、鉛等.鋁能提升黃銅的強(qiáng)度、硬度和耐蝕性,但使塑性降低,適合作海輪冷凝管及其他耐蝕零件.錫能提升黃銅的強(qiáng)度和對(duì)海水的耐腐性,故稱海軍黃銅,用作船舶熱工設(shè)備和螺旋槳等.鉛能改善黃銅的切削性能；這種易切削

8、黃銅常用作鐘表零件.黃銅鑄件常用來制作閥 門和管道配件等.船舶常用的消防栓防爆月牙扳手,就是黃銅加鋁鑄造而成.1.5 鑄鐵相關(guān)知識(shí)及用途含碳量在2%Z上的鐵碳合金.工業(yè)用鑄鐵一般含碳量為 2.5%3.5%.碳在鑄鐵中多以石墨形態(tài)存在,有時(shí)也以滲碳體形態(tài)存在.除碳外,鑄鐵中還含有1%-3%勺硅,以及鈕、磷、硫等元素.合金鑄鐵還含有鍥、銘、鋁、鋁、銅、硼、鈾等元素.碳、硅是影響鑄鐵顯微組織和性能的主要元素.鑄鐵可分為：專業(yè).專注.word可編輯.灰口鑄鐵.含碳量較高2.7%4.0%,碳主要以片狀石墨形態(tài)存在,斷 口呈灰色,簡稱灰鐵.熔點(diǎn)低11451250C,凝固時(shí)收縮量小,抗壓強(qiáng)度和 硬度接近碳素

9、鋼,減震性好.由于片狀石墨存在,故耐磨性好.鑄造性能和切削 加工較好.用于制造機(jī)床床身、汽缸、箱體等結(jié)構(gòu)件.其牌號(hào)以“HT后面附兩組數(shù)字.例如：HT20-40 第一數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度,第二組數(shù)字表示最低抗 彎強(qiáng)度.白口鑄鐵.碳、硅含量較低,碳主要以滲碳體形態(tài)存在,斷口呈銀白色. 凝固時(shí)收縮大,易產(chǎn)生縮孔、裂紋.硬度高,脆性大,不能承受沖擊載荷.多用 作可鍛鑄鐵的坯件和制作耐磨損的零部件.可鍛鑄鐵.由白口鑄鐵退火處理后獲得,石墨呈團(tuán)絮狀分布,簡稱韌鐵. 其組織性能均勻,耐磨損,有良好的塑性和韌性.用于制造形狀復(fù)雜、能承受強(qiáng) 動(dòng)載荷的零件.球墨鑄鐵.將灰口鑄鐵鐵水經(jīng)球化處理后獲得, 析出的石墨呈

10、球狀,簡稱 球鐵.碳全部或大局部以自由狀態(tài)的球狀石墨存在,斷口成銀灰色.比普通灰口鑄鐵有較高強(qiáng)度、較好韌性和塑性.其牌號(hào)以“QT后面附兩組數(shù)字表示,例如： QT45-5第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度,第二組數(shù)字表示最低延伸率.用于制 造內(nèi)燃機(jī)、汽車零部件及農(nóng)機(jī)具等.蠕墨鑄鐵.將灰口鑄鐵鐵水經(jīng)蠕化處理后獲得, 析出的石墨呈蠕蟲狀.力 學(xué)性能與球墨鑄鐵相近,鑄造性能介于灰口鑄鐵與球墨鑄鐵之間. 用于制造汽車 的零部件.合金鑄鐵件.普通鑄鐵參加適量合金元素如硅、鈕、磷、鍥、銘、鑰、 銅、鋁、硼、銳、錫等獲得.合金元素使鑄鐵的基體組織發(fā)生變化,從而具有專業(yè).專注.word可編輯.相應(yīng)的耐熱、耐磨、耐蝕、耐

11、低溫或無磁等特性.用于制造礦山、化工機(jī)械和儀 器、儀表等的零部件.2金屬材料創(chuàng)新應(yīng)用2.1 超導(dǎo)材料相關(guān)知識(shí)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.現(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：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)岷朔错?、?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,具 性能優(yōu)于常規(guī)材料.利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承.利 用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發(fā)生器、邏輯元

12、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1020倍,功耗只有四分之一.2021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、6萬個(gè)大氣壓的高溫高壓條件下,使金和硅以及二硅 化鍬等發(fā)生化學(xué)反響,生成了被稱為“ SrAuSi3的新型超導(dǎo)體,在1.6K絕對(duì)溫 度下到達(dá)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化學(xué)學(xué)會(huì)主編的?材料化學(xué)?上發(fā)表.12.2 納米材料相關(guān)知識(shí)

13、專業(yè).專注.word可編輯.納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料,由納米粒子 nano particle 組成.納 米粒子也叫超微顆粒,一般是指尺寸在 1100nm間的粒子,是處在原子簇和宏 觀物體交界的過渡區(qū)域.其尺度已接近光的波長,加上其具有大外表的特殊效應(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,性能檢測技術(shù)化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、外表形態(tài)、物、 化、電、磁、熱及光學(xué)等性能

14、.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.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,生成的氫化物過于穩(wěn)定,釋放氫時(shí)就需要

15、較高的溫度.而如果生成熱太低, 那么不易吸收氫.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)大氣專業(yè).專注.word可編輯.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)輸過程中性能可靠、 平安、 無害、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等條件.現(xiàn)在已研究的并且符合上述要求的有鎂系、 稀土系、 鈦系和結(jié)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.鎂可直接與氫反響,在300400c和較高的壓力下

16、,反響生成Mg和H2反響生成MgH2: Mg + H2= MgH2H=74.6kJ/mol .MgH21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 c時(shí)分解壓為101.3kPa.由于純鎂的吸放氫反響動(dòng)力學(xué)性能差,吸 放氫溫度高,所以純鎂很少被直接用來儲(chǔ)存氫氣,為此人們又開始研究鎂基儲(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)可逆反響,即加氫和脫氫反響來實(shí)現(xiàn)的.加氫反響時(shí)貯氫,脫氫反響時(shí)放氫,有機(jī)液體作為氫載 體到達(dá)貯存和輸送氫的目的.烯姓、快姓、芳姓等不飽和有機(jī)液體

17、均可作貯氫材 料,但從貯氫過程的能耗、貯氫量、貯氫劑、物理等方面考慮,以芳姓特別是單 環(huán)芳姓作貯氫劑為佳,常用的有機(jī)物氫載體有苯、甲苯、甲基環(huán)己烷、蔡等.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)開展了很多卓有專業(yè).專注.word可編輯.成效的研究和開發(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)輸平安 方便,可利用現(xiàn)有的貯存和運(yùn)輸設(shè)備,有利于長距離大量

18、運(yùn)輸,貯氫量大,苯和 甲苯的理論貯氫量分別為7.19wt% 和6.18wt% ,比現(xiàn)有的金屬貯氫量高得 多,貯氫劑本錢低且可屢次循環(huán)使用,加氫反響要放出大量的熱,可供利用,脫氫 反響可利用廢熱.目前存在的主要問題是有機(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)提升過程效能有重要意義.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 是開發(fā)新的納米材料作為儲(chǔ)氫材料.儲(chǔ)氫合金納米化提升儲(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外表積,電子的輸送將受到微粒外表的散射, 顆粒之間的界面形成電子散射的高勢壘,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,合金的生成始越負(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納米貯氫合金比外表積大,外表能高,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)