功能材料課件：第三章 彈性合金與膨脹合金二

1、第三章 彈性合金與膨脹合金（二）膨脹合金主要內(nèi)容一、基本概念二、低膨脹合金（因瓦合金） 三、定膨脹合金四、熱雙金屬片 一、基本概念熱膨脹：一般固體材料受熱時(shí)體積膨脹，冷卻時(shí)體積收縮，由于溫度的改變而導(dǎo)致材料的體積和長(zhǎng)度變化的現(xiàn)象稱熱膨脹。熱膨脹的實(shí)例火車鐵軌火車鐵軌間隔一段就要留出一定的縫隙，防止因?yàn)闊崤蛎泴?dǎo)致的軌道扭曲變形。膨脹系數(shù)熱膨脹引起的尺寸變化通常用膨脹系數(shù)來(lái)表示。平均線膨脹系數(shù)l是指在一定溫度范圍內(nèi)，溫度變化一度時(shí)樣品長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)。式中 l0、l 分別為試樣在溫度 T0 和 T 時(shí)的長(zhǎng)度。表達(dá)式如下：膨脹系數(shù)試樣在某一溫度下的真實(shí)膨脹系數(shù)lT（在壓力恒定時(shí)）表示為：常用的是平均線

2、膨脹系數(shù)l相變熱膨脹熱膨脹的本質(zhì)：溫度升高,金屬點(diǎn)陣中的原子（或離子）在點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的熱振動(dòng)加劇，振幅增大，原子振動(dòng)中心發(fā)生位移，原子間平衡距離增大，導(dǎo)致熱膨脹發(fā)生。對(duì)于純金屬，硬度越大，膨脹系數(shù)越??；熔點(diǎn)越高，膨脹系數(shù)越小。正常熱膨脹鋁的正常熱膨脹正常熱膨脹：隨溫度上升，膨脹系數(shù)先是增加很快，以后減緩，且lT隨溫度連續(xù)變化。正常熱膨脹如果合金在加熱過(guò)程中發(fā)生多型性轉(zhuǎn)變或者有序化轉(zhuǎn)變，則曲線在轉(zhuǎn)變點(diǎn)或某一溫度范圍內(nèi)發(fā)生不連續(xù)轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)波折。Ti-Zr合金的熱膨脹曲線反常熱膨脹Ni和FeNi的熱膨脹反常熱膨脹：正反常在Tc附近膨脹系數(shù)增大，如Ni；負(fù)反常在Tc附近膨脹系數(shù)明顯減小,如FeNi因瓦效

3、應(yīng)。反常熱膨脹FeNi的反常熱膨脹 因瓦合金反常熱膨脹的機(jī)理： 在居里溫度以下，因瓦合金處于鐵磁態(tài)，具有很大的正自發(fā)磁致伸縮值，隨溫度升高飽和磁化強(qiáng)度急劇下降，導(dǎo)致較大的體積收縮，抵消了由于原子熱振動(dòng)加劇而產(chǎn)生的正常熱膨脹值。所以，因瓦合金在居里溫度以下具有很低的熱膨脹系數(shù)，在居里溫度以上具有正常熱膨脹。膨脹合金分類膨脹合金：對(duì)膨脹系數(shù)有一定要求的金屬或合金。按膨脹系數(shù)大小可分為3類：如FeNi36（4J36），F(xiàn)eNi32Co4Cu0.6 合金等；（1）低膨脹合金（因瓦合金INVAR ）： 具有很低的膨脹系數(shù)：膨脹合金分類這類合金主要用在電真空技術(shù)中作為封接材料使用，如FeNi29Co17(

4、4J29)合金；（2）定膨脹合金這類合金在某一溫度范圍內(nèi)，其膨脹系數(shù)近于一恒定值：膨脹合金分類這類合金通常與低膨脹合金組成熱雙金屬片使用，而不單獨(dú)使用。如Mn75Ni15Cu10(5J75)合金（3）高膨脹合金：具有高的膨脹系數(shù)：低膨脹合金主要包括：因瓦合金：Fe-Ni超因瓦合金：Fe-Ni-Co低膨脹高溫合金。其他因瓦合金。二、低膨脹合金（因瓦合金）利用其很低的膨脹系數(shù)制造精密儀器和儀表中尺寸要求不變的零件，如標(biāo)準(zhǔn)量具、微波諧振腔、雙金屬被動(dòng)層、航空發(fā)動(dòng)機(jī)間隙控制元件、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力燃燒室等。1、FeNi因瓦合金應(yīng)用最為廣泛的是FeNi36（4J36）因瓦合金成分 質(zhì)量比：Ni=35%37%

5、, C0.02, P 0.02%, S0.02%, Fe 余量。彎曲點(diǎn)：膨脹系數(shù)明顯上升的溫度，與居里溫度有關(guān)1、FeNi因瓦合金FeNi36（4J36）因瓦合金室溫下為面心立方單相組織。-120左右發(fā)生 轉(zhuǎn)變。要求相變溫度盡量低，以保持較寬的單一相區(qū)，獲得穩(wěn)定的性能。1、FeNi因瓦合金合金的彎曲點(diǎn)溫度隨Ni含量增加而上升；Ni含量為35.4%時(shí)，合金的負(fù)反常現(xiàn)象最明顯，在室溫附近膨脹系數(shù)最低。1、FeNi因瓦合金在因瓦成分附近，合金原子磁距很高，居里溫度較低！尋求新的低膨脹合金的依據(jù)。1、FeNi因瓦合金冷加工使合金的膨脹系數(shù)降低，甚至成為負(fù)值。所以，冷加工后需要通過(guò)退火處理，穩(wěn)定組織，獲

6、得穩(wěn)定的熱膨脹系數(shù)。原因：冷加工使合金內(nèi)部缺陷增多，破壞合金的短程有序化程度，影響合金的磁化強(qiáng)度和磁致伸縮系數(shù)，最終影響熱膨脹性能。2、FeNiCo超因瓦合金典型合金4J32 成分質(zhì)量比Ni=31.5%33%, Co =3.24.2%, Cu=0.40.8%, Fe 余量。室溫下為面心立方單相組織，-90左右發(fā)生 馬氏體轉(zhuǎn)變。加入Co可以獲得更低的膨脹系數(shù)，加入Cu可降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度。Co含量為5%，Ni含量為31.5%時(shí)，膨脹系數(shù)接近0。3、低膨脹高溫合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)間隙控制技術(shù)，即減小渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間的間隙，是提高燃油效率的有效手段。葉尖間隙（cl）比葉高（l）的變化每增加

7、0.01，會(huì)引起渦輪效率降低約0.81.2%，耗油率增加約2%。采用低膨脹高溫合金做薄壁靜止結(jié)構(gòu)件，如，機(jī)匣、外環(huán)等，可以控制部件間隙，減少發(fā)動(dòng)機(jī)部件。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和葉片3、低膨脹高溫合金一些低膨脹高溫合金的化學(xué)成分Nb, Ti, Al ,Mo加入后時(shí)效析出第二相強(qiáng)化；Cr提高抗氧化性。4、其他因瓦合金其他因瓦合金（1）不銹因瓦合金：Fe-Co-Cr，膨脹系數(shù)為零或負(fù)值（2）非鐵磁因瓦合金：CrFe5.5Mn0.5（奈爾溫度TN（反鐵磁到順磁）附近的因瓦反常）（3）弱磁因瓦合金：Mn-Pd、Fe-Pd（4）非晶因瓦合金： Fe-Co-Zr低膨脹合金三、定膨脹合金的應(yīng)用及封接真空規(guī)管真空電子管

8、金屬玻璃封接的結(jié)構(gòu)模型三、定膨脹合金定膨脹合金：在一定溫度范圍內(nèi)，具有與玻璃或陶瓷等封接材料相近熱膨脹系數(shù)的合金。廣泛應(yīng)用與電子管、晶體管和集成電路的引線和結(jié)構(gòu)材料。一般要求從室溫到封接溫度范圍內(nèi)，合金與被封接材料的熱膨脹系數(shù)之差小于10封接合金和玻璃的熱膨脹曲線軟玻璃軟化點(diǎn)450,l（20 450 ） (911)10-6/;硬玻璃軟化點(diǎn)550,l（20 450 ） 510-6/;95瓷l（20 450 ） 710-6/;定膨脹合金體系對(duì)定膨脹合金的要求：膨脹系數(shù)與被封接材料相匹配，塑性好，易加工；在貯存和工作期間的溫度范圍內(nèi)不相變；導(dǎo)電導(dǎo)熱性好；較高的機(jī)械強(qiáng)度和加工成型性。主要的定膨脹合金體

9、系：Fe-Ni系Fe-Ni-Co系：典型合金Ni29Co18（4J29）Fe-Cr系Fe-Ni-Cr系Ni-Mo系Cu合金（塑料封裝用引線框架材料）1、Fe-Ni系合金成分質(zhì)量比：Ni=42%54%，其膨脹系數(shù)和居里溫度隨Ni含量增加而上升。典型合金4J42（ Fe-42%Ni） l（20 400 ）5.46.610-6/;用量最大，價(jià)格便宜。用于集成電路引線框架、密封插頭、與軟玻璃封接的元件，表面鍍銀后可與陶瓷封接。2、Fe-Ni-Co系在Fe-Ni系中加入Co，使合金居里溫度提高，在降低Ni含量的情況下，可在較寬的溫度范圍內(nèi)保持恒定的膨脹系數(shù)。典型合金4J29（ Fe-29%Ni-17.5

10、%Co）：可伐合金Kovar, l（20 400 ）4.65.210-6/。室溫下為面心立方單相組織，居里溫度435 ，-90左右發(fā)生 馬氏體轉(zhuǎn)變（Ni增加或Co降低都會(huì)降低轉(zhuǎn)變溫度）。4J29定膨脹合金感應(yīng)爐冶煉：控制氣體和雜質(zhì)含量鍛造：始鍛11501180始鍛高于900 澆鑄：15301550空冷冷軋4J29合金制備工藝?yán)渥冃瘟坎荒艹^(guò)70%，否則容易形成織構(gòu)，在后續(xù)深沖加工成型時(shí)容易形成“制耳”。4J29定膨脹合金4J29合金為單相固溶體，不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化，其熱處理的目的有：最終熱處理：消除零件中的殘余應(yīng)力；去氣，去除表面的碳和油污，改善封接和電鍍性。預(yù)氧化處理：使合金與玻璃封接處生成

11、需要的氧化膜:Fe2O3、Fe3O4 金屬玻璃封接的結(jié)構(gòu)模型1. 中間熱處理：消除冷加工過(guò)程中的加工硬化，利于進(jìn)一步冷加工。4J29和4J6定膨脹合金4J29和4J6定膨脹合金在玻璃中的元素?cái)U(kuò)散4J294J93、Cu合金（塑料封裝用引線框架材料）現(xiàn)代大功率晶體管和高密度實(shí)裝的發(fā)展，要求元件具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。目前常用的是塑料封裝技術(shù)，用無(wú)氧銅和銅合金做引線框架材料，與樹脂的膨脹系數(shù)接近。引線框架用Cu合金帶材四、熱雙金屬熱雙金屬（片）是由兩層或兩層以上具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬材料沿層間接觸面牢固地結(jié)合在一起的片狀復(fù)合材料。具有高膨脹系數(shù)的合金做主動(dòng)層，具有低膨脹系數(shù)的合金做被動(dòng)層。有時(shí)為

12、了獲得特殊性能，在兩層之間可夾層，也可在表面覆層。右圖（a）是熱雙金屬片在室溫時(shí)的狀態(tài)，是平直的；加熱時(shí)變成（b）的狀態(tài)；冷卻時(shí)反向彎曲成（c）的形狀。具有高膨脹系數(shù)的主動(dòng)層，受熱時(shí)伸長(zhǎng)較大；而具有低膨脹系數(shù)的被動(dòng)層伸長(zhǎng)較小。熱雙金屬的應(yīng)用由于熱雙金屬片在溫度變化時(shí)發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生一定的推力和位移，即可將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。因此，熱雙金屬片被廣泛地用作溫度測(cè)量及自動(dòng)控制設(shè)備中的熱敏元件、傳感器元件。其應(yīng)用大致可分為四個(gè)方面：溫度指示，溫度控制，程序控制和溫度補(bǔ)償。熱雙金屬溫控器敞開式熱雙金屬溫控器熱雙金屬的主要性能參數(shù)熱雙金屬的主要特性參數(shù)是熱敏感性、電阻率、彈性模量、線性溫度范圍和允許使用溫

13、度范圍。1. 熱敏感性（熱靈敏度）2.線形溫度范圍3.電阻率4.彈性模量5. 對(duì)其他性能的要求熱雙金屬的主要性能參數(shù)1. 熱敏感性（熱靈敏度）熱敏感性表示熱雙金屬片由于溫度變化而發(fā)生彎曲的程度，是最基本的特性參數(shù)，用比彎曲K表示。即溫度變化一度時(shí)，單位厚度的熱雙金屬片的曲率的變化，用下式表示h試樣厚度，mm；f試樣自由端撓度變化，mm；L試樣測(cè)試長(zhǎng)度，mm；T1，T2分別為試樣的測(cè)量初始溫度和終了溫度，。當(dāng)熱雙金屬片的厚度一定時(shí)，組合層線膨脹系數(shù)的差值愈大，熱靈敏度就越高；兩層厚度比為1:1時(shí)，可獲得最大的熱敏感性。熱雙金屬的主要性能參數(shù)由于撓度f(wàn) 的變化與組合層的線膨脹系數(shù)的差值密切相關(guān)，因

14、此K值的大小主要由熱雙金屬片組合層的熱膨脹系數(shù)的差值決定。熱雙金屬的主要性能參數(shù)2. 線性溫度范圍線性溫度范圍是熱雙金屬片彎曲位移量與溫度成線性關(guān)系的溫度范圍。在此溫度范圍內(nèi)，熱雙金屬片具有最大的熱敏感性。這個(gè)溫度范圍的大小主要取決于組成熱雙金屬片的金屬材料的膨脹特性和居里溫度Tc。熱雙金屬的主要性能參數(shù)2. 線性溫度范圍在右圖中，單位厚度為h和單位長(zhǎng)度為L(zhǎng)的熱雙金屬片，當(dāng)溫度變化很小時(shí)，其偏轉(zhuǎn)角=L/R，因?yàn)镽=2h / 3alT，所以可用下式表示： 在l 保持恒定的溫度范圍內(nèi)，與T呈線性關(guān)系，這個(gè)線性關(guān)系存在的溫度范圍稱為線性溫度范圍。熱雙金屬的主要性能參數(shù)3. 電阻率電阻率是表示熱雙金屬

15、片抵抗電流通過(guò)時(shí)的特性參數(shù)，一般用電橋或電位差計(jì)法測(cè)量（單位為m）。根據(jù)電阻率的大小，可將熱雙金屬片分為高、中、低電阻率類型。4. 彈性模量 E彈性模量是表征熱雙金屬片機(jī)械性能的主要參數(shù)，是計(jì)算熱雙金屬元件的推力、力矩、內(nèi)應(yīng)力的必要參數(shù)（單位為MPa）。5. 其他性能有時(shí)考慮使用環(huán)境要求耐蝕性、無(wú)磁、高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱熱雙金屬片材料的組成1、主動(dòng)層材料具有大膨脹系數(shù)的高膨脹合金。2、被動(dòng)層材料低膨脹合金。還要求兩層材料具有較高的熔點(diǎn)、焊接性好、彈性模量高且接近，在較寬的溫度范圍內(nèi)不發(fā)生可逆相變。主動(dòng)層合金的特性5J1378型熱雙金屬片5J1378型熱雙金屬片性能參數(shù)主動(dòng)層Ni20Cr5被動(dòng)層Ni36比彎曲K:室溫150/(13.85%)10-6電阻率:205/cm785%彈性模量：E/ GPa150180線性溫度范圍/-20180允許使用溫度范圍/-70350密度/gcm-38.0特性中敏感、中電阻、中溫用熱雙金屬片分類（1）普通型：用量大，工作溫度不高，如：5J1378（2）高敏感型：溫度變化不大時(shí)，彎曲值大，如：5J20110（3）特定電阻率型：要求有一定的電阻，用于自動(dòng)斷流器，如：低電阻型5J1017；高電