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新型金属——合金材料

时间:2019-06-20    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

新型金属——合金材料

 

在开发先进合金中,发展方向主要为:最大限度发挥原有合金的潜力,

在某一方面而不是全面地提高合金的性能,由不同的成分承担不同的性能要

求,达到取长补短的目的;开发全新的合金等。

高温合金

高温合金是指那些在极高温度下仍能满足工作要求的金属材料。它出现

于 30 年代,它的发展动力首先来源于航空发动机的需要,特别是 40 年代末

喷气机发动机问世以来,对优质高温合金的需求日益增加,同时,它的使用

范围也扩大了。

高温合金依靠“固熔强化”、“金属间化合物强化”及“碳化物强化”

三种强化机理而不断得到增强。在 70 年代以前,高温合金耐热的发展速度大

约每年提高 10℃。例如涡轮叶片最初使用的耐热钢,工作温度只有 550~650

℃,到 70 年代已达到 1050℃。继续提高镍基和钴基高温合金的工作温度越

来越困难,因为这样高的温度已接近基体金属镍和钴的熔点(镍的为 1453

℃,钴的为 1495℃)。很明显,合金的潜力几乎被挖尽,上面几种强化方法

再也难以奏效。于是,科学家只好求助于设计和工艺的改进来满足工作温度

的要求。

超塑性合金

超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现

象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长 10 倍、20 倍甚至上百倍,既不出

现缩颈,也不会断裂。金属的超塑性现象,是英国物理学家森金斯在 1982

年发现的,他给这种现象做如下定义:凡金属在适当的温度下(大约相当于

金属熔点温度的一半)变得像软糖一样柔软,而应变速度为 10 毫米/秒时产

生本身长度三倍以上的延伸率,均属于超塑性。

最初发展的超塑性合金是一种简单的合金,如锡铅、铋锡等。一根铋锡

棒可以拉伸到原长的 19.5 倍,然而这些材料的强度太低,不能制造机器零

件,所以并没有引起人们的重视。

60 年代以后,研究者发现许多有实用价值的锌、铝、铜合金中也具有超

塑性,于是前苏联、美国和西欧一些国家对超塑性理论和加工发生了兴趣。

特别在航空航天上,面对极难变形的钛合金和高温合金,普通的锻造和轧制

等工艺很难成形,而利用超塑性加工却获得了成功。到了 70 年代,各种材料

的超塑性成形已发展成流行的新工艺。

现在超塑性合金已有一个长长的清单,最常用的铝、镍、铜、铁、钛合

金均有 10~15 个牌号,它们的延伸率在 200~2000%之间。如铝锌共晶合金

为 1000%,铝铜共晶合金为 1150%,纯铝高达 6000%,碳和不锈钢在 150~

800%之间,钛合金在 450~1000%之间。

实现超塑性的主要条件是一定的变形温度和低的应变速率,这时合金本

身还要具有极为细小的等轴晶粒(直径 5 微米以下),这种超塑性称为超细

晶粒超塑性。还有一些钢,在一定的温度下组织中的相发生转变,在相变点

附近加工也能完成超塑性,称为相变超塑性。

超塑材料加工具有很大的实用价值,只要很小的压力就能获得形状非常

复杂的制作。试想一下,金属变成了饴糖状,从而具有了可吹塑和可挤压的

柔软性能,因此过去只能用于玻璃和塑料的真空成形、吹塑成形等工艺被沿


用过来,用以对付难变形的合金。而这时所需的压力很小,只相当于正常压

力加工时的几分之一到几十分之一;从而节省了能源和设备。使用超塑性加

工制造零件的另一优点是可以一次成形,省掉了机械加工、铆焊等工序,达

到节约原材料和降低成本的目的。在模压超塑性合金薄板时,只需要具备一

种阴模或阳模即可,节省一半模具费用。超塑性加工的缺点是加工时间较长,

由普通热模锻的几秒增至几分钟。

超塑性铅合金已经商品化,如英国的 Supral 100(Al—6Cu—0.4Zr)和

加拿大的 Alcan 08050(Al—5Ca—5Zn)。铝板可在 300~600℃时利用超塑

性成形为复杂形状,所用模具费用降低至普遍压力加工模具费用的十分之

一,因此它具有和薄钢板、铝压铸件及塑料模压件相竞争的能力。

据推测,最近超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门中广泛

采用,所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高温合金等。

记忆合金

记忆合金是指那些改变形状后在一定的条件下仍能恢复原形的合金,它

们的成分通常是镍钛、铜锌、铜铅镍和铜金锌等。以 50%的镍和 50%的钛组

成的“镍钛诺”应用最广,最近铜锌合金的发展也很快。

记忆合金变形超过屈服极限后,只要一加热,变形消失后会返回原来的

形状,似乎对自己的原形有记忆,因此而得名。记忆合金又是一种超弹性合

金,变形大大超过屈服极限后,一旦除去载荷,它能徐徐返回原形,这种超

弹性现象又称为伪弹性或橡胶状弹性。

记忆合金的特性是 50 年代初期被发现的,金镉、铟铊合金都有这种特

性。1958 年美国海军军械实验室主任冶金师布勒在研究镍钛合金时,发现镍

钛合金棒互相碰撞,发出喑咽而迟钝的声音,可是刚从炉子里取出的镍钛合

金相撞时发出了清脆如铃的声音,这就证明温度对这种合金的组织和硬度都

有很大的影响。以后布勒又弄清这种镍钛合金的记忆特性和不知疲劳的坚韧

性 , 就 把 海 军 军 械 实 验 室 的 英 文 简 写 NOL 加 在 合 金 后 命 名 , 组 成 了

“Nitinol”,这就是著名的“镍钛诺”名称的来源。1973 年,美国加州劳

伦斯实验室的朋克制成了第一台“镍钛诺”热机,立刻使记忆合金名扬四海。

关于记忆合金的原理现在还不十分清楚。一般认为,记忆合金由复杂的

菱形晶体结构转变成简单的立方晶体结构时,就会发生形状恢复的记忆。而

当记忆合金恢复原形时伴随产生极大的力,镍钛诺合金高达 60 千克每平方毫

米,远比最初变形时加的力大。一般说来,可达原变形的十倍,这就意味着

输出的能量比输入的能量大得多。科学家对此无法解释,物理学家罗沙尔说:

“热力学定律一点没有错的地方,但这些定律就是不适合于镍钛诺……”

形状记忆的温度范围可以调整,例如镍钛诺的形状记忆效应随合金中镍

和钛的含量而改变。镍和钛的含量稍微提高一点,形状记忆的温度范围就提

高到 120℃以上,这样就能制成火灾自动报警器和自动灭火器。

目前,记忆合金已用于管道结合和自动化控制方面,用记忆合金制成套

装可以代替焊接,方法是在低温时将管端内径扩大约 4%,装配时套接一起,

一经加热,套管收缩恢复原形,形成紧密的接合。美国海军飞机的液压系统

使用 10 万个这种接头,多年来从未发生漏油和破损。船舰和海底油田管道损

坏,用记忆合金配件修复起来,十分方便。在一些施工不便的部位,用记忆

合金制成销钉,装入孔内加热,其尾端自动分开卷曲,形成单面装配件。

记忆合金特别适合于热机械和恒温自动控制,已制成室温自动开闭臂,


能在阳光照耀的白天打开通风窗,晚间室温下降时自动关闭。记忆合金热机

的设计方案也不少,它们都能在具有低温差的两种介质间工作,从而为利用

工业冷却水、核反应堆余热、海洋温差和太阳能开辟了新途径。现在普遍存

在的问题是效率不高,只有 4~6%,有待于进一步改进。

记忆合金在医疗上的应用也很引人瞩目。例如接骨用的骨板,不但能将

两段断骨固定,而且在恢复原形状的过程中产生压缩力,迫使断骨接合在一

起。

齿科用的矫齿丝、结扎脑动脉瘤和输精管的长夹、脊柱矫直用的支板等,

都是在植入人体内后靠体温的作用启动,血栓滤器也是一种记忆合金新产

品。被拉直的滤器植入静脉后,会逐渐恢复成网状,从而阻止 95%的凝血块

流向心脏和肺部。

人工心脏是一种结构更加复杂的脏器,用记忆合金制成的肌纤维与弹性

体薄膜心室相配合,可以模仿心室收缩运动。现在泵送水已取得成功。

由于记忆合金是一种“有生命的合金”,利用它在一定温度下形状的变

化,就可以设计出形形色色的自控器件,它的用途正在不断扩大。

防振合金

防振合金最先出现在美国和英国,到现在只有几十年的发展历史。最初,

它用在导弹控制板、飞行器陀螺仪和潜艇螺旋桨等先进武器上,以达到防振

和消音的目的。后来它的使用范围迅速扩展,逐渐由军事转向民用,成为各

种运输工具和家电防止噪音的一种有力手段。

过去工业上的防振,主要采用系统防振方式(如使用空气或油压减振装

置)或结构防振方式(如两种金属间夹入粘弹性高分子材料,采用蜂窝夹层

结构等)。这两种方式只不过部分吸收与缓和了振源的振动和噪音,且制造

工艺复杂。

此外,夹有高分子材料的层板,由于不导电而引起点焊等工艺性恶化,

且使用温度受限制,一般只能在室温至 120℃范围内工作。

现在的材料防振系统,是利用本身衰减能很高的防振合金制造零件,直

接削弱振源,所以是一种更加经济适用的高效防振方式。

使用较多的是一种复合型防振合金,它们同复合材料一样有两种不同的

组织成分,一种是高韧性的基体;另一种是嵌在基体中的柔软颗粒。在两种

不同成分的交界面上很容易产生变形,这就能像海绵吸水一样吸收和消耗外

部的振动能,达到消除噪音的目的,对噪音一般能降低 3~40 分贝。

金属玻璃

金属玻璃又称非晶态合金,它既有金属和玻璃的优点,又克服了它们各

自的弊病。如玻璃易碎,没有延展性。金属玻璃的强度却高于钢,硬度超过

高硬工具钢,且具有一定的韧性和刚性,所以,人们赞扬金属玻璃为“敲不

碎、砸不烂”的“玻璃之王”。

金属和玻璃从宏观特性到微观结构从不“搭界”。那么,又是什么手段

使金属变成“玻璃”的呢?这是把高温下熔化了的液体金属,以极快的速度

冷却,使金属原子来不及按它的常规编排结晶,还处于不整齐、杂乱无章的

状态便被“冻结”了,因此,出现了类似玻璃的奇异特性。

制造金属玻璃的关键是保持极高的冷却速度,要在千分之一秒的时间

内,把熔化的金属材料冷却为固体,这样的冷却速度等于在一秒钟内把温度

突然降低一百万摄氏度。由于冷却速度太快了,熔化的合金液体来不及调整


为晶体结构,突然被凝固成毫无秩序的固态。几乎所有的金属都可通过快速

凝固的方式成为金属玻璃,人们最初使用的是一种金硅合金。现在常常用铁

作为主要材料,因为它的价格比较便宜,而且电磁性能也比较好。1974 年美

国首先制成的商品材料“金属玻璃”(Metglas)和 1975 年日本制成的商品

材料“非晶态金属”(Amomet)都是铁基合金。

金属玻璃是 70 年代刚刚走出实验室成为商品的一种新材料。人类在使用

金属几千年漫长的岁月中,所遇到的金属是晶体的金属和合金,它们均具有

排列整齐的原子结构。而在它的排列缺陷的地方会被拉断,金属玻璃的原子

排序是无序的,它没有特殊的薄弱环节。因此金属玻璃的抗断裂强度比一般

金属材料高得多,可达 350 公斤每平方毫米。更可贵的是,在达到如此高强

度的同时,这种材料还保持难以令人想象的韧性和塑性,所以可用来制造高

压器和火箭等关键部位的零件。

由于金属玻璃没有金属那样的晶粒边界,腐蚀剂无空子可钻,所以从根

本上解决了金属晶界的腐蚀问题,能经受多种化学溶液的腐蚀,有良好的化

学稳定性。它的抗腐蚀性要比不锈钢强 100 倍。金属玻璃还具有很好的超导

性和抗核辐射能力等难得的优良性能。人造卫星上的太阳能电池是单晶硅电

池,这种电池价格昂贵,如果将硅制成非晶硅(即硅金属玻璃)其价格就便

宜多了,太阳能电池也就能更好地推广和普及。

现在真正能发挥非晶态合金特长的是电磁器件。非晶态铁合金是极好的

软磁材料,容易磁化和退磁。与普通结晶磁性材料相比,它具有导磁率高、

损耗小、电阻率大等优点。用硅钢和金属玻璃分别制成 15 千伏变压器的对比

试验表明:磁芯损耗分别为 322 和 180 瓦,金属玻璃可使损失减少约一半。

如果电动机也采用金属玻璃,节能的效果将更显著。易于磁化和高硬度结合

的特性,使金属玻璃有效地用于放大器、开关、记忆元件、换能器等器件上。

日本 TOK 公司用非晶态合金制成的录音机磁头,由于磁畸变极小而改善了音

质。

金属玻璃是直接从熔融状态制成的,因而避免了费用高、周期长、耗能

大的加工过程,它的成本仅为不锈钢制品的五分之一。含铬金层玻璃由于耐

腐蚀和点蚀,特别是在氯化物和硫酸盐中的抗腐蚀性大大超过不锈钢,获得

了“超不锈钢”的名称,可以用于海洋和医学等方面。例如制造海上军用飞

机电缆、鱼雷、化学滤器、反应容器、刮胡刀及手术刀等。

金属玻璃的高强度也引起了工程技术人员的注意,由于目前生产的各种

元件尺寸不大,所以要通过编织和铺砌才能制成结构元件。这些用途包括高

强度控制电缆、电缆和光缆护套、压力容器、储能飞机、机械传送带、轮胎

帘布等。

用金属玻璃代替硼纤维和碳纤维制造复合材料,会进一步提高复合材料

的适应性。硼纤维和碳纤复合材料的安装孔附近易产生裂纹,而金属玻璃在

具有很高强度(232~372 千克每平方毫米)的情况下,仍保持金属塑料变形

的能力,因此有利于阻止裂纹的产生和扩展。目前正在研究将金属玻璃纤维

用于飞机构架和发动机元件。

金属玻璃已引起世界各国的普遍重视,近年来已获得了长足的进展。但

要获得每秒摄氏一百万度的冷却速度却是十分艰难的,而且在这么快的冷却

速度下所获得的金属往往是很薄的,因而在应用上受到一定的限制,这些问

题尚需要进一步解决。


金属材料在 21 世纪经济发展中的地位和作用

在展望面向 21 世纪新材料发展的前景时,首先让我们回顾一下 80 年代

新材料在整个世界贸易中的市场景象。尽管陶瓷、复合材料、塑料的平均增

长率分别高达 16.1%、8.1%和 7.0%,而新型钢制品和新型有色金属制品的

平均年增长率分别只有 2.2%和 3.7%。但是,新型钢制品和新型有色金属制

品的营业额总和却超过了其他所有的材料及其制品的总和,从其基数大和增

长率低这一客观事实可以得出两个观点:其一是由于金属材料毕竟是发展历

史悠久而且系统完整的传统材料,从中发展新材料的机率和比例相对较低;

其二是由于基数大而增长率低这一事实并不能掩盖新兴金属材料在新材料发

展中的重要地位和作用。以上是对 80 年代的整个世界贸易中新材料市场分

析。

根据多方面预测,到 21 世纪世界钢产量仍处于上升的趋势,但各国的情

况差别很大,美国已进入饱和时期,从经济和环境保护的角度出发,他们将

减少本国的钢铁产量,进口部分钢铁并大力发展新材料;日本和欧洲共同体

已开始进入饱和态;独联体也已进入成熟时期,但其居高不下的钢产量已经

阻碍了工程塑料等新材料的发展;中国和其它发展中国家则还处在成长期,

不是什么“夕阳工业”的问题。我国居世界第四,这是仅从数量讲。更重要

是在品种、规格和质量方面,总的差距还是很大的,所以到本世纪末乃至下

世纪相当长的时期内,我国包括钢铁、有色金属等传统金属材料在内的金属

材料工业仍将处于重要的发展阶段,而新兴金属材料则更需迎头赶上世界发

展的水平,并要特别注意我国富有的稀土和硼等资源的开发和利用。

金属材料从原来几乎一统天下的地位逐渐让出部分市场并为其他新材料

所取代,这是符合历史发展规律的。但是,在可以预见的未来,金属材料仍

将占据材料工业的主导地位,这种情况在中国等发展中国家尤其如此。这是

因为金属材料工业已经拥有了一套相当成熟的生产技术和庞大的生产能力,

并且质量稳定,供应方便,在性能价格上也占有一定优势。此外,在相当长

时期内金属材料的资源是有保证的。

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