新型高性能結構材料一第一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六新型高性能結構材料

高性能結構材料是具有高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的材料，它包括新型金屬材料、高性能結構陶瓷材料和高分子材料等。

發(fā)展新型高性能結構材料將支撐交通運輸、能源動力、資源環(huán)境、電子信息、農業(yè)和建筑、航天航空、國防軍工以及國家重大工程等領域的可持續(xù)發(fā)展，對國家支柱產業(yè)的發(fā)展和國家安全的保障起著關鍵性的作用。第二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)：超硬材料

超硬材料通常是指莫氏硬度達到或接近10的材料，主要指金剛石和立方氮化硼，適于用來制造加工其他材料的工具。此外，超硬材料在光學、電學、熱學方面還具有一些特殊性能，是一種重要的功能材料。一、人造金剛石和立方氮化硼的問世瑞典ASEA公司的Liander和Lundblad在1953年成功地合成了金剛石；1957年物理化學家溫托夫（R.H.Wentorf）研制成功立方氮化硼。第三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六請同學們猜一猜合成鉆石第四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六超硬材料的發(fā)展歷程如表12-1所示。二、超硬材料的性能及應用1.天然單晶金剛石

天然金剛石是一種各向異性的單晶體。硬度達9000-10000HV，是自然界中最硬的物質，最重要的用途在于高速超精加工有色金屬及其合金。2.人造單晶金剛石

人造單晶金剛石硬度略遜于天然金剛石，其解理方向和尺寸變得可控和統(tǒng)一。第五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六時間超硬材料公司方法用途1955人造單晶金剛石美國GE高溫高壓磨料1957立方氮化硼美國GE高溫高壓磨料1977人造聚晶金剛石，立方氮化硼燒結體美國GE高溫高壓刀具1995人造單晶金剛石刀具近年人造單晶立方氮化硼刀具近年類金剛石膜刀具近年金剛石薄膜CVD刀具近年金剛石厚膜CVD刀具表12-1超硬材料發(fā)展史第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六3．人造聚晶金剛石

人造聚晶金剛石是在高溫高壓下將金剛石微粉加溶劑聚合而成的多晶體材料其硬度比天然金剛石低（6000HV左右），但抗彎強度比天然金剛石高很多主要用來制作刀具。4．化學氣相沉積金剛石膜

金剛石膜是采用化學氣相沉積(簡稱CVD)的方法制備出來的一種多晶純金剛石材料，他呈膜狀附著于基體表面，故又常稱金剛石膜。第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六5．立方氮化硼

立方氮化硼微粉的顯微硬度為8000~9000HV，僅次于金剛石，但熱硬度和熱穩(wěn)定性比金剛石高很多。立方氮化硼在1300℃時仍能保持其硬度。6．立方氮化硼燒結體

立方氮化硼燒結體具有較高的硬度(3000~5000HV)和耐磨性，并具有很高的熱穩(wěn)定性，在800℃時的硬度還高于陶瓷和硬質合金的常溫硬度。第八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)：超塑性合金一、超塑性的定義

變形所需應力卻很小，變形均勻，拉伸時不產生頸縮；無加工硬化，無彈性回復，變形后內部無殘余應力，無各向異性，這種現(xiàn)象即為超塑性。

圖12-1為Ni-Fe-Cr合金延伸率達1000%以上而無頸縮的拉伸試樣圖。第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六

超塑性合金

Superplasticalloy1超塑性合金現(xiàn)象金屬在某一小的應力狀態(tài)下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不發(fā)生斷裂，呈現(xiàn)一種異常的延伸現(xiàn)象。第十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六圖12-1Ni-Fe-Cr合金延伸率達1000%以上而無頸縮的拉伸試樣圖a拉伸試驗前；b拉伸試驗后第十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六4.3.1超塑性現(xiàn)象產生超細化晶粒；適宜的溫度和應變速率。產生超塑性的條件晶粒的超細化、等軸化以及穩(wěn)定化可通過合金化，控制凝固過程、熱處理、形變熱處理、粉末冶金、機械加工等方法來實現(xiàn)。第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六6.4.2超塑性合金類別結構類別：細晶超塑性相變超塑性合金種類：鋅基合金：巨大的無頸縮延伸率；低蠕變強度，沖壓加工性能差鋁基合金：綜合力學性能較差，室溫脆性大鎳基合金超塑性鋼：鈦基合金第十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六

金屬材料在一般條件下沒有超塑性。要使其能夠發(fā)生超塑性形變，必須具備以下三個條件：①材料必須為具有細小等軸晶粒的兩相組織，晶粒直徑必須小于10μｍ(超細晶粒)，且在超塑性形變過程中晶粒不顯著長大；②超塑性形變要求一定的溫度范圍，一般為熔點的0.5~0.65倍；③超塑性形變時的應變速率很小，一般需在0.01~0.0001/s的范圍內。第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六二、超塑性行為的產生

研究發(fā)現(xiàn)，在兩種特定的條件下，會出現(xiàn)合金的超塑性行為：如圖12-2所示。①相變超塑性②微細晶粒超塑性三、超塑性合金的應用

超塑性合金最大的應用就是航空航天材料。第十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六圖12-2常規(guī)變形和超塑性變形的內部晶粒變化示意圖(a)常規(guī)塑性變形（b）超塑性變形第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六高變形能力的應用真空成型或氣壓成型可以在密封模具內擠壓或鍛造，可以得到相當高的加工精度，并能大幅度降低加工壓力、減少加工工序尤其適于極薄板和極薄管的制造，也非常適用于加工具有極微小凹凸表面的制品。缺點是加工速度慢，效率低J

超塑性合金的應用17第十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六超塑成型第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六固相粘結能力的應用晶粒的超細化，即晶界體積比的增加使得低壓下的固相結合易于進行。超塑性合金與另一金屬壓合時，其微細晶?？梢皂樌靥畛錆M微小凸起的空間，使兩種材料間的粘結能力大大提高。利用這一點可軋合多層材料、包復材料和制造各種復合材料，獲得多種優(yōu)良性能的材料。這些性能包括結構強度和剛度、減振能力、共振點移動、韌脆轉變溫度、耐蝕及耐熱性等。J

19第十九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六減振能力的應用合金在超塑性溫度下具有使振動迅速衰減的性質，因此可將超塑性合金直接制成零件以滿足不同溫度下的減振需要。其他利用動態(tài)超塑性可將鑄鐵等難加工的材料進行彎曲變形；對于鑄鐵等焊接后易開裂的材料，在焊后于超塑性溫度保溫，可消除內應力，防止開裂；高溫苛刻條件下使用的機械、結構件的設計、生產及材料的研制。J

20第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六第三節(jié)：高溫合金、高溫合金及其分類

高溫合金是指在600～1200℃高溫下能承受一定應力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金。1．鐵基高溫合金2．鎳基高溫合金3．鈷基高溫合金

按照基體組元的不同，高溫合金可分為：第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六二、高溫合金的應用

高溫合金是航空航天動力系統(tǒng)的關鍵材料。鎳基高溫合金是航空航天發(fā)動機渦輪盤的首選材料。

按制備工藝不同，高溫合金可分為：①變形高溫合金②鑄造高溫合金③粉末冶金高溫合金第二十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六Example主要部件占發(fā)動機重量70％由超耐熱合金構成燃燒室、渦輪盤和渦輪葉片用耐高溫的Ni-Co基合金制造高壓氧渦輪泵和高壓氫渦輪泵上的葉片，都是高Cr-Co-W基耐高溫合金，通過定向凝固精密鑄造制成第二十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六第二十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六鐵基超耐熱合金基于奧氏體不銹鋼中溫（600～800℃）條件下使用鎳基超耐熱合金鎳含量一般>50%在650～1000℃范圍內具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力鈷基超耐熱合金含鈷量40～65％的奧氏體高溫合金在730～1100℃下，具有一定的高溫強度、良好的抗熱腐蝕和抗氧化能力。超耐熱合金的分類25第二十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六261超低溫對材料的特殊要求常溫以下直至絕對零度的較大溫度范圍低溫沸點天然氣：-163℃液氮：-195.8℃液氫：-253℃液氦：-269℃第四節(jié)：超低溫材料第二十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六防止低溫脆性鐵素體鋼呈體心立方結構，在溫度達到-200oC左右，就會出現(xiàn)韌性-脆性轉變。添加13％的鎳，可以使其過渡溫度下降至液氦溫度，即在液氦溫度以上不會出現(xiàn)低溫脆性。另一種方法是采用面心立方結構的金屬，例如鋁合金、奧氏體系不銹鋼等。27第二十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期六需要具備低溫下的熱性能低溫合金膨脹系數(shù)盡可能小低