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金属材料学基础知识.pdf

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金属材料 基础知识
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金属材料学基本知识介绍当前高新科学技术领域的三大支柱: n 信息技术 n 生物技术 n 新 材 料 材料科学是基础,即信 息技术和生物工程必须依 托于新材料的研究和开发. 没有新材料,就没有高技术 的应用和发展.晶体学基础 n 晶体结构 n 空间点阵 n 晶面 n 晶向 n 晶粒 n 金属的结晶过程三种典型的金属晶体结构 面心立方 体心立方 密排六方塑性的基本概念 ? 什么是塑性 塑性是金属在外力作用下产生永久变形 而不破坏其完整性的能力。单晶体的塑性变形 在常温和低温下,单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行的, 此外,尚有孪生和扭折等方式。 滑移孪生多晶体的塑性变形 n 实际使用的材料通常是由多晶体组 成的。室温下,多晶体中每个晶粒 变形的基本方式与单晶体相同,但 由于相邻晶粒之间取向不同,以及 晶界的存在,因而多晶体的变形既 需克服晶界的阻碍,又要求各晶粒 的变形相互协调与配合,故多晶体 的塑性变形较为复杂。多晶体试样 经拉伸后,每一晶粒中的滑移带都 终止在晶界附近。? 弹性(elasticity):卸载后变形可以恢复特性,可逆性 ? 塑性(plasticity):物体产生永久变形的能力,不可逆性 ? 屈服(yielding):开始产生塑性变形的临界状态 ? 损伤(damage):材料内部缺陷产生及发展的过程 ? 断裂(fracture):宏观裂纹产生、扩展到变形体破断的过程 金属材料塑性加工的几个基本概念? 可逆性:弹性变形 ——可逆;塑性变形——不可逆 ? s-e关系:弹性变形——线性;塑性变形——非线性 ? 对组织和性能的影响:弹性变形——无影响;塑性变形—— 影响大(加工硬化、晶粒细化、位错密度增加、形成织构等) ? 变形机理: 弹性变形 ——原子间距的变化; 塑性变形 ——位错运动为主 ? 弹塑性共存:整体变形中包含弹性变形和塑性变形;塑性变 形的发生必先经历弹性变形;在材料加工过程中,工件的塑 性变形与工模具的弹性变形共存。 弹性、塑性变形的力学特征提高金属塑性的主要途径 提高塑性的主要途径有以下几个方面: 1. 控制化学成分、改善组织结构,提高材料的 成分和组织的均匀性; 2. 采用合适的变形温度—速度制度; 3. 选用三向压应力较强的变形过程,减小变形 的不均匀性,尽量造成均匀的变形状态; 4. 避免加热和加工时周围介质的不良影响。钢铁材料的分类 n 按冶炼方法分类: 平炉钢、转炉钢、电炉钢 n 按用途分类:结构钢、工具钢、特殊性能钢 n 按正火组织分类:珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、 奥氏体钢 n 按化学成分分类:碳素钢、合金钢钢的热处理 n 退火 n 淬火 n 回火 n 正火 n 时效钢的合金化 n 置换固溶体 n 间隙固溶体 n 金属间化合物 钢的低倍缺陷 ?疏松 ?缩孔残余 ?偏析 ?气泡 ?裂纹 ?夹杂 钢的高倍缺陷 ?带状组织 ?液析 ?非金属夹杂物铸 铁 n 白口铸铁 n 麻口铸铁 n 灰口铸铁有色金属及其合金 n 轻金属 比重小于3.5的金属,如铝、镁、铍、锂等 n 重金属 比重大于3.5的金属,如铜、锌、铅、镍等 n 贵金属 金、银、铂等 n 稀有金属 钨、钼、钒、钛等 n 放射性金属 镭、铀等 3 . 6 8 ? 2 . 6 5 ? 3.68 2.65铜及其合金 铜的导电、导热性好,仅次于银位居第二位。 工业纯金属的导电导热性:银、铜、金、铝、镁、锌、镍、镉、钴、铁、 铂、锡、铅、锑 n 纯铜 :又称紫铜 n 黄铜 :铜锌合金 n 青铜 :锡青铜、铝青铜、铍青铜 n 白铜 :铜镍合金 铜的热处理:铜无同素异构转变,不能热处理强化,铜的热 处理主要是退火,包括低温退火和再结晶退火。金属基复合材料 通常按增强体的形式分类: n 连续纤维增强 n 短纤维或晶须增强 n 颗粒增强以及片层叠合继电器触点材料 n 对触点材料的要求 (1) 良好的导电性和导热性。这是对触点材料的基本要求, 材料本身要具有低而稳定的电阻,同时在工作一段时间后, 要保证接触电阻不会急剧增大,温度不会升高太多。 (2) 耐电磨损。小型化的大功率继电器无疑会使触点材料在 大电流、高电压下工作,而且由于触点尺寸较小,承受的电 流密度较大,触点材料必须要能经受强电弧的侵蚀,保证有 足够的使用寿命。 (3) 抗熔焊能力强。小型大功率继电器在使用中往往还存在 着大的浪涌电流,极易造成触点熔焊或剧烈烧损,触点材 料在选择材料成分和结构时要充分考虑到这一点。 (4) 良好的机械加工性。触点材料要加工成各种形状,特别 是大量的铆钉型触点,材料应具有高强度兼顾很好的塑性。继电器触点材料 n AgNi n AgCdO 1972 年日本限制使用AgCdO 触点材料并寻找代替品, ?随后美国、法国、英国等也相继研制AgCdO的代替品。 2004年8月欧洲议会和欧盟部长理事会共同批准了《关于 限制在电子电气设备中使用某些有害物质的指令》,要求 各成员国确保从2006年7月1日起投放于市场的新的电子和 电器设备不包含铅、汞、镉等六种有害物质,并规定了六 种有害物质的浓度上限,要求同质物料所含铅、汞、镉等 的最高浓度不得超过重量的0.01%(100ppm)。继电器触点材料 AgSnO 2 ?被认为是最有可能替代AgCdO的触点材料 AgCdO的特点: 1. CdO在高温分解成Cd蒸气和氧气,体积增大几个数量级, 产生剧烈的蒸发,起到吹弧作用,并清洁触点表面 2. CdO分解时吸收大量的热,有利于电弧的冷却与熄灭 3. 弥散的CdO微粒能增加熔融材料的粘度,减少金属的飞 溅损耗。 AgSnO 2 ?的特点: SnO 2 的耐高温性能好,熔融的Ag对SnO 2 的润湿性差影响触点材料电寿命的因素 n 1)组元的影响 对触点材料抗电弧侵蚀性能影响重大的三个方面是: ?(a) 液态银对第二组份的润湿性; (b) 分散体系的粘性; ?(c)MeO组份的分布及热稳定性。 n 2)组织的影响 在一定组元条件下,材料的组织结构对电寿命的影响 也是关键的因素。组织的优化设计包括下述内容:(1) MeO 的粒度: 适度(应可控制);(2) MeO的体积分数: 适度; (3) MeO 颗粒在Ag 基体中的分布状况: 均匀分布在Ag 基 体中而不是在Ag 晶界上;(4) 孔隙大小: 愈小愈好;(5) ?孔隙含量: 愈少愈好;(6) 孔隙在材料中的分布状况: 均 匀分布在Ag基体中最好;(7) MeO与Ag界面结合强度: 愈 强愈好;(8) MeO与Ag熔液的润湿程度: 润湿角愈小愈好。继电器触点材料的制备方法 内氧化法 粉末冶金法 高压内氧化法 化学共沉淀法 反应合成法 反应喷雾法 预氧化法金属功能材料 n 按性能分主要包括: 磁性、电性、力学、声学、热学、光学、化学、生物功能材料 和特种功能材料 n 当前研究比较多的功能材料有: 1. 金属软磁材料 2. 稀土永磁合金 3. 纳米材料 4. 稀土功能材料 5. 大块非晶材料 6. 真空快淬材料 7. 磁性形状记忆合金纳米材料材料科学与纳米技术 v 纳米技术(主要应用于纳米材料和纳米器 件两个方面)是材料科学的重要支撑,即对原 子和分子进行加工,并将其组装成具有特定 功能的结构。 v 纳米技术所引起的世界性技术革命和产业 革命,将会比历史上任何一次技术革命对社 会经济、政治、国防等领域所产生的冲击更 为巨大。磁性材料 n 抗磁性物质 n 顺磁性物质 n 铁磁性物质 n 软磁材料 n 硬磁材料(永磁材料)形状记忆合金 42 44 46 48 50 0 500 1000 1500 2000 203K 213K 223K 228K 233K 238K 243K 248K 253K 258K 263K 268K 273K 283K 298K Intensity (cps) 2theta (deg.) 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0 50 100 150 200 250 300 350 400 1033K 953K 873K 833K 713K 633K 553K 473K 393K 313KIntensity (cps) 2theta (deg.)大磁致伸缩材料 72.4 72.6 72.8 73.0 73.2 73.4 0 500 1000 1500Intensity (cps) 2theta (deg.)磁控形状记忆材料金属材料检测分析 n 力学性能检测 n 残余应力检测 n 缺陷检测 n 微观组织检测 n 晶粒度、颗粒度检测 n 磁性能检测 n 电性能检测

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