金属多孔材料的研究现状与发展前景

金属多孔材料的研究现状与发展前景
金属多孔材料的研究现状与发展前景

金属多孔材料的研究现状与发展前景

摘要:介绍了金属多孔材料的制备方法、应用、发展方向以及前景。

关键字:金属多孔材料;制备方法;应用

1 引言

金属多孔材料是一类具有明显孔隙特征的金属材料(孔隙率可达98%),由于孔隙的存在而呈现出一系列有别于金属致密材料的特殊功能,广泛应用于冶金机械、石油化工、能源环保、国防军工、核技术和生物制药等工业过程中的过滤分离、流体渗透与分布控制、流态化、高效燃烧、强化传质传热、阻燃防爆等,是上述工业实现技术突破的关键材料。

近年来金属多孔材料的开发和应用日益受到人们的关注。金属多孔(泡沫金属)材料是20世纪80年代后期国际上迅速发展起来的,是由刚性骨架和内部的孔洞组成,具有优异的物理特性和良好的机械性能的新型工程材料。它具备的优异物理性能,如密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高,使其应用领域已扩展到航空、电子、医用材料及生物化学领域等。通孔的金属多孔材料还具有换热散热能力强、渗透性好、热导率高等优点;而闭孔金属多孔材料的物理特性则与通孔的相反。为了得到不同性能的多孔金属,各种制备方法被相继提出,如直接发泡法,精密铸造法,气泡法,烧结法和电沉积法等[1,2]。

2 金属多孔材料制备方法

2.1 从液态(熔融)金属开始制备

2.1.1熔体发泡法

在一定的条件下金属熔体中可生成气泡,并且一般情况下多数气泡由于浮力作用会迅速上升到液体表面而溢出。为了使更多气泡留在熔体中,可在其中加入增粘剂来阻碍气泡的上浮。19世纪60至70年代,人们就已经尝试用这种方法制备铝、镁、锌及其合金的泡沫材料。过去的10年中,又涌现出了大量的新思路、新工艺,其中有两种熔体发泡工艺特别具有发展前景:其一是直接将气体通入金属熔体中,其二是将发泡剂加入熔体中,发泡剂分解释放大量气体[3]。

①直接吹气法:首先在熔融的金属中加入增粘剂以防止气泡从熔体中逸出。随后,采用旋转浆或振动的喷嘴将发泡气体(空气、氮气、二氧化碳、氩气等)通入熔体中,旋转浆或喷嘴的作用是在熔体中产生足够多的优良气泡并使他们分布均匀。常用的增粘剂包括碳化硅、氧化铝以及氧化镁,加入量一般为10%~20%(质量分数)。增粘剂的加入量和颗粒尺寸有一个适当的范围,太高或太低均会影响金属多孔材料的制备。直接吹气法制备的金属多孔材料的孔隙率为80%~90%,密度为0.69g/cm3~0.54g/cm3,气孔的平均尺寸为3mm~5mm,气泡壁厚为50um~85um。通过调整注入气体的流量和其他参数可以得到不同孔隙率的金属多孔材料。国外已把这种工艺用于连续生产泡沫铝中,铝板的产量可达900 kg/h。

②发泡剂发泡法:将发泡剂加入熔融金属中分解而产生气体,由于气体受热膨胀而使熔融金属发泡。发泡后,经冷却即获得金属多孔材料。熔体的粘度直接影响多孔金属的品质。这种方法的优点是可制得非常均匀的金属多孔材料,并且气孔平均尺寸和熔体粘度以及多孔金属密度和粘度之间存在关系,使孔径可控。

常用发泡剂为金属氢化物,如生产多孔铝采用TiH

2、ZrH

2

和CaH

2

等。常用的增粘

剂为金属Ca和Mn0

2

,还有原位金属的氧化物等。

2.1.2固体一气体共晶凝固法(Gasars)

这种方法是乌克兰科学家1993年在专利中提出来的,依据是H:能于金属液

体形成共晶系统。在高压H

2

下(5×106Pa)能获得含氢的均匀金属液,如果降低

温度通过定向凝固将发生共晶转变,H:在凝固区域内含量增加,并且形成气泡。因为体系压力决定共晶组成,所以外部压力和氢含量必须协调好[4]。最终孔的形状主要取决于氢含量、金属液外部压力、凝固的方向和速率(一般速度为0.05mm/s~5mm/s)、金属液的化学成分。该方法制得的多孔材料具有平行于凝固方向拉长的圆柱状孔洞,气孔的尺寸一般不均匀,且对设备的要求比较高。

Gasar技术已用来生产许多金属多孔材料,如Ni、Cu、Al、Mo、Be、Co、Cr、W、青铜、铜和不锈钢等。

2.1.3粉体发泡法

该法是将金属粉末或合金粉末与发泡剂粉末按一定的配比混合均匀,再将其压制成密实的预制品,然后升温到基体金属的熔点附近,使发泡剂分解释放出

的气体迫使压实的预制品膨胀成为泡沫金属。常用的发泡剂有TiH

2、ZrH

2

等,一

般氢化物的含量不高于3%,如果制备泡沫铁,则用碳化物(如SrC0

3

)做发泡剂。该法可以制备形状复杂的半成品尺寸的工件,若在其表面粘结或轧制成金属板则

可以得到三明治式的复合材料。

2.1.4熔铸法

①熔模熔铸法:该法是先将泡沫塑料发泡成型,再将其浸入到液态耐火材料中,使耐火材料填充泡沫塑料孔隙。在耐火材料硬化后,加热升温使泡沫塑料气化分解,形成一个具有原泡沫塑料形状的三维骨架,将液态金属液浇注到模具内,凝固后除去耐火材料,就可获得具有三维网状的通孔金属多孔材料。所用的耐火材料一般为酚醛树脂、碳酸钙或石膏的混合物。此法的难点在于如何使金属液充分填充到模型中,以及如何在不破坏金属多孔结构的同时除去耐热模型。优点是可制备多种金属多孔材料,并且可以得到开孔结构,生产重复性好,有相对稳定的密度。

②渗流铸造法:该法是将可燃性粒子、可溶性粒子或低密度的中空球状颗粒放置于铸模内,然后浇注使熔融金属液渗入其中形成复合体,冷却凝固后用适当的方法除去复合体中的颗粒载体,从而得到多孔金属材料。由于界面张力缘故,金属有时不能进入到粒状物料周围的缝隙中,因此需要在熔体表面施加压力或使模具具有适当的负压才可达到浇注目的。

该法是目前制备通孔金属多孔材料最为有效的方法之一,可用于制备多孔不锈钢、多孔铸铁、多孔镍、多孔铝、多孔铜等以及它们的合金。它的优点是通过控制造孔剂颗粒大小来控制孔径大小,缺点是最大孔隙率不超过80%。

2.1.5喷雾发泡法

该法是将金属熔体雾化成小液滴并在基底沿一定形状(若相关参数控制得当可形成片状、管状等)形成沉积层。然后使氧化物、碳化物或纯金属粉末被小液滴润湿并通过化学反应而沉积在基底上。由于金属粉末会在雾化了的熔体中分解并释放大量气体,凝固后在沉积层中就会产生大量气孔。采用该法已制成泡沫铁,该方法的缺点是气孔分布不均匀,气孔率最高只有60%。

2.2从固态金属粉末开始制备

2.2.1金属粉末或纤维烧结法[5]

粉末烧结是把适当尺寸的金属粒子填入模具成形,然后进行无压烧结从而获得多孔烧结体。所得产品孔隙率一般在40%~60%。为了提高孔率,常加入造孔剂,造孔剂在烧结时分解或挥发,也可通过升华或水溶去除。该法的优点是工艺简单、成本低,缺点是孔隙率不高、材料强度低。如果用纤维代替粉末烧结同样可制得多孔材料。

纤维烧结是用金属纤维代替颗粒,所制得的泡沫体孔隙率可达98%,在最大的孔隙率下仍然保持了材料的结构性能。在相同的孔隙率下,其强度比金属粉末烧结高出几倍。

2.2.2气体夹带法

该法系将金属粉末压成一密实的坯块,在压制的同时让气体夹在其中,然后加热坯块,由于气体的内压使坯块受热而得到泡沫金属。由于膨胀是在固态下发生的,因此称之为固态蠕变更为确切。

2.2.3料浆发泡法

将金属粉末、发泡剂和反应添加剂一起制成混合料浆后,填入模具内并升温,发泡剂受热产生气体滞留于有一定粘度的浆料中,最后经烧结、干燥而制成得多孔材料。该法可用来制备Be、Ni、Fe、Cu、A1及不锈钢和青铜等多孔材料[6]。该制备方法存在的主要问题是材料强度不足且产品内部易生成裂纹。

2.2.4海绵浸浆烧结法

将海绵状材料(如天然或人工合成的塑料海绵)浸入待加工金属粉末的浆液之中,使海绵吸附达饱和。取出干燥后,在高温下使海绵状材料分解或热解,最后将留下的金属体在更高的温度下进一步加热烧结,冷却后即可得到高孔隙率的三维孔结构的固体多孔材料。

2.2.5中空球料烧结法

将中空球体粘结起来再烧结可制得多孔材料,这些中空球料可由铜、镍、铁、或钛等制成。一般来说球体的直径为0.8mm~8mm,壁厚10mm~100mm。制备这些中空球料的方法很多:可以用化学或电沉积法将金属镀在聚合物球体上,再将聚合物去除。也可用金属粉末悬浮体将球体的聚合物(如聚苯乙烯)包裹起来,再将其去除,烧结后即可得到密实的金属外壳。

该法的特点是孔的尺寸分布不是随机的,可通过中空球体的选择而得到最适当的尺寸,因此其机械或其他物理性能也是可以预测的。

2.2.6混合反应烧结法[7]

由于同一系统中不同组分的扩散系数不同,金属粉末混合物如Ti+Al,Fe+A1或Ti+Si经反应烧结而形成多孔材料。

2.3从金属离子开始(电沉积法)

电沉积法是从金属的离子状态开始的,如电解液中的离子溶液。该法是用电化学的方法将金属沉积在易分解的薄膜有机物上,然后用热处理的方法将有机

物除掉,进而烧结得到多孔金属。由于泡沫有机物不导电,故需将其浸入导电浆料中进行导电化处理(电镀),从而在多孔基体孔隙表面形成导电性高分子层。借助于已经比较成熟的电镀工艺,常见的镀液金属有Cu、Ni、Fe、Co、Ag、Au和Pd 等,以Cu、Ni最为常用;也可电镀合金,如黄铜、青铜、钴一镍合金、铜一锌合金等。一些不适宜用水溶液电解的金属,可用特殊镀液,如铝和锗经常在有机镀液中电解或溶盐电解。

该法的特点是孔隙率高且孔隙分布非常均匀,但生产工序长、操作繁琐、成本稍高。采用此法可制备泡沫镍、铝、铜、铁、银、金、钻等薄膜材料。

2.4从气态金属或其化合物开始(气相沉积法)

气相沉积法是气相法制备金属泡沫材料的主要方法,主要原理是在真空下将液体金属挥发成金属蒸汽,然后沉积在一定形状的基底上,形成一定厚度的金属沉积层。基底材料一般为网状聚亚胺酯或其他聚合物。冷却后采用化学或热处理的方法将聚合物去除,得到通孔金属多孔材料。缺点是操作条件要求严格,沉积速度慢、投资大、生产成本高。

3 金属多孔材料的应用(节能环保方面)

3.1高效洁净能源利用一一表面燃烧技术

表面燃烧技术是近10年来发展起来的具有高效节能,低污染的新型燃烧技术,其核心是多孔材料燃烧器。表面燃烧器的特点是燃烧区向预混气体进行热量反馈,如图1所示,对预混气进行预热,从而起到稳定火焰的作用。预热区多孔体接受来自燃烧区经辐射和传导传递的热量而升温。当预混气流经预热区时,将受到对流加热。所以气体流经预热区的过程即是气流本身受到预热的过程。经预热后的预混气进入燃烧区,边流动边燃烧,完成化学反应和能量释放。燃烧产物旋绕地(无序多孔体)流经多孔体至出口,从而对流加热多孔体。最后大部分热能由燃烧区多孔体最终以辐射形式传递到其周围。由燃烧区经辐射和传导反馈给上游未燃气体的热量能提高层流火焰速率,从而导致高的容积释热率和快的有效火焰速率(湍流火焰是层流火焰的叠加)。相对于自由空间的燃烧,多孔体燃烧器具有高热效率,高燃烧速率,贫燃极限高(即低热值燃料可燃烧),高的辐射输出(有利于定向、均匀、干净无接触加热),均匀燃烧温度,较大的燃烧当量比,极低的污染物排放等优点[8]。

图l 多孔材料燃烧器的工作原理示意图

Fig.1 Work principle of porous bumer

0,等陶瓷泡沫或纤维制作,由于陶瓷泡沫或表面燃烧器最初是由SiC和A1

2

纤维制作困难、成本高、易碎、不耐热震、导热率低等原因而难以达到实用化的要求。近年来,随着FeCrAl、NiAl等耐高温抗氧化金属合金纤维多孔材料的发展,表面燃烧器开始使用金属纤维多孔材料来取代陶瓷纤维材料。同时,随着表面催化燃烧和气流梯度燃烧技术的发展,燃气混合物通过纤维在多孔体内和表面发生燃烧,燃烧时辉光炽热温度降低到1100℃以内,从而促进金属纤维燃烧器的发展。

任何气体和液体燃料(甚至固体颗粒燃料)均可采用金属纤维表面燃烧技术,同时我国储量最大的煤也可经过汽化或液化后采用金属纤维燃烧器燃烧。金属纤维燃烧器高的纳污量还可容纳燃烧粉尘(如煤粉),同时实现有害气体和粉尘的极低排放,是真正的洁净燃烧。

3.2高温气体净化技术[9]

高温气体的净化除尘是实现高温气体资源合理利用必不可少的关键技术,同时也是一项先进的环保技术。

在现代工业生产过程中,涉及含尘气体在高温下直接净化除尘和应用的领域十分广泛,如能源工业中,整体煤气联合循环(IGCC)和增压流化床联合循环(PFBC2CC)两种先进的燃煤联合循环(ACPcC)发电技术的高温气体。我国电站烟气净化尚处初级阶段。90%的火电站装了除尘器,平均除尘效率90%,其中静电除尘

仅占总数的12%,除尘效率96%。新建大型电站靠高烟囱(210m以上)扩散,扩散效果虽不差,可减轻城市粉尘污染,但不能解决有害气体的污染问题。国外目前正在研究开发先进的脱硫工艺,以及可以同时脱除90%以上SO和N0。的烟气净化新技术。我国金属多孔催化过滤材料的开发,将实现除尘、脱硫、脱硝一体化,除尘效率可达99%以上。另外石化和化工工业的高温反应气体,冶金工业高炉与转炉高温煤气,玻璃工业的高温尾气,锅炉、焚烧炉的高温废气等等。这些气体产物如处理不当,一方面会造成严重的大气污染,特别是空气中含有大量的有害气体和细小的悬浮颗粒物(如10um以下的细小粉尘),不仅妨碍植物的光合作用,影响气候,腐蚀道桥及建筑物,还使人类的心血管疾病、呼吸道疾病特别是肺癌的发病率与死亡率增加。为此,国家环保部门严格规定了新建或改造的锅炉除尘设备排尘质量标准要求,并且对微细粒子的控制已进入实施阶段。另一方面,由于高温工业气体含有大量的物理显热、化学潜热、动力能以及可利用的物质,如固体催化剂,它的合理利用有着十分巨大的经济价值。

高温气体介质过滤除尘技术的核心是高温过滤材料。由于工作温度高、气体腐蚀性强等特点,对高温气体除尘用过滤材料有很高的要求。它需要具有:(1) 较高的除尘效率、良好的气体渗透性;(2)较高的强度、韧性和耐热性,以及优良的抗热震性;(3)优良的耐高温气体腐蚀能力和化学相对稳定性;(4)再生性能好,使用寿命长;(5)良好的经济性。

针对中高温气体除尘,目前国内外研究较多的是陶瓷和金属多孔材料。陶瓷材料虽然具有优良的热稳定性和化学稳定性,它的工作温度可高达1000℃,并且在氧化、还原等高温环境下具有很好的抗腐蚀性,但陶瓷过滤材料的缺点是性脆,抗热震性极差,很难推广应用。

自20世纪90年代开始,为了从根本上解决陶瓷过滤材料的抗热震性不好、可靠性不高的问题,并保证材料优良的高温耐腐蚀性能,西方国家开展了高性能烧结金属多孔过滤材料的研究,开展了Haynes合金、FeCrAl合金、Fe3A1金属间化合物、Hastelloy合金、Ineonel合金、310S等高性能烧结金属过滤材料的研制。美国Pall和Mott公司分别开发了FeCrAl、Hastelloy合金、3 lOs、Inconel 601等烧结金属粉末多孔材料,英国Povair、比利时Bekean、美国US filter等公司分别开发FeCrAl、Haynes230、Haynes214等烧结金属纤维多孔材料。

在各种苛刻的加热条件下,金属过滤材料都表现了很好的抗热震性。一些材料如FeCrAl、FeAl金属间化合物等具有优良的抗氧化和硫腐蚀能力,它们在600

℃~800℃条件下工作6000多小时后,仍然保持完好。

试验分析表明,HastelloY合金、HayHes230、Ineonel601、310S等可在800℃氧化环境下正常工作;FecrAl、Fe,A1合金等可在700℃还原环境下稳定工作,净化后煤气含尘量达到了10 mg/Nm3以下,过滤效果达到了99.9%,达到较好的除尘效果。已成功应用于美国SOUTHERN公司及日本EAGLE工厂中的IGCC工业化示范电站的高温煤气净化。

Al、310S等先进金属过滤材料的研制和310S 我国有关研究单位也开展了Fe

3

烧结金属丝网高温煤气除尘中试研究,试验温度580℃~620℃,试验压力1.0MPa~1.1MPa,净化后煤气含尘量为10m/Nm3以下,过滤效果达99.9%。310S 烧结金属丝网过滤材料工作稳定,具有很好的反吹再生性能。

3.3汽车尾气净化[10]

随着汽车工业快速发展,汽车尾气污染日益严重。研究表明:大城市中40%以上的NOx,80%以上的CO和70%以上的HC来自汽车尾气。

目前降低尾气排放最为经济有效的措施为尾气净化,尾气净化装置最关键的部件为催化剂载体,载体的性能直接影响着催化剂的活性及净化效果。催化剂的载体应满足以下要求:(1)高的热稳定性。汽车发动机的排气温度范围较宽,怠速时为200℃~300℃,全负荷运转时达700℃~800℃,在上坡或加速工况时,反应器温度可达1000℃以上。因此,载体要有很高的热稳定性。(2)良好的机械强度。催化剂固定在汽车排气尾管(催化转化器)中,要承受高温腐蚀性气流的冲击和长期的振动。因此要求载体具有良好的耐冲击和耐振动性能。(3)大的比表面积。大比表面有利于催化剂活性组分的高度分散,对提高催化剂的活性极为有利。

(4)良好的导热性能。汽车冷启动时排气温度低,难以达到一般催化剂正常的工作温度(300℃~400℃),良好的导热性能可使催化剂快速升温,降低冷启动时C0和HC的排放。

汽车尾气净化载体过去常使用陶瓷多孔材料,陶瓷材料具有优异的耐高温、抗氧化性能,然而,其强度、抗热震性能及导热性能均不理想,致使净化效果较差、使用寿命也短。近年来,随着欧Ⅵ标准的执行,以及高温抗氧化金属多孔材料的发展,国外已开始用Fe-Cr-Al合金材料制备的多孔载体取代多孔陶瓷。3.4 节能新技术—热管技术[11]

热管技术,是一种具有很高传热性能的元件。由于它具有超常的热传导能力,而且几乎没有热损耗,因此它被称作传热超导体,其导热系数为铜的数千倍。它

由壳体和内装的多孔芯组成,其关键是内装多孔芯,该芯体通常由铜、镍、不锈钢等纤维毡制成,称为毛细管灯芯材料。其原理是利用封闭在管壳内的工作液体的相变(沸腾、凝结)来传递热量。当蒸汽流向冷凝段,冷凝段由于受到冷却使蒸汽凝结成液体,液体再沿导热性好的金属多孔材料借助毛细管的作用流回蒸发段,如此循环不已。

热管除有极高的导热性、良好的等温性外,还具有冷热两侧的传热面积可随意改变,可远距离传热、可控制温度等优点,相比于传统金属散热器,具备低噪声、高效能的技术优势,实现了“绿色”散热。因此自诞生之日起即应用于宇航、军工等行业,而今在冶金、化工、交通、机械以及电子技术等行业都有了广泛应用。距离我们最近的热管技术应用是日渐风行的PC机中的热管散热器,具有质量轻、尺寸小、结构紧凑、被动散热的特点,目前已有商家将之应用于CPU、GPU以及笔记本电脑的散热系统中。用金属纤维毡装配的热管用于热交换器时,热效率为普通热交换器的4倍,用复合金属丝网作为孔芯时,热效率提高6倍。铜和铜合金纤维多孔材料是热管传热芯和热交换器的最佳用材。

4 金属多孔材料发展方向及前景

目前对金属多孔材料研究对象主要为多孔铝,应在研究多孔铝的基础上进一步研究其他金属,特别是高熔点金属为基体的金属多孔材料,如多孔Ni、Ti等。需研究适合工业推广应用的制备方法,制定出正确的生产工艺规程,以获得高性能的金属多孔材料;还要不断探索精确控制多孔金属的孔径的方法、并对影响气孔分布、大小、形状的因素进行系统深入的研究分析。金属多孔材料性能方面的研究还需不断深入,没有一套系统的应用理论或数学模型,尤其力学性能的研究多数只是单轴抗压力一应变的实验结果报告,有待于进一步研究其作用机制。另外对多轴弯曲后的行为一疲劳、蠕变、断裂等方面的力学性能研究国外只有少量报道,国内在这方面的报道更少,而这方面的基础研究显然会推动多孔泡沫金属制备方法的进一步完善,开发其新的功能拓宽其应用领域,为此应加强这方面的研究[12]。金属多孔材料的研究涉及到许多种学科,是一个交叉综合的多学科领域。目前对金属多孔材料的研究多为冶金或金属材料工作者采用单学科方法进行的,这就需要加强基础理论与相关交叉学科知识的学习。结合现代高新技术,如引入计算机技术,对其成形机理,孔隙结构及其分布的内容进行模拟,更快的推进泡沫金属的批量生产和产业化进程。扩大其在工业领域的应用范围。

金属多孔材料随着现代工业的发展,呈现了功能性强、应用面广、新品种不断涌现、使用空间不断拓展的景象,其制备方法也随之有了巨大发展,形成了多学科并存的制备技术体系,利用这些新的制备技术已开发出一系列新的材质、新型孔结构及孔隙性能的金属多孔材料,并且很快进入了实际应用。流体动力成型、振动成型、电磁场脉冲成型工艺成功地制取了孔径分布均匀的大尺寸、超薄结构和梯度结构多孔材料并获得优异的性能[13];瞬时液相烧结技术提高了纤维毡的强度;大孔金属空心球制备技术用于制取超轻结构件;随着金属膜以及纳米材料的出现,产生了自组装、流体沉积和电化学腐蚀等技术;近年来应用了金属/气体共晶定向凝固技术(GASAR)工艺制备了藕状金属多孔材料。今后金属多孔材料的制备仍然以传统粉末冶金技术为基础,除对上述新制备技术进行进一步的深入研究外,还应加强金属。陶瓷复合多孔材料、金属复合多孔催化材料、高精度及大流通能力梯度复合结构金属多孔材料的制备技术研究。在我国高效洁净能量转化与环境净化的更高要求的背景下,金属多孔材料的制各技术将会得到更快的发展。

参考文献

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[13]杨保军,奚正平,汤慧萍,王培,汪强兵,刘忠军.金属多孔材料梯度层最佳厚度的研究.稀有金属材料与工程,2009,38(12):2217-2221

南航金属材料学期末考试重点(带答案)

1.试述碳素钢中C的作用。(书上没有,百度的) 答:随C含量的增加,其强度和硬度增加,而塑性韧性和焊接性下降。当含碳量大于0.25时可焊性变差,故压力管道中一般采用含碳量小于0.25的钢。含碳量的增加,其球化和石墨化的倾向增加。 2.描述下列元素在普通碳素钢的作用:(a)锰、(b)硫、(c)磷、(d)硅。(P5、P6) 答:Mn在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶,也可形成高熔点MnS(1600℃)夹杂物。 MnS在高温下具有一定的塑性,不会使钢发生热脆,加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。 Si在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶,也可形成SiO2夹杂物。夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。S是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的溶解度极小。 S和Fe能形成FeS,并易于形成低熔点共晶。发生热脆 (裂)。P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶于α-铁。但剧烈地降低钢的韧性,特别是低温韧性,称为冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。S和P还可以改善钢的切削加工性能。 3.描述下列元素在普通碳素钢的作用:(a)氮、(b)氢、(c)氧。(P6) 答:N在α-铁中可溶解,含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物—机械时效或应变时效,降低钢的性能。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物,有细化晶粒和沉淀强化。H在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。常见的有白点和氢致延滞断裂。 O在钢中形成硅酸盐2MnO?SiO2、MnO?SiO2或复合氧化物MgO?Al2O3、MnO?Al2O3。 4.为什么钢中的硫化锰夹杂要比硫化亚铁夹杂好? (P5) 答:硫化锰为高熔点的硫化物(1600),在高温下具有一定的塑性,不会使钢发生热脆。而硫化铁的熔点较低,容易形成低熔点共晶,沿晶界分布,在高温下共晶体将熔化,引起热脆。 5. 当轧制时,硫化锰在轧制方向上被拉长。在轧制板材时,这种夹杂的缺点是什么? (P5) 答:这些夹杂物将使钢的疲劳强度和塑性韧性下降,当钢中含有大量硫化物时,轧成钢板后会造成分层。 6.对工程应用来说,普通碳素钢的主要局限性是哪些? 答:弹性模量小,不能保证足够的刚度;抗塑性变形和断裂的能力较差;缺口敏感性及冷脆性较大;耐大气腐蚀和海水腐蚀性能差;含碳量高,没有添加合金元素,工艺性差. 7.列举五个原因说明为什么要向普通碳素钢中添加合金元素以制造合金钢? 答:提高淬透性;提高回火稳定性;使钢产生二次硬化;(老师课上只说了这三点) 8、哪些合金元素溶解于合金钢的铁素体?哪些合金元素分布在合金钢的铁素体和碳化物相之间?按照形成碳化物的倾向递增的顺序将它们列出。(P17—P18) 答:①Si、Al、Cr、W、Mo、V、Ti、P、Be、B、Nb、Zr、Ta②Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr 9、叙述1.0~1.8%锰添加剂强化普通碳素钢的机理。 答:①锰可以作为置换溶质原子形成置换固溶体,通过弹性应力场交互作用、电交互作用、化学交互作用阻碍位错运动;②增加过冷奥氏体稳定性,使C曲线右移,在同样的冷却条件下,可以得到片间距细小的珠光体,同时还可起到细化铁素体晶粒的作用,从而达到晶界强化的目的。③促进淬火效应。淬火后希望获得板条马氏体,造成位错型亚结构。 ④通过降低层错能,使位错易于扩展和形成层错,增加位错交互作用,防止交叉滑移。 10、合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素?哪些是奥氏体形成元素?哪些能在α-Fe中形成无限固溶体?哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体?(P15-P16) 答:①V、Cr、W、Mo、Ti、Al②Mn、Co、Ni、Cu ③V、Cr、W、Mo、Ti、Al ④Mn、Co、Ni 11、钢中常见的碳化物类型主要有六种,例如M6C就是其中的一种,另外还有其它哪五种?哪一种碳化物最不稳定? 答:①MeX、Me2X、Me3X、Me7X3、Me23X6②Me3X

金属材料与人类社会的发展

金属材料与人类社会的发展 概要: 金属是人类历史发展中最不可或缺的材料,更是人类社会进步的关键所在,本篇论文将围绕金属在人类社会中的地位,应用等方面展开。主要论述金属材料与人类社会之间的关系,回顾金属过去在人类历史中的作用,分析其在现代社会的地位,并且展望金属才来的在未来的发展前景。 正文: 从100万年以前,原始人以石头作为工具,称旧石器时代。1万年以前,人类对石器进行加工,使之成为器皿和精致的工具,从而进入新石器时代。现在考古发掘证明我国在八千多年前已经制成实用的陶器,在六千多年前已经冶炼出黄铜,在四千多年前已有简单的青铜工具,在三千多年前已用陨铁制造兵器。我们的祖先在二千五百多年前的春秋时期已会冶炼生铁,比欧洲要早一千八百多年以上。18世纪,钢铁工业的发展,成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶,现代平炉和转炉镍管炼钢技术的出现,使人类真正进入了钢铁时代。与此同时,铜、铅、锌也大量得到应用,铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。至今,金属材料在材料工业中一直占有主导地位。金属材料可以说是人类社会发展的全称见证者,我之所以那么说,是与他在人类社会各个转型期所起到的举足轻重的作用所分不开的。作为人类最早发现并开始加以利用的一种材料,金属可以说从方方面面影响着人类的历史发展进程。从最初把金属打造成狩猎武器到如今人类的生活已完全离不开金属,可见金属早已融入了整个人类社会,那么金属在人类社会中的过去,现在和将来又会是什么样的呢? 金属的在人类社会的过去时中扮演的角色多为一个时期的社会性质的缩影。如新石器时代,青铜器时代等等,而之所会如此为这些时代命名,归根结底,最主要的原因,便是人类在这一石器开发出了某种新的金属,而这一金属几乎决定了人类在这一时期的文明发展进程。如在战国石器,由于铁器的发明和使用,既解放了农村的大量生产力,又在投入战争使用后,大大缩短了战争的进程,从而加速了整个国家的统一,结束了乱世的局面,使得我国文明在一段动荡时期后能够继续得以正常的发展。其中,金属在武器方面的贡献主要在冷兵

无机非金属材料的应用现状与发展趋势

非金属材料的应用现状与发展趋势 无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。无机非金属材料工程是材料学中的一个专业。无机非金属材料工程是为了培养具备无机非金属材料及其复合材料科学与工程方面的知识,能在无机非金属材料结构研究与分析、材料的制备、材料成型与加工等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作的高级工程技术人才。 本专业学生主要学习无机非金属材料及复合材料的生产过程、工艺及设备的基础理论、组成、结构、性能及生产条件间的关系,具有材料测试、生产过程设计、材料改性及研究开发新产品、新技术和设备及技术管理的能力。我国无机非金属材料工业的发展中存在很多问题,特别是传统的无机非金属材料与国外先进水平有非常大的差距,主要有: (1) 产品等级低 在传统无机非金属材料中,无论是水泥、玻璃还是陶瓷的产品等级普遍偏低。例如:发达国家的水泥熟料强度一般都在70MPa以上,而我国平均强度仅为50 MPa。我国高等级水泥(ISO≥)仅占18%,大量生产的是中、低等级水泥(ISO≤),而很多发达国家的高等级水泥占90%以上。 (2) 资源消耗高 在资源的消耗方面,水泥和陶瓷工业更为突出。由于大量的无序开采,未能充分利用有限资源,造成了极大浪费。例如:生产水泥熟料的主要原料是相对优质的石灰石,其化学成份须满足CaO含量不低于45%、MgO不高于3%等要求。我国符合水泥生产要求,可以使用的量仅约250亿吨。目前每年生产水泥消耗的优质石灰石约亿吨,因此该储量仅可生产水泥熟料约200亿吨,仅能提供约40年的水泥生产

金属材料学考试题库

第一章钢中的合金元素 1、合金元素对纯铁γ相区的影响可分为哪几种 答:开启γ相区的元素:镍、锰、钴属于此类合金元素 扩展γ相区元素:碳、氮、铜属于此类合金元素 封闭γ相区的元素:钒、鈦、钨、钼、铝、磷、铬、硅属于此类合金元素 缩小γ相区的元素:硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素 2、合金元素对钢γ相区和共析点会产生很大影响,请举例说明这种影响的作用 答:合金元素对α-Fe、γ-Fe、和δ-Fe的相对稳定性以及同素异晶转变温度A3和A4均有很大影响 A、奥氏体(γ)稳定化元素 这些合金元素使A3温度下降,A4温度上升,即扩大了γ相区,它包括了以下两种情况:(1)开启γ相区的元素:镍、锰、钴属于此类合金元素 (2)扩展γ相区元素:碳、氮、铜属于此类合金元素 B、铁素体(α)稳定化元素 (1)封闭γ相区的元素:钒、鈦、钨、钼、铝、磷、铬、硅 (2)缩小γ相区的元素:硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素 3、请举例说明合金元素对Fe-C相图中共析温度和共析点有哪些影响 答: 1、改变了奥氏体相区的位置和共析温度 扩大γ相区元素:降低了A3,降低了A1 缩小γ相区元素:升高了A3,升高了A1 2、改变了共析体的含量 所有的元素都降低共析体含量 第二章合金的相组成 1、什么元素可与γ-Fe形成固溶体,为什么

答:镍可与γ-Fe形成无限固溶体 决定组元在置换固溶体中的溶解条件是: 1、溶质与溶剂的点阵相同 2、原子尺寸因素(形成无限固溶体时,两者之差不大于8%) 3、组元的电子结构(即组元在周期表中的相对位置) 2、间隙固溶体的溶解度取决于什么举例说明 答:组元在间隙固溶体中的溶解度取决于: 1、溶剂金属的晶体结构 2、间隙元素的尺寸结构 例如:碳、氮在钢中的溶解度,由于氮原子小,所以在α-Fe中溶解度大。 3、请举例说明几种强、中等强、弱碳化物形成元素 答:铪、锆、鈦、铌、钒是强碳化物形成元素;形成最稳定的MC型碳化物钨、钼、铬是中等强碳化物形成元素 锰、铁、铬是弱碳化物形成元素 第四章合金元素和强韧化 1、请简述钢的强化途径和措施 答:固溶强化 细化晶粒强化 位错密度和缺陷密度引起的强化 析出碳化物弥散强化 2、请简述钢的韧化途径和措施 答:细化晶粒 降低有害元素含量 调整合金元素含量

金属材料就业前景

金属材料就业前景文件排版存档编号:[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]

金属材料就业前景 金属材料就业方向与前景 本人是材料学院的学生,我们学院下设四个专业方向,分别是:金属材料、无机非金属材料、太阳能光伏材料、高分子材料。总体来说,高分子的就业前景最好,其次是金属材料。由于光伏材料是我院第一届招生,所以他们的就业既可能是巨大的机遇,又可能是极大的风险。本人所学专业是金属材料,因此下面我将介绍一些金属材料方面的概况。 金属制品行业包括结构性金属制品制造、金属工具制造、集装箱及金属包装容器制造、不锈钢及类似日用金属制品制造等。随着社会的进步和科技的发展,金属制品在工业、农业以及人们的生活各个领域的运用越来越广泛,也给社会创造越来越大的价值。 2009年金属制品行业的产品将越来越趋向于多元化,业界的技术水平越来越高,产品质量会稳步提高,竞争与市场将进一步合理化。加上国家对行业的进一步规范,以及相关行业优惠政策的实施,2009-2012年,金属制品行业将有巨大的发展空间。 对于金属材料工程专业的毕业生,毕业后主要职业流向有: (1) 材料工程师 (2) 工业工程技术员 (3) 工业工程师 (4) 机械工程技术员 (5) 电子工程师 主要行业流向有: (1) 金属制品业 (2) 初级金属制造业 (3) 交通运输设备制造业 (4) 电子和电器设备及零件制造业 (5) 工商业机械及计算机设备制造业 造船厂技术部做焊接,现在很缺乏焊接的人才,他们招不到焊接方向的人的话就会考虑你的,我有很多同学都去了广州和上海的造船厂去大型制造业做铸造、锻造或者热处理,比如一重、二重、钢厂和汽车制造厂还有就是去一些企业的研发中心做材料测试和研发,这样一般要求是研究生毕业。主要就是技术工作了,部门就是在生产部或者技术部做技术支持、研发部或实验室做产品研发 其实我现在发现最好的是去外资的验证公司,做资格或者质量验证的,真的很好,最主要的是看你的综合个人素质了~

金属多孔材料的力学性能及制备方法研究进展

金属多孔材料的力学性能及制备方法研究进展 姓名:李国灿专业:材料科学与工程班级:材料092 学号:200910204212 摘要:综述了金属多孔材料的几种常见的力学性能的研究进展,并对固相法、液相法、电沉积法、气相沉积法等金属多孔材料的主要制备方法进行了总结。同时,指出当前金属多孔材料发展方向以及前景。 关键词:金属多孔;制备方法;力学性能;发展方向 1 引言 金属多孔材料是一类具有功能和结构双重属性的特殊的工程材料。近年来金属多孔材料的开发和应用日益受到人们的关注。金属多孔(泡沫金属)材料是20世纪80年代后期国际上迅速发展起来的,是由刚性骨架和内部的孔洞组成,具有优异的物理特性和良好的机械性能的新型工程材料。它具备的优异物理性能,如密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高,使其应用领域已扩展到航空、电子、医用材料及生物化学领域等。近年来随着金属多孔材料的应用领域不断扩大,对金属多孔材料的性能提出了更高的要求。例如高温气体除尘用的过滤材料要求具有优良的高温强度、良好的耐高温气体腐蚀能力、可再生等要求因此对金属多孔材料力学性能的研究是十分有必要的。为了得到不同性能的多孔金属,各种制备方法被相继提出,如直接发泡法,精密铸造法,气泡法,烧结法和电沉积法等。 2 金属多孔材料的学性能测试方法与结果 2.1 金属多孔材料的环拉强度 针对过滤管在使用过程中受到径向冲击力的受力状态,设计了环拉强度及其检测方法。其示意图如图l所示。样品采用等静压成型的中Φ50 mm×2 5 mm的管样,2个半圆柱状拉伸模套在多孔管内壁,从拉伸模通孔处施加一对向外的拉力。 图1金属多孔材料环拉强度检测方法示意圈 环拉强度由以下公式计算:

我国有色金属材料发展现状

我国有色金属材料发展现状 摘要:有色金属材料是新材料的一个重要的组成部分。发展有色金属新材料产业,加速有色金属新材料的研究和开发,对于促进国民经济的可持续发展具有极 其重要的战略意义。我国有色金属材料经过几十年的努力,已经在产量和规模方 面取得了重大进展,是目前世界上的有色金属生产大国。然而,我国有色金属材 料行业在高附加值产品、降低能耗、可持续发展方面与世界先进国家还有很大差距。本文讲述了我国有色金属材料的发展现状,并指出了今后的发展方向和战略。 关键词:有色金属;材料;战略 金属材料是人类赖以生存和发展的需要。特别是现代高新技术的发展,更是 依赖材料技术的进步。在金属材料中,有色金属材料是最重要的一类材料,合计60多种。地壳中含量最多的铝、镁元素均为有色金属元素。其它的还包括钛、铜、铅、锌、锑、锡、镍、钨、钼等元素。有色金属材料涉及到结构材料、功能材料、环境保护材料和生物医用材料等领域。其应用几乎涉及到国民经济和国防建设的 所有领域。有色金属新材料是新材料的一个极其重要的组成部分,其地位和作用 十分突出。大力发展有色金属新材料产业,加速有色金属新材料的研究和开发, 对促进国民经济的可持续发展具有极其重要的战略意义。 我国有色金属材料发展现状:我国有色金属工业经过50多年的发展,已经形成了比较完整的工业体系,建立了相当雄厚的物质基础。特别是近10年来,成 绩显著,举世瞩目,产量和规模发展迅速,跃居世界前列,产品规格进一步增多,除基本满足国内需求外,还实现了部分出口。如2002年,我国10种有色金属产 量首次突破1000万t,达到1 012万t,成为世界有色金属第一生产大国;其中铝、钨、稀土、铅、锑、锌、镁和锡等产量居世界第一位,稀土产量占世界总产 量的70%以上,镁产量占世界总产量的50%以上。另外我国还是世界有色金属贸 易大国之一,2002年我国有色企业实现销售收入2 690亿元,实现利税187亿元,实现利润80亿元;出口量为205万t,其中铅、锌、锡、锑、镁出口量居世界第一,预计2003年我国有色金属产量将达到1 120万t,实现利税250亿元,实现 利润150亿元。1.1.2研究开发取得重大进展我国有色金属材料经过多年的发展,在高性能材料、新型材料加工技术等方面已取得了重大进展。铝合金新材料的性 能大幅度提高,部分高强高韧铝合金、铝锂合金、喷射沉积快速凝固耐热铝合金 的性能达到国际先进水平。到20世纪90年代,随着国际镁合金应用的扩大,镁 的价格上升,在全国范围内出现了硅热法炼镁热潮,全国镁产量由1990年的 0.59万t猛增至1999年的16万t。虽然我国原镁的产量和出口量剧增,但镁合 金材料深度加工制品的发展相对滞后。近几年,国家将发展镁合金材料列为重大 科技攻关项目,镁合金新材料的研究水平因而得到了明显提高,开发了ZM1~ ZM10等十几个牌号的镁合金。通过细化、净化、微合金化等手段,使铸造镁合 金的性能大幅度提高。镁合金铸件、压铸件已应用于汽车和摩托车等领域。2001 年我国生产镁铸件1 040 t,压铸件2 120 t。镁合金制备技术得到了发展,现已装 备2 000 t的镁合金压铸机,能生产出0.3 mm厚的变形镁合金薄板,并开发了镁 合金阻燃技术、镁合金熔体环保型保护技术和镁合金微弧氧化表面处理技术等先 进制备技术。到目前为止,我国研制的钛合金有近50种,已列入国家标准的钛 及钛合金牌号有40余种。 20世纪80年代以来,我国钛合金开始进入由纯仿制到独立研究与仿制相结 合的阶段。经过“八五”、“九五”攻关,我国已形成4大钛合金系列:1)具有不同

耐蚀金属材料课程练习题答案(江苏科技大学)

练习题 一、选择题 1、为了提高合金的耐蚀性,向材料中加入强的阴极性元素金属,属于以下哪种 方法A。 A)降低阳极相活性B)降低阴极相活性C)增加系统阻力 2、同样加入强阴极性元素,有的合金耐腐蚀,有的却不耐蚀。其原因是A。 A)前者处于可钝化的,后者不是B)前者腐蚀体系处于常温,后者不是 C)前者腐蚀体系存有活化离子(如Cl-),后者不是D)以上都不是 3、为提高铁金属材料耐蚀性,铬是一种常添加的元素,主要起以下作用B。 A)使腐蚀电位正移,增加材料的热力学稳定性B)合金易进入钝态区 C)致钝电位向正向移动D)以上都对 4、加入Cu、P、Cr元素的耐候钢具有较好的耐大气腐蚀性,机理是D。 A)有序固溶理论B)电子机构理论 C)表面富集理论D)形成致密腐蚀产物膜理论 5、金属产生晶间腐蚀应满足的条件是C A)在高压的环境中,只要其电极电位低且强度不够; B)在高温的环境中,只要其产生的氧化膜不够致密; C)在腐蚀的环境中,只要其晶粒与晶界物-化状态和电化学性能不同; D)在高压、高温、腐蚀的环境中,只要其晶粒与晶界成分不符合塔曼定律; 6、奥氏体不锈钢中添加Nb元素的主要作用是C A)增加膜的致密性B)提高材料的抗点蚀能力 C)作为稳定化元素抑制碳化铬的生成D)增加热力学稳定性 7、黄铜脱锌属于以下哪种腐蚀类型E。 A)点蚀B)缝隙腐蚀C)晶间腐蚀D)电偶腐蚀E)选择性腐蚀 8、下列哪种热处理工艺对1Cr18Ni9Ti的抗晶间腐蚀是必须的B A)固溶处理B)稳定化处理 C)去应力退火处理D)敏化处理 9、加入了稳定化元素Ti、Nb的奥氏体不锈钢,却没有达到耐腐蚀的目的。这可能是该钢种在使用前没能进行过D处理。 A)固溶处理B)敏化处理C)退火处理D)稳定化处理 10、海水腐蚀环境中,以下哪个区域腐蚀最严重A。 A)飞溅带B)潮差带C)全浸带D)海泥带 11.以下关于可逆氢脆说法错误的是C A)氢脆在室温附近最敏感;B)材料强度越高,氢脆越敏感;

金属材料学复习资料

金属材料学复习资料 题型:判断,选择,简答,问答 第一章 1.要清楚的三点: 1)同一零件可用不同材料及相应工艺。例:调质钢;工具钢 代用 调质钢:在机械零件中用量最大,结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合力学性能,有较高的强韧性。适用于这种处理的钢种成为调质钢。调质钢的淬透性原则,指淬透性相同的同类调质钢可以互相代用。 2)同一材料,可采用不同工艺。例:T10钢,淬火有水、水- 油、分级等。强化工艺不同,组织有差别,但都能满足零件要求。力求最佳的强化工艺。 淬火冷却方式常用水-油双液淬火、分级淬火。成本低、工艺性能好、用量大。 3)同一材料可有不同的用途。例:602有时也可用作模具。低合 金工具钢也可做主轴,15也可做量具、模具等。 602是常用的硅锰弹簧钢,主要用于汽车的板弹簧。低合金工具钢可制造工具尺寸较大、形状比较复杂、精度要求相对较高的模具。15只在对非金属夹杂物要求不严格时,制作切削

工具、量具和冷轧辊等。 2.各种强化机理(书24页) 钢强化的本质机理:各种途径增大了位错滑移的阻力,从而提高了钢的塑性变形抗力,在宏观上就提高了钢的强度。 1)固溶强化:原子固溶于钢的基体中,一般都会使晶格发生畸 变,从而在基体中产生弹性应力场,弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力。从而提高强度,降低塑韧性。 2)位错强化:随着位错密度的增大,大为增加了位错产生交割、 缠结的概率,所以有效阻止了位错运动,从而提高了钢的强度。但在强化的同时,也降低了伸长率,提高了韧脆转变温度。 3)细晶强化:钢中的晶粒越细,晶界、亚晶界越多,可有效阻 止位错运动,并产生位错塞积强化。细晶强化既提高了钢的强度,又提高了塑性和韧度,所以是最理想的强化方法。 4)第二相强化:钢中微粒第二相对位错有很好的钉扎作用,位 错通过第二相要消耗能量,从而起到强化效果。 根据位错的作用过程,分为切割机制和绕过机制。 根据第二相形成过程,分为回火时第二相弥散沉淀析出强化; 淬火时残留第二相强化。

无机非金属材料的现状与前景

无机非金属材料的现状与前景 【摘要】无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。在材料学飞速发展的今天,无机非金属材料有这广阔的应用前景和良好的就业形势。 【关键字】无机非金属材料方向前景智能 1. 无机非金属材料的特点及应用 无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。 在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂,并且没有自由的电子。具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。 无机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异,因此,还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的(传统的)和先进的(新型的)无机非金属材料两大类。 普通无机非金属材料的特点是:耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀。此外,水泥在胶凝性能上,玻璃在光学性能上,陶瓷在耐蚀、介电性能上,耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性,为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比,它抗断强度低、缺少延展性,属于脆性材料。与高分子材料相比,密度较大,制造工艺较复杂。

金属材料学复习思考题及答案

第一章钢的合金化原理 1.名词解释 1)合金元素: 特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。(常用M来表示) 2)微合金元素: 有些合金元素如V,Nb,Ti, Zr和B等,当其含量只在0.1%左右(如B, 0.001%;V,0.2 %)时,会显著地影响钢的组织与性能,将这种化学元素称为微合金元素。 3)奥氏体形成元素:在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相;如 Mn, Ni, Co, C, N, Cu; 4)铁素体形成元素: 在α-Fe中有较大的溶解度,且能稳定α相。如:V, Nb, Ti 等。5)原位析出: 元素向渗碳体富集,当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物如Cr钢中的Cr: ε-Fe x C→Fe3C→(Fe, Cr)3C→(Cr, Fe)7C3→(Cr, Fe)23C6 6)离位析出:在回火过程中直接从α相中析出特殊碳化物,同时伴随着渗碳体的溶解,可使硬度和强度提高(二次硬化效应)。如 V,Nb, Ti等都属于此类型。 2.合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素?哪些是奥氏体形成元素?哪些能在α-Fe中形成无限固溶体?哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体? 答:铁素体形成元素:V、Cr、W、Mo、Ti、Al; 奥氏体形成元素:Mn、Co、Ni、Cu; 能在α-Fe中形成无限固溶体:V、Cr; 能在γ-Fe 中形成无限固溶体:Mn、Co、Ni 3.简述合金元素对扩大或缩小γ相区的影响,并说明利用此原理在生产中有何意义?(1)扩大γ相区:使A3降低,A4升高一般为奥氏体形成元素 分为两类:a.开启γ相区:Mn, Ni, Co 与γ-Fe无限互溶. b.扩大γ相区:有C,N,Cu等。如Fe-C相图,形成的扩大的γ相区,构成了钢的热处理的基础。 (2)缩小γ相区:使A3升高,A4降低。一般为铁素体形成元素 分为两类:a.封闭γ相区:使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈,其结果使δ相区与α相区连成一片。如V, Cr, Si, A1, Ti, Mo, W, P, Sn, As, Sb。 b.缩小γ相区:Zr, Nb, Ta, B, S, Ce 等 (3)生产中的意义:(请补充)。 4.简述合金元素对铁碳相图(如共析碳量、相变温度等)的影响。 答:1)改变了奥氏体区的位置:(请补充) 2)改变了共晶温度:(l)扩大γ相区的元素使A1,A3下降;如:(请补充)

金属材料的应用现状及发展趋势分析

金属材料的应用现状及发展趋势分析 在进行金属材料的应用现状及发展趋势分析之前,先简要介绍一下金属材料。金属材料是最重要的工程材料之一。按冶金工艺,金属材料可以分为铸锻材料、粉末冶金材料和金属基复合材料。铸锻材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括钢、铸铁和各种铁合金。有色金属是指除黑色金属以外的所有金属及其合金,如铝及铝合金、铜及铜合金等。工程结构中所用的金属材料90%以上是钢铁材料,其资源丰富、生产简单、价格便宜、性能优良、用途广泛。钢有分为碳钢和合金钢,铸铁又分为灰口铸铁和白口铸铁。 一、金属材料的应用现状 金属材料的结构及其性能决定了它的应用。而金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。工艺性能是指在加工制造过程中材料适应加工的性能,如铸造性、锻造性、焊接性、淬透性、切削加工性等。使用性能是指材料在使用条件和使用环境下所表现出来的性能,包括力学性能(如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等)、物理性能(如熔点、密度热容、电阻率、磁性强度等)和化学性能(如耐腐蚀性、抗氧化性等)。 金属材料具有许多优良性能,是目前国名经济各行业、各部门应用最广泛的工程材料之一,特别是在车辆、机床、热能、化工、航空航天、建筑等行业各种部件和零件的制造中,发挥了不可替代的作用。 (1)、在汽车中的应用。缸体和缸盖,需具有足够的强度和刚度,良好的铸造性能和切削加工性能以及低廉的价格等,目前主要用灰铸钢和铝合金;缸套和活塞,对活塞材料的性能要求是热强性高,导热性好,耐磨性和工艺性好,目前常用铝硅合金;冲压件,采用钢板和钢带制造,主要是热轧和冷轧钢板。热轧钢板主要用于制造承受一定载荷的结构件,冷轧钢板主要用于构型复杂、受力不大的机器外壳、驾驶室、轿车车身等。还有汽车的曲轴和连杆、齿轮、螺栓和弹簧等,都按其实用需要使用的了不同的金属材料 (2)、在机床方面的应用。机床的机身、底座、液压缸、导轨、齿轮箱体、轴承座等大型零件部,以及其他如牛头刨床的滑枕、带轮、导杆、摆杆、载物台、手轮、刀架等,首选材料为灰铸铁,球磨铸铁也可选用。随着对产品外观装饰效果的日益重视,不锈钢、黄铜的

多孔材料的研究进展

引言 固体材料所包含的空间和表面的多少直接影响着该材料在实际应用中的性能。具有大量的空间和表面积的固体多孔材料已经成为了当代科学研究的热点,在各式各样物理化学过程中显示出极为突出的优势。根据孔径的大小,可以将多孔固体材料分为三类:孔径小于2nm的归为微孔材料;孔径在2-50nm之间的归为介孔材料;孔径大于50nm的归为大孔材料。多孔材料在化工石油催化、气体吸附、药物输送、组织工程支架制备、海洋深潜装备中都有很广泛的应用,是当今时代一种很重要的材料。 1. 纳米多孔材料 相比于传统的纳米颗粒材料,具有可调结构和性能的纳米多孔材料有着非凡的特性。孔径大于50nm的大孔材料具有极快的传质过程和蛋白分子吸附固定速率,在蛋白质组学分析及酶反应研究中有巨大的潜力。在当今组学的前沿,蛋白质的酶解严重缺乏效率,影响后续的分析测试,而目前发展的快速酶解技术需要较为复杂的前处理过程和过量的蛋白消耗;另一方面酶解技术难于联合应用于后续的肤段富集之中[1]。因此,多孔纳米材料的功能化设计合成及其在蛋白质组学分析中的应用至关重要。这种纳米多孔材料的典型就是大孔二氧化硅泡沫材料,它可以作为催化剂极大的提高酶解反应速率。 2. 金属-有机骨架材料[2] 金属-有机骨架材料是一种新型的多孔材料,具有高孔性、比表面积大、合成方便、骨架规模大小可变以及可根据目标要求作化学修饰、结构丰富等优点,在气体吸附、催化、光电材料等领域有广泛的应用。MOFs又名配位聚合物或杂合化合物,是利用有机配体与金属离子间的金属配体络合作用自组装形成的具有超分子微孔网络结构的类沸石材料。MOFs由于能大量进行氢气的可逆吸附,因此被认为是最具有储氢前景的材料之一;它可以存储和运载药物,也可以用于生

耐磨金属材料的最新研究现状

耐磨金属材料的最新研究现状 关键词:耐磨材料;锰钢;抗磨白口铸铁;技术进展 摘要:耐磨金属材料被广泛地应用于工业生产的各个领域, 而随着科学技术和现代工业的高速发展,由于金属磨损而引起的能源和金属材料消耗增加等所造成的经济损失相当惊人。近年来,对金属磨损和耐磨材料的研究,越来越引起国内外人们的广泛重视。本文概述了国内外耐磨金属材料领域研究开发的现状及取得的一系列新进展。 0 引言 随着科学技术和现代工业的高速发展,机械设备的运转速度越来越高,受摩擦的零件被磨损的速度也越来越快,其使用寿命越来越成为影响现代设备(特别是高速运转的自动生产线)生产效率的重要因素。尽管材料磨损很少引起金属工件灾难性的危害,但其所造成的能源和材料消耗是十分惊人的。据统计,世界工业化发达的国家约30%的能源是以不同形式消耗在磨损上的。如在美国,每年由于摩擦磨损和腐蚀造成的损失约1000亿美元,占国民经济总收入的4%。而我国仅在冶金、矿山、电力、煤炭和农机部门,据不完全统计,每年由于工件磨损而造成的经济损失约400亿元人民币[1]。因此,研究和发展耐磨材料,以减少金属磨损,对国民经济的发展有着重要的意义。 1国外耐磨金属材料的发展 国外耐磨材料的生产和应用经过了多年研究与发展的高峰期,现已趋于稳定,并有自己的系列产品和国家标准、企业标准。经历了从高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁到高铬铸铁的几个阶段,目前已发展为耐磨钢和耐磨铸铁两大类。 耐磨钢除了传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢、中锰钢以外,根据其含量的不同可分为中碳、中高碳、高碳合金耐磨钢;根据合金元素的含量又可分为低合金、中合金及高合金耐磨钢;根据组织的不同还可分为奥氏体、贝氏体、马氏体耐磨钢。而耐磨铸铁主要包括低合金白口铸铁和高合金白口铸铁两大类。二者中最具有代表性的是低铬白口铸铁和高铬白口铸铁,而且这两种材料目前在耐磨铸铁中占有主导地位。马氏体或贝氏体、马氏体组织的球墨铸铁在制作小截面耐磨件方面也占有一席之地,中铬铸铁则应用较少。从整体上看,合金白口铸铁的耐磨性优于耐磨铸钢,但后者韧性好,在诸如衬板、耐磨管道等方面有着广泛的应用[2]。 2 我国耐磨金属材料的发展 据统计,国内每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上,应用摩擦磨损理论防止和减轻摩擦磨损,每年可节约150亿美元。近年来,针对设备磨损的具体工况和资源情况,研制出多种新型耐磨材料。主要有改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢

金属材料学 简要总结

《金属材料学》复习总结 第1章:钢的合金化概论 一、名词解释: 合金化:未获得所要求的组织结构、力学性能、物理性能、化学性能或工艺性能而特别在钢铁中加入某些元素,称为合金化。 过热敏感性:钢淬火加热时,对奥氏体晶粒急剧长大的敏感性。 回火稳定性:淬火钢在回火时,抵抗强度、硬度下降的能力。 回火脆性:淬火钢回火后出现韧性下降的现象。 二、填空题: 1.合金化理论是金属材料成分设计和工艺过程控制的重要原理,是材料成分、工艺、组织、 性能、应用之间有机关系的根本源头,也是重分发结材料潜力和开发新材料的基本依据。 2.扩大A相区的元素有:Ni、Mn、Co(与Fe -γ无限互溶);C、N、Cu(有限互溶); α无限互溶);Mo、W、Ti(有限互溶); 扩大F相区的元素有:Cr、V(与Fe - 缩小F相区的元素有:B、Nb、Zr(锆)。 3.强C化物形成元素有:Ti、Zr、Nb、V; 弱C化物形成元素有:Mn、Fe; 4.强N化物形成元素有:Ti、Zr、Nb、V; 弱N化物形成元素有:Cr、Mn、Fe; 三、简答题: 1.合金钢按照含量的分类有哪些?具体含量是多少?按含碳量划分又如何? ●按照合金含量分类:低合金钢:合金元素总量<5%; 中合金钢:合金元素总量在5%~10%; 高合金钢:合金元素总量>10%; ●按照含碳量的分类:低碳钢:w c≤0.25%; 中碳钢:w c=0.25%~0.6%; 高碳钢:w c>0.6%; 2.加入合金元素的作用? ①:与Fe、C作用,产生新相,组成新的组织与结构; ②:使性能改善。 3.合金元素对铁碳相图的S、E点有什么影响?这种影响意味着什么? (1)A形成元素均使S、E点向左下方移动,如Mn、Ni等; F形成元素均是S、E点向左上方移动,如Cr、V等 (2)S点向左下方移动,意味着共析C含量减小,使得室温下将得到A组织; E点向左上方移动,意味着出现Ld的碳含量会减小。 4.请简述合金元素对奥氏体形成的影响。 (1)碳化物形成元素可以提高碳在A中的扩散激活能,对A形成有一定阻碍作用; (2)非碳化物形成元素Ni、Co可以降低碳的扩散激活能,对A形成有一定加速作用。 (3)钢的A转化过程中存在合金元素和碳的均匀化过程,可以采用淬火加热来达到成 分均匀化。 5.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大?组织奥氏体晶粒长大有什么好处? (1)Ti、Nb、V等强碳化物形成元素会强烈阻止奥氏体晶粒长大,因为:Ti、Nb、V等

材料科学基础报告 金属材料的发展与展望

金属材料的发展和展望 一、金属材料的发展过程 材料的发展史就是人类社会的发展史,经历了石器、陶器、青铜器、铁器时代。我们正处于多元材料时代,材料、能源、信息是现代社会的三大支柱。金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。金属材料一直扮演着重要的角色,例如陆、海、空、各类运输工具,桥梁、建筑、机械工具,国防重工业等。 金属材料发展的四个阶段:由公元前4300年用金、铜、铁铸造锻打制作出大马士革刀、日本武士剑等原始钢铁到十九世纪铁桥铁路的修筑建立学科基础,又由十九世纪中金属学、金相学发展到合金相图、位错理论等微观组织理论的发展。微观理论的深入研究有原子扩散、马氏体相变、位错滑移,原子显微镜、电子显微镜等新仪器的产生又为进一步研究微观组织提供了可能性,随之产生了表面和界面科学。 材料科学研究了材料的核心关系,即结构和性能的关系,制造工艺决定了材料的结构,结构又决定了材料的性能,性能决定了它的用途。材料科学和技术进入世界科技发展优先领域的第五位。在面临环境保护、节约能源的情况下,新材料便应运而生。 现代金属材料有铝镁合金等先进结构材料、钛铝合金等高温合金材料、复合材料、超导材料、能源材料、智能材料、磁性材料、纳米材料等。材料力学性能有强度、弹性、塑性、硬度等,物理性能有电学、磁学、热学、光学性质等。对材料的研究方向正由力学性能慢慢向物性转变。金属材料具有高强度、优良的塑性和韧性,耐热、耐寒。可铸造、锻造、冲压和焊接,还有良好的导电性、导热性和铁磁性,因此是一切工业和现代科学技术中最重要的材料。 二、金属材料的现状 金属材料作为人类推动社会发展的重要载体之一,作为原料在人类的生产生活中已经被广泛应用,金属材料作为原料具有以下等特征,金属材料本身具备高弹性的模量,金属材料具有高强度的韧性,金属材料的强度硬度是其他同类原料所无法比拟的,在当代金属材料科学的不断成长下金属材料在所有材料的范畴中占据了非常非常重要的位置,在现实中,最常见的金属材料应用的领域有航天航空以及建筑工程等行业。 金属材料机械制造业、建筑业、电子信息等领域都有很大的市场和优势。 汽车的制造上有了高强度钢来制造外形,强度高且质量小的镁合金做发动机、变速箱传动机构等;高强度钢是具有很好的强度和韧性的钢种,在吸能性、应变分布能力和应变硬化特性上远远好于传统钢。与铝、镁这类金属材料相比,具有很好的经济性能,会为企业节省大量的制造成本。由于其有良好的强度和韧性等金属特性,因此被广泛的应用在保险杠、车门槛、车门防撞梁等零件上,它的使用既增加了汽车的安全性,又降低了车身自重。而为了适应轻质材料发展趋势,我们要不断的借鉴国外的先进技术,并结合自身发展需求特点,进行高强度钢的研发。 在建筑领域中,每一次新型金属材料、新型工程技术的出现,都将推动着建筑技术的革新,并对建筑师进行建筑创作,表达建筑美学产生巨大影响。金属材料以其优越的材料性能和独特的视觉效果,已经从建筑中最初的栏杆、扶手等局部装饰构件、建筑内部结构框架,逐渐走向建筑表皮,并决定着建筑所呈现的整体形象,表达着建筑美的意境。如今,金属材料在建筑表皮中扮演着重要角色,对应用金属材料进行建筑表皮的创作与研究,已成为材料科学、建筑学、美学等众多学科争相探索的一个重要课题。

金属多孔材料的制备及应用_于永亮

金属多孔材料的制备及应用 于永亮,张德金,袁勇,刘增林 (粉末冶金有限公司) 摘要:在归纳分析目前国内外各种制备多孔材料新技术的基础上,阐述了多孔材料在过滤、电极材料、催化载体、消音材料、生物和装饰材料方面应用及未来发展前景。 关键词:多孔材料功能结构制备方法金属加工 0前言 多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料,孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。由于多孔材料具有相对密度低、比强度高、比表面积大、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点,其应用范围远远超过单一功能的材料。近年来金属多孔材料的开发和应用日益受到人们的关注。目前,金属多孔材料已经在冶金、石油、化工、纺织、医药、酿造等国民经济部门以及国防军事等部门得到了广泛的应用。从20世纪中叶开始,世界科技较发达国家竞相投入到多孔金属材料的研究与开发之中,并相继研发了各种不同的制备工艺。 1金属多孔材料的制备工艺 1.1粉末冶金(PM)法[1] 该方法的原理是将一种或多种金属粉末按一定的配比混合均匀后,在一定的压力下压制成粉末压坯。将成形坯在烧结炉中进行烧结,制得具有一定孔隙度的多孔金属材料。或不经过成形压制,直接将粉末松装于模具内进行无压烧结,即粉末松装烧结法。 1.2纤维烧结法[2] 纤维烧结法与粉末冶金法基本类似。用金属纤维代替金属粉末颗粒,选取一定几何分布的金属纤维混合均匀,分布成纤维毡,随后在惰性气氛或还原性气氛保护的条件下烧结制备金属纤维材料。该法制备的金属多孔材料孔隙度可在很大范围内调整。 作者简介:于永亮(1981-),男,2006年7月毕业于中南大学粉末冶金专业。现为莱钢粉末冶金有限公司技术科助理工程师,主要从事生产技术及质量管理工作。1.3发泡法[3] 1)直接吹气法。对于制备泡沫金属,直接吹气法是一种简便、快速且低耗能的方法。 2)金属氢化物分解发泡法。这种方法是在熔融的金属液中加入发泡剂(金属氢化物粉末),氢化物被加热后分解出H2,并且发生体积膨胀,使得液体金属发泡,冷却后得到泡沫金属材料。 3)粉末发泡法。该方法的基本工艺是将金属与发泡剂按一定的比例混合均匀,然后在一定的压力下压制成形。将成形坯经过进一步加工,如轧制、模锻等,使之成为半成品,然后将半成品放入一定的钢模中加热,使得发泡剂分解放出气体发泡,最后得到多孔泡沫金属材料。 1.4自蔓延合成法[4] 自蔓延高温合成法是一种利用原材料组分之间化学反应的强烈放热,在维持自身反应继续进行的同时产生大量孔隙的材料合成方法。该方法放热反应可迅速扩展(即自蔓延),在极短时间内即可完成全部燃烧反应。同时因为反应时的温度高,故容易得到高纯度材料。这种方法主要是依靠反应过程中产生的液体和气体的运动而得到多孔结构,因此其孔隙大多是相互连通的,采用这种方法制备的多孔材料孔隙度可达到60%以上。然而,由于在自蔓延高温合成过程中,其热量释放和反应过程过于剧烈,容易导致材料的变形和开裂,同时不利于材料的孔结构控制和近净成形。 1.5铸造法[5] 1)熔模铸造法。熔模铸造法是先将已经发泡的塑料填入一定几何形状的容器内,在其周围倒入液态耐火材料,在耐火材料硬化后,升温加热使发泡塑料气化,此时模具就具有原发泡塑料的形状,将液态金属浇注到模具内,在冷却后把耐火材料与 36 莱钢科技2011年6月

最新金属材料学考试题库资料

精品文档钢中的合金元素第一章 相区的影响可分为哪几种?1、合金元素对纯铁γ相区的元素:镍、锰、钴属于此类合金元素答:开启γ相区元素:碳、氮、铜属于此类合金元素扩展γ相区的元素:钒、鈦、钨、钼、铝、磷、铬、硅属于此类合金元素封闭γ相区的元素:硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素缩小γ 2、合金元素对钢γ相区和共析点会产生很大影响,请举例说明这种影响的作用均A4δ-Fe的相对稳定性以及同素异晶转变温度A3和答:合金元素对α-Fe、γ-Fe、和有很大影响)稳定化元素A、奥氏体(γ它包括了以下两种情况:温度上升,即扩大了γ相区,A4 这些合金元素使A3温度下降,相区的元素:镍、锰、钴属于此类合金元素(1)开启γ相区元素:碳、氮、铜属于此类合金元素(2)扩展γ)稳定化元素B、铁素体(α相区的元素:钒、鈦、钨、钼、铝、磷、铬、硅1)封闭γ()缩小2γ相区的元素:硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素(、请举例说明合金元素对Fe-C相图中共析温度和共析点有哪些影响?3 答: 1、改变了奥氏体相区的位置和共析温度A1 A3,降低了γ扩大相区元素:降低了A1 A3,升高了缩小γ相区元素:升高了 2、改变了共析体的含量所有的元素都降低共析体含量 合金的相组成第二章 形成固溶体,为什么?1、什么元素可与γ-Fe 形成无限固溶体答:镍可与γ-Fe 决定组元在置换固溶体中的溶解条件是:、溶质与溶剂的点阵相同1 )2、原子尺寸因素(形成无限固溶体时,两者之差不大于8% 、组元的电子结构(即组元在周期表中的相对位置)3 2、间隙固溶体的溶解度取决于什么?举例说明 答:组元在间隙固溶体中的溶解度取决于: 1、溶剂金属的晶体结构 2、间隙元素的尺寸结构 例如:碳、氮在钢中的溶解度,由于氮原子小,所以在α-Fe中溶解度大。 3、请举例说明几种强、中等强、弱碳化物形成元素 答:铪、锆、鈦、铌、钒是强碳化物形成元素;形成最稳定的MC型碳化物 钨、钼、铬是中等强碳化物形成元素 锰、铁、铬是弱碳化物形成元素 精品文档. 精品文档 第四章合金元素和强韧化 1、请简述钢的强化途径和措施 答:固溶强化 细化晶粒强化 位错密度和缺陷密度引起的强化 析出碳化物弥散强化 2、请简述钢的韧化途径和措施 答:细化晶粒 降低有害元素含量 调整合金元素含量 降低钢中含碳量

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