金属材料纳米介绍综述
块状金属纳米材料的制备技术进展及展望
张振忠 宋广生 杨根仓 周尧和
摘 要 综述了国内外块状纳米材料的制备技术进展及存在的问题。提出了超短时脉冲电流直接晶化法和深过冷直接晶化法两类潜在的块状金属纳米晶制备技术，并对今后的研究及发展前景进行了展望。
关键词 纳米晶块体 材料制备 非晶晶化 机械合金化 深过冷
中图分类号 ＴＧ１１１
DEVELOPMENT OF BULK METAL NANOMETER MATERIALS PREPARATION
TECHNOLOGIES AND THEIR ESTIMATE
Ｚｈａｎｇ Ｚｈｅｎｚｈｏｎｇ，Ｓｈｕｎｇ Ｇｕａｎｇｓｈｅｎｇ，Ｙａｎｇ Ｇｅｎｃｈａｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｙａｏｈｅ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｌｋ ｍｅｔａｌ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｗｏ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ：ｓｕｐｅｒ ｓｈｏｒｔ ｆａｌｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｕｎｄｅｒｃｏｏｌｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ．
ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｂｕｌｋ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙｓ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｌｌｏｙｉｎｇ，ｈｉｇｈ ｕｎｄｅｒｃｏｏｌｉｎｇ
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：Ｚｈａｎｇ Ｚｈｅｎｚｈｏｎｇ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｔａｔｅ ｋｅｙ Ｌａｂｏｒｏｔｒｙ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｘｉ＇ａｎ ７１００７２
自８０年代初德国科学家Ｈ．Ｖ．Ｇｌｅｉｔｅｒ成功地采用惰性气体凝聚原位加压法制得纯物质的块
状纳米材料后［１］，纳米材料的研究及其制备技术在近年来引起了世界各国的普遍重视。由于纳
料材料具有独特的纳米晶粒及高浓度晶界特征以及由此而产生的小尺寸量子效应和晶界效应，使其表现出一系列与普通多晶体和非晶态固体有本质差别的力学、磁、光、电、声等性能［２］，使
得对纳米材料的制备、结构、性能及其应用研究成为９０年代材料科学研究的热点。为使这种新
型材料既有利于理论研究，又能在实际中拓宽其使用范围，探索高质量的三维大尺寸纳米晶体样品的制备技术已成为纳米材料研究的关键之一。本文综述国内外现有块状金属纳米材料的制备技术进展，并提出今后可能成为块状金属纳米材料制备的潜在技术。
１ 现有块状金属纳米材料的制备技术
１．１ 惰性气体凝聚原位加压成形法
该法首先由Ｈ．Ｖ．Ｇｌｅｉｔｅｒ教授提出［１］，其装置主要由蒸发源、液氮冷却的纳米微粉收集系统、刮落输运系统及原位加压成形（烧结）系统组成。其制备过程是：在高真空反应室中惰性气体保护下使金属受热升华并在液氮冷镜壁上聚集、凝结为纳米尺寸的超微粒子，刮板将收集器上的纳米微粒刮落进入漏斗并导入模具，在１０－６Ｐａ高真空下，加压系统以１～５ＧＰａ的压力使纳米粉原位加压（烧结）成块。采用该法已成功地制得Ｐｄ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｓｂ、Ｎｉ３Ａｌ、ＮｉＡｌ、ＴｉＡｌ、Ｆｅ５Ｓｉ９５等合金的块状纳米材料［３］。近年来，在该装置基础之上，通过改进使金属升华的热源及方式（如采用感应加热、等离子体法、电子束加热法、激光热解法、磁溅射等）以及改良其它装备，可以
获得克级到几十克级的纳米晶体样品。纳米超饱和合金、纳米复合材料等也正在利用此法研究之
中。目前该法正向多组分、计量控制、多副模具、超高压力方向发展。
该法的特点是适用范围广，微粉表面洁净，有助于纳米材料的理论研究。但工艺设备复杂，产量极低，很难满足性能研究及应用的要求，特别是用这种方法制备的纳米晶体样品存在大量的微孔隙，致密样品密度仅能达金属体积密度的７５％～９０％，这种微孔隙对纳米材料的结构性能研
究及某些性能的提高十分不利。近年来，尽管发展了一些新的纳米粉制备方法如电化学沉积［４］、电火花侵蚀（ｓｐａｒｋ ｅｒｏｓｉｏｎ）［５］等方法，但与这些方法相衔接的纳米粉的分散、表面处理及成型方法尚未得到发展。
１．２ 机械合金研磨（ＭＡ）结合加压成块法
ＭＡ法是美国ＩＮＣＯ公司于６０年代末发展起来的技术。它是一种用来制备具有可控微结构的
金属基或陶瓷基复合粉末的高能球磨技术：在干燥的球型装料机内，在高真空Ａｒ２气保护下，通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨体之间相互碰撞，对粉末粒子反复进行熔结、断裂、再熔结的过程使晶粒不断细化，达到纳米尺寸［６］。然后、纳米粉再采用热挤压、热等静压等技
术［７］加压制得块状纳米材料。研究表明，非晶、准晶、纳米晶、超导材料、稀土永磁合金、超
塑性合金、金属间化合物、轻金属高比强合金均可通过这一方法合成。
该法合金基体成分不受限制、成本低、产量大、工艺简单，特别是在难熔金属的合金化、非平衡相的生成及开发特殊使用合金等方面显示出较强的活力，该法在国外已进入实用化阶段。如美国ＩＮＣＯ公司使用的球磨机直径为２ｍ，长３ｍ，每次可处理约１０００ｋｇ粉体，这样的球磨机１９９３年在美国安装有七座，英国安装有二座，大多用来加工薄板、厚板、棒材、管材及其它型材。近年来，该法在我国也获得了广泛的重视。其存在的问题是研磨过程中易产生杂质、污染、氧化及应力，很难得到洁净的纳米晶体界面，对一些基础性的研究工作不利。
１．３ 非晶晶化法
该法是近年来发展极为迅速的一种新工艺，它是通过控制非晶态固体的晶化动力学过程使晶化的产物为纳米尺寸的晶粒。它通常由非晶态固体的获得和晶化两个过程组成。非晶态固体可通过熔体激冷、高速直流溅射、等离子流雾化、固态反应法等技术制备，最常用的是单辊或双辊旋淬法。由于以上方法只能获得非晶粉末、丝及条带等低维材料，因而还需采用热模压实、热挤压或高温高压烧结等方法合成块状样品［８］。晶化通常采用等温退火方法，近年来还发展了分级退
火［９］、脉冲退火［１０］、激波诱导［１１］等方法。目前，利用该法已制备出Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｄ基等多种合金系列的纳米晶体，也可制备出金属间化合物和单质半导体纳米晶体，并已发展到实用阶段。此法在纳米软磁材料的制备方面应用最为广泛。值得指出的是，国外近年来十分重视块体非晶的制备研究工作，继Ｗ．Ｋｌｅｍｅｎｔ、Ｈ．Ｓ．Ｃｈｅｎ、Ｈ．Ｗ．Ｋｕｉ等采用真空吸铸法及合金射流法制备出
Ｍｇ－Ｌａ－ＴＭ、Ｌａ－Ａｌ－ＴＭ、Ｚｒ－Ａｌ－ＴＭ系非晶块体之后，近几年日本以Ｉｎｏｕｅ为代表的研究小组在非晶三原则指导下，又成功地采用合金射流成形及深过冷与合金射流成形相结合的方法制备了厚度分别为２ｍｍ、３ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍ、４０ｍｍ、７２ｍｍ的Ｆｅ－（Ａｌ，Ｇａ）－（Ｐ，Ｃ，Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ）［１２］、（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）７０Ｚｒ８Ｂ２０Ｎｂ２［１３］、（Ｎｄ，Ｐｒ）－Ｆｅ－（Ａｌ，Ｇａ）［１４］、Ｚｒ－Ａｌ－Ｃｕ－Ｎｉ［１５］、Ｐｄ－Ｃｕ－Ｓｉ－Ｂ［１６］系的非晶块体。我国北京科技大学的何国、陈国良最近也采用合金射流成形法获得８ｍｍ Ｚｒ６５Ａｌ７．５Ｃｕ１７．５Ｎｉ１０［１７］的非晶块体，这些研究结果为该法制备及应用块体纳米材料注入了极大生机。
该法的特点是成本低，产量大，界面清洁致密，样品中无微孔隙，晶粒度变化易控制，并有助于研究纳米晶的形成机理及用来检验经典的形核长大理论在快速凝固条件下应用的可能性。其局限性在于依赖于非晶态固体的获得，只适用于非晶形成能力较强的合金系。
１．４ 高压、高温固相淬火法
该法是将真空电弧炉熔炼的样品置入高压腔体内，加压至数ＧＰａ后升温，通过高压抑制原子的长程扩散及晶体的生长速率，从而实现晶粒的纳米化，然后再从高温下固相淬火以保留高温、高压组织。胡壮麒等利用此法已获得４×３（ｍｍ）的Ｃｕ６０Ｔｉ４０及３×３（ｍｍ）的Ｐｄ７８Ｃｕ６Ｓｉ１６晶粒尺寸为１０～２０（ｎｍ）的纳米晶样品［１８，１９］。该法的特点是工艺简便，界面清洁，能直接制备大块致密
的纳米晶。其局限性在于需很高的压力，大块尺寸获得困难，另外在其它合金系中尚无应用研究的报道。
１．５ 大塑性变形与其它方法复合的细化晶粒法
１．５．１ 大塑性变形方法
在采用大塑性变形方法制备块状金属纳米材料方面，俄罗斯科学院Ｒ．Ｚ．Ｖａｌｉｅｖ领导的研究
小组开展了卓有成效的研究工作，早在９０年代初，他们就发现采用纯剪切大变形方法可获得亚
微米级晶粒尺寸的纯铜组织［２０］，近年来他们在发展多种塑性变形方法的基础上，又成功地制备
了晶粒尺寸为２０～２００（ｎｍ）的纯Ｆｅ、Ｆｅ－１．２％Ｃ钢、Ｆｅ－Ｃ－Ｍｎ－Ｓｉ－Ｖ低合金钢、Ａｌ－Ｃｕ－Ｚｒ、
Ａｌ－Ｍｇ－Ｌｉ－Ｚｒ、Ｍｇ－Ｍｎ－Ｃｅ、Ｎｉ３Ａｌ金属间化合物、Ｔｉ－Ａｌ－Ｍｏ－Ｓｉ［２１－２３］等合金的块体纳米材料。 １．５．２ 塑性变形加循环相变方法
１９９６年我国赵明、张秋华等［２４］将碳管炉中氩气保护下熔炼的Ｚｎ７８Ａｌ２２超塑性合金，经固溶
处理后通过小塑性变形和循环相变（共析转变），获得了晶粒尺寸为１００～３００（ｎｍ）的块状纳米晶体。
该方法与其他方法相比具有适用范围宽，可制造大体积试样，试样无残留缩松（孔），可方便地利用扫描电镜详细研究其组织结构及晶粒中的非平衡边界层结构，特别有利于研究其组织与性能的关系等特点并可采用多种变形方法制备界面清洁的纳米材料，是今后制备块体金属纳米材料很有潜力的一种方法。如将此法与粉末冶金及深过冷等技术相结合，则可望利用此法制备金属陶瓷纳米复合材料［２１］，并拓宽其所能制备的合金成份范围。
除以上主要方法外，近年来还发展的有喷雾沉积法、离子注入法等块体金属纳米材料制备技术，在此不再一一赘述。
２ 直接制备块状纳米晶的潜在技术
２．１ 脉冲电流直接晶化法
近年来，关于脉冲电流对金属凝固组织的影响已屡见报道：８０年代，印度学者Ａ．Ｋ．Ｍｉｓｔｒａ
首先在Ｐｂ６８Ｓｂ１５Ｓｎ７共晶及Ｐｂ８７Ｓｂ１０Ｓｎ３亚共晶合金中通以４０ｍＡ／ｃｍ２的直流电，发现凝固后组织明显细化［２５］，Ｍ．Ｎａｋａｄａ等人在Ｓｎ８５Ｐｂ１５合金凝固过程中通脉冲电流后，也发现凝固组织细化且发生
枝晶向球状晶转变［２６］，Ｊ．Ｐ．Ｂａｒｎａｋ等研究了高密度脉冲电流对Ｓｎ６０Ｐｂ４０和Ｓｎ６３Ｐｂ３７合金凝固组织的影响［２７］。结果证实，脉冲电流可增加过冷度，并可使共晶的晶粒度降低一个数量级，且晶粒
度随脉冲电流密度增加而降低。周本濂等不仅在实验上研究了脉冲电流对合金凝固组织的影响
［２８］，而且在理论上用经典热力学和连续介质电动力学对脉冲电流作用熔体的结晶成核理论和结
晶晶粒尺寸的计算作了深入研究［２９，３０］，指出脉冲电流密度达到０．１ＧＡ／ｍ２时，在理论上可获得大块纳米晶，按该理论对Ｓｎ６０Ｐｂ４０合金进行计算，结果与实验值基本一致。由于理论上要求的一些
金属纳米化的临界脉冲电流密度在工程上能够达到且与实验值基本符合，加之脉冲电流的快速弛豫特点可限制纳米晶粒的长大，使作者相信，随着脉冲电流对金属凝固影响机制的进一步研究及实验装置的进一步完善，超短时脉冲电流处理在某些合金上有可能使熔体直接冷凝成大块纳米晶材料，并成为直接晶化法制备纳米晶材料的潜在技术之一。
２．２ 深过冷直接晶化法
快速凝固对晶粒细化有显著效果的事实已为人所知。急冷和深过冷是实现熔体快速凝固行之有效的两条途径。急冷快速凝固技术由于受传热过程限制只能生产出诸如薄带、细丝或粉体等低维材料而在应用上受到较大的限制。深过冷快速凝固技术，通过避免或清除异质晶核而实现大的热力学过冷度下的快速凝固，其熔体生长不受外界散热条件控制［３１］，其晶粒细化由熔体本身特
殊的物理机制所支配，它已成为实现三维大体积液态金属快速凝固制备微晶、非晶和准晶材料的一条有效途径［３５］。由于深过冷熔体的凝固组织与急冷快速凝固组织具有很好的相似性［３６］并且国外已在Ｆｅ－Ｎｉ－Ａｌ、Ｐｄ－Ｃｕ－Ｓｉ［３７］等合金中利用急冷快速凝固获得纳米组织，另外，近年来周尧和、
杨根仓教授领导的课题组在Ｎｉ－Ｓｉ－Ｂ合金中利用深过冷方法已制备出晶粒尺寸约为２００ｎｍ的大块合金，并已探讨出多种合金系有效的熔体净化方法，加之作者近期又在Ｆｅ－Ｂ－Ｓｉ系共晶合金中利用深过冷及深过冷加水淬方法成功地制备了几十～２００ｎｍ，１１×１０（ｍｍ）的块状纳米材料，见图
１ａ、图１ｂ所示，因此有理由相信，通过进一步研究深过冷晶粒细化的物理机制，进而为深过冷
晶粒的纳米化设想提供理论基础，同时研究出各种实用合金的熔体净化技术以及深过冷与其它晶粒细化技术相结合的复合制备技术，深过冷方法可望成为块体金属纳米材料制备新的实用技术。从目前的实验结果来看，深过冷晶粒细化的程度与合金的化学成分、相变类型、熔体净化所获得热力学过冷度的大小及凝固过程中的组织粗化密切相关。为进一步提高细化效果，除精心的设计合金的化学成分之外，发展更有效的净化技术是关键，另外探索深过冷技术与急冷、塑性变形及高压技术等相结合的复合细化技术，可望进一步拓宽深过冷直接晶化法制备纳米晶的成分范围。相信通过今后的不懈努力，该技术将会成为块状纳米晶制备的又一实用化技术。
图１ Ｆｅ７６Ｂ１２Ｓｉ１２合金深过冷凝固的显微组织
３ 展望
纵观纳米材料的研究发展，不难看出，纳米材料的推广应用关键在于块体纳米材料的制备，而块体金属纳米材料制备技术发展的主要目标则是发展工艺简单，产量大适用范围宽，能获得样品界面清洁，无微孔隙的大尺寸纳米材料制备技术。其发展趋势则是发展直接晶化法纳米晶制备技术。
从实用化角度来看，今后一段时间内，绝大多数纳米晶样品的制备仍将以非晶晶化法和机械合金化法为主，它们发展的关键是压制过程的突破。此外在机械合金化技术中，尚需进一步克服机械合金化过程中所带来的杂质和应力的影响。对于能采用塑性变形等技术可直接获得亚微米级晶粒的合金系，拓宽研究系列，研究出与各种合金成分所对应的实用稳定的塑性变形及热处理工艺，并全面进行该类纳米晶材料的性能研究工作是此类技术走向实用的当务之急。
从长远角度来看，高压高温固相淬火、脉冲电流和深过冷直接晶化法以及与之相关的复合块状纳米材料制备技术及其基础研究工作，是今后纳米材料制备技术的研究重点。
相信随着块状纳米材料制备技术的不断研究和发展，在不远的将来会有更多的纳米材料问世，并产生巨大的社会、经济效益。
获国家自然科学基金５９７０１００３和航空基础科学基金９８Ｇ５３０８９资助
张振忠 男 ３４岁 讲师 博士研究生 西北工业大学凝固技术国家重点实验室 西安
７１００７２
作者单位：西北工业大学凝固技术国家重点实验室
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非晶态金属材料综述
非晶态金属材料 一，非晶态金属材料 非晶态金属材料是指在原子尺度上结构无序的一种金属材料。大部分金属材料具有很高的有序结构，原子呈现周期性排列（晶体），表现为平移对称性，或者是旋转对称，镜面对称，角对称（准晶体）等。而与此相反，非晶态金属不具有任何的长程有序结构，但具有短程有序和中程有序（中程有序正在研究中）。一般地，具有这种无序结构的非晶态金属可以从其液体状态直接冷却得到，故又称为“玻璃态”，所以非晶态金属又称为“金属玻璃”或“玻璃态金属”。 制备非晶态金属的方法包括：物理气相沉积，固相烧结法，离子辐射法，甩带法和机械法。 二，非晶态金属的特点 由于传统的金属材料都以晶态形式出现。但这类金属熔体，由于极快的速率急剧冷却，例如每秒钟冷却温度大于100万度，冷却速度极快，而高温下液态时原子呈无序状态，因被迅速“冻结”而形成无定形的固体，此时这称为非晶态金属；由于其内部结构与玻璃相似，故又称金属玻璃。 这种材料强度和韧性兼具，即强度高而韧性好，一般的金属在两点上是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。而对于非晶态金属，其耐磨性也明显地高于钢铁材料。 非晶态金属还具有优异的耐蚀性，远优于典型的不锈钢，这可能是因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时由于其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷，所以不易产生引起电化学腐蚀 并且非晶态金属还具有优良的磁学性能；由于其电阻率比一般金属晶体高，可以大大减少涡流损失，低损耗、高磁导，故使其成为引人注目的新型材料，也被誉为节能的“绿色材料”。 另外，非晶态金属有明显的催化性能；它还可作为储氢材料。 但是非晶态合金也有其致命弱点，即其在500度以上时就会发生结晶化过程，因而使材料的使用温度受到限制。还有其制造成本较高，这点也限制非晶态金属广泛应用。
金属材料知识大全
概述 金属材料就是指金属元素或以金属元素为主构成得具有金属特性得材料得统称.包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物与特种金属材料等.(注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料） 1、意义 人类文明得发展与社会得进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现得铜器时代、铁器时代,均以金属材料得应用为其时代得显著标志。现代,种类繁多得金属材料已成为人类社会发展得重要物质基础。 2、种类 金属材料通常分为黑色金属、有色金属与特种金属材料。 （１）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上得工业纯铁，含碳2％～4％得铸铁，含碳小于 2％得碳钢，以及各种用途得结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。广义得黑色金属还包括铬、锰及其合金. (2)有色金属就是指除铁、铬、锰以外得所有金属及其合金,通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属与稀土金属等。有色合金得强度与硬度一般比纯金属高,并且电阻大、电阻温度系数小。 (3）特种金属材料包括不同用途得结构金属材料与功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得得非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。 3、性能 一般分为工艺性能与使用性能两类.所谓工艺性能就是指机械零件在加工制造过程中,金属材料在所定得冷、热加工条件下表现出来得性能。金属材料工艺性能得好坏，决定了它在制造过程中加工成形得适应能力。由于加工条件不同，要求得工艺性能也就不同,如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等. 所谓使用性能就是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来得性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能得好坏，决定了它得使用范围与使用寿命.在机械制造业中，一般机械零件都就是在常温、常压与非常强烈腐蚀性介质中使用得，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷得作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏得性能，称为力学性能(过去也称为机械性能）.金属材料得力学性能就是零件得设计与选材时得主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求得力学性能也将不同。常用得力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力与疲劳极限等。 金属材料特质
金属材料性能
金属材料性能 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。（注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料） 性能 一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。 所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力学性能（过去也称为机械性能）。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的力学性能也将不同。常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。 种类 金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。 （1）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。 （2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。 （3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。 金属材料特质 1.塑性 塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。 金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标。 2.硬度 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一
纳米金属材料—小论文
纳米孪晶金属材料 摘要：金属材料的高强度和良好的塑韧性是很多金属材料研究者追求的目标，本文总结了卢柯课题组金属材料中纳米孪晶对强度和塑韧性的影响，并阐明了孪晶界面的作用以及机械孪生对镁合金的影响。 关键词：强度塑韧性孪晶界面机械孪生 1.引言 近一个多世纪以来,金属材料强度水平的不断提高推动着相关工业技术的进步,也不断改善了我们的生活。轻质高强度铝合金的出现推动了飞机的诞生和发展,钢缆强度的不断提升使斜拉桥的跨度成倍增加,汽车的减重和降耗很大程度上依赖于高比强金属的发展和应用，强化金属材料是材料研究者不懈努力追求的目标,强度是材料科学与技术发展的一个重要标志，然而,在大多数情况下,伴随着强度升高,金属的塑性和韧性会下降,强度一塑性(或韧性)呈倒置关系。材料的强度愈高这种倒置就愈显突出。随着现代工业技术的发展,越来越多的构件要求材料既有高的强度又具有良好的塑性和韧性,高强度金属的低塑性和低韧性在一定程度上削弱了其工业应用的潜力,成为金属材料科学发展的瓶颈问题之一。 过去,人们对材料强度一塑(韧)性关系及强韧化规律的研究大多围绕相对简单的结构体系展开,材料的组织、相、成分等在空间上分布均匀,特征结构单元尺度单一且在微米以上。随着人们对自然界中很多天然生物材料认识的不断深入,发现具有优异综合力学性能和强韧性配合的天然生物材料往往具有比较复杂的结构要素特征,如不均匀几何形态及空间分布、多尺度、多相、非均匀成分分布、多层次藕合结构等。这些多层次多尺度的组织(或相)构筑为我们发展高强、高韧、耐损伤金属材料提供了有借鉴价值的线索。近年来对纳米结构材料研究的长足进步和各类纳米技术的迅猛发展,使人们在纳米一微米一宏观等不同尺度上对金属材料的结构设计与制备调控逐步成为可能,为金属材料强韧化研究提供了一个全新的契机。 2.孪晶促进强度和塑性的同时提高 如果两个相邻晶体(或同一晶体的两个部分)之间沿一个公共晶面形成镜面对称的位向关系,那么这两个晶体就互称为孪晶,公共晶面即为孪晶界面。一般说来,孪晶界面可以通过阻碍位错运动使材料得到一定程度的强化。但是,微米或亚微米尺度的孪晶,其强化效果并不显著,只有当孪晶片层细化至纳米量级时才开始表现出显著的强化效果和其他的特性。
生物可降解金属材料体外腐蚀测试体系综述
生物可降解金属材料体外腐蚀测试体系综 述 甄珍、奚廷斐、郑玉峰 1. 北京大学前沿交叉学科研究院，生物材料与组织工程中心，北京 100871； 2. 温州医学院信息工程学院，温州 325035； 3. 北京大学工学院，材料科学与工程系，北京 100871 摘要：随着生物可降解金属材料日益受到关注，大量的体外腐蚀测试体系被用来模拟其体内腐蚀行为。不同的测试体系具有其独特的优点和缺点。为建立一个合理的并且更接近体内真实情况的测试体系，对可降解金属材料的腐蚀机理和体外腐蚀测试体系进行总结。从电解质溶液的选择、样品表面粗糙度的影响、测试方法以及腐蚀速度的评价方法等几个方面进行阐述，得到以下初步结论：电解质溶液应该选择与体液成分接近的含有蛋白的缓冲模拟体液，样品表面粗糙度和溶液体积与样品表面积之比应该接近植入部位的实际要求，并且采用动态腐蚀测试方法，同时多种腐蚀速度评价方法应当相互参照。 关键词：生物可降解、金属材料、体外测试、镁、铁 1、引言 生物可降解的金属材料已经收到近年来越来越多的关注。由于生物降解性金属材料，所带来的负面效应的永久在体内存在的植入物的减少，如炎症引起的心血管支架，再狭窄和应力遮挡引起的骨科植入物。镁合金和铁合金两种生物降解这是研究人员所关注的金属。动物实验[1-7]和临床试验的[8-11]已经证明的安全性和可行性生物可降解金属作为植入物，但同时有些缺点也暴露无遗。尽管巨大的这两种合金，快速降解率的潜力镁为基础的生物医学植入物和缓慢降解在铁基生物医学植入率生理环境中施加严格的限制许多临床应用。为了开发新种合金和评估的生物腐蚀特性材料，有一定的体外腐蚀系统应建立了可以模拟的降解过程金属植入物在体内。 体外腐蚀试验模拟并评估在体内通过一系列的体外方法，可降解过程如电化学测试，失重试验和氢进化试验。研究人员在体外构建不同各种电解质溶液和模拟系统样品表面的不同比例，以溶液的体积，这会导致数据的不可比性。因此，除了主观处理的材料，如元件的选择，表面涂层，并且处理技术，客观条件应尽可能一致可能和接近体内条件。为了建立一个更合适的体外试验系统中，四个方面进行了讨论如下：1）电解质溶液选择; 2）表面粗糙度的影响力;3）测试方法：电化学测试和浸泡试验;4）评价腐蚀速率的方法.
常见金属材料特性
45—优质碳素结构钢{最常用中碳调质钢} 主要特性最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。 应用举例 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。（焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火）。 Q235A(A3钢){最常用中碳素结构钢} 主要特性具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷却性能，以及一定的强度，好的冷弯性能。 应用举例广泛用于一般要求的零件和焊接结构。如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构。 40Cr{合金结构钢} 主要特性经调质处理后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯塑性中等，回火或调质后切削加工性好，但焊接性不好，易产生裂纹，焊接前应预热100～150℃，一般在调质状态下室使用，还可以进行碳氮共参和高频表面淬火处理。
应用举例调质处理后用于制造中速，中载的零件，如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等。调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等。经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件，如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等。经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等，碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件，如轴、齿轮 等。 HT150{灰铸铁} 应用举例 齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵体，阀体，飞轮，气缸盖，带轮，轴承盖等。 35{各种标准件、紧固件的常用材料} 主要特性强度适当，塑性较好，冷塑性高，焊接性尚可。冷态下可局部镦粗和拉丝。淬透性低，正火或调 质后使用。 应用举例适于制造小截面零件，可承受较大载荷的零件:如曲轴、杠杆、连杆、钩环等，各种标准件、紧固 件。
纳米金属材料的发展与应用综述
纳米金属材料的发展与应用 摘要：纳米技术的诞生将对人类社会产生深远的影响，可能许多问题的发展都与纳米材料的发展息息相关。在纳米金属材料的研究中，它的制备、特性、性能和应用是比较重要的方面。本文概要的论述了纳米材料的发现发展过程，并结合当今纳米金属材料研究领域最前沿的技术和成果，简述了纳米材料在各方面的应用及其未来的发展前景。 关键词：纳米金属材料、纳米技术、应用 一、前言 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanomater material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。 二、纳米材料的发现和发展 1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience &Technology)，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段： 第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。 第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。 三、纳米材料的应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十
非晶材料文献综述
本科生毕业设计（论文）文献综述文献综述题目：Ti基非晶合金的制备以及低温力学性能 姓名：孙驰 学院：材料学院 班级：04320701 指导教师：程焕武
Ti基非晶合金的制备以及低温力学性能文献综述 1.非晶合金 1.1非晶合金概述 非晶合金材料是20世纪后期材料学领域发展迅速的新型材料，是亚稳金属材料的重要组成部分。从组成物的原子模型考虑，物质可分为两类：一类为有序结构，另一类为无序结构。晶体为典型的有序结构，而气态，液态和非晶态固体都属于无序结构。在非晶体中的原子，分子的空间排列不呈现周期性和平移对称性，晶态长程有序受到破坏，知识由于原子间的相互关联作用，使其在几个原子间距的区间内仍然保持着有序特征，即具有短程有序，人们把这样一类特殊的物质状态统称为非晶态[1]。 非晶合金长程无序但短程有序，是指原子在空间排列上不呈周期性和平移对称性，但在1-2nm的微小尺度内，与近邻或次近邻原子间的键合具有一定的规律性。短程有序可分为化学短程有序和几何短程有序。化学短程有序是指合金元素的混乱状态，即每个合金原子周围的化学成分与平均成分不同的度量；几何短程有序包括拓扑短程序和畸变短程序。非晶合金的微观结构与液态金属相似，但又非完全相同，液态金属的短程有序范围约为4个原子间距，而非晶合金约为5-6个原子间距，前者中原子可以做大于原子间距的热运动，后者的原子主要做运动距离小于一个原子间距的热运动。非晶合金结构特征可以用径向分布函数RDF（r）=4πr2ρ（r）加以描述。它表示以某个原子为中心，在半径r，厚度为d（r）的球壳内的平均原子数。非晶合金的RDF（r）上出现清晰的第一峰和第二峰，没有可分辨的其它峰出现。在X射线衍射谱上，不存在晶体所特有的尖锐衍射峰，而是出现宽展的馒头峰。它的电子衍射花样是由较宽的晕和弥散的环组成，不存在表征晶态的任何斑点和条纹[2]。 1.2非晶合金与块状非晶合金的发展历史 历史上第一次制备出非晶的是Kramer于1938年利用蒸发沉积的方法实现的，此后不久，Brenner等声称用电沉积法制备出了Ni-P非晶合金。1960年 Duwez等人用快速凝固方法第一次制备出了Au 75Si 25 非晶合金，这标志了非晶 合金的诞生，这种快速凝固法是将Au 75Si 25 金属直接喷射到Cu基底上直接激冷
金属材料的电偶腐蚀综述
金属材料的电偶腐蚀 王俊 摘要：电偶腐蚀，是指当两种或者两种以上不同金属在导电介质中接触后，由于各自电极电位不同而构成腐蚀原电池。电偶腐蚀是一种普遍存在的且危害极大的腐蚀形成，它广泛地存在石油、天然气、船舶、航空和建筑工业等行业中，一旦发生则极有可能造成严重的损失。本文针对金属材料的电偶腐蚀从其腐蚀原理、影响因素、控制方法及腐蚀评定进行综述。并展望了金属材料的电偶腐蚀的研究发展趋势。 关键词：金属接触；电偶腐蚀；电位差 1、前言 现代社会中，金属材料的应用及其广泛，已然涉及到方方面面，这种情况下，研究金属材料的腐蚀及其防护就成为了一项重要任务。金属在其使用过程中或多或少会产生各种各样的腐蚀，如若防不当会造成金属材料在其使用寿命结束之前就产生破坏，特别是在航空等国防领域，金属材料的腐蚀引起的后果是灾难性的，所以，针对金属材料的腐蚀及其防护的研究日益重要。 2、电偶腐蚀的原理 2.1 概述 由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀，就是电偶腐蚀（galvanic corrosion），亦称接触腐蚀或双金属腐蚀。当两种或两种以上不同金属在导电介质中接触后，由于各自电极电位不同而构成腐蚀原电池，电位较正的金属为阴极，发生阴极反应，导致其腐蚀过程受到抑制;而电位较负的金属为阳极，发生阳极反应，导致其腐蚀过程加速。它是一种危害极为广泛和可能产生严重损失的腐蚀形式，广泛地存在于船舶、油气、航空、建筑工业和医疗器械中。它会造成热交换器、船体推进器、阀门、冷凝器与医学植入件的腐蚀失效，是一种普遍存在的腐蚀类型。可以是金属与金属，也可以是金属与导电的非金属材料（如石墨纤维环氧树脂复合材料）在介质中形成回路，形成电偶腐蚀[1]。电偶腐蚀往往会诱发和加速应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、氢脆等其他各种类型的局部腐蚀，从而加速设备的破坏。 两种或两种以上不同电极电位的金属处于腐蚀介质相互接触而引起的电化学腐蚀，又称接触腐蚀或双金属腐蚀。电偶腐蚀原理见图1。发生电偶腐蚀时,电极电位较负的金属通常会加速腐蚀，而电极电位较正的金属的腐蚀则会减慢。
金属材料的晶体结构
金属材料的晶体结构 一、晶体与非晶体 固态物质可分为晶体与非晶体两类。 ●晶体是指其组成微粒（原子、离子或分子）呈规则排列的物质。 晶体具有固定的熔点和凝固点、规则的几何外形和各向异性特点，如金刚石、石墨及一般固态金属材料等。 ●非晶体是指其组成微粒无规则地堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。非晶体没有固定的熔点，而且性能具有各向同性。 图1-18 简单立方晶格及其晶胞示意图 二、金属的晶体结构 (一)晶格 ●抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子，称为晶格。 (二)晶胞 ●反映晶格特征、具有代表性的最小几何单元称为晶胞。 晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边的边长（晶格常数）a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来描述。 (三)常见的金属晶格类型 常见的晶格类型是：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格： 1．体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的8个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是2个。具有这种晶格的金属有：α铁(α-Fe)、钨(W)、钼(Ｍo)、铬(Ｃr)、钒(Ｖ)、铌（Nb）等约30种金属。
图1-19 体心立方晶格示意图 2．面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是4个。具有这种晶格的金属有：γ铁(γ-Ｆe)、金(Ａu)、银(Ag)、铝(Ａl)、铜(Ｃu)、镍(Ni)、铅（Pb）等金属。 图1-20 面心立方晶格示意图 3．密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各有一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，每个晶胞实有原子数是6个。具有这种晶格的金属有：α钛(α-Ti)、镁( Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉（Cd）等金属。 图1-21 密排六方晶格示意图 三、金属的实际晶体结构 ●原子从一个核心（或晶核）按同一方向进行排列生长而形成的晶体，称为单晶体。 自然界存在的单晶体有水晶、金刚石等，采用特殊方法也可获得单晶体，如单晶硅、单
常用金属材料中各种化学成分对性能的影响
常用金属材料中各种化学成分对性能的影响 ．生铁： 生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性能均有一定的影响。 碳（C）：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳（石墨），主要存在于铸造生铁中，另一种是化合碳（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中，碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软，强度低，它的存在能增加生铁的铸造性能。 硅（Si）：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，能提高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。 锰（Mn）：能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可提高生铁的铸造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。 磷（P）：属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流动性，含磷量可达1.2%。硫（S）：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁化合成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性，顾含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过0.06%（车轮生铁除外）。 2．钢： 2．1元素在钢中的作用 2．1．1 常存杂质元素对钢材性能的影响 钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。 1）硫 硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。 部分常用钢的牌号、性能和用途1 《信息来源：无缝钢管》
金属材料概述
常用金属材料概述 金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的，并具有具有金属特性的工程材料。金属材料种类繁多，用途广泛，按化学组成分类，金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属主要是指以铁或以铁为主形成的金属材料，即钢铁材料，如钢和生铁。有色金属是指除钢铁材料以外的其他金属，如金、银、铜、铝、镁、钛、锌、锡、铅等。生产中使用最多的黑色金属是钢和铸铁，有色金属是铜及铜合金、铝及铝合金。 钢的种类繁多，通常按钢中是否加入合金元素，将钢分为碳钢和合金钢。 碳钢按碳的质量分数可分为低碳钢（ω C ≤0.25%)、中碳钢（0.25%＜ω C ≤ 0.6%)、高碳钢（ω C ＞0.6%），按钢的质量分数可分为普通碳素钢（ωs≤0.05%，ωp≤0.045%）、优质碳素钢（ωs≤0.035%，ωp≤0.035%）、高级优质碳素钢（ωs≤0.02%，ωp≤0.03%）和特级优质碳素钢（ωs≤0.015%，ωp≤0.025%），按钢的用途可分为碳素结构钢（用于各种工程构件，也可用于不太重要的机件）、优质碳素结构钢（用于制造各种机器零件）、碳素工具钢（用于制造各种工具）和一般工程用铸造碳素钢（用于制造形状复杂且需要一定强度、塑性和韧性的零件），还可按钢冶炼时的脱氧程度分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。 合金钢按钢的用途可分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢，还可按成分、冶金质量及组织等进行分类。 钢的性能根据不同的种类有不同的特点，其中碳素结构钢易于冶炼，工艺性能好，价格低廉，在力学性能上一般能满足普通工程构件及机器零件的要求，工程上用量很大，一般不进行热处理；低合金机构钢由于强度很高，被广泛用于建筑、石油、化工、铁道、造船等许多部门。 钢的热处理工艺是指根据钢在加热和冷却过程中的组织转变规律所制定的钢在热处理时具体的加热、保温和冷却的工艺参数。热处理工艺种类很多，根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为：普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理、化学热处理及特殊热处理（形变热处理、真空热处理等）。根据热处理在零件生产工艺流程中的位置和作用，热处理又可分为预备热处理和最终热处理。 铸铁是一种以铁、碳、硅为主要成分且在结晶过程中具有共析转变的多元铁 基合金。其化学成分一般为：ω C =2.0%～4.0%、ω si =1.0%～3.0%、ω Mn =0.1%～1.0%、 ωs=0.02%～0.25%、ωp=0.05%～1.5%。为了提高铸铁的力学性能，有时在铸铁中添加少量Gr、Ni、Cu、Mo等合金元素制成合金铸铁。 铸铁是一种被广泛使用的金属材料，主要是由于它的生产工艺简单、成本低廉并具有优良的铸造性能、可切削加工性能、耐磨性能及吸震性等，因此铸铁广泛用于机械制造、冶金、矿山及交通运输等工业部门。 碳在铸铁中既可以化合态的渗碳体（Fe 3 C）形式存在，也可以游离状态的石墨（G）形式存在，据此可以将铸铁分为三类：白口铸铁，碳除少量固溶于铁素体中外，其余的碳都以渗碳体（第二相）的形式存在于铸铁集体中，其断口呈银白色，由于存在共晶莱氏体组织，所以其性能硬而脆，很难切削加工，一般很少直接用来制造各种零件；麻口铸铁，碳除少量固溶于铁素体中外，一部分以游离 状态的石墨（G）形式存在，另一部分以化和状态的渗碳体（Fe 3 C）形式存在，在其断口上呈黑白相间的麻点，这类铸铁也具有较大的硬脆性，故工业上也很少
金属基复合材料综述
金属基复合材料综述 专业： 学号： 姓名： 时间：
金属基复合材料综述 摘要：新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术的重要内容之一。其中复合材料，特别是金属基复合材料在新材料技术领域中占有重要的地位。金属基复合材料对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用，因此倍受人们重视。本文概述了金属基复合材料的发展历史及研究现状，对金属基复合材料的分类、性能、应用、制备方法、等进行了综述，提出了金属基复合材料研究中存在的问题，探讨了金属基复合材料的发展趋势。 关键词：金属基复合材料；分类；性能；应用；制备；发展趋势 Abstract: The research development and application of new composites are one of the important matters in modern high science and technology. This paper summarizes the met al matrix composites and the development history of the present situation and the classific ation of the metal matrix composites, performance, application and preparation methods, w as reviewed, and put forward the metal matrix composites the problems existing in the res earch, discusses the metal matrix composites trend of development. Keywords: Metal matrix composites; Classification; Performance; Application; Preparation; Development trend. 1.引言 复合材料是继天然材料，加工材料和合成材料之后发展起来的新一代材料。按通常的说法，复合材料是指两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同的复合方法所得到的宏观多相材料。随着现代科学技术的迅猛发展，对材料性能的要求日益提高。常希望复合材料即具有良好的综合性能，又具有某些特殊性能。金属基复合材料是近年来迅速发展起来的高性能材料之一，对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用。相信随着科学技术的不断发展，新的制造方法的出现，高性能增强物价格的不断降低，金属基复合材料在各方面将有越来越广阔的应用前景。
常用医用金属材料
常用医用金属材料 概述 生物医用金属材料(biomedical metallic materials)用于整形外科、牙科等领域。由它制成的医疗器件植人人体内，具有治疗、修复、替代人体组织或器官的功能，是生物医用材料的重要组成部分。 生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一，其应用可以追溯到公元前400～300年，那时的腓尼基人就已将金属丝用于修复牙缺失。1546年纯金薄片被用于修复缺损的颅骨。直到1880年成功地利用贵金属银对病人的膝盖骨进行缝合，1896年利用镀镍钢螺钉进行骨折治疗后，才开始了对金属医用材料的系统研究。本世纪30年代，随着钻铬合金、不锈钢和钛及合金的相继开发成功并在齿科和骨科中得到广泛的应用，奠定了金属医用材料在生物医用材料中的重要地位。70年代，Ni-Ti形状记忆合金在临床医学中的成功应用以及金属表面生物医用涂层材料的发展，使生物医用金属材料得到了极大的发展，成为当今整形外科等临床医学中不可缺少的材料。虽然近20年来生物医用金属材料相对于生物医用高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料的发展比较缓慢，但它以其高强度、耐疲劳和易加工等优良性能，仍在临床上占有重要地位。目前，在需承受较高荷载的骨、牙部位仍将其视为首选的植人材料。最重要的应用有：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。 生物医用金属材料要在人体内生理环境条件下长期停留并发挥其功能，其首要条件是材料必须具有相对稳定的化学性能，从而获得适当的生物相容性。迄今为止，除医用贵金属、医用钛、袒、锯、铅等单质金属外，其他生物医用金属材料都是合金，其中应用较多的有：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金和磁性合金等。 第一节生物医用金属材料的特性与生物相容性 生物医用金属材料以其优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床医学中获得了广泛的应用，其重要性与生物医用高分子材料并驾齐驱，在整个生物医用材料应用中各占45％左右。由于金属材料在组成上与人体组织成分相距甚远，因此，金属材料很难与生物组织产生亲合，一般不具有生物活性，它们通常以其相对稳定的化学性能，获得一定的生物相容性，植人生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所包裹，使之与正常组织隔绝。组织反应一般根据植人物周围所形成的包膜厚度及细胞浸润数来评价。美国材料试验学会的ASTM-F4的标准规定：金属材料埋植6个月后，纤维包膜厚度＜0．03mm为合格。 人体体液约合l％氯化钠及少量其他盐类和有机化合物，局部酸碱性经常略有变化，温度保持在37℃左右，这种环境对金属材料会产生腐蚀，其腐蚀产物可能是离子、氧化物、氯化物等，它们与邻近的组织接触，甚至渗人正常组织或整个生物系统中，对正常组织产生影响和刺激、以引起包括组织非正常生长、畸变、过敏或炎症、感染等不良生物反应，甚至诱发癌变。腐蚀作用同时会使材料的力学性能产生衰减，这两种过程通常单独或协同造成材料的失效。因此，作为生物医用金属材料，首先必须满足两个基本条件：第一是无毒性；第二是耐生理腐蚀性。 一、金属材料的毒性 生物医用金属材料植人人体后，一般希望能在体内永久或半永久地发挥生理功能，所谓半永久对于金属人工关节来说至少在15年以上，在这样一个相当长的时间内，金属表面或
金属材料疲劳研究综述
金属材料疲劳研究综述 摘要：人会疲劳，金属也会疲劳吗？早在100多年前，人们就发现了金属也是会疲劳的，并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害，所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国内外关于金属疲劳的研究进展，概述了金属产生疲劳的原因及影响因素，以及金属材料疲劳的试验方法。 关键词：金属材料疲劳裂纹疲劳寿命 一．引言 金属疲劳的概念，最早是由J．V．Poncelet 于1830 年在巴黎大学讲演时采用的。当时，“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会( ASTM) 在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”( EZ06-72) 中所作的定义: 在某点或某些点承受挠动应力，且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为“疲劳”。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的，且表现为突然断裂，无论材料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂，危害极大，所以研究金属的疲劳是
非常有必要的。 由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002 年 5 月，华航一架波音747-200 型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体，19 名机组人员及206名乘客全部遇难。调查发现，飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体，是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 二．金属疲劳的有关进展 1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间，Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度，Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代，力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公式概括了塑性应变幅值和疲劳寿命之间的关系。Paris在1963年提出疲劳裂纹扩展速率da／dN和应力强度因子幅值?k之间的关系。1974年，美
纳米金属材料的制备方法
纳米硬质合金制备技术 纳米硬质合金具有很高的强度、硬度等力学性，能同时还具有普通超细合金难以获得的高导热特性（普通超细合金的导热性能随着晶粒度的减小而降低,瑞典的Sandvik公司就以硬质合金的导热性发生突变时合金晶粒度的临界值作为纳米硬质合金判据,认为晶粒度小于0.3μm的合金即可称为纳米硬质合金）。控制烧结过程中的晶粒长大是制备纳米硬质合金块体材料的关键,随着纳米（晶）硬质合金粉末制备技术的成熟,纳米（晶）硬质合金粉末的烧结研究成为材料研究领域的热点。 纳米晶粉末存在着很大的表面能和晶格畸变能，在烧结热处理中这些能量被充分释放，具体表现为晶粒迅速长大和快速致密化。在保证致密化的前提下,有效控制烧结过程中的晶粒长大成为纳米硬质合金制备技术的难点。为了抑制烧结晶粒长大,可在粉末中添加晶粒长大抑制，但添加抑制剂并不能有效地将晶粒控制在100nm以内，于是又发展了众多新的烧结方法,以期通过压力、电磁等活化作用来实现低温短时烧结,进一步控制晶粒长大。以下将对纳米硬质合金新型烧结技术进行简要介绍。 1 压力烧结 在烧结时施加压力可以加快烧结时的颗粒重排,快速实现致密化,消除孔隙,较有效控制烧结过程的晶粒长大。压力烧结主要有低压烧结、热等静压、热压、超高压烧结和爆炸烧结等。 1.1低压烧结 目前人们研究较多并且在工业中被广泛应用的是低压烧结。低压烧结将成形剂脱除、真空烧结和热等静压合并在同一设备中进行,最终烧结阶段采用氢气保护,压力一般为4~6MPa,可实现快速冷却。在低压烧结过程中,大部分收缩发生在真空烧结阶段,在加压阶段消除显微孔隙,使烧结体完全致密。其工艺主要优点为钻池几乎可以完全被消除，孔隙度显著降低,制品内部的缺陷得到有效控制合金的组织结构细小均匀。由于烧结和加压在同一设备中进行,不易造成产品的氧化和脱碳,还可通过引人碳势气体(如CH4等)来调整合金中的碳含量。 1.2热等静压
关于非晶态金属材料的研究
第三节非晶态金属材料研究现状与前景 1. 非晶态金属材料及性质 非晶态金属是一种“年轻”的金属材料，从它诞生以来，就显示出了巨大的潜能。人们不断地发现它的各种奇异的、优良的特性，非晶材料已被广泛应用与此同时，人们对该材料的磁性、电学性质、力学性质、化学性质以及非晶态之形成及结构进行了广泛的研究，希望在这个亚稳的非晶态结构基础上研发出具有全新的结构和性能的新材料。 1. 1 非晶态金属材料 物质的结构决定了其性质. 物质材料按其结构分类,可分为晶体和非晶体两大类.常见的金属材料从结构上看一般都属于晶体材料.近几十年来,人们发现了金属存在的另一种结构形式——非晶态. 如果把晶体结构的金属视为金属的“常现性态”的话,那么,非晶态金属就是金属的“特常现性态”.非晶态金属又可形象的称为金属玻璃(非晶合金原子的混乱排列类似于玻璃) .对于金属材料来说,通常情况下,当金属或合金从液体凝固成固体(例如钢水凝固成钢锭)时,原子总是从液体的混乱排列转变成固体的整齐排列,即成为晶体.因为只有这样,其结构才最稳定.但是,如果金属或合金的凝固速度非常快(例如以106℃/ s 的冷却速率将铁-硼合金熔体凝固) ,原子来不及整齐排列便被冻结住了,最终的原子排列方式类似于液体,是混乱的,这就是非晶合金.从理论上说,任何物质只要它的液体冷却速率足够快,原子来不及整齐排列就凝固,那么原子在液态时混乱排列并迅速冻结,就可以形成非晶[2 ].有人根据这一特点又将非晶合金称为“过冷液”.但是,不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同.例如,普通的玻璃熔体只要慢慢冷却下来,得到的玻璃就是非晶态. 而单一的金属则需要108℃/ s 以上的冷却速度才能形成非晶态. 目前,受工艺水平的限制,在实际生产中难以达到如此高的冷却速度,也就是说,普通的单一的金属难以在生产中制成非晶.故非晶态金属多为合金,纯的非晶态金属很少. 非晶态金属结构是一种亚稳态结构.在一定的条件下(比如高温、强冲击作用) 会向更稳定的状态——晶态转变而变成普通晶态金属.我们把这一转变过程称为
(完整版)金属材料知识大全
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。（注：金 属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料） 1.意义 人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后 出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。 2.种类 金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。 （1）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。 （2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬 度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。 （3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及 金属基复合材料等。 3.性能 一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制 造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工 艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、 切削加工性等。 所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它 包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它 的使用范围与使用寿命。在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和 非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷 的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力学性能（过去也称为 机械性能）。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载 荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求 的力学性能也将不同。常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、 多次冲击抗力和疲劳极限等。 金属材料特质