《材料化学导论》课程授课教案（讲稿）第11讲 4.4超低温合金

第 11 讲S4.4超低温合金材料化学导论课程教案$4.4超低温合金【目的要求】通过本讲课程的学习，掌握超低温合金的要求，了解超低温合金的研究；掌握超塑性合金的条件，特征及其应用，了解超塑性合金的类别。本讲课程在加强学生对基础理论知识的同时，注重当前新型金属材料的发展研究，培养学生的学习兴趣。【重点】超低温合金的特殊要求；超塑性合金的产生条件，特征及其应用。【难点】超塑性合金的产生条件。【本讲课程的内容】4.4.1超低温对材料的特殊要求当温度降到零下100℃以下时，称为超低温。超低温对的材料的特性要求：（1）首先是防止低温脆性。例如铁素体钢呈体心立方结构，在温度达到一200℃左右，就会出现韧性一脆性转变，这是体心立方结构金属的固有特性。防止低温脆性：A.添加镍的材料；B.采用面心立方结构的金属，如铝合金、奥氏体系不锈钢等。喜脆性不锈钢(面心立方）韧性钢（体心立方）韧脑转变温度T、温度温度不锈钢和碳钢在不同温度下的材料的韧性、脆性与温度的关系夏氏冲击试验结果。（2）其次需要具备低温下的热性能。（3）必须是非磁性合金。4.4.2超低温合金的研究1）较早使用含9%镍的钢可在液化天然气中使用。9%镍钢属耐低温合金钢的高端钢种，能经受一196℃低温的考验，并具有抗压性能强、低温韧性好的特点，能满足在超低温状态下长途运输和储藏液化天然气的需要。（2美国（A1S1代表美国钢铁学会的标准）A1S130系列的奥氏体不锈钢是制造低温设备承载构件的镍基合金

§4.4 超低温合金 材料化学导论课程教案 第 11 讲 §4.4 超低温合金 【目的要求】通过本讲课程的学习，掌握超低温合金的要求，了解超低温合金的研究；掌握 超塑性合金的条件，特征及其应用，了解超塑性合金的类别。本讲课程在加强学生对基础理 论知识的同时，注重当前新型金属材料的发展研究，培养学生的学习兴趣。 【重 点】超低温合金的特殊要求；超塑性合金的产生条件，特征及其应用。 【难 点】超塑性合金的产生条件。 【本讲课程的内容】 4.4.1 超低温对材料的特殊要求 当温度降到零下 100℃以下时，称为超低温。超低温对的材料的特性要求： （1） 首先是防止低温脆性。 例如铁素体钢呈体心立方结构，在温度达到一 200℃左右，就会出现韧性—脆性转变， 这是体心立方结构金属的固有特性。防止低温脆性： A．添加镍的材料； B．采用面心立方结构的金属，如铝合金、奥氏体系不锈钢等。 不锈钢和碳钢在不同温度下的 材料的韧性、脆性与温度的关系 夏氏冲击试验结果。 （2） 其次需要具备低温下的热性能。 （3） 必须是非磁性合金。 4.4.2 超低温合金的研究 (1) 较早使用含 9％镍的钢可在液化天然气中使用。9%镍钢属耐低温合金钢的高端钢种，能 经受－196℃低温的考验，并具有抗压性能强、低温韧性好的特点，能满足在超低温状态下长途 运输和储藏液化天然气的需要。 (2)美国（AlSl 代表美国钢铁学会的标准）A1Sl300系列的奥氏体不锈钢是制造低温设备承载 构件的镍基合金

第11讲84.4超低温合金材料化学导论课程教案（3）高锰奥氏体钢是专门开发的超低温合金。它即使在液氨温度下也具有良好的强度和延伸率，而且热膨胀系数特别小，仅约为18-8不锈钢（的1／2，但是机械加工性不佳，耐冲击性也稍差。（4）如果把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝代替，则可制成铁锰铝新合金钢，其强度、韧性都十分优异。84.5超塑性合金4.5.1超塑性现象超塑性的发现：1920年，德国科学家罗森海因(Rosenhain)在研究Zn-Al-Cu系三元共晶合金的物理性质时发现，在温度为250℃的条件下，以非常缓慢的变形速度对其进行拉伸，发现了这种材料具有超塑性的奇异现象，伸长率竟然可达1000%。超塑性现象的定义：1928年英国物理学家森金斯下了一个定义：凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，而且其应变速度为每秒10毫米时产生300%以上的延伸率，均属超塑性现象。超塑性发生的条件：（1）微晶超塑性：产生细晶超塑性的必要条件是：温度要高，TS=（0.4-0.7）T熔点：变形速率要小，低于10-3s-1；材料的组织为非常细的等轴晶粒，晶粒直径<5um。超细晶粒晶界的存在是合金出现超塑性的原因所在。（2）相变超塑性：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。4.5.2实用超塑性合金（1）锌基超塑合金最早发现的超塑性合金是锌基超塑合金Zn一22Al，其成形条件是温度范围250一270℃，压力为0.39-1.37MPa。超塑性锌合金具有成型加工温度低，成型性和耐腐蚀性好等优点。所以除了制作各种复杂形状的容器外，还广泛用作建筑材料。由于这种材料的蠕变强度低，不宜作结构材料，难于加工成板材，冲压加工性差，易龟裂，孔洞必须切削加工，因此用于一般不需切削的简单零件

§4.4 超低温合金 材料化学导论课程教案 第 11 讲 (3)高锰奥氏体钢是专门开发的超低温合金。它即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸 率，而且热膨胀系数特别小，仅约为 l 8-8 不锈钢（的 l／2，但是机械加工性不佳，耐冲击性 也稍差。 (4)如果把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝代替，则可制成铁锰铝新合金钢，其强度、 韧性都十分优异。 §4.5 超塑性合金 4.5.1 超塑性现象 超塑性的发现：1920 年，德国科学家罗森海因(Rosenhain)在研究 Zn-Al-Cu 系三元共晶 合金的物理性质时发现，在温度为 250℃的条件下，以非常缓慢的变形速度对其进行拉伸， 发现了这种材料具有超塑性的奇异现象，伸长率竟然可达 1000%。 超塑性现象的定义： 1928 年英国物理学家森金斯下了一个定义：凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔 软，而且其应变速度为每秒１０毫米时产生 300%以上的延伸率，均属超塑性现象。 超塑性发生的条件： （1）微晶超塑性： 产生细晶超塑性的必要条件是：温度要高，Ts=（0.4-0.7）T 熔点；变形速率要小，低于 10-3 s -1；材料的组织为非常细的等轴晶粒，晶粒直径<5um。 超细晶粒晶界的存在是合金出现超塑性的原因所在。 （2）相变超塑性： 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。 4.5.2 实用超塑性合金 （1）锌基超塑合金 最早发现的超塑性合金是锌基超塑合金 Zn－22Al，其成形条件是温度范围 250 一 270℃， 压力为 0.39-1.37MPa。 超塑性锌合金具有成型加工温度低，成型性和耐腐蚀性好等优点。所以除了制作各种复 杂形状的容器外，还广泛用作建筑材料。由于这种材料的蠕变强度低，不宜作结构材料，难 于加工成板材，冲压加工性差，易龟裂，孔洞必须切削加工，因此用于一般不需切削的简单 零件

第11 讲84.4超低温合金材料化学导论课程教案（2）铝基超塑性合金铝基超塑性合金为超塑性结构材料。1973年美国研制了A/一6Cu一0.42Zr铝板，薄板类Supral1100，层状结构复合材料SupralI50，加拿大研制了A/一5Ca一5Zn三元共晶合金超塑性温度为300一600℃，m值为0.22-0.51，在3×10秒的应变速率下可达408%变形率，可加工成复杂形状部件，超塑性铝合金的强度可达686MPa，使用温度可达150℃。（3）镍基超塑性合金镍基耐热合金是高温强度大的超耐热合金，难以锻造成形。利用超塑性作精密锻造，锻造压力小，节约材料和加工费，制品均匀性好，已经制成蒸汽轮机。除上述超塑性合金外，还有研究得较多的超塑性钢。最近研究的1N一744Y超塑性不锈钢，具有铁素体和奥氏体二相微晶组织。另外，以T一6A/一4V合金为代表的超塑性钛合金可呈现2000%的伸长率。目前已形成一系列超塑性材料，如Ag基、Co基、Cu基、Pb基、Sn基，还有In合金、Zr合金。4.5.3微细晶粒超塑性合金的特征（1）发生超塑性的温度高绝大多数合金的超塑性发生温度都很高，加工温度高时易于生成氧化物。在室温使用时还必需考虑加工件的收缩，因此会影响尺寸的精度和表面的质量。（2）对变形速度的依赖性大这种材料发生超塑性的速度范围很低，必需通过采用与之相适应的低速度加工来减少工序，因为材料的缺口处应力集中十分显著，这些部位的形变速度局部较高，即使在超塑性温度范围内有时也会发生脆性断裂。（3）能实现在低压力下的固相结合细晶超塑性合金的晶粒尺寸远小于普通粗糙金属表面的微小凸起的尺寸，所以当它与另一金属压合时，超塑性合金的晶粒可以顺利地填满微小凸起的空间，使两种材料间的粘结能力大大提高。（4）减振能力强由于这种材料在超塑性温度附近有滞弹性行为，故减振能力很强，可用作减振和消音材料.。（5）其它一般来说，超塑性合金由于晶粒极其细小，可将其作为难加工材料加工时的润滑剂

§4.4 超低温合金 材料化学导论课程教案 第 11 讲 （2）铝基超塑性合金 铝基超塑性合金为超塑性结构材料。1973 年美国研制了 Al－6Cu－0.42Zr 铝板，薄板类 Supral 1100，层状结构复合材料 Supral l50，加拿大研制了 Al－5Ca－5Zn 三元共晶合金， 超塑性温度为 300 一 600℃，m 值为 0.22-0.51，在 3×10-2 秒的应变速率下可达 408％变形 率，可加工成复杂形状部件，超塑性铝合金的强度可达 686MPa，使用温度可达 150℃。 （3）镍基超塑性合金 镍基耐热合金是高温强度大的超耐热合金，难以锻造成形。利用超塑性作精密锻造，锻 造压力小，节约材料和加工费，制品均匀性好，已经制成蒸汽轮机。 除上述超塑性合金外，还有研究得较多的超塑性钢。最近研究的 1N－744Y 超塑性不锈 钢，具有铁素体和奥氏体二相微晶组织。另外，以 Ti－6Al－4V 合金为代表的超塑性钛合金 可呈现 2000％的伸长率。目前已形成一系列超塑性材料，如 Ag 基、Co 基、Cu 基、Pb 基、 Sn 基，还有 In 合金、Zr 合金。 4.5.3 微细晶粒超塑性合金的特征 （1）发生超塑性的温度高 绝大多数合金的超塑性发生温度都很高，加工温度高时易于生成氧化物。在室温使用时 还必需考虑加工件的收缩，因此会影响尺寸的精度和表面的质量。 （2）对变形速度的依赖性大 这种材料发生超塑性的速度范围很低，必需通过采用与之相适应的低速度加工来减少工 序，因为材料的缺口处应力集中十分显著，这些部位的形变速度局部较高，即使在超塑性温 度范围内有时也会发生脆性断裂。 （3）能实现在低压力下的固相结合 细晶超塑性合金的晶粒尺寸远小于普通粗糙金属表面的微小凸起的尺寸，所以当它与另 一金属压合时，超塑性合金的晶粒可以顺利地填满微小凸起的空间，使两种材料间的粘结能 力大大提高。 （4）减振能力强 由于这种材料在超塑性温度附近有滞弹性行为，故减振能力很强，可用作减振和消音材 料.。 （5）其它 一般来说,超塑性合金由于晶粒极其细小，可将其作为难加工材料加工时的润滑剂

S4.4超低温合金第11 讲材料化学导论课程教案4.5.4超塑性合金的应用（1）高变形能力的应用在温度和变形速率合适时，利用合金超塑性的极大生伸长率，可完成通常压力加工方法难以完成或多道工序才能完成的加工任务。这种合金适合于像热塑性塑料板的真空成型或气压成型那样的加工方式。在温度和变形速度得到充分控制时，可在密封模具内挤压或锻造，可以得到相当高的加工精度，并能大幅度降低加工压力减少加工工序，由于其晶粒极细，尤适于极薄板和极薄管的制造，也非常适用于加工具有极微小凹凸表面的制品（如熔模造型用模具、塑料成型模具等。（2）固相结合能力的利用晶粒的超细化，即晶界体积比的增加使得低压下的固相结合易于进行。利用这一特性，已在轧制粘合多层材料、包覆材料、复合材料等方面得到应用，也在以箔材或粉粒形式用作粘合材料方面开发了一些新用途。（3）减振能力的利用超塑性合金可以单独，也可以与其他材料复合制成不同形状需要减振的地方，也可以作为消音材料和部件使用。(4)其它可作为难加工材料加工时的润滑剂。【本讲课程的小结】本讲课主要讨论了（1）超低温合金；（2）超塑性合金金。【本讲课程的作业】超塑性合金一般具有怎样的结构特点？【本讲课程的思考题】

§4.4 超低温合金 材料化学导论课程教案 第 11 讲 4.5.4 超塑性合金的应用 （1）高变形能力的应用 在温度和变形速率合适时，利用合金超塑性的极大生伸长率，可完成通常压力加工方法 难以完成或多道工序才能完成的加工任务。 这种合金适合于像热塑性塑料板的真空成型或气压成型那样的加工方式。在温度和变形 速度得到充分控制时，可在密封模具内挤压或锻造，可以得到相当高的加工精度，并能大幅 度降低加工压力减少加工工序，由于其晶粒极细，尤适于极薄板和极薄管的制造，也非常适 用于加工具有极微小凹凸表面的制品(如熔模造型用模具、塑料成型模具等。 （2）固相结合能力的利用 晶粒的超细化，即晶界体积比的增加使得低压下的固相结合易于进行。利用这一特性， 已在轧制粘合多层材料、包覆材料、复合材料等方面得到应用，也在以箔材或粉粒形式用作 粘合材料方面开发了一些新用途。 （3）减振能力的利用 超塑性合金可以单独，也可以与其他材料复合制成不同形状需要减振的地方，也可以作 为消音材料和部件使用。 （4）其它 可作为难加工材料加工时的润滑剂。 【本讲课程的小结】 本讲课主要讨论了（1）超低温合金；（2）超塑性合金金。 【本讲课程的作业】超塑性合金一般具有怎样的结构特点？ 【本讲课程的思考题】