金属基复合材料综述
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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。
2.金属基复合材料的发展历程及研究现状
20世纪60年代为满足发展高性能武器装备的军事需要，人们开始对金属基复合材料(MMCs)进行研究和开发。70年代末，军事领域也开始强调经济性和风险性，政府军事采购的数量明显减少，使得高性能MMCs的开发和应用变得相当困难。80 年代，成本低、加工性能好的非连续增强MMCs出现，使MMCs的研发复兴，也开始进入其它应用领域。至今,MMCs 已成为继金属材料、无机非金属材料、高分子材料之后的第四大类材料，应用前景广阔。MMCs 除了具有基体金属或合金具备的良好的导热、导电性能，抗苛刻环境能力，抗冲击、抗疲劳性能和断裂性能以外，MMCs还具有高强度、高刚度，出色的耐磨性能和更低的热膨胀系数(CTE)。基体材料的改变，增强体材料、尺寸、形状和基体材料的改变，增强体材料、尺寸、形状和分布的几乎没有穷尽的组合，使MMCs具有多样性。众多基体中，目前以铝、镁、钛基发展较为成熟。增强体中以SiC的使用量最大，远远超出了其它复合材料；其次是Al2O3。增强体不同，制造成本也有很大不同。连续纤维增强MMCs要比颗粒增强MMCs价格高很多，短纤维和晶须增强MMCs价格居中。
3.金属复合材料的性能
3.1结构性能
强度和刚度是结构应用的两个最重要的特性。轴向性能，石墨环氧复合材料(Gr)的比强度和比刚度远高于其它材料，Ti(f)和Al(f)的次之。平面增强的Gr是 (在平面内)准各向同性的，且Gr比钛基复合材料(TMCs)廉价，比其它MMCs易得，注定了它是最大单向结构效率的首选材料。典型的结构件必须承受多向载荷，因此单向复合材料的应用受到限制。非连续增强MMCs的比强度和比刚度适中，易于获得，是最具竞争力的结构材料。MMCs越来越多地应用于那些断裂敏感的场合，并被实践证明完全可以满足使用要求。
3.2热学管理性能
热学管理是MMCs的一项很重要的应用，应用范围很广，包括计算机处理器的芯片基片，功率半导体设备和远程通信中的微波元件封装。高的热导率是首要的性能，比热导率是运动系统中组件的一个非常重要的性能。CTE是热学管理中第二重要的性能。
3.3用于精密装置的性能
像磁盘驱动器、录像头、原子力显微镜的载物台、机械臂、惯性引导系统、人造卫星天
线、高速制造设备和推进系统，在运行时承受很大的热梯度和机械应力的同时还要保持严格的尺寸公差。对机械变形的抗力取决于材料的特性，比如刚度和密度，还有组件的几何形状和承受载荷的方式。特定质量下具有更高的E/ρ值的材料具有更好的抗弹性挠曲的能力。大的热导率能减小热梯度从而减小热诱导应力，所以增大λ/α有利于减小热诱导变形。3.4耐磨性能
耐磨性能是MMCs的众多性能中很重要的一项。硬质增强颗粒的加入从本质上增强了基体金属的耐磨性能。MMCs适于作耐磨材料，性价比更高，经济性能更好。
4.金属基复合材料的分类
金属基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。目前，其增强相已有很多，重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维、SiC晶须；颗粒型的有SiC、碳化硼、图化钛等；丝状的有钨、铍、硼、钢等。金属基复合材料按其增强材料的几何形态可划分为五类。
(1)连续纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维(或晶须)及金属细线等增强金属得到质量轻且强度高的材料，纤维直径从3～150mm(晶须直径小于 1 mm)，纵横比(长度直径)在102以上。
(2)短纤维增强金属基复合材料作为金属基复合材料增强体的短纤可分为天然纤维制品和短切纤维。天然纤维主要是一些植物纤维和菌类纤维索等，长度一般为35～150 mm；短切纤维一般是由连续纤维(长纤维)切割而成，长度 1～50 mm，用于金属基复合材料短纤维增强体的材料主要有Saffil－Al2O3、Al2O3－SiO2、SiC等。
(3)晶须增强金属基复合材料晶须是指在特定条件下以单晶的形式生长而成的一种高纯度纤维，其原子排列高度有序，几乎不含晶界位错等晶体结构缺陷，有异乎寻常的力学性能。
(4)颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度，其基体起着把颗粒组合在一起的作用，颗粒平均直径在1微米以上，强化相的容积比可达90％。常用作金属基复合材料增强体的颗粒主要有：SiCAl2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷颗粒，以及石墨颗粒，甚至金属颗粒。
(5)混杂增强金属复合材料对上述四种单一的增强形式进行有机的组合就形成了混杂增强。增强体的混杂组合可分为三种：颗粒－短纤维(或晶须)连续纤维－颗粒、连续纤维－连续纤维、在短纤维或晶须的预制件中，易出现增强的粘结、团聚现象，颗粒的混入可以解决
这一问题与单一的增强金属基复合材料相比，可以大幅度提高材料的横向强度，改善材料的力学性能。
5.金属基复合材料的应用
5.1地面运输
汽车行业中的主要应用包括局部增强的柴油机活塞，局部增强的Al发动机组的缸体，进气阀和排气阀，驱动轴和连杆，制动组件(刹车盘、转子和卡钳)，混合式车或电车的电源模块。
5.2热学管理
热管理零件具有很高的附加值，通常是每平方英寸几美元。这方面应用最多的是Cu/Mo 和Cu/W。以前多采用液态金属浸渗来制造，现在用P/M法，可以实现近净成形工艺，用搅拌铸造、液态浸渗、P/M的方法制造的Al/SiC正被越来越广泛地应用。用P/M法制得的Be/BeO 用于高性能的场合。AlBeMet是金属/金属复合材料，通常用P/M或铸造方法制造，应用于需要良好结构性能的热管理零件。
5.3航空航天
航空学的MMCs应用已经建立起了飞机结构学、飞机推进学和辅助系统三类。飞机结构组件包括F16飞机的机腹尾翼、燃料通道门盖板,欧洲直升机EC120 和N4直升机的转子叶片。
5.4工业、娱乐业和基础设施工业
工业应用包括硬质合金、金属陶瓷、电镀和浸渍金刚石刀具，铜和银MMCs 电触点，石化行业的抗腐蚀涂层。TiC增强的铁和镍合金具有出色的硬度和良好的耐磨性能，在工业中应用广泛：切削、轧制、制粒、冲压、冲孔、金属热加工、拉拔、模锻、钻孔等；制作的零件包括：锻锤、冲压模、罐装工具、压纹辊、止回阀、挤压机喷嘴、弯曲模、挤压模、热锻模模衬等。
6.金属基复合材料的制备工艺
6.1制备工艺与分析
金属基复合材料的复合制备工艺复杂、技术难度较大，但制备技术研究是决定该类材料
迅速发展和广泛应用的关键问题。所以，研究开发实用有效的制备方法一直是金属基复合材料的重要问题之一目前，虽然已经研制出不少复合工艺，但都存在一些问题。按照制备过程中基体的温度，将其工艺分为液相工艺、固相工艺和液－固两相工艺、液相复合工艺。
6.2液相工艺
搅拌复合工艺
搅拌复合工艺又称搅拌铸造法，是通过机械搅拌装置使颗粒争强体与液态金属基体混合，然后通过常压铸造或真空常压铸造或压力铸造制成复合材料锭子或零件。
浸渗复合工艺
浸渗工艺包括高压气压无压浸渗三种，该制备技术已用于制造Toyoto发动机活塞。液态金属浸渗法是一种制备大体积分数复合材料的好方法，但是存在预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界面反应等缺点。
(1)挤压铸造
挤压铸造是将增强体材料制成一定形状并有一定强度的预制体，再将金属液浸渗到预制体中，保压凝固而成。
(2)气压浸渗
气压浸渗能有效防止金属和增强体的氧化，限制了界面反应，改善界面，提高了浸润性，减少了出现气孔等缺陷的几率。由于其制造过程气压不超过10 MPa，所以零件不易开裂。但是，低气压浸渗难以制造大型件，生产效率低，工艺步骤多，周期长。
(3)无压浸渗
无压浸渗是金属液体在没有外压力和真空的条件下，自发地渗入预制体间隙，冷却凝固获得致密的复合材料
喷射共沉积复合工艺
喷射共沉积复合技术克服了粉末冶金含氧量大、搅拌复合界面反应严重的缺点。其最大的工艺特粒和不连续纤维等容易堵塞喷口。
6.2固相复合工艺
粉末冶金法
粉末冶金法采用热压或热静压的方法使材料扩散复合，从而制成复合材料锭块该技术对基体合金和增强体的限制少，增强体体积分数易调节控制，这点也是铸造法难以比拟的，且经二次加工增强体分布均匀，基体晶粒细小，性能稳定
扩散结合工艺
扩散结合工艺是在低于基体合金熔点的适当温度下施加高压，通过与基体发生的塑性变形蠕变以及扩散，将基体与基体基体与增强体紧密结合，从而得到完全压实的金属基复合材料的方法该方法能有效抑制复合材料的界面反应，解决润湿性问题，是连续纤维增强体金属基复合材料的主要制备方法但仅能生产平板状或低曲率板等形状简单的构件
6.3固液两相区复合工艺
流变铸造法
流变铸造法是对处于固－液两相区的熔体施加强烈搅拌形成低粘度的半固态浆液，同时引入陶瓷颗粒，利用半固态浆液的触变特性分散增强相，阻止陶瓷颗粒的下沉或漂浮，保证陶瓷颗粒弥散分布于金属熔体中，但存在搅拌工艺所有的问题，仅适用于凝固区间较宽的金属，也存在界面反应颗粒偏析等问题
固液两相区热压复合工艺
固液两相区热压复合工艺具有流变性，可进行流变铸造；半固态浆液具有触变性，可将流变铸造锭重新加热到所要求的固相组分的软化度，送到压铸机中压铸，由于压铸时浇口处的剪切作用，可恢复其流变性而充满铸型，此称作触变铸造颗粒或短纤维增强材料加入到强烈搅拌的半固态合金中由于半固态浆液中球状碎晶粒子对添加粒子的分散和捕捉作用，既防止了添加粒子的上浮下沉和凝聚，又使添加粒子在浆液中均匀分散，改善了润湿性，促进界面结合。
6.4金属基复合材料的制备工艺存在的问题
通过多年研究积累，我国已在金属基复合材料制备过程方面取得突破性的进步，为推动复合材料的发展作出了巨大贡献但我国金属基复合材料制备技术水平与发达国家相比仍存在较大差距，主要是金属基复合材料增强体与基体的润湿机理增强体与基体的微观作用机理等领域研究薄弱，这是严重制约我国新型金属基复合材料研发的主要因素故在未来研究中，应基于金属基体与增强体间发生的界面反应机理金属基复合材料的强化机制，开展增强体与基体的润湿机理，阐明界面反应物脆性相对增强体的损伤程度；并结合金属基复合材料的强化机制，探讨金属基复合材料的凝固过程，研究增强相与基体的微观作用机理，实现低密度高强度和比刚度高温性能和抗大气腐蚀性低热膨胀系数的金属基复合材料的突破性发展。
7.金属基复合材料存在的问题及发展趋势
7.1存在的问题
金属基复合材料在国际上虽然很受重视，近年发展较快，但就规模与速度相比，还远落后于碳/环氧等树脂基复合材料，特别在生产应用上，尚未真正打开局面。上面提及的应用情况，大都为试验件，真正能用于生产的很少。这是当前不少先进的尖端材料普遍存在的一个共同问题。这些问题的原因主要是如下四个方面：1.工艺技术复杂；2.价格昂贵；3.性能有待改进，工艺尚须完善；4.设计与使用经验不足。
7.2金属基复合材料研究趋势
(1)简化制备工艺，降低制备成本，始终是研究热点之一。
(2)目前金属基复合材料的强化机制研究还不是很成熟，学术观点各有所见，很难达成共识。应加强对强化机制的研究，探讨复合材料的凝固过程，研究增强相与基体的微观作用机理，进一步推动金属基复合材料的发展。
(3)润湿性问题一直困扰研究金属基复合材料的学者，给实际制备复合材料带来很大的困难。目前，有些学者研究了铝基复合材料的润湿性，并取得了一定的进展。但对钢基复合材料的研究却很少，国内目前尚未见报道。如果想制备优良的钢基复合材料，润湿性问题尤显重要。
(4)研究的重点侧重于增强体与基体的结合界面及增强体在基体中的分布，却忽略了基体自身的性能。基体本身的性能对复合材料的影响也至关重要，性能优越的复合材料同样要求有性能优越的基体，因此应加大对基体和增强体性能同步提高的研究。
8.结语
与传统的单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料相比，金属基复合材料出除了具有优异的力学性能外，更具有某些特殊性能和良好的综合性能，并且应用范围也是越来越广泛。可以看出，金属基复合材料一开始因价格比较昂贵，首先应用于航空、航天和军事领域。而随着新的材料制备技术的研制成功和廉价增强物的不断出现，金属基复合材料正越来越多地应用于汽车、机械、冶金、建材、电力等民用领域。显示出广阔的应用前景和巨大的经济效益和社会效益。我们相信随着科学技术的不断发展以及相关领域研究工作的不断深入，金属基复合材料其理论基础和制备技术将会有更大的突破，在各方面将有越来越广阔的应用前景。
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
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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.
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14.3.2金属-非金属复合材料 14.3.2.1金属基复合材料的性能特征 金属基复合材料与一般金属相比，具有耐高温、高比强度、高的比弹性模量、小的热膨胀系数和良好的抗磨损性能。与聚合物基复合材料相比，不仅剪切强度高、对缺口不敏感，而且物理和化学性能更稳定，如不吸湿、不放气、不老化、抗原子氧侵蚀、抗核、抗电磁脉冲、抗阻尼，膨胀系数低、导电和导热性好。由于上述特点，使金属基复合材料更适合空间环境使用，是理想的航天器材料，在航空器上也有潜在的应用前景。 14.3.2.2金属基复合材料的研究与应用 表14.101 和表14.102简要概述了各类金属基复合材料在航空航天领域的应用概况。金属基复合材料(MMC)的研究始于20世纪60年代，美国和俄罗斯在航空航天用金属基复合材料的研究应用方面处于领先的地位。20世纪70年代，美国把B/Al复合材料应用到航天飞机轨道上，该轨道器的主骨架是采用89种243根重150g的B/Al管材制成，比原设计的铝合金主骨架减重145g。美国还用B/Al复合材料制造了J-79和F-100发动机的风扇和压气机叶片，制造了F-106、F-111飞机和卫星构件，并通过了实验，其减重效果达20%～66%。苏联的B/AL复合材料与80年代达到实用阶段，研制了多种带有接头的管材和其他型材，并成功地制造出能安装三颗卫星的支架。由于B纤维的成本高，因此自70年代中期美国和苏联又先后开展C/AL复合材料的研究，在解决了碳纤维与铝之间不湿润的问题以后，C/AL复合材料得到应用。美国用C/AL制造的卫星用波导管具有良好的刚性和极低的热膨胀系数，比C/环氧复合材料轻30%.。随着SiC纤维和Al2O3纤维的出现，连续纤维增强的金属基复合材料得到进一步发展，其中研究和应用较多的是SiC/AL 复合材料。连续纤维增强金属基复合材料的制造工艺复杂、成本高，因此美国又率先研究发展晶须增强的金属基复合材料，主要用于对刚度和精度要求较高的航天构件上。美国海军武器中心研制的SiC p/Al复合材料导弹翼面已经进行了发射试验，卫星的抛物面天线、太空望远镜的光学系统支架也采用了SiC p/Al复合材料，其刚度比铝大70%，显著提高了构件的精度。 MMC对航天器的轻质化、小型化和高性能化正在发挥越来越重要的作用。 MMC在航空器上的应用也有很大潜力，英国研制了SCS-6/Ti的发动机叶片，大幅度提高了其承载能力和刚度，优化了气动载荷下的翼型。用SCS-6/Ti代替耐热钢制造的RB211发动机的压气机静子，可使该构件减重40%；采用SCS-6/Ti代替镍基高温合金制作压气机叶环结构转子，可是该部件减重80%；SiC f/Ti 也可望代替不锈钢在F-22试验型飞机制作活塞杆。 表14.101 B/Al复合材料的应用 表14.102 其他MMC的应用背景
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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
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
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
关于金属基复合材料的一些概述
关于金属基复合材料（MMC）的一些概述 一、MMC的种类及其微观组织的一般特征 金属基复合材料（MMC），这一术语包括了很广的成分与结构范围。他们的共同点是有连续的金属基体。按照增强体的形状是连续性纤维，短纤维或者是颗粒状，复合材料的显微组织可分为下图所示的几类。更进一步的分类可基于纤维的直径和取向分布。在仔细考察特定的体系之前，认识与最终产品的微观组织结构有关的问题是有益的。下表简要的总结了复合材料的主要显微组织特征及其对性能的潜在影响。虽然有些组织参数可事先设定，但另外一些参数却难以控制。尽管如此，在设计与制造某特定的工作之前，一个重要的步骤是，事先认定一些简单的纤维组织结构目标及获得这些目标的方法。 按增强材料形态分类，可分为纤维增强金属基复合材料、颗粒和晶须增强金属基复合材料。若按金属基体分类，可分为铝基复合材料，钛基复合材料、镁基复合材料、高温合金复合材料和金属间化合物复合材料。倘若按增强体类型进行分类，则可分为单片、晶须（或者纤维）和颗粒，如下图。
二、金属基体的概述及其制备工艺 金属基体应用最多的为铝及铝合金，钛以及镁。铝的基本特点：熔点660℃，密度2.7g/cm3，其具有面心立方结构．所以其塑性优异，适合各种形式的冷、热加工。导电、导热性能好，约为铜的60％左右，同时化学活性高，在大气中铝表面与氧形成一层薄而又致密的氧化膜以防止铝继续氧化，但是强度低。钛的特点：熔点1678℃，密度4.51g/cm3。其重量轻、比强度高。纯钛的强度可通过冷作硬化和合金化而得到显著的提高．如50％的冷变形可使强度提高60％，适当合金化和热处理，则抗拉强度可达1200—1400MPa，含有氢、碳、氧、铁和镁等杂质元素的工业纯钛抗拉强度可提高到700MPa，并仍能保持良好的塑性和韧性。高温性能优良。合金化后的耐热性显著提高，可以作为高温结构材料使用，如航空发动机的压气机转子叶片等，长期使用最高温度已达540℃。在大气和海水中有优异的耐蚀性．在硫酸、盐酸、硝酸相氢氧化纳等介质中都很稳定。但是导电与导热性差.导热系数只有铜的1／l 7和铝的l／10，比电阻为铜的25倍。镁的特点：密度1.74g/cm3。由于其密度低，比强度、比刚度较高，镁具有密排六方结构，室温和低温塑性较低，但高温塑性好可进行各类形式的热变形加工。减震性能好，能承受较大的冲击振动负荷。 根据各种制备方法的基本特点，金属基复合材料的制备工艺分为四大类，即固态法；液态法；喷涂与喷射沉积法；原位复合法。 1、固态法。在一定温度的压力下，把新鲜清洁表面的相同或不相同的金届，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。关键步骤为纤维的排布，复合材料的叠台和真空封装以及热压。其采用有机粘接剂。将增强纤维的单丝或多丝的条带分别浸溃加热后易挥发的有机粘接剂，按复合材料的设计要求的间距排列在全属基体的薄板或箔上，形成预制件。采用带槽的薄板或箔片，将纤维排布在其中。采用等离子喷涂。即先在金属基体箔片上用排布好一层纤维，然后再喷涂一层与基体金属相同的金属。纤维表面经化学或物理处理，在基体金属熔池中充分地浸渍形成金属基复合丝。为了防止复合材料在热压中的氧化，叠合好的复合材料坯科应真空封装于金属模套中。为了便于复合材料在热压后与金属模套的分离，在金属模套的内壁徐上云母粉类的涂料以利分离，注意不能涂与金属基体发生反应的涂料。在真空或保护气氛下直接放入热压模或平板进行热压合热压工艺参数主要为：热压温度、压力和时间。扩散结合的优缺点：工艺相对复杂，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。能按照复合材料的铺层要求排布。在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。粉末冶金。适用于连续、长纤维增强．也可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。长纤维增强：将纤维和金属粉末按比例混合，密封在容器中，然后进行热等静压。粉末冶金的优点：工艺过程温度低，可以控制界面反应。增强材料(纤维、颗粒或晶须)与基体金属粉末可以任何比例混合，纤维含量最高可达75％，颗粒含量可达50％以上。对浸润性和密度差的要求较小采用热等静压工艺时，其组织细化、细密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使空隙和其它内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的性能。可以用传统的加工方法进行二次加工。粉末冶金的缺点：工艺过程比较复杂，金属基体必须制成金属粉末，增加了工艺的复杂性和成本。在制备铝基复合材料时，还要防止铝金属粉末引起的爆炸。
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
非晶态合金 玻璃态金属
非晶态合金玻璃态金属 作者：佚名 英文名称：metal-glass;amorphous alloy 说明:又称非晶态合金或玻璃态金属。使金属熔体在瞬间冷凝，以致金属原子还处在杂乱无章的状态，来不及排列整齐就被“冻结”。它兼有金属和玻璃的优点，又克服了各自的弊病。金属玻璃具有一定的韧性和刚性，强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，断裂强度也比一般的金属材料高得多。由于避免了晶间腐蚀，有良好的化学稳定性。有些还有良好的磁学性质。 可用以制造高压容器、火箭等关键部位的零部件、机械振荡器、电流脉冲变压器、磁泡器件等。非晶态软磁材料还可用以制造录音、录像的磁头、磁带。 人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。美国、西欧称之为“21世纪的材料”。 在大多数人想到玻璃时，玻璃板的概念便迅速跃人我们的脑海中。但在一定的条件下，金属也能做成玻璃，例如:这种玻璃可作为电力变压器和高尔夫球棍的理想材料。巴尔的摩港，约翰斯·郝彼科恩斯(JohnsHopkins)大学研究员FoddHufnagel正在研究一种生产超强，富有弹性和磁性特点的金属玻璃的方法。Hufnagel希望了解，金属玻璃形成时，发生溶化金属冷却成固体时的金相转变。 对科学家来讲，玻璃是任何能从液体冷却成固体而无结晶的材料。大多数金属冷却时就结晶，原子排列成有规则的形式称作品格。如果不发生结晶并且原子依然排列不规则，就形成金属玻璃。 不象玻璃板，金属玻璃不透明或者不发脆，它们罕见的原子结构使它们有着特殊的机械特性及磁力特性。普通金属由于它们品格的缺陷而容易变形或弯曲导致永久性地失形。对比之下，金属玻璃在变形后更容易弹回至它的初始形状。缺乏结晶的缺陷使得原铁水的金属玻璃成立有效的磁性材料。 在国家科学基金和美国军队研究总局的支助下，Hufnagel已建立了试验新合金的实验室。他试图创建一种在高温下将依然为固体并不结晶的合金金属玻璃，使它能成为发动机零件有用的材料。该材料也可用于穿甲炮弹等军事场合。不象大多数结晶金属炮弹，在冲击后从平的形状变为蘑菇形状，Hufnagel相信；金属玻璃弹头的各边将转向并给出最好穿透力的削尖射弹。 制造厚的、笨重形状的金属玻璃是困难的，因为大多数金属在冷却时会突然出现结晶现象，制造玻璃，金属必会变硬，因为品格成形时会改变，从纯金属—诸如铜、镍去创建玻璃，它将以每秒钟一万亿摄氏度的速率下冷却。 在1950年，冶金学家学会了通过混入一定量的金属一诸如镍和锆一去显出结晶体。当合金的薄层在每秒一百万摄氏度的速率下冷却时，它们形成金属玻璃。但因为要求迅速冷却，它们只能制造成很薄的条状物、导线或粉末。 最近，科学家通过混合四到五种不同大小原子的元素，去形成诸如条状的多种多样的金属玻璃。变化原子大小使它混合而形成玻璃从而变得更韧。这些新合金的用途之一是在商业上用来制造高尔夫球棍的头。 通常的金属，几乎无一例外地属于晶态材料。早在20世纪初就有人突发奇想，如果把晶态的金属变成非晶态，会有什么物理性质上的变化呢？1934年德国人克雷默采用蒸发沉积法制备出非晶态合金，发现非晶态合金的强度、韧性和耐磨性明显高于晶态合金。 1969年，美国人庞德和马丁研究了生产非晶态合金带材的技术，为规模生产奠定了技
非晶态软磁合金
题目：非晶态软磁合金材料 摘要：本文以非晶态软磁材料为主要阐述对象，并就其定义、晶体结构特征、磁性性能及其产生机理、制备工艺、国内外发展过程、实际应用和未来应用前景等方面进行了分段阐述,其中着重介绍了非晶材料的结构特征及其相应性能产生的机理、材料制备、发展及其在不同领域的应用。从而使自己能够对这一磁性材料有一个全面详细的了解。 关键字：长程有序短程无序过冷各项同性电磁转换 1.材料定义及其基本性能与其产生机理 1.1软磁材料 软磁材料是指具有低的矫顽力，高的磁导率的磁性材料，在交流磁化状态下应用要求具有低的功率损耗。软磁材料在外磁场作用下迅速被磁化，去掉外磁场后，磁性消失。软磁材料按结构分为晶体、非晶体、纳米晶体磁性薄膜、磁泡、磁性液体与铁粉芯等类型。 1.2非晶合金结构特点 非晶态合金是指原子不是长程有规则排列的物质。一般晶态金属的原子密集规则排列切具有周期性，这种结构特征叫作原子排列的长程有序。和晶态金属相比，非晶态合金结构没有长程有序、间隙较多、但是均质、各项同性。其原子结构和各种特性表明,非晶无序并不是“混乱”，而是破坏了长城有序系统的周期性和平移对称性，形成一种有缺陷的，不完整的有序即最近邻或局域短程有序。这种短程序只是由于原子间的相互关联作用，是其在小于几个原子间距的小区间内仍然保持着位形和组分的某些有序特征，故具有短程序。 1.3非晶态软磁合金的基本性能及其产生机理 作为软磁材料，希望它有高的饱和磁感应强度和磁导率，低的矫顽力。这些软磁性能又和材料的磁晶各向异性，磁致伸缩系数有关。磁晶各向异性系数和磁致伸缩系数越小，组织结构越均匀，材料的软磁性能就越好。非晶态磁性合金没有长程有序，因此非晶磁性材料的磁晶各向异性为零，而且非晶磁性材料组织结构均匀，不存在阻碍畴壁运动的晶界或析出物，这样，非晶结构决定了其具有良好的软磁性能。但非晶态磁性材料的磁致伸缩一般不为零，因为磁致伸缩起源于短程相互作用。所以，非晶磁性材料的软 磁特性主要取决于磁致伸缩系数λ s 的大小。当λ s ≈0时，则可得到高磁导率，低矫顽 力的非晶软磁材料。除此之外，非晶态合金的电阻率较高，因此涡流损耗低，频率特性好，可应用在较高的频率范围。非晶态的结构均匀，各向同性特点也决定了非晶材料具
金属材料疲劳研究综述资料讲解
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