正文 第10章 材料工程放異彩(2)(1 / 3)

對於未來材料的概念尚未統一,有的文獻中把它們稱為尖端材料或先進材料。一般認為:未來材料是指那些新近發展或正在發展的具有優異性能或特殊性能的、代表現代新技術動向並能滿足未來需要的材料。從工業發展的情況看,這些新興材料大致有:供光通信用的光導纖維材料、先進金屬材料、新型陶瓷材料;用於計算機技術的半導體超純材料和信息記錄材料;供無線電技術用的人工晶體材料;供激光技術用的激光發生、光調製、光波導、光存儲材料;在新能源中用的超導材料;供生物工程用的人工器官材料;在遙感技術上用的傳感功能材料……這些新材料是各項新技術發展的物質基礎。下麵簡要舉例談談幾種未來材料。

新型金屬——合金材料

在開發先進合金中,發展方向主要為:最大限度發揮原有合金的潛力,在某一方麵而不是全麵地提高合金的性能,由不同的成分承擔不同的性能要求,達到取長補短的目的;開發全新的合金等。

高溫合金高溫合金是指那些在極高溫度下仍能滿足工作要求的金屬材料。它出現於20世紀30年代,它的發展動力首先來源於航空發動機的需要,特別是20世紀40年代末噴氣式發動機問世以來,對優質高溫合金的需求日益增加,同時,它的使用範圍也擴大了。

高溫合金依靠“固熔強化”、“金屬間化合物強化”及“碳化物強化”

三種強化機理而不斷得到增強。在20世紀70年代以前,高溫合金耐熱的發展速度大約每年提高10℃。例如渦輪葉片最初使用的耐熱鋼,工作溫度隻有550~650℃,到70年代已達到1050℃。繼續提高鎳基和鈷基高溫合金的工作溫度越來越困難,因為這樣高的溫度已接近基體金屬鎳和鈷的熔點(鎳的為1453℃,鈷的為1495℃)。很明顯,合金的潛力幾乎被挖盡,上麵幾種強化方法再也難以奏效。於是,科學家隻好求助於設計和工藝的改進來滿足工作溫度的要求。

超塑性合金超塑性合金是指那些具有超塑性的金屬材料。超塑性是一種奇特的現象。具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長10倍、20倍甚至上百倍,既不出現縮頸,也不會斷裂。金屬的超塑性現象是英國物理學家森金斯在1982年發現的,他給這種現象做如下定義:凡金屬在適當的溫度下(大約相當於金屬熔點溫度的一半)變得像軟糖一樣柔軟,而應變速度為10毫米/秒時產生本身長度3倍以上的延伸率,均屬於超塑性。

最初發展的超塑性合金是一種簡單的合金,如錫鉛、鉍錫等。一根鉍錫棒可以拉伸到原長的19.5倍,然而這些材料的強度太低,不能製造機器零件,所以並沒有引起人們的重視。

20世紀60年代以後,研究者發現許多有實用價值的鋅、鋁、銅合金中也具有超塑性,於是前蘇聯、美國和西歐一些國家對超塑性理論和加工發生了興趣。

特別在航空航天上,麵對極難變形的鈦合金和高溫合金,普通的鍛造和軋製等工藝很難成形,而利用超塑性加工卻獲得了成功。到了20世紀70年代,各種材料的超塑性成形已發展成流行的新工藝。

現在超塑性合金已有一個長長的清單,最常用的鋁、鎳、銅、鐵、鈦合金均有10~15個牌號,它們的延伸率在200%~2000%之間。如鋁鋅共晶合金為1000%,鋁銅共晶合金為1150%,純鋁高達6000%,碳和不鏽鋼在150%~800%之間,鈦合金在450%~1000%之間。

實現超塑性的主要條件是一定的變形溫度和低的應變速率,這時合金本身還要具有極為細小的等軸晶粒(直徑5微米以下),這種超塑性稱為超細晶粒超塑性。還有一些鋼,在一定的溫度下組織中的相發生轉變,在相變點附近加工也能完成超塑性,稱為相變超塑性。

超塑材料加工具有很大的實用價值,隻要很小的壓力就能獲得形狀非常複雜的製作。試想一下,金屬變成了飴糖狀,從而具有了可吹塑和可擠壓的柔軟性能,因此過去隻能用於玻璃和塑料的真空成形、吹塑成形等工藝被沿用過來,用以對付難變形的合金。而這時所需的壓力很小,隻相當於正常壓力加工時的幾分之一到幾十分之一;從而節省了能源和設備。使用超塑性加工製造零件的另一優點是可以一次成形,省掉了機械加工、鉚焊等工序,達到節約原材料和降低成本的目的。在模壓超塑性合金薄板時,隻需要具備一種陰模或陽模即可,節省一半模具費用。超塑性加工的缺點是加工時間較長,由普通熱模鍛的幾秒增至幾分鍾。

超塑性鉛合金已經商品化,如英國的Supral100(Al—6Cu—0.4Zr)和加拿大的Alcan08050(Al—5Ca—5Zn)。鋁板可在300~600℃時利用超塑性成形為複雜形狀,所用模具費用降低至普遍壓力加工模具費用的十分之一,因此它具有和薄鋼板、鋁壓鑄件及塑料模壓件相競爭的能力。