《材料设计漫谈》PPT课件

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1、工艺创新在材料发展中的显要作用材料创新的内涵包含成分创新和工艺创新两大部分。成分创新在满足材料需求方面的重要作用通常不会被人们忽视或忘却；工艺创新在满足材料需求方面的重要作用却容易被一部分人忽视或忘却。因此，很有必要通过下面的各种典型实例阐明工艺创新在材料发展中的显要作用。1塑性成形工艺的典例1.1钛合金高低温交替锻造工艺●金属材料从铸锭开坯经坯料锻造直至最终模锻往往要经过很多火次，每火的加热温度通常是从高温递减至较低温度，国内外钛合金传统的锻造工艺也是如此。然而，钛合金大型锻件及其坯料的组织经常出现严重的不均匀，俗称“大花脸”，对力学性能不利。●经过研究

2、和生产实践，根据全程组织设计的概念，进行了全程工艺设计，创立了AHLT工艺，即从铸锭开坯直至最终模锻进行全程的统筹安排，其锻前加热温度经历了“高—低—高—低”的程序，其中“高”指β区加热，“低”指α＋β区加热。该工艺获得了均匀的金相组织和优良的综合性能。俄罗斯和我国钛合金盘高倍组织均匀性的对比俄罗斯钛合金盘的高低倍组织我国钛合金盘的高低倍组织TC11钛合金高压压气机转子，其压气机盘全部采用高低温交替锻造工艺。该“工艺研究”项目获国家科技进步一等奖。迄今为止，TC11仍是我国军用工业中年用量最大的一种钛合金牌号，有力地推动了钛合金材料的发展。1.2钛合金高温

3、形变强韧化工艺传统的α＋β锻造工艺虽能获得较高的δ、ψ，但KIC低，da/dN快，蠕变抗力低，这不适应损伤容限设计和高温零件的要求。因此，国内外均在发展高温形变强韧化工艺，花样颇多，如近β锻、准β锻、亚β锻、β锻、全β锻等，均在不同程度上提高了KIC和蠕变强度，减慢了da/dN，其δ和ψ虽在多数情况下有不同程度降低，但并不影响使用可靠性。这种关键性能上的戏剧性变化是单纯依靠合金成分的改变所办不到的。性能上的变化取决于组织上的变化，而组织又取决工艺。钛合金不同类型的显微组织123456987101112131415TA12钛合金高压压气机盘和鼓筒（采用急冷式

4、β模锻工艺）百花齐放的各种高温形变强韧化工艺均取得良好效果和不同程度的应用。其中以急冷式β模锻工艺为主要创新点的TA12钛合金应用研究获部级科技进步一等奖，而近β锻造工艺获国防科学技术一等奖。1.3等温、近等温和超塑性加工工艺钛合金材料发展过程遇到的较大困难是塑性加工温度范围狭窄，而且由于导热性差（见表）而使坯料表面温度冷却很快，其变形不均匀问题很难解决，相应地组织性能不均匀和表面裂纹等问题突出。三种材料的热导率W/(m℃)——这三种工艺在定义上是有差别的，但相互联系很紧密，就合而言之。美国GE公司采用近等温塑性加工工艺发展Ti-Al系金属间化合物材料●

5、等温或近等温塑性加工也促进了难变形的Ti-Al系金属间化合物材料的发展●创新性等温或近等温塑性加工工艺促进了SP700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)等新型超塑性钛合金的发展●一个古老的典型实例--大马士革钢宝刀的历史故事早在11世纪末到13世纪末的200年里，骠悍的阿拉伯骑兵那闪闪发光、锋利无比的大马士革宝刀曾使东征的十字军闻风丧胆。锻打宝刀的铁坯产于印度，能被叙利亚工匠锻成削铁如泥的宝刀，但运至欧洲让最高明的工匠锻造时，却脆得无法成形。这是因为当含碳量高达1.5%时，虽可显著提高钢的强度和硬度，却因形成大量脆性的渗碳体网状组织而无法锻打刀剑。

6、宝刀虽尚能找到，锻造技术却久已失传。直到20世纪60年代，美国斯坦福大学的两位冶金师揭开了大马士革宝刀的秘密。原来高含量碳的加入虽会导致脆性，但也能阻止晶粒长大而获得超细晶粒（平均直径为九个微米），从而在一定条件下使它处于超塑性状态。现在，这种新的经过超塑性加工的钢刀钢剪已在美国和日本上市，人们在自己的厨房里就可一试大马士革宝刀的锋芒了。1.4超大变形量连续冷拉工艺●普通碳钢的拉伸强度为290～590MPa，但日本在90年代将低碳铁素体钢经特殊热处理后再以99.99%变形量通过金刚石模板连续冷拉成超细纤维(1m长的丝材坯料被拉成1万米的纤维)，这时它的拉伸

7、强度竟高达5300MPa，同时又保留了铁素体原来的塑性和韧性。这与组织的细化和缺陷的减少有关。冷拉超细纤维的直径越小，强度越高。直径50m纤维的强度为4170MPa，直径15m纤维的强度为5300MPa。●单纤维冷拉效率低，近期发展的集束包套冷拉工艺可一次将上百根金属丝坯拉制成超细纤维。包套用铜制成，具有很好的润滑性。拉制后用化学铣削法去除铜套，纤维表面光滑，截面均匀，还可防止断丝。目前已用此法获得直径为10m的不锈钢超细纤维。●冷拉超细纤维与碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等组合成混合纤维，加入到树脂基体中制成复合材料可发挥综合性能优势，获得飞机设计师们

8、的青睐。2凝固成形工艺的典例2.1金属型精铸工艺●美Howmet公