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《特殊的金属》结课论文
《特殊的金属》结课作业
考虑到金属材料方面的知识对我所学的专业有帮助,2012年春季学期,我选修了课程《特殊的金属》。
我系************学院########学生,对金属材料有着浓厚的兴趣。
能源、信息、材料是社会发展的三大支柱,而材料又主要分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料,这其中金属材料是人类历史上系统的应用研究时间最长,在目前应用也较为广泛的一种重要材料。
金属材料在人类历史上一直扮演着重要的角色,这是由其自身性质决定的,金属材料具有高弹性模量、高韧性和强度硬度较高等优点,同时金属材料来源广泛,种类繁多和加工技术相对成熟等优异的特性,这些优点都决定了金属材料在材料领域中占有极其重要的地位。
随着现代金属材料科学的不断发展,一些特殊的金属材料在机械制造业、国防领域、航空航天、建筑业、农业、矿业资源、电子信息等领域,有明显的性价比优势和广阔的市场。
金属材料对社会、经济及科学技术活动的影响面大和带动力强,人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
现代社会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,金属材料以及特殊的金属材料的发展,不仅对相关行业有着重大影响,甚至对整个社会有着密切的关系。
特殊的金属材料的性能及在工业领域的应用情况对我的做了简要的叙述。
(一)超高强度钢
超高强度钢一般是指屈服强度大于1380MPa的高强度结构钢。
20世纪40年代中期,美国用AISI4340结构钢通过降低回火温度,使钢的抗拉强度达到1600~1900MPa。
50年代以后,相继研制成功多种低合金和中合金超高强度钢,如300M、D6AC和H一11钢等。
60年代研制成功马氏体时效钢,逐步形成18Ni马氏体时效钢系列,70年代中期,美国研制成功高纯度HP310钢,抗拉强度达到2200MPa。
法国研制的35NCDl6钢,抗拉强度大于1850MPa,而断裂韧度和抗应力腐蚀性能都有明显的改进。
80年代初,美国研制成功AFl410二次硬化型超高强度钢,在抗拉强度为1860MPa时,钢的断裂韧度达到160MPa·
以上,AFl410钢是目前航空和航天工业部门正在推广应用的一种新材料。
中国于50年代初研制成功30CrMnSiNi2A超高强度钢,抗拉强度为1700MPa。
70年代初,结合中国资源条件,研制成功32Si2Mn2MoVA和40CrMnSiMoVA(GC一4)钢。
1980年以来,从国外引进新技术,采用真空冶炼新工艺,先后研制成功45CrNiMoVA(D6AC)、34Si2MnCrMoVA(406A)、35CrNi4MoA、40CrNi2Si2MoVA(300M)和18Ni马氏体时效钢,成功地用于制做飞机起落架、固体燃料火箭发动机壳体和浓缩铀离心机简体等。
目前超高强度钢已形成不同强度级别系列,在国防工业和经济建设中发挥着重要的作用。
现在,以改变合金成分提高超高强度钢的强度和韧性已很困难。
发展超高强度钢的主要方向是开发新工艺、新技术,提高冶金质量,如采用真空冶炼技术,最大限度降低钢中气体和杂质元素含量,研制超纯净超高强度钢;通过多向锻造和形变热处理,改变钢的组织结构和细化晶粒尺寸,从而提高钢的强度和韧性,例如正在发展的相变诱发塑性钢(TRIP钢)等。
(二)钢筋混凝土
素混凝土是由水泥、水、细骨料、粗骨料(碎石或;卵石)、空气,通常还有其他外加剂等经过凝固硬化而成。
将可塑的混凝土拌合物注入到模板内,并将其捣实,然后进行养护,以加速水泥与水的水化反应,最后获得硬化的混凝土。
其最终制成品具有较高的抗压强度和较低的抗拉强度。
其抗拉强度约为抗压强度的十分之一。
因此,截面的受拉区必须配置抗拉钢筋和抗剪钢筋以增加钢筋混凝土构件中较弱的受拉区的强度。
由于钢筋混凝土截面在均质性上与标准的木材或钢的截面存在着差异,因此,需要对结构设计的基本原理进行修改。
将钢筋混凝土这种非均质截面的两种组成部分按一定比例适当布置,可以最好的利用这两种材料。
这一要求是可以达到的。
因混凝土由配料搅拌成湿拌合物,经过振捣并凝固硬化,可以做成任何一种需要的形状。
如果拌制混凝土的各种材料配合比恰当,则混凝土制成品的强度较高,经久耐用,配置钢筋后,可以作为任何结构体系的主要构件。
浇筑混凝土所需要的技术取决于即将浇筑的构件类型,诸如:
柱、梁、墙、板、基础,大体积混凝土水坝或者继续延长已浇筑完毕并且已经凝固的混凝土等。
对于梁、柱、墙等构件,当模板清理干净后应该在其上涂油,钢筋表面的锈及其他有害物质也应该被清除干净。
浇筑基础前,应将坑底土夯实并用水浸湿6英寸,以免土壤从新浇的混凝土中吸收水分。
一般情况下,除使用混凝土泵浇筑外,混凝土都应在水平方向分层浇筑,并使用插入式或表面式高频电动振捣器捣实。
必须记住,过分的振捣将导致骨料离析和混凝土泌浆等现象,因而是有害的。
水泥的水化作用发生在有水分存在,而且气温在50°F以上的条件下。
为了保证水泥的水化作用得以进行,必须具备上述条件。
如果干燥过快则会出现表面裂缝,这将有损与混凝土的强度,同时也会影响到水泥水化作用的充分进行。
设计钢筋混凝土构件时显然需要处理大量的参数,诸如宽度、高度等几何尺寸,配筋的面积,钢筋的应变和混凝土的应变,钢筋的应力等等。
因此,在选择混凝土截面时需要进行试算并作调整,根据施工现场条件、混凝土原材料的供应情况、业主提出的特殊要求、对建筑和净空高度的要求、所用的设计规范以及建筑物周围环境条件等最后确定截面。
钢筋混凝土通常是现场浇注的合成材料,它与在工厂中制造的标准的钢结构梁、柱等不同,因此对于上面所提到的一系列因素必须予以考虑。
对结构体系的各个部位均需选定试算截面并进行验算,以确定该截面的名义强度是否足以承受所作用的计算荷载。
由于经常需要进行多次试算,才能求出所需的截面,因此设计时第一次采用的数值将导致一系列的试算与调整工作。
选择混凝土截面时,采用试算与调整过程可以使复核与设计结合在一起。
因此,当试算截面选定后,每次设计都是对截面进行复核。
手册、图表和微型计算机以及专用程序的使用,使这种设计方法更为简捷有效,而传统的方法则是把钢筋混凝土的复核与单纯的设计分别进行处理。
(3)高温合金
高温合金指指在650°C以上温度下具有一定力学性能和抗氧化、耐腐蚀性能的合金。
目前常是镍基、铁基、钴基高温合金的统称。
按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。
按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。
按强化方式有固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型等。
高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件,还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。
发展过程从20世纪30年代后期起,英、德、美等国就开始研究高温合金。
第二次世界大战期间,为了满足新型航空发动机的需要,高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。
40年代初,英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛,形成γ‘相(gammaprime)以进行强化,研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。
同一时期,美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要,开始用Vitallium钴基合金制作叶片。
此外,美国还研制出Inconel镍基合金,用以制作喷气发动机的燃烧室。
以后,冶金学家为进一步提高合金的高温强度,在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素,增加铝、钛含量,研制出一系列牌号的合金,如英国的“Nimonic”,美国的“Mar-M”和“IN”等;在钴基合金中,加入镍、钨等元素,发展出多种高温合金,如X-45、HA-188、FSX-414等。
由于钴资源缺乏,钴基高温合金发展受到限制。
40年代,铁基高温合金也得到了发展,50年代出现A-286和Incoloy901等牌号,但因高温稳定性较差,从60年代以来发展较慢。
苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金,后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。
中国从1956年开始试制高温合金,逐渐形成“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金。
70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘,研制出单晶叶片等高温合金部件,以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。
北京融品科技有限公司提供高温合金锻件产品
温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力,延长合金寿命。
就涡轮叶片材料而言,单晶叶片将进入实用阶段,定向结晶叶片的综合性能将得到改进。
此外,有可能采用激冷态合金粉末制造多层扩散连接的空心叶片,从而适应提高燃气温度的需要。
就导向叶片和燃烧室材料而言,有可能使用氧化物弥散强化的合金,以大幅度提高使用温度。
为了提高抗腐蚀和耐磨蚀性能,合金的防护涂层材料和工艺也将获得进一步发展。
高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料;并具有较高的高温强度,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。
高温合金为单一奥氏体组织,在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性,基于上述性能特点,且高温合金的合金化程度较高,又被称为“超合金”,是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。
按基体元素来分,高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。
铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃,对于在更高温度下使用的耐热部件,则采用镍基和难熔金属为基的合金。
镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位,它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。
若以150MPA-100H持久强度为标准,而目前镍合金所能承受的最高温度〉1100℃,而镍合金约为950℃,铁基的合金〈850℃,即镍基合金相应地高出150℃至250℃左右。
所以人们称镍合金为发动机的心脏。
目前,在先进的发动机上,镍合金已占总重量的一半,不仅涡轮叶片及燃烧室,而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍合金。
与铁合金相比,镍合金的优点是:
工作温度较高,组织稳定、有害相少及抗氧化搞腐蚀能力大。
与钴合金相比,镍合金能在较高温度与应力下工作,尤其是在动叶片场合。
镍合金具有上述优点与其本身的某些卓越性能有关。
镍为面心立方体,组织非常稳定,从室温到高温不发生同素异型转变;这对选作基体材料十分重要。
众所周知,奥氏体组织比铁素体组织具有一系列的优点。
镍具有高的化学稳定性,在500度以下几乎不发生氧化,学温下也不受温气、水及某些盐类水溶液的作用。
镍在硫酸及盐酸中溶解很慢,而在硝酸中溶解很快。
镍具有很大的合金能力,甚至添加十余种合金元素也不出现有害相,这就为改善镍的各种性能提供潜在的可能性。
纯镍的力学性能虽不强,但塑性却极好,尤其是低温下塑性变化不大。
(4)金属玻璃
在电影《终结者2》中,邪恶的机器人是由一种液态金属制成的,他能够毫不费力地从人形变为直升飞机或者其他任何形状的东西,甚至可以从门缝下轻松地流过去。
而现实生活中,也确实存在类似的神奇材料——金属玻璃。
科学家已经研制出可与电影中机器人媲美的金属玻璃,其强度是目前最好的工业用钢材料的3倍,柔韧性则是钢的10倍。
金属玻璃是一种特殊的合金材料。
通常金属原子都是有序排列的晶体结构,而在金属玻璃中,原子的排列如同液体或者玻璃一样杂乱无章。
虽然从严格意义上来说,金属玻璃并不是液体,但是由于它没有固定的外形,可以像液体一样随意流动,有公司在进行市场推广时仍旧以“液态金属”这个更便于记忆的形象名称来打响知名度。
正是金属玻璃不寻常的结构及具有金属一样的硬度和韧性、塑料一样的可塑性,使得它成为一种有良好应用前景的未来材料。
在晶体金属或者合金中,原子都是在一个个被称为晶粒的区域内整齐排列,而晶粒之间的结合处就是这种合金材料最为脆弱的部位。
但是金属玻璃的原子都无规律地紧密排列,根本不存在晶粒边界,内在组合没有缝隙,因此它的硬度更大,即使遭到外力重击,原子也很容易回复原位,同时还具有很强的抗腐蚀能力,不变质,重量轻;也正是由于没有晶粒的体积限制,金属玻璃很容易被制成仅10纳米的微型器件。
而且,金属玻璃的非晶体结构使得它可以在低温下熔化,如同塑料般易于塑造成型。
这就难怪很多公司对金属玻璃表示出极大兴趣。
但是材料科学家们碰到的最大难题是,当熔化了的金属被冷却时,会不可避免地出现结晶现象。
要制造金属玻璃,阻止结晶形成是关键,也就是说,要在极短的时间内将之快速冷却。
20世纪60年代,美国加州理工学院的皮·杜威发现,将熔化的金属倒入一个快速旋转的铜制圆筒,就能得到冻胶状的金属片,但是这种金属片的厚度只有几纳米,应用受到限制。
于是,科学家们开始寻找生产块状金属玻璃的方法。
日本仙台东北大学金属材料研究所的井上明久发现,在合金中添加一些大的金属原子,比如镧原子,能够极大地减缓结晶的速度,这样就能形成比较厚的金属玻璃片。
井上明久认为,所有的金属合金都可以用这种方法制成金属玻璃,关键在于把握好所添加的大金属原子的比例。
如果比例合适,当熔化的合金冷却时,小的金属原子就会聚集在大金属原子周围,簇拥成团,而原子团之间的空隙也由其他的小金属原子来填充,结果自然就形成了原子排列杂乱无章的非晶质材料。
但是各国科学家经过长时间的努力,制得的金属玻璃厚度始终没有超过1毫米。
90年代初期,皮·杜威的学生威廉·约翰逊在这种方法的基础上,终于研制出一种合金,并创建了液态金属技术公司。
这种被命名为Vitreloy的新材料中包含了锆、钛、铜、镍等大金属原子以及较小的铍金属原子。
它比钢更具弹性,锻造温度仅在400摄氏度左右,而锻造钢需要达到1000摄氏度的高温,这使得它有可能成为一种理想的制造业用材。
该公司利用Vitreloy制造的第一件产品是高尔夫球杆,Vitreloy良好的反弹性可以将球击得更远。
不过问题在于,金属玻璃既有金属的韧性,也有玻璃的脆性,超过一定的承受力,就会粉碎。
早期的Vitreloy高尔夫球杆原型通常在击打40次左右就会碎裂,这也是它一直没能进入市场的原因。
公司经研究发现,Vitreloy的脆性主要是由于在材料的压力点上形成了一条条断裂线。
在晶体中,这些断裂线在碰到晶粒之后裂痕就停止蔓延,但是在金属玻璃中,没有受到任何阻挡的裂痕使得物体在瞬间就碎裂。
为了解决这一问题,研究人员在Vitreloy中加入一些作为介质的晶粒来阻止裂痕的延伸。
但这并不是最理想的解决办法。
直到最近,液态金属技术公司的研究人员终于在金属玻璃的研制工艺上取得重大突破。
在多次比较尝试之后,研究人员发现,利用铂、铜、镍和磷这几种物质制成的合金,具有金属的强度和韧性,却没有玻璃的脆性。
施加一定的外力时,有细小的裂痕出现,但是不会扩大。
不过这种新的金属玻璃材料中铂的含量超过60%,高昂的成本同样限制了它的广泛应用。
不过,目前科学家已经能够用一些贱金属,比如铁或铜来制造金属玻璃。
2003年,美国维吉尼亚大学的约瑟夫·普恩和加里·西弗赖特宣布,他们利用碳、铁和少量锰,成功研制出“钢玻璃”,这也是首次研制出没有磁性的钢。
对于军事而言,这是一个重大突破,因为用这种钢材料建造的轮船将更易于躲避雷达的探测。
此外,产品的尺寸也比过去大。
2004年,美国橡树岭国家实验室的研究人员以50%的铁,加上钼、锰、碳、硼、铬和钴等元素,并在混合物中加入1.5%的钇,研制出直径为12毫米的钢管。
其超强度、重量轻、弹性好、不变质、不易断裂的特性,开拓了金属玻璃空前的应用前景。
液态金属技术公司也正在利用其开发的铂金属玻璃制造解剖刀等医疗器械以及专业网球拍等。
该公司还与韩国三星公司签署协议,为其提供手机零部件的原材料。
除了作为飞行器零部件和轮船船体材料外,美国国防部还考虑用无毒的金属玻璃取代资源日益贫乏的铀来制作穿甲弹头等军事装备。
(5)海绵金属
海绵金属是疏松多孔、类似海绵的金属(或合金),采用冶炼工艺制取。
用粉末冶金工艺制得的多孔材料称为多孔金属(或合金)。
多孔金属的孔径和孔隙度可以控制,而海绵金属则不易控制。
海绵金属因为多孔,有很大的比表面积。
与致密金属相比,它的吸附能力大,透气性好,化学活性高,容易氧化,但导电、导热性能较差,抗拉强度较低。
制取海绵金属工艺的共同点是:
操作温度必须低于所生产金属的熔点。
海绵金属的制取工艺不同,产品的外形、孔径和孔隙度也不相同。
某些海绵金属可用金属热还原或用电解工艺制取,如用镁或钠还原TiCl4、ZrCl4、HfCl4和VCl3可分别制取海绵钛、海绵锆、海绵铪和海绵钒,TiCl4用熔盐电解法也可制取海绵钛。
另外,用ThCl4镁还原工艺,可制成含钍20%的镁钍合金,经真空蒸馏除镁,也可获得海绵钍。
预加镁和助熔剂,用钙还原制备钇组稀土金属时,也可用真空蒸馏除镁的方法获得海绵钇或钇组稀土海绵金属。
在上述工艺中,镁是造孔剂。
湿法冶金提取铟和镉的工艺,可分别从含金属盐类In2(SO4)3或CdSO4的酸性水溶液中,用电极电势更负的活性金属锌(或铝)置换,沉淀出海绵铟和海绵镉。
某些纯金属盐类,在热分解过程中会引起金属烧结,产出海绵金属,此时其他成分呈气体挥发,使金属造孔。
如在铂族金属的冶金工艺中,提纯得到的沉淀物【(NH4)2PtCl6】、【Pd(NH3)2Cl2】和【(NH4)3RhCl6】,经煅烧可分别获得海绵铂、海锦钯和海绵铑。
在直接还原炼铁过程中,由于采用了固相还原,生成的新相──铁仍保持了原矿或原球团矿的外形。
氧化铁失氧后,铁晶体体积缩小,形成大量微气孔而呈海绵状。
此外,现已有人研究在宇航飞行器中,向液态金属中加入发泡剂,并使其在失重和真空条件下凝固,获得轻质海绵金属。
一般情况下,海绵金属是一种冶金中间产品。
除了少量的活泼金属作吸气剂等用途外,直接应用不多。
下面谈谈我在学习过程中的一点体会。
一、学习要有明确的目标。
在学习这门课之前,我就了解到,《特殊的金属》是多么重要的一门课,特别在毕业设计时,你现在不熟悉,以后设计会带来很多麻烦,而我不是那种只满足及格的学生。
但想起那计算题,我就气,本身正在学结构力学,而且还学得不错,谁知把一些题给弄糊涂了.
二、学习要有兴趣。
在我看来,学那一门课都一样,有兴趣才能学得好,一旦失去兴趣,那是不可能学好,不牢固。
而我对钢结构设计原理的兴趣来于它存在于我们生活周围,学到那部分,我都会联系实际.
三、抓住重点,抓住主线。
这门课无非就讲了几个构件:
受弯构件、受压构件、受拉构件、受扭构件。
抓住它们的本质联系,我们清楚知道在推导公式时,在做抗弯、剪、压、拉、扭计算时,它们原理是一样或相似的。
四、多煤体上课,有助于我们接受更多的信息。
甚至能够把一些现象或实验演示出来,加强我们的感性认识。
五、多思考,多讨论,多提问,独立完成作业。
这是很重要一点,也许你上课听不明,但你通过作业,你就可以把一些问题搞懂。
平时多思考,多讨论也有助于我们学习。
如果不懂,应找老师答疑。
这学期给我最大的感触就是我多找老师答疑,还从老师那里学到一些课本没有的知识。
对我来说,知识真正得到巩固的是通过课程设计。
可以说,课程设计的内容贯穿整本书的内容。
同时设计也能体现你个人的能力和创新。
所以我一向很热衷于课程设计,通过设计,你才真正地学会知识。
在做设计遇到的难题要及时找老师解决,问题千万年别积压。
这样才真正把知识学牢。
希望以后可以把所学的应用于实践中,为自己加油吧。
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