第一篇：B 耐磨金屬材料的現狀.doc（模版）

耐磨金屬材料的現狀

關鍵詞：耐磨材料 錳鋼 技術進展 抗磨白口鑄鐵 0 引言

眾所周知，磨損是產品失效的三大形式之一，即為磨損、斷裂、腐蝕。據不完全統計，能源的1/3到1/2的能源消耗于摩擦磨損。速度是造成磨損嚴重程度的重要原因。隨著科學技術和工業生產的快速發展，機械設備的運轉速度不斷增加，機械零件的磨損也越來越快，導致產品的使用年限大大降低。據美國統計，每年因磨損而造成的經濟損失約為1000億美元。據國內統計，我國僅在冶金、煤礦、礦石、農機等領域因磨損帶來的損失約有400億元。從上述可知，磨損帶來的能源和經濟的損失時相當驚人的。因此目前對耐磨金屬材料的研究也越來越受到國內外人們的廣泛重視，其對國民經濟的發展也有著巨大的意義。國外耐磨金屬材料的發展

至今為止，國外對耐磨金屬材料的研究已有30余年的歷程，也經過了發展高峰，現已趨于穩定，并有自己的系列產品和國家標準、企業標準。經歷了從高錳鋼、普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵到高鉻鑄鐵的幾個階段，目前已發展為耐磨鋼和耐磨鑄鐵兩大類。

耐磨鋼除了傳統的奧氏體錳鋼及改性高錳鋼、中錳鋼以外，根據其含量的不同可分為中碳、中高碳、高碳合金耐磨鋼；根據合金元素的含量又可分為低合金、中合金及高合金耐磨鋼；根據組織的不同還可分為奧氏體、貝氏體、馬氏體耐磨鋼。而耐磨鑄鐵主要包括低合金白口鑄鐵和高合金白口鑄鐵兩大類。低鉻白口鑄鐵和高鉻白口鑄鐵是二者中最具有代表性的，而且這兩種材料目前在耐磨鑄鐵中占有主導地位。馬氏體或貝氏體、馬氏體組織的球墨鑄鐵在制作小截面耐磨件方面也是相當有影響力的，中鉻鑄鐵則應用較少。從整體上看，合金白口鑄鐵的耐磨性優于耐磨鑄鋼，但后者韌性好，在諸如襯板、耐磨管道等方面有著廣泛的應用[2]。我國耐磨金屬材料的發展

據統計，我國每年因磨損而造成的金屬耐磨材料的消耗約300萬噸左右，但如果能夠較好的掌控摩擦磨損理論，那么我國每年將能夠節約150億美元，因此近年來研究耐磨金屬材料得到了廣泛的重視，且已研制出多種新型耐磨金屬材料。主要有改性高錳鋼、中錳鋼、超高錳鋼系列,高、中、低碳耐磨合金鋼系列,鉻系抗磨白口鑄鐵系列,錳系、硼系抗磨白口鑄鐵及馬氏體、貝氏體抗磨球墨鑄鐵,不同方法生產的雙金屬復合耐磨材料,表面技術處理的耐磨材料等。同時，在耐磨材料生產工藝設備上先后從日本、德國、比利時等國引進數條機械化自動化生產線。在引進基礎上結合國情，發展了消失模鑄造工藝設備、金屬型覆砂工藝

設備、擠壓造型工藝設備、離心鑄造工藝設備等新技術新設備等新型工藝設備。熔煉工藝上采用爐外精煉與連鑄等新技術,使產品的外觀、內在質量等得到了很大的改善,同時，也大大降低了金屬材料的損耗,一些廠家產品已達到或超過國際水平,出口東南亞、日本、南非、美國、澳大利亞等地,獲得了不菲的收益。

耐磨材料的生產和應用已趨于穩定，但是針對于磨損理論還有非常大研究空間，必須研制出更加完美的耐磨材料來滿足日益發達的工業要求。幾種耐磨金屬材料的最新研究進展 3.1 錳鋼

1.高錳鋼

高錳鋼作為歷史最悠久的一種耐磨材料，其成分(質量分數)范圍為：ｗ(C)=0.9%～1.4%，ｗ(Mn)=l0%～15%，ｗ(Si)= 0.3%～0.8%，ｗ(S)≤0.05%，ｗ(P)≤0.10%。

高錳鋼使用狀態的組織為奧氏體，其面對強烈的載荷撞擊下，受力表面被加工硬化,硬度可從原始的200HB左右提高到500HB以上，而心部仍保持著良好的韌性。可見高錳鋼具有良好的韌性和強度。但高錳鋼的這種建筑在加工硬化基礎上的優異的耐磨性能使它的使用受到限制，因此，為了擴大高錳鋼的應用范圍,必須對其進行改進性研究，進一步提高其耐磨性[4-6]。

目前，在高錳鋼研究方面取得了一系列新進展，主要有：

采用合金化的方法，添加Cr、Mo引起固溶強化，加入鈦形成碳化鈦,可引起彌散強化,并能細化結晶組織，最終達到強化基體，提高其耐磨性和屈服強度的目的。實驗表明，用這些方法加工出的用于冶金礦山的襯板，其使用壽命比高錳鋼提高50%～70%。工藝方面，采用鑄后利用余熱淬化的手段來替代傳統上使用加熱再進行水韌處理的方法,不但能簡化工藝，節約能源，縮短生產周期，而且經濟效益顯著[7-10]。

在軋制工藝方面，徐文亮等[11]提出了用深度軋制的方法對高錳鋼進行預變形表面硬化處理，并分析和研究了其組織演變及性能變化。試驗表明，經深度冷軋的高錳鋼耐磨材料磨損性能隨著高隨著其形變量的增加而逐漸增加。這是因為深度冷軋的高錳鋼表面形成的高密度位錯及孿晶組織，晶粒明顯細化，改善了鑄造高錳鋼產生的各項異性、氣孔等缺陷，能夠有效阻止磨粒造成的磨損表面的脆性剝落，同時，高錳鋼良好的心部韌性也將減少其磨損過程中的疲勞剝落。該軋制方法對提高高錳鋼使用效率及應用范圍具有積極的現實意義。

2.變質中錳耐磨鋼

中錳鋼的耐磨性在磨損沖擊功較小的情況下要高于高錳鋼。但在實際應用中，中錳鋼有一個很大的缺陷，即鑄件的成品率很低，且安全可靠性差。因為在鑄造和熱處理的過程中中錳鋼易產生熱裂。

近十幾年來，在中錳耐磨鋼研究方面，人們采用變質處理的方法，即向中錳鋼中加入作為復合變質劑的Cr、Nb、Mg和稀土等元素，來改善顯微組織與碳化物的形態和分布，取得了良好的效果。這主要是因為復合變質劑的加入能顯著地提高材料的力學性能和位錯密度，如稀土可凈化鋼液,使鋼中夾雜物數量減少；

而Cr、Mg等能促進碳化物球化，增強稀土吸附及稀土夾雜物與碳化物的非均質晶核的作用,同時也能阻止夾雜物、碳化物進一步長大，使其組織明顯細化，成分偏析減小，從而使變質中錳鋼韌性得到明顯改善，耐磨性能顯著提高。

在對中錳鋼變質處理的基礎上，朱瑞富等研究發現[12-14]，采用鑄態水韌熱處理工藝技術，即利用金屬的鑄造余熱對奧氏體錳鋼進行水韌處理，既有利于節約能源，縮短生產周期，降低生產成本，又可實現水爆清砂，改善勞動條件，減少環境污染。現國內已有多家企業采用該項研究成果，并取得了較大的經濟和社會效益。

3.超高錳鋼

近年來,許多研究人員主要在研究通過在普通高錳鋼標準成分的基礎上提高碳和錳的含量，以達到提高錳鋼的耐磨性，即為具有穩定奧氏體的超錳鋼。研究人員通過對Fe-C-Mn合金奧氏體的價電子結構進行分析發現，在含C、Mn原子的一個奧氏體晶胞內，C-Mn之間的結合力大于C-Fe之間的結合力[15]。這樣，錳原子可通過對碳原子運動的拖曳提高碳的固溶度，而且利用錳不易和碳原子生成碳化物，來降低碳原子的擴散能力，抑制碳化物的析出。因此，同時提高碳、錳含量，既可以提高錳鋼的加工硬化能力，還可保持高韌性的奧氏體組織，使其在使用時具有良好的耐磨性。

當前，變質處理技術在開發新的超高錳鋼鋼種的試驗中，已經取得了很大進展。科研人員在對超高錳鋼變質處理前后的組織進行研究發現[16-18]，在未變質處理的組織中，晶粒較粗大，晶界共晶碳化物的網狀特征非常明顯；在變質處理的組織中，晶粒明顯細化, 晶界碳化物的網狀特征得到明顯改善。這些成果的研發為改善超高錳鋼組織并提高其耐磨性提供了新的途徑。

3.2 抗磨白口鑄鐵

近年來，國外在耐磨白口鑄鐵的研究方面取得了一系列新進展。如美國，日本及歐洲各國20世紀初就開始采用鎳硬鑄鐵,目前已發展到鎳硬4#，鉻含量由2%提高到9%，鎳由4.5%提高到6.0%，共晶碳化物由M3C型變成M7C3型，力學性能顯著提高，鑄態厚截面即可獲得馬氏體組織,硬度在HRC62以上，并且具有一定韌性，主要應用于輥式磨的磨環和磨輥，可鑄態使用,這對數噸重不便熱處理的大鑄件很有意義。因鎳價格高，我國研究人員已研制中鉻鑄鐵等新型耐磨材料以取代它。此外，國內科研人員研究出的高鉻白口鑄鐵在國產設備上已投入應用,取得了顯著的經濟效益。

隨著國內對鉻系白口鑄鐵的研究不斷深入，從合金化理論到生產工藝都取得了突破性進展，并獲得了大量成果。低鉻、中鉻、高鉻、超高鉻磨球、襯板、錘頭,高鉻渣漿泵過流件，以及高鉻鑄鐵與鋼雙金屬復合鑄造襯板、磨輥、軋輥等都已達到國際先進水平。1985年以來,我國鉻系合金白口鑄鐵、鎳鉻合金白口鑄鐵已制定國家標準，耐磨白口鑄鐵技術已與國際接軌。球墨鑄鐵具有優良的力學性能，良好的耐磨性和抗沖擊疲勞性能，在汽車、農機和建材等部門得到了廣泛應用，目前，世界球鐵產量已達百萬噸以上。我國1982年制定了中錳抗磨球墨鑄鐵件標準(GB3180-82)，近年來許多單位研制出馬氏體基體、奧貝基體、馬貝基體的磨球襯板，在建材和電力行業應用取得良好效果。我國自行研發的低合金白口鑄鐵，成本低,性能良好，在中、小沖擊負荷下取得良好效果。近年來，結

合我國資源情況，研究人員還開發研制了錳系白口鑄鐵,硼系白口鑄鐵。錳系白口鑄鐵分中錳(5%～6%)和高錳(7%～11%)兩類，硼系白口鑄鐵分高碳低硼和低碳高硼兩類，采用不同熱處理工藝，得到相應的力學性能【3】。

3.3 其它

表面工程作為一個較新的研究領域，近年來碩果累累，其產業化也是方興未艾。目前，我國在熱噴涂涂層、EB-PVD 涂層、自蔓延高溫合成涂層及擴散涂層等抗沖蝕磨損防護涂層方面的研究取得了很大進展。耐磨損作為表面工程材料（技術）的主要應用領域之一，特別是對于某些只有表面磨損的零件，表面工程更顯出其重要意義。這些技術的發展，將使耐磨鋼的開發前景廣闊。

激光表面處理技術以加熱速率高、溫度高、熱影響區小、可局部加熱、處理后材料冷速快而晶粒細小、可機械化自動化操作、無污染等優點，越來越被人們所重視。研究人員已經開始將激光淬火、激光表面熔凝處理、激光表面合金化、激光熔覆等激光處理技術應用到耐磨鋼領域，并取得了一定的進展。結束語

1.耐磨金屬材料產品現已趨向標準化、系列化，其產品質量也要得到保證，且仍要不斷研發低成本耐磨材料、耐磨復合材料、抗磨蝕材料、耐熱耐磨材料、耐磨表面工程技術、磨損機理與失效分析方面的研究，真正掌握和穩定實施已成熟的生產工藝并推廣應用新工藝新技術。

2.最大力度的控制冶金質量,使得非金屬夾雜物和氣體含量得到降低,從而進一步提高鑄件力學性能、耐磨性和使用性能；推廣先進鑄造工藝,改善鑄件質量,生產優質耐磨金屬材料；

3.我國高錳鋼、抗磨白口鑄鐵等都制定了國家標準,耐磨合金鋼也將制定國家標準,制造廠應參照國家標準,制定嚴格企業標準指導生產，同時完善測溫、成分分析、力學性能測試、探傷等檢測設備,建立完整的質量保證體系。

參考文獻

（1）邱常明 王彥風 張貴杰 TG142.42（2）張磊 河南 TG11 1007-8320（2009）04-0038-02（3）李茂林 安徽 TG135.+6 1001-4977（2002）09-0525-05（4）王洪發 北京 TG135.6 1001-4977(2000)S01-0577-06

第二篇：金屬采礦方法現狀

金屬采礦方法現狀

單位：遼寧工程技術大學 院系：礦業學院

專業班級：采礦專業14-2班 姓名：劉振宇 學號：1401020220 指導教師：王鑫陽

2016年10月11日 / 8

內容摘要

伴隨著社會經濟的迅速進步與不斷發展,人們對于金屬的需求逐漸提高。摘要討論了我國金屬礦山主要采礦方法的特點、應用情況，系統和全面地介紹了 50 年來我國金屬礦山采礦技術在露天開采、井巷掘進、采礦方法、礦山充填、采礦裝備和采礦環境控制等方面的主要成就,其中露天開采方法主要有：陡幫開采，松土機-鏟運機露天開采，間斷連續開采，高階段采礦，露天開采工藝：陡坡鐵路，裝備大型化，邊坡穩定與境界，邊坡監控，露天地下聯合開采。地下開采方式：空場采礦法，崩落采礦法，充填采礦法，深部開采，原地溶浸采礦法。

關鍵詞：采礦方法現狀；露天開采；地下開采。

Content summary With the rapid development of social economy and the continuous development, people's demand for metal gradually increased.In this paper, the main characteristics of China's Metal Mines mining methods, and systematically introduces 50 years of mining technology of metal mine in China in open-pit mining, tunneling, mining method, mine filling, mining equipment and mining environment control etc.the main achievements, which are the main method of open-pit mining: steep slope mining, scarifier scraper open-pit mining, continuous mining, high level mining, open-pit mining, technology: steep slope railway, large-scale equipment, slope stability and state, slope monitoring, combined open pit and underground mining.Underground mining: open stope mining method and caving mining method, filling method, deep mining, in-situ leaching mining method.Key words: mining method status;open pit mining;underground mining./ 8

目錄

引言………………………………………………………………………………………………………………………………4

第1章金屬礦的種類………………………………………………………………………………………………...4

第2章中國金屬礦的采礦方法………………………………………………………………………………….…4

2.1露天開采………………………………………………………………………………………………….…....4

2.1.1露天開采工藝………………………………………………………………………………………………..5

2.1.2爆破技術………………………………………………………………………………………………………..6

2.2地下開采工藝…………………………………………………………………………………………………6

2.2.1空場采礦法…………………………………………………………………………………………………….6

2.2.2崩落采礦法…………………………………………………………………………………………………….6

2.2.3 充填采礦法…………………………………………………………………………………………………….6

2.3深部開采………………………………………………………………………………………………………….….7

2.4原地溶浸采礦法…………………………………………………………………………………………….……7

第3章結語………………………………………………………………………………………………………………….8

參考文獻……………………………………………………………………………………………………………………..…8/ 8

引言

中國是一個金屬礦采礦歷史非常悠久的國家。三千年之前，就已經開始通過鑿井對銅礦資源進行開采。兩千多年前，開采技術已非常廣泛地運用在礦產資源開采當中。但近代之后，我國金屬礦開采技術一直處于長時間落后的狀態，礦產資源的生產大都是經過手工作業的方式進行。直至50年代，金屬礦采技術才獲得了一定程度的發展和進步。特別是最近三十年，我國逐漸對現代化采礦技術和采礦工藝開展了全方位的探究。在露天陡幫的開采、連續和間斷開采、分段中深孔的采礦、大直徑深孔的采礦、自然崩落采礦、機械分層的采礦、溶提采礦、巖體加固和支護、高效率的礦山充填、井下成套采礦裝備、礦山的防治水、露天的成套采礦裝備等方面都獲得了非常大的成效。為此，我國金屬礦采礦技術水平得到了迅猛提升，這將促使金屬礦開采技術的飛速發展與進步。第1章金屬礦的種類

所謂金屬礦是指經冶煉可以從中提取金屬元素的礦產。如黑色金屬礦產:鐵、錳、鉻、釩、鈦等是用做鋼鐵工業原料的礦產。有色金屬礦產包括：銅、錫、鋅、鎳、鉆、鎢、目、汞等。貴金屬包括：自、銠、金、銀等。輕金屬礦產包括:鋁、鎂等。稀有金屬礦產包括：鋰、鈹、稀土等。多數金屬狂插的共同特點主要表現在質地比較堅硬、有光澤等方面。金屬礦產按其物質成分、性質和用途可分為5類：黑色金屬礦產、有色金屬礦產、貴金屬礦產、稱有分散元素礦產、半金屬礦產。第2章中國金屬礦的采礦技術 2.1露天開采

露天開采的地下開采兩者比較起來，還是露天開采的量還是比較大的，新世紀一來，兩者的產量比已經基本穩定在5:1到6:1左右，露天采礦占84°%,地下采礦占16%。雖然淺部的資源可開發量在不斷減少，而深部的可開采資源量在不斷增加，這一比例會受其影響不斷減小,但是露天開采量還是會占到較大的比重。2.1.1露天采礦工藝

現代化的露天采礦工藝的技術發展趨勢是開采工藝的綜合化。開采工藝的選擇，貴在因地制宜。對于那種范圍廣闊，能力巨大的大型礦山，應該要針對不同的開采對象、不同開采地段、不同開采深度的特點，采用不同的開采工藝，組成一個綜合開采工藝的開采方案, 以實現優化開采效果。這一方法已經成為現代化的露天開采技術的發展趨勢了。陡幫開采技術、分期開采技術、間斷一連續開采技術、高臺階開采技術等，都是現金綜合采礦工藝中常用的技術。

（1）陡幫開采。這一開采技術具有初期剝離量小，基建工程量少，建設周期短和最終邊坡暴露時間短等優點。因此，我國“八五”期間，將陡幫開采列入國家科技攻關項目并在南芬露天礦開展了大規模的工業試驗，為我國大中型露天礦的技術改造和新建、擴建提供了實踐經驗。目前我國金堆城、紫金山、眼前山等礦山都采用陡幫開采。

（2）松土機一鏟運機露天開采。這種開采工藝主要應用于鋁土礦開采，其技術特點是用松土機松散和破碎礦巖，以代替鑿巖爆破，鏟運機進行裝載、運輸和卸載。其工藝簡單一機多用，通過分層鏟裝實現分層開采、分層排土，是實現排土一復墾一體化的理想工藝。1984年在孝義鋁礦進行了該工藝的試驗研宄并取得成功，目前己推廣應用。/ 8

（3）間斷一連續開采。這種采礦工藝是在工作面用電鏟裝載礦石，經汽車運輸和破碎機破碎后，用膠帶運輸機將礦石運出采場。這種工藝有利于發揮汽車和膠帶機的優點，適合于深凹露天礦開采。自20世紀80年代開始，我國先后在大孤山、東鞍山等鐵礦和德興銅礦應用該開采工藝。1997年齊大山鐵礦通過引進，建成了采場內可移動式礦巖破碎一膠帶運輸系統，標志著我國深凹露天礦開采工藝進入了世界先進水平。

（4）陡坡鐵路。采用陡坡鐵路運輸是解決深凹露天礦(米深350 ~ 400 m)開拓運輸問題的發展方向。深凹露天礦改用陡坡鐵路運輸可保證鐵路運輸進入露天礦更深的水平，礦山基建工程和汽車集運量分別減少2.5%和1.5%運距縮短30%,由采場向上提升礦巖的費用降低20%,而且減少線路的移道工作量，可獲得巨大的經濟效益。為了將鐵路坡度由30 %提高到40 %目前正在進行著“十五”國家科技攻關計劃，分別在攀枝花和首鋼水廠鐵礦實驗。

（5）高臺階采礦。隨著露天開采設備大型化的發展，國外一些礦山研宄并采用高臺階開采工藝。我國對高臺階開采技術的研宄起步較晚，采用高臺階開采的露天礦不多，臺階高度最大也只有14~ 15 m。近幾年來我國大型露天鐵礦裝備水平有了很大提高，采用10 m3以上的大型挖掘設備逐漸増多，為高臺階開采新工藝的實施提供了有利的技術保證，為此，將本項目列入國家“八五”科技攻關項目，南芬露天鐵礦南山擴幫區開采參數優化表明，與12 m臺階相比，18 m高臺階開采的單位成本可降低5.76% ~ 6.12%,動態效益每年可節省1 052 ~ 1 162萬元。南芬露天鐵礦18 m高臺階開采工藝研宄和實踐表明，高臺階開采技術是成功的，經濟效益可觀。

（6）裝備大型化。隨著高新技術特別是微電子技術的進一步擴大應用，大功率柴油機和大規格輪胎相繼研制成功，為裝載設備大型化發展創造了條件。在21世紀必將會有采用先進技術特別是高科技微電子控制系統的、更加靈活可靠的、造價較低的更大型裝載設備登上露天開采的舞臺。1988年，露天礦穿孔設備實現了國產化。至20世紀90年代，國產15 t到154 t的礦用自卸汽車形成系列產品，使露天礦用汽車不再依靠進口。（7）邊坡穩定與境界。露天礦山采場合理境界確定是礦山設計和工程科研中的重要內容。一旦露天礦山采場境界確定后，邊坡穩定性研宄就成為檢驗礦山設計方案合理與否的重要手段。因而邊坡巖體穩定性研宄和分析己成為露天礦山尤其是大中型露天礦山貫穿整個生命周期的重要工程課題之一。在這方面，我國許多礦山取得了一些經驗，其中，石錄銅礦20世紀20世紀80年代采用半掩埋式抗滑粧加固了一長為120 m、垂高高度16 m的滑體;20世紀90年代會東鉛鋅礦采用6座高強抗滑粧和196根34 ~ 36 m的預應力長錨索組成的抗滑粧、長錨索、錨桿聯合加固方式，成功地加固了山坡露天礦高邊坡上的35萬m3不穩定巖體。

（8）邊坡監控。在露天采礦技術較先進的國家，邊坡角己達45°左右，而在我國是40°左右。為了生產安全和避免損失，必須搞好巖移監測預報。20世紀90年代隨著集成電子技術的發展，礦用監測儀器向便攜式小型化、智能化、高精度、多功能、多層次方面發展，例如全站儀、聲發射儀。尤其是近年發展起來的“3S”技術，將使金屬礦山（特別是大型露天礦邊坡）的巖移監測實現遙控全天候監測。

（9）露天地下聯合開采、露天轉地下開采技術。我國正在進行露天轉地下開采的礦山或露天與地下聯合開采的礦山，如廣西的大新錳礦、河北的建龍鐵礦、福建的連城錳礦、河南的銀洞坡金礦、安徽的新橋硫鐵礦、銅山銅礦和鳳凰山銅礦、吉林板石溝鐵礦等。取得了大量的成功經驗。2.1.2爆破技術 / 8

牙輪鉆機正向増大孔徑(450 mm, 480 mm)、加大孔深方向的趨勢發展，而今后要主要向自動化方向發展。控制爆破技術廣泛應用擠壓、微差爆破、孔內微差爆破、大爆區微差爆破等技術，解決了難爆礦巖的破碎塊度問題和爆破減振問題。新型炸藥以及爆破器材不斷問世:銨油炸藥及各種衍生含水炸藥、防水漿狀炸藥、爆藥雷管、電子雷管、塑料導爆系統、氣爆系統等新型爆破器材的使用對提高爆破精度、改善爆破質量、加強爆破安全等都有重大的影響。其中，在南芬露天鐵礦，采用奧瑞凱雷管起爆器材，基本上實現了逐孔起爆的功能。

2.2地下開采工藝 2.2.1空場采礦法

(1)VCR法。20世紀80年代，VCR法（大直徑深孔球狀藥包后退式崩落采礦法）首先在我國凡口鉛鋅礦試驗成功。隨后，這一高效率的采礦方法先后在金川有色金屬公司、安慶銅礦、金廠略金礦和獅子山銅礦等礦山得到推廣應用。1980 ~ 1985年間，在凡口鉛鋅礦又試驗成功了另一種具有代表性的大直徑深孔采礦方案，即階段深孔臺階崩落采礦法。該采礦方法的實質是:將露天礦的臺階崩礦技術應用到地下開采中，即在采場的局部面積上，先形成切割槽，然后以這一切割槽為自由面和補償空間，采用大直徑深孔裝藥進行全階段高或臺階狀崩礦，崩落的礦石由采場下部的出礦系統運出。

(2)地下金屬采礦連續化。地下金屬礦山連續開采主要包括:礦房的連續回采、礦體(床）的連續開采、礦石的連續運送及全工藝過程的連續化。即在開采過程中一步化；回采過程中落礦、出礦、礦石運搬工藝的連續作業化;井下礦石的轉載、運輸、提升等環節礦石的連續化;掘進、落礦、出礦、運搬、運輸等全工藝過程的連續化。2.2.2崩落采礦法

(1)無底柱分段崩落法，大結構參數。我國無底柱分段崩落法面臨著一個如何加大和優化結構參數的問題。結構參數優化的主要方向是増大進路間距。増大進路間距將大幅度地減少采掘工程量，僅梅山鐵礦將15 mX 15 m結構改為15 mX 20 m結構參數，將減少采掘工作量25%同時増大了一次崩礦量，提高采礦強度，降低礦石成本提高礦山的經濟效益。由于増大進路間距具有較強的可操作性，易于推廣應用，目前程潮、桃沖、板石溝、北銘河等礦山都應用了該技術具有重要的實踐意義。低貧化放礦。低貧化放礦或無貧化放礦是指在放礦過程中當礦巖界面正常到達出礦口時便停止放出，以保持礦石界面的完整性，最大程度地減少礦巖的混雜性。低貧化放礦首先在鏡鐵山鐵礦試驗和應用成功，由于其具有簡單、靈活、易于操作和無需對原采礦方法作重大改革等優點且可降低貧化、減少巖石混入而帶來巨大的經濟效益，因此，具有廣闊的應用前景。目前，低貧化放礦在程潮、桃沖、弓長嶺等礦山得到應用。

(2)自然崩落法自然崩落法是一種利用巖石自然應力落礦的方法，具有生產能力大、采礦成本低的優點，特別適用于礦體厚大、礦化均勻易于自然崩落的低品位礦床開采。其應用原理是在礦塊大面積拉底后，破壞了礦塊內礦體的應力平衡，引起應力重新分布，必然形成新的自然平衡拱，拱內礦石因受重力作用而周期性脫落。銅礦略礦自1989年至 2002年應用該法在810 ~ 930 m采場累計出礦量 2 450.48萬t,占回采礦量的101.2%。2.2.3充填采礦法

我國先后采用干式、分級尾砂膠結、全尾砂膠結、碎石水泥漿膠結等新工藝與新技術。最近，我國成功地試驗了一批具有世界先進技術水平的充填采礦工藝。具有代表性的是:高水全尾砂速凝固化膠結充填新工藝、高濃度全尾砂自流輸送及泵壓輸送充填新工/ 8

藝、粗粒級水砂充填新工藝、膏體泵送充填工藝與技術等。其中1994年在金川鎳礦建成了我國第1個膏體泵送充填系統，1999年又在銅綠山礦建成了第2個膏體泵送充填系統。

2.3深部開采

我國除1969年閉礦的石嘴子銅礦外，近年己有一批金屬礦山進入深部開采，即垂直開采深度超過600m以上。例如紅透山銅礦目前開采己進入 900 ~ 1 100 m深度;冬瓜山銅礦礦體埋深達1 000 m,現建成2條超1 000 m豎井正進行深部開采；弓長嶺鐵礦設計開拓深度一750m,距地表達1 000 m;夾皮溝金礦己有2個坑口工作深度超過600 m, 其中二道溝坑口工業礦體延深至1 050 m,湘西金礦開拓38個中段，垂深超過850 m。此外，還有壽王墳銅礦、凡口鉛鋅礦、金川鎳礦、乳山金礦等許多礦山，本世紀將進入深部開采。

國內深部開采技術:石嘴子銅礦是國內深部開采礦山之一，共22個階段，最深達950 m。曾使用各種不同結構的淺孔留礦法，回采厚度1 ~ 35 m、平均6.3 m,平均傾角82°的矽卡巖型銅礦床，后期由于地壓大，上下盤巖石收斂，頂板管理復雜，以大量礦石損失與貧化而結束回采作業。可以說是一座不成功的深部開采礦山。近期己有一批金屬礦山相繼進行深部開采，由于我國目前深部開采技術水平低，經驗不足，因此，在第9個五年國民經濟發展計劃期間，國家把深部開采技術列入科技攻關研宄項目，分別在有色金屬礦山的冬瓜山等3座礦山與黃金行業湘西金礦進行多項目聯合攻關，通過研宄與實踐，積累經驗，指導其它深部金屬礦床開采。2.4原地溶浸采礦法

原地溶浸采礦是將采、選、冶技術結合起來的一種直接從地下提取金屬的開采工藝。鈾、銅、金、銀等20多種金屬礦床都有可能應用溶浸采礦。我國原地溶浸采礦技術于1985年在鈾礦試驗成功，并己建成原地溶浸采鈾礦山。1995年，長沙礦山研宄院在東鄉銅礦進行了國內首次井下原地破碎浸銅試驗;1998年北京礦冶研宄總院又在武山銅礦完成了原地浸銅試驗。第3章結語

本文總結了我國目前的金屬采礦的方法，這是我國自從50年代以來方法的總結，我國金屬礦采礦技術己取得顯著成就, 但總體水平仍然較低,與國際先進水平相比存在較大差距。其突出表現是多數礦山裝備落后、開采規模小、勞動生產率低、礦山效益差和礦產資源利用率低。因此,礦山的效率和效益、資源保護性開采和自然環境保護 ,將在 21 世紀的一定時期內成為我國金屬礦山采礦技術進一步發展的主要目標。其主要發展方向則有 :機械化大規模采礦、深井采礦、溶浸采礦和充填采礦等工藝和技術。發展機械化大規模采礦以解決礦山裝備落后、開采規模小和勞動生產率低的問題,包括發展大型露天采礦裝備和大型地下無軌采礦裝備 ,以及高階段深孔采礦法、高分段崩落采礦法和自然崩落采礦法等大規模地下采礦工藝。發展深井采礦技術以適應礦床開采向深部轉移的需要。發展溶浸采礦是為了適應貧礦資源開采的需要 , 以提高礦山效益。發展充填采礦技術則為了充分利用礦產資源 ,實現資源保護性開采和有效地保護環境。隨著科學技術的進步和采礦技術條件的進一步復雜化,還將逐步發展露天地下聯合采礦技術、無爆破采礦技術、自動化采礦技術和連續采礦技術。

參考文獻： / 8

張幼蒂.現代露天開采技術國際發展與我國露天采煤前景[J].露天采礦技術，2005.[2] 吳愛祥，王洪江，楊保華.等.溶浸采礦技術的進展與展望[J].采礦技術，2006 [3] 古德生，李夕兵.現代金屬礦床開采科學技術[M].北京:冶金工業出版社，2006.[4] 中國大洋協會.深海采礦技術發展戰略概述[J].國際海底開發動態，2004.[5] 周錦華，胡振琪，高榮久.礦山土地復墾與生態重建技術研究現狀與展望[J].金屬礦山，2007.[6] 周愛民.建國以來我國金屬礦采礦技術的進展與未來展望[J].礦業研宄與開發，1999 [7] 吳愛祥.我國地下金屬礦山連續開采技術研究的發展[M].有色礦山，2002 [8] 張樹茂.銅礦峪礦自然崩落法回采實踐[M].金屬礦山，2003 [9] 姚香.關于深部開采技術的探討[M].黃金，1998 [10] 孫豁然，我國金屬礦采礦技術回顧與展望[M].金屬礦山，2003.07.10 [1] / 8

第三篇：第二章 耐磨耐高溫材料

第二章 耐磨耐高溫材料 第一節 耐磨材料

在此主要介紹制造刀具的耐磨材料，常用的耐磨材料有碳化硅、氮化硼、氧化鋁和硬質合金。

它們都是硬度大，熔點高的物質，而且在較高的溫度下仍能保持足夠的硬度和耐磨性。

一、碳化硅（SiC）

碳化硅的晶體結構和金剛石相似，屬于原子晶體。它可以看作是金剛石晶體中有半數的碳原子被硅原子所取代。mp=2827℃，硬度近似于金剛石，故又稱為金剛砂。

制備，將砂子（二氧化硅）和過量焦炭的混合物放在電爐中加熱：

加熱 SiO2 + 3C ——→ SiC + 2CO 電爐

制得的碳化硅是藍黑色發珠光的晶體,化學性質很穩定,即使在高溫下也不受氯、氧或硫的侵蝕,不和強酸作用,甚至發煙硝酸和氫氟酸的混合酸(HNO3 + HF)也不能侵蝕它。

但是SiC在空氣中能被熔融的強堿或碳酸鈉分解: 加熱

① SiC+ 4KOH + 2O2-----K2SiO3 + K2CO3 + 2H2O

加熱

② SiC + 2Na2CO3-----Na2SiO3 + Na2O + 2CO + C 應用:工業上SiC常用做磨料和制造砂輪或磨石的磨檫表面。

SiC磨料的硬度高,棱角鋒利,但性脆,抗張強度小,宜用來磨脆性材料。

常用的SiC磨料有兩種不同的晶體,一種是綠SiC,含SiC 97%以上,主要用于磨硬質合金的工具;另一種是黑SiC,有金屬光澤,含SiC 95%以上,強度比綠SiC大,但硬度較低,主要用于磨鑄鐵和非金屬材料。

二、氮化硼(BN)BN是白色耐高溫的物質,不溶于水,可以由

熔融

B2O3 + NH4Cl--------BN + HCl + H2O 也可B在NH3 中燃燒而制得,BN有兩種晶體結構,一種與金剛石相似,另一種與石墨相似,這是由于(BN)n與單質碳(C2)n是等電子體,因此人們根據許多感性知識總結出一條經驗規律: 具有相同電子數(全部電子數或價電子數)和相同原子數(H，He，Li除外)的分子或離子，它們的電子式和原子的排列方式相似，性質也相似。這條規律叫做等電子原理。

由于B比C少一個電子，而N比C多一個電子，BN與單質碳電子數和原子數都相等，應該有相似的晶體結構。

通常制得的BN是石墨型的，俗稱白色石墨，它是比石墨更耐高溫的固體潤滑劑。

和石墨轉變為金剛石的原理相似，石墨型BN在高溫（1800℃）、高壓（800 Mpa）下可轉變為金剛石型BN。

這種BN中B-N鍵長（0.156 nm）與金剛石中C-C鍵長（0.154 nm）相似，密度也和金剛石相近，它的硬度和金剛石不相上下，而耐熱性比金剛石好，所以是新型耐高溫的超硬材料，用來制作鉆頭，磨具和切割工具。

三、剛 玉

剛玉是自然界中以結晶狀態存在的氧化鋁，它的硬度很高，僅次于金剛石和金剛砂。

人工高溫燒結的氧化鋁稱為人造剛玉。剛玉也是常用的磨料，其抗彎強度較大，韌性較好，但硬度較低，適用于磨削抗張強度大和有韌性的材料如碳鋼、合金剛等。

剛玉中含有少量其他氧化物質，能呈現不同的顏色。例如，含有少量的Cr2O3時，形成紅寶石，含有少量鐵和鈦的氧化物時，得到藍寶石。

現在可以用人工方法合成各種寶石，人造寶石常用作機器、儀表中軸承和手表中的鉆石。

四、硬質合金

第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族金屬和C、N、B等形成的化合物，硬度和熔點等特別高，統稱為硬質合金。

下面以碳化物為重點來說明硬質合金的結構、特性和應用。

碳與電負性比碳小的元素形成的二元化合物，除碳氫化合物外，都叫做碳化物。

碳化物有三種類型：

一類是碳和活潑金屬形成的碳化物，例如CaC2是離子型碳化物，能和水或稀酸作用，生成碳氫化合物。

CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca（OH）2 CaC2 + 2HCl = C2H2 + CaCl2 第二類是碳和非金屬元素硅或硼形成的碳化物，它們是共價型碳化物，在固態時屬于原子晶體。

第三類是碳和第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族金屬形成的金屬型碳化物。

這些過渡金屬電負性不太小，不能與碳以離子鍵或共價鍵形成結合，但碳原子半徑小，可溶于這些過渡金屬形成間充固溶體。

在適宜條件下，當碳含量超過溶解度極限時，可出現一種突變，形成間充化合物，使原金屬晶格轉變為另一種形式的金屬晶格，如Fe3C、WC等。

這類金屬型碳化物的共同特點是具有金屬光澤，能導電傳熱，硬度大，熔點高，但脆性也大。從幾何學方面考慮，要形成簡單結構的間充化合物，間充原子和金屬原子的半徑比必須小于0.59。

C的原子半徑為0.077 nm。金屬原子的半徑應大于0.130 nm。

Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等都大于0.130 nm，其碳化物的晶體結構與原金屬相似。

Cr、Mn、Fe、Co、Ni等原子半徑小于0.130 nm，晶格中空隙較小，形成碳化物時，使金屬晶格發生較顯著的變化，形成復雜結構的間充化合物。這些碳化物的化學鍵在不同程度上表現出向離子鍵過渡，因而具有一些接近離子型碳化物的性質。例如，Fe3C的硬度和熔點要低于TiC、WC等，化學穩定性也較差，和稀酸作用生成CH4和H2。

Fe3C + 6HCl= 3FeCl2 + CH4 + H2

與離子型化合物或共價形化合物不同，間充化合物的化學式是不符合正常化合價規則的，間充化合物本身還能溶解其它的組成元素而形成以間充化合物為溶劑的固溶體，其成分可以在一定范圍內變化。

同一周期的過渡元素，由第Ⅳ副族開始，從左至右形成的碳化物穩定性依次降低。

例如，第4周期元素中，Ti、V能形成很穩定的碳化物,Cr、Mn、Fe的碳化物穩定性較差，Co、Ni的碳化物就不大穩定，Cu則不能形成碳化物。

這是因為形成金屬碳化物的實質是碳原子的價電子進入過渡元素次外層d亞層的空軌道上，金屬原子次外層d亞層上電子數越少（d亞層的空軌道越多）該金屬和碳結合力就越強，這種碳化物的穩定性也就越高。從原子結構來看，同周期中由第Ⅳ副族開始，從左至右，次外層d亞層的電子數逐漸增加，形成的碳化物穩定性便依次降低。

金屬型碳化物是許多合金鋼中的重要組成部分，對合金鋼的性能有較大影響。例如，一般工具鋼當溫度達到300℃以上時，硬度顯著降低，使切割過程不能進行；但含W 18%，Cr 4%，V 1%的高速鋼制成的刀具有較高的紅硬性，當溫度接近600℃時，仍能保持足夠的硬度和耐磨性，因此可在較高的切割速度下進行切割，并提高了刀具的壽命。

這主要是由于高速鋼中含有大量W、Cr、V的碳化物。

碳化鈦具有高熔點，高硬度，抗高溫氧化，密度小和價廉等優點，是一種非常重要的金屬型碳化物，并得到了廣泛的應用。

除碳原子外，周期表中與碳相鄰的氮N原子和硼B原子也能進入金屬晶格的空隙中形成間充型碳化物相似的性質：能導電、傳熱、熔點高、硬度大。

由于N原子半徑（0.075 nm）比C原子半徑（0.077 nm）還略小些，不僅Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等能和N形成晶體結構與原金屬相似的間充化合物，就是Cr、Mn、Fe、Co、Ni也能和N形成晶體結構與原金屬相似的間充化合物，但Mn、Fe、Co、Ni等氮化物的晶格已發生某種程度的變形。

滲氮

B原子半徑（0.082 nm）比C原子半徑略大，所以硼化物的晶體結構就比較復雜。

常用的硬質合金可分為兩大類：

一類是鎢鈷硬質合金：例如，YG6 是含WC 94%，Co 6%的硬質合金，其中Co起粘合劑的作用，鈷含量越高，韌性越好，能抗沖擊，但硬度和耐熱性降低。

另一類是鎢鈷鈦硬質合金：例如YT14是含WC 78%、TiC 14%、Co 8%的硬質合金，加入Ti能提高合金的紅硬性，在1000～1100℃時還能保持其硬度。硬質合金刀具的切削速度可比高速鋼刀具提高4～7倍，所以硬質合金是制造高速切削和鉆探等工具主要部分的優良材料。

鋼鐵制件在化學熱處理過程中，使碳、氮或硼等滲入低碳鋼的表面，能在鋼的表層生成具有高硬度和耐磨性的碳化物，氮化物或硼化物，而鋼的內部仍保持塑性和韌性。

近年來制成一種新型工具材料--鋼結硬質合金。它是以TiC、WC等碳化物為硬質材料，用鉻鉬鋼或高速鋼作“粘合劑”而制成的。它兼有硬質合金和鋼的性能，既有一般合金鋼的可加工、熱處理、焊接的性能，又有硬質合金的高硬度、高耐磨性等優點，克服了工具鋼不耐磨和硬質合金難加工的缺點，而且成本較低，是很有發展前途的材料。另外，通過氣相沉積的方法在合金鋼表面涂一薄層耐磨的TiC或TiN涂層以形成涂層硬質合金，它也兼有硬質合金和鋼的性能。

第二節 耐高溫材料

一、耐熱合金

耐熱合金用作各種熱機和化工裝置的高溫部件，是提高這類機械性能和效率不可缺少的材料。

耐熱合金應具備以下的性能：

1、在高溫條件下，仍有較好的機械性能。

2、組織的穩定性：在高溫條件下，不會由于相變而引起韌性或斷裂強度降低。

3、耐高溫腐蝕、高溫時能抵抗周圍介質中氧氣、硫和其他雜質的腐蝕。

第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ副族元素是高熔點金屬。因為這些元素原子中未成對的價電子數很多，在金屬晶體中形成了堅強的化學鍵，而且它的原子半徑較小，晶格結點上粒子間的距離短，相互作用力大，所以熔點高，硬度大。

耐熱合金主要是Ⅴ～Ⅶ副族元素和第Ⅷ族元素形成的合金。按化學成分可分為鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金和鉻基合金等幾種類型。

耐熱合金鋼是以鐵為主要成分的鐵基合金，耐熱合金鋼中含有一定量鉻，因為鉻易形成具有保護性的氧化物，可提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。一般隨著鉻含量的增多，耐熱鋼的耐高溫腐蝕性相應提高。耐熱鋼中加入適量的Mo（0.2～2.0%）,對增加蠕變強度是很有效的。

近年來,隨著科學技術和工農業生產的發展,對耐熱合金的要求越來越高,希望提高使用溫度,延長在高溫下使用的時間,并減輕質量,因此逐漸從鎳鐵基合金代替鐵基合金。

鎳鐵基合金含有Ni25～60%和Fe15～60%，還含有Cr、Mo、W、Ti、Nb等元素，增加了高溫強度。

在大多數鎳鐵基耐熱合金中，Ni和Fe含量必須保持適當比例，這會影響合金的成本和有效的使用溫度范圍。

一般來說，Ni含量高則使用溫度高，穩定性也得到改善，但成本較高。

二、耐火材料

耐火材料是指能耐1580℃以上的高溫，并在高溫下能耐氣體，熔融金屬，熔融爐渣等物質侵蝕，而且有一定機械強度的無機非金屬材料。耐火度是材料受熱軟化時的溫度，它是耐火材料的重要性能之一。

常用的耐火材料是一些高熔點的氧化物、碳化物和氮化物。

按耐火度的高低，可分為：

普通耐火材料 耐火度為 1580～1770℃

高級耐火材料 1770～2000℃

特級耐火材料 >2000℃ 按化學性質可分為：酸性耐火材料、堿性耐火材料和中性耐火材料，此外還有碳質耐火材料。

1、酸性耐火材料: 主要成份是一些高熔點的酸性氧化物。

例如SiO2(mp1610℃)能耐酸性物質的侵蝕,但在高溫下易和堿性氧化物,熔融的堿或Na2 CO3 發生發應而受到侵蝕。

SiO2 + CaO = CaSiO3 SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2↑ 常用的酸性耐火材料有

硅酸 SiO2 >93% 耐火度1670～1710℃ 半硅酸 SiO2 >65% Al2O320～30% 1650～1710℃ 粘土磚 SiO2 50～60% 弱酸性 1650～1710℃

Al2O3 30～48%

2、堿性耐火材料，主要成分是一些高熔點的堿性氧化物。

例如MgO(mp2802℃),CaO(mp2587℃)能耐堿性物質的侵蝕，但在高溫下易受酸性物質的侵蝕： MgO + SiO2 = MgSiO3 CaO + SiO2 = CaSiO3

常用的堿性耐火材料有

鎂磚 MgO >87%（鎂砂）耐火度2000℃

鉻鎂磚 MgO >30-70% Cr2O3>10-30%

3、中性耐火材料：

主要成分是Al2O3(mp2027℃)，Cr2O3(mp2265℃)等兩性氧化物，它們在高溫條件下顯得十分穩定，既不易和酸性氧化物作用，也不易和堿性氧化物作用，因而抗酸堿侵蝕的性能較好。

常用的中性耐火材料有高鋁磚

Al2O3>48% 1750-1790℃

剛玉磚 Al2O3>48% 1840-1850℃ 價格較貴 Si3N4

4、碳質耐火材料，主要成分為石墨，碳化硅等。SiC硅>2000℃ 中性 用作小電爐的蓋子

石墨磚，中性>3500℃ 在高溫下抗氧化性能較差

高熔點氧化物的絕熱性良好，很多保溫材料（絕熱材料）的主要成分就是MgO，Al2O3、SiO2等氧化物。

例如，硅藻土（非晶體SiO2）、石棉（主要成分為CaO、3MgO、4SiO2）等，這些材料密度較小，內部有很多小氣孔，易吸附空氣，是很好的絕熱體。

此外，耐火混凝土也是常用的一種耐火材料，它是用一定量的粒狀耐火材料加入膠粘物質（如水玻璃、粘土、磷酸等）和水配成的混合物，由于具有很強的粘合性，且在高溫下可燒結成致密、堅固的硬塊，常用作砌爐時的粘合劑。

三、金屬陶瓷

有一種陶瓷刀具是用微細的Al2O3和10%粘合劑的混合物在不活潑氣氛（如稀有氣體、N2等不易與其他物質發生化學作用的氣體）中，于高溫下燒結制成的。它的優點是高溫硬度較高，到1100℃時仍保持高硬度。其抗彎程度在低溫下雖較差，但隨溫度升高抗彎強度降低較少，因而對高速切削很有利。

近年來隨著火箭、人造衛星及原子能等尖端技術的發展，對耐高溫材料提出了新的要求，希望能在高溫時有很高的硬度、強度，經得起激烈的機械震動和溫度變化，又有耐氧化腐蝕、高絕緣等性能。無論高熔點金屬或陶瓷都很難同時滿足這些要求。

金屬易導電，傳熱，在高溫時易氧化；陶瓷強度，韌性較差，在機械震動下脆裂，金屬陶瓷是陶瓷相和粘結金屬相所組成的非均質的復合材料。

陶瓷相是Al2O3，ZrO2 等耐高溫氧化物，有時采用幾種固熔體；

粘結金屬相是某些耐高溫金屬如Cr、Mo、W、Ti等。將他們研細，混合均勻，加工成型后在不活潑氣氛中再燒結，就制得金屬陶瓷。它兼有金屬和陶瓷的優點，密度較小，硬度較大，耐磨，導熱性較好，不會由于驟冷驟熱而脆裂。另外，在金屬表面加涂一層氣密性很好的陶瓷涂層，也能防止金屬或合金在高溫下氧化或腐蝕，涂層的成分主要是ZrO2、TiO2、Al2O3、SiO2等。

火箭、導彈和超音速飛機的外殼、燃燒室和尾噴口等處的溫度往往高達幾千度，沒有一種金屬或合金能長期承受這樣的高溫，因此必須通過絕熱的辦法，使這些部位的金屬部件保持較低的溫度。為此，利用熔點高，傳熱性小的陶瓷材料（如氧化鋁、氧化鋯和氧化鎂），使之在金屬表面上形成具有無數小孔的涂層，由于小孔內吸附空氣，因此具有很高的絕熱性能。

四、碳纖維

碳纖維是一種由碳元素組成的，結構象人造絲，合成纖維一樣的纖維狀材料，它是一種強度比鋼大，密度比鋁小的新穎材料。

碳纖維有很多寶貴的電學、熱學和力學性能，在現代科學技術、現代工業和現代國防的發展中起著重要的作用。

碳纖維目前還不能直接從炭或石墨抽絲制造，它是將有機纖維（如尼龍、丙綸或人造棉等）放在惰性氣體中，在保持原纖維形狀的情況下燒制而成的。

有機化合物主要有C、H、O、S、N等元素組成，在缺氧的情況下加熱時，其中除C以外的元素都分解逸出，制得只含碳元素的材料，所以，合成纖維或人造纖維在隔絕氧的條件下加熱，就可轉變成碳纖維。

碳纖維的種類很多，由于采用的原料和制造工藝的不同，制得的碳纖維性能也不同。

按制造工藝，碳纖維可分為碳纖維和石墨纖維。有機纖維在2000℃以下碳化而制得的纖維稱碳纖維。這類纖維由于處理溫度較低，成本較低，含碳量也較低，約為75-95%，晶體結構沒有變成石墨型，屬于無定形碳，因此稱碳纖維。有機纖維在2000℃以上的高溫下碳化而制得的纖維稱為石墨纖維，其含碳量很高，約為98-99%，晶體結構與石墨相似。按性能的不同碳纖維還可分為普通碳纖維和高彈性模量、高強度碳纖維。

有機纖維在不加張力的情況下，碳化制得的是普通碳纖維。這類纖維的制造成本較低，但是強度和彈性模量不高，只能用于高溫電路的保溫材料及一般的防腐蝕材料。

有機纖維在受熱過程中都要產生收縮，擾亂和破壞了纖維內部分子整齊有序的排列，這樣制得的碳纖維彈性模量和強度都不高。

若在制造過程中，一面加熱，一面施加張力，使纖維不產生收縮，保證纖維內部分子趨向于整齊有序的排列，這樣制得的碳纖維彈性模量和強度都很高，稱為高彈性模量、高強度碳纖維。制造過程中的溫度越高，生成的碳纖維彈性模量也越高。

彈性模量是表示材料受力后產生變形大小的一個力學性能指標。材料受力后產生的變形越大，說明它抵抗變形的能力越差，彈性模量越低。

彈性模量越高的材料越能承受大的外力。強度是表示在外力作用下，材料抵抗斷裂破壞能力大小的力學性能指標。使材料斷裂破壞時需要的力越大，強度就越高。

在現代工業技術應用中往往要求材料既堅固耐用又輕巧，這樣就要考慮單位質量材料的彈性模量和強度。

把彈性模量和抗性強度分別除以密度所得的值稱為比彈性模量和比強度。

碳纖維的比強度是鋼鐵的16倍，鋁合金的12倍。比彈性模量也較鋼鐵或鋁合金大4-5倍。由于碳纖維的比強度和比彈性模量特別高，所以要求減輕自重的物體如飛機、宇宙航行器，船舶等機械設備就有更大的意義。

碳纖維能耐低溫，在-180℃的低溫下，許多材料變得很脆。甚至鋼鐵比室溫時玻璃更易破碎，而石墨纖維材料卻依舊柔順。

碳纖維也耐高溫，在3000-4000℃高溫下，在沒有氧氣存在的情況下，性能依舊不變。一般材料的強度隨溫度升高要大幅度降低，碳纖維材料是唯一的在高溫下隨溫度升高而強度增大的材料。

碳纖維雖有不少優異性能，但也存在一些缺點，一個缺點就是抗氧化性差，另一個缺點是在斷裂破壞之前沒有明顯的征兆。

把碳纖維埋在磨到一定細度的硅粉中，在惰性氣氛中加熱到硅的熔點，表面就生成碳化硅涂層，碳化硅是高溫下抗氧化性能最好的材料之一，這樣可大大改善碳纖維的抗氧化性。

把高強度纖維材料和一些可塑性好，整體性強的基體材料結合在一起形成了復合材料。常用的基體材料有金屬、塑料、陶瓷、水泥等。

碳纖維和基體材料制成的復合材料中，碳纖維不僅起到鋼骨水泥中鋼筋那樣的增強作用，而且因為碳纖維被基體材料包裹住，克服了高溫下易被氧化的缺點，充分發揮了碳纖維的耐高溫特性。

碳納米管

第四篇：耐磨的人生

耐磨的人生

我的一個朋友在一次意外的事故中失去了右手。炎炎夏日里，我到他的小書屋去選書。我本來打算要穿一件涼爽的短袖汗衫出門的。可是，臨行前我還是毅然

換了一件長袖衫??我忘不掉兩年前他在酷暑時節穿一件長袖衫對我說“我今生再也無福穿短袖汗衫了”的悲苦神情，我希望這件長袖衫從我身上蒸出淋淋汗水，希

望這淋淋汗水能多少減淡一點朋友的哀傷和痛楚。

當我出現在那間小書屋時，朋友熱情地迎上來與我握手。兩只左手緊緊相握的瞬間，我倆都忍不住看著對方的衣衫大笑起來??因為，朋友居然穿了一件短衫。

朋友說，謝謝，我知道你的良苦用心。倒退兩年，我還真的特別需要你這樣做，但現在不同了??不瞞你說，剛出事的那陣子，我認為我活不下去了，我說什

么也接受不了沒有右手的殘酷現實。我笨拙地穿衣，歪歪扭扭地寫字，刮胡子的時候，把臉刮得鮮血淋漓，上廁所都十分不方便??我哭，我鬧，我摔東西，我把

腦袋剃得溜光來發泄。后來，我就勸自己：別想那只手了，行不？瞧瞧人家古人多么豁達，滿嘴的牙齒都掉光了，卻說：“口中無礙，咀嚼愈健”；一個叫達克頓 的外國人，曾以為除了雙目失明以外可以忍受生活上的任何打擊，可他在60歲的時候，卻真的雙目失明了。這時候，他說：“噢，原來失明也是可以忍受的呀。人

可以忍受一切不幸，即使所有器官都喪失知覺，我也能在心靈中繼續活著。”慢慢地，我平靜下來。我開始穿著短袖汗衫出門，坦然地面對人們異樣的目光。我終

于明白，我其實有一條韌性十足的命，它遠比我想象中的那條命耐磨得多??

那一天，我倒空了自己的錢袋。我跟自己說：多選一些書吧，這間書屋的書一定富含靈魂之鈣。

問題：

1、給下列的詞語寫上近義詞。

笨拙（）

不幸（）

痛楚（）

毅然（）

2、這篇短文主要寫了一件什么事？_____________________________________________________。

3、“朋友說，謝謝，我知道你的良苦用心”一句話中的“良苦用心”指的是什么？請聯系上下文回答。

_________________________________________________________________________________。

4、當你看到這篇短文的題目的時候，你想提出什么問題？請你讀完文章后自己回答。

提出問題：

回答 ：

5、面對人生的坎坷，“我”的朋友對人生的態度有什么變化呢？想一想是什么原因使他發生了這樣的變化？

_________________________________________________________________________________。

6、讀了短文，你一定會有許多感觸吧，請用幾句話把你的感悟寫下來，你一定行！

_________________________________________________________________________________________ 7，文中第一自然段的“毅然”能否去掉？，為什么？

答案：

1、拙劣，倒霉，痛苦，決然。

2.朋友意外失去右臂，生活中遇到一些不便，心里很難過，后來通過讀書，使自己坦然面對生活，從而使自己成為強者。

從側面看到了作者與朋友之間的友誼，以及作者的為人及體貼與細心；

從正面看到了人類堅強的信念作者的朋友，從遭遇不幸時沉溺在頹廢、失落和無助的情緒中，而無法自拔。到后來的頑強與堅強。

3、這里的良苦用心是指：作者在去見朋友時，怕觸痛朋友的短處（失去右手），而選擇在炎炎夏日下，穿了件不符合常理的長袖衫。

4、略。

5，作者的朋友，人生態度的轉變主要體現在：遭遇不幸-失落、頹廢-頓悟-自強。

是什么原因使他發生了這樣的變化呢？主要是：“古人牙齒都掉光了，卻還說：“口中無礙，咀嚼愈健”以及“即使所有器官都喪失知覺，我也能在心靈中繼續活著。” 6，略。

7，不能，因為如果去掉了，就體現不出“我”的毫不猶豫的心情

閱讀理解。

外祖母說話好似在用心地唱歌，字字句句都像鮮花那樣溫柔、鮮艷和豐潤，一下子就牢牢地打進我的記憶里。她微笑的時候，那黑得像黑櫻桃的眼珠兒睜得圓圓的，閃出一種難以形容的愉快光芒，在笑容里，快活地露出堅固的雪白的牙齒，雖然黑黑的，兩頰有許多皺紋，但整個面孔仍然顯得年輕，明朗。但這面孔卻被松軟的鼻子、脹大了的鼻孔和紅鼻尖兒給弄壞了。她從一個鑲銀的黑色鼻煙壺里嗅煙草。她的衣服全是黑的，但通過她的眼睛，從她內心卻射出一種永不熄滅的、快樂的、溫暖的光芒。她腰彎得幾乎成為駝背，肥肥胖胖，可是舉動卻像一只大貓似的輕快而敏捷，并且柔軟得也像這個可愛的動物。

在她沒來以前，我仿佛是躲在黑暗中睡覺，但她一出現，就把我叫醒了，把我領到光明的地方，用一根不斷的線把我周圍的一切連結起來，織成五光十色的花邊，她馬上成為我終身的朋友，成為最知心的人，成為我最了解、最珍貴的人，——是她那對世界無私的愛豐富了我，使我充滿了堅強的力量以應付困苦的生活的。

1、分別用一句話概括兩個自然段的基本內容。

___________________________________________________________

2、首句“外祖母說話好似在用心地唱歌，字字句句都像鮮花那樣溫柔、鮮艷和豐潤”采用了什么修辭手法？有何作用？

___________________________________________________________

3、“她微笑的時候，那黑得像黑櫻桃的眼珠兒睜得圓圓的”一句中的“睜”能否改為“瞪”？為什么？

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4、“她彎腰得幾乎成為駝背，肥肥胖胖，舉動卻像一只大貓似的輕快而敏捷，并且柔軟得也像這個可愛的動物”這句話表達了作者怎樣的思想感情？ ___________________________________________________________

5、第一段劃線的句子“可愛的動物”和第二段劃線的句子“一根不斷的線”分別指代什么？ ___________________________________________________________

答案（找作業答案--->>上魔方格）

1、第一自然段：我從外祖母的談吐和臉部表情中感受到她的和藹可親和溫柔慈祥。第二自然段：外祖母成為我的終身朋友。

2、采用了比喻的修辭手法，生動形象地描寫了外祖母說話的柔和動聽和對我體貼入微的關照。

3、不能。因為“睜”是描寫外祖母微笑時的神態，如果改為“瞪”，就與“微笑”的神態相矛盾了。

4、表達了我對外祖母的喜愛之情。

5、“可愛的動物”指代的是“一只大貓”，“一根不斷的線”指代的是“外祖母對世界無私的愛”。（意思對即可）

閱讀下面的語段，完成1—5小題。

每當看到現在孩子背著那印滿各式各樣卡通畫的精致書包上學時，我就會想起屬于我的第一個書包。

那是一個花格子書包，媽媽做的。

7歲那年，我終于擁有了上學的資格，可是我沒有書包。

那時，我們鄉下孩子最常背的就是用花布拼成的花格子書包。每當同學們談論誰的書包上哪塊花布多么好看時，我都會躲得遠遠的。心里卻一遍遍地喊著：我也要一個花格子書包！

終于我向母親開了口。

“家里沒有碎花布。”媽媽平靜地說。

“我要！”我固執地堅持著，卻不敢看媽媽的臉。家里的窘境我是知道的。面對我的倔強，媽媽沒有再說話。

從那以后，我發現從來不喜歡串門的媽媽開始串門了。對于言語少的她來說，和人談天說地是多么吃力的事情！好幾次，在一邊玩耍的我發現媽媽的臉被別人的話鋒逼得通紅通紅。不知串了多少家的門，不知有多少艱難的開口，媽媽終于攢夠了做書包的花布。

開學的前夜，媽媽把書包做好了。美麗的圖案，細密的針腳--這真是一只可愛的書包！我還驚喜地發現，書包里面居然還有一個夾層。這可是我們村獨一無二的新設計啊！

我興奮地把書包看了又看。然后抬頭看看媽媽的臉，她的眼神十分安適。

“好好學習。”她依然平靜地說。

躺在床上，我的淚水忍不住淌了一臉。愧疚和不安開始一點一點地吞咽我的喜悅和滿足。我知道這書包意味著什么：這塊塊鮮艷的花方格是她一縷縷被撕裂的衿持和尊嚴，這一道道勻凈的線路是她那顆綿延萬里卻從不言愛的心啊！

第二天上學，我鄭重地背上了這只書包。書包里裝的東西很少，我卻覺得它沉甸甸的。后來，它一直陪伴我讀完了小學和中學，直到它不能再用，我也依然保存著它。因為我知道：這只書包必定是世界上最珍貴最美的書包。

1、文中明確揭示中心的句子是

[

]

A、那是個花格子書包，媽媽做的

B、這塊塊鮮艷的花方格是她一縷縷被撕裂的矜持和尊嚴

C、這道道勻凈的線路是她那顆綿延萬里卻從不言愛的心啊

D、這個書包必定是世界上最珍貴、最美的書包

2、本文記敘了一件什么事？請用一句話概括。

3、上文中與“這塊塊鮮艷的花方格是她一縷縷被撕裂的矜持和尊嚴”相照應的句子是：

4、文中加橫線的句子改為“那是媽媽做的花格子書包”，好不好，為什么？

5、作者為什么認為這個書包必定是世界上最珍貴、最美的書包。談談你的理解？

題型：閱讀理解與欣賞難度：中檔來源：福建省期中題 答案（找作業答案--->>上魔方格）

1、C

2、“略”

3、媽媽的臉被別人的話鋒逼得通紅通紅。

4、不好，改后不能突出（強調）書包是“媽媽做的”。

5、“略”

《感受優雅》閱讀題答案。

（1）第一次感受優雅，是很久以前的事兒了。那天，我騎車路過使館區，要橫穿一個沒

有紅綠燈的街口的時候，看見一輛小轎車疾駛而來，我捏住閘，單腿支地，等它過去。

（2）出乎我意料的是，那車也減速停了下來，車里一個胖胖的老外，微笑著沖我揮手示

意讓我先過。

（3）現在回想起來，我當時有些失禮，可能是正處在第一次與外國人交流的局促中，我

竟沒有任何表示。

(4)哪怕笑一下也好，我后來想。

(5)但那一次，我真真切切地感到了什么是優雅。

(6)后來，學會開車以后，也曾幾次在人行道前把車剎住，然后微笑著揮手。然而，我看

到的是面無表情的人流，聽到的是身后哇聲一片。被我擋住的司機們，不許我優雅，鳴

笛的時候肯定在說：這人真面。

(7)優雅，有時候真的很難，在別人眼里，那是另外的事情。

(8)還有一次，參加一個公司的宴會。組織者可能是怕說完了就吃太沒品位，事先準備了

幾個小節目，想給食客們添些絲竹之樂。領導致辭后，公司的一位小姐走上臺，演奏《梁

祝》。我當時就想：完了。(9)果然，小姐優雅的琴聲很快便淹沒在觥籌交錯之中，雖然其間服務員幾次調大麥克風 的音量，但仍一次次地被鼎沸的人聲蓋住。小姐后來草草地結了尾，紅著小臉下臺。

(10)這時，席間才傳出稀落的掌聲。是組織者太天真了，聽眾們暫時還沒有達到雙重享受 的階段。他所期待的臺上臺下交相輝映的場面只會出現在德國或奧地利的電影中，我想。

(11)前幾天，在某公司的演示會上，我再次看到了這種人文的反差。

(12)那次演示會中間有個休息，百十來位聽眾三五成群地擠在大廳里喧嘩，摩肩接踵，像一個集市。

(13)這時，一個西服筆挺一頭金發的外國人（對不起，又是一個外國人）出現在會議室門口，他看了一眼熙攘的人群，略一遲疑，但還是走了出來。

(14)他小心翼翼地左右躲閃著，臉上掛著淡淡的微笑，在人縫中慢慢地前行。他沖每一個與他目光接觸的人點頭致意，如果誰在前面擋住了他的去路，他就停下來，等著，而絕不像我們所習慣的那樣分開眾人。(15)最后，在走了許多的曲線，幾乎繞了一個大彎之后，他向我站的大門口走來。我側側身，讓開通道。他看見我后，點了點頭，經過我身邊的時候，還輕聲說了一句“Thank you!”。

（16）這個洋人，在騰挪間，把他的教養解釋得一清二楚。（17）我真的服了。

（18）這種與世無爭的優雅，已經比較接近本意，而不是我們所刻意的那種，比如裝束，比如動作，比如在宴會上拉拉小提琴。

1.文章最后一段說這種優雅“已經比較接近本意”，讀了此文后，你體會到“優雅”的本意是什么了嗎？

2.如何理解第7段中“另外的事情”？作者為什么說“優雅有時真的很難“？

3.品味文章第9段中粗體字，談談使用這個詞的用意和好處。

答案：

1.這優雅是一種自然而然所散發出的品質，美好且與世無爭。

2.“另外的事情”是指不懂優雅的人對優雅本身毫不在意，甚至嗤之以鼻。體現了當今世俗之下，更多的是冷漠與粗俗。

這是作者渴望優雅卻得不到回應的煩悶，他所優雅卻成了他人的不理解。3.淹沒一詞使優雅與不優雅形成了強烈的反差，簡單兩個字卻深刻徹底的揭露了現實風氣的嘈雜

高明的大自然

①大自然創造的每一個奇跡，提供的每一個榜樣，都讓人感到神奇高明。

②在眾多海洋微生物中，單細胞的原綠球藻顯得很普通，但是，它們卻是地球上數量最多的光合作用有機體。不要小看這些浮游生物的能量，海洋中如果缺少了它們，整個地球生命就無法繁衍。因為它們為海洋動物提供食物，構成了食物鏈的基礎。原綠球藻類浮游生物擁有高效的光能作用機制，它們就像漂浮在大海上的太陽能電池板，輕而易舉地將收集到的陽光轉化為養分。

③別以為這沒什么了不起。由于原綠球藻數量眾多，1升海水中的原綠球藻多達1億個。當這些浮游生物在陽光下吸收二氧化碳，用其中的碳構造自身細胞并放出氧氣時，差不多吸收了海洋中三分之二的碳。這意味著它們在抑制全球變暖過程中的作用是舉足輕重的。

④目前我們還不知道這些浮游生物是如何利用太陽能的。一旦我們揭示了其中的奧秘，就可以把這些小生命作為榜樣，找到更簡單更有效利用太陽能的良策，甚至還能找到抑制全球變暖的錦囊妙計。

⑤提起海藻、鮑魚、蚌等軟體動物的外殼時，人們總是贊嘆有加。因為軟體動物都是就地取材，利用最常見的碳酸鈣原料，遵循高效無污染原則，營造了各種堅固耐用、千姿百態的貝殼式建筑。在高倍數顯微鏡透視下，鮑魚的外殼由一層一層的層狀組織粘合而成，層狀組織由厚約0.005mm的“碳酸鈣磚塊”堆砌起來，使用的“水泥漿”則是軟體動物自身分泌出的有機糖蛋白膠。在有機糖蛋白膠粘合下，軟體動物的外殼不僅堅如磐石，而且還具有自我修復功能。

⑥在昆蟲世界里，蝴蝶顯得分外妖嬈。它們翩翩起舞，能夠飛越萬水千山。科學家研究發現，蝴蝶翅膀上下扇動時，形成了一個漏斗形狀的噴氣通道。噴氣通道的長度、進氣口和出氣口的大小形狀都按一定的規律變化。蝴蝶飛行時，空氣會沿著噴氣通道從前向后噴出。原來嬌小可人的蝴蝶竟是利用噴氣原理來飛行的。

⑦光纖的發明，導致了通信傳媒領域的革命，特別是在互聯網上。讓人驚嘆的是，在深邃的海洋底部生活的低等動物——海綿身上，早已武裝了這項被人類視為高新科學技術的產品。在海綿身體的四周，生長著許多半透明薄膜構成的骨針，這些骨針具有良好的導光性能，與現代光纖材料有異曲同工之妙。海綿利用骨針多提供一些亮點，以吸引更多的綠海藻來自己身邊安營扎寨，從而爭取到更多的藻類食物。在骨針的牽線搭橋下，深海海綿與綠海藻唇齒相依的共生關系就形成了。

⑧由此可見，大自然在漫長的進化過程中，形成了一個又一個奇跡，這是值得人類敬畏的。

（選自《科學之友》，文章有改動）

13.大自然“讓人感到神奇高明”，體現在哪四個方面？根據全文，分別概括回答。（4分）

14.第⑤段介紹了軟體動物的外殼，它有哪些特點？（3分）

15.分別指出下列句中加點詞的指代內容。（4分）

（1）別以為這沒什么了不起。．

（2）一旦我們揭示了其中的奧秘，就可以把這些小生命作為榜樣?? ．

16.下列句中加點詞各有什么表達作用？結合文意，簡要回答。（4分）

（1）原來嬌小可人的蝴蝶竟是利用噴氣原理來飛行的。

（2）在骨針的牽線搭橋下，深海海綿與綠海藻唇齒相依的共生關系就形

13.⑴原綠球藻具有高效的光能作用機制；⑵軟體動物就地取材高效無污染營造外殼；⑶蝴蝶利用噴氣原理飛行；⑷海綿利用骨針獲取食物（4分，每一點1分，意思符合即可）

14.堅固耐用（堅如磐石）、千姿百態、具有自我修復功能。（3分，每點1分）

15.（1）這：指代原綠球藻類浮游生物擁有高效的光能作用機制。（2）其：指代這些浮游生物是如何利用太陽能的。（4分，每小題2分）16.（1）竟：表示出乎意料，說明蝴蝶利用噴氣原理飛行讓人感到驚訝。（2）牽線搭橋：生動形象地說明了骨針在綠海藻與深海海綿共生關系形成中所起的作用。（4分，每小題2分，結合文意，意思符合即可）

第五篇：航空航天金屬間化合物研究現狀

航空航天金屬間化合物的研究現狀

摘要：本文主要介紹金屬間化合物的分類，現在的研究現狀，以及金屬間化合物的制備和工藝。金屬間化合物簡稱IMC(Intem~etallicsCompounds)，主要是指金屬元素間、金屬元素與類金屬元素間形成的化合物，其特點是各元素間既有化學計量的組分，而其成分又可在一定范圍內變化從而形成以化合物為基體的固溶體。為了能在21吐紀保持在航空和航天領域的優勢，大力推動了這方面的研究工作，并發展出一種能耐更高溫度、比強度更高的新型金屬間化合物高溫結構材料，給新一代航空和航天器的發展開辟一個新時代。關鍵字：航空航天、金屬間化合物、引言

由于金屬間化合物材料在航天航空等國防尖端技術領域和機械、冶金、化工等一般工業領域均有著廣闊的應用前景，因此，世界上工業發達的國家都投人大量的人力和資金進行金屬間化合物材料的研究。美國國防部關鍵技術計劃和國家關鍵技術計劃中均將金屬間化合物材料列為關鍵材料之一。德國和日本等國也有相應的計劃。美國是第一個對金屬間化合物燃氣輪機渦輪葉片進行試驗的國家，在該技術領域居領先地位，而德國、法國和日本主要工作集中在金屬間化合物的研究上，而不是應用上。我國在國家自然科學基金、國家“863”高新技術及國家科技攻關項目中都將金屬間化合物結構材料列為重要的研究課題。

金屬間化合物是指以金屬元素或類金屬元素為主構成的二元或多元合金系中出現的中間相化合物。按照用途可將其分為兩類：一類是結構材料，主要是利用其強度、剛度、硬度、耐熱性和抗高溫蠕變等性能；另一類是功能材料，主要是利用其特殊的光學、電學、聲學和熱學等特征。用做結構材料的金屬間化合物有多種亞型，其中主要包括鎳、鐵和鈦的鋁化物，例如Ni3AI、NiAI、Ti3A1、Ti～及Fe3A1和Fe A1等，它們主要用做高溫結構材料。由于這類高溫材料是具有有序結構相的金屬間化合物，故又稱高溫有序合金或高溫金屬間化合物。與鎳基高溫合金相比，這類材料的高溫性能更好，可在更高的溫度下工作，而且密度小，抗腐蝕能力強，抗蠕變、抗疲勞性能好，因而它們作為新一代飛機發動機、火箭推進系統和空間動力系統的高溫結構材料有著極大的競爭力。此外，它們還可用以制作鍛模、工具、化工和石化生產設備、加熱元件、軸承、汽缸以及環境控制設備，等等。在上述具有廣泛應用前景的眾多高溫金屬間化合物中，Ti A1基金屬間化合物近年來更引起了研究者極大的興趣，它被視為最具競爭力的先進材料之一。1．1金屬間化合物的研究現狀與趨勢 11．1金屬間化合物的特點及應用

金屬間化合物簡稱IMC(Intem~etallicsCompounds)，主要是指金屬元素間、金屬元素與類金屬元素間形成的化合物，其特點是各元素間既有化學計量的組分，而其成分又可在一定范圍內變化從而形成以化合物為基體的固溶體。當兩種金11．1金屬間化合物的特點及應用金屬間化合物簡稱IMC(Intem~etallicsCompounds)，主要是指金屬元素間、金屬元素與類金屬元素間形成的化合物，其特點是各元素間既有化學計量的組分，而其成分又可在一定范圍內變化從而形成以化合物為基體的固溶體。當兩種金屬以整數比(或在接近整數比的一定范圍內)形成化合物時，由于其結構與構成它的兩金屬的結構不同，從而形成有序的超點陣結構。金屬間化合物不僅有金屬鍵，還具有共價鍵，共價鍵的出現，使得原子間的結合力增強，化學鍵趨于穩定，具有高熔點、高硬度的特性；此外由于結構中原子間的結合力強，擴散減慢，導致蠕變激活能提高，所以金屬間化合物具有高的抗蠕變性能；金屬間化合物高的疲勞壽命是由于其長程有序結構抑制了交滑移過程，減少了滑移系統，從而降低了循環加載過程中裂紋萌生的可能性。另外，有序金屬間化合物在氧化氣氛中能生成致密的氧化膜，因而具有良好的抗氧化性。

此外以金屬間化合物為基體的合金或材料是一種全新的材料，普通的金屬材料都是以相圖中端際固溶體為基體。而金屬間化合物材料則以相圖中間部分的有序金屬間化合物為基體。與傳統的金屬材料相比，其性能介于金屬和陶瓷之間，所以也被譽為半陶瓷材料、正是金屬間化合物材料具有這些突出特性，所以這是一類極具潛力的高溫結構材料。

事實上，早在20世紀50年代就已發現金屬間化合物作為高溫結構材料具有特殊優點，許多金屬間化合物的強度隨溫度升高不是連續下降，而是先升高后下降。這是一種反常的強度一溫度關系。這一發現推動了金屬間化合物的研究熱潮，并陸續在金屬間化合物形變特性和屈服強度反常溫度關系方面提出了新的理論模型和機制，但是由于金屬間化合物材料有嚴重的脆性，材料的實用研究一直沒有突破。1979年，日本的Izumi發現加硼可以大大提高Ni3A1金屬間化合物的塑性，這一工作為解決金屬間化合物的脆性問題提供了可能性。由此以美國為代表的先進工業國家，為了能在21吐紀保持在航空和航天領域的優勢，大力推動了這方面的研究工作，并希望能發展出一種能耐更高溫度、比強度更高的新型金屬間化合物高溫結構材料，給新一代航空和航天器的發展開辟一個新時代。

1980年后，美，日、歐洲諸國都組織實施了全國性的研究計劃，提出了金屬間化合物結構材料的長遠發展目標：發展比Ni基高溫合金具有更高的高溫比強度的結構材料，特別注重發展一種介于鎳基高溫合金和高溫陶瓷材料之間的高溫結構材料，從而充填鎳基高溫合金和先進高溫陶瓷材料之間的空隙，這不僅是指其使用溫度處于它們二者之間，而且其力學性能也介于它們二者之間，即比鎳基高溫合金具有更高的高溫比強度，比先進高溫陶瓷材料具有更高的塑性和韌性，并且在生產工藝和裝備上更接近已有金屬材料的生產裝備。發展金屬間化合物結構材料的近中期要求，是能取代一部分正在使用的比強度較差的結構材料，降低各種運載工具用引擎和運載工具本身的重量，提高比推力和效率。

總之，作為新型材料的金屬間化合物，其用途十分廣泛。因其鍵合類型呈多樣化，從而使其具有特殊的晶體結構、電子結構和能帶結構。正是由于這些結構特點，使其具有了很多新的性能和用途。其中耐高溫、抗腐蝕、抗氧化、耐磨損等特點使其可以成為航空、航天、交通運輸、化工、機械等許多工業部門的重要結構材料；同樣由于其具有聲、光、電、磁等特殊物理性能，而成為極具潛力的功能材料，如半導體材料、超導材料、軟磁材料等[真)。金屬間化合物種類非常多，在結構材料領域人們研究較多的是Ti-A1系、Ni-Al系和Fe-Al系金屬間化合物。Ti-A1系金屬間化合物是潛在的航空航天材料，在國外已開始應用于軍事領域。Ni-A1系金屬間化合物是研究較早的一類材料，研究比較深入，取得了許多成果，也有一些實際應用。Fe-A1系金屬間化合物與以上兩類相比，除具有高強度、耐腐蝕等優點外，還具有低成本和低密度等優點，因此具有廣泛的應用前景。我國研究人員對它的研究比較深入，已經形成了一套較完整的理論體系，其中部分成果已得到了實際應用。但是，金屬間化合物的共同缺點——室溫塑性低和高溫強度差(指超過800℃或1000℃)一直沒有得到很好的解決，也制約了它們在生產實踐中的應用。

硅化物以MoSi2為代表，MoSi2是能用于高溫環境下的關鍵材料，其熔點為2030℃，高溫下具有優良的抗氧化性能，其抗氧化性能與機理類似于高溫結構陶瓷SiC、S1，N4等。MoSi2在室溫下表現為脆性材料，在1000℃左右發生脆性一韌性轉變，在此溫度之上表現出類似于金屬材料的韌性。

1.1.2Fe-Al金屬間化合物的研究現狀

Fe-Al金屬間化合物中最受關注的主要是Fe3Al與FeAl合金。Fe3Al合金一般是指鋁的質量分數25％-35％的Fe-A1合金，其相組成包括：無序固溶體(A2或。)相，不完全艷結構的有序相，DO3結構的Fe3Al有序相。Fe-A1金屬間化合物合金的研究始于20世紀30年代，經歷了幾次研究熱潮，在70年代末取得突破，到80年代，Fe-A1合金作為一類結構材料面向應用得到廣泛研究，到90年代研究人員進一步發現水汽是導致Fe-A1合金室溫脆性的根本原因。然后人們對Fe-A1合金的反常屈服行為、室溫脆性、合金成分的理論設計，微合金化對Fe3Al性能的影響，Fe3Al合金的制備工藝等方面都進行了較全面的研究。比如由美國橡樹嶺國家實驗室研究人員開發出的Fe3Al合金不僅有良好的耐熱、耐磨和耐腐蝕性能，其室溫伸長率可達12．8％。采用快速凝固工藝制粉、熱擠壓固結的Fe3Al合金，其室溫伸長率高達15％—20％，抗拉強度高達960MPa。因此材料學家認為，該材料預計將在航空、化工、核反應堆元件、熔爐高溫裝置、電磁元件等眾多領域獲得廣泛應用。在我國，從20世紀80年代末到90年代中期，國家科委和有關部門先后把Fe-Al金屬間化合物。的研究列入“863'’計劃和一系列研究基金計劃，使Fe-A1金屬間化合物的基礎性研究有了長足進展。但必須指出，Fe-A1金屬間化合物的應用研究遠落后于基礎理論研究，使這種性能優異的材料沒能得到預期的開發利用，使推廣應用受阻。從20世紀90年代中后期，很多研究人員開始關注實用化研究，探索實用化途徑，并取得一些重要成果

1.12.1 Fe-AI金屬間化合物的微合金化及理論設計

Fe-A1金屬間化合物室溫脆性大，塑性差，很多研究認為脆性是本質存在的，其理論依據是解理強度低，此外有害的晶界偏聚或晶界上的無序化也容易造成弱晶界晶間斷裂。1989年，研究進一步發現，水汽與合金中的A1發生如下反應：

Al+3H20—}A1203+6H 時，水汽與裂紋尖端發生作用，使原子態的H滲入金屬內而導致裂紋，從而造成Fe-A1金屬間化合物的室溫脆性。這一研究成果實際上否定了Fe-A1金屬間化合物的本質脆性觀點，使很多研究工作轉向減少環境H脆上來，使該材料的研究再次出現熱潮。實際上，環境H脆已經得到很多實驗證明，例如張忠鏵、孫楊善等對Fe3AI進行了表面鍍膜試驗，發現經鍍膜保護后，不僅強度有大幅提高，而且室溫變形率可高達18％，而鍍前只有6％。微觀結構研究表明，鍍前合金斷口形貌為純解理斷裂，鍍膜后的斷口形貌則出現表征延性斷裂的韌窩。

根據上述分析，無論材料是本質脆性還是非本質脆性，改善其室溫脆性，提高強度，都將是重要的研究方向。由國內外研究報道可知，Fe-A1金屬間化合物的微合金化將是其強韌化和改善室溫脆性的有效手段之一，通常認為，微合金化的強韌化機制主要是通過有序固溶強化和沉淀強化實現的。研究表明，Cr是提高室溫塑性最有效的元素之一，加Cr后，能明顯增強解理強度，使解理斷裂伴隨一定程度的沿晶斷裂，重要的是，使形成超位錯的空間增大，超位錯的滑移將變得容易，此外Cr的合理占位，可減少晶界處的應力集中，防止晶間開裂t30J。Ti的加入能改善Fe3A1合金的高溫強度，但增加室溫脆性。研究認為這是因為T1將部分取代Fe的位置，使Fe-A1金屬間化合物的α+D03相向左向上移動的結果。Si具有與Ti相似的作用，可使Fe3Al合金在600℃以上高溫屈服強度大幅度提高，室溫脆性嚴重。Mo的加入可改善高溫強度，對熱形變后的室溫塑性同樣不利，但可減少高溫時晶界處的應力集中，防止晶間斷裂。適量Mg可以大幅度提高Fe3A1在530-850~C的高溫塑性[321。微量B對Fe3A1的塑性與解理斷裂行為影響不大。Cu、Ni的加入或多元合金，例如：2％Nb+2％Ti(除特別說明外，本書的元素含量均為質量分數)的加入，會使Fe3A1出現沉淀相[，引，從而導致沉淀強化。此外Mn、Zr、C等元素對合金性能的影響也有研究報道。以上是關于微量元素的加入，對Fe3A1合金性能影響的報道。

1.1．2.2 Fe-AI金屬間化合物的制備工藝及性能研究

Fe-A1合金通常采用熔鑄工藝制備，包括空氣中感應熔煉、真空中熔煉、真空電弧重熔以及電渣重熔等方法。由于前述H脆問題，為避免水汽反應，應最好采用真空熔煉loi。熔煉工藝包括：用Ar-q將Fe液脫C、S，然后加入Cr、Ni等合金，此后將經處理后的Pe液加人已預熱到500~C的鋁中，最后通人氬氣使合金均勻化。該法成本低，Ai與爐襯反應也小。第二種工藝是同時將各合金元素加入爐中，顯然此時Al首先熔化，然后Fe與其它元素溶解。熔鑄組織會出現成分偏析，通常解決辦法是進行均勻化處理。

熔煉工藝優點是成本低、效率高，但鑄態組織晶粒粗大，成分偏析，室溫塑性低，脆性大。改善質量與性能的方法主要包括：通過合金化細化晶粒，改善組織。或采用熱機械處理工藝，通過熱形變細化晶粒，減緩H脆。

熔煉工藝制備的Fe-AI合金性能較低，室溫伸長率只有1％左右，屈服強度小于300GPa，難以用于重要結構件。

改進制備工藝對提高Fe-A1合金性能有重要意義，采用粉末冶金工藝可有效的控制微觀組織細化晶粒，從而有效提高材料的力學性能。例如采用該工藝制取的B2相Fe-A1合金，室溫伸長率達到12％，屈服強度達到350MPa。快速凝固工藝(RSP)可更有效的細化晶粒，增加化學均勻性，并可產生非平衡組織，利用該工藝制粉，熱壓燒結的re3~d金屬間化合物其室溫伸長率可高達20％，抗拉強度可達960MPa，晶粒度為亞微米，是目前最高性能之一。此外，Fe-A1合金的燃燒合成(CombusionSynthsis)或自蔓延高溫合成(SUS)也是一種可行的制備方法，其中在壓力下燃燒合成，晶粒度在2-4um，含有Fe2Nb相的Fe3Al金屬間化合物還具有超塑性。機械合金化(MA)是制備Fe-A1合金的一種新工藝，它是在高能球磨機中進行球磨，形成細微組織的合金，在固相狀態下達到合金化的目的，利用該技術合成了B2結構的Fe-AI合金，其最高抗拉強度達到865MPa，伸長率達到10％。

1．1．2．3Fe-A!合金的實用化技術 Fe-A1合金的實用化技術除合金化外，還包括Fe-A1合金的熱形變技術、鑄造成型技術，以及與其它材料組成新的復合材料等。研究表明影響Fe-A1金屬間化合物實用化因素主要包括：

1)材料的加工成形。2)材料的脆性。3)材料的合適用途。

4)材料高溫時的綜合性能。

材料的脆性大，高溫(>800~C)綜合性能低，使材料不適于強載荷、大沖擊的場合；材料的塑性差，加工成形難，使材料難以獲得復雜結構形狀。上述影響因素限制了材料的使用，使材料的使用范圍受到影響，從而限制了材料的實用化引。但是這些不足同時也為Fe-A1金屬間化合物實用化指出了研究方向。總結有關研究成果，其實用化主攻方向主要應包括以下幾個方面：

1)Fe-A1金屬間化合物的微合金化。通過微合金化來提高材料的塑性和韌性以及高溫綜合性能1_403。

2)Fe-AI金屬間化合物的鑄造成型：通過鑄造獲取其它加工方法不能獲取的所需形狀。3)Fe-A1金屬間化合物的熱形變處理。通過形變，既獲得所需要的形狀，同時又細化晶粒，彌合缺陷，提高材料的塑性，改善材料的強韌性。

4)開辟Fe-AI金屬間化合物的新用途，揚長避短，利用Fe-A1金屬間化合物的半陶瓷性能，設計新型復合材料(包括復合材料的理論設計、材料的制備、材料的失效分析)5)材料的切削加工?解決材料加工硬化問題，通過材料的冷加工，獲得材料的精確形狀。上述研究內容將是Fe-A1金屬間化合物能否實用化的技術關鍵，因此，了解和深入研究上述技術，對Fe-A1金屬間化合物的推廣應用具有重要的現實意義和顯著的經濟效益。Fe-A1合金熱形變Fe3A1金屬間化合物的形變性能取決于自身的滑移系，也與有序合金的反相疇結構、超點陣位錯特征有關。從20世紀砠年代開始，對Fe3Al的形變特性就做了大量的研究，Marcinkowski等人的早期研究表明，在室溫下，Fe3A1幾乎沒有任何塑性，斷口主要呈穿晶解理。后來發現，Fe3A]并非本質脆性，微觀分析與形變機理的研究表明，Fe3A1的主滑移系為[110] <111>，足以提供多晶滑移所需的五個以上獨立的滑移系。進一步研究發現，陽Ai合金的形變性能與有序化臨界溫度Tc有關，在Tc附近，不論普通位錯還是超點陣位錯均難以運動，因此形成屈服強度的峰值。此外，從位錯運動和理論研究發現，在{110}和{112}面上，Fe3A1的APB能較小，且最穩定，所以滑移可以發生在兩晶面族的任何一個面上。在室溫下滑移，發現{110}面優先滑移，但在TEM中還觀察到了{112}面的滑移，這表明滑移行為不僅與APB能量及其穩定性有關，還可能與位錯心結構有關，也就是說，晶面的APB能量最小只是產生滑移的重要條件。因為Fe3A1中的次近鄰反向疇NNNAPB能量很低，故超點陣間的APB很寬，這樣寬的一個超點陣位錯因為在交滑移時極易受釘扎，故很難作為一個整體作獨立運動。但是，這只需較小1的應力就能克服APB能量而使超點陣位錯分解成為普通的號1/4α′o{111}位錯運動，在滑移面上留下NNNAPB。

除晶體結構決定Fe3A~合金的形變特性外，與其它材料一樣，變形條件、晶粒形貌等對形變性能也有很大影響。例如，細晶的塑性較粗晶好，但變形抗力大。單相狀態下的形變性能較多相狀態好，變形抗力低。在多向壓應力狀態下變形比單向受壓塑性好，不易產生微裂紋。此外，變形溫度、變形速度以及晶界與位錯處的有害雜質及偏析對Fe3A1合金的形變影響也是明顯的。例如，參考文獻[19]證明Fe3A1室溫伸長率很低，200℃以上開始升高(同時強度也相應增加，300℃寸達最大)，700℃以后迅速上升，說明溫度對熱形變影響極大。改善Fe3Al合金的形變性能有很多途徑，行之有效的方法有： 1)加入可固溶合金化元素，增加滑移系的數量。

2)通過微合金化和不同工藝，改變晶體結構，以獲取更多的塑性結構。例如，與體心立方結構有關的Fe3AI(D03)和FeAl(B2)結構，就不如與面心立方結構有關的L12結構塑性好。3)通過摻雜控制晶界的組成和強度，這些摻雜既可以通過摻入活性元素使之與有害元素(像S)結合成無害化合物而沉淀，也可以加入像B元素這些有益的元素，以增加鍵的結合能，提高晶界的解理強度，抑制晶間斷裂。

4)細化晶粒。鐵基合金的穿晶或沿晶脆斷被認為與晶粒度有關，因此在整個鑄造、熱加工、熱處理組織控制中，晶粒的大小都是很重要的，對NiAl還發現有——臨界晶粒尺寸(20um)，小于該尺寸，材料才呈現塑性，這個臨界晶粒度隨溫度下降及應變速度增而下降。快速凝固細化晶粒也可以提高材料的延性。5)改進熱形變工藝技術。6)精密控制有害物質和雜質。

7)在NiAl合金中形成一種薄膜，減少滑移力，這相當于在晶體與薄膜之間產生位錯滑移源，對增加延性也是有效的。

8)利用定向凝固等方法，把脆性相置人延性好的組織，形成原位生成復合結構，從而獲得好的綜合強韌性。

9)控制周圍環境，減少H脆，改善塑性。

利用上述方法，材料研究工作者已取的一些重要成果，例如：A．Bahadur等研究表明，在Fe3AI合金中加入B、Ti后，在整數比和亞整數比Fe3A1合金中的柱狀晶變成等軸晶，熱軋或熱鍛后其微觀組織更好，其熱形變率(973K)可以從65％增加到85％，抗拉強度增加到800—900MPa，伸長率增加到3％—5％，不過，過整數比Fe3A1會出現枝狀晶結構。極易導致開裂，即使加入B、T1后也不能熱形變。C．T．Liu等人的研究表明，有序金屬間化合物的延性不僅可以通過合金化、快速凝固工藝來改善，還可以通過熱形變處理(例如物理冶金原理等)來改善。作者的研究也表明，合金化對Fe3A1合金熱形變性能和室溫性能影響顯著，其中Mo含量增加，合金高溫強度和持久壽命提高，但高溫塑性及室溫拉伸強度及室溫塑性均下降。Cr的加入，對高溫性能不利，Cr和Ce及Ce與Mo、Nb、Zr等元素的匹配使用，有利于綜合性能的提高。

以上研究分別對Fe-A1合金熱形變性能的影響因素及改進措施進行了探討，但系統的研究Fe-A1合金熱鍛工藝過程及其影響因素的文獻報道尚少。Fe-A1合金的鑄造技術，對Fe-A1合金的鑄造性能進行過系統研究，從流動性看，Fe3Al合金是一種流動性較差的合金，例如Fe-28AI在1580℃砂型澆鑄時測得螺旋線長度為171mm，熱力學分析表明，除結晶溫度范圍較窄因素外，合金液中形成的高熔點顆粒相也是影響其流動性的重要原因。但是合適的合金化也會提高流動性，例如Fe-28A1-5.5Ct-0.5Mo-0.5Nb-0.1Zr可使流動性提高到215mm。合金化不僅可以提高流動性從而改善材料的充型能力，而且還可以有效提高合金的壓縮強度，例如摩爾分數為0．05％的Ce的加入可使其抗壓強度從2070MPa增加到2415MPa。上述鑄造技術的開發應用，使鑄態Fe-A1合金的開發應用看到了希望，尤其是如能利用特種鑄造技術實現材料的精密成型，不僅可以大大提高材料的流動性(壓力鑄造)，還可以有效的提高材料的尺寸精度和復雜程度(熔模鑄造)，作者開發研究的鑄態爐蓖條、建筑機械用耐磨眼鏡板、精密鑄造不銹鋼管件等產品證明t49J，這種低廉而實用的材料將首先從鑄態產品開發領域走向大規模實用化生產。1.1.3.Ti-Al金屬問化合物的研究現狀

1.1.3.1 Ti-Al金屬間化合物的組織結構研究

Ti-Al系金屬間化合物主要有兩種：TiAl化合物(用γ表示)和Ti3A1化合物(用α2表示)。Chubb和Mehl等運用第一原理計算了具有化學配比的TiAl化合物和Ti3Al化合物在OK時的能量穩定性，從而證實了TiAl化合物為L10型晶體結構，Ti3AI化合物為D019型加晶體結構。由于單相(γ)化合物的塑性和斷裂韌性比兩相(γ+α2)化合物低得多，因此人們目前的研究主要集中于兩相化合物：即以TiAI(γ)為基體，并含有少量Ti3A1(α2)的孿晶形態層片狀組織的合金。

就TiAI化臺物的顯微組織而言，根據不同的熱處理方式，可以得到四種類型的典型組成： 1)非均勻的粗大γ晶粒并伴有少量的α2粒子的組織(NC)。2)細小晶粒的等量γ和α2復合組織(Duplex)。3)γ+α2層片狀組織晶粒(NL)4)全部是層片狀組織晶粒(FL)。

TiAl金屬間化合物的力學性能強烈地依賴于其顯微結構。通常復合組織(Duplex)具有最高的拉伸塑性(伸長率為2%—4％)及中等的強度水平(YS=420—460MPa，UTS=550—660MPa)，但斷裂韌性很低(Kic二10—16MPa·m?)；FL組織呈現出低的塑性(≈1％)，但具有較高的斷裂韌性((Kic= 20—32MPa·m?)：NL組織強度最高(YS≈510MPa，UTS=700MPa)，而塑性中等(≈3%)；細化并彌散在Duplex組織中的α2可以提高強度但使塑性降低，同樣，細化FL組織中的晶粒可以同時提高強度和塑性，但斷裂韌性值下降、因此，絕大多數的研究都集中在Duplex、NL、FL三類組織的TiAl金屬間化合物上。Ti3A1(α2相)金屬間化合物為長程有序的六方結構(空間群為P63／mmc)，其有序特征可提高合金的高溫強度、剛度和變形抗力。但由于該相結構中只有{0001}{51120}；兩個獨立的滑移系，具有較低的室溫塑性。通過添加盧穩定元素(主要是Nb)方法，保留塑性較好的體心立方盧相，并激發α2相中(c+a)型位錯以增加非基面滑移，室溫塑性已得到了很大改善。對Ti3A1基的合金疲勞變形顯微組織的透射電鏡研究表明：①初生α2相晶粒中基面上的<1l20>a型位錯互相塞積可形成亞晶界，把晶粒分割成具有一定取向差異的亞晶粒結構：位錯反應可以形成大量規則的六角位錯網；②初生α2晶粒除了晶內位錯滑移和晶界運動產生和協調合金變形外，晶內亞晶的形成和發展也是產生和協調變形的重要機制。1．1．3．2Ti-Al金屬間化合物的制備

熔煉鑄造是Ti-A1系金屬間化合物的主要制備方法，此外目前文獻中報道較多的Ti-A1系金屬間化合物的制備工藝及過程還包括：

(1)粉末冶金法粉末冶金法是制備TiAl基合金比較常用的一種方法。近年來，隨著TiAl基合金粉末制備技術的發展，人們已經能夠制備出粒度小而且球形度好的TiAl基合金粉末。目前用于TOT基合金(包括Ti3AI在內)的粉末冶金近凈形狀成形技術主要有熱等靜壓技術和準熱等靜壓技術。此外，還有注射成形、粉末鍛造，熱擠壓、粉末軋制、熱爆成形等。熱等靜壓工藝是制造全致密近凈形零件；尤其是形狀復雜、大尺寸零件的一種非常有效的技術，它能在高溫下通過氣體將高壓傳遞給金屬粉末或頂成形坯，并使其在高溫高壓下實現全致密化。最近，美國Orucible公司還開發出了一種采用陶瓷模的熱等靜壓近凈形狀成形工藝(CeramicMold-HIPProcess)；

準熱等靜壓一白蔓延反應合成工藝(PseudoHIP-SHS)是利用SHS過程中釋放的熱量和過渡的液相，使壓坯在合成TiAl金屬間化合物的同時實現致密化。這種工藝的優點是可以利用元素粉末成型，避免了TiAl基合金粉難成型的問題。而且可以根據零件性能的要求，在TiAl元素粉末中加入各種合金元素實現復合；其缺點是成型時壓坯不是處于等靜壓狀態，可能造成壓坯中密度不均勻或壓坯形狀畸變。

(2)機械合金化法該技術是利用高能球磨機把純的T1粉和Al粉放人球磨罐中并加入適量的添加劑進行球磨直至生成金屬間化合物，機械合金化是一種固態反應過程。目前普遍接受的觀點認為。元素粉末在球磨時，晶粒反復的斷裂、冷焊，晶粒細化并形成層狀精細結構，Ti和Al原子通過界面擴散而逐漸實現合金化。

混合物的球磨時間是確保反應徹底完成達到足夠的合金化程度的關鍵工藝參數，但球磨時間并非越長越好。這種方法的優點是使用方便，對樣品的處理量大，制得的樣品顆粒較細，達到微米級甚至亞微米級。但是，機械球磨往往易于混入雜質使樣品的純度降低，引起產品的性能惡化。

1．1．3．3Ti-A!金屬間化合物的研究現狀

Ti-Al金屬間化合物的研究基礎很好，其中TiM合金可以替代700-990~C鎳基高溫合金，使發動機重量減輕約一半，因而受到廣泛重視。日前已發展出的TiAl成分范圍大致是，Ti45／48Al-O／2M-0／5X-0／2Z(摩爾分數)(M=Cr、Mn、V，X=Nb、Ta、W，Z=Si、B、C、N)。M類合金元素有利于塑性和再結晶，Nb、Ta是主要的固溶強化元素，少量的W和Sn也有類似作用，而Si、B，N、C則析出第二相Ti5Si3、TixAIC等起強化作用，B起細化晶粒作用，但可能增大片間距，目前已經進入實際應用的鑄造合金，其典型代表是Ti-47／48A1-2Nb-2Cr(摩爾分數)(GE公司)，Ti-47Al-2W-0．5Si(摩爾分數)(ABB公司)和Ti-45／473_1-2Nb-2Mn+0.8TiB~(摩爾分數)(Howner)等。正在研究發展的變形合金有Ti-46A14Nb-1W(摩爾分數)；AlbyK5(Ti-46．5A1-2Cr-3Nb-0．2W(摩爾分數))等。經鍛造及熱處理后這些合金的室溫屈服強度水平在400—600MPa，伸長率為1％—3％，在500—750℃具有好的高溫強度。K5合金RFL組織的典型性能為：6y=473MPa，6b=577MPa，6％=1．2。近年來K5合金進一步用C、Si、B、O強化，得到K5SC(0．2Si，0．1C)，KDCBS(0．1Si、0．1B、0．2C)，K5S(0，2Si，0．150)等。另外，研究過一種高強度的粉末TiAl合金，成分同GE合金，其晶粒很細，片間距很小(片間距0.1u m以下)，得到1000MPa的強度，但其高溫組織穩定性不足。我國發展的高鈮鈦鋁合金是高溫高性能TiAl合金。高鈮鈦鋁合金的力學性能明顯高于普通TiM合金，其高溫性能的數值與現行變形輪盤用高溫合金相當，但密度只有高溫合金的一半左右。高鈮鈦鋁合金的抗氧化性比其它TiAl合金高一個數量級。高鈮鈦鋁合金的發展是基于一個新的思路和廣泛的基礎研究上的，新思路是想通過加人大量高熔點元素Nb，在保持較簡單的點陣結構下，提高合金的熔點和結合力，降低擴散，而且可以在不引起嚴重脆性的條件下提高使用溫度。由此選擇Ti-Al-Nb三元系進行了廣泛的基礎研究，證明思路可行，再后進行了高鈮鈦鋁工程合金的發展研究。研究證明，8-10Nb合金化的確提高固相線—100℃，提高了高溫組織穩定性，提高了位錯運動阻力和高低溫強度，特別是大大提高了合金抗氧化性，使抗氧化水平接近抗氧化性最好的鎳基高溫合金，將使用溫度提高到比普通TiAl合金高60—100℃的水平。1.1.3.4

Ti-Al基金屬間化合物的應用

經過最近十幾年廣泛而深入的研究，Ti-A1基金屬間化合物的性能不斷提高，其中部分性能已接近甚至達到了實用化的要求，像燃油發動機的α2合金鍛造翼面、γ合金鑄造翼面，γ合金鑄造壓氣機套筒等。其次，機加仁和連接技術也得到了發展。到目前為止，α2合金的制造技術最為成熟。比如，高壓渦輪起動器內支承環，采用Ti3Al比用高溫合金重量可減輕43％。盡管如此，這些材料由試驗性發動機到軍用發動機生產的轉變將比過去常規合金要困難得多。

1．1．4Ni-Al金屬間化合物的研究現狀

Ni-A1金屬間化合物也是目前研究熱點，其中研究最多的是Ni3A1金屬間化合物，尤其是對于其在中間溫度時的反常流變應力做了較深入的探索、許多Ni3A1基合金已應用于鑄造和鍛壓，其中一些用于高溫熔爐：添加硼的NisAI冷軋性能很好。通過冷變形就可制得板材：Ni3AI單晶和多晶試樣在冷軋過程中微觀結構和組織的變化都有人進行過研究；在變形量較小時，組織性能較差，只有冷軋壓縮量很大時，這種組織才表現出很高的強度?冷軋進行到一定程度的多晶試樣的微觀結構很不均勻，位錯無法形核，隨著冷軋量的增加，冷軋組織隨變形量的增加出現了微帶和剪切帶；與無序合金相比，由于Ni3A1中的位錯分解為{111：面上的超晶格部分位錯通常難發生交滑移，但在某些被激活的滑移面上有局部的無序性，這使位錯的活動性提高，大量的交滑移發生，這促進了剪切帶的形成，由于變形的不均勻性，NisAI多晶合金的組織性能不如純金屬或合金．

冷軋制的多晶試樣剪切帶在較低的退火溫度下(T≈500℃)，就會發生再結晶，而基體在較高的溫度(T>750℃)下才能完全再結晶，變形組織不均勻，晶界滑移性差，使得部分區域晶粒細化，但再結晶組織不均勻，性能較差，還需進一步研究。

NiAl比目前的Ni基高溫合金輕，且具有高熔點，優良的抗氧化性以及高的熱導率，但是由于低溫下的斷裂韌性差，高溫下強度差，抗蠕變能力差，在結構材料方面的應用受到限制。NiAl中滑移主要發生在<001> {011}和<001> {100}滑移系，只有三個獨立的滑移系。若不能改善滑移系，NiAl材料的脆性問題可能無法解決，雖然目前這還無法實現。但已經有人試圖通過合金化方法提高其蠕變強度，通過在NiAl單晶體中形成一種有序L21Heusler相，其抗拉強度和應力誘發斷裂性能可以與Ni基超合金相比，然而這種相的存在使得這種單晶合金脆性更大。因此，NiAl用于結構材料還有很長的路要走。有關NiAI的物理和力學性能方面的大量研究和NiAl基合金的發展在許多文獻資料上都有報導。NiAl由于其熔點高(1638℃，比一般Ni基高溫合金高300℃，比Ni3A1高250℃)，密度低(僅及高溫合金的2／3)，熱導率大(是高溫合金的4-8倍)，而且抗氧化腐蝕性能優異，多年來一直用作高溫合金零件的表面防護涂層。GE公司經過多年的系統研究，發展了兩種性能優異的單晶NiAl合金，其中AFN-20合金的持久強度、抗蠕變性能、疲勞強度和高溫抗拉強度已達到第二代鎳基單晶高溫合金ReneN4的水平，而比持久強度達到第三代鎳基單晶高溫合金Rene6的水平。其高溫強度主要來自熱處理產生的細小而均勻的Heasler(L2，β)相沉淀強化

1.1.5金屬問化合物的發展趨勢與存在的問題

大約從20世紀80年代，金屬間化合物的研究處于高潮，從1999年開始，金屬間化合物結構材料研究論文總數開始有下降趨勢，但EI收錄數不降，這種情況反映金屬間化合物結構材料研究工作開始走向成熟，面上的研究開始下降，工作集中于成熟合金和合金的應用。雖然普遍認為金屬間化合物結構合金的研究已有基本的結論，但仍有不同看法，不過有人認為下述結淪仍是主導研究工作的主流趨勢。

1)有些研究已開始進入實用化，例如：TiAl，Fe3A1，Ni3A1，Ni3(SiTi)。

2)有些研究雖然已做了大量工作．但由于不同原因而逐步停止，例如：A13Ti，Nb3Al，GE公司已停止單晶NiAl葉片研究。

3)集中研究發展最有前途的合金系和探索某些新合金系，發展高溫高性能金屬間化合物合金，其中最有前途的合金系是新一代TiAl合金。

4)新合金系的探索主要是硅化物和LAVES相結構材料，例如MosSi3、MoSi2等，另外還有少量昂貴的高熔點金屬間化合物系研究。此外，Fe-A1、Ni-A1系也還仍在研究之中。

1．1.5．1金屬間化合物的發展趨勢

Ti-A1和Ni-A1金屬間化合物中的Ni3A1和Ti3A1由于最接近端際固溶體，其金屬性結合的特點最強，又可以利用端際固溶體增韌，使其綜合力學性能和使用特性最接近高溫合金和鈦合金，因而最易投入使用。但Ni3A1與鎳基高溫合金相比，Ti3A1和鈦合金相比，其優越性都不大，這成為不能推廣到關鍵部件上應用的主要困難。1990年以后，TiAI和NiAI成為研究熱點，由于它們已處于相圖的中間部分，遠離端際固溶體，電子結構上定向鍵更強，雖然難于利用端際固溶體增韌，但是TiAl和NiAl合金卻具有高比強度、低塑性和韌性的特點，因此力學性能和使用性能上與傳統的合金有較大的區別。TiAl的高比強度和NiAl的高熱導性帶來很大的吸引力，但也要求改變設計，以符合合金特點，這就增加了應用的難度。目前，TiAl合金已發展出三代合金，正處于發展和投入應用的關鍵時期。

目前金屬間化合物結構材料研究的重點是發展和應用高溫高性能材料，金屬間化合物結構材料研究正處于關鍵時刻。一方面是以TiAl合金的發展和應用為核心的攻關，另一方面是探索高熔點的金屬間化合物結構材料。如果通過對材料設計一生產一應用一體化攻關，能夠突破應用上的種種困難，使TiAl合金，特別是高溫高性能TiAl合金得到成功的應用，金屬間化合物結構材料研究將會發展到一個新階段。

概括起來Ti-A1金屬間化合物的發展趨勢包括：

1)研究開發使用溫度更高，可在1000—2000℃之間工作的新型金屬間化合物，主要是以高熔點金屬Nb、W、Mo、Ta與TiAl形成的多元化合物

2)發展以TiAl化合物為基的復合材料。用SiC、A1203、TiB2纖維和TiB2、TiC、Ti2AC、NbC等質點作為增強劑，強化化合物基體，發展一系列新工藝，充分發揮其潛在的使用價值。

3)通過纖維組織的控制和采用先進的加工工藝(如粉末冶金、機械合金化、定向凝固、熱機械處理等)改善其力學性能，也是目前提高TiAl化合物性能的方向之一。

4)進一步研究Ti-Al金屬間化合物的室溫脆性機制，從理論上解決其韌性問題。

5)加強TiM基合金近凈形成形技術的研究，進一步展開對近凈形成形技術如精密鑄造技術、粉末冶金近凈形成形技術以及超塑成型技術的研究。

硅化物和LAVES相金屬間化臺物硅化物和LAVES相研究的目標是要提高使用溫度到1000~C以上。但是由于晶體結構復雜，問題還很多，不僅涉及到材料發展問題，而且涉及到物理金屬學的理論問題。例如，這些合金的晶體結構復雜，其電子結構及其作用尚不清楚；翠晶變形是基本的變形方式，而復雜晶體中的孿晶變形理論還有待發展；對這種復雜形變會帶來的復雜結構變化知之甚少等等。因此，在國家支持下進行廣泛基礎研究是非常必要的。

Fe-A1金屬間化合物

Fe-A1合金主要缺點是材料脆忭大、塑性和韌性差、抗拉強度低，從而造成材料難加-仁成形，不宜用于重要結構件和高精度復雜零件。但是上述缺陷不是一成不變的，微合金化和各種新的制備和實用化技術可有效的改善其缺陷，從而拓寬該材料實用化進程，預計其主要發展趨勢為： 1)進一步開展Fe-A1合金的合金化研究，提高材料的力學性能。

2)研究Fe-A1合金的精密鑄造技術，獲取高精度復雜零件，最大程度的減少加工量。3)開發Fe-A1合金的熱形變技術，尤其是模鍛成型技術，使同時獲取精密形狀和良好件能成為可能。

4)研究Fe-A1合金的切削加工性能，解決難加工問題。

5)研究Fe-A1基復合材料或陶瓷基復合材料，揚長避短，發揮Fe-A1合金的突出優點。6)開發Fe-A1合金的粉體制備工藝，研究Fe-A1的噴涂技術，充分利用該材料良好的耐腐蝕性。

金屬間化合物制備工藝

1、Ti—AI金屬間化合物的制備

熔煉鑄造是Ti—Al金屬間化合物的主要制備方法，此外目前文獻中報道較多的Ti—A1系金屬間化合物的制備工藝及過程還包括：

1．粉末冶金法

粉末冶金法是制備TiAl基合金比較常用的一種方法。近年來，隨著TiAl基合金粉末制備技術的發展，人們已經能夠制備出粒度小而且球形度好的TiAl基合金粉末。目前用于TOT基合金(包括Ti3Al在內)的粉末冶金近凈成型技術主要有熱等靜壓技術和準熱等靜壓技術。此外，還有注射成型、粉末鍛造、熱擠壓、粉末軋制、熱爆成型等。

熱等靜壓工藝是制造全致密近凈形狀零件，尤其是形狀復雜、大尺寸零件的一種非常有效的技術，它能在高溫下通過氣體將高壓傳遞給金屬粉末或預成型坯，并使其在高溫高壓下實現全致密化。最近，美國Orucible公司還開發出了一種采用陶瓷模的熱等靜壓近凈成型工藝(Ceramic Mold—HIP Process)。

準熱等靜壓一自蔓延反應合成工藝(Psedo HIP。SHS)是利用SHS過程中釋放的熱量和過渡的液相，使壓坯在合成TiAl金屬間化合物的同時實現致密化。這種工藝的優點是可以利用元素粉末成型，避免了TiAl基合金粉難成型的問題；而且可以根據零件性能的要求，在TiAl元素粉末中加入各種合金元素實現復合；其缺點是成型時壓坯不是處于等靜壓狀態，可能造成壓坯中密度不均勻或壓坯形狀畸變。

2．機械合金化法

該技術是利用高能球磨機把純的Ti粉和AI粉放入球磨罐中并加入適量的添加劑進行球磨直至生成金屬間化合物，機械合金化是一種固態反應過程。目前普遍接受的觀點認為，元素粉末在球磨時，晶粒反復地斷裂、冷焊，晶粒細化并形成層狀精細結構，Ti和Al原子通過界面擴散而逐漸實現合金化。

混合物的球磨時間是確保反應徹底完成達到足夠的合金化程度的關鍵工藝參數，但球磨時間并非越長越好。這種方法的優點是使用方便，對樣品的處理量大，制得的樣品顆粒較細，達到微米級甚至亞微米級。但是，機械球磨往往易于混入雜質使樣品的純度降低，引起產品的性能耍秒

NiAl合金的制備特點

NiAl合金可以用Ar氣感應熔煉(AIM)、真空感應熔煉(VIM)、電渣重熔(ESR)和真空雙電極電弧重熔(VADER)，AIM熔煉合金后可以直接鑄造。227kg的IC一50、IC218合金可以直接離心鑄造成長305cm，直徑12．7 cm(厚2．54 cm)的管子，也可以直接鑄成棒和板，已經用雙滾法鑄出1~2mm厚板，并可以進一步冷加工。

美國橡樹嶺國家試驗室發展了一種稱為放熱熔煉方法(Exo—MeltTM)，示于圖10一15，用一半的鎳放在上部，用Al包圍，使在加熱時發生NiAl放熱反應，另一半的鎳放在下部，中間放合金元素，在氬氣下熔化，這種布料方法最有效利用反應發熱。這種熔煉方法可節省1／2～2／3的能量，節省一半熔化時間，質量也高。

鑄造合金一般晶粒粗大，精密鑄造的Ni3Al合金(IC一221M)的650℃HCF壽命高于Ni基高溫合金IN一713C。Ni3AI合金可以在1100℃擠壓或冷軋，加10％Fe可以大大改善Ni3A1的加工性能。細晶鑄件也可在1100℃等溫鍛造0.5／min變形速率)用粉末法制備Ni3Al合金時可以采用熱壓法、反應燒結合成、HIP、HIP+擠壓等方法，也可直接用粉末擠壓而成(8：1擠壓比)，HIP一般在120 MPa，l100～1150℃下進行3h，得到100％完全致密度，晶粒10～15um的合金。

Ni3Al合金可焊，但不容易焊好，質量決定于合金成分和焊接速度，含B為2×10_4時只有在13mm／s焊接速度以下才能焊好。Fe改善焊接性，焊接不當易產生熱影響區裂紋。

Fe3AI和FeAI合金的制備和應用

Fe—Al金屬間化合物合金可以用通常的熔煉方法冶煉。包括感應爐(AIM)、真空感應爐(VIM)、真空自耗重熔(VAR)和電渣重熔(ESR)。但VIM熔煉的質量較好，采用VIM+VAR可以得到高質量的合金，高Al合金熔煉時要防止坩堝反應，如用MgO坩堝，則熔煉金屬中的Al可以部分還原坩堝中的Mg進入熔池，一般有20×10-6 Mg水平，這種Mg含量對合金沒有壞作用。已經證實Fe3Al合金中含有一定數量的Mg，會起到改善塑性和熱加工性的作用(在熔煉Ni3Al時也有類似情況)，現在一般采用74 %MgO+24％AI2O3坩堝進行熔煉。鑄態條件下Fe3Al合金的塑性較差，只有在650～1100℃之間進行熱加工。一般首先在1000℃左右進行50％變形，再在800℃，50％軋制變形，最后在650℃進行50％～70％的溫加工，這種處理后得到拉長晶粒，得到最高的塑性，Fe3A1合金的管子可以用離心鑄造方法獲得，也可以熱穿孔方法獲得，仔細控制熱加工過程也可以得到質量良好的Fe3Al絲、板等產品。

Fe3Al和Fe—Al合金的焊接是很關鍵的問題。現已證明可以用氣體鎢弧焊(gas—tungsten arc或GTA)和電子束焊(EB)成功地進行焊接，但容易出現冷裂和熱裂。所謂冷裂是指在焊好后幾個小時或幾天以后出現裂紋，研究認為這種裂紋是環境誘導的氫脆，如果預先在200℃預熱或焊后進行400℃、lh去應力處理，可以減小冷裂發生，熱裂傾向與合金元素的微量變化有關，一般Nb、Cr、少量C有利焊接，而Zr、B、TiB2相反。

用N2或Ar氣霧化可以得到Fe3Al和FeAl合金粉末，再經燒結和1000℃熱擠(擠壓比9：1)可以得到全致密的合金，晶粒為100um左右，用快速凝固得到的粉末，同樣也可以燒結擠壓成材。Fe—Al系金屬間化合物主要應用方向是作為耐含硫氣氛和耐氧化氣氛的結構件。為了保證表面產生具有良好保護性的Al2O3膜，含A1量必須大于16％～18％。如果要耐水溶液腐蝕，合金中往往要含較高的Mo。圖12—19顯示Fe—A1有序合金的耐腐蝕性能比不銹鋼的好得多。目前，Fe—A1有序合金已經用做加熱元件、爐子中用的抗氧化固定件、熱交換用的薄片結構和觸媒轉換器的底座(均為0．05mm薄片)、燒結的多孔氣體一金屬過濾器等。

結束語

Ti－A1和Ni－Al金屬間化合物中的Ni3Al和Ti3Al由于最接近端際固溶體，其金屬性結合的特點最強，又可以利用端際固溶體增韌，使其綜合力學性能和使用特性最接近高溫合金和鈦合金，因而最易投入使用。但Ni。A1與鎳基高溫合金相比，Ti3Al和鈦合金相比，其優越性都不大，這成為不能推廣到關鍵部件上應用的主要困難。1990年以后，TiAl和NiAI成為研究熱點，由于它們已處于相圖的中間部分，遠離端際固溶體，電子結構上定向鍵更強，雖然難于利用端際固溶體增韌，但是TiAl和NiAI合金卻具有高比強度、低塑性和韌性的特點，因此力學性能和使用性能上與傳統的合金有較大的區別。Tim的高比強度和NiAl的高熱導性帶來很大的吸引力，但也要求改變設計，以符合合金特點，這就增加了應用的難度。目前，TiAI合金已發展出三代合金，正處于發展和投入應用的關鍵時期。

目前金屬間化合物結構材料研究的重點是發展和應用高溫高性能材料，金屬間化合物結構材料研究正處于關鍵時刻。一方面是以Ti3Al合金的發展和應用為核心的攻關，另一方面是探索高熔點的金屬間化合物結構材料。如果通過對材料設計一生產一應用一體化攻關，能夠突破應用上的種種困難，使TiAl合金，特別是高溫高性能TiAl合金得到成功的應用，金屬間化合物結構材料研究將會發展到一個新階段。

參考文獻

1、潘洪革著 《R3 Fe，Mo 29金屬間化合物的成相、結構和內稟磁性》

高等教育出版社

出版日期:2002

2、龐來學著

《鐵鋁基納米復相金屬間化合物材料》

兵器工業出版社

出版日期:2008

3、黃伯云著 《鈦鋁基金屬間化合物》

中南工業大學出版社

出版日期:1998

4、陳國良，林均品編著 《有序金屬間化合物結構材料物理金屬學基礎》

冶金工業出版社 出版日期:1999

5、孫康寧等著

《金屬間化合物/陶瓷基復合材料》

機械工業出版社

出版日期:2003

6、（日）山口正治，（日）馬越佑吉著；丁樹深譯《金屬間化合物》科學出版社

出版日期:1991.12