如何从微观角度阐述合金

❶ 形状记忆合金的性能特点和用途

将一个预先作好“ICE”形状之镍钛合金，不小心拉坏其形状后，只要在热水中浸泡一下，立即恢复原来形状。

预先作好形状镍钛各一半混合之合金，在摄氏四网络高温下很慢的锻烧十分钟，即可永久保持此一形状(此时称为高温相沃斯田铁态austenite form)。

主要原因为其结晶在慢慢的加温过程中，每一个金属原子会有充分的时间填满每一个空隙，此时它的排列组合是最紧密的，这样的合金固体商业名称即为记忆合金。记忆合金如果因为任何外在因素而产生变形(可任意扭曲变形的组态称为麻田散铁态martensitic)，亦即产生结晶形状空隙，稍微加热超过相变温度(transformation temperature)时即可填满空隙，亦即恢复原状，此过程称为形状记忆。

形状记忆金属脊柱矫形内固定器

记忆金属 - 何为记忆金属(形状记忆合金)？

上个世纪70年代，世界材料科学中出现了一种具有「记忆」形状功能的合金。记忆合金是一种颇为特别的金属条，它极易被弯曲，我们把它放进盛著热水的玻璃缸内，金属条向前冲去；将它放入冷水里，金属条则恢复了原状。在盛著凉水的玻璃缸里，拉长一个弹簧，把弹簧放入热水中时，弹簧又自动的收拢了。凉水中弹簧恢复了它的原状，而在热水中，则会收缩，弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩，收缩再拉开。这些都由一种有记忆力的智能金属做成的，它的微观结构有两种相对稳定的状态，在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状，在较低的温度下合金可以被拉伸，但若对它重新加热，它会记起它原来的形状，而变回去。这种材料就叫做记忆金属（memory metal）。它主要是镍钛合金材料。例如，一根螺旋状高温合金，经过高温退火后，它的形状处於螺旋状态。在室温下，即使用很大力气把它强行拉直，但只要把它加热到一定的「变态温度」时，这根合金彷佛记起了什麼似的，立即恢复到它原来的螺旋形态。这是怎麼回事？难道合金也具有人类那样的记忆力？

原来不是那麼回事！这只是利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律而已。例如，镍-钛合金在40oC以上和40oC以下的晶体结构是不同的，但温度在40oC上下变化时，合金就会收缩或膨胀，使得它的形态发生变化。这里，40oC就是镍-钛记忆合金的「变态温度」。各种合金都有自己的变态温度。上述那种高温合金的变态温度很高。在高温时它被做成螺旋状而处於稳定状态。在室温下强行把它拉直时，它却处於不稳定状态，因此，只要把它加热到变态温度，它就立即恢复到原来处於稳定状态的螺旋形状了。

分类及应用
编辑本段 回目录
记忆金属 - 形状记忆合金可以分为三种：

（1）单程记忆效应

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

（2）双程记忆效应

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

（3）全程记忆效应

加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

三种记忆效应如下图所示。

目前已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。

最早关於形状记忆效应的报导是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

形状记忆合金的具体应用如下。

工业应用：

（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。
（2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反覆动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。
（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反覆动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。
（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。

医学应用：

TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。

高科技应用展望：

20 世纪是机电学的时代。传感——集成电路——驱动是最典型的机械电子控制系统，但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。
记忆合金谈到合金，当然要讲最有趣的合金--记忆合金。金属具有记忆，是一个偶然的发现：60年代初，美国海军的一个研究小组从仓库领来一些镍钛合金丝做实验，他们发现这些合金丝弯弯曲曲，使用起来很不方便，於是就把这些合金丝一根根拉直。在试验过程中，奇怪的现象发生了，他们发现，当温度升到一定的数值时，这些已经拉直的镍钛合金丝突然又恢复到原来的弯曲状态，他们是善於观察的有心人，又反覆做了多次试验，结果证实了这些细丝确实具?"记忆"。
美国海军研究所的这一发现，引起了科学界的极大兴趣，大量科学家对此进行了深入的研究。发现铜锌合金、铜铝镍合金、铜钼镍合金、铜金锌合金等也都具有这种奇特的本领。人们可以在一定的范围内，根据需要改变这些合金的形状，到了某一特定的温度，它们就自动恢复到自己原来的形状，而且这「改变--恢复」可以多次重复进行，不管怎麼改变，它们总是能记忆自己当时的形状，到了这一温度，就丝毫不差地原形再现。人们把这种现象叫作形状记忆效应，把具有这种形状记忆效应的金属叫作形状记忆合金，简称记忆合金。
为什麼这些合金能具有这种形状记忆效应？它们是怎样记住自己的原形？用一般金属键理论、自由电子理论是难以解释合金的这种记忆效应的。记忆合金在一定的温度条件下能回覆到原形，为核外电子的运动--随温度变化的运动，提供了绝佳的例证。
正是由於合金的形成是在高温条件下液态金属的互熔，由於液态金属的结构元排异，导致了这种元素的结构元与另一种金属的结构元相互均布，凝固后，其微观结构是不同种类的结构元成比例的有序排列，电磁力是构成合金物体的主要内聚力。
电磁力是由价和电子的运转所形成，而电子的运转速率随温度条件而变化的，所以，物体内的电磁力（大小、方向、作用点）也是随温度条件而变化。由此导致了金属物体的内力随温度条件而变化，只是这些变化在小温差范围内不明显，只有在较大温度变化（几百摄氏度）时才有表现。
一般金属在受力后，能产生塑性变形，如一根铁丝被折弯了，在折弯部位，电磁力受到外力的干扰，导致产生电磁力的价和电子的运转平面作出微量调整，一次塑性变形就完成了。
记忆合金由於是不同种类的结构元相互掺和均布，尽管结构元的个子、电磁力的大小不同，但各自都加快了自身的价和运转，在一定的温度条件下相邻相安。在受到外力后，电磁力受到外力的干扰，价和电子的运转平面作出微量角度调整，物体产生塑性变形，在此塑性变形中，部分调整后的价和电子的运转是不舒展的。当温度条件变化时价和电子的速率随之变化，当温度回覆到相安舒展的（转变温度）条件时，不舒展的价和电子的运转立即回覆到当时的速率，电磁力随之发生变化，使相邻结构元的价和运转也都作出相应的调整，全部回覆到原来的舒展状态，於是整个物体也都回覆到了原来的状态。这就是记忆合金的记忆过程。
其实，金属的记忆早就被发现：把一根直铁丝弯成直角（90° ），一松开，它就要回覆一点，形成大於90° 的角度。把一根弯铁丝调直，必须把它折到超过180°后再松开，这样它就能正好回覆到直线状态，这就是中国成语中所讲的矫枉过正。还有记忆力更好的合金就是弹簧，（这里所说的是钢制弹簧，钢是铁碳合金）弹簧牢牢地记住了自己的形状，外力一撤除，马上回覆到自己的原来的样子，只是弹簧的记忆温度很宽，不像记忆合金这样有一个特定的转变温度，从而有了一些特别的功用。
利用记忆合金在特定温度下的形变功能，可以制作多种温控器件，可以制作温控电路、温控阀门，温控的管道连接。人们已经利用记忆合金制作了自动的消防龙头--失火温度升高，记忆合金变形，使阀门开启，喷水救火。制作了机械零件的连接、管道的连接，飞机的空中加油的接口处就是利用了记忆合金--两机油管套结后，利用电加热改变温度，接口处记忆合金变形，使接口紧密滴水（油）不漏。制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线--先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，摺叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。
记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有著用途，而且发展趋势十分可观，它将大展宏图、造福於人类。

形状记忆合金的研究、发现至今为止已有十几种记忆合金体系。包括Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn- Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe -Mn-Si等

参考资料
http://www.hoodong.com/wiki/%E8%AE%B0%E5%BF%86%E9%87%91%E5%B1%9E
互动网络

http://cheme.pu.e.tw/genchem/magic2/exp6.htm
记忆金属

http://www.patent-cn.com/A61B/CN1041274.shtml
专利之家

❷ 从宏观上和微观上解释为什么有些材料有明显的韧脆转变温度,而有些材料则没有

宏观上，体心立方中、低强度结构钢随温度的降低冲击功急剧下降，具有明显的韧脆转变温度。而高强度结构钢在很宽的温度范围内，冲击功都很低，没有明显的韧脆转变温度。面心立方金属及其合金一般没有韧脆转变现象。
微观上，体心立方金属中位错运动的阻力对温度变化非常敏感，位错运动阻力随温度下降而增加，在低温下，该材料处于脆性状态。而面心立方金属因位错宽度比较大，对温度不敏感，故一般不显示低温脆性。
体心立方金属的低温脆性还可能与迟屈服现象有关，对低碳钢施加一高速到高于屈服强度时，材料并不立即产生屈服，而需要经过一段孕育期（称为迟屈时间）才开始塑性变形，这种现象称为迟屈服现象。由于材料在孕育期中只产生弹性变形，没有塑性变形消耗能量，所以有利于裂纹扩展，往往表现为脆性破坏。

❸ 合金为什么耐腐蚀

合金其中一定有一种金属的抗腐蚀性能较强的。当合金表面不太耐腐蚀的金属被腐蚀后（当然这是微观现象），耐腐蚀的金属即形成合金的表面，即所谓的屏障理论，这种耐腐蚀的金属义不容辞的承担了抗腐蚀的作用。

❹ 试说明材料弹性模量怎样受温度，相变，合金成分与组织以及加工硬化的影响

弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等。因合金成分不同、热处理状态不同、冷塑性变形不同等，金属材料的杨氏模量值会有5%或者更大的波动。但是总体来说，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理（纤维组织）、冷塑性变形等对弹性模量的影响较小，温度、加载速率等外在因素对其影响也不大，所以一般工程应用中都把弹性模量作为常数。

❺ 根据金属学和钎焊原理，从微观结构和组织上论述钎焊材料为什么大多数为多元合金

钎焊必须保证钎焊接头与母材能够匹配，尽可能让接头的组织，性能与母材一致。为了保证材料具有足够的强韧性，就需加入一些合金元素以起到强化的作用。所以在选择设计钎焊材料时尽可能让钎料与母材成分一致。然而钎焊是一个整体加热过程，但同时要求钎料熔化，但木材不熔化，所以需加入一些降熔点元素。

❻ 金属没有大脑，怎么会有记忆能力呢请你从微观的角度解释其奥秘。

你好，你题的问题也很多人所想知道的。所谓的记忆金属是指一系列具有“记忆”的金属及合金。这中的记忆是金属形变以后，在一定的外在作用下，如高压，高温，低温，通电等特殊条件下，可恢形变以前的状态复到它。记忆金属的应用极广，比如你所说的那种钛镍合金，它所有的性质便是随温度变化而变化。从微观角度说，记忆金属的原子（金属由原子够成，不是离子或分子构成）在空间结构上具有独特的构形，在外力改变其宏观形态后，又在一定条件下，可能其空间结构会回复。但是记忆金属的“记忆”也有限，如果外力改变它的形状，导致原子间的作用力过于微弱，可能条件改变后也无计于事了。
手机在线作答，多多支持哦；→

❼ :点阵、晶粒、晶格、晶体之间有什么区别

1、含义不同

点阵：晶体的基本特征是其内部结构的周期性，那么很自然就应当把原子排列与空间的网点阵列联系起来。其中的网点阵成为点阵。

晶粒：结晶物质在生长过程中，由于受到外界空间的限制，未能发育成具有规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状，称晶粒。

晶格：把原子看成是一个球体，则金属晶体就是由这些小球有规律堆积而成的物体。将原子简化成一个点，用假想的线将这些连接起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格，又称晶架。

晶体：是由大量微观物质单位（原子、离子、分子等）按一定规则有序排列的结构，因此可以从结构单位的大小来研究判断排列规则和晶体形态。

2、宏微观层次不同

点阵就是晶粒热运动在某个范围内振动，是从微观的角度解释的；

晶粒是组成晶体的最小颗粒，是从微观的角度解释的；

把晶粒理想化，它排列均匀，每个晶粒所占的位子及周围的称为晶格，是从微观的角度解释的；

晶体就是我们肉眼看到的，金属和合金固态下都是晶体，晶体有固定的熔点，是从宏观的角度解释的。

3、特点不同

点阵中各个点的环境是彼此相同的，晶粒的内部晶胞方向与位置基本一致而外形不规则；晶格排列均匀，内部规整；晶体内部由各个晶格组成，晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。

(7)如何从微观角度阐述合金扩展阅读：

晶体的特点

晶体的分布非常广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。气体、液体和非晶物质在一定的合适条件下也可以转变成晶体。

1、长程有序：晶体内部原子在至少在微米级范围内的规则排列。

2、均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。

3、各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。

4、对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。

5、自限性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。

6、解理性：晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。

7、最小内能：成型晶体内能最小。

8、晶面角守恒：属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变。

❽ 化学问题。从微观的角度解释一下。谢谢。

钝化dùn huà 英文表示Passivation; Inactivation; Deactivation 金属由于介质的作用生成的腐蚀产物如果具有致密的结构，形成了一层薄膜（往往是看不见的），紧密覆盖在金属的表面，则改变了金属的表面状态，使金属的电极电位大大向正方向跃变，而成为耐蚀的钝态。如Fe→Fe＋＋时标准电位为－0.44V，钝化后跃变到＋0.5～1V，而显示出耐腐蚀的贵金属性能，这层薄膜就叫钝化膜。 金属的钝化也可能是自发的过程(如在金属的表面生成一层难溶解的化合物，即氧化物膜)。在工业上是用钝化剂(主要是氧化剂)对金属进行钝化处理，形成一层保护膜。 编辑本段机理概述 我们知道，铁、铝在稀HNO3或稀H2SO4中能很快溶解，但在浓HNO3或浓H2SO4中溶解现象几乎完全停止了，碳钢通常很容易生锈，若在钢中加入适量的Ni、Cr，就成为不锈钢了。金属或合金受一些因素影响，化学稳定性明显增强的现象，称为钝化。由某些钝化剂（化学药品）所引起的金属钝化现象，称为化学钝化。如浓HNO3、浓H2SO4、HClO3、K2Cr2O7、KMnO4等氧化剂都可使金属钝化。金属钝化后， 其电极电势向正方向移动，使其失去了原有的特性 ，如钝化了的铁在铜盐中不能将铜置换出。此外，用电化学方法也可使金属钝化，如将Fe置于H2SO4溶液中作为阳极，用外加电流使阳极极化，采用一定仪器使铁电位升高一定程度，Fe就钝化了。由阳极极化引起的金属钝化现象， 叫阳极钝化或电化学钝化 。 金属处于钝化状态能保护金属防止腐蚀，但有时为了保证金属能正常参与反应而溶解，又必须防止钝化，如电镀和化学电源等。 金属是如何钝化的呢？其钝化机理是怎样的？首先要清楚，钝化现象是金属相和溶液相所引起的，还是由界面现象所引起的。有人曾研究过机械性刮磨对处在钝化状态的金属的影响。实验表明，测量时不断刮磨金属表面，则金属的电势剧烈向负方向移动，也就是修整金属表面可引起处在钝态金属的活化。即证明钝化现象是一种界面现象。它是在一定条件下，金属与介质相互接触的界面上发生变化的。电化学钝化是阳极极化时，金属的电位发生变化而在电极表面上形成金属氧化物或盐类。这些物质紧密地覆盖在金属表面上成为钝化膜而导致金属钝化，化学钝化则是像浓HNO3等氧化剂直接对金属的作用而在表面形成氧化膜，或加入易钝化的金属如Cr、Ni等而引起的。化学钝化时，加入的氧化剂浓度还不应小于某一临界值，不然不但不会导致钝态，反将引起金属更快的溶解。 金属表面的钝化膜是什么结构？是独立相膜还是吸附性膜呢？ 目前主要有两种学说，即成相膜理论和吸附理论。 成相膜理论 认 为，当金属溶解时，处在钝化条件下， 在表面生成紧密的、复盖性良好的固态物质 ，这种物质形成独立的相，称为钝化膜或称成相膜， 此膜将金属表面和溶液机械地隔离开 ，使金属的溶解速度大大降低，而呈钝态。实验证据是在某些钝化的金属表面上，可看到成相膜的存在，并能测其厚度和组成。如采用某种能够溶解金属而与氧化膜不起作用的试剂，小心地溶解除去膜下的金属，就可分离出能看见的钝化膜，钝化膜是怎样形成的？当金属阳极溶解时，其周围附近的溶液层成分发生了变化。一方面，溶解下来的金属离子因扩散速度不够快（溶解速度快）而有所积累。另一方面，界面层中的氢离子也要向阴极迁移，溶液中的负离子（包括OH-）向阳极迁移。结果，阳极附近有OH-离子和其他负离子富集。随着电解反应的延续，处于紧邻阳极界面的溶液层中，电解质浓度有可能发展到饱和或过饱和状态。于是，溶度积较小的金属氢氧化物或某种盐类就要沉积在金属表面并形成一层不溶性膜，这膜往往很疏松，它还不足以直接导致金属的钝化，而只能阻碍金属的溶解，但电极表面被它覆盖了，溶液和金属的接触面积大为缩小。于是，就要增大电极的电流密度，电极的电位会变得更正。这就有可能引起OH-离子在电极上放电，其产物（如OH）又和电极表面上的金属原子反应而生成钝化膜。分析得知大多数钝化膜由金属氧化物组成（如铁之Fe3O4），但少数也有由氢氧化物、铬酸盐、磷酸盐、硅酸盐及难溶硫酸盐和氯化物等组成。 吸附理论 认 为，金属表面 并不需要形成固态产物膜才钝化 ，而只要表面或部分表面形成一层氧或含氧粒子（如O2-或OH-）的吸附层也就足以引起钝化了。这吸附层虽只有单分子层厚薄，但由于氧在金属表面上的吸附，改变了金属与溶液的界面结构，使电极反应的活化能升高，金属表面反应能力下降而钝化。此理论主要实验依据是测量界面电容和使某些金属钝化所需电量。实验结果表明，不需形成成相膜也可使一些金属钝化。 两种钝化理论都能较好地解释部分实验事实，但又都有成功和不足之处。金属钝化膜确具有成相膜结构，但同时也存在着单分子层的吸附性膜。目前尚不清楚在什么条件下形成成相膜，在什么条件下形成吸附膜。 两种理论相互结合还缺乏直接的实验证据，因而钝化理论还有待深入地研究。

❾ 合金化是什么

提高钢的强度既简便又便宜的方法是增加碳含量。然而，这种方法使其他所希望的性能遭到消弱，如成型性，焊接性，韧性和其他一些性能。几个性能都重要的情况下的几种应用，碳含量必须保持在低水平。在低碳钢中为了获得高强度并同时保持高水平的综合性能最经济的方法是应用微合金化技术。

为什么要高强度

应用高强度钢可以降低板厚度从而在许多应用中降低重量。在汽车工业，车体减轻可以节省燃油从而保护环境（减少排气量）。在造船工业，船体减轻可以装载更多的货物。图3显示的是管道在管线结构中的应用。对于一个18m长，外径1000mm的管道，当用高强度钢X70代替低强度钢时其重量可以从14t降低到6t。另一个重要的例子是民用建筑，如图4所示，的建筑形式，用460MPa的高强度钢代替低强度钢（235MPa）可以节省材料40%，重量降低超过50%，焊接材料可以节约超过70%。
微合金化的效果

图5表明了主要微合金化元素Nb，V和Ti对提高强度和韧性的作用以及其强化机理。这三个元素均是通过细化晶粒和沉淀强化提高强度，但每种机理强化程度不同。Nb具有最强的晶粒细化强化效果，而V具有最强的沉淀强化效果，Ti介于上述两者之间。如图6所示，晶粒细化是唯一的能够同时提高韧性的强化机理。因此，当同时需要高强度和高韧性综合性能时就需要添加铌，譬如管线钢和结构钢。在图5中还可以反映出铌是经济有效的。如要使低碳钢的屈服强度提高100MPa，需要添加0.02%的铌，而钒则需要添加两倍的量。

铌的晶粒细化引起的强烈效果与其在轧制时通过固溶，特别是碳氮化铌析出延迟奥氏体再结晶有关系。图7显示了分别含Nb，V，Ti钢的效果。铌阻止在轧制最后阶段奥氏体的再结晶，促进了扁平晶粒的变形，从而导致非常细的铁素体晶粒。

铌的另一个重要影响是在中低碳钢中降低转变温度促使贝氏体组织的形成，这一研究已经比较多了，如图8所示。降低转变温度是由于在轧制过程中仍有一部分铌留在固溶体中而没有发生沉淀反应。这一效果在同时加入Nb和Mo或同时加入Nb和B时由于协同作用而加强，如图所示。其中一个实际例子是X80管线钢，铁素体-低珠光体组织在得到韧性要求的同时却达不到强度级别。

微合金化不仅仅对轧制产品有作用。V可以在热处理级别钢种提高强度，而铌可以细化晶粒。如图9所示，在正常热处理之后，铌明显的细化了晶粒。

为了得到所希望的高水平性能，在炼钢时很好的控制杂质含量如S、N、P等也是非常重要的，特别是对需要高韧性的板材产品。图10表明了S是如何影响冲击性能的。为了把S含量控制在低的水平，应用硫化物形状控制（通常用钙处理）对于避免生成对横向韧性有损害的延长硫化镁是非常重要的。

如图11所示，氮对热影响区的韧性的损害是非常大的，因此低氮是值得提倡的。这一损害可以用钛固定游离的氮以降低其影响。氮化钛在高温时非常稳定，因此它可以阻止晶粒的增长。图12显示了钛固氮处理提高热影响区韧性的益处。然而用钛需要很好的控制手段。加入到钢中的钛的量要以固定氮所需要的量为上限。如果多加了钛将促使形成碳化钛，这样对热影响区的韧性有损害，如图13所示。氮对焊接金属的韧性也是有影响的，如图14。
板材产品的微合金化
板材产品方面的技术进展可以作如下描述：

50年代后期： Nb的引入
60年代： 控制轧制的试验探索
70年代： 全面实行微合金化和控制轧制
80年代： 实行加速冷却
90年代： 实行直接淬火
图15表示的是微合金化元素Nb、V和Ti在不同的冷却工艺下在板材中的强化效果，Nb的提高强韧性的效果尤为突出。
微合金化板材有着非常广泛的应用，如管线钢，造船钢，海洋平台，民用建筑（桥梁、高架桥，建筑）以及其它领域。

如表1所示，管线钢产品的发展，表明虽然碳的含量在不断降低，但其强度却在增加，这一原因前面已经说明。提高到X80级的产品已经进行商业生产，一些钢铁公司已经开发了X100级别。提高抗氢致裂纹需要更严格的炼钢工艺并需要非常低的碳和硫含量，如表2所列的工业产品。

最后，表3对几种管线钢进行了总结，包括热轧和炉卷产品。在表中我们可以注意到一些钢中的含铌量高于正常情况的含铌量，在0.07~0.09%之间。这些钢最近几年在北美已经进行商业生产。高铌含量可以把奥氏体再结晶延迟到更高的温度（如图7所示），这使控轧工艺更加宽松，如高的终轧温度，这对有功率限制的钢板轧机是有益的。而且，这些超低碳高Nb钢具有非常好的韧性特性。

对于海洋平台和造船业来讲，自70年代以来的趋势是降低含碳量，特别是在高焊接工作量并需要提高焊接性能的情况下。表4显示的是分别通过正常的热处理和加速冷却工艺生产的335MPa级的典型的化学成分。

在民用建筑方面，图16表明了在瑞典现代桥梁应用的高强度微合金化钢。用高强度钢，屈服强度460MPa级，热机械工艺（TMCP）可以降低重量15，000t，降低费用2500万美元。表5显示的是50mm厚结构板材产品典型的化学成分，工艺分别为正常情况（N），控轧（TM），淬火和回火（QT），热机械工艺（TMCP）和直接淬火（DQ）。最近几年，安全防火变得越来越重要。如图17所示，防火结构钢已经发展起来，该钢添加Nb和Mo以提高高温强度。
汽车工业用热轧和冷轧薄钢板

在70年代初第一次石油危机之后，微合金化热轧和冷轧薄钢板在汽车工业获得了广泛应用。用高强度钢代替低强度钢过去是现在依然是降低汽车车重的有效方法，以节省燃料。安全方面的需要也激发了高强度钢的应用。
热轧薄钢板

热轧低合金高强度钢（HSLA）薄钢板主要用于卡车的底盘部分，也用于大客车的车轮，轮毂等部件。传统的屈服强度水平在350MPa到550MPa之间，具有铁素体加少量珠光体组织。表6列出了一些典型的化学成分。过去，这些钢也用Ti作为主要微合金化元素来生产，尤其是在过去钢的含硫水平比较高。加入钛的另外一个主要作用是控制硫化物的形状。但是由于其碳化物形成的动力学原因，轧制工艺十分复杂，大部分情况下是不允许的，以避免出现典型的最终产品性能大范围的分散，图18。在铁素体-少量珠光体钢中，当薄板的厚度方向需要使用两种微合金化元素来获得更高的强度时，Nb和V的结合将使性能分散范围小些。以上考虑涉及到Ti的碳化物沉淀强化作用。如果只用来固定N，则Ti很有效。在含Nb钢中，强度进一步提高，因为更多的Nb将使铸造性能也得到改善。

最近，开发出690MPa级卡车大梁用钢，它利用了在由热带轧机直接轧出的贝氏体钢中所有的强化机理，图19。表7列出了两种欧洲产品的合金设计。

铁素体-贝氏体钢，含10~30%的贝氏体，用于车轮、轮毂和底盘，它比铁素体-珠光体钢具有更优越的凸缘压边延伸性能。与铁素体-马氏体——双相钢相反，当焊接的轮毂轮箍被拉伸时，使用这种钢不会出现局部颈缩。如图20所示，当合金设计、轧制参数——卷取温度——得到控制从而第二相主要为贝氏体相时，就可达到强度和成型性的最优配合。
冷轧薄钢板

传统的微合金高强度冷轧薄板用钢在汽车工业已使用了25年，但部分汽车零件不需要高的成型性。图21显示了罩式退火钢板的典型化学成分。传统的微合金钢也可在连续退火线上生产，此时，对于给定的钢种，可以获得更高的强度。例如，如图22所示的用于汽车侧挡板的双相钢。
更复杂形状的产品——汽车车体（integrated
panels）的开发以及传统钢达不到罩式退火同样的成型性而引入连续退火生产薄钢板，需要开发一种新的类型钢，即无间隙钢——超低碳IF钢。

无间隙钢添加Ti、Nb或Ti+Nb生成无间隙原子。尤其在镀锌产品中，TiNb无间隙钢可获得最优配合的机械性能以及更好的表面质量，如图23、24、25、26、27、28所示。仅添加Ti的无间隙钢易于产生表面缺陷。

匹兹堡大学的最新研究工作已经表明，当铌在铁素体晶界溶解时，它能起到重要的作用。晶界处溶解的铌改善冷加工脆性，并能降低镀锌产品的粉化趋势。
用于锻造的微合金钢

微合金化技术在锻造汽车零件钢中的应用允许除掉传统的淬回火热处理生产汽车零件，从而显著节省生产成本。表8列出了一些在市场上出现的钢种。

现已生产了仅含微合金元素V、仅含Nb以及Nb、V复合微合金钢。研究表明，复合添加Nb和V对提高强度比单独添加这两种微合金元素中的任何一种更有效。Nb提高了V的析出潜能。

在这种产品上，最新成果包括有直接淬火（马氏体）或空冷获得的低碳马氏体+贝氏体或贝氏体钢，它们表现出韧性得到改善。表9给出了一个例子。
高强度紧固件与悬挂弹簧

传统的冷锻高强度紧固件用钢为中碳钢，由淬回火得到最终产品所需的性能。用低碳微合金钢替代中碳钢，不需要热处理就能得到最终所需的机械性能，并且消除了在收线过程中的中间球化处理。表10给出了8.8级钢（铁素体—珠光体）与10.9级钢（铁素体—贝氏体）的化学成分。

悬挂弹簧是另一种使用微合金化技术而达到减重的产品。北美生产出热处理后抗拉强度为2000MPa级、HRc为53-55的钢。化学成分与机械性能在表11中列出。
渗碳钢

在渗碳处理钢中，尤其在温锻条件下，晶粒非正常长大较为普遍。这些钢中加入铌抑制晶粒非正常长大，这项技术已在日本使用多年，最近在北美也取得应用。微合金元素添加到这些钢中而带来的另一个好处是通过更高的加热温度而有可能减少渗碳时间。铌的加入抑制晶粒长大，因而使在更高温度渗碳成为可能。
结构用型钢

在结构用型钢技术上的最新主要进展是仅使用一种化学成分就可满足几种技术条件的含铌结构型钢/横梁钢已工业化。这种由Chaparral钢铁公司开发的“多级别”钢，典型的成分仅含0.01-0.02%Nb（目标为0.015%），这足够将ASTM
A36的屈服强度提高到345MPa以上而抗拉强度限制在550MPa以下，从而既能满足ASTM A36又能满足 ASTM
A572-50的技术条件。铌是选择性添加微量元素，因为为了满足50级钢的最低屈服强度要求，可能要多添加一些V，为0.02-0.03%（与0.015%Nb相比），这会提高结构型钢的抗拉强度，使它接近或超过550MPa，而当满足A572-50的技术要求时，又超过了A36所允许的要求。其它ASTM钢的技术要求可由A572-42、A572-50、A529-42、A5290-50、A709-36与A709-50等多级别钢满足。
钢筋

该产品用于大型混凝土结构以提高抗拉能力。大直径高强度级别钢筋添加了V和Nb。一些现代轧钢厂采用水冷技术取代微合金化提高强度。图29为V和Nb在焊接用钢筋中的强化效果。
世界微合金化钢的发展

世界微合金化钢的发展可由Nb的总消耗量来描述，因为Nb是一种主要微合金化元素，并且75%的Nb用于微合金化钢，见图30。70年代Nb的消耗量急剧上升。当时控轧工艺在全世界范围内被采用，同时汽车工业使用量也在增加。80年代是稳定期，但微合金化钢产量继续增加。Nb消耗量的稳定是因为钢铁厂效率的提高，如连铸设备的安装、加速冷却，对给定量的最终产品，这可节省原材料。然而在Nb消耗量达到饱和点后，在90年代Nb的需求又显著增加。这是受许多重要的钢铁公司产品结构调整的影响，他们的品种集中在附加值产品，包括微合金化钢。图31很好的显示出在欧洲微合金化钢增加情况。从图中明显看出，在该地区，与粗钢相比，FeNb的消耗量显著增加。在欧洲，每吨钢中的FeNb为60g。

除了微合金钢产量增加外，Nb使用领域也在增加。如图32所示，在70年代中期，Nb主要用在管线钢产品。为开发该产品中而发展起来的微合金化技术在随后的时间里被应用在其他领域，如该图所示的2000年情况。
结论
微合金化技术是一条生产高强度和其它所需性能的高质量产品的经济有效途径。
世界范围内的微合金化钢的产量不断增加。新的钢种已开发出来，并应用在许多领域，保持着钢在材料领域的良好竞争能力。

❿ 为什么合金的硬度大于其任一组分的纯金属

合金中含有多种组元，如钢是c、n、ni、cr等元素溶解在铁中而形成的，而这些元素在铁溶解对铁基体中形成固溶体，对基体会有强化作用，（用材料学的观点来解释就是固溶强化），其强度硬度都比构成基体的任意一种金属高。
ps：单一的金属是一种组元，而合金是多种组元。
留言者:泽鸣。