如何從微觀角度闡述合金

❶ 形狀記憶合金的性能特點和用途

將一個預先作好「ICE」形狀之鎳鈦合金，不小心拉壞其形狀後，只要在熱水中浸泡一下，立即恢復原來形狀。

預先作好形狀鎳鈦各一半混合之合金，在攝氏四網路高溫下很慢的鍛燒十分鍾，即可永久保持此一形狀(此時稱為高溫相沃斯田鐵態austenite form)。

主要原因為其結晶在慢慢的加溫過程中，每一個金屬原子會有充分的時間填滿每一個空隙，此時它的排列組合是最緊密的，這樣的合金固體商業名稱即為記憶合金。記憶合金如果因為任何外在因素而產生變形(可任意扭曲變形的組態稱為麻田散鐵態martensitic)，亦即產生結晶形狀空隙，稍微加熱超過相變溫度(transformation temperature)時即可填滿空隙，亦即恢復原狀，此過程稱為形狀記憶。

形狀記憶金屬脊柱矯形內固定器

記憶金屬 - 何為記憶金屬(形狀記憶合金)？

上個世紀70年代，世界材料科學中出現了一種具有「記憶」形狀功能的合金。記憶合金是一種頗為特別的金屬條，它極易被彎曲，我們把它放進盛著熱水的玻璃缸內，金屬條向前沖去；將它放入冷水裡，金屬條則恢復了原狀。在盛著涼水的玻璃缸里，拉長一個彈簧，把彈簧放入熱水中時，彈簧又自動的收攏了。涼水中彈簧恢復了它的原狀，而在熱水中，則會收縮，彈簧可以無限次數的被拉伸和收縮，收縮再拉開。這些都由一種有記憶力的智能金屬做成的，它的微觀結構有兩種相對穩定的狀態，在高溫下這種合金可以被變成任何你想要的形狀，在較低的溫度下合金可以被拉伸，但若對它重新加熱，它會記起它原來的形狀，而變回去。這種材料就叫做記憶金屬（memory metal）。它主要是鎳鈦合金材料。例如，一根螺旋狀高溫合金，經過高溫退火後，它的形狀處於螺旋狀態。在室溫下，即使用很大力氣把它強行拉直，但只要把它加熱到一定的「變態溫度」時，這根合金彷佛記起了什麼似的，立即恢復到它原來的螺旋形態。這是怎麼回事？難道合金也具有人類那樣的記憶力？

原來不是那麼回事！這只是利用某些合金在固態時其晶體結構隨溫度發生變化的規律而已。例如，鎳-鈦合金在40oC以上和40oC以下的晶體結構是不同的，但溫度在40oC上下變化時，合金就會收縮或膨脹，使得它的形態發生變化。這里，40oC就是鎳-鈦記憶合金的「變態溫度」。各種合金都有自己的變態溫度。上述那種高溫合金的變態溫度很高。在高溫時它被做成螺旋狀而處於穩定狀態。在室溫下強行把它拉直時，它卻處於不穩定狀態，因此，只要把它加熱到變態溫度，它就立即恢復到原來處於穩定狀態的螺旋形狀了。

分類及應用
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記憶金屬 - 形狀記憶合金可以分為三種：

（1）單程記憶效應

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱後可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現象稱為單程記憶效應。

（2）雙程記憶效應

某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。

（3）全程記憶效應

加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變為形狀相同而取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應。

三種記憶效應如下圖所示。

目前已開發成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。

最早關於形狀記憶效應的報導是由Chang及Read等人在1952年作出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。後來在Cu-Zn合金中也發現了同樣的現象，但當時並未引起人們的廣泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應，才引起了材料科學界與工業界的重視。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也發現了與馬氏體相變有關的形狀記憶效應。幾十年來，有關形狀記憶合金的研究已逐漸成為國際相變會議和材料會議的重要議題，並為此召開了多次專題討論會，不斷豐富和完善了馬氏體相變理論。在理論研究不斷深入的同時，形狀記憶合金的應用研究也取得了長足進步，其應用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫療等許多領域。

形狀記憶合金的具體應用如下。

工業應用：

（1）利用單程形狀記憶效應的單向形狀恢復。如管接頭、天線、套環等。
（2）外因性雙向記憶恢復。即利用單程形狀記憶效應並藉助外力隨溫度升降做反覆動作，如熱敏元件、機器人、接線柱等。
（3）內因性雙向記憶恢復。即利用雙程記憶效應隨溫度升降做反覆動作，如熱機、熱敏元件等。但這類應用記憶衰減快、可靠性差，不常用。
（4）超彈性的應用。如彈簧、接線柱、眼鏡架等。

醫學應用：

TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應和超彈性的醫學實例相當多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾、接骨板、髓內針、人工關節、避孕器、心臟修補元件、人造腎臟用微型泵等。

高科技應用展望：

20 世紀是機電學的時代。感測——集成電路——驅動是最典型的機械電子控制系統，但復雜而龐大。形狀記憶材料兼有感測和驅動的雙重功能，可以實現控制系統的微型化和智能化，如全息機器人、毫米級超微型機械手等。21世紀將成為材料電子學的時代。形狀記憶合金的機器人的動作除溫度外不受任何環境條件的影響，可望在反應堆、加速器、太空實驗室等高技術領域大顯身手。
記憶合金談到合金，當然要講最有趣的合金--記憶合金。金屬具有記憶，是一個偶然的發現：60年代初，美國海軍的一個研究小組從倉庫領來一些鎳鈦合金絲做實驗，他們發現這些合金絲彎彎曲曲，使用起來很不方便，於是就把這些合金絲一根根拉直。在試驗過程中，奇怪的現象發生了，他們發現，當溫度升到一定的數值時，這些已經拉直的鎳鈦合金絲突然又恢復到原來的彎曲狀態，他們是善於觀察的有心人，又反覆做了多次試驗，結果證實了這些細絲確實具?"記憶"。
美國海軍研究所的這一發現，引起了科學界的極大興趣，大量科學家對此進行了深入的研究。發現銅鋅合金、銅鋁鎳合金、銅鉬鎳合金、銅金鋅合金等也都具有這種奇特的本領。人們可以在一定的范圍內，根據需要改變這些合金的形狀，到了某一特定的溫度，它們就自動恢復到自己原來的形狀，而且這「改變--恢復」可以多次重復進行，不管怎麼改變，它們總是能記憶自己當時的形狀，到了這一溫度，就絲毫不差地原形再現。人們把這種現象叫作形狀記憶效應，把具有這種形狀記憶效應的金屬叫作形狀記憶合金，簡稱記憶合金。
為什麼這些合金能具有這種形狀記憶效應？它們是怎樣記住自己的原形？用一般金屬鍵理論、自由電子理論是難以解釋合金的這種記憶效應的。記憶合金在一定的溫度條件下能回覆到原形，為核外電子的運動--隨溫度變化的運動，提供了絕佳的例證。
正是由於合金的形成是在高溫條件下液態金屬的互熔，由於液態金屬的結構元排異，導致了這種元素的結構元與另一種金屬的結構元相互均布，凝固後，其微觀結構是不同種類的結構元成比例的有序排列，電磁力是構成合金物體的主要內聚力。
電磁力是由價和電子的運轉所形成，而電子的運轉速率隨溫度條件而變化的，所以，物體內的電磁力（大小、方向、作用點）也是隨溫度條件而變化。由此導致了金屬物體的內力隨溫度條件而變化，只是這些變化在小溫差范圍內不明顯，只有在較大溫度變化（幾百攝氏度）時才有表現。
一般金屬在受力後，能產生塑性變形，如一根鐵絲被折彎了，在折彎部位，電磁力受到外力的干擾，導致產生電磁力的價和電子的運轉平面作出微量調整，一次塑性變形就完成了。
記憶合金由於是不同種類的結構元相互摻和均布，盡管結構元的個子、電磁力的大小不同，但各自都加快了自身的價和運轉，在一定的溫度條件下相鄰相安。在受到外力後，電磁力受到外力的干擾，價和電子的運轉平面作出微量角度調整，物體產生塑性變形，在此塑性變形中，部分調整後的價和電子的運轉是不舒展的。當溫度條件變化時價和電子的速率隨之變化，當溫度回覆到相安舒展的（轉變溫度）條件時，不舒展的價和電子的運轉立即回覆到當時的速率，電磁力隨之發生變化，使相鄰結構元的價和運轉也都作出相應的調整，全部回覆到原來的舒展狀態，於是整個物體也都回覆到了原來的狀態。這就是記憶合金的記憶過程。
其實，金屬的記憶早就被發現：把一根直鐵絲彎成直角（90° ），一松開，它就要回覆一點，形成大於90° 的角度。把一根彎鐵絲調直，必須把它折到超過180°後再松開，這樣它就能正好回覆到直線狀態，這就是中國成語中所講的矯枉過正。還有記憶力更好的合金就是彈簧，（這里所說的是鋼制彈簧，鋼是鐵碳合金）彈簧牢牢地記住了自己的形狀，外力一撤除，馬上回覆到自己的原來的樣子，只是彈簧的記憶溫度很寬，不像記憶合金這樣有一個特定的轉變溫度，從而有了一些特別的功用。
利用記憶合金在特定溫度下的形變功能，可以製作多種溫控器件，可以製作溫控電路、溫控閥門，溫控的管道連接。人們已經利用記憶合金製作了自動的消防龍頭--失火溫度升高，記憶合金變形，使閥門開啟，噴水救火。製作了機械零件的連接、管道的連接，飛機的空中加油的介面處就是利用了記憶合金--兩機油管套結後，利用電加熱改變溫度，介面處記憶合金變形，使介面緊密滴水（油）不漏。製作了宇宙空間站的面積幾百平米的自展天線--先在地面上製成大面積的拋物線形或平面天線，摺疊成一團，用飛船帶到太空，溫度轉變，自展成原來的大面積和形狀。
記憶合金目前已發展到幾十種，在航空、軍事、工業、農業、醫療等領域有著用途，而且發展趨勢十分可觀，它將大展宏圖、造福於人類。

形狀記憶合金的研究、發現至今為止已有十幾種記憶合金體系。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

參考資料
http://www.hoodong.com/wiki/%E8%AE%B0%E5%BF%86%E9%87%91%E5%B1%9E
互動網路

http://cheme.pu.e.tw/genchem/magic2/exp6.htm
記憶金屬

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

❷ 從宏觀上和微觀上解釋為什麼有些材料有明顯的韌脆轉變溫度,而有些材料則沒有

宏觀上，體心立方中、低強度結構鋼隨溫度的降低沖擊功急劇下降，具有明顯的韌脆轉變溫度。而高強度結構鋼在很寬的溫度范圍內，沖擊功都很低，沒有明顯的韌脆轉變溫度。面心立方金屬及其合金一般沒有韌脆轉變現象。
微觀上，體心立方金屬中位錯運動的阻力對溫度變化非常敏感，位錯運動阻力隨溫度下降而增加，在低溫下，該材料處於脆性狀態。而面心立方金屬因位錯寬度比較大，對溫度不敏感，故一般不顯示低溫脆性。
體心立方金屬的低溫脆性還可能與遲屈服現象有關，對低碳鋼施加一高速到高於屈服強度時，材料並不立即產生屈服，而需要經過一段孕育期（稱為遲屈時間）才開始塑性變形，這種現象稱為遲屈服現象。由於材料在孕育期中只產生彈性變形，沒有塑性變形消耗能量，所以有利於裂紋擴展，往往表現為脆性破壞。

❸ 合金為什麼耐腐蝕

合金其中一定有一種金屬的抗腐蝕性能較強的。當合金錶面不太耐腐蝕的金屬被腐蝕後（當然這是微觀現象），耐腐蝕的金屬即形成合金的表面，即所謂的屏障理論，這種耐腐蝕的金屬義不容辭的承擔了抗腐蝕的作用。

❹ 試說明材料彈性模量怎樣受溫度，相變，合金成分與組織以及加工硬化的影響

彈性模量是工程材料重要的性能參數，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。凡影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結構、化學成分、微觀組織、溫度等。因合金成分不同、熱處理狀態不同、冷塑性變形不同等，金屬材料的楊氏模量值會有5%或者更大的波動。但是總體來說，金屬材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學性能指標，合金化、熱處理（纖維組織）、冷塑性變形等對彈性模量的影響較小，溫度、載入速率等外在因素對其影響也不大，所以一般工程應用中都把彈性模量作為常數。

❺ 根據金屬學和釺焊原理，從微觀結構和組織上論述釺焊材料為什麼大多數為多元合金

釺焊必須保證釺焊接頭與母材能夠匹配，盡可能讓接頭的組織，性能與母材一致。為了保證材料具有足夠的強韌性，就需加入一些合金元素以起到強化的作用。所以在選擇設計釺焊材料時盡可能讓釺料與母材成分一致。然而釺焊是一個整體加熱過程，但同時要求釺料熔化，但木材不熔化，所以需加入一些降熔點元素。

❻ 金屬沒有大腦，怎麼會有記憶能力呢請你從微觀的角度解釋其奧秘。

你好，你題的問題也很多人所想知道的。所謂的記憶金屬是指一系列具有「記憶」的金屬及合金。這中的記憶是金屬形變以後，在一定的外在作用下，如高壓，高溫，低溫，通電等特殊條件下，可恢形變以前的狀態復到它。記憶金屬的應用極廣，比如你所說的那種鈦鎳合金，它所有的性質便是隨溫度變化而變化。從微觀角度說，記憶金屬的原子（金屬由原子夠成，不是離子或分子構成）在空間結構上具有獨特的構形，在外力改變其宏觀形態後，又在一定條件下，可能其空間結構會回復。但是記憶金屬的「記憶」也有限，如果外力改變它的形狀，導致原子間的作用力過於微弱，可能條件改變後也無計於事了。
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❼ :點陣、晶粒、晶格、晶體之間有什麼區別

1、含義不同

點陣：晶體的基本特徵是其內部結構的周期性，那麼很自然就應當把原子排列與空間的網點陣列聯系起來。其中的網點陣成為點陣。

晶粒：結晶物質在生長過程中，由於受到外界空間的限制，未能發育成具有規則形態的晶體，而只是結晶成顆粒狀，稱晶粒。

晶格：把原子看成是一個球體，則金屬晶體就是由這些小球有規律堆積而成的物體。將原子簡化成一個點，用假想的線將這些連接起來，構成有明顯規律性的空間格架。這種表示原子在晶體中排列規律的空間格架叫做晶格，又稱晶架。

晶體：是由大量微觀物質單位（原子、離子、分子等）按一定規則有序排列的結構，因此可以從結構單位的大小來研究判斷排列規則和晶體形態。

2、宏微觀層次不同

點陣就是晶粒熱運動在某個范圍內振動，是從微觀的角度解釋的；

晶粒是組成晶體的最小顆粒，是從微觀的角度解釋的；

把晶粒理想化，它排列均勻，每個晶粒所佔的位子及周圍的稱為晶格，是從微觀的角度解釋的；

晶體就是我們肉眼看到的，金屬和合金固態下都是晶體，晶體有固定的熔點，是從宏觀的角度解釋的。

3、特點不同

點陣中各個點的環境是彼此相同的，晶粒的內部晶胞方向與位置基本一致而外形不規則；晶格排列均勻，內部規整；晶體內部由各個晶格組成，晶體內部各個部分的宏觀性質是相同的。

(7)如何從微觀角度闡述合金擴展閱讀：

晶體的特點

晶體的分布非常廣泛，自然界的固體物質中，絕大多數是晶體。氣體、液體和非晶物質在一定的合適條件下也可以轉變成晶體。

1、長程有序：晶體內部原子在至少在微米級范圍內的規則排列。

2、均勻性：晶體內部各個部分的宏觀性質是相同的。

3、各向異性：晶體中不同的方向上具有不同的物理性質。

4、對稱性：晶體的理想外形和晶體內部結構都具有特定的對稱性。

5、自限性：晶體具有自發地形成封閉幾何多面體的特性。

6、解理性：晶體具有沿某些確定方位的晶面劈裂的性質。

7、最小內能：成型晶體內能最小。

8、晶面角守恆：屬於同種晶體的兩個對應晶面之間的夾角恆定不變。

❽ 化學問題。從微觀的角度解釋一下。謝謝。

鈍化dùn huà 英文表示Passivation; Inactivation; Deactivation 金屬由於介質的作用生成的腐蝕產物如果具有緻密的結構，形成了一層薄膜（往往是看不見的），緊密覆蓋在金屬的表面，則改變了金屬的表面狀態，使金屬的電極電位大大向正方向躍變，而成為耐蝕的鈍態。如Fe→Fe＋＋時標准電位為－0.44V，鈍化後躍變到＋0.5～1V，而顯示出耐腐蝕的貴金屬性能，這層薄膜就叫鈍化膜。 金屬的鈍化也可能是自發的過程(如在金屬的表面生成一層難溶解的化合物，即氧化物膜)。在工業上是用鈍化劑(主要是氧化劑)對金屬進行鈍化處理，形成一層保護膜。 編輯本段機理概述 我們知道，鐵、鋁在稀HNO3或稀H2SO4中能很快溶解，但在濃HNO3或濃H2SO4中溶解現象幾乎完全停止了，碳鋼通常很容易生銹，若在鋼中加入適量的Ni、Cr，就成為不銹鋼了。金屬或合金受一些因素影響，化學穩定性明顯增強的現象，稱為鈍化。由某些鈍化劑（化學葯品）所引起的金屬鈍化現象，稱為化學鈍化。如濃HNO3、濃H2SO4、HClO3、K2Cr2O7、KMnO4等氧化劑都可使金屬鈍化。金屬鈍化後， 其電極電勢向正方向移動，使其失去了原有的特性 ，如鈍化了的鐵在銅鹽中不能將銅置換出。此外，用電化學方法也可使金屬鈍化，如將Fe置於H2SO4溶液中作為陽極，用外加電流使陽極極化，採用一定儀器使鐵電位升高一定程度，Fe就鈍化了。由陽極極化引起的金屬鈍化現象， 叫陽極鈍化或電化學鈍化 。 金屬處於鈍化狀態能保護金屬防止腐蝕，但有時為了保證金屬能正常參與反應而溶解，又必須防止鈍化，如電鍍和化學電源等。 金屬是如何鈍化的呢？其鈍化機理是怎樣的？首先要清楚，鈍化現象是金屬相和溶液相所引起的，還是由界面現象所引起的。有人曾研究過機械性刮磨對處在鈍化狀態的金屬的影響。實驗表明，測量時不斷刮磨金屬表面，則金屬的電勢劇烈向負方向移動，也就是修整金屬表面可引起處在鈍態金屬的活化。即證明鈍化現象是一種界面現象。它是在一定條件下，金屬與介質相互接觸的界面上發生變化的。電化學鈍化是陽極極化時，金屬的電位發生變化而在電極表面上形成金屬氧化物或鹽類。這些物質緊密地覆蓋在金屬表面上成為鈍化膜而導致金屬鈍化，化學鈍化則是像濃HNO3等氧化劑直接對金屬的作用而在表面形成氧化膜，或加入易鈍化的金屬如Cr、Ni等而引起的。化學鈍化時，加入的氧化劑濃度還不應小於某一臨界值，不然不但不會導致鈍態，反將引起金屬更快的溶解。 金屬表面的鈍化膜是什麼結構？是獨立相膜還是吸附性膜呢？ 目前主要有兩種學說，即成相膜理論和吸附理論。 成相膜理論 認 為，當金屬溶解時，處在鈍化條件下， 在表面生成緊密的、復蓋性良好的固態物質 ，這種物質形成獨立的相，稱為鈍化膜或稱成相膜， 此膜將金屬表面和溶液機械地隔離開 ，使金屬的溶解速度大大降低，而呈鈍態。實驗證據是在某些鈍化的金屬表面上，可看到成相膜的存在，並能測其厚度和組成。如採用某種能夠溶解金屬而與氧化膜不起作用的試劑，小心地溶解除去膜下的金屬，就可分離出能看見的鈍化膜，鈍化膜是怎樣形成的？當金屬陽極溶解時，其周圍附近的溶液層成分發生了變化。一方面，溶解下來的金屬離子因擴散速度不夠快（溶解速度快）而有所積累。另一方面，界面層中的氫離子也要向陰極遷移，溶液中的負離子（包括OH-）向陽極遷移。結果，陽極附近有OH-離子和其他負離子富集。隨著電解反應的延續，處於緊鄰陽極界面的溶液層中，電解質濃度有可能發展到飽和或過飽和狀態。於是，溶度積較小的金屬氫氧化物或某種鹽類就要沉積在金屬表面並形成一層不溶性膜，這膜往往很疏鬆，它還不足以直接導致金屬的鈍化，而只能阻礙金屬的溶解，但電極表面被它覆蓋了，溶液和金屬的接觸面積大為縮小。於是，就要增大電極的電流密度，電極的電位會變得更正。這就有可能引起OH-離子在電極上放電，其產物（如OH）又和電極表面上的金屬原子反應而生成鈍化膜。分析得知大多數鈍化膜由金屬氧化物組成（如鐵之Fe3O4），但少數也有由氫氧化物、鉻酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽及難溶硫酸鹽和氯化物等組成。 吸附理論 認 為，金屬表面 並不需要形成固態產物膜才鈍化 ，而只要表面或部分表面形成一層氧或含氧粒子（如O2-或OH-）的吸附層也就足以引起鈍化了。這吸附層雖只有單分子層厚薄，但由於氧在金屬表面上的吸附，改變了金屬與溶液的界面結構，使電極反應的活化能升高，金屬表面反應能力下降而鈍化。此理論主要實驗依據是測量界面電容和使某些金屬鈍化所需電量。實驗結果表明，不需形成成相膜也可使一些金屬鈍化。 兩種鈍化理論都能較好地解釋部分實驗事實，但又都有成功和不足之處。金屬鈍化膜確具有成相膜結構，但同時也存在著單分子層的吸附性膜。目前尚不清楚在什麼條件下形成成相膜，在什麼條件下形成吸附膜。 兩種理論相互結合還缺乏直接的實驗證據，因而鈍化理論還有待深入地研究。

❾ 合金化是什麼

提高鋼的強度既簡便又便宜的方法是增加碳含量。然而，這種方法使其他所希望的性能遭到消弱，如成型性，焊接性，韌性和其他一些性能。幾個性能都重要的情況下的幾種應用，碳含量必須保持在低水平。在低碳鋼中為了獲得高強度並同時保持高水平的綜合性能最經濟的方法是應用微合金化技術。

為什麼要高強度

應用高強度鋼可以降低板厚度從而在許多應用中降低重量。在汽車工業，車體減輕可以節省燃油從而保護環境（減少排氣量）。在造船工業，船體減輕可以裝載更多的貨物。圖3顯示的是管道在管線結構中的應用。對於一個18m長，外徑1000mm的管道，當用高強度鋼X70代替低強度鋼時其重量可以從14t降低到6t。另一個重要的例子是民用建築，如圖4所示，的建築形式，用460MPa的高強度鋼代替低強度鋼（235MPa）可以節省材料40%，重量降低超過50%，焊接材料可以節約超過70%。
微合金化的效果

圖5表明了主要微合金化元素Nb，V和Ti對提高強度和韌性的作用以及其強化機理。這三個元素均是通過細化晶粒和沉澱強化提高強度，但每種機理強化程度不同。Nb具有最強的晶粒細化強化效果，而V具有最強的沉澱強化效果，Ti介於上述兩者之間。如圖6所示，晶粒細化是唯一的能夠同時提高韌性的強化機理。因此，當同時需要高強度和高韌性綜合性能時就需要添加鈮，譬如管線鋼和結構鋼。在圖5中還可以反映出鈮是經濟有效的。如要使低碳鋼的屈服強度提高100MPa，需要添加0.02%的鈮，而釩則需要添加兩倍的量。

鈮的晶粒細化引起的強烈效果與其在軋制時通過固溶，特別是碳氮化鈮析出延遲奧氏體再結晶有關系。圖7顯示了分別含Nb，V，Ti鋼的效果。鈮阻止在軋制最後階段奧氏體的再結晶，促進了扁平晶粒的變形，從而導致非常細的鐵素體晶粒。

鈮的另一個重要影響是在中低碳鋼中降低轉變溫度促使貝氏體組織的形成，這一研究已經比較多了，如圖8所示。降低轉變溫度是由於在軋制過程中仍有一部分鈮留在固溶體中而沒有發生沉澱反應。這一效果在同時加入Nb和Mo或同時加入Nb和B時由於協同作用而加強，如圖所示。其中一個實際例子是X80管線鋼，鐵素體-低珠光體組織在得到韌性要求的同時卻達不到強度級別。

微合金化不僅僅對軋制產品有作用。V可以在熱處理級別鋼種提高強度，而鈮可以細化晶粒。如圖9所示，在正常熱處理之後，鈮明顯的細化了晶粒。

為了得到所希望的高水平性能，在煉鋼時很好的控制雜質含量如S、N、P等也是非常重要的，特別是對需要高韌性的板材產品。圖10表明了S是如何影響沖擊性能的。為了把S含量控制在低的水平，應用硫化物形狀控制（通常用鈣處理）對於避免生成對橫向韌性有損害的延長硫化鎂是非常重要的。

如圖11所示，氮對熱影響區的韌性的損害是非常大的，因此低氮是值得提倡的。這一損害可以用鈦固定游離的氮以降低其影響。氮化鈦在高溫時非常穩定，因此它可以阻止晶粒的增長。圖12顯示了鈦固氮處理提高熱影響區韌性的益處。然而用鈦需要很好的控制手段。加入到鋼中的鈦的量要以固定氮所需要的量為上限。如果多加了鈦將促使形成碳化鈦，這樣對熱影響區的韌性有損害，如圖13所示。氮對焊接金屬的韌性也是有影響的，如圖14。
板材產品的微合金化
板材產品方面的技術進展可以作如下描述：

50年代後期： Nb的引入
60年代： 控制軋制的試驗探索
70年代： 全面實行微合金化和控制軋制
80年代： 實行加速冷卻
90年代： 實行直接淬火
圖15表示的是微合金化元素Nb、V和Ti在不同的冷卻工藝下在板材中的強化效果，Nb的提高強韌性的效果尤為突出。
微合金化板材有著非常廣泛的應用，如管線鋼，造船鋼，海洋平台，民用建築（橋梁、高架橋，建築）以及其它領域。

如表1所示，管線鋼產品的發展，表明雖然碳的含量在不斷降低，但其強度卻在增加，這一原因前面已經說明。提高到X80級的產品已經進行商業生產，一些鋼鐵公司已經開發了X100級別。提高抗氫致裂紋需要更嚴格的煉鋼工藝並需要非常低的碳和硫含量，如表2所列的工業產品。

最後，表3對幾種管線鋼進行了總結，包括熱軋和爐卷產品。在表中我們可以注意到一些鋼中的含鈮量高於正常情況的含鈮量，在0.07~0.09%之間。這些鋼最近幾年在北美已經進行商業生產。高鈮含量可以把奧氏體再結晶延遲到更高的溫度（如圖7所示），這使控軋工藝更加寬松，如高的終軋溫度，這對有功率限制的鋼板軋機是有益的。而且，這些超低碳高Nb鋼具有非常好的韌性特性。

對於海洋平台和造船業來講，自70年代以來的趨勢是降低含碳量，特別是在高焊接工作量並需要提高焊接性能的情況下。表4顯示的是分別通過正常的熱處理和加速冷卻工藝生產的335MPa級的典型的化學成分。

在民用建築方面，圖16表明了在瑞典現代橋梁應用的高強度微合金化鋼。用高強度鋼，屈服強度460MPa級，熱機械工藝（TMCP）可以降低重量15，000t，降低費用2500萬美元。表5顯示的是50mm厚結構板材產品典型的化學成分，工藝分別為正常情況（N），控軋（TM），淬火和回火（QT），熱機械工藝（TMCP）和直接淬火（DQ）。最近幾年，安全防火變得越來越重要。如圖17所示，防火結構鋼已經發展起來，該鋼添加Nb和Mo以提高高溫強度。
汽車工業用熱軋和冷軋薄鋼板

在70年代初第一次石油危機之後，微合金化熱軋和冷軋薄鋼板在汽車工業獲得了廣泛應用。用高強度鋼代替低強度鋼過去是現在依然是降低汽車車重的有效方法，以節省燃料。安全方面的需要也激發了高強度鋼的應用。
熱軋薄鋼板

熱軋低合金高強度鋼（HSLA）薄鋼板主要用於卡車的底盤部分，也用於大客車的車輪，輪轂等部件。傳統的屈服強度水平在350MPa到550MPa之間，具有鐵素體加少量珠光體組織。表6列出了一些典型的化學成分。過去，這些鋼也用Ti作為主要微合金化元素來生產，尤其是在過去鋼的含硫水平比較高。加入鈦的另外一個主要作用是控制硫化物的形狀。但是由於其碳化物形成的動力學原因，軋制工藝十分復雜，大部分情況下是不允許的，以避免出現典型的最終產品性能大范圍的分散，圖18。在鐵素體-少量珠光體鋼中，當薄板的厚度方向需要使用兩種微合金化元素來獲得更高的強度時，Nb和V的結合將使性能分散范圍小些。以上考慮涉及到Ti的碳化物沉澱強化作用。如果只用來固定N，則Ti很有效。在含Nb鋼中，強度進一步提高，因為更多的Nb將使鑄造性能也得到改善。

最近，開發出690MPa級卡車大梁用鋼，它利用了在由熱帶軋機直接軋出的貝氏體鋼中所有的強化機理，圖19。表7列出了兩種歐洲產品的合金設計。

鐵素體-貝氏體鋼，含10~30%的貝氏體，用於車輪、輪轂和底盤，它比鐵素體-珠光體鋼具有更優越的凸緣壓邊延伸性能。與鐵素體-馬氏體——雙相鋼相反，當焊接的輪轂輪箍被拉伸時，使用這種鋼不會出現局部頸縮。如圖20所示，當合金設計、軋制參數——卷取溫度——得到控制從而第二相主要為貝氏體相時，就可達到強度和成型性的最優配合。
冷軋薄鋼板

傳統的微合金高強度冷軋薄板用鋼在汽車工業已使用了25年，但部分汽車零件不需要高的成型性。圖21顯示了罩式退火鋼板的典型化學成分。傳統的微合金鋼也可在連續退火線上生產，此時，對於給定的鋼種，可以獲得更高的強度。例如，如圖22所示的用於汽車側擋板的雙相鋼。
更復雜形狀的產品——汽車車體（integrated
panels）的開發以及傳統鋼達不到罩式退火同樣的成型性而引入連續退火生產薄鋼板，需要開發一種新的類型鋼，即無間隙鋼——超低碳IF鋼。

無間隙鋼添加Ti、Nb或Ti+Nb生成無間隙原子。尤其在鍍鋅產品中，TiNb無間隙鋼可獲得最優配合的機械性能以及更好的表面質量，如圖23、24、25、26、27、28所示。僅添加Ti的無間隙鋼易於產生表面缺陷。

匹茲堡大學的最新研究工作已經表明，當鈮在鐵素體晶界溶解時，它能起到重要的作用。晶界處溶解的鈮改善冷加工脆性，並能降低鍍鋅產品的粉化趨勢。
用於鍛造的微合金鋼

微合金化技術在鍛造汽車零件鋼中的應用允許除掉傳統的淬回火熱處理生產汽車零件，從而顯著節省生產成本。表8列出了一些在市場上出現的鋼種。

現已生產了僅含微合金元素V、僅含Nb以及Nb、V復合微合金鋼。研究表明，復合添加Nb和V對提高強度比單獨添加這兩種微合金元素中的任何一種更有效。Nb提高了V的析出潛能。

在這種產品上，最新成果包括有直接淬火（馬氏體）或空冷獲得的低碳馬氏體+貝氏體或貝氏體鋼，它們表現出韌性得到改善。表9給出了一個例子。
高強度緊固件與懸掛彈簧

傳統的冷鍛高強度緊固件用鋼為中碳鋼，由淬回火得到最終產品所需的性能。用低碳微合金鋼替代中碳鋼，不需要熱處理就能得到最終所需的機械性能，並且消除了在收線過程中的中間球化處理。表10給出了8.8級鋼（鐵素體—珠光體）與10.9級鋼（鐵素體—貝氏體）的化學成分。

懸掛彈簧是另一種使用微合金化技術而達到減重的產品。北美生產出熱處理後抗拉強度為2000MPa級、HRc為53-55的鋼。化學成分與機械性能在表11中列出。
滲碳鋼

在滲碳處理鋼中，尤其在溫鍛條件下，晶粒非正常長大較為普遍。這些鋼中加入鈮抑制晶粒非正常長大，這項技術已在日本使用多年，最近在北美也取得應用。微合金元素添加到這些鋼中而帶來的另一個好處是通過更高的加熱溫度而有可能減少滲碳時間。鈮的加入抑制晶粒長大，因而使在更高溫度滲碳成為可能。
結構用型鋼

在結構用型鋼技術上的最新主要進展是僅使用一種化學成分就可滿足幾種技術條件的含鈮結構型鋼/橫梁鋼已工業化。這種由Chaparral鋼鐵公司開發的「多級別」鋼，典型的成分僅含0.01-0.02%Nb（目標為0.015%），這足夠將ASTM
A36的屈服強度提高到345MPa以上而抗拉強度限制在550MPa以下，從而既能滿足ASTM A36又能滿足 ASTM
A572-50的技術條件。鈮是選擇性添加微量元素，因為為了滿足50級鋼的最低屈服強度要求，可能要多添加一些V，為0.02-0.03%（與0.015%Nb相比），這會提高結構型鋼的抗拉強度，使它接近或超過550MPa，而當滿足A572-50的技術要求時，又超過了A36所允許的要求。其它ASTM鋼的技術要求可由A572-42、A572-50、A529-42、A5290-50、A709-36與A709-50等多級別鋼滿足。
鋼筋

該產品用於大型混凝土結構以提高抗拉能力。大直徑高強度級別鋼筋添加了V和Nb。一些現代軋鋼廠採用水冷技術取代微合金化提高強度。圖29為V和Nb在焊接用鋼筋中的強化效果。
世界微合金化鋼的發展

世界微合金化鋼的發展可由Nb的總消耗量來描述，因為Nb是一種主要微合金化元素，並且75%的Nb用於微合金化鋼，見圖30。70年代Nb的消耗量急劇上升。當時控軋工藝在全世界范圍內被採用，同時汽車工業使用量也在增加。80年代是穩定期，但微合金化鋼產量繼續增加。Nb消耗量的穩定是因為鋼鐵廠效率的提高，如連鑄設備的安裝、加速冷卻，對給定量的最終產品，這可節省原材料。然而在Nb消耗量達到飽和點後，在90年代Nb的需求又顯著增加。這是受許多重要的鋼鐵公司產品結構調整的影響，他們的品種集中在附加值產品，包括微合金化鋼。圖31很好的顯示出在歐洲微合金化鋼增加情況。從圖中明顯看出，在該地區，與粗鋼相比，FeNb的消耗量顯著增加。在歐洲，每噸鋼中的FeNb為60g。

除了微合金鋼產量增加外，Nb使用領域也在增加。如圖32所示，在70年代中期，Nb主要用在管線鋼產品。為開發該產品中而發展起來的微合金化技術在隨後的時間里被應用在其他領域，如該圖所示的2000年情況。
結論
微合金化技術是一條生產高強度和其它所需性能的高質量產品的經濟有效途徑。
世界范圍內的微合金化鋼的產量不斷增加。新的鋼種已開發出來，並應用在許多領域，保持著鋼在材料領域的良好競爭能力。

❿ 為什麼合金的硬度大於其任一組分的純金屬

合金中含有多種組元，如鋼是c、n、ni、cr等元素溶解在鐵中而形成的，而這些元素在鐵溶解對鐵基體中形成固溶體，對基體會有強化作用，（用材料學的觀點來解釋就是固溶強化），其強度硬度都比構成基體的任意一種金屬高。
ps：單一的金屬是一種組元，而合金是多種組元。
留言者:澤鳴。