七、新型高弹性材料 1、复合高弹性材料
复合高弹性材料是来取不同的方法将两种或多种材料复合起来的新型弹性材料，这类材料具有任何一种单一材料所无法比起的优异性能。特别是在强度和比弹性模量（弹性模量和密度的比值E/P）方面具有很高的数值，可以满足空间技术和深水开发等对材料提出的越来越高的要求，近十多年来欧美各国，日本，澳大利亚和原苏联都做了大量研究工作，复合弹性材料可以分为三大类。
第一类是纤维强化型复合弹性材料，它是在较软的基体（如金属、合金）中加入一种强度高、比重轻，基本上不溶解的纤维状第二相材料制作而成，这类材料的特殊性点是强度高，弹性好，比重小，并具有良好的高温特性，特别适用于重量小的场合，如空间技术等，用作纤维的材料有铝，铍，氧化铝，氧化铍，石墨等。1963年英国制成一个高强度，高弹性石墨纤维复合弹性材料，通常是用模锻和热压的方法来制造石墨纤维在钴和镍中的复合材料，近几年这类材料发展很快。 第二类是复合弹性材料，这类材料是利用两层或多层金属迭合而成，它综合了每一组元材料的优点，从而得到单层金属或合金难以或不能达到的性能，例如原苏联在1969年研制出用弹性较高的而耐蚀性一般的2N702与耐蚀性较好，但弹性较低的2N943复合成兼有较高弹性和耐蚀性的复合弹性材料，由于复层弹性材料具有较高难度的综合性能，使它们在工程上的应用日趋广泛。
第二类是粒子强化型复合弹性材料，其制造方法是用机械的方法（不是合金他方法）使微小的粒子分散于较软的基体中，这类弥散的微小粒子阻碍了晶体中位错的移动，而使金属或合金获得了强化，这种微小粒子硬度高，且难熔的氧化物和金属间化合物为佳，例如在铜合金中加入不溶解的铅粒，以利于切削和轴水间滑。在韧性基体中加入Cr、W、Mo等的微小粒子可以制取耐高温的高弹性材料。 2、磁——弹性合金
磁——弹性合金的特点是既具有高的弹性，又具有一定的磁性能，这类材料是七十年代初期为适应自动控制系统发展的需要，而研制开发出果的，为了提高压力仪表的计量精度，七十年代开始采用电磁传感器代替压力传感器，由磁传感器是通过膜片产生微量位移，使磁通量变化而输出仪号的，因而要求膜片材料既具有高的弹性，小的弹性后效，又具有高的磁导率和小的磁导率温度系数。
世界上最早研制开发——弹性合金并付诸应用的国家是美国和日本，这两个国家在七十年代初期就先后研制出各自不同成分的磁——弹性合金，其中，日本研制的是Fe-17Cr-4.5Ni-0.3Ti合金，该合金具有高饱和磁感，低矫顽力和良好的弹性，合金经85%的冷塑性变形并在450℃四火处理后，获得如下性能：磁感应强度B1989=1.35T，矫顽力Hc=770A/m，弹性极限?e=1226MPa，已用于电子交换要上的自动开类弹簧，美国为解决宇航动力微型发电机转子材料，研制了一系列磁——弹性合金，例如Fe—30Co—12Ni—3Ta—1W—0.4Ti—0.4Al合金，其B1989=1.82T,矫顽力Hc=2172.47A/m，层服极限?s=1236MPa。 我国为了满足电磁传感器时膜化材料的要求，在七十年代也开始了对磁——弹性合金的研制开发，各单位研制的合金成分不尽相同，其相应的性能也各有差异，较典型的化学成为：≤0.05%C、14-20%Cr、6-10%Ni、1-5%Co、2-4%Mo、1%Al，余铁，此合金经950℃，水冷的固溶处理后，再经70-80%的冷变形和500℃、1小时后的面火后，其主要性能如下：
?b?1216MPa??6.5%,Hy=495、E=216000MPa，B3979=1.32T、Hc=665A/m,磁导率温度系数0.065%(室外温-100%)。这个合金还具有良好的加工性能和耐蚀性。 §3恒弹性合金 §3恒弹性合金 1、概述
一般金属的弹性模量E和G随温度的升高而降低，相应的弹性模量温度系数e=dE/EdT和
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g=dG/GdT为1×10-4/℃数量级，恒弹性合金的特点是在一定的温度范围（如-60-+100℃）内，其E或G以及可制得元件的共振频率fo基本不随温度而变化，相应的e或g值及频率温度系数βf（βf=df/fodT）≤2×10-5/℃。这使恒弹性合金在仪四仪表，通讯、计量等领域中获得了广泛的应用。
弹性模量温度系数e与切变模量温度系数g是有区别的。
?G?E
2(1??)?2G12EE2??(?) 2T2(1??)2T1??2T2G2E2? ??G2TE?T(1??)2T2?
(1??)2T?即：g?e?可见，e与g的差异材料的泊桑比μ的温度系数有关，通常，μ随温度外高而增加，即2μ/2T＞0，故g＜e，只有某些特殊合金才有2μ/2T=0，此时g=e。
弹性元件在工作过程中的受力情况是不相同的，对于承受拉应力的弹性元件中，应对e提高要求，而对于承受切应力的弹性元件，则应对g提高要求，特殊情况下对二者均提出要求。 弹性模量随温度升高而增加的现象称为弹性反常，若在某一温度区间，弹性反常能补偿正常的弹性模量随温度升高的降低值，则可在该温度区间获得恒弹特性，制得恒弹合金。 依据弹性反常的本质可把恒弹性合金分成以下几类： 由物质磁性导致的反常
Invar反常型：如Fe—Ni系（3J53、Ni-Spanc）Co—Fe系（Co—Elinvar）恒弹性合金。 铁研——顺磁转变型：如镍基恒弹性合金。
反铁研——顺磁转变型，如锰，铬基和Fe-Mn系恒弹性合金。 由各向异致的弹性反常，如铌，钯基恒弹性合金。
由有序——无序转变导致的弹性反常，如Ni—Ti金属间化合物型恒弹合金。
上述各类恒弹性合金中，只有Invar反常型恒弹合金，因具有性能对成份不太敏志，加工性好，价格适当，性能稳定性好等特点，而获得广泛的应用，本节将予以详述。 具有Invar反常的铁研性合金，在居里温度以下，其弹性模量E可表示为： E=EP+△E
其中EP为顺磁状态时该温度下的弹性模量，可由居里温度以上顺磁状态下的弹性模量外推得出；而△E则为铁磁性对弹性模量的贡献。 △E=△EW+△EA+△Eλ
其中，△EW为力致体积磁致伸缩导致弹性模量的变化，△EA为与本征磁过程相关的自发体积磁致伸缩导致弹性模量的变化，△Eλ为致线磁致伸缩导致弹性模量的变化，Invar反常型合金中△EW与△EA比一般铁磁性材料大得多。
于是，Inavar反常型恒弹性合金是借成份和工艺的调态，使△E和EP的温度关系得以互相补偿而获得恒弹性特性的，见示意备。
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涂恒弹性以外，恒弹性合金还应具有其他性能，例如，静态应用的恒弹性合金应具有高的弹性限，小的非弹性行为（见表），音叉，滤波四振子用的恒弹合金应具有高的值；换能四，耦合丝用的恒弹合金应当具有Q值低。此外，无论动、静态应用的恒弹合金的均应具有塑性好，而加工，有一定的耐蚀性等综合性能。
值得注意的是，恒弹性合金的应用要求具性能有良好的一致性和时间稳定性，与之相应，对恒弹性合金的冶炼，加工和热处理都提出了十分严格的要求，这是恒弹性合金的一个显著特点。
2、Fe-Ni系恒弹必合金
Invar反常型恒弹性合金中，Fe-Ni系恒弹性合金获得了最广泛的实际应用。 Fe-Ni二元素合金的e值与镍含量的关系如备，可示。
备：Fe-Ni二元素的e值与镍含量关系以铬的影响（b）。
由备可见，当含 镍28%和44%时，Fe-Ni合金具有恒弹特性，但e值对镍含量的微小波动十分敏志，难以制成工业应用的合金，为此，首先加入第三元素铬以克服上述不足（见备），从而出现了最早的Fe-Ni系恒弹合金Elinvar。Elinvar的名义成份为Fe-36%Ni-12%Cr。该合金的缺点为强度偏低。
为提高强度，开发了一系列弥散强化型Fe-Ni系恒弹性合金，它们又可以分为两大类。一类
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为碳化物理化型，借助合金中Mo、Cr、W等元素在时效时析出的M7C3型碳化物强化，典型牌号为Ni35MoCrW(3J51)。这类合金需通过大冷变形量促进碳化物析出，故塑性偏 低，只能以带材，丝材的形成使用，不能制成形状复杂的弹性元件，另一类为金属间化型，借助时效时析出Ni3(Ti Ae)型r’——相强化，典型牌号为3J53（Ni-Spanc）。该类合金在固溶状态下具有好的塑性，可冷冲压成复杂形状的弹性元件，再经适当的时效处理可获得相当高的强度，Q值和小的弹性滞后，同时还可将e或g调压零值附近，因此得到了广泛的应用。
常用Fe-Ni系恒弹性合金的牌号和化学成份见表。
现以3J53（Ni-spanc）合金为例对金属间化合物型值恒弹性合金做一简单介绍。 按GBn220-84,3J53合金的成份为（wt%;(≤0.05)；≤0。08，si，Mn，41.5-43.0Ni,5.20-5.80Cr,2.30-2.70Ti,0.50-0.80Al余铁， 合金中主要元素的作用如下：
镍；铁共同形成Invar反常材料，是产生恒弹性特性的基础，时效时析出Ni3(TiAe)型r’——相使合金基体中的镍含量降低，由备，b 可见。
表 Fe-Ni系恒弹性合金几种经典牌号的化学成分，wt %
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序号 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 13 14 15 16 17 18
合金牌号 Elinvar Elinvar Extra Elinvar New Motelinvar Isollastic Chronovar 35XHMB Ni 36 42 35 40 36 36 35 Cr 12 5.5 5 6 7.5 9 9 5.2 Ti 2.5 2.3 2.4-3.0 2.2-2.7 2.8 2 1 21 C 0.6 1 0.6 0.1 0.7 1.2 ＜0.06 ≤0.05 ≤0.05 ≤0.03 ≤0.05 0.03 ≤0.02 0.1 0.6 Mn 0.5 1 2 0.6 1.7 0.8 0.4 0.5-0.8 0.5-0.8 0.4 0.8 0.7 0.8 2 0.15 Si 0.5 0.5 0.4 0.4 0.4 0.5-0.8 0.5-0.8 0.4 0.2 0.1 0.2 0.2 Al 0.6 0.4 0.5-1.0 0.4-0.8 0.4 2 Be 1 0.7 0.8 ＜1 Mo 1.5 0.5 0.5 2 6 10 2.2 8-10 W 2 3 0.7 3.2 Fe 其余 Cu:0.2 Nb:3.8 V:4.2 3J53NiSpan C 42 3J5342HXT10 41.5-43.5 5.1-5.9 3J5844HXT10 43.5-45.5 5.2-5.8 Ni Span D Nivarox Nivarox M Nivarox CT Vibralloy 3J57 Duriuval Isoval Thermelast 42 37 31 37 40 42 30 42 6.5 8 30