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1、第四章、有色金属及其合金第一节、铝及其合金 铝合金在航空工业中用得很多，很广。例如某型号飞机上约55%的零件是铝合金制造的。飞机的蒙皮、骨架几乎全部使用高强度铝合金制造；大量的附件，如各种泵的壳体，多是用铝合金铸成；航空发动机的机匣、压气机叶片等很多也是用耐热铝合金制造的。为什么铝合金在航空工业上用得如此之多呢？这是由于铝合金具有的特点，特别符合航空工业要求：比强度高、比刚度大，相当于高强度钢和超高强度钢的水平（表4-1）；同时铝合金抗腐蚀性能好、工艺性能良好。,一、纯铝的特点 铝是地壳中蕴藏最丰富的元素之一。我国铝的储量占世界第二位，这是我国发展铝加工业的有利条件。纯铝具有如下特点：熔点66
2、0，具面心立方点阵，无同素异构转变，所以铝合金的热处理机理和钢不同。由于具有面心立方点阵，故其塑性好（=32-40%，=7090%），适合于各种冷、热压加工。铝合金比重小、约相当于铁的1/3；具有良好的导电性，相当于钢的60%；具有良好的导热性。铝在空气中易于同氧发生作用而生成一层致密的氧化铝（Al2O3）薄膜，它可以保护其内部免受腐蚀，因而铝在大气中的抗蚀性较高。纯铝强度不高，大约在80-100MPa，但塑性极好。,铝的纯度对其工艺性能和使用性能影响显著：铝中最有害的杂质是铁和硅，在铝中主要以游离硅Si和FeAl3、Fe2SiAl7、FeSiAl3化合物等夹杂物相存在。这些夹杂在铸铝中通常以
3、片状或针状形态存在于晶界处，使铝的塑性急剧下降；同时，由于它们和铝构成微电池，也使铝的抗蚀性下降。纯铝材料按纯度可分为三类：（1）高纯铝（纯度99.9399.99%），牌号有L01、L02、L03、L04等四种。编号越大，纯度越高。高纯铝主要用于科学研究和制作电容器等。（2）工业高纯铝（99.8599.9%），牌号有L0、L00等，用于制造铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。（3）工业纯铝（98.099.0%），牌号有L1、L2、L3、L4、L5等。编号越大，纯度越低。工业纯铝主要用于制造电线、电缆、器皿及配制合金。,二、铝合金：铝合金品类很多，性能和用途也不一样。按加工方法可分为两大类：(1)变形
4、铝合金:冶炼厂将合金浇注成锭，再轧制成板材、棒材、管材、线材。(2)铸造铝合金:熔化后直接浇注成毛坯。据相图对铝合金类别可大致进行判断：成份位于B点以左合金，属变形铝合金，它是单相固溶体，塑性变形能力好，适于冷、热压力加工。近年来，随着技术的发展，变形铝合金成分已扩至F点。变形铝合金又分热处理不可强化的和可热处理强化的合金。合金成分小于D点的合金，其固溶体成分不随温度而变化，所以不能用热处理强化。合金成分位于DF之间的合金，其固溶体成分随温度而改变，因而能用热处理方法来强化。成分位于E点以右合金，属铸造合金，组织中含低熔点共晶，流动性好，宜于铸造。,根据铝合金各自的特性，还可进一步分类，见表4
5、-3。铝合金的编号采用汉语拼音加顺序号:铸造铝合金ZL表示，后跟顺序号，如ZL101，ZL104等。防锈铝用LF表示，后跟顺序号，如LF5。硬铝、超硬铝、锻铝分别用LY、LC、LD表示，后跟顺序号，如LY12、LC4、LD5。在变形铝合金的牌号后有时还附加各种字母来表示合金的加工和热处理状态。,三、铝的合金化特点 纯铝虽具有许多优异性能，但其强度很低，不能作为受力结构材料使用。为此，必须进行合金化，即向铝中加入一定的合金元素，配制成强度较高的合金。铝经过适当的合金化后，再进行时效强化处理（即淬火+时效），其强度可以得到很大提高。如在铝中加入8%Zn，3%Mg，2.7%Cu，0.4%Mn，及0.
6、2%Cr后再经过适当的热处理如淬火+时效后，强度可达680MPa，比纯铝强度提高了10余倍。为什么通过合金化就能提高铝合金的强度？怎样合金化才能使铝获得高的强度？这需要从合金的组织结构谈起，因为合金性能是由组织结构决定的。合金元素加入到铝中以后，随着加入合金元素的种类不同，可以得到单相组织（即均一的以铝为基的固溶体），或者多相组织（即除以铝为基的固溶体外，还有化合物相或其它第二相）。合金性能决定于合金中固溶体性能、晶粒大小、亚结构（如镶嵌块等），及第二相的性能、数量、大小、形状和分布等。,铝合金常用合金元素有Cu、Mg、Zn、Mn、Si五种，它们主要是通过固溶强化、沉淀强化(即时效强化)，过剩
7、相强化及组织细化来实现对铝的强化作用：（1）固溶强化：对铝固溶强化的先决条件是合金元素在铝中要有一定的固溶度。从各元素与铝形成的二元相图来看，只有8个元素在铝中的极限固溶度大于1%：Zn、Mg、Ge、Cu、Li、Ag、Mn、Si。其中，Ge、Li、Ag为稀贵元素，从经济观点不宜大量采用，因此铝的常用合金化元素是Zn、Mg、Cu、Mn、Si。（2）时效强化：淬火+时效是使铝合金强化的重要手段。只有具备一定条件的铝合金才能通过淬火+时效方法使之强化。首先，合金元素在铝中的固溶度要随温度降低而减小，减小的越多，淬火后获得固溶体过饱和程度越大，时效强化效果就越好。其次,时效强化效果还与过饱和固溶体分解
8、析出的相结构和特性有关。如Si、Al3Mg2相的时效强化效果很差，而Mg2Si、CuAl2()、Al2CuMg(S)、MgZn2以及Al2Mg3Zn3等则是效果极好的强化相。Al-Si二元合金如ZL102合金，溶解度虽有很大变化，但因Si的强化效果不大，所以不能时效强化。而在其中加入微量Mg，此时会形成Mg2Si相，便可通过时效来提高强度。,（3）过剩相强化：在淬火加热时，不能溶入固溶体的那一部分第二相叫过剩相。过剩相能使合金强化，过剩相量越多，合金的强度、硬度就越高，但过剩相量超过一定限度后，会使合金变脆，并使强度降低。铝硅系铸造合金就是主要靠过剩相硅来强化的。（4）细化组织：包括基体晶粒和
9、过剩相细化，是提高合金强度的重要途径。变形铝合金晶粒细化，主要通过变形和再结晶来实现。铸造铝合金晶粒及过剩相细化，则通过改变铸造工艺和加入微量元素来实现。如铝合金中加入微量(0.1%-0.3%)Ti，可细化基体晶粒，提高合金塑性，减少合金热裂倾向；再如在铝合金中加入微量Na、Mn等可细化铸造组织中过剩相如片状Si、针状Fe2SiAl7等。综上所述，为了获得一种性能优异的铝合金，往往需要多种合金元素配合使用，进行复杂合金化。而当掌握了各种合金元素的一般影响规律后，就可根据需要和可能，通过实验和研究，来确定较优的合金成分；反之，也可从既定合金成分出发，来分析、理解其性能变化规律，为制定合理热加工工
10、艺提供理论依据。,四、铝合金的热处理特点 在航空工业中，用铝合金制作的零件，几乎都要经过适当的热处理，以改善其工艺性能和获得最佳的使用性能。如飞机上的各种门框，可采用硬铝LY12板材经落压成型的，其工艺路线如下：下料落压成型退火落锤校正修整、切割余料淬火校正淬火变形检验表面处理装配。可以看出，在门框制造过程中，经过了退火和淬火两道热处理工序。对锻造铝合金，一般都在锻造成型后，进行淬火时效，最后经机械加工而成。热处理工序在整个加工过程中的安排是不同的。有的需要安排退火，有的则不需要；有的在最后成型之后淬火时效处理，有的则将淬火程序安排在成型之前。为此，就要了解有关铝合金热处理的特点，才能合理地制
11、定零件的冷、热加工工艺。在航空工厂中，铝合金通常采用的热处理操作主要有退火、淬火和时效等。,1、铝合金的退火：不论变形铝合金还是铸造铝合金都可进行退火，但是它们采用的具体处理规范及想要达到的目的则有所不同。变形铝合金退火有再结晶退火和消除应力退火（也叫低温退火）及完全退火。铝合金在冷变形过程中会产生加工硬化，这给要求大变形度的半成品在继续变形时带来很大困难，此时半成品合金强度和硬度很高，而塑性极低，继续变形会造成开裂。为了消除加工硬化，提高塑性，则须进行再结晶退火，就是将零件加热到再结晶温度以上，经适当保温后，再在空气中冷却。再结晶退火温度一般在350 450之间。再结晶退火后的半成品适宜于中
12、等变形程度的冷压力加工。如供应型材或板材的半成品是淬火+时效态的硬料，用它来制造形状复杂的零件时，须完全退火使之软化：就是将半成品合金加热到该合金中化合物相强烈溶解的某一温度（一般400450），保温后慢冷到一定温度（250300）后，空冷。经完全退火处理的半成品适宜于变形度很大的冷压力加工。,此外，有些变形铝合金如防锈铝零件，经冷变形后不再进行淬火和时效，为了使其保证一定程度的加工硬化效果，同时又具有一定塑性并稳定零件尺寸，常在最终冷变形之后，进行去应力退火，就是将零件加热到再结晶温度以下某一温度(200300)经适当保温，随后在空气中冷却。再结晶退火和低温退火后合金性能的差别，可以从图4-
13、4中清楚地区分开来。铝合金铸件也采用去应力退火，其目的是消除铸造时的内应力，稳定工件尺寸。,2、铝合金的淬火：铝合金淬火后的性能和钢大不相同。钢经淬火后，其强度和硬度比退火状态提高很多，而塑性却急剧下降。可热处理强化的铝合金在淬火后，其强度和硬度比退火状态仅有微小的提高，但塑性却显著增加。这种差别主要是因为二者在淬火过程中相组织结构的变化不同所造成的。图4-5示意地表示了钢(以0.8%C钢为例)在淬火过程中的组织变化。钢在加热前为珠光体组织，在淬火温度保温后获得奥氏体组织，淬火后得到硬而脆的马氏体组织。因此，合金强度和硬度提高，而塑性下降。,图4-6示意地表示含4%Cu的铝合金在淬火过程中的组
14、织变化：淬火加热之前，铝合金组织为基体和过剩相CuAl2,在加热过程中，CuAl2溶入固溶体，获得过饱和固溶体组织，淬火时，由于冷却速度快，固溶体来不及分解，高温组织被固定到室温，得到过饱和固溶体。硬而脆的CuAl2被溶入固溶体中，因而使塑性显著提高，同时CuAl2的溶入，使固溶体合金化程度提高，因而强度提高。但单纯的固溶体强化效果不大，只有通过时效，才能使合金强度显著提高。铝合金淬火的目的是为了将高温下的固溶体固定到室温，得到均匀过饱和固溶体，以便在随后的时效过程中使合金强化。所以铝合金淬火也叫做固溶处理。,3、铝合金的时效：淬火后的铝合金在室温停留或者加热保温后合金强度和硬度提高的现象。如
15、淬火后的硬铝在不同温度时效时，强度随时间的变化如图4-8所示。把合金在室温中自发强化的过程叫做自然失效。加热后强化的过程，叫人工时效。,淬火和时效是铝合金的强化热处理方法，因而一般情况下，二者被认为是两种相联系的热处理操作。对绝大多数铝合金来说，淬火与其说是强化合金，倒不如说是为强化合金作准备。如4%Cu铝合金，在退火状态下强度为200MPa，经淬火后为240MPa,但在淬火+时效后强度可达400MPa。铝合金淬火后得到的过饱和固溶体是不稳定的，有转变到稳定状态即自发分解的倾向。所以时效过程实质上是过饱和固溶体的分解（脱溶）过程。研究表明，Al-Cu系合金时效时过饱和固溶体的分解需要经历以下四
16、个阶段：形成溶质原子富集区（GP区）富集区有序化（GP区）形成过渡相析出稳定相CuAl2。所谓时效强化，一般仅仅是达到第一、二阶段，在第三、四阶段时，合金已开始软化，尤其是第四阶段时，合金已显著软化。上述Al-Cu系合金的时效原理和一般规律，对多元工业铝合金仍然适用。只是合金种类不同时，时效时的GP区、过渡相及析出的稳定相各不一样。,五、变形铝合金材料简介 1、防锈铝：目前使用的防锈铝主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。这类合金的共同特点是抗蚀性能高，焊接性能良好，塑性高，压力加工性能好；强度较低，不能热处理强化。防锈铝常采用深冲压的方法制成轻载荷的焊接零件和在腐蚀介质中工作的零件，如飞机上的
17、油箱、汽油和滑油导管，及整流罩等。常见的防锈铝牌号：Al-Mn系的LF21，Al-Mg系的LF2、LF3、LF6。2、硬铝：硬铝是Al-Cu-Mg系变形铝合金的总称。这些合金可用热处理（淬火+时效）强化，达到高的机械性能和良好的工艺性能，可加工成板、棒、管、线、型材等，以及锻件等半成品。硬铝的主要合金元素是铜和镁，另外，还含有一定量的Mn和杂质Fe和Si等。硬铝合金分为：标准硬铝(LY11)、高强度硬铝(LY12)、铆接硬铝(LY10)。其中，LY12合金经淬火自然时效后，可获得较高强度，是飞机中最重要的结构材料之一，广泛用于制造飞机蒙皮、翼肋、长桁、隔框、翼梁等受力构件。,3、超硬铝：Al-
18、Zn-Mg-Cu系合金，可热处理（淬火+时效）强化。室温强度最高的铝合金，强度大于硬铝，故通常称超硬铝。这类合金特点：（1）室温强度高：如LC6合金，强度极限可达700MPa，LC4合金的强度也可达600MPa。比强度相当于超高强度钢水平。（2）耐热性低：超硬铝一般在120以下工作，主要强化相MgZn2不耐热。（3）应力腐蚀倾向较大：MgZn2相电极电位低，和基体电极电位相比为阳极，在腐蚀介质中先腐蚀成腐蚀中心，在应力作用下沿腐蚀中心(MgZn2相)破裂。（4）缺口敏感性高、疲劳强度较低。（5）断裂韧性值较低。超硬铝可加工成板、棒、管、线、型材等，以及锻件等半成品，主要用于飞机结构材料。主要合
19、金化元素是Zn、Ng、Cu。Zn和Mg是形成强化相MgZn2和T相（Al2Zn3Mg3）的主要合金化元素。常用的有LC4，主要用于制造高屈服强度的飞机结构零件，如机翼蒙皮、翼梁、起落架、桁条和翼肋等。,4、锻造铝合金：属于Al-Cu-Mg-Si系合金，由于它们的热塑性好，适于锻造，故得此名。常用的合金有：LD5、LD6、LD10等。此类合金中主要合金元素是Cu、Mg、Si。此类合金中，LD5、LD6的锻造性能最好，其合金化程度低，强度水平接近LY11，因而在航空工业中主要用于制造形状复杂、承受中等载荷的锻件和模锻件。如发动机的增压器叶轮、导风轮和风扇轮等。,六、铸造铝合金 在航空工业中，广泛采
20、用铸造铝合金制造各类铸件如发动机附件壳体，它们形状复杂、受力不大，可用铸造铝合金浇注成型。对铸造铝合金除了要求有一定机械性能外，还应有好的铸造性能流动性好、热烈倾向小、缩松倾向小和偏析倾向小。铸造合金热处理时具有如下特点：（1）铸件的淬火加热温度一般偏低。因为铸造合金的杂质较多，成份偏析较大，而且工件厚薄不同处的冷却速度不一致，所以组织不均匀，易出现低熔点共晶，因此加热温度受到限制，不能像变形合金那样控制在得到最大饱和度时狭窄的高温范围，一般铸件控制的淬火温度宁肯低些。（2）保温时间长。为了保证粗大组成物的充分溶解，并使偏析得以消除，因而铸件的加热保温时间较长，一般在数小时以上甚至数十小时。（
21、3）铸件的形状比较复杂，且壁厚较大，为了减小淬火时的应力和变形，必须在热水中冷却。,常用铸造铝合金一般分为Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-RE等系合金。其中，Al-Si系铸造合金的优点是铸造性能好，并且具有足够高的机械性能和抗蚀性；Al-Cu系铸造合金的突出特点是热强度高，特别是复杂合金化后适合于高温条件下使用，但这类合金铸造性能差、抗蚀性低、比重大；Al-Mg系合金的突出优点是抗蚀性高，综合机械性能好，其缺点是铸造性能差，易氧化吸气等；Al-Re系铸造合金的突出优点是铸造性能好、热强度特别高。航空工业中应用最广的是Al-Si系铸造合金，如ZL101A、ZL105、ZL114A等合金
22、。,第二节、钛合金和铜合金简介一、钛及其合金1、纯钛：银白色金属，熔点为1668，比铁和镍熔点高。比重为4.5，相当于铁比重的一半。钛是化学性最活泼的元素之一。在室温下比较稳定，但从250开始，固态下即可强烈吸收氧，600吸收氮。同时，随温度升高，钛活性急剧增大。钛金属暴露于大气或者任何含氧介质中，就会立即形成一层薄而坚固的氧化膜，并具有自愈性，所以钛在许多介质中具有优良的抗蚀性。常压下，钛会发生同素异构转变，。高纯钛的转变温度为882，882以下为-Ti。工业纯钛只进行退火处理，工业纯钛具有良好机械性能，可用作结构材料。通常以型材、棒材、板材等半成品供应航空工厂，用于制造350以下工作的航空
23、结构零件，如超音速飞机蒙皮、构架和隔热板等。,2、钛的合金化 工业纯钛机械性能低，为了改善钛机械性能和加工工艺性能，人们采用合金化方法，即在纯钛中加入一定的合金化元素配制出满足不同性能要求的钛合金。钛合金中的合金化元素可分为如下三类：,3、钛合金的分类：根据钛和合金元素相互作用和使用要求，人们研制出一系列钛合金，并根据“多元少量”原则对其进行复杂合金化，以获得性能优良钛合金。目前工业上应用最多的是Ti-Al-Sn、Ti-Al-V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mn和Ti-Al-Cr为基的钛合金。根据合金元素与-Ti和-Ti的相互作用，及所形成相图基本类型，可将工业用钛合金按退火组织分为三大类，
24、即型钛合金(其退火组织相)，型钛合金(其退火组织相)，+型钛合金(其退火组织+相)。以上三类合金在相图上的位置如图示。钛合金牌号分别以汉语拼音字母“TA、TB、TC”与序号数字组合来表示。,4、钛合金的主要性能特点（1）比强度高：钛合金强度很高，一般可达1200MPa，最高可达1700MPa，可以和超高强度钢媲美，钛合金与其它合金比强度值列于表4-21。可以看出，钛合金具有比其它合金都高的比强度，这正是钛合金适于用作航空材料的主要原因。（2）热强度高：由于钛熔点高，再结晶温度高，因而钛合金具有较高的热强度。如在300350下钛合金强度可10倍于铝合金强度。目前，钛合金已被正式使用在600下长期
25、工作。其热强度实际上可和耐热钢媲美。（3）抗蚀性高：由于钛合金表面能形成一层致密、牢固地TiO2保护膜，能抵抗大气的腐蚀，也能抵抗强酸（HNO3、H2SO4）和强碱（KOH、NaOH）的腐蚀，对海水的抗蚀力仅次于铂，钛合金的抗蚀性可以和不锈钢相媲美。所以钛及其合金，既是“陆上金属”，也是“空中金属”，还是“海上金属”。基于以上性能特点，钛合金的用途日益广泛。,应用实例：TA7合金是一种典型的型钛合金，属于Ti-Al-Sn合金系。它以板材和棒材供应航空工业，可用于制造300-600下长期工作的零件，如压气机匣等板金件及其它复杂焊接件。TC4是一种应用最广的+型钛合金，属Ti-Al-V合金系。具有
26、良好综合机械性能，且不含脆性第二相，组织稳定性较高，能在比较宽的温度和时间范围内保持有用性能，获得了极广泛的应用。世界上，该合金的生产量约占钛合金总产量60%以上。可制作火箭发动机外壳、航空发动机压气机盘和叶片等结构锻件及紧固件等。TB型钛合金是型钛合金，是目前发展高强度钛合金的基础。但性能不稳定，冶炼工艺复杂，热稳定性也较差，所以目前应用较少。,二、铜及其合金 1、纯铜（紫铜）的特性：（1）良好的导电性和导热性。铜的导电性和导热性仅次于银，而位居第二。广泛用作导电、冷凝、散热等器材。（2）化学稳定性高，抗蚀性好。由于铜的标准电极电位比氢还高，因此，铜在大气、淡水以及非氧化性介质中，具有良好的
27、抗腐蚀性能。（3）塑性变形能力高。铜属于面心立方点阵，具有很高的塑性变形能力，可用作各种冷、热加工（压延、挤压和拉伸等）制成板、带和线材。工业上按含氧量和生产方法不同，将铜分为工业纯铜和无氧铜两类。工业纯铜分为四种，T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。,2、铜合金 纯铜强度不高，抗拉强度仅为230MPa左右，布氏硬度HB=40-50，伸长率为50%。为了进一步提高力学性能，人们在铜中加入适当的合金化元素，研制出系列铜合金。铜合金按其化学成分可分为黄铜、青铜和白铜三大类。（1）黄铜 以Zn为主要合金元素的铜合金叫黄铜。普通黄铜是Cu-Zn二元合金，以H表示，其后的数字表示合金的含铜量。如H68表示含铜量为68%的黄铜。在Cu-Zn二元合金基础上加入其它合金元素的黄铜，叫做特殊黄铜。仍以H表示，后跟添加元素的化学符号和平均成分，如HPb59-1表示平均成分为59%Cu，1%Pb的铅黄铜。,（2）青铜 青铜又分为锡青铜和无锡青铜，无锡青铜也叫做特殊青铜。铜和锡的合金叫锡青铜。而以铝、硅、铅、铍等为主要元素的特殊青铜分别叫做铝青铜、硅青铜、铅青铜、铍青铜等。青铜的牌号以Q表示，其后跟添加的元素符号和平均成分。如QSn7表示含7%Sn的锡青铜。（3）白铜 以镍为主要合金元素的铜合金叫做白铜。以B表示。其编号方法与青铜相似。如BAl6-1.5表示含6%Ni以及1.5%Al的铝白铜。,
