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1、第三章 船用非铁金属材料及其它材料,本章主要介绍船用铝合金、铜合金、钛合金等种类、牌号、性能及其用途.,概述:工业上钢铁称为黑色金属，除钢铁以外的金属称为非铁金属（又称有色金属）。非铁金属与黑色金属相比，具有一系列特点，有良好的导热性和导电性，如银、铜、铝等。有优异的化学稳定性，如铝、钛等。比强度（单位质量能够提供的强度）高，如铝合金、钛合金等。近年来，航空、航海中为减轻重量，提高运载能力和航行速度，要求材料强度高、密度轻。此外，石油、化工、航海中的设备及其零件要在腐蚀介质中工作，要求材料具有良好的耐腐蚀性，所以非铁金属在近代造船行业中应用广泛，特别是高强度、耐腐蚀的轻合金材料的应用，大大改善
2、了船舶的使用性能。,第一节 船用铝合金,一、纯铝的性能特点:（一）纯铝的密度小（2.7g/cm3）。其强度很低，b=80 MPa 100 MPa。但塑性很好，=30%50%。熔点为660，结晶后具有面心立方晶格，没有同素异构转变。（二）导电、导热性能仅次于银、铜、金而居于第四位。（三）具有良好的抗大气腐蚀能力，在空气中铝的表面可生成致密的氧化膜，可有效地隔绝铝和氧的接触，阻止表面的进一步氧化。根据上述特点，工业纯铝的主要用途为：代替较贵重的铜制作导线、电缆；配制铝合金；制作具有导热和抗大气腐蚀性能而对强度要求不高的用具和器皿。工业纯铝中常见的杂质是铁和硅，杂质越多，其导电性能越低，腐蚀性、塑性
3、越差。,AVC纯铝散热器,纯铝吊灯,纯铝机箱,铝芯线,二、铝合金的分类及对船用铝合金性能的基本要求 铝合金：纯铝的强度较低，若在铝中加入一些元素，如铜、镁、锌、锰、硅等形成铝合金，其性能将会有很大的改善。（一）铝合金的分类 根据铝合金的化学成分和工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。,铝合金 状态图的一般类型,铝合金的分类,形变铝合金,铸造铝合金,不能热处理强化铝合金,能热处理强化铝合金,（二）合金性能的基本要求 把铝合金加热到相区，保温后在水中快冷，得到单相过饱和的固溶体，这种处理方式称为固溶处理或淬火。力学性能方面：1、屈强比 保持一定差距，一般不要大于0.8，利于半成品和零
4、件的加工矫正工作。2、高温强度 在加热到100之前，应保持力学性能不变，加热到250时，屈服强度大于60%。3、疲劳强度 平板试样的疲劳强度不小于50MPa，带焊缝试样的疲劳强度不小于40 MPa。4、延伸率 不小于10%，以适应各种加工工艺需要。抗腐蚀性能方面：应具有良好的抗腐蚀性能，特别是抗海水腐蚀性能。对高强度变形铝合金，还要求有较好抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能。其它方面：热处理不可强化铝合金，应具有良好的可焊性和加工性；热处理可强化铝合金，经过一定热处理后，应具有良好的加工性，并具有在热处理中抵抗变形的能力。,（三）铝合金的时效硬化 1.定义:固溶处理或淬火：把铝合金加热到相区，保温后在
5、水中快冷，得到单相过饱和的固溶体，这种处理方式称为固溶处理或淬火。时效硬化：在固溶处理后的合金随时间延 续而发生进一步强化的现象。回归现象：已经时效硬化的铝合金，如若需恢复其塑性，可在230250作短时间加热，然后快冷至室温，合金将重新恢复塑性，即性能恢复到淬火状态。若在室温下放置，则与新淬火合金一样，仍能进行正常的自然时效与人工时效，这种现象称为回归现象。,人工时效,含4%Cu的铝合金自然时效曲线,含4%Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线,（四）船用变形铝合金 1.分类 船用变形铝合金，按其化学成分与主要性能特点，分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝等四种，见表3-1。2.牌号 按GB/T16
6、4741996规定，变形铝合金牌号用四位字符体系表示，牌号的第一、三、四位为数字，第二位为字母“A”。牌号中第一位数字是依主要合金元素Cu、Mn、Si、Mg、Mg2Si、Zn的顺序来表示变形铝合金的组别。依其主要合金元素的排列顺序分别标示为2、3、4、5、6、7。例如，5A50，表示以镁为主要合金元素的变形铝合金，后两位数字用以标识同一组别的不同铝合金。,3.常用的铝合金(1)防锈铝合金:Al Mn 通过固溶强化提高铝合金的 强度和抗蚀性(比纯铝好)。Al Mg 通过固溶强化提高铝合金的 强度和抗蚀性(比纯铝轻)。防锈铝合金均属热处理不可强化的铝合金，加工硬化是其唯一的强化手段。,防腐保温铝板
7、卷铝皮,铝镁合金板,瓦楞铝板,(2)硬铝合金:Al Cu Mg 通过时效强化提铝合金强度,但耐蚀性不高。常用于航空制造业结构件的制造，如飞机螺旋桨、叶片、隔框、蒙皮、支架、承受高负荷的铆钉等。(3)超硬铝合金:Al Zn Mg Cu 通过时效强化和形成的强化相,使铝合金达到最高的硬度和强度。但耐蚀性较差。主要用于制造飞机的受力构件，如飞机的起落架、大梁等。,飞机主起落架,(4)锻铝合金:Al Mg Si Cu 具有良好的热塑性,通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。由于锻铝合金的热塑性好，所以适于制造航空及仪表工业中各种形状复杂、要求比强度较高的锻件，如各种叶轮、框架或高温条件下（20
8、0300以下）工作的零件，如内燃机的活塞及汽缸等。,压气机叶片,（五）铸造铝合金 1.分类 用来制作铸件的铝合金，成为铸造铝合金。铸造铝合金分为铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系四种。其中铝硅系应用最广。2.牌号 铸造铝合金的牌号表示法如下：例如，ZAlSi7Mg；Z汉语拼音“铸”字的第一个大写字母，Al铝的元素符号，Si硅的元素符号，7硅的质量分数，Mg镁的元素符号。常用铸造铝合金的牌号、化学成分、力学性能及用途见表3-2。,3.铸造铝 硅合金(俗称硅铝明)铝 硅合金一般铸造所得的组织几乎全部是粗大的共晶体，它使合金的力学性能下降.通常采用变质处理细化晶粒后，力学性能显著提高。一般用来制造质轻、
9、耐蚀、形状复杂但强度要求不高的铸件，如发动机汽缸、手提电动工具或风动工具，以及仪表的外壳等。同时，加入Mg、Cu的铝硅合金（ZL108），还具有较好的耐热性与耐磨性，常用于制造内燃机的活塞等。,活塞(裙部为铝硅合金),三、铝合金的腐蚀与防腐（一）铝及铝合金常见腐蚀形式 1.电化学腐蚀 2.应力腐蚀开裂（SCC）铝合金的SCC是在20世纪30年代初发现的。金属在应力（拉应力或内应力）和腐蚀介质的联合作用下所发生的一种破坏，被称为SCC。SCC的特征是形成腐蚀机械裂缝，既可以沿着晶界发展，也可以穿过晶粒扩展。由于裂缝扩展是在金属内部，会使金属结构强度大大下降，严重时会发生突然破坏。SCC在一定的条
10、件下才会发生，它们是：一定的拉应力或金属内部有残余应力。（二）铝合金常用防腐措施1.涂层保护；2.牺牲阳极；3.阳极氧化处理。,第二节 船用铜合金,一、纯 铜（又称紫铜）铜的性能特点:密度大；导电及导热性能好；抗大气腐蚀性好；塑性高；强度低；无磁性；无打击火 花；加工工艺性好等。纯铜主要用途为：制作导电材料，如电线、电缆等，还可用来配制 各种合金。纯铜及其合 金对于制造不允许受磁 性干扰的磁学仪器，如 罗盘、航空仪表和炮兵 瞄准环等具有重要价值。,铜电线、电缆,二、铜合金的分类及牌号表示方法(一)分类,(二)牌号1.黄铜的牌号,2.特殊黄铜牌号3.青铜牌号的表示方法,H Al 59-3,Z Q
11、 Sn10 1,三、黄铜1.黄铜：铜与锌组成的合金称为黄铜。为改善其性能，常加入锡、铝、硅、镍、锰、铅、铁等元素，这样形成的合金称为特殊黄铜。2.力学性能与含锌量有着极为密切的关系,当含锌量为30%时黄铜具有最大的塑性。而含锌量为40%时黄铜具有最大的硬度。,3.常用的黄铜普通黄铜:金奖黄铜 H90，弹壳黄铜 H70(H68)，日用黄铜 H62(H59)。,冷凝器管,特殊黄铜：海军黄铜 HSn62 1，易切削黄铜 HPb59-1,小型螺旋桨,船厂员工在导弹驱逐舰“德凯特”号巨大螺旋桨 下留影,四、青铜（一）锡青铜 1.力学性能与含锡量有着极为密切的关系,含锡量小于8%的合金，具有良好的塑性和适
12、宜的强度，易于压力加工；含锡量大于10%的合金塑性差，只适合铸造。,2.锡青铜的应用 锡青铜的抗腐蚀性和耐磨性都比纯铜和黄铜好，都用于制造耐磨零件，如轴套、轴瓦等。也可用来制造与酸、碱、蒸汽接触的零件。温度低于200的蒸汽管系和阀件。,无锡灵山大佛,轴套,内螺纹恒温疏水阀,（二）特殊青铜(也称无锡青铜或特殊青铜)在青铜中加入锡以外的其它合金元素，如Al、Mn、Si、Pb、Fe等元素，这种铜合金称为无锡青铜或特殊青铜。特殊青铜按主要加入元素分为铝青铜、铅青铜、锰青铜、硅青铜、铍青铜等；常用的有铝青铜、铍青铜等。,铝青铜合金减速机蜗轮,铝青铜合金轴套,铍青铜棒、板、管、毛细丝,第三节 船用钛合金,
13、一、钛及钛合金的种类和性能（一）工业纯钛和高纯度钛的性能物理性能：银白色光泽，密度4.507g/cm3，熔点1668，-Ti（hcp）882.5-Ti（bcc）。应用：制造化工设备，船舶用零件和化工用热交换器等。,热交换器,纯钛眼镜架,纯钛戒指,（二）钛合金的种类和性能 钛虽然密度小、熔点高、抗蚀性能好等一系列特性，但工业纯钛的机械性能不高，又不能热处理强化，因而限制了在工业上的应用。在工业中广泛使用的是钛合金。工业用钛合金主要合金元素有铬、锰、钼、钒、铁、铝和锡等；合金化的主要目的是改变和的同素异构转变温度，提高相或相的稳定性，形成稳定的固溶体或与钛形成合金，提高强度。根据合金在使用状态的组
14、织，可以全部钛合金分为型、型和+型三大类钛合金。钛合金特点：1、比强度、热强度高（工作温度550以上）；2、较好的低温韧性；3、抗腐蚀性能好。4、主要缺点是不易切削和塑性加工。,钛合金强度大，重量轻，耐热性能好，适用于船只、汽车、航空航天工业，被人们视为未来材料，新型波音777客机采用了约9%的钛合金材料。然而，钛合金的加工难度极大，如加工一个钛合金船用涡轮压缩机轮需要50个小时，而加工一个铝合金的同样部件仅需5个小时。德国布伦瑞克大学的科学家采用了一种专门热处理方法，将氢原子渗入材料，掺氢的钛合金相对软化。对软化的钛合金进行切削加工，加工设备所承受的机械和热负载明显降低，切削力仅需过去的50%，大大降低了加工成本。加工完毕后，再经专门的热处理工序，材料的特性则回到原先状态。科学家称，该方法非常适用于大批量的钛合金铸件加工。,钛合金做的手机外壳,钛合金用在火箭中,欢迎进入第四章学习,
