第二章 輕合金及超高強度鋼

1、第二章 輕合金及超高強度鋼2.1 引言l鋁、鎂、鈦的密度分別為27g/cm3、174g/cm3。和45g/cm3，故以鋁、鎂、鈦為基的合金，又被稱為輕金屬合金或輕合金。一般地說，輕合金的強度和剛度都比結(jié)構(gòu)鋼小。但它們的密度小，比強度(強度密度)和比剛度(彈性模量密度)都比較大，與結(jié)構(gòu)鋼，甚至與超高強度鋼相當(dāng)，所以與超高強度鋼一起在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，以減輕飛機結(jié)構(gòu)重量，提高運載能力和速度。2.2 鋁合金優(yōu)點：l密度小l耐腐蝕l非磁性l塑性好l導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好 工業(yè)純鋁可用作鋁箔、蜂窩結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電材料、鋁合金表面包覆材料。缺點：強度低改進方法：合金化2.2.1鋁合金的強化l強化元素：銅、鎂、鋅

2、、錳和硅1、固溶強化2、時效強化（熱處理強化、沉淀強化） 淬火后的鋁合金，在室溫停留或加熱保溫后，其強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為鋁合金的時效。 在室溫自發(fā)強化的過程稱為自然時效，加熱后強化的過程稱為人工時效。以Al-Cu合金為例說明時效的基本過程l1）形成GP區(qū)與基體共格，強度硬度提高l2）形成過渡相正方晶格，共格，畸變更加嚴重，強化效果進一步提高l3）形成過渡相l(xiāng)正方晶格，局部共格，畸變減小，強度、硬度有所下降。l4）形成穩(wěn)定的相l(xiāng)體心正方晶格，失去共格聯(lián)系，畸變消失，強度硬度顯著下降。l過時效：時效溫度過高，或在一定溫度下時效時間過長而不能獲得最高強度、硬度的時效。l孕育期：時效開始幾小時內(nèi)

3、，強度無明顯增加，稱為孕育期。2.2.2 鋁合金的分類l變形鋁合金l鑄造鋁合金1、變形鋁合金l1）變形鋁合金及其狀態(tài)的標記和命名2）航空航天工業(yè)常用的變形鋁合金3）可熱處理強化的鋁合金和不可熱處理強化的鋁合金2、鑄造鋁合金鑄造鋁合金牌號l合金牌號：ZAl主要合金元素符號表明合金化元素名義百分含量的數(shù)字l合金元素符號按名義百分含量遞減的次序排列。l含量不足1的不標含量。l對優(yōu)質(zhì)合金，在牌號后面標注大寫字母“A”表示優(yōu)質(zhì)。 如ZAlSi7MgA鑄造鋁合金代號l由字母ZL及其后面三個阿拉伯?dāng)?shù)字組成l第一個數(shù)字表示合金系列。其中1、2、3、4分別代表鋁硅、鋁銅、鋁鎂、鋁鋅系列；l第二、三兩位數(shù)字表示順

4、序號；l優(yōu)質(zhì)合金在后面標注大寫字母“A”。 例如：ZL101A美國鑄造鋁合金牌號四位數(shù)字標記法l第一位數(shù)字代表合金系。如3XXX代表最常用的AlSiMg系、 AlSiCu系、 AlSi Cu Mg系；2XXX代表AlCu系。l中間兩位數(shù)字表示不同合金l小數(shù)點后的數(shù)字表示產(chǎn)品形式：0為鑄件，1為鑄錠。l四位數(shù)字前的字母表示合金改型。例如A356.0鑄造鋁合金的合金化特點l主要合金元素為Si，Cu，Mg，Zn及稀土。lAlSi系：流動性好；變質(zhì)處理以細化組織；加入Mg和Cu形成的合金可通過沉淀強化提高強度。lAlCu系：具有高的強度和耐熱性。lAlMg系：良好的抗蝕性和切削加工性，但其鑄造性能較差

5、。lAlZn系：可不進行熱處理。但抗蝕性差、密度高、鑄造熱裂傾向大，故應(yīng)用較少。3、含鋰鋁合金l鋰是最輕的金屬元素。密度為0.53g/cm3.l相使強度提高。l彈性模量高l價格高（1）含鋰鋁合金在西方國家的發(fā)展l第一個含鋰的工業(yè)鋁合金是美國鋁業(yè)公司在1958年研制出的2020合金，其名義成分為Al-4.5Cu-1.1Li-0.5Mn-0.2Cd。比強度和比剛度高，耐蝕性和疲勞性能好。但斷裂韌性低。l7080年代，西方國家發(fā)展了AlLiCuMgZr系的2090、2091、8090等。l近年來在AlCuLi系的049基礎(chǔ)上發(fā)展起來的2195、2197性能上有很大改進。（2）含鋰鋁合金在蘇聯(lián)和俄羅斯

6、的發(fā)展l1965年，前蘇聯(lián)研制成功1420鋁鎂鋰合金，名義成分為Al5Mg2Li0.1Zr（或0.4Mn）。密度約為2.47g/cm,是最輕的鋁合金，焊接性好，但強度較低。l后來在此基礎(chǔ)上俄研制出1421和1423合金、高強度和耐腐蝕的1450和1451鋁鋰合金。4、粉末鋁合金l快速凝固技術(shù)（RS）和機械合金化技術(shù)（MA）可以獲得遠離平衡態(tài)的組分和結(jié)構(gòu)，可擴大元素的固溶度，大大細化晶粒和第二相，大大減輕甚至消除偏析，以及形成非平衡的晶態(tài)或準晶態(tài)金屬間化合物相，甚至形成玻璃相。l之后用粉末冶金技術(shù)（PM）制備塊狀材料。RS法生產(chǎn)的鋁合金l7090和7019：強度高，具有較高的應(yīng)力腐蝕抗力，韌性也

7、高于傳統(tǒng)鑄錠法生產(chǎn)的合金。lMR61，MR64和CW67等合金，性能均十分優(yōu)異。MA法生產(chǎn)的鋁合金lIN-9052 具有超細晶粒和亞結(jié)構(gòu)強化效應(yīng)。組織均勻，不需要進行熱處理，具有極好的一般腐蝕和應(yīng)力腐蝕抗力。IN9021 強度和剛度較好，耐腐蝕性好，疲勞裂紋擴展速率低。2.3鈦合金l2.3.1工業(yè)純鈦l地殼中蘊藏量居金屬元素的第四位。l熔點1667，高于鐵的熔點。l密度4.5g/cm3,相當(dāng)于鐵的一半。l固態(tài)具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：l力學(xué)性能與低碳鋼相似，具有較高的強度。TiTi5 .8822.3.2 鈦及其合金的主要特性l1、比強度高l2、熱強度高l3、抗蝕性高2.3.3鈦合金的合金化原理和合金分

8、類l1、鈦合金的合金化原理 鈦的合金化主要取決于加入的合金元素是穩(wěn)定相的，還是穩(wěn)定相的。 電子/原子的比值低于4的合金元素穩(wěn)定相，如鋁和氧； 比值大于4的穩(wěn)定相，鉬和鎢的作用最大。 等于4的合金元素為中性，如鋯、錫和硅。2、鈦合金的分類及其主要特征l分為三大類：型合金， 型合金， 型合金2.3.4 變形鈦合金l表219中鈦合金牌號中的ABC分別表示型、 型和 型合金。數(shù)字為順序號。l除此外，我國還研制了高溫和高強鈦合金，如Ti55，Ti60和Ti600等。1、鈦合金l鈦合金的主要合金元素是鋁，還有中性元素錫和鋯，這些元素均產(chǎn)生固溶強化，間隙元素氧和氮起間隙強化作用。l鈦合金又可分為三小類：全鈦

9、合金、近鈦合金和時效強化鈦合金。l鋁當(dāng)量Al+1/3Sn+1/6Zr+10(O+C+2N)l鋁當(dāng)量超過9的鈦合金會發(fā)生有序反應(yīng)而脆化。（1）全鈦合金l主要有工業(yè)純鈦（TiO合金）和Ti-5Al-2.5Sn。l強度不高l熱穩(wěn)定性好l蠕變強度較高l延性好l易焊接。（2）近鈦合金l高溫使用，主要用于發(fā)動機中使用溫度低于600的零部件。l含有少量相，鍛造性能有所改善。l機械性能可通過馬氏體的形成和/顯微組織的調(diào)整來控制。（3）Ti-Cu時效強化合金lTi-2.5Cu（IMI230）合金l可以熱處理強化的薄板材料。l時效強化：805固溶處理，空冷或油淬，400和475兩次時效，析出Ti2Cu相亞穩(wěn)沉淀。

10、l可焊接2、 合金典型代表Ti-6Al-4V（IMI318）兼有、兩類合金的優(yōu)點：l從化學(xué)成分看，即有穩(wěn)定元素，又有穩(wěn)定元素；l從組織結(jié)構(gòu)看，包含和兩種固溶體；l從熱處理方法看，即可以在退火狀態(tài)下使用，又可在淬火、時效狀態(tài)下使用；l從力學(xué)性能看，即有較高的室溫強度，又有較高的高溫強度，塑性也好。3、型鈦合金l體心立方晶格l變形性能好，易于壓力加工l淬透性好，強度高l密度較大l耐熱性不高2.3.5鑄造鈦合金l牌號：由主要合金元素符號以及表明合金化元素名義百分含量的數(shù)字組成。l代號：由字母ZT加A、B、C及順序號組成。 如ZTi1ZTiA1 ZTi2ZTiA2 ZTiAl5Sn2.5ZTA7 ZT

11、iAl6V4ZTC4 鑄造Ti6Al4V合金的強度、斷裂韌性、疲勞裂紋擴展速率和蠕變強度相對較高，但延性和SN曲線低于變形產(chǎn)品。2.3.6粉末鈦合金l粉末冶金技術(shù)可以生產(chǎn)接近最終尺寸的鈦合金零部件，節(jié)省大量的材料費用和后續(xù)加工。l成分均勻，沒有各向異性。2.3.7鈦在飛機及其發(fā)動機中的實際地位鈦在飛機及發(fā)動機中扮演的角色：減輕重量取代鋼和鎳基合金；少占空間代替鋁適應(yīng)溫度代替鋁美國的高超音速偵察機“黑鳥”全鈦飛機在民用機中l(wèi)B707 0.2%lB747 4 %lB757 6 %lB777 7 %2.4 鎂合金2.4.1鎂合金的合金化及其特點1、鎂的合金化l純鎂的密度為1.74g/cm3，密排六方

12、晶格，力學(xué)性能差，塑性很低（10）。l合金化元素Al、Zn、Li、Ce、Zr、Th、Ag等，起到固溶強化作用。 2、鎂合金的特點（1）比強度高（2）減振性好（3）切削加工性好（4）抗蝕性差2.4.2鑄造鎂合金1、牌號、代號和狀態(tài)代號牌號由ZMg、主要合金化元素符號以及表明合金化元素名義百分含量的數(shù)字組成。代號由字母ZM及其后面的數(shù)字組成，數(shù)字表示順序號。美國的鎂合金牌號的命名方法l前兩個字母表示主要合金元素，字母后面是代表合金名義百分含量的數(shù)字，尾標字母A表示合金成分在特點范圍內(nèi)的改變，表示此合金是試驗合金：2、我國鑄造鋁合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能（1）MgAl系鑄造鎂合金ZM5合金 可時效強化

13、。 鑄造性能和抗蝕性好。 用于承受較高性能的結(jié)構(gòu)件或殼體。（2） MgAlZn系鑄造鎂合金 ZM10合金 Zn有強化作用，但增大熱裂傾向。 壓鑄性能好。 應(yīng)用廣泛。（3） MgZn系鑄造鎂合金 能時效強化，但晶粒粗大，顯微疏松敏感。 沒有工業(yè)應(yīng)用。 3、不含Zr的鑄造鎂合金lMgZnZr系鑄造鎂合金 我國ZM1合金；國際ZK51，T6狀態(tài) 顯微疏松敏感，不能焊接。lMgREZn Zr系鑄造鎂合金 我國的ZM2、ZM3、ZM4和ZM6 國際E233、ZE41 鑄造性能好。廣泛應(yīng)用于高溫工作部件。lMgTh系鑄造鎂合金 HR31A在T6狀態(tài)使用 HZ32A、ZH62A 可鑄造、焊接。 蠕變強度好。lMgAg系鑄造鎂合金 Ag可提高拉伸性能。 我國 ZM7合金 國際QE224、含Zr的鑄造鎂合金2.4.3變形鎂合金l1、我國變形鎂合金的特點、代號和合金系 低溫變形性能差，高于250變形容易 代號：MB+數(shù)字（順序號） 有 MgMn系、 MgAl Zn系、 Mg ZnZr系、 MgRE系、 MgTn系、 MgLi系2、我國變形鎂合金的成