第二章 轻合金及超高强度钢

1、第二章 轻合金及超高强度钢2.1 引言l铝、镁、钛的密度分别为27g/cm3、174g/cm3。和45g/cm3，故以铝、镁、钛为基的合金，又被称为轻金属合金或轻合金。一般地说，轻合金的强度和刚度都比结构钢小。但它们的密度小，比强度(强度密度)和比刚度(弹性模量密度)都比较大，与结构钢，甚至与超高强度钢相当，所以与超高强度钢一起在航空工业中得到广泛应用，以减轻飞机结构重量，提高运载能力和速度。2.2 铝合金优点：l密度小l耐腐蚀l非磁性l塑性好l导电性和导热性好 工业纯铝可用作铝箔、蜂窝结构、导电材料、铝合金表面包覆材料。缺点：强度低改进方法：合金化2.2.1铝合金的强化l强化元素：铜、镁、锌

2、、锰和硅1、固溶强化2、时效强化（热处理强化、沉淀强化） 淬火后的铝合金，在室温停留或加热保温后，其强度、硬度升高的现象，称为铝合金的时效。 在室温自发强化的过程称为自然时效，加热后强化的过程称为人工时效。以Al-Cu合金为例说明时效的基本过程l1）形成GP区与基体共格，强度硬度提高l2）形成过渡相正方晶格，共格，畸变更加严重，强化效果进一步提高l3）形成过渡相l正方晶格，局部共格，畸变减小，强度、硬度有所下降。l4）形成稳定的相l体心正方晶格，失去共格联系，畸变消失，强度硬度显著下降。l过时效：时效温度过高，或在一定温度下时效时间过长而不能获得最高强度、硬度的时效。l孕育期：时效开始几小时内

3、，强度无明显增加，称为孕育期。2.2.2 铝合金的分类l变形铝合金l铸造铝合金1、变形铝合金l1）变形铝合金及其状态的标记和命名2）航空航天工业常用的变形铝合金3）可热处理强化的铝合金和不可热处理强化的铝合金2、铸造铝合金铸造铝合金牌号l合金牌号：ZAl主要合金元素符号表明合金化元素名义百分含量的数字l合金元素符号按名义百分含量递减的次序排列。l含量不足1的不标含量。l对优质合金，在牌号后面标注大写字母“A”表示优质。 如ZAlSi7MgA铸造铝合金代号l由字母ZL及其后面三个阿拉伯数字组成l第一个数字表示合金系列。其中1、2、3、4分别代表铝硅、铝铜、铝镁、铝锌系列；l第二、三两位数字表示顺

4、序号；l优质合金在后面标注大写字母“A”。 例如：ZL101A美国铸造铝合金牌号四位数字标记法l第一位数字代表合金系。如3XXX代表最常用的AlSiMg系、 AlSiCu系、 AlSi Cu Mg系；2XXX代表AlCu系。l中间两位数字表示不同合金l小数点后的数字表示产品形式：0为铸件，1为铸锭。l四位数字前的字母表示合金改型。例如A356.0铸造铝合金的合金化特点l主要合金元素为Si，Cu，Mg，Zn及稀土。lAlSi系：流动性好；变质处理以细化组织；加入Mg和Cu形成的合金可通过沉淀强化提高强度。lAlCu系：具有高的强度和耐热性。lAlMg系：良好的抗蚀性和切削加工性，但其铸造性能较差

5、。lAlZn系：可不进行热处理。但抗蚀性差、密度高、铸造热裂倾向大，故应用较少。3、含锂铝合金l锂是最轻的金属元素。密度为0.53g/cm3.l相使强度提高。l弹性模量高l价格高（1）含锂铝合金在西方国家的发展l第一个含锂的工业铝合金是美国铝业公司在1958年研制出的2020合金，其名义成分为Al-4.5Cu-1.1Li-0.5Mn-0.2Cd。比强度和比刚度高，耐蚀性和疲劳性能好。但断裂韧性低。l7080年代，西方国家发展了AlLiCuMgZr系的2090、2091、8090等。l近年来在AlCuLi系的049基础上发展起来的2195、2197性能上有很大改进。（2）含锂铝合金在苏联和俄罗斯

6、的发展l1965年，前苏联研制成功1420铝镁锂合金，名义成分为Al5Mg2Li0.1Zr（或0.4Mn）。密度约为2.47g/cm,是最轻的铝合金，焊接性好，但强度较低。l后来在此基础上俄研制出1421和1423合金、高强度和耐腐蚀的1450和1451铝锂合金。4、粉末铝合金l快速凝固技术（RS）和机械合金化技术（MA）可以获得远离平衡态的组分和结构，可扩大元素的固溶度，大大细化晶粒和第二相，大大减轻甚至消除偏析，以及形成非平衡的晶态或准晶态金属间化合物相，甚至形成玻璃相。l之后用粉末冶金技术（PM）制备块状材料。RS法生产的铝合金l7090和7019：强度高，具有较高的应力腐蚀抗力，韧性也

7、高于传统铸锭法生产的合金。lMR61，MR64和CW67等合金，性能均十分优异。MA法生产的铝合金lIN-9052 具有超细晶粒和亚结构强化效应。组织均匀，不需要进行热处理，具有极好的一般腐蚀和应力腐蚀抗力。IN9021 强度和刚度较好，耐腐蚀性好，疲劳裂纹扩展速率低。2.3钛合金l2.3.1工业纯钛l地壳中蕴藏量居金属元素的第四位。l熔点1667，高于铁的熔点。l密度4.5g/cm3,相当于铁的一半。l固态具有同素异构转变：l力学性能与低碳钢相似，具有较高的强度。TiTi5 .8822.3.2 钛及其合金的主要特性l1、比强度高l2、热强度高l3、抗蚀性高2.3.3钛合金的合金化原理和合金分

8、类l1、钛合金的合金化原理 钛的合金化主要取决于加入的合金元素是稳定相的，还是稳定相的。 电子/原子的比值低于4的合金元素稳定相，如铝和氧； 比值大于4的稳定相，钼和钨的作用最大。 等于4的合金元素为中性，如锆、锡和硅。2、钛合金的分类及其主要特征l分为三大类：型合金， 型合金， 型合金2.3.4 变形钛合金l表219中钛合金牌号中的ABC分别表示型、 型和 型合金。数字为顺序号。l除此外，我国还研制了高温和高强钛合金，如Ti55，Ti60和Ti600等。1、钛合金l钛合金的主要合金元素是铝，还有中性元素锡和锆，这些元素均产生固溶强化，间隙元素氧和氮起间隙强化作用。l钛合金又可分为三小类：全钛

9、合金、近钛合金和时效强化钛合金。l铝当量Al+1/3Sn+1/6Zr+10(O+C+2N)l铝当量超过9的钛合金会发生有序反应而脆化。（1）全钛合金l主要有工业纯钛（TiO合金）和Ti-5Al-2.5Sn。l强度不高l热稳定性好l蠕变强度较高l延性好l易焊接。（2）近钛合金l高温使用，主要用于发动机中使用温度低于600的零部件。l含有少量相，锻造性能有所改善。l机械性能可通过马氏体的形成和/显微组织的调整来控制。（3）Ti-Cu时效强化合金lTi-2.5Cu（IMI230）合金l可以热处理强化的薄板材料。l时效强化：805固溶处理，空冷或油淬，400和475两次时效，析出Ti2Cu相亚稳沉淀。

10、l可焊接2、 合金典型代表Ti-6Al-4V（IMI318）兼有、两类合金的优点：l从化学成分看，即有稳定元素，又有稳定元素；l从组织结构看，包含和两种固溶体；l从热处理方法看，即可以在退火状态下使用，又可在淬火、时效状态下使用；l从力学性能看，即有较高的室温强度，又有较高的高温强度，塑性也好。3、型钛合金l体心立方晶格l变形性能好，易于压力加工l淬透性好，强度高l密度较大l耐热性不高2.3.5铸造钛合金l牌号：由主要合金元素符号以及表明合金化元素名义百分含量的数字组成。l代号：由字母ZT加A、B、C及顺序号组成。 如ZTi1ZTiA1 ZTi2ZTiA2 ZTiAl5Sn2.5ZTA7 ZT

11、iAl6V4ZTC4 铸造Ti6Al4V合金的强度、断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率和蠕变强度相对较高，但延性和SN曲线低于变形产品。2.3.6粉末钛合金l粉末冶金技术可以生产接近最终尺寸的钛合金零部件，节省大量的材料费用和后续加工。l成分均匀，没有各向异性。2.3.7钛在飞机及其发动机中的实际地位钛在飞机及发动机中扮演的角色：减轻重量取代钢和镍基合金；少占空间代替铝适应温度代替铝美国的高超音速侦察机“黑鸟”全钛飞机在民用机中lB707 0.2%lB747 4 %lB757 6 %lB777 7 %2.4 镁合金2.4.1镁合金的合金化及其特点1、镁的合金化l纯镁的密度为1.74g/cm3，密排六方

12、晶格，力学性能差，塑性很低（10）。l合金化元素Al、Zn、Li、Ce、Zr、Th、Ag等，起到固溶强化作用。 2、镁合金的特点（1）比强度高（2）减振性好（3）切削加工性好（4）抗蚀性差2.4.2铸造镁合金1、牌号、代号和状态代号牌号由ZMg、主要合金化元素符号以及表明合金化元素名义百分含量的数字组成。代号由字母ZM及其后面的数字组成，数字表示顺序号。美国的镁合金牌号的命名方法l前两个字母表示主要合金元素，字母后面是代表合金名义百分含量的数字，尾标字母A表示合金成分在特点范围内的改变，表示此合金是试验合金：2、我国铸造铝合金的化学成分和力学性能（1）MgAl系铸造镁合金ZM5合金 可时效强化

13、。 铸造性能和抗蚀性好。 用于承受较高性能的结构件或壳体。（2） MgAlZn系铸造镁合金 ZM10合金 Zn有强化作用，但增大热裂倾向。 压铸性能好。 应用广泛。（3） MgZn系铸造镁合金 能时效强化，但晶粒粗大，显微疏松敏感。 没有工业应用。 3、不含Zr的铸造镁合金lMgZnZr系铸造镁合金 我国ZM1合金；国际ZK51，T6状态 显微疏松敏感，不能焊接。lMgREZn Zr系铸造镁合金 我国的ZM2、ZM3、ZM4和ZM6 国际E233、ZE41 铸造性能好。广泛应用于高温工作部件。lMgTh系铸造镁合金 HR31A在T6状态使用 HZ32A、ZH62A 可铸造、焊接。 蠕变强度好。lMgAg系铸造镁合金 Ag可提高拉伸性能。 我国 ZM7合金 国际QE224、含Zr的铸造镁合金2.4.3变形镁合金l1、我国变形镁合金的特点、代号和合金系 低温变形性能差，高于250变形容易 代号：MB+数字（顺序号） 有 MgMn系、 MgAl Zn系、 Mg ZnZr系、 MgRE系、 MgTn系、 MgLi系2、我国变形镁合金的成