钛合金铝合金

钛合金铝合金第一页，共五十三页，2022年，8月28日2、抗拉强度与断裂韧性有什么不同？抗拉强度：σb

材料因拉引而断裂的应力。

断裂韧性：材料存在裂纹时，应力远小于抗拉强度σb发生低应力的脆断的性能指标(判据)。断裂韧性：综合反映材料的强度和塑性，是指抗拉强度与裂纹长度对材料破坏综合性能的评价，和抗拉强度相比，它主要强调有裂纹的存在，以及裂纹的影响。2023/3/102第二页，共五十三页，2022年，8月28日3、简述金属材料变形的机制，解释金属材料变形过程中出现的屈服现象多晶体在外力作用下，首先在那些取向比较适宜的晶粒中开始，位错将沿最有利的滑移系运动，达到晶界。

由于晶界处原子排列较混乱，而使位错滑移受阻，并在晶界附近堆积；同时也受到邻近的位向不同的晶粒的阻碍。

随外力增加，位错进一步堆积，应力集中也越来越大，最后达到使邻近晶粒中位错开始运动，变形便由一批晶粒传递到另一批晶粒，出现变形。屈服是由于最大剪应力引起的，不论在什么样的应力状态下，只要材料内某处的最大剪应力达到屈服的最大值，变形由弹性向塑性转变，位错滑移就向着变形方向自动进行，出现屈服现象。2023/3/103第三页，共五十三页，2022年，8月28日第四章铝合金、钛合金第一节铝及铝合金一、发展简史地壳中铝的含量约为8%，仅次于氧和硅，居第三位。1827年德国人用钾还原无水氯化铝，得到少量细微的金属颗粒。-贵重的装饰品；2023/3/104第四页，共五十三页，2022年，8月28日1854年法国人用钠代替钾还原NaCl.AlC13络合盐，制取金属铝。-建厂1865年俄国人用镁还原冰晶石(3NaF.AlF3)来生产铝。建厂1883年美国人发明了电解冰晶石—氧化铝融盐的方案。1888年美国匹兹堡电解厂开始用冰晶石（3NaF.AlF3-熔点1008℃)—氧化铝融盐电解法炼铝，直到现在。2023/3/105第五页，共五十三页，2022年，8月28日现在铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。1890年：180吨1925年：18万吨1950年：150万吨1980年:1560万吨2023/3/106第六页，共五十三页，2022年，8月28日现代铝工业有三个主要生产环节：①从铝土矿提取纯氧化铝；②用冰晶石—氧化铝融盐电解法生产金属铝；③铝加工。2023/3/107第七页，共五十三页，2022年，8月28日氧化铝的生产：将铝矾土(Al含量54—61％)，溶解于碱溶液，提取铝酸钠，再把铝酸钠放入回转窑在1250~1300℃下燃烧制得氧化铝。2023/3/108第八页，共五十三页，2022年，8月28日电解炼铝：在冰晶石(3NaF.AlF3)中加入氧化铝中，再电解其熔融盐。

阴极：液体铝，阳极：CO2+CO2023/3/109第九页，共五十三页，2022年，8月28日二、铝的化学性质铝熔点为660℃，密度2.7g/cm3,导电性好，仅次于Ag和Cu；铝的化学性质很活泼，标准电极电位很低（-1.67V)；极易生成氧化膜，Al2O3具有酸、碱两性。具有面心立方结构，延展性极好，强度极低；主要是电解冶炼，价格较高。1955年匈牙利就发行了一种用0.009mm厚的铝箔制成的邮票。2023/3/1010第十页，共五十三页，2022年，8月28日三、铝合金的特点(1)耐蚀性好极易生成Al2O3膜(10nm)，具有酸、碱两性；不耐酸、碱；浓硝酸(80%)中,耐蚀性比不锈钢好；铝在中性介质中：大气中抗腐蚀性强。在海水的因Cl-，耐蚀性差；为进一步提高铝的抗蚀性，广泛采用所谓的阳极氧化的工艺，即用电化学的方法在铝或其含金的表面上人工制备一层氧化膜。氧化厚可达10um，银白色、茶色、金色、粉红色2023/3/1011第十一页，共五十三页，2022年，8月28日(2)铝合金很轻，比强度高；仅钢铁的1/3重，强度可达到普通碳钢的值；适合航空航天应用。(3)低温性能好。大多数金属在低温下会表现出脆性，但铝合金随着环境温度的下降，强度提高而塑性并不减小，可用于冷藏车、冷冻库，液氧及液氢的生产装置等。2023/3/1012第十二页，共五十三页，2022年，8月28日航空航天应用：运载火箭及各种航天器的主要结构材料。美国的阿波罗飞船的指挥舱、登月舱，航天飞机氢氧推进剂贮箱、乘务员舱等也都采用了铝合金作为结构材料；我国研制的各种大型运载火箭亦广泛选用了铝合金作为主要结构材料；神七的主要结构材料和蒙皮；波音747客机：18.6吨。我国导弹、运载火箭和航天器系统材料总体水平与国外的差距为15~20年，少数材料的差距较小，大致10年左右。2023/3/1013第十三页，共五十三页，2022年，8月28日在大多数国家铝的主要使用领域是民用：建筑与结构；容器与包装；运输；电力系统。铝的用量很大，发达国家的人均消费量达到l0kg／a(年)；而我国则不到0.5kg／a(年)。2023/3/1014第十四页，共五十三页，2022年，8月28日四、铝合金强化方法铝是很软的，如何强化？在铝合金中，常用的合金元素有：铜、镁、锌、锂、锰和硅等。它们对铝的强化作用，主要是由：(1)固溶强化；(2)沉淀硬化(又称时效强化)；(3)过剩相强化；(4)细化铝的晶粒强化。2023/3/1015第十五页，共五十三页，2022年，8月28日1、固溶强化固溶体：溶质组分溶入溶剂组分的晶格中所形成的单相固体通过加入合金元素形成固溶体，使金属强度提高的现象称为固溶强化．这是铝合金强化的基本途径强化效果取决于：合金元素的性质及固溶度

特点：提高强度、不降低塑性，便于加工。2023/3/1016第十六页，共五十三页，2022年，8月28日固溶强化的原因：合金元素加入后，使铝的晶格发生畸变，导致铝合金在受力时的变形比较困难。固溶强化的示意图2023/3/1017第十七页，共五十三页，2022年，8月28日强化效果：例如A1-4％Cu-0.5％Mg的合金，固溶强化可以便其抗拉强度从200MPa提高到300MPa。1MPa=10kg/cm2

2023/3/1018第十八页，共五十三页，2022年，8月28日2、沉淀硬化(又称时效强化)沉淀相（强化相）：高温急冷形成的过饱和固溶体在室温下或加热下析出第二相。通过生成沉淀相而提高材料强度的现象叫时效强化2023/3/1019第十九页，共五十三页，2022年，8月28日时效强化的先决条件是：合金元素在高温下在铝中有较大的固溶度；且随温度的降低而减小。高温与低温下的固溶度差越大，时效强化效果越好；强化相的结构越复杂，强化效果越好2023/3/1020第二十页，共五十三页，2022年，8月28日Zn、Si、Mg5Al8等相的时效强化效果差；CuAl2(θ相)、A12CuMg(S相)、Mg2Si、MgZn2等则是强化效果很好的相时效强化的效果：例如A1-4％Cu-0.5％Mg的合金，固溶强化可以便其抗拉强度从200MPa提高到300MPa。通过时效强化，其抗拉强度可以达到420MPa(自然时效)甚至450MPa(人工时效)。2023/3/1021第二十一页，共五十三页，2022年，8月28日时效强化的过程：固溶体中的合金元素：扩散→产生偏聚→形成富集区域（G.P.）→长大成过渡相→析出相(沉淀相，强化相)2023/3/1022第二十二页，共五十三页，2022年，8月28日3、过剩相强化在固溶处理时，不能溶入固溶体的那一部分，即第二相叫做过剩相。过剩相区能使合金强化-过剩相强化强化的效果也与过剩相的量、形态以及分布有关。量多强化效果就大。但量过多，却会使合金变脆，甚至于反而使强度降低；等轴形、细小而又均匀地分布时，效果好；呈针状，粗大而又沿晶界分布时，使合金变脆的危害作用往往大于提高强度的作用。2023/3/1023第二十三页，共五十三页，2022年，8月28日过剩相强化和时效强化的区别：时效强化时的强化相极为细小，弥散度很高，在光学显微留下观察不到；过剩相则比较粗大，用光学显微镜的低倍镜头即能观察到。过剩相强化的合金多是铸造合金，变形性差。2023/3/1024第二十四页，共五十三页，2022年，8月28日Al-Si铸造合金就是通过Si过剩相强化的。Si过剩相使塑性下降，强度提高，太多时强度又下降2023/3/1025第二十五页，共五十三页，2022年，8月28日4、细化组织强化单相合金：把晶粒细化多相合金：把基体相的晶粒细化和过剩相的尺寸细化。作用：提高室温下的强度、塑性和韧性。原因：增加晶界面积；在晶界上原子排列错乱，杂质富集，并且有大量位错、孔洞等缺陷。这些都不利于位错从一个晶粒向另一个晶粒运动。晶粒越细，晶界面积就越大，对位错运动的阻力就越大，因而合金的强度越高。2023/3/1026第二十六页，共五十三页，2022年，8月28日晶粒细化的方法：变形合金：冷加工变形和再结晶退火实现。铸造合金的晶粒细化和过剩相的细化：通过改变铸造工艺或加入微量的合金元素实现。铝合金中常采用的微量元素有钛等，其加入量大约是0.1％左右。钛能和基体金属形成难熔的化合物小颗粒。例如：在含1.5％Mn的铝合金都加入0.09%的钛后，晶粒即被强烈细化2023/3/1027第二十七页，共五十三页，2022年，8月28日五、提高铝合金高温力学性能铝的熔点：660℃；A1-Mg合金熔点：450℃途径：1、提高合金熔点；2、提高合金的再结晶温度。加入过渡族金属元素可提高熔点：A1-Ti合金：665℃；Al-Cr合金：66l℃；Al-Fe合金：655℃。锰、铬、锆、钛等都有强烈的阻碍再结晶的作用，使再结晶温度明显提高。2023/3/1028第二十八页，共五十三页，2022年，8月28日六、铝合金的热处理热处理：是将金属材料在固态范围内，采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺方法。2023/3/1029第二十九页，共五十三页，2022年，8月28日1、固溶和时效将铝合金加热到单相固溶区，合金元素与Al基体完全溶解-固溶处理；在水中急冷形成过饱和的固溶体-淬火；在室温下或加热到某一温度保温，析出第二相，从而使铝合金强化-时效。固溶-淬火-时效2023/3/1030第三十页，共五十三页，2022年，8月28日2、退火回火、再结晶退火、均匀化退火1、低温退火（也叫回火或去应力退火）把合金加热到比较低的温度(低于该合金的再结晶温度)，保温后缓慢冷却到室温的工艺。作用：消除加工的内应力，细晶细小，实现变形强化。2023/3/1031第三十一页，共五十三页，2022年，8月28日2、再结晶退火(中间退火)将经冷变形的金属，加热到再结晶温度以上，保温一段时间。随后在空气中缓慢地冷却下来的工艺。再结晶过程是一个形核和核长大的过程。作用：反复加工2023/3/1032第三十二页，共五十三页，2022年，8月28日3、均匀化退火：冶炼的铸锭存在严重的晶内偏格、不平衡共晶等，故塑性低。均匀退火一般是把铸锭加热到相当高的温度（比固相线低20~40℃）保温几到几十个小时，然后缓慢冷却下来，得到均匀的合金组织以LY12铸锭为例，在500℃均匀化退火后，伸延率从2%提高到7%左右。2023/3/1033第三十三页，共五十三页，2022年，8月28日四、铝合金的分类及牌号铝合金可分为两大类：(1)变形铝合金-变形强化(细晶强化)、固溶强化、时效强化；冶金工厂通过铸锭、变形而成为各种板材、棒材、型材等半成品供应使用；(2)铸造铝合金-有过剩相过剩相强化、固溶强化、时效强化、细晶强化；无变形强化直接通过铸造而成为零件，不能加工。2023/3/1034第三十四页，共五十三页，2022年，8月28日牌号编制法：由汉语拼音字母加顺序号组成的。防锈铝合金用LF，如LF21、LF5等硬铝用LY；超硬铝用LC；锻铝用LD；铸造铝合金牌号用ZL后跟三位数字表示：1为铝硅系合金；2为铝铜系台金；3为铝镁系合金；4为铝稀土合金；5为铝锌系合金。

2023/3/1035第三十五页，共五十三页，2022年，8月28日典型铝合金的主要成份2023/3/1036第三十六页，共五十三页，2022年，8月28日第二节铝-锂合金定义：含锂量为1%～4%(质量百分比)的多元铝合金，属于变形铝合金。锂是密度最小的金属，密度只有0.54g/cm3；1%的锂，可使铝合金密度降低3%，刚度提高6%。可以使结构质量减轻10%～20%，结构刚度提高15%～20%。已有20多种铝锂合金的生产规模达到工业化水平.2023/3/1037第三十七页，共五十三页，2022年，8月28日2023/3/1038第三十八页，共五十三页，2022年，8月28日2.1研究铝锂合金的意义航天运载器每减轻1kg，其发射费用将节省约2万美元。美国1998年用铝锂合金代替铝合金，制造“奋进号”航天飞机的液氢液氧外推进剂贮箱，减轻重量约3500kg，可节约7000万美元，获得巨大效益。成本高，韧性、塑性较常规铝合金低，各向异性较大，热稳定性差等。-攻关的内容2023/3/1039第三十九页，共五十三页，2022年，8月28日第三节钛合金一、钛及合金的发展简史

1791年英国发现了钛，钛的存贮量丰富，是铜60多倍。但钛与氧、氮、碳、氢等元素有极强的亲合力，且与绝大多数耐火材料在高温下发生反应，从而使金属钛的提取工艺非常复杂和困难。1930~40年代才发明了生产金属钛的方法：钠热法、碘化法及镁热法。2023/3/1040第四十页，共五十三页，2022年，8月28日1937年发明的镁热法最为成功和具有商业价值。也是目前正在使用的方法。1948年世界上首批生产了3吨海绵钛。1957年产量为2万吨。2006年200万吨钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半，钛虽然稍稍比铝重一点，它的硬度却比铝大2倍。80~90%用于国防工业，航空航天，部分用作生物材料。2023/3/1041第四十一页，共五十三页，2022年，8月28日主要是成本高：(1)耗电大，44kWh(度)/kg；成本高。钢：2.4kWh/kg;Cu:11.7kWh/kg;Al:25.6kWh/kg.(2)工艺复杂

2023/3/1042第四十二页，共五十三页，2022年，8月28日镁热法的工艺步骤：1、硫酸分解钛铁矿（FeTiO3）的方法制取二TiO2；2、将TiO2和炭粉混合加热至1000～1100K，进行氯化处理，生成的TiCl4，蒸气冷凝。3、在1070K用熔融的镁在氩气中还原TiCl4可得多孔的海绵钛。TiCl4＋2Mg＝2MgC12＋Ti4、海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材。2023/3/1043第四十三页，共五十三页，2022年，8月28日二、钛的化学性质熔点1660℃，沸点3287℃，密度4.5g/cm3，导电和导热性差；钛的化学活性高，在室温就开始吸氢，在300℃时吸氢量很高；钛与氧发生作用的温度是600℃；钛能发生爆炸：干钛粉的自燃温度为300~600℃，可在氮气中燃烧。最大缺点是难于提炼，价格很高。虽然储量丰富，仅次于铝、铁、镁，占第四位。2023/3/1044第四十四页，共五十三页，2022年，8月28日二、钛合金的奇特性能：(1)高耐蚀性最凶猛的酸——王水，也不能腐蚀它；耐海水的腐蚀能力特别强；钛可以耐各种强酸强碱的腐蚀；但是，与发烟硝酸长时间接触也会发生突然爆炸。

氢氟酸、磷酸和中等强度的碱对钛有侵蚀作用。选材要特别注意！！！2023/3/1045第四十五页，共五十三页，2022年，8月28日(2)高强度纯钛的强度很高，与低碳钢相似，直接用于350℃以下工作的航空产品，如超音速飞机的蒙皮，构架；钛合金强度更高，是不锈钢的3.5倍，是目前所有工业金属材料中强度最高的；在低温-100℃以下应用而不发生脆性破坏；450~500℃中温下可以长期使用，比铝合金高几百度；但不耐高温，工作温度一般应在600℃以下。(3)人造骨骼合金与生物组织及体液有良好的相容性，可用作生物医用材料，如用来制关节、人造牙齿等。2023/3/1046第四十六页，共五十三页，2022年，8月28日(4)“超塑性成型”，“超塑性扩散连接”,制造任何形状复杂零件不超过8分钟。与以往的铆接和焊接比较起来，可以降低成本40％～60％，减轻重量30％～50％。2023/3/1047第四十七页，共五十三页，2022年，8月28日三、钛合金的结构和组成钛有两种同质异晶体：α和β结构α钛：882℃以下为密排六方结构，β钛：882℃以上为体心立方结构。钛合金元素可分为三类：①稳定α相元素：铝、碳、氧和氮等。②稳定β元素：钼、铌、钒、铬、锰、铜、铁、硅等。③中性元素：锆、锡等。2023/3/1048第四十八页，共五十三页，2022年，8月28日类别典型合金特点α(密排六方)Ti-5Al-2.5SnTi-6Al-2Sn-4Zr-2Mo强度一般，焊接性能好抗氧化强，蠕变强度较高较少应用在高尔