航空材料与腐蚀防护讲义-(航空材料部分)

第一章航空材料概论

1.1航空材料是航空工业主要基础

航空材料与航空技术的关系极为密切，航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的

地位和作用：航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，乂是推动航空产品更新换代的技

术基础。

一、航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在“轻质高强、高温耐蚀”。

所谓“轻质高强”是指，要求材料的比强度高，即要求材料不但强度（静强度高、能承

受大过载、疲劳强度高）高而且密度小。航空工业有一句口号叫做“为每一克减重而奋斗”,

反映了减重对于航空产品的重大经济意义（见表1.1）。而且材料减重对飞机减重的贡献也越

来越大，所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求。

表1.1飞行器结构减重带来的效益（1990年数据）

小型民先进商用超音速与高超

机种直升机航天飞机

用飞机战斗机运输机音速运输机

美元/磅50300400800300030000

“高温耐蚀”的“高温”是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力

加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和

涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。

“耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀，特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。

当然，除以上性能外，对某些材料还要求有其他方面的性能，如：非金属材料要具有良

好的耐老化性能和耐气候性能；透明材料要具有良好的光学性能；电工材料具有良好的电学

性能；以及防火安全性能等等。

二、航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质量要求。

航空器是技术密集、高集成度的复杂产品，只有采用质地优良的航空材料才能制造出安

全可靠、性能优良的飞机、发动机。

航空产品的多样性和小批量生产，导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小

批量、技术质量要求高等特点。

三、航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料。

新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出

了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选

材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。

1.2航空材料的分类

航空材料有不同的分类方式：

按成份可分为四大类:

•金属材料：铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶金合金等。

•无机非金属材料：玻璃、陶瓷等。

•高分子材料：透羽材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等。

•先进复合材料：聚合物基复合材料、金属基复:合材料、无机非金属基兔合材料、碳

/碳复合材料等。

按使用功能可分为两大类:

•结构材料

•功能材料

本课程主要介绍结构材料。所谓结构，是指由板、杆等承力单元件构成的承力系统，在

载荷作用下，该系统只产生小的弹性形变，即系统应具有几何不变性。如承力系统是几何可

变的，则承力系统不是结构，而是机构。以飞机为例，航空产品中典型的结构包括：机身、

机翼、垂直尾翼、水平尾翼、各种操纵面、起落架（除传动机构之外的部分）等。用于加工

制造这些结构的单元件的材料都属于结构材料。

1.3航空材料的演变

一、飞机结构材料的演变

早期飞机的结构以木材、蒙布、金属丝绑扎而成（图1.1）,后来又发展为木材与金属的

混合结构。

图1.1飞行者一号（复制品）

到了二十世纪三十年代，随着铝合金材料的发展，全金属承力蒙皮逐渐成为普遍的结构

形式（图L2）.

（a）Me109型战斗机（德国，1935年）

（b）喷火式战斗机（英国,1936年）

图1.2二十世纪三十年代出现了全金属承力蒙皮结构的飞机

二十世纪三、四十年代，镁合金开始进入航空结构材料的行列。四、五十年代，不锈钢

成为航空结构材料。

到五十年代中期开始出现钛合金，嗣后并被用于飞机的高温部位。

二十世纪六十年代，开发出树脂基先进复合材料，后来在树脂基复合材料的基础上又出

现了金属基复合材料。

现代飞机大量采用新型材料。如F-14（美国，1970年，图1.3）的机体结构中有25%的

钛合金、15%的钢、36%的铝合金、还有4%的非金属材料和20%的复合材料。

图1.3F-14“雄猫”可变后掠翼战斗机

由于采用了可变后掠翼，F-14背部有着结构复杂的箱形结构一一翼盒。翼盒两端容纳可变翼翼根转轴。

此部分是可变翼设计飞机的重点，也是飞机死重的来源。为了使翼盒重量尽可轻而又不应影响强度，

格鲁曼采用高强度轻重量的钛合金来制造。

新近投入使用或正在开发中的先进飞机（包括军机和民航机）的机体结构用材料的主要

特点是：大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料，从而提高飞机的结构效率,

降低飞机结构重量系数。其中乂以先进复合材料和钛合金用量的增加，传统铝合金和钢材的

用量相应减少的特点最为突出。先进复合材料和钛合金的用量、材料本身的性能指标、结构

设计水平和零组件加工质量已成为这些航空产品先进性的主要表现之一。

从各种材料的角度分析，今后航空产品结构用材的发展趋势是：

1.铝合金

铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，仍将是亚音

速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。

2.结构钢

一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的

备选材料。

3.钛合金

钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差

的工艺性，是影响使用的很大因素。

4.先进复合材料

由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来

高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现

全复合材料结构的飞机。

二、航空发动机用材的演变

早期的活塞式发动机为结构材料以普通碳素钢为主.

涡轮喷气发动机（包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机）的性能水平很大程度上依赖

于高温材料的发展。其中尤以涡轮部件材料最为关键：

1.涡轮叶片材料

在二十世纪四十年代，尽管喷气式发动机的原理早已提出，但由于没有合适的高温材料

用于制造涡轮，所以发展迟缓。

到五十年代初，英国的White公司开发出了银基高温合金。

到六十年代，开始使用真空熔炼方法制造高温合金，合金的纯度得到提高，性能更好。

七十年代，开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺，使叶片的最高工作温度和

耐疲劳性能进一步提高。

2.涡轮盘材料

二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为800~900℃,采用了16-25-6铁基合金。

五十年代，随着涡轮进口温度提高到950C,出现了沉淀硬化合金，应用沉淀强化原理

使合金具有更高的高温强度。

到七十年代，进口温度提高到了1240C,出现了Rene95合金和粉末冶金高温合金。

对航空产品性能的要求口益攀升，要求使用推重比更高、经济性更好的航空发动机。军

用发动机的推重比已经达到10,如美国的F119发动机已装备了F22战斗机。大推力泯轮风

扇发动机如GE90、PW407利084、Trent800等早已为B777、A330等大型宽体客机所选用。

在这些先进航空发动机中，高温材料仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金（压

气机盘和叶片）、高温合金板材（燃烧室）和粉末冶金材料和单晶叶片材料（涡轮）等，民

用发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金涡轮盘材料。

第二章轻合金

2.1铝合金

一、铝合金的发展历史

在历史上，先后有儿种金属材料得到广泛应用，推动了生产力的发展和人类自身的进步。

首先得到应用的是金。随后是铜，特别是青铜，几大文明发源地都先后出现了灿烂的青铜文

化。铜的发展历史有8000多年。铁和锡也有5000多年。另外还有铅和汞也都有几千年的

历史了。

而人类到公元1825年才首次制得几亳克铝粉。铝发现得晚，炼铝技术成熟得更晚。无

论是在人们发现的金属元索，还是作为一种结构材料，铝及其合金都是小字辈。但是铝和铝

合金的出现，却极大地推动了工业文明，特别是航空航天科技和工业的发展。

在1746年，波特(J.H.Pott)用明研制得一种氧化物。我们都知道明帆是铝和钾的复

合硫酸盐。把它在高温下灼烧分解，失去二氧化硫和水，再将氧化钾用水洗去就剩下氧化铝

了。当然那个时代的人们没有我们现在这么丰富的化学知识罢了。当时其他的科学家，如法

国的拉瓦锡(A.L.Lavoisier)认为，这是一种与氧结合很牢的未知金属的氧化物，用碳和其

他还原剂都夺取不了它所结合的氧。这样，就拉开了提炼单质铝的帷幕。

1807年，英国的戴维(H.Dary)用销片做阳极，铁丝做阴极，用直流电电解熔融的钾

碱与这种氧化物的混合物，结果只制得少量的合金。戴维虽然没有成功地提炼出单质金属，

但他坚信这种金属的存在，并命名为Aluminium,后来去掉第二个i,改称Aluminum,但有

些国家仍称为Aluminiurrio

1825年3月，丹麦物理学家奥尔斯泰(HansChristanOersted)用钾汞齐还原无水氯化

铝，然后在真空条件下把得到的铝汞齐中的汞蒸镭掉，得到了几亳克的铝粉。奥尔斯泰的报

告中说，铝具有与锡相同的颜色和光泽。

1845年，德国化学家沃勒(PriedrichWohler)也用钾还原氯化铝的方法得到了一些

15mg的铝珠，并初步测定了它的密度、延展性和熔点等。

以上还只是在实验室中出于研究的目的少量制取铝。到了1854年，法国冶金学家戴维

尔(HenriSainteClaireDeville)用便宜的钠代替钾，用吸水性较小，稳定性较好的复盐NaAICI4

代替极易吸水而水解的无水氯化铝，制得纯度为97~97.3%的铝。同年，在拿破仑三世(拿

破仑一世的侄子)的支持下建厂进行工业生产。

1855年，一件稀世之宝一一银光闪闪的铝标本呈现在巴黎博览会上。它无穷的魅力立

即引起了全世界的巨大反响。美英德等国相继建厂生产珍贵的铝。铝自问世即得到显贵们的

宠爱。这个时候生产出来的铝比白金还贵，每丁克价格达到600美元，只能用来制作昂贵的

首饰以显耀豪富。当时，西欧的国王和往后视铝如宝石，戴在头上或挂在胸前以示其尊贵。

法兰西帝国皇帝拿破仑三世(1808-1873)喜欢宴请四方宾客，每次设宴时，宾客用的都是

银碗，惟有他一人用铝碗，后来虽然经过30年的改进，铝加逐步降到9美元一公斤，仍然

相当贵。

可是，只过了20年，因为电解法炼铝的成功,铝价大跌。就像成长中的婴儿，铝开始

蹒跚起步了。

用戴维尔的化学法总共只生产了200t铝。

发明电解炼铝法的是两个人。他们是当时同为23岁的青年一一美国俄亥俄州的霍耳

(CharlesMartinHall)和法国诺曼底的埃鲁(PaulLovisToussaintHerroult)o

1886年，霍尔与埃鲁不约而同地将氧化铝投入熔融的冰晶石中，通入直流电电解出金

属铝。这个力法不再需要消耗昂贵的金属钠作还原剂了，成本大大降低，产量和质量也有很

大的进步。这就是著名的：现在仍在使用的霍尔-埃鲁电解法。这两个人有很多巧合的地方,

同一年出生，同一年作出重大发现，专利申请口期只相差2个月，霍尔是在1886年2月23

日申请美国专利，埃鲁在4月23日申请法国专利，5月23日申请书寄到美国专利局。当然

美国专利已经给了霍尔了，这是一个巧合。这两位科学家都在1914年，也就是51岁的时候

英年早逝，都死于伤寒。

在发明炼铝技术之后，埃鲁和霍尔就分别开始了开拓铝工业的艰辛道路。

当时，人们受习惯思维的限制，总认为铝只能用来做些首饰而已，铝应用尚未打开局面。

到1900年，也就是十九世纪的最后一年，全世界只有7个铝厂，总年产量不超过八千吨。

但是这个时候，铝价已经降到每公斤0.5美元了。虽然人们已经知道可以利用现成的设备加

工铝制品，而且铝在家用器具，如炊具生产上有优势。但制造商们却因需要购置新设备和重

新培训工人而无动于衷。

到了1906年，这在铝工业发展历史上同样是一个重要的年份。在这一年，德国的冶金

学家阿弗列•威尔莫(Wil门)尝试将其他金属元素添加到铝中，终于发明了一种含有铜、镐、

镁和铝的合金。他还发现这种铝合金具有一种神奇的效应，即在常温下放置4天会自动变得

非常坚硬，很适合用来制造运输工具和其他工业装备。因为这种铝合金首次在杜拉实现工业

生产，故命名为杜拉铝。

从此，铝的需求量逐渐增加。世界铝产量从1906年的1.45万31910年的4.38万3

增长到1913年的6.82万t。铝第一次作为飞行器结构材料是在一战期间，德国人用杜拉铝

(当时其成分及硬化工艺是保密的)制成一种硬式£艇，它的航速达100km/h、航程在200km

以上，能携带炸弹，具有很强的威慑力。协约国军事专家为此大伤脑筋。战后杜拉铝的秘密

被揭开，全世界马上开始了用铝合金研制飞艇的热潮，铝被誉为“飞行金属”，进入航空工

业市场。杜拉铝的发明为铝工业的发展提供了一个机遇。

另外，高压远距离输电技术研究成功给铝工业带来了另一个机遇。

尽管铝的电导率是铜的65%,但它的密度仅为铜的三分之一。在相同的电阻之下，铝导

线的重量仅是铜导线的46.6%,用铝导线代替铜可以大大鉴清导线的重量及支撑导线的桥塔

的复合，从而节省投资。在20世纪早期，火力发电技术尚未应用，发电依靠水利，所以当

时的输电距离动辄达到2000km之遥，对铝电缆的需求量大增。

在二十世纪初，汽车工业开始使用铝合金，但当时车身都是木制的。这一方面是由于当

时使用的发动机马力小，效率低，金属车身相对来说太重，驱动不了，另外金属件的冲压等

塑性加工技术还不那么发达，还无法制造出轻巧的金属构件。当时是手工将铝制成装饰板，

然后绑缚或粘接在槐木制的车身上。汽车的散热器也用铝代替钢。这些都是因为铝轻而且不

生锈。

和平用铝是铝工业健康发展的永恒动力。但是战争乜会极大地刺激铝工业的发展。战争

需要各种激动运输车辆，促使内燃机研制迅速发展。为了减轻发动机重量，一些铸造件以及

活塞都用铝合金制造。活塞运动的惯性因为质量更轻而减小，与活塞连接的其他零件如由轴、

轴承架上的应力相应减小，发动机便做得轻巧多了。在第一次世界大战的四年中，交战双方

共制造了20多万台发动机。期间经过战争环境考研的技术在战后都很好地转用到航空和汽

华工业当中。

战时，铝还用于制造油罐、武器外壳、机枪散热片,光学仪器及士兵的饭盒和水壶等。

这些因素都使铝的需求量大增。当时欧洲的铝价涨了一倍、美国铝价涨了两倍。在高额利润

的刺激下，各国的铝产量都至少翻了一番，挪威的产能甚至增长到战前的8倍。在量的增长

的同时，铝工业的工艺技术也大大提面。铝工业已经开始走进它的青年时期，即一战结束的

1918年到二战的1945年这段时间。

由于战争结束，各种金属的生产最低于•战前水平，唯有铝仍有所增长。这是因为在高压

输电线和发动机上的铝不断增加。仅1920年~1930年的10年间，美国生产了5000万个铝

活塞；汽车壳体也开始用铝制造了；第一个全铝火车车附问世：特别是铝合金使飞机制造业

飞速发展。德国容克公司用铝板制造Ju52飞机的机身，并于1930年将该飞机用于莫斯科-

伦敦航线上。1933年美国道格拉斯飞机公司用铝合金制造了划时代的DC1运输机及其系列

产品DC2、DC3飞机和C47运输机（图2.1）,可称现代飞机的鼻祖。其中1934年推出的DC2

飞机，机身呈流线型，在现代航线上仍然可见。由于飞机性能不断提高，全天候洲际飞行正

在出现。航空业的飞速发展反过来促进了铝工业的发展.

图2.1道格拉斯C-47型运输机

在其他方面，铝导热性好、轻、耐腐蚀等优点也体现出来。人们用铝制造电冰箱、吸生

器和其他家用电气，又为铝工业形成了一个巨大的市场,铝的延展性极好，1kg铝可以轧出

面枳为41m2的铝箔，而1kg锡只能轧出15m2的锡箔。

高强度的铝合金也很快被用于制造装饰板、窗户和门框。

1936年美国铝业公司在庆祝电解炼铝50周年大会上罗列了铝的2000多种用途。

可以看出年轻的铝工业开始渗透到了国民经济的各个领域,给各行各业都带来了勃勃生

机。经济危机和战争都阻揩不了它前进的步伐。铝的出现使人类的生产和生活都变了样。

二、铝合金的生产过程

铝合金是由电解得到的原铝和回收铝精炼后，再向其中加入添加元素得到的。

其中电解原铝的过程是，首先用拜耳法从铝土矿中提炼氧化铝，再用埃鲁-霍尔法电解

炼铝。

那么具体地，电解炼铝法究竟是怎么一回事呢？

电解是电化学的一种应用。至少在大学化学课程中，我们都学到过一类化学反应类型叫

做氧化还原反应。在氧化还原反应中，还原剂被氧化，提供电子，氧化剂得到这些电子被还

原。一个氧化还原反应都是两个半反应一一还原剂的氧化反应和氧化剂的还原反应耦合而成

的。

如果采用特殊的装置，控制这两个半反应分别在两个导电的材料（称为电极）上发生，

再将电极用导线连通，同时，还要提供一个可以使离子在其中迁移的导体，称为离子导体。

这样就构成了一个回路，就能利用氧化还原反应提供电流，驱动负载工作。我们都知道，这

中装置就是化学电源，也就是大家通称的电池。从能量转换或做功的观点来看，电池的工作

过程就是把氧化剂和还原剂蕴涵的化学能转化为电能，输出电功的过程。

如果反过来，把负载换成一个强大的电源，把它的正负极与电池的同极性的电极连接，

强制电池反向工作，我们都知道这个过程实际就是给电池充电。电池充电的过程就是把外部

电源提供的电能转化为化学能的过程。

电解，以及在后面的内容中要介绍的电镀，都是类似的过程。

所谓电解，就是用电能驱动电解池工作，使电解质在电解池的阴极或阳极上发生氧化

还原反应而析出产物的过程。这些产物都是对我们有用的产品。如电解氯化钠水溶液，可以

在阳极上得到氯气，阴极上析出氢气。同时因为析出氢气，使水分解出氢氧根离子，与钠离

子形成苛性钠水溶液，又可以分离出氢氧化钠。这些都是重要的化工原料。再比如电解水，

可以得到氢气和氧气，把消耗的电能转化为氢和氧的化学能。氢气又可以作为还原剂，驱动

燃料电池工作，重新释放出电能。

电解法炼铝的原理也是一样。只不过电解铝采用的是一种特殊的电解质，不是水溶液。

在水溶液中电解是不能得到铝的。是采用电解熔融的氧化铝的方法。氧化铝（三氧化二铝）

是离子化合物，通常状态下是固体，而离子在固体中是不能轻易移动的，只有将它加热到熔

点以上，熔化成液态，离子才能够在电场的驱动下在阴极和阳极间迁移，形成离子导体。但

是氧化铝的熔点非常高，在将它加热到熔化之前，绝大多数用来制造电解槽的结构材料，如

钢铁等都先熔化了。所以要将它溶解在一种合适的溶剂中，形成一种特殊的溶液。使用的溶

剂就是冰晶石，六氟合铝酸钠。这样就可以将电解铝的工作温度降低到1000C以下（一般

是950~970℃）。

三、铝合金的特点

铝合金作为航空器结构材料的最突出的特点是：密度小、延展性好、耐腐蚀、易加工、

价格低。

铝合金的密度为小2.7g/cm3,远小于铁合金或铜合金。

铝虽然是一种非常活泼的化学元素（其电位序仅排在钾钙钠镁之后的第五位），但正由

于它非常活泼，在空气中极易发生氧化，而生成的氧化无以一薄层非常致密的、化学性质稳

定的钝态膜的形式存在，能有效地隔绝侵蚀性介质。所以铝合金的耐腐蚀性很好。

正因为铝合金具有这些特点，所以在当前在役的民月飞机中，铝合金在总结构用量上占

70~80%的比例。尽管先进复合材料和钛合金在新型号飞机上应用比例日益提高，但铝合金

由F成本和工艺上的优势，在可预见的将来，仍是航空器，特别是民用匕机的主要结构材料

之一。

四、铝合金分类

铝合金按零件的制造方法可分为：

•变形铝合金：具有较好的塑性，可使用锻造、冲压等塑性变形加工工艺成形的铝合

金；

•铸造铝合金：仅适合采用铸造工艺成形，或铸造性能相对变形加工性能更为突出的

铝合金；

•粉末冶金合金：使用粉末冶金技术成形的铝合金。

按能否通过热处理强化分为：

•可热处理强化铝合金；

•不可热处理强化铝合金。

五、铝的合金化

纯铝的强度很低，不适合作为结构材料使用。所以必须通过添加合金元素将铝制成合金。

主要的起强化作用添加元素有：Cu、Zn、Mg、Si和Li等。

这些合金元素的强化机理不尽相同，具体地有两种强化机理：

•固溶强化：蒙退卜在铝中溶解度大的元素（溶质），以固溶体形式存在于铝合金中。

溶质原子使铝晶格发生畸变，提高合金强度；

•沉淀强化：施退下溶解度大、赏温下溶解度小的元素，在常温下形成各种沉淀相,

使合金强化。铝合金的热处理强化实际上就是利用了沉淀强化原理。可沉淀强化是

热处理强化铝合金的重要特点。

除这些强化元素外，铝合金中有时还包含其他一些元素：

•Cr、Mn,Ti、Zr等过渡元素在铝合金中的溶解度小，没有多少强化作用。但可以

与AI形成金属叵化合物，对控制晶粒结构作用很大；

•Fe、K、Na等元素属于应控制含量的杂质，这些元素的存在会极大地损害铝合金的

断裂韧性。

六、铝合金的沉淀强化原理和时效处理工艺

这里以Al-Cu（4%）二元合金为例介绍铝合金的沉淀强化原理（图2.2）。

图2.2AI-CU二元合金相图

在高温时Cu在AI中溶解度大，常温时溶解度小。对于含Cu为4%的Al-Cu二元合金，

500c时，Cu可全部溶于AI中形成a固溶体。

冷却到常温后，绝大多数Cu以GP区或6相的形式析出。GP区或0相会阻碍形变过程

中的位错移动，提高了硬度和强度。

应用沉淀强化原理，可以对铝合金进行时效处理，以改善铝合金的力学性能和抗腐蚀性

能。

所谓时效处理是指，把铝合金在一定温度下保持一段时间，加速合金元素从固溶体中沉

淀析出的处理工艺。

时效处理过程中，铝合金的硬度（强度）会随时效时间变化。描述这种变化规律的曲线

称为时效曲线（图23）.

时效时间庆

图2.3AI-4%Cu合金的时效曲线

从图中可以看到，时效温度、时间铝合金的时效硬化效果有很大影响。随时效时间，硬

度并不是始终增大的，而是存在一个峰值。把硬度达到时效曲线上峰值的时效状态称为蛔

效.相应地，在峰时效之前停止保温，得到的时效状态成为欠时效,在峰时效之后停止保温,

得到的是过时效状态的铝合金。

尽管过时效相对于峰时效在硬度和强度上有损失，但由于沉淀相的过量析出，特别是在

合金组织的晶粒内部也析出了沉淀相，减小了晶粒内部与晶粒边界（晶界）的电化学性质的

差异，可以减少品间腐蚀，以及沿晶间发生的应力腐蚀断裂的可能性，提高铝合金的耐腐蚀

能力。

时效处理是控制性能的重要手段。同一种成分的铝合金，采用不同的热处埋时效，可以

得到差异很大的性能；•种新的时效制度的研究成功，就相当于开发出•种新的铝合金。

七、铝合金的标记

由于•制造飞机结构的铝合金主要是变形铝合金，而铸造铝合金应用较少。所以在此仅介

绍前者的标记。铝合金的标记分为型号标记和状态代号标记

铝合金的型号：采用4位数字标记法。第1位表示属于哪种主要合金系；第2位表示合

金的改型；第3、4位表示合金的编号（表2.1）。

表2.1国际变形铝合金标记法

合金系四位数字标记合金系四位数字标记

>99.00%铝lxxx铝镁硅6xxx

铝铜2xxx铝锌7xxx

铝镒3xxx其他8xxx

铝硅4xxx备用9xxx

铝镁5xxx

铝合金的状态以TX、TXX、TXXX等代号标记（表2.2）。

表2.2铝合金的状态代号

代号名称状态代号热处理状态

F自由加工状态T3固溶、冷作、自然时效

0退火状态T4固溶、自然时效

H加工硬化状态T6固溶、人工时效

W固溶热处理状态T7固溶、过时效

T热处理状态T8固溶、冷作、人工时效

状态代号说明与应用

T73固溶及时效达到规定的力学性能和抗应力腐蚀性能

T74与T73状态定义相同，但抗拉强度大于T73,小于T76

T76与T73状态定义相同，但抗拉强度大于T73、T74,抗应力腐蚀性能低于T73、

T74,但其抗剥落腐蚀性能仍较好

八、铝合金在飞机上的应用

变形铝合金在飞机上的应用主要为2系Al-Cu合金和7系Al-Zn合金。

2系铝合金的代表型号是2024,名义成分为AI-4.4Cu-l.5Mg-0.6Mn（重量百分比）。该

合金在飞机结构上应用广泛。其特点为：强度中等，可热处理强化，T3状态下断裂韧性高;

耐蚀性不好，易发生晶间腐蚀，薄板需包覆工业纯铝以提高耐蚀性，或在T8状态下使用。

另外2524作为2系合金的较新改型，已经应用于B777客机。

7系合金的代表型号是7075,名义成分为AI56Zn25Mg-l.6Cu-0.26义（重量百分比）。

该型号合金的特点为：T6态强度最高，但抗蚀性差、断裂韧性不好；T73态耐蚀性好，但强

度相比T6态下降约15%。

7055是7系中合金化程度最高、强度最高的型号。7055-T77已经用于B777主结枸。

另外表2.3中详细列举了2系和7系合金在飞机结构中的应用情况。

表2.32系和7系铝合金在飞机结构中的应用

应用部位应用的铝合金

机身蒙皮2024-T3,7075-T6,7475-T6

机身桁条7075-T6,7075-T73,7475-T76,7150-T77

机身框架/隔框2024-T3,7075-T6,7050-T6

机翼上部蒙皮7075-T6,7150-T6,7055-T77

机翼下部蒙皮2024-T3,7475-T73

机翼下部桁条2024-T3,7075-T6,224-T39

机翼下壁板2024-T3,7075-T6,7175-T73

翼肋和翼梁2024-T3,7010-T76,7150-T77

尾翼2024-T3,7075-T6,7050-T76

九、铝合金的新发展一一铝锂合金

其实所谓铝锂合金是指含锂（Li）元素的铝合金，其中Li并不一定作为最主要的添加元

素存在于合金当中，比如2系含Li铝合金，其主要添加元素是Cu而非Li。以Li为主要添加

元素的合金一般归入8系一一其他合金系中。

Li是密度最低的金属元素，其比重仅为0.53,而且在添加Li的铝合金中，Li在时效处理

时能以&相的形式析出，起到沉淀强化作用。所以，含Li铝合金具有密度低、强度高、模

最大等优势。但因价格较贵，目前在飞机结构，特别是在民用飞机结构中用量还不大。但随

着新型合金性能的改进、制造工艺的发展，含Li合金在飞机上铝合金中的比例将会得到提

injo

西方国家和俄罗斯（前苏联）曾开发了众多的含Li铝合金。西方铝锂合金的型号主要

有：2系的2020、2090、2091、2095、2195和2197等，和8系的8090。前苏联在50~60

年代开发了1420合金，具有焊接性好的优点，但强度较低，后来在1420中加入Sc（航：），

开发了1421合金，其强度明显提高。含Li铝合金目前在俄罗斯的航空工业应用非常广泛。

2.2钛合金

一、纯钛的性质

钛（Ti）的蕴藏量仅次于铝、铁、镁，居金属元素中的第四位。

钛的熔点高，为1667℃,比铁的熔点还要高。

钛的密度4.5g/cm3,北铁和铜都轻得多。

纯钛随温度变化存在固态同素异构转变（固态相变），即在882.5℃这个温度上，会发生

晶格结构的转变：

低J-882.5C时钛为密排六方晶格，称为a-Ti；

高于882.5C为钛为依心立方晶格，称为B-Ti。

这种固态相变使钛合金可以具有a、B或a+0双相阻合显微组织，使得钛合金可以通过

热处理在较大范围内控制显微组织，从而控制合金性能。

二、钛及钛合金的主要特性

钛合金相对于铝合金等其他结构材料，具有以下突出的优点：

1.比强度高

工业纯钛强度为350~700Mpa,钛合金强度可达1200MPa,和调质结构钢相近，而钛合

金的密度比钢低得多，所以具有高的比强度。

2.热强度高

钛的熔点高，再结晶温度也高，因而钛及其合金具有较高的热强度。目前钛合金使用温

度可达到500C,并向600℃发展。

3.抗蚀性高

钛表面能形成一层致密、稳定的，由氧化物和氮化物组成的保护膜，具有很好的抗蚀性

能。钛及其合金在潮湿大气、海水、氟化性酸（硝酸、珞酸等）和大多数有机酸中，抗蚀性

与不锈钢相当，甚至超过了不锈钢。

同时，钛合金的缺点也是十分突出的：

1.切削加工性差

钛的导热性差（仅为铁的仍，铝的3），摩擦系数大，切削时容易升温，也容易粘刀，

导致切削速度低，降低刀具寿命，影响零件表面光洁度。

2.热加工工艺性差

在加热到600c以上时，钛及钛合金极易吸收氢、氮、氧等气体而使其性能变脆，使得

铸造、锻压、焊接和热处理等工艺都存在一定的困难。钛合金的热加工工艺过程只能在真空

或保护气氛中进行，这提高了钛合金件的制造成本。

3.冷加工性差

钛及其合金的Oo.2/ob比值较高，表明应力接近断裂强度时才发生塑性变形，因此塑性

变形困难，也容易导致开裂。

4.硬度低、抗磨性差

钛合金一般不宜用来制造要求耐磨性高的零件。

三、钛的合金化

钛是将氧化钛与氯气反应得到氯化钛后，再用金属Mg作还原剂还原得到的。初生态的

钛因大量吸收空气中的氧和氮，是海绵状的，必须经真空二次熔炼后才能得到密实的金属组

织。

由于钛的化学性质非常活泼，二次熔炼得到的工业纯钛中仍残存了大最的氧，所以实际

使用的工业纯钛实际上是Ti与0元素构成的低合金。工业纯钛的力学性能与低碳钢相似，

具有较高的强度，可直接用于航空产品，常用来制造使用温度在350c以卜的飞机构件，如

超音速飞机的蒙皮、构架等。

除工业纯钛外，还可加入其他元素形成具有不同结构和不同性能的钛合金以满足不同工

业部门和具体应用的需要。

钛合金的组织，取决于加入的合金元素是稳定a相（即使钛合金的赏退组织主要包含a

相）的，还是稳定0相（即使钛合金的赏退组织主要包含B相）的。

•键合电子数/原子＜4的合金元素能够稳定a相，如AI和0。所以工、也纯钛的常温组

织为a相；

•键合电子数/原子＞4的合金元素能够稳定。相，如Mo、V和W等；

•键合电子数/原子=4的合金元素的作用为中性，如Zr、Sn和Si等。

通过控制添加元素的种类和相对含量，即可控制钛合金的常温组织，进而得到性能特点

相差很大的钛合金。

按常温组织的不同，钛合金可分为三种：

1.a型钛合金

组织为a固溶体，牌号以TA加序号表示。主要合金元素是AI,还有中性元素Sn和Zr,

均产生固溶强化作用，间隙元素0、N起间隙强化作用。合金组织稳定，耐热性高于其他钛

合金，但不能进行热处理强化，室温强度不高，压力加工性较差，多采用热压加工成形。

2.0型钛合金

组织主要为。固溶体，合金元素含量较高，牌号以TB加序号表示。性能优点是室温强

度高，压力加工性能较好，成形容易，可通过热处理强化。缺点是密度较大，冶炼工艺复杂,

热稳定性差，所以应用较少。

3.（a+p）型钛合金

含有a稳定元素和4%~6%的B稳定元素，组织为（a+B）两相固溶体，牌号以TC加序

号表示。该类型钛合金兼有a型及P型钛合金的优点。力学性能方面，既有较高的室温性

能，又有好的高温强度，型性也较好，应用最广泛。既可以在退火状态下使用，又可以在淬

火、时效状态下使用。其中典型型号为TC4合金（TI-6AI-4V）,它具有综合的机械性能，组

织稳定性高，典型拉伸强度为900MPa,最高工作温度为400℃。在航空航天、造船工业中

应用广泛。

这三种钛合金及其典型牌号的性能特点见图2.4。

图2.4钛合金的性能特点

四、钛合金在航空航天中的应用

1950年，美国首次在F84战斗轰炸机上采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩等非

承力构件。

1954年，a+B型钛合金T.-6AI-4V用于制造J57涡轮喷气发动机压气机转子盘和叶片。

60年代中期，美国疲制成功“全钛飞机”SR71（图2.5）,是钛合金制造工艺技术发展

的一次重大突破，试制成功了钛合金隔框和起落架梁等大型复杂锻件，用钛量达到飞机结构

重量的93%。

图2.5美国SR71高空高速战略侦察机

70年代，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加。在F14和F15飞机上的用量

占结构重量的25%,在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33%。

民用飞机方面，Ti-6A〉4V合金制造的波音747主起落架支承梁模锻件，每件长6096mm,

宽914mm,重1724kg,至今仍是世界上最大的钛合金模锻件。

80年代，出现了断裂韧性更高的超低间隙元素级的新型合金，超塑成形和扩散连接工

艺。钛合金在B1B超音速轰炸机和航天飞机上得到了更广泛的应用。一架B1B飞机需要90

余吨钛材。美国的航天飞机上采用了TI-6AI-4V合金制造的重达3000kg的传力结构件。

现有航空航天用钛合金中，应用最广泛的是多用途a+B型TI-6AI-4V合金和

Ti-6AI-4Zr-2Mo(Ti6242)高温钛合金。Ti-6AI-4V合金用7制造工作温度不超过400℃的各种

飞机结构和发动机零件，Ti6242合金用于制造工作温度在500℃以下的高压压气机零部件。

TI-6AI-4V合金具有优良的综合性能，用量达到各种钛合金总用量的一半以上。

美国F22战斗机中钛合金用量已超过了铝合金，达到整机结构重量的41%°B777飞机

中钛合金的用审已达到7%。

未来航空航天飞行器及其推力系统，需要不断提高钛合金的工作温度，增大航空发动机

的推重比。普通钛合金的最高工作温度是600℃,进一步提高工作温度受到蠕变强度和抗氧

化能力的限制。80年代发展的钛铝化合物基的高温钛合金，具有高温性能好，抗氧化能力

强，耐腐蚀和重量轻的优点，是制造压气机和低压涡轮零部件的理想材料。其中Ti3Al为基

的高温钛合金，最高工作温度可达815°C：TiAl为基的高温钛合金，最高工作温度可达1040C。

2.3镁合金

一、纯镁的性能

镁（Mg）的密度低，仅为1.74g/cm3,约相当于铝的羽，是最轻的结构金属。

镁的电极电位很低，在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。镁的

化学活性强，在空气中也容易氧化，形成的氧化膜疏松多孔，无明显保护作用，所以镁的抗

蚀性很差。用镁制造结构件时，需针对使用环境采取适当的防护措施。

力学性能方面，镁的强度低，且由于组织为密排六方品格，滑移系少，导致塑性极低，

加工成形困难，所以镁很少用作主要结构材料。

二、镁的合金化

镁经过合金化及热处理后，强度可以达到300-350Mpao

主要合金元素是铝、锌和锦。这些元素在镁中都有溶解度变化，可以利用热处理方法（淬

火加时效）来强化.

加入镁合金中的铝、锌，当含量不超过溶解度时起固溶强化作用。超过溶解度后分别与

镁形成金属间化合物Mgi：AI】2和MgZn,在淬火、时效时能起到沉淀强化作用。

加入锌可以改善抗热性及抗蚀性。

加入错（Zr）可以使镁合金的晶粒细化。

三、镁合金的分类与编号

按加工工艺可分为变形镁合金与铸造镁合金：

•变形镁合金牌号以“MB”加数字表示，如MB1、MB2等；

•铸造镁合金以牌号“ZM”加数字表示，如ZM1、ZM2等。

四、镁合金的性能特点

1.比强度高

镁合金强度虽然比铝合金低，但由于密度小，所以比强度高于铝合金。

2.减振性好

镁合金弹性模量小，受外力作用时弹性变形功较大，即吸收能量较多，所以能承受较大

的冲击振动载荷。

3.切削加工性能好

可以采用高速切削，也易于进行研磨和抛光。

4.抗蚀性差

使用时要采取防护措施，如氧化处理、涂漆等。镁合金零件与其他高电位材料的零件(如

钢、铜零件)组装时，在接触面上应采取绝缘措施，以防止产生电化学腐蚀。

五、镁合金航空工业中的应用

1.变形镁合金

航空工业上应用较多的为MB15,属Mg-Zn-Zr系合金。它的性能特点是强度高：是常用

变形镁合金中抗拉强度和屈服强度最高的；可以热处理强化：Zn在Mg中的溶解度随温度

的变化大，时效处理时能形成强化相MgZno

2.铸造镁合金

ZM1(Mg-Zn-Zr)和ZM2(Mg-RE-Zn-Zr)属于高强度铸造镁合金，具有较高的常温强度

和良好的铸造性能，但耐热性差，长期工作温度不能超过ISO。。.

ZM3(Mg-Ce-Zn-Zr)属于耐热铸造镁合金，常温强度较低，耐热性好，可以在200~250c

长期工作。

航空工业上应用较多的是ZM5合金，属Mg-AI系。AI含量较高，能形成较多的MgnAln

强化相，可以采用热处理强化。

应当说明的是，由于镁合金耐蚀性差，零件需要进行专门的表面防护处理，所以使用受

到一定的限制。而且随着先进复合材料的发展，与之相比镁合金在比强度方面并无优势，所

以在新型飞机上应用镁合金已经很少了。

第三章铁合金

3.1铁碳合金

一、纯铁的性质

铁（Fe）,原子序数26,是一种重要的过渡金属元素。

纯铁是光亮的银白色金属，密度7.86g/cm3,熔点1535C,沸点2750C。

纯铁的抗蚀力相当强，但通常的铁都含有碳和其它元素，因而抗蚀力也减弱。含有杂质

的铁在潮湿空气中容易生锈。

快有延展性和导热性。也能导电。但导电性比铜、侣都差。

铁能被磁体吸引，在磁场作用下，铁自身也能产生磁性。

冷的浓硝酸或冷的浓琉酸能使铁钝化。但铁能溶于稀酸。加热时能同卤素、硫、磷、硅、

碳等非金属反应，但同氮不能直接化合。氮化铁须在氨气中加热生成。

重要矿石有赤铁矿（Fe2O3）.褐铁矿（Fe2O3・砒0）、磁铁矿（Fe3O4）和菱铁矿（FeCO3）

等。

纯铁可由氢气还原纯氧化铁而得，还原铁粉可用于粉末冶金。

二、炼铁与炼钢

1.炼铁

炼铁是将铁矿砂在熔炉（高炉）中提炼成铁的过程。

炼铁时，自高炉上方将铁矿砂、焦炭、石灰石等交互投入，热风炉加热过的空气由高炉

下部风口吹入，炉内焦炭燃烧生成1500℃高温，产生一氧化碳（CO）炉气自炉中上升，一

氧化碳把铁矿砂还原；铁水自炉下方出口流出，暂贮并运到炼钢工场，浇铸成铁锭（图3.1）。

图3.1高炉构造及炼铁时的炉内反应

A.炉喉；B.炉身；C.炉腰：D.炉腹；E.炉缸

1.大料钟;2.小料钟;3.煤气导出管：4.料车:5.斜桥：6.热大围管:7.风口:8.出铁口:9.出港口

2.炼钢

由于生铁中含碳量很高，炼钢时需要根据要求把生铁中的含碳量去除到规定范围（降

碳），并使其它元素的含量减少或增加到规定范围（去硫磷、调硅镒含量）。

炼钢基本上是一个氧化过程，是用不同来源的氧（如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的

氧）来氧化铁水中的碳、硅、钵等元素。

炼钢常用平炉、转炉和电炉。图3.2是现代平炉炼钢过程的示意图。

图3.2平炉结构图

由铁的冶炼过程可知，实际应用钢铁都含有碳，所以它们都是铁碳合金.

实际使用的钢铁材料，含碳量都不超过5%,因为含碳量超过5%的铁碳合金，性能太脆,

没有实用价值。

三、铁-碳合金的基本相和基本组织

与钛相似，纯铁也存在固态相变一一同素异构转变。纯铁在从熔点到常温的冷却过程中

经历如下晶体结构的变化：

6Fe（体心立方）好yFe（面心立方）->aFe（体心立方）

在铁碳合金中碳的不同存在方式会形成不同的相：

1.C溶于不同的Fe晶格中形成固溶体：

■溶于SFe中形成6相固溶体，只在高温下存在，实际意义不大；

■溶于yFe中形成v相固溶体，最大溶碳量为2.11%；

■溶于aFe中形成a相固溶体，溶碳量很少。

2.不能溶于固溶体的碳以铁-碳化合物的形式存在：

常用铁合金中的铁-碳化合物是渗碳体：Fe3C。

所以，铁碳合金的常温组织是由V相固溶体、a相固溶体和渗碳体（Fe3C）三种相构成

的。

这些基本相以不同的比例和形式构成不同的基本组织:

1.铁素体（F）组织

由a相固溶体构成的单相组织。其机械性能与纯铁很接近，强度、硬度低而塑性、韧

性好。

2.奥氏体（A）组织

由Y相固溶体构成的单相组织。属于高温组织。塑性好，但强度不高。对铁合金进行锻

造等压力加工时经常需要将其加热，转化为单一奥氏体组织，以获得较好的塑性，减小变形

抗力，改善工艺性能。

3.渗碳体（Fe3C）组织

由F/C这种金属间化合物构成的单相组织。Fe3c具有复杂的结构，机械性能特点是硬

而脆。包含较多渗碳体组织的铁合金通常具有较高的强度和硬度。

4.珠光体（P）

由a相固溶体与渗碳体通过机械混合形成的双相组织。珠光体具有铁素体与渗碳体的

综合机械性能，即硬度和强度较高，同时具有一定的塑性和韧性。

5.莱氏体（Le）

由V相固溶体与渗碳体形成的共晶体，仅存在于铸铁中。

化学成分不同、热处理工艺不同的铁-碳合金的组织构成有很大区别，进而导致机械性

能区别十分显著。

四、铁碳合金的状态图

状态图是描述铁-碳合金在平衡状态下，组织随温度和成分的变化的图形。

图3.3铁碳合金状态图

铁碳合金的状态图中按含碳量的大小可分为三个部分：最左端，含碳量＜0.02%的是工业

纯铁;含碳量在0.02~2.11%的是碳钢；含碳量＞2.11%的是铸铁。

其中碳钢还可分为：

•共析钢：wc=0.77%,常温组织为珠光体：

•亚共析钢：wc在0.02%~0.77%之间，常温组织为铁素体+珠光体；

•过共析钢：wc在0.77%~2.11%之间，常温组织为珠光体+渗碳体。

铸铁可分为：

・共晶白口铁：

wc=4.3%;

•亚共晶白口铁：wc在2.11%~4.3%之间；

•过共晶白口铁：Wc在4.3%~6.69%之间。

五、杂质元素对钢性能的影响

1.硅与钵

这两种元素是在炼钢时加入硅铁和钵铁脱氧而残留在钢中的。作为杂质存在时.，硅的含

量约为0.17~0.37%；钵的含量约为0.5~0.8%,超过以上含量时，就作为有意加入的合金元素

了。

硅和锦都能有限溶解于铁素体中，起固溶强化作用，使钢的硬度、强度增加。

2.硫与磷

硫是在炼钢时无法除尽的有害杂质。

硫与铁可以形成FeS化合物，通常分布在晶界上，与铁形成低熔点共晶体（985℃）.钢

在锻造或轧制时要加热到12CXTC,这时晶界上的低熔点共晶体会发生熔化，导致钢材在热

压加工过程中发生开裂。这种高温开裂成为“热脆性”。因此钢中的含硫量要严格控制。普

通钢中的含硫量不能超过0.055%。

德与硫的亲和力比铁与硫的亲和力大。钢中含有硫时，硫先与锦形成MnS化合物。MnS

熔点高（1600C）,在高温下还有一定塑性，可以消除钢的热脆性。

磷也是无法除尽的有害杂质。磷可以溶于铁素体中，使钢的强度和硬度增加，但剧烈地

降低钢的塑性和韧性。特别在低温时，由于磷的作用，便钢的性能变脆，这种现象叫做钢的

“冷脆性”.磷在钢中的含量也要严格控制，普通钢中的磷含量不超过0QS5%.

六、碳钢的分类

按用途分：

•碳素结构钢：主要用于制造受力的工程构件（船舶、桥梁、建筑构建等）和机械零

件（齿轮、螺钉、轴、连杆等）；

•碳素工具钢：主要用于制造硬度高的刃具、量具和模具等。

按含碳量分：

•低碳钢：wc<=0.25%：

•中碳钢：wc在0.25P6%之间；

•高碳钢：Wc>=0.6%a

按钢的质量分：

•普通碳素钢

•优质碳素钢

•高级优质碳素钢

七、钢的热处理

状态图中的组织都是平衡状态下的组织，往往不能满足机械零件在使用过程的要求。为

了满足工业应用对于零件的各种性能要求，采取的主要措施之一，就是对金属材料进行热处

理。

热处理:在固态下，将金属或合金以一定的加热速度，加热到预定的温度，保温一定的

时间，然后以预定的冷却速度进行冷却的工艺方法。

加热是热处理的第一步，目的是为了获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织，为冷却转

变做好准备。

冷却时，依冷却速度不同，可分为不同的热处理工艺，冷却后得到的常温组织和钢的性

能也不同。

1.退火

缓慢冷却「•般为随炉冷却），得到珠光体型组织的热处理工艺。由于组织在加热和冷

却时重新发生转变，退火可以得到如下目的：

■改善钢的组织，得到细小的晶粒；

■降低硬度，提高塑性，改善冷压和切削等工艺性；

■改善组织，消除应力。

2.正火

空冷，冷却速度稍快。正火组织比退火组织具有较高的强度和硬度。正火的主要作用是:

■均匀、细化组织；

■可以消除某些异常组织，如过共析钢中的网状渗碳体、亚共析钢铸件中的针状铁素

体；

■改善低碳钢的切削加工性：

■对于一般的结构零件•，可以作为最终热处理，得到一定强度与较好韧性相结合的机

械性能。

3.淬火和回火

高温奥氏体化后，以很快的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体（过饱和固溶体），提高

了硬度和耐磨性。回火是将淬火后的钢加热到临界温度下某一温度，保温后以一定冷却速度

（空冷或更快的冷却速度）冷却到室温的工艺操作。回火是淬火后必不可少的后继工序。通

过回火，可以：

■获得所需要的机械性能；

■稳定组织，稳定尺寸；

■消除淬火应力。

改变热处理中的工艺参数，可以使合金获得不同的组织和性能，以满足生产要求。

金属或合金经过热处理，可以挖掘材料潜力，提高产品质量，延长使用寿命。

有些零件表面要求高的硬度和耐磨性，心部要求一定的强度和韧性，可通过表面热处理

获得这种综合性能。常用的表面热处理工艺是表面淬火。

表面建火是将零件的表面迅速加热到临界温度以上，转变成奥氏体,随即进行淬火冷却，

使表面组织成为马氏体，再进行低温回火，保持高硬度、高耐磨性；而心部仍保持原始组织

和原有性能。

最常用的表面淬火力法是高频感应加热淬火。

除采用表面淬火外，还可进行化学热处理，即将工件在特定的介质中加热到一定温度并

保温，使表面化学成分发生变化，从而改变金属表面组织与性能。通过化学热处理可提高表

面硬度、耐磨性、抗疲劳性能，还可以提高耐蚀性和耐热性。

最常用的是渗碳、渗氮和碳氮共渗等。此外，按渗入元素不同，还有渗铝、渗铭、渗硼

和渗硅等等。

3.2合金钢

碳钢虽然价格便宜，也有一定机械性能，但综合机械性能不高，淬透性很小，不具备某

些特殊性能（抗蚀、耐热等）。

航空产品当中的钢多为合金钢。

合金钢，是为了获得所需要的组织和性能而加入合金元素的钢。

对钢进行合金化的目的是为了提高机械性能、提高淬透性，使钢获得某些特殊性能（耐

蚀、耐高温等）。

一、铁的合金化

加入的合金元素与碳类似，可以溶于铁素体，或溶于渗碳体，或者与碳形成碳化物。

按能否与碳形成碳化物，可将合金元素分为：

1.非碳化物形成元素

只溶于铁素体，不形成碳化物。银、硅、铝、钻、铜等。起固溶强化作用。合金铁素体

的硬度随合金元素含量增加而增高。合金元素过多，会导致铁素体韧性下降。

2.碳化物形成元素

能形成碳化物，也能溶于铁素体。锦、铭、铛、钳、帆、钛、铜等，合金碳化物的硬度

高，提高耐磨性；加热时合金碳化物不熔于奥氏体，阻止奥氏体晶粒长大，使奥氏体保持细

小的晶粒。

二、合金钢的分类和编号

按用途分：

•结构钢：制造零件；

•工具钢：

•特殊钢：制造有特殊要求的零件，不锈钢，耐热钢。

按化学成分分：

•低合金钢：合金元素总含量小于5%；

•中合金钢：合金元素总含量在5%~10%之间；

•高合金钢：合金元素总含量大于10%。

合金钢的编号以含碳量+合金元素及其含量表示：

•钢号前2位数字表示平均含碳量（单位为0.01%）；

•所含合金元素用化学符号或汉字表示，其后的数字为合金元素的平均含量（单位为

1%）;