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,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： 密度小 耐腐蚀 非磁性 塑性好 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,强化元素

2、：铜、镁、锌、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,1）形成GP区 与基体共格，强度硬度提高 2）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 3）形成过渡相 正方晶格，局部共格，畸变减小，强度、硬度有所下降。 4）形成稳定的相 体心正方晶格，失去共格联系，畸变消失，强度硬度显著下降。,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。 孕

3、育期：时效开始几小时内，强度无明显增加，称为孕育期。,2.2.2 铝合金的分类,变形铝合金 铸造铝合金,1、变形铝合金,1）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 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 合金元素符号按名义百分含量递减的次序排列。 含量不足1的不标含量。 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,由字母ZL及其后面三个阿拉伯数字组成 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

4、、铝锌系列； 第二、三两位数字表示顺序号； 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,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。 中间两位数字表示不同合金 小数点后的数字表示产品形式：0为铸件，1为铸锭。 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,主要合金元素为Si，Cu，Mg，Zn及稀土。 AlSi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。 AlCu系：具有高的强度和耐热性。 AlMg系：

5、良好的抗蚀性和切削加工性，但其铸造性能较差。 AlZn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,锂是最轻的金属元素。密度为0.53g/cm3. 相使强度提高。 弹性模量高 价格高,（1）含锂铝合金在西方国家的发展,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。 7080年代，西方国家发展了AlLiCuMgZr系的2090、2091、8090等。 近年来在AlCuLi系的049基础上发展起来的2195、2197性

6、能上有很大改进。,（2）含锂铝合金在苏联和俄罗斯的发展,1965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。 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,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。 之后用粉末冶金技术（PM）制备块状材料。,RS法生产的铝合金,709

7、0和7019：强度高，具有较高的应力腐蚀抗力，韧性也高于传统铸锭法生产的合金。 MR61，MR64和CW67等合金，性能均十分优异。,MA法生产的铝合金,IN-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,2.3.1工业纯钛 地壳中蕴藏量居金属元素的第四位。 熔点1667，高于铁的熔点。 密度4.5g/cm3,相当于铁的一半。 固态具有同素异构转变： 力学性能与低碳钢相似，具有较高的强度。,2.3.2 钛及其合金的主要特性,1、比强度高 2、热强度高 3、抗蚀

8、性高,2.3.3钛合金的合金化原理和合金分类,1、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,分为三大类：型合金， 型合金， 型合金,2.3.4 变形钛合金,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。 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,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

9、和氮起间隙强化作用。 钛合金又可分为三小类：全钛合金、近钛合金和时效强化钛合金。 铝当量Al+1/3Sn+1/6Zr+10(O+C+2N) 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,主要有工业纯钛（TiO合金）和Ti-5Al-2.5Sn。 强度不高 热稳定性好 蠕变强度较高 延性好 易焊接。,（2）近钛合金,高温使用，主要用于发动机中使用温度低于600的零部件。 含有少量相，锻造性能有所改善。 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,Ti-2.5Cu（IMI230）合金 可以热处理强化的薄板材料。 时效强化：805固溶处理，空冷或油

10、淬，400和475两次时效，析出Ti2Cu相亚稳沉淀。 可焊接,2、 合金,典型代表Ti-6Al-4V（IMI318） 兼有、两类合金的优点： 从化学成分看，即有稳定元素，又有稳定元素； 从组织结构看，包含和两种固溶体； 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； 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,体心立方晶格 变形性能好，易于压力加工 淬透性好，强度高 密度较大 耐热性不高,2.3.5铸造钛合金,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。 代号：由字母ZT加A、B、C及顺序号组成。 如ZTi1ZT

11、iA1 ZTi2ZTiA2 ZTiAl5Sn2.5ZTA7 ZTiAl6V4ZTC4 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,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。 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,B707 0.2% B747 4 % B757 6 % B777 7 %,2.4 镁合金,2.

12、4.1镁合金的合金化及其特点 1、镁的合金化 纯镁的密度为1.74g/cm3，密排六方晶格，力学性能差，塑性很低（10）。 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,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

13、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。 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,MgZnZr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。 MgREZn 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。 MgTh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。 MgAg系铸造镁合金 Ag可提高拉伸性能。 我国 ZM7合金 国际QE22,4、含Zr的铸造镁合金,2.4.3变形镁合金,1、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分及应用,3