航空材料-8.有色金属综述

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1、第8章 有色金属材料,有色金属8.1 铝及铝合金,8.1 铝及铝合金 8.1.1 纯铝 理化性能： 具有面心立方晶格，银白色，密度为2.7g/cm3，熔点660，导电性和导热性良好。化学性质较活泼，在空气中易形成致密的Al2O3保护性氧化膜，故在大气中显示出较好的耐蚀性，但不耐酸、碱、盐腐蚀。 力学性能： 强度很低，b=80110MPa；塑性很高，=32%40%。 工业纯铝的牌号： L1、L2、L3L7，序号数字越大，纯度越低。 工业纯铝的用途： 制造电线、包装用铝箔或熔炼铝合金的原料；还可以作为铝合金型材表面的覆盖层。一般不用来制造机械零件。,有色金属8.1 铝及铝合金,8.1.2 铝合金

2、在铝中加入铜、镁、锌、锰、硅等合金元素炼制成铝合金，强度较之纯铝大幅度提高，同时又保持了质量轻、有一定耐蚀性、色泽美观等优点，成为一种重要的工程材料，在航空航天、汽车、建筑物、日用器具等制造领域得到广泛的应用。 1.铝合金的分类,有色金属8.1 铝及铝合金,2.铝合金的热处理 （1）退火 再结晶退火（完全退火） 加热温度约400。用于冷变形加工的半成品，作用是消除加工硬化，以便继续冷变形加工。 去应力退火（不完全退火） 加热温度约150200。用于冷变形加工的成品零件，作用是消除冷变形产生的内应力，同时又保持一部分加工硬化带来的高强度，并使塑性得到一定程度恢复，可以再进行少量变形加工。,有色金

3、属8.1 铝及铝合金,（2）固溶处理与时效 有些含Cu和Zn的铝合金，可以通过固溶+时效的方法来强化。 固溶处理（淬火） 固溶处理是将铝合金加热到一定温度保温后，放入水中快速冷却的热处理工艺。固溶处理的作用是使合金元素充分溶入铝合金中的固溶体，为时效强化作准备。固溶不能直接使铝合金的强度大幅度上升，铝合金在固溶处理后，强度仅比退火略有提高，而塑性却很好。,时效强化 经过固溶处理的铝合金，在一定的温度下，强度随时间推移逐渐升高的现象称为时效强化。 在常温发生的时效强化称为自然时效，在加热条件下发生的称为人工时效。,有色金属8.1 铝及铝合金,3. 变形铝合金 变形铝合金是指那些塑性比较好，可以进

4、行变形加工的铝合金。 （1）变形铝合金的牌号、状态代号 牌号：,有色金属8.1 铝及铝合金,状态代号：,在资料上查阅铝合金的性能数据时，要注意是何种加工状态。,详见：GB/T 16475-2008,有色金属8.1 铝及铝合金,新旧状态代号对照：,在资料上查阅铝合金的性能数据时，要注意是何种加工状态。,有色金属8.1 铝及铝合金,（2）常用变形铝合金的性能和用途,有色金属8.1 铝及铝合金,有色金属8.1 铝及铝合金,铝合金在飞机上的应用 一战时期的飞机： 钢木结构、帆布蒙皮,现代飞机： 超强钢、铝合金、镁合金、 钛合金、复合材料 、高温合金等,二战时期的飞机： 全金属结构（钢、铝合金）,有色金

5、属8.1 铝及铝合金,747-400使用了强度更高的铝合金，这使其重量减轻了约4200磅（1900公斤），并疲劳寿命也被延长。这些在757和767飞机上使用的合金材料被用到747-400的机翼蒙皮、桁条和下面翼梁弦等部位。,有色金属8.1 铝及铝合金,飞机的蒙皮都是用铆钉铆接在骨架上的。,例：“冰箱铆钉”,有色金属8.1 铝及铝合金,在铆接的时候，要求铆钉低强度、高塑性（易于铆接）；而在铆接后又希望它具有高强度。（如何解决这个加工性能和使用性能的矛盾？）,“冰箱铆钉”是一种用可以自然时效的铝合金（如2A12等）制成的铆钉。使用前先将其固溶处理（淬火），然后立即放入冰盒中保存。在低温环境中铆钉不

6、会发生时效强化，处于低强度、高塑性状态（适合于铆接）。使用时，从冰箱中取出铆钉，在一定时间内进行铆接。铆接后，铆钉在常温会发生自然时效而强化。 思考：使用冰箱铆钉应当注意什么？,例：“冰箱铆钉”,有色金属8.1 铝及铝合金,4.铸造铝合金 铸造铝合金具有优良的铸造性能，适于铸造形状复杂的轻质铸件。但塑性低，不能进行变形加工；其强度也比变形铝合金低一些。,铸造铝合金在飞机发动机上的应用,有色金属8.1 铝及铝合金,铝合金铸件,知识链接轻金属在航空航天器上的应用,通常把密度小于5g/cm3的金属材料称为轻金属。铝合金、镁合金和钛合金都是轻金属。它们之所以成为重要的航空航天材料，是由于都有较高的比强

7、度。 所谓比强度，是指材料的强度b与密度的比值。材料的比强度高，意味着用它可以制成轻质高强的零件，这对于减轻飞行器的重量，提高飞行器的性能有着十分重要的意义。,有色金属8.2 镁及镁合金,8.2 镁及镁合金 8.2.1 纯镁 理化性能： 具有密排六方晶格，银白色，密度为1.7g/cm3，熔点651。化学性质很活泼，在空气中就很容易被氧化腐蚀，遇高温可能燃烧，因此在加工和储运过程中应采取保护措施。 力学性能： 强度很低，b=100150MPa；塑性比纯铝低得多，=8%。 工业纯镁的牌号： Mg1、Mg2、。 工业纯镁的用途： 作为熔炼镁合金、制造信号弹、焰火的原料；还可以用作脱氧剂。一般不用来制

8、造机械零件。,有色金属8.2 镁及镁合金,8.2.2 镁合金 在镁中加入铝、锌、锰等合金元素炼制成镁合金，强度较之纯镁大幅度提高，成为一种重要的航空材料，近年来在电子信息产品上的应用也越来越多。 1.镁合金的分类与牌号,有色金属8.2 镁及镁合金,2.镁合金的特点 （1）可以进行淬火+人工时效强化，比强度高。 （2）减振性好。 （3）可切性好。 （4）耐腐蚀性差，需进行表面处理，在表面形成保护层。在与其它金属零件组装时，在结合面上应采取绝缘隔离措施，以防电化学腐蚀。 3.镁合金的用途 飞机上受载荷不很大的轻质结构件，如座椅框架、窗框、压气机机匣、机舱隔框、轮毂、翼肋等。还可制造相机、手机、手提

9、电脑的外壳、骨架等。,有色金属8.2 镁及镁合金,有色金属8.3 钛及钛合金,8.3 钛及钛合金 8.3.1 纯钛 物理性质： 银白色，密度为4.5g/cm3，熔点1667。具有同素异晶现象，在882以下为密排六方晶格，称为-Ti；在882以上为体心立方晶格，称为-Ti。 力学性能： 强度与普通结构钢相当，b=400700MPa；塑性和韧性也比较好。是唯一可以用来制造结构零件的纯金属。 工业纯钛的牌号： TA1、TA2、TA3，序号数字越大，纯度越低。 8.3.2 钛合金 钛合金中加入铝、铬、钼、锡、锰、钒等合金元素，强度进一步提高。其种类和牌号如图所示：,有色金属8.3 钛及钛合金,8.3.

10、3 钛及钛合金的性能特点 1.优点 力学性能 强度高，b=4001400MPa，但密度仅为钢的60%，故比强度很高。塑性韧性较好。 热强度较高 在500仍然保持较高强度。而且无明显氧化。 低温韧性好。 化学性能 在空气中自发形成致密的保护性氧化膜，故耐蚀性很好，在大气、海水、硝酸中的耐蚀性超过不锈钢。但在HF酸、硫酸中易腐蚀。 2.缺点 可切削性差 原因：摩擦系数大、导热性低、易粘刀。 热加工工艺性差 原因：在600以上会吸收氢、氮、氧而变脆。在铸、锻、焊加工时要采用真空保护。 冷变形性差 冷变形时容易开裂。 硬度低，耐磨性差。 价格较贵。,有色金属8.3 钛及钛合金,8.3.3 钛及钛合金的

11、用途 1.在飞机上的应用 用于制造在500以下工作的结构件。如航空涡轮发动机的压气机盘、压气机叶片、压气机机匣、框架、桁条、管道等。,有色金属8.3 钛及钛合金,美国的B-1轰炸机的机体结构材料中，钛合金约占21%，主要用于制造机身、机翼、蒙皮和承力构件。F-15战斗机的机体结构材料，钛合金用量达7000kg ，约占结构重量的34%。波音757客机的结构件，钛合金约占5%，用量达3640 kg。麦克唐纳道格拉斯（Mc-Donnell-Dounlas）公司生产的DC10飞机，钛合金用量达5500kg，占结构重量的10%以上。 2.在其它领域的应用 化工设备,钛衬里反应釜,钛反应釜,钛热交换器,有

12、色金属8.3 钛及钛合金,医疗 由于钛及其合金的优异抗蚀性能，良好的力学性能，以及良好的生物组织相容性，可以用于制作人造骨骼等生物材料。 汽车 a)钛合金连杆 意大利的新型法拉利35LV8发动机首次使用了钛合金连杆。 b)钛合金发动机气门 用Ti-6AI-4V等制成的气门比钢制气门轻40，可提高极限转速20。 C)钛合金弹簧类 Ti-13V-IIC-3AI等合金的开发，可望用于发动机气门弹簧、悬架弹簧上。 体育器材 比赛用自行车、高尔夫球杆。 船舶,有色金属8.4 铜及铜合金,8.4 铜及铜合金 8.4.1 铜及铜合金的分类,有色金属8.4 铜及铜合金,8.4.2 纯铜（紫铜） 物理性质：紫红

13、色，故又称为紫铜。密度为8.9g/cm3，熔点1083。具有面心立方晶格。电导率和热导率仅次于银。 化学性质：紫铜在大气、海水和某些非氧化性酸（盐酸、稀硫酸）、碱、盐溶液及多种有机酸（醋酸、柠檬酸）中，有良好的耐蚀性，可用于化学工业。 力学性能：强度硬度低，b=220250MPa；布氏硬度为3545HBS。 塑性和韧性很好，= 4550 。一般不用来制造机械零件。 工艺性能：有良好的焊接性、变形加工性。可经冷、热塑性加工制成各种半成品和成品。 用途：主要用于制造导电、导热器材。 牌号： 普通紫铜有四个牌号(T1、T2、T3、T4)。,有色金属8.4 铜及铜合金,8.4.3 黄铜 黄铜是由铜和锌

14、所组成的合金，色泽金黄。如果只是由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜。如果除了锌以外还加入了其它元素，就称为特殊黄铜。 黄铜有一定的耐磨性和耐腐蚀性。当含锌在30%32%时，塑性最好；当含锌在40%45%左右时，强度最高，超过45%则强度、塑性都很低。故实用的黄铜含锌量都在45%以下。 牌号： 例1： H68含铜68%、锌32%的普通黄铜，属压力加工黄铜。 例2： HSi80-3含铜80%，硅3%的特殊黄铜，属压力加工黄铜。 例3： ZCuZn38（ZH62）含铜62%、锌38%的铸造普通黄铜。 例4： ZCuZn31Al2（ ZHAl67-2）含铜67%、锌31%、铝2%的铸造特殊黄铜。 常用品

15、种：见教材,用途：黄铜在铜合金中价格比较便宜。制造板料、型材，以及铸造零件等。黄铜无缝管可用于热交换器和冷凝器、低温管路。也可制造建筑装饰材料、水管配件等。,有色金属8.4 铜及铜合金,黄铜应用示例,有色金属8.4 铜及铜合金,8.4.4 青铜 青铜原指铜锡合金，但工业上都习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜合金也为青铜，所以青铜实际上是指除黄铜、白铜以外的其它铜合金。青铜也分为压力加工青铜和铸造青铜两类。 一般而言，青铜的强度、耐磨性、耐腐蚀性优于黄铜，但价格比黄铜贵。 用途：制造与钢件配合的耐磨零件，如滑动轴承、蜗轮、传动螺母等；还可制造仪表齿轮、导电弹性元件等。 青铜的牌号： 例1： QSn

16、4-3含锡4%、锌3%的压力加工青铜。 例2： QBe2含铍2%的压力加工青铜。 例3： ZCuSn10P1（ZQSn10-1）含锡10%、磷1%的铸造青铜。 例4： ZCuAl10Fe3（ ZQAl10-3）含铝10%、铁3%的铸造青铜。,有色金属8.4 铜及铜合金,（1）锡青铜 以锡为主要合金元素的铜基合金称锡青铜。工业中使用的锡青铜，锡含量大多在3%14%之间。锡含量小于5%锡青铜适于冷加工使用；锡含量为5%7%的锡青铜适于热加工；锡含量大于10%的锡青铜适于铸造。锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用，主要用以制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件以及抗蚀、抗磁零件等。 （2）铝青铜 以铝为主要合金元素的铜基合金称铝青铜。铝青铜的力学性能比黄铜和锡青铜高。实际应用的铝青铜的