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1、第三章 船用非铁金属材料及其它材料n本章主要介绍船用铝合 金、铜合金、钛合金等 种类、牌号、性能及其 用途.n 概述: n 工业上钢铁称为黑色金属，除钢铁以外的金属称 为非铁金属（又称有色金属） 。非铁金属与黑色金 属相比，具有一系列特点，有良好的导热性和导电性 ，如银、铜、铝等。有优异的化学稳定性，如铝、钛 等。比强度（单位质量能够提供的强度）高，如铝合 金、钛合金等。近年来，航空、航海中为减轻重量， 提高运载能力和航行速度，要求材料强度高、密度轻 。此外，石油、化工、航海中的设备及其零件要在腐 蚀介质中工作，要求材料具有良好的耐腐蚀性，所以 非铁金属在近代造船行业中应用广泛，特别是高强度
2、、耐腐蚀的轻合金材料的应用，大大改善了船舶的使 用性能。n 第一节 船用铝合金一、纯铝的性能特点: （一）纯铝的密度小（2.7g/cm3）。其强度很低，b=80 MPa 100 MPa。但塑性很好，=30%50%。熔点为660，结晶后 具有面心立方晶格，没有同素异构转变。（二）导电、导热性能仅次于银、铜、金而居于第四位。（三）具有良好的抗大气腐蚀能力，在空气中铝的表面可生 成致密的氧化膜，可有效地隔绝铝和氧的接触，阻止表面的进一步 氧化。根据上述特点，工业纯铝的主要用途为：代替较贵重的铜 制作导线、电缆；配制铝合金；制作具有导热和抗大气腐蚀性能而 对强度要求不高的用具和器皿。工业纯铝中常见的杂
3、质是铁和硅，杂质越多，其导电性能越低 ，腐蚀性、塑性越差。AVCAVC纯铝散热器纯铝散热器 纯铝吊灯纯铝吊灯纯铝机箱纯铝机箱铝芯线铝芯线n 二、铝合金的分类及对船用铝合金性能的基本要求n 铝合金：纯铝的强度较低，若在铝中加入一些元素，如铜、 镁、 锌、锰、硅等形成铝合金，其性能将会有很大的改善。n （一）铝合金的分类n 根据铝合金的化学成分和工艺特点，可将铝合金分为变形铝 合 金和铸造铝合金两类。 铝合金铝合金 状态图的一般类型状态图的一般类型铝合金的分类形变铝合金铸造铝合金不能热处理 强化铝合金能热处理 强化铝合金n （二）合金性能的基本要求n 把铝合金加热到相区，保温后在水中快冷，得到单相
4、过饱和 的固溶体，这种处理方式称为固溶处理或淬火。 力学性能方面：n 1、屈强比 保持一定差距，一般不要大于0.8，利于半成品 和 零件的加工矫正工作。n 2、高温强度 在加热到100之前，应保持力学性能不变， 加 热到250时，屈服强度大于60%。n 3、疲劳强度 平板试样的疲劳强度不小于50MPa，带焊缝试 样 的疲劳强度不小于40 MPa。n 4、延伸率 不小于10%，以适应各种加工工艺需要。n 抗腐蚀性能方面：n 应具有良好的抗腐蚀性能，特别是抗海水腐蚀性能。对高强 度 变形铝合金，还要求有较好抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能。n 其它方面：n 热处理不可强化铝合金，应具有良好的可焊性和加工
5、性；热 处 理可强化铝合金，经过一定热处理后，应具有良好的加工性，并 具 有在热处理中抵抗变形的能力。n （三）铝合金的时效硬化n 1.定义:n 固溶处理或淬火： 把铝合金加热到相区，保温后在水中快 冷，得到单相过饱和的固溶体，这种处理方式称为固溶处理或淬 火。n 时效硬化：在固溶处理后的合金随时间延 续而发生进一步强 化的现象。n 回归现象：已经时效硬化的铝合金，如若需恢复其塑性，可在 230250作短时间加热，然后快冷至室温，合金将重新恢复塑性， 即性能恢复到淬火状态。若在室温下放置，则与新淬火合金一样， 仍能进行正常的自然时效与人工时效，这种现象称为回归现象。 n n 2.种类自然时效人
6、工时效含4%Cu的铝合金自然时效曲线含4%Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线n （四）船用变形铝合金n 1.分类n 船用变形铝合金，按其化学成分与主要性能特点，分为 防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝等四种，见表3-1。n 2.牌号n 按GB/T164741996规定，变形铝合金牌号用四位字符体 系表示，牌号的第一、三、四位为数字，第二位为字母“A” 。 牌号中第一位数字是依主要合金元素Cu、Mn、Si、Mg、Mg2Si 、 Zn的顺序来表示变形铝合金的组别。依其主要合金元素的排 列 顺序分别标示为2、3、4、5、6、7。例如，5A50，表示以镁 为 主要合金元素的变形铝合金，后两位数字用以标识同
7、一组别 的 不同铝合金。n 3.常用的铝合金n (1)防锈铝合金 :n Al Mn 通过固溶强化提高铝合金的n 强度和抗蚀性 ( 比纯铝好 )。 n Al Mg 通过固溶强化提高铝合金的n 强度和抗蚀性 ( 比纯铝轻 )。 n 防锈铝合金均属热处理不可强化的铝合金，加工硬化 是 其唯一的强化手段。 防腐保温铝板卷铝皮防腐保温铝板卷铝皮 铝镁合金板铝镁合金板 瓦楞铝板瓦楞铝板 n (2)硬铝合金:n Al Cu Mg 通过 时效强化提铝合金强度,但 耐蚀性不高。常用于航空制 造业结构件的制造，如飞机 螺旋桨、叶片、隔框、蒙皮、 支架、承受高负荷的 铆钉等。 (3)超硬铝合金:n Al Zn Mg
8、 Cu 通过时效强化和形成的强化相, 使铝合金达到最高的硬度和强 度。但耐蚀性较差。主要用于 制造飞机的受力构件，如飞机 的起落架、大梁等。飞机翼梁(腹板为硬铝合金)飞机主起落架n (4)锻铝合金 :n Al Mg Si Cu 具有良好的热塑性,通过固溶 处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。由于锻铝合金的热塑性好，所以适于制造航空及仪表 工 业中各种形状复杂、要求比强度较高的锻件，如各种叶轮 、 框架或高温条件下（200300以下）工作的零件，如 内 燃机的活塞及汽缸等。压气机叶片n （五）铸造铝合金1.分类n 用来制作铸件的铝合金，成为铸造铝合金。 铸造铝 合 金分为铝硅系、铝铜系、铝镁系
9、和铝锌系四种。 其 中铝硅系应用最广。2.牌号n 铸造铝合金的牌号表示法如下：例如，ZAlSi7Mg；Z 汉语拼音“铸”字的第一个大写字母，Al铝的元素符号 ， Si硅的元素符号，7硅的质量分数，Mg镁的元素符号 。n 常用铸造铝合金的牌号、化学成分、力学性能及用途 见 表3-2。n 3.铸造铝 硅合金(俗称硅铝明 )n 铝 硅合金一般铸造所得的组织几乎 全部是粗大的共晶体 ，它使合金的力学性 能下降.通常采用变质处理细化晶粒后，力学性能显著提高。n 一般用来制造质轻、耐蚀、形状复杂但强度要求不高的铸件，如发动机汽缸、 手提电动工具或风动工具，以及仪表的外 壳等。同时，加入Mg、Cu的铝硅合金
10、 （ZL108），还具有较好的耐热性与耐磨性，常用于制造内燃机的活塞等。活塞(裙部为铝硅合金)n 三、铝合金的腐蚀与防腐n （一）铝及铝合金常见腐蚀形式n 1.电化学腐蚀n 2.应力腐蚀开裂（SCC） n 铝合金的SCC是在20世纪30年代初发现的。金属在应 力 （拉应力或内应力）和腐蚀介质的联合作用下所发生的一 种 破坏，被称为SCC。SCC的特征是形成腐蚀机械裂缝，既 可 以沿着晶界发展，也可以穿过晶粒扩展。由于裂缝扩展是 在 金属内部，会使金属结构强度大大下降，严重时会发生突 然 破坏。n SCC在一定的条件下才会发生，它们是：一定的拉应 力或金属内部有残余应力。 （二）铝合金常用防腐措
11、施n1.涂层保护 ；2.牺牲阳极 ；3.阳极氧化处理 。第二节 船用铜合金一、纯 铜（又称紫铜 ） 铜的性能特点:密度大；导电及导热性能好；n 抗大气腐蚀性好；塑性高；n 强度低；无磁性；无打击火n 花；加工工艺性好等。 纯铜主要用途为：制作导电材料，如电线、n 电缆等，还可用来配制n 各种合金。纯铜及其合n 金对于制造不允许受磁n 性干扰的磁学仪器，如n 罗盘、航空仪表和炮兵n 瞄准环等具有重要价值。 铜铜电线、电缆电线、电缆二、铜合金的分类及牌号表示方法(一)分类白铜白铜 : Cu Ni: Cu Ni 黄铜 : Cu Zn 铜合金的分类青铜 : 除黄铜和白铜外的所有铜合金。普通黄铜普通黄铜
12、 特殊黄铜特殊黄铜锡青铜锡青铜 特殊青铜特殊青铜 （无锡青铜（无锡青铜 ）压力加工黄铜压力加工黄铜 铸造黄铜铸造黄铜 n(二)牌号n1.黄铜的牌号( Z )( Z ) H H 9090含铜量 WCu = 90%黄铜铸造n2.特殊黄铜牌号n3.青铜牌号的表示方法H H AlAl 5959 - - 3 3含铝量WAl = 3%含铜量WCu = 59%Z Z Q Q Sn10 Sn10 1 1其它合金元 素含量为1%主加元素锡其含 量为WSn = 10%青铜铸造n三、黄铜n1.黄铜：铜与锌组成的合金称为黄铜。为改善其性能，常加 入锡、铝、硅、镍、锰、铅、铁等元素，这样形成的合金称为 特 殊黄铜。n2
13、.力学性能与含锌量有着极为密切的关系50030405060700400300200100010205040302010506070809010011040HB+bb(Mpa )(%)HB当含锌量为当含锌量为30%30%时黄铜时黄铜 具有最大的塑性。而含具有最大的塑性。而含 锌量为锌量为40%40%时黄铜具有时黄铜具有 最大的硬度。最大的硬度。n3.常用的黄铜n普通黄铜:金奖黄铜 H90 ，n 弹壳黄铜 H70 ( H68 )，n 日用黄铜 H62 ( H59 )。冷凝器管法兰阀闸阀n特殊黄铜：海军黄铜 HSn62 1，易切削黄铜 HPb59 - 1小型螺旋桨小型螺旋桨 船厂员工在导弹驱逐舰船厂
14、员工在导弹驱逐舰“德凯特德凯特” 号巨大螺旋桨号巨大螺旋桨 下留影下留影n 四、青铜n（一）锡青铜 n 1.力学性能与含锡量有着极为密切的关系3 7 10 14压力加工铸造成形b+ 含锡量小于含锡量小于8%8%的合金，具的合金，具 有良好的塑性和适宜的强有良好的塑性和适宜的强 度，易于压力加工；含锡度，易于压力加工；含锡 量大于量大于10%10%的合金塑性差，的合金塑性差， 只适合铸造。只适合铸造。2.锡青铜的应用锡青铜的抗腐蚀性和耐磨性都比纯铜和黄铜好，都用 于 制造耐磨零件，如轴套、轴瓦等。也可用来制造与酸、碱 、 蒸汽接触的零件。温度低于200的蒸汽管系和阀件。无锡灵山大佛无锡灵山大佛
15、轴套轴套内螺纹恒温疏水阀内螺纹恒温疏水阀 n（二）特殊青铜(也称无锡青铜或特殊青铜 )n在青铜中加入锡以外的其它合金元素，如Al、Mn、Si、 Pb、Fe等元素，这种铜合金称为无锡青铜或特殊青铜。n特殊青铜按主要加入元素分为铝青铜、铅青铜、锰青铜 、硅青铜、铍青铜等；常用的有铝青铜、铍青铜等。铝青铜合金减速机蜗轮铝青铜合金减速机蜗轮 铝青铜合金轴套铝青铜合金轴套 铍青铜棒、板、铍青铜棒、板、 管、毛细丝管、毛细丝 第三节 船用钛合金n一、钛及钛合金的种类和性能n（一）工业纯钛和高纯度钛的性能n物理性能：银白色光泽，密度4.507g/cm3，熔点1668 ，n -Ti（hcp） 882.5 -Ti（bcc）。 n应用：制造化工设备，船舶用零件和化工用热交换器等 。 热交
