第二章 轻合金及超高强度钢

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2．7g/cm3、1．74g/cm3。和4．5g/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：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θ’’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θ’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θ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、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Al－Si－Mg系、Al－Si－Cu系、Al－Si－Cu－Mg系；2XXX代表Al－Cu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。Al－Si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。Al－Cu系：具有高的强度和耐热性。Al－Mg系：良好的抗蚀性和切削加工性，但其铸造性能较差。Al－Zn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.δ’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。70－80年代，西方国家发展了Al－Li－Cu－Mg－Zr系的2090、2091、8090等。近年来在Al－Cu－Li系的049基础上发展起来的2195、2197性能上有很大改进。（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Al－5Mg－2Li－0.1Zr（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7090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。IN－9021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。TiTi℃βα5.8822.3.2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α相的，还是稳定β相的。电子/原子的比值低于4的合金元素稳定α相，如铝和氧；比值大于4的稳定β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：α型合金，β型合金，α＋β型合金2.3.4变形钛合金表2－19中钛合金牌号中的ABC分别表示α型、β型和α＋β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Ti－55，Ti－60和Ti－600等。1、α钛合金α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，间隙元素氧和氮起间隙强化作用。α钛合金又可分为三小类：全α钛合金、近α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α钛合金主要有工业纯钛（Ti－O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α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β相，锻造性能有所改善。机械性能可通过马氏体的形成和α/α’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，空冷或油淬，400和475两次时效，析出Ti2Cu相亚稳沉淀。可焊接2、α＋β合金典型代表Ti-6Al-4V（IMI318）兼有α、β两类合金的优点：从化学成分看，即有α稳定元素，又β有稳定元素；从组织结构看，包含α和β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、β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ZTi1－ZTiA1ZTi2－ZTiA2ZTiAl5Sn2.5－ZTA7ZTiAl6V4－ZTC4铸造Ti－6Al－4V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S－N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B7070.2%B7474%B7576%B7777%2.4镁合金2.4.1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（δ＝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AＢＣ表示合金成分在特点范围内的改变，Ｘ表示此合金是试验合金：2、我国铸造铝合金的化学成分和力学性能（1）Mg－Al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）Mg－Al－Zn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）Mg－Zn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Mg－Zn－Zr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。Mg－RE－Zn－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。Mg－Th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。Mg－Ag系铸造镁合金Ag可提高拉伸性能。我国ZM7合金国际QE224、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Mg－Mn系、Mg－Al－Zn系、Mg－Zn－Zr系、Mg－RE系、Mg－Tn系、Mg－Li系2、我国变形镁合金的成分及应用3、含锂和含钍的镁合金2.4.4快速凝固粉末镁合金比强度和耐蚀性与铝相当工艺复杂，价格昂贵2.5超高强度钢最低屈服强度超过1380MPa的结构钢称为超高强度钢。2.5.1低合金超高强度钢合金元素含量少，经济性好，强度高，屈强比低。但其韧性相对较低。2.5.2中合金高强钢2.5.3高合金超高强度钢二次硬化马氏体钢系列18Ni马氏体时效钢系列沉淀硬化不锈钢系列二次硬化马氏体钢系列18Ni马氏体时效钢系列