工程材料与热处理

1、第7章有色金属及其合金 在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，如钢与铸铁，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。有色合金种类繁多，产量小，总产量和应用量远小于黑色金属，但由于其具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度等，有色金属及其合金已成为机械制造业、建筑业、电子工业、航空航天、核能等现代工业领域中不可缺少的结构材料和功能材料。7. 1铝及铝合金 铝及铝合金是除钢铁以外的用量最多、应用范围最广的第二大类金属材料，其产量占有色合金的首位，地壳中的蕴藏量也占首位。7. 1. 1铝及铝合金的主要特征 铝为面心市方结构金属，晶格常数为4.049A。1密度小、比强度高 室温

2、下纯铝的密度约2.72g/cm3，约为钢铁的l3。由于密度低，强度高，铝及铝合金比强度(强度/密度)很高，可以与高强度低合金钢相媲美(LYl2的比强度约为17.4，而40cr的约为12.8)。因此，铝及铝合金是一种重要的轻质结构材料，在航天航空、高速列车、舰船车辆、武器装备等工业部门得到广泛的应用。2导电、导热性能好 铝的导电性6065IACS、导热性2.26 W/(mK)仅次于金、银、铜，位居第四，远优于Fe、Ti等。因此，纯铝和某些化合程度较低的铝合金常被用来代替昂贵的铜，来制作输电电线、电缆或用于其他电器元件。 3抗腐蚀性能好 铝的化学活泼性高，标准电极电位很低(-1.67V)。与氧的化

3、学亲和力大，在大气中极易和氧作用，表面会很快生成一层牢固致密的氧化膜(约为50100A厚)，即使在熔融状态，仍然能维持氧化膜的保护作用。在大气、淡水、强氧化性的浓硝酸(8098)、各种硝酸盐和各种有机物等环境中均有极高的稳定性，优于NiCr系不锈钢。 然而，值得注意的是，Al2O3膜具有酸、碱两重性的氧化物，在卤素离子(Cl-)和碱离子(OH-)的强烈作用下氧化膜易遭破坏，故在大多数的硫酸、盐酸、碱、盐和海水等溶液中均不稳定，氧化膜破坏，因此，用铝及铝合金制作的容器不能盛放盐和碱溶液。 4加工性能好，强韧性好 纯铝熔点660.2，铝合金熔点更低，熔体流动性好，可以获得高质量铸件。铝及铝合金基体

4、为面心立方晶格，无同素异构转变，具有较高的塑性(=30%50%，=80)，易于压力加工成型，能通过铸造或塑性加工制成管、棒、板、带、线、箔等各种形状的(半)成品以及挤压、锻压、冲压、旋压等制品。 纯铝具有良好的低温强度，并且无低温脆性。纯铝的强度、硬度低，而铝合金通过压力加工和热处理，抗拉强度可达到500700 MPa，成为飞机、导弹、火箭等航空航天飞行器的主要结构材料。 另外，铝及铝合金属于非铁磁材料，磁化率极低，可以认为无磁性。冲击不产生火花常被用来作为如仪表材料、屏蔽材料等来制造电气设备的特殊构件和一些易燃、易爆物的生产器材。铝的热中子俘获面小(022bar)，在强烈辐射之后性能不致变坏

5、，故铝及铝合金也被应用于原子能工业领域中。7. 1. 2铝的合金化、分类与牌号 1. 铝的合金化 纯铝的力学性能：b=80100 MPa，0.2=3050 MPa，HB=2530，=3540。(1)固溶强化 通常，固溶强化程度主要取决于基体金属与合金元素原子半径差别的大小，原子半径差别越大，强化效果越明显。(2)沉淀强化 对铝合金来说，单纯的固溶强化难以获得高强度，必须配合以淬火时效处理，实现强烈的弥散强化效果。例如，AlCuMg系中可形成Al，Cu、Al2CuMg等强化相，合金强化显著。(3)过剩相强化 当合金元素加入量超过了其在铝中极限溶解度，在铝合金中第二相高温加热时，部分第二相不能溶入

6、基体，这部分第二相被称为过剩相。 AlSi二元合金，主要是通过过剩相(硅晶体)来强化，随着硅含量增加，过剩相增多，强度、硬度提高。铝基复合材料(4)组织细化导致的强化 细化组织既包括铝合金基体晶粒细化、均匀化，也包括第二相的尺寸微细化、形状球粒化以及分布弥散均匀化。在变形铝合金中，添加微量Ti、Zr、Cr、Mn等，能形成诸如Al3Ti、Al3Zr、Al7Cr、Al6Mn等难熔化合物，在合金结晶过程中作为非均匀形核点，而起到细化晶粒作用。2常见合金化元素除Ge外，其他均是铝合金中常见合金化(包括微合金化)元素。 Zn、Mg、Cu、Li 、Si、Mn通常可作铝合金的主加元素，这些主加元素除了固溶于

7、铝基体，起固溶强化作用外，还可以与Al之间的交互作用，形成Al2Cu、Al2CuM g、MgZn2、Al2Mg3Zn、Mg2Si、Al3Li、Al2CuLi等沉淀相起明显的弥散强化作用。Zr、V、C r、Ti、B、Mn、Be等溶解度小，随温度变化大，可作辅加元素，可细化晶粒、补充强化、产生组织强化效应、提高再结晶温度、提高耐热性、提高塑性和韧性、改善抗蚀性等。Cr、Zr、Mn等虽然在铝中溶解度小，但它们能明显抑制再结晶细化晶粒。 3铝合金的分类 。 根据合金的成分和生产工艺不同将铝合金分为两类：变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金是成分小于D点的合金，适合于塑性变形。铸造铝合金成分大于D点（位于

8、B点）的合金，凝同时发生共晶反应，熔点低、流动性好，适于铸造成型。 4变形铝及铝合金的牌号与状态代号 美国铝业协会(AA)的变形铝及铝合金标准采用国际四位数字体系牌号。第1位数字表示合金类别，第2位数字表示合金改进型或杂质限量，最后2侍数字确定铝合金或表明铝的纯度。 国内采用了类似的标识方法。 变形铝合金状态主要可以分为5类，具体代号如下：F一自由加工状态；0一退火状态；H一加工硬化状态；W一固溶热处理状态；T一热处理状态。 H的细分状态： 在字母H后面添加两位数字(H)表示H的细化状态。 H后面的第一位数字表示获得该状态的基本处理程序：H1一单纯加工硬化状态；H2一加工硬化及不完全退火状态；

9、H3一加工硬化及稳定化处理状态；H4一加工硬化及涂漆处理状态。 H后面的第二位数字表示加工硬化程度，数字8表示硬状态，数字l7表示硬化程度。第二位数字为2对应l4硬，4对应于l2硬，6对应于34硬，8对应硬，9对应超硬。如H18表示严重冷加工或完全硬化状态，相当于原始横断面积大约减小75。 T的细化状态及其代号如下：T0一固溶热处理后经自然时效再冷加工状态；T1一由高温成形过程中冷却，然后自然时效至基本稳定的状态；T2一由高温成形过程中冷却，经冷加工后自然时效至基本稳定的状态；T3一固溶处理后进行冷加工，再经自然时效至基本稳定的状态；T4一固溶处理后自然时效至基本稳定状态；T5一由高温成形过程

10、中冷却然后进行人工时效的状态；T6一固溶处理后进行人工时效的状态；T7一固溶处理后进行过时效的状态；T8一固溶处理后经冷加工然后进行人工时效的状态；T9一固溶处理后人工时效，然后进行冷加工的状态；T10一由高温成形过程中冷却后，进行冷加工然后人工时效状态 5铸造铝合金的牌号及状态代号 我国铸造铝合金由字母ZL(表示铸铝)及后面的二个阿拉伯数字组成，第l位数字代表合金系别，分四类，即，ZL1 AlSi系，ZL2AlCu系，ZL3AlMg系ZL4AlZn系。第二位和第三位代表顺序号。例如，ZL101为AlSi系第一号铸造铝合金、ZL201为AlCu系第一号铸造铝合金等。铸造铝合金一般用于制作质轻、

11、耐蚀、形状复杂及有一定力学性能的零件，如铝合金活塞、仪表外壳、水冷式发动机缸件、曲轴箱等，若为航空专用铸造铝合金，则在牌号前加H字母，如HZL一201。另外，若为优质合金，则在牌号后加标A，如ZL201A 7. 1. 3典型变形铝合金简介 1纯铝(1) 工业纯铝的Al大于99.0，而高纯铝的A1大于99.93。纯铝中的主要杂质为Fe、Si(WFe+Wsi10)，它们的含量及相对比例对纯铝的使用性能和工艺性能影响很大。Fe、Si固溶于铝晶格，导致晶格畸变，导电、导热、耐蚀性变差。铁、硅在共晶温度下的极限溶解度分别为0.052和1.65，且随温度下降而急剧减少。2AlCu系高强度铝合金(2) Al

12、Cu系铝合金以及在AlCu系基础上添加Mg的AlCuMg系合金是热处理可强化铝合金，过去称之为硬铝，可通过淬火+时效来显著提高强度和硬度。因为可以通过合适的淬火+时效工艺来获得高强度和硬度或获得良好的强度、塑性和韧性组合，2系铝合金是一类重要的高强变形铝合金，如2A01。图77是Al CuMg三元体系富铝角的平衡相图。除了A1、CuAl2、一Mg5Al8外，由图中可知还存在2个相：SCuMgAl2和TCuMg4Al6，其中 CuAl2和SCuMgAl2的强化效果最大，T CuMg4lAl6强化效果较弱，而 Mg5Al8不起强化作用。 2系铝合金中添加Mn、Ti、Cr、Zr等的主要作用是抑制再结

13、品和细化晶粒，提高强度。Mn能起到一定的固溶强化作用，能延缓和减弱Al一CuMg系合金人工时效过程中强度下降，而且Mn也可以中和Fe的有害影响，提高耐蚀性。虽然Mn时效强化效果小，但是Mn是2系铝合金中一个重要的微合金化元素。但2系铝合金中Mn含量一般控制在0.51.0或以下，当Mn含量超过10时，会形成粗大(Mn，Fe)Al6化合物，严重降低合金塑性加工能力。Fe在2系铝合金中可生成Al7Cu2Fe化合物，导致相减少，降低时效强化效果，另外，Fe还可以与Mn、Ti、Cr等形成粗大脆性化合物，使得合金综合力学性能和变形能力下降。Fe含量一般不宜高于0.50.7。除Fe之外，Si也是须严格控制的

14、主要杂质元素，Si含量一般限制在0.5以下。Al-Cu合金在相析出之前还存在GP区、 和 过渡相1+G.P.区2+ 3+ 4+ 8AlLi系合金 (1)合金特点 锂是自然界最轻的金属元素，密度小，约为0.534103kgm3，是铝密度的五分之一。铝中加锂可使合金密度大为降低。Li在Al中溶解度大，最大固溶度可达42(摩尔分数为139)，并且随温度变化固溶度有显著变化 ，因此，AlLi系合金具有明显的时效强化效果。另外，Al一Li系合金的疲劳裂纹扩展速率很低，耐蚀性很好，具有高强度，高弹性模量、低密度。7. 3钛及钛合金 钛在全部元素中名列第10位，在结构金属元素中仅次于铝、铁、镁，居第4位。钛

15、的比重为4.5、比强度高于铝和铁。钛合金的耐热性也比铝合金高得多，如耐热钛合金的工作温度可达500 左右，低温钛合金则在-253还能保持良好的塑性，钛及其合金的另一个突出优点是有优良的抗蚀性，特别在海水和海洋大气中抗蚀性极高，是优良的舰船材料。由于钛的化学活性高，熔点高，提取困难，冶炼制取工艺复杂导致价格昂贵，使钛及钛台金的发展与应用受到了一定限制。731 工业纯钛 1钛的基本性质 (1)钛的物理性能钛密度小而强度高。大致在-253600 范围内，钛的比强度最高；钛的弹性模量中等，比不锈钢约低50，比弹性模量稍低于钢，适于做弹性元件，但加工时回弹比较大。合金化可使钛弹性模量发生很大变化；钛具有

16、电导率、热导率和线膨胀系数均低的特性钛的熔点高。由于同素异构转变和高温下吸气、氧化倾向的影响，它的耐热性为中等，介于铝和镍之间。 (2)钛的化学性质与耐蚀性能 钛在室温下比较稳定，在高温下却很活泼，在熔化状态能与绝大多数坩埚或造型材料发生作用。在高温下也会与卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈的反应，而使钛受到污染。因此，钛要在真空或惰性气氛下熔炼，如在真空自耗电弧炉，电子束炉、等离子熔炉等设备中熔炼。钛在氮气中加热即可燃烧，钛尘在空气中有爆炸危险，所以钛材加热和焊接宜用氩气保护。钛在室温就能吸收氢气，在500C以上吸气能力尤为强烈，故可作为高真空电子仪器的脱气剂。另外，利用钛吸氢和放氢的特性，

17、可以作储氢材料。钛元素与人体相容性好，耐体液腐蚀。 纯钛在大多数介质中具有很强的耐蚀性，尤其是在中性及氧化性介质中的耐蚀性很强。在海水中的耐蚀性优于铝合金、不锈钢、铜合金和镍合金。室温下钛对不同浓度的硝酸、铬酸、以及碱溶液和大多数有机酸均有很好的耐蚀性。但钛在任何浓度的氧氟酸中均能迅速溶解。另外，钛的腐蚀性能的突出特点是不发生局部腐蚀和晶间腐蚀现象，纯钛一般只发生均匀腐蚀，抗腐蚀疲劳性能好。 钛在550以下能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的保护作用。在538以下，钛的氧化符合抛物线规律。但在800以上，氧化膜会分解，氧原子会以氧化膜为转换层进入金属晶格，此时氧化膜已失去保护作用，使钛很快氧化。

18、(3)钛的晶体结构与组织特点 纯钛在固态下有两种同素异晶体，多型性转变温度随钛的纯度而有所不同。工业纯钛的多型性转变温度为882.5，在转变温度以下为密排六方的Ti，在转变温度以上到熔点之间为体心立方的Ti。Ti点阵常数(20)为：a=0.295nm，c=0.417nm，ca=1.587，Ti的点阵常数在25时，a=0.329nm；在900时，a=0.331nm。 (4)钛的力学性能和工艺性能 钛的主滑移面是棱柱面1010及棱锥面1011，而不是基面000l，滑移方向是，见图759。高纯钛的塑性很好，强度不高，高纯钛呈等轴“组织，强度能达到如下水平：b=216255 MPa，0.2=11816

19、7 MPa，而延伸率可达5060，断面收缩率可达7080，冲击韧度ak2.45 MJm2。这是因为密排六方结构的纯钛晶轴比(ca)小于理想球形轴比1.633，在室温下变形时，不仅底面(0001)参加滑移，而且棱锥面1011和棱柱面1010也参加滑移，并起主要作用。滑移方向都是沿基面的密排方向，这是纯钛不同于六方晶系的镁、锌、镉的原因。纯钛变形的另一个特点是，当温度降低时，虽然滑移变形会减少，但孪晶大量增加，从而使钛在低温时具有很好的塑性。 2杂质对纯钛的影响 随钛中杂质元素量增加，强度显著升高，塑性却大大降低。杂质元素与钛可形成间隙式或置换式两种固溶体。形成间隙固溶体的杂质主要有氧、氮、氢及碳

20、等。这些杂质可造成严重的晶格畸变，强烈阻碍位错运动，提高硬度。另外，氢的扩散能力较强，应变时效现象比较明显，而且容易以TiH化合物形式析出，引起氢脆。形成置换式固溶体的杂质主要有铁、硅等，对钛的塑性及韧性的影响程度小于间隙式杂质的影响。 3工业纯钛简介 “工业纯钛”是指含有一定量杂质的纯钛，其氧、氮、碳、铁、硅等杂质总量一般为0.20.5。这些杂质使工业纯钛具有一定的强度和硬度，又具有适当的塑性和韧性。一般纯金属强度都很低，而工业纯钛则不然，其b可高达550 MPa，甚至更高，已经接近于高强度铝合金的水平。且塑性良好，易焊接，焊缝强度可达基体的90，耐蚀性也好。故工业纯钛可用作结构材料，直接用

21、于航空产品，常以板和棒等形式用于制造350C以下工作的飞机构件，如蒙皮和隔热板等。7. 3. 2钛合金 1钛与合金元素之间的作用 钛是活性金属，在较高温度下，钛能与许多元素发生作用。钛与其他元素之问的相互作用，取决于它们的原子核外层电子结构、原子尺寸和晶体结构三者的差异，钛是B族过渡元素，最外层的电子结构为3d24s2，存在未填满的d电子层。周期表中，各元素按与钛作用性质和强弱，可归纳为四类， 第一类：与钛形成离子键与共价键的元素，包括卤素和氧族元素，它们的负 电性很强。 第二类：与钛形成有限固溶体和金属间化合物的元素，包括许多过渡族元素以及氢、铍、硼族、碳族和氮族元素。 第三类：与钛生成无限

22、固溶体的元素，包括同族元素(Zr、Hf)、钒族、铬族和钪族。其中锆、铪与钛的外层电子结构相同，原子直径差很小，所以它们与aTi和一Ti均形成无限固溶体，而近族元素(V、Nb、Ta、Cr、Mo)与钛的电子结构合原子直径相差不大，晶型则与Ti相同，而与Ti有差异，故它们与一Ti无限固溶，但在一Ti中有限固溶。 第四类：与钛不发生反应或基本不发生反应的元素，包括惰性元素、碱金属、碱土金属、稀土元素(钪除外)、锕、钍等。Ti 2钛合金的二元相图类型 根据合金元素对转变温度的影响不同，钛的二元相图可分为下列4种类型 (1)与钛及钛均无限互溶的相图能形成这类相图的只有钛的同族元素锆和铪，这两个元素在钛和钛

23、中的溶解能力相同，对相和相的稳定性影响不大，对/相变温度的影响较小，故称为中性元素，钛一锆二元相图(如图764所示)可作为这类相图的代表。 (2)与钛无限互溶，与钛有限溶解的相图 在周期表上的位置靠近钛，而且晶格类型与钛相同的元素，如钒、钼、铌、钽等与钛形成这类相图。钛一钒相图(如图765所示)可作为这类相图的代表。 (3)与、钛均有限溶解并具有共析反应的相图 与钛形成这类相图的元素有锰、铁、钴、镍、硅等。这些元素在和钛中均为有限溶解，但在钛中的溶解度比钛中大，能使(+)/相变温度降低，稳定相的能力比同晶型元素还大。 这类元素的外层d电子数在5以上，可从钛取得电子形成d10稳定壳层。d层电子愈

24、多，这一倾向愈大，易形成化合物。 (4)与和均有限溶解，并且有包析反应的相图 3合金元素的分类 合金元素可分为三大类：稳定元素、中性元素和稳定元素， (1)稳定元素 这类元素能在相中大量溶解并增加相在热力学上的稳定性，提高转变点，扩大相区。属于此类的有Al、 Ga、0、C、N、B等，0、C、N、B主要溶于相形成间隙固溶体，升高相变点，Al、Ga主要溶于相，固溶度较大，形成替代式固溶体，但添加量大时，会形成金属间化合物。其中只有铝在工业上得到广泛应用。 (2)稳定元素 这类元素降低(+)/相转变点和扩大相区，能在相中大量溶解。这些元素又有两种类型，一类是与Ti同晶型并形成无限固溶体而与Ti形成有

25、限固溶体，如Mo、V、Ta、Nb等晶型稳定元素，简称同晶元素。另一类是强烈降低相变点，与Ti形成有限固溶体并具有共析转变型的状态图，如锰、铁、钴、镍、铜、硅等，称为共析型稳定元素，简称共析元素。 其中Cu、Ni与钛发生共析反应，生成化合物，易生成层状组织；Cr、Fe、Mn、Co、Pd与钛发生共析相变，生成化合物，但不易出现珠光体片层状组织。这类元素含量愈多，钛合金组织中的相就愈多。当它们的含量达到一定的临界值时，快冷能使合金中的相保持到室温，这一临界值一般称为“临界浓度”。临界浓度越小的元素，稳定相的能力越大。(3)中性元素 在相和相中都能大量溶解，对相变温度影响不大的元素，如Zr、Sn、Hf

26、等。 4合金类型与成分的关系 根据合金元素的种类、数量及室温组织的不同，可将钛合金分为三大类：钛合金、+钛合金和钛合金。钛合金的类型主要取决于新添加的稳定元素、稳定元素及中性元素量。 铝是工业钛合金中广泛使用的稳定元素。铝在一Ti中的最大固溶度出现在1080C，约为11。550C时，铝在Ti中的固溶度约为7。在TiA1相图的富钛侧，存在、2和 4个单相区。2(Ti3Al)和(TiAl)分别是面心正方和六方晶型的有序化合物，是脆性相。(1)合金元素的作用 1)合金化的一般规律 钛合金的4个基本相为、2和表现出不同性能，其中耐热性顺序是2+，而塑性顺序是2+。 发展传统型耐热钛合金(以固溶体为基)

27、应选择为高合金化的或近钛合金，即钛中应添加较多的稳定元素(Al)和中性元素(Sn，Zr)进行固溶强化，添加微量Si，进行硅化物弥散强化，并添加可改善高温抗氧化性的元素(如Nb)。 发展结构钛合金主要选择亚稳定钛合金或+两相钛合金通过稳定元素(Mo、V、Cr、Fe等)的高合金化，获得固溶强化和相分解产生第二相(次生)进行弥散强化。通过调控第二相的形状、数量、大小、分布来调节钛合金的强度、塑性、韧性及工艺性能。 发展以有序金属间化合物为基的耐热钛合金，主要是克服2相与相的室温脆性。对2(Ti3A1)而言，其韧化途径主要是添加某些稳定元素(如Nb、Mo、V)，产生少量塑性相，细化晶粒和激活非基面滑移

28、，形成2+相两相合金。对(TiAl)型合金，其韧化途径是添加少量稳定元素(如Mn、Cr)、细化晶粒、激活孪晶和减小单位晶胞体积来获得+2型两相合金(2约占10)。2)主要合金元素的作用 钛合金最常用的金属合金元素是稳定元素铝、中性元素锡和锆，稳定元素钼、钒、铬、铁、镍。非金属元素是氧、氮、碳、氢、硅和硼。铝 铝是钛最重要的固溶强化元素，在Ti中的固溶度约为7(550C)。它同时提高钛的室温强度和高温强度，提高/相变点、再结晶开始温度、弹性模量和比电阻等，但降低合金的塑性和韧性。超过溶解度极限(7)，会导致2相(Ti3Al)析出，引起合金脆化，降低高温热稳定性。常规钛合金中一般要求合金中铝当量要

29、小于8。在亚稳钛合金中，添加少量铝(3左右)可防止亚稳相分解时产生相而引起脆化。钼 钼在Ti中的固溶度在600时仅为0.8，在Ti中无限固溶。钼具有中等程度稳定相的能力。钼提高钛的强度、耐热性和耐蚀性。钼含量越高，钛合金的淬透性越好，高钼(超过24)钛合金，即使空冷，也能获得全合金。一些著名的高强钛合金(如c、21S、TB3)、耐热钛合金(如IMl829、IMl834)、耐蚀钛合金(如Ti一32Mo、Ti一25Mo一5Nb) 等都含有大量的钼。但是，钼密度高、熔点高，易生成钼夹杂或钼偏析。大量的钼对塑性抗氧化性和可焊性也不利。钒 钒与Ti无限固溶，而在Ti中有限固溶。600时钒在Ti中的固溶度

30、为3.5，但钒在相中的固溶度是随着温度下降而略为增加，因而合金中没有过饱和相及其分解问题。钒提高合金的室温强度和淬透性，且不降低其塑性。因此，钒是中强和高强钛合金中最常用的合金元素。著名的Ti6Al4V合金是世界上第一个实用钛合金，其用量占全部钛合金的50以上。高钒合金(Ti15V3Al、TB3等)的加工性、冷成形性好。钒还是阻燃钛合金(如Ti一35V一15Cr)的重要组元。但钒降低钛合金的耐热性和耐蚀性。钒还有毒性，价格也较贵，人们正在努力发展小含钒或少含钒的合金。 镍 镍在Ti中的最大固溶度为13，出现在955。镍在Ti中的最大固溶度为0.2，出现在770。在770时发生共析转变(+Ti2

31、Ni)。近似等原子比的TiNi合金具有形状记忆效应、超弹性、高阻尼性和耐蚀耐磨悱。TiNi是目前最广泛使用的形状记忆合金。镍改善钛的抗缝隙腐蚀能力，但镍增加钛的吸氢性。含镍合金在真空热处理时，如果冷却速度太慢，会导致Ti2Ni析出，降低合金的冲击韧性。氧、氮和碳 氧、氮、碳三种间隙元素，一般视为降低塑韧性的杂质，其中氮的害处最大，但有时也看成合金元素。氧提高基体屈服强度，可看做钛的基本强化元素。国外有人在发展含氮钛合金。在IMl834合金中，碳被作为合金添加剂，碳的作用是提高相变点，增加初生相的含量，以便获得所需要的双态组织。在工业实践中，氧、氮、碳是通过合理选择原料品位来综合加以控制的。氢

32、钛中的氢可引起“氢脆”：应变时效氢脆和氢化物氢脆。在应力的长时间作用下，晶格间隙中的氧原子向应力集中处扩散，氢原子与位错交互作用，钉扎位错，使基体变脆，这称为应变时效氢脆。当温度降低，氢在钛中的溶解度下降，从钛固溶体中析出片状氢化钛(TiH)而引起的脆性，称为氢化物氢脆。如果钛中氢含量不高，尚不足以析出氢化物，即氢仍以过饱和状态存在时，则在应力作用下，将产生应变时效型氢脆或延迟性氢脆。氢脆最明显的特征不是塑性下降而是冲击韧性剧烈下降。纯钛中氢含量低于200ppm时，可避免氢化物氢脆，但可出现应变时效氢脆。氢在钛中的存在是可逆的。在热加工及酸洗过程中钛可能吸氢，但在真空熔炼和真空热处理时也可以脱

33、氢。人们常用“氢化脱氢”原理制取高纯钛粉，也利用这一原理使某些难变形的钛合金产生“氢增塑性”，氢被看作“临时性合金元素”。 (2)工业钛合金 根据合金元素的种类、数量及室温组织的不同，可将钛合金分为、及+三大类，其组织特点见表730。1) 钛合金 这类合金的主要合金元素是稳定元素铝和中性元素锡及锆，主要为固溶强化作用，它们不含或只含极少量的稳定元素。退火状态的组织为单相固溶体或固溶体加微量金属间化合物。 钛合金具有优良的焊接性能。不能热处理强化，在室温下具有中等强度，600C以下有良好的热强性和抗氧化能力，可高温锻造，但板材弯曲时的塑性不及+合金，特别是不及合金。 在我国TA7是应用最多的钛合

34、金，其大致成分为5A1、25Sn，余为钛。 2)+钛合金 这类合金的退火组织为+相。除含稳定元素外，+钛合金一般也含有一定量的铝、锡、锆等。a+钛合金可热处理强化，强化效果随稳定元素浓度的增加而提高。 这类合金的室温强度和塑性高于合金，加工成形性比合金及合金都好，但焊接性能和耐热性不如合金。其牌号用“TC”+顺序号表示。 TC4是典型的+合金，也是用量最大的一种钛合金，属TiAlV系，其成分约为6Al、4V，余为钛。钒是同晶元素，在钛中能无限固溶，在钛中也有较大的溶解度(650C下的最大溶解度为3.5)钒的原子半径与钛很接近，所以强化作用比铁、锰、铬等元素小。钛中加钒能适当提高强度，改善加工性

35、能，合金在热处理强化的同时，还能保持良好的塑性，甚至能稍有提高。另外，钛铝钒系合金没有硬脆化合物存在，在较宽的温度范围内有较高的稳定性。TC4合金热塑性良好，并可进行各种形式的焊接，焊缝强度可达基体强度的90；耐蚀性和热稳定性好，可生产在400C下长期工作的零件，如压气机盘叶片及飞机结构件等。因此，该系合金在各种条件下都具有良好的综合力学性能，工业上得到广泛应用。 这类合金淬火与时效后强度可提高2025，塑性有所降低。但TC4合金因淬透性较差，淬火与时效工艺应用不广，目前多以退火状态使用。3)钛合金 钛合金是发展高强度(b14001500 MPa)钛合金潜力最大的一类。其合金化的主要特点是加入

36、大量稳定元素(有的还加入少量稳定元素)，通过热处理来大幅度提高其强度。作为结构材料用的钛合金往往只是在淬火或空冷条件下才能得到全相组织，因此是介稳定的。钛合金塑性好，有良好的冷加工性能。但焊接性能较差，且组织和性能不够稳定，工作温度一般不能高于200。钛合金以“TB”+顺序号表示。5钛合金中固态相变与组织演变 钛由于存在同素异形体，钛合金的固态相变非常丰富。了解了合金的组织转变规律，就可以通过加工和热处理控制合金的组织，从而改善材料的性能，指导钛合金材料设计和工艺设计。 (1)加热时的固态相变 1)回复与再结晶 同其他金属一样，冷变形的钛和钛合金在一定温度下会发生回复和再结晶。回复温度一般为5

37、00600C。再结晶温度根据合金成分的不同，会有较大变化。例如，工业纯钛的再结晶温度约为550C，TA7约为600，TC4约为700，而TB2合金则为750C。近与+合金在再结晶过程中常伴随着相的溶解及相成分的变化。 2)多型性转变 将钛和钛合金加热到相区时，会发生多型性转变。这一过程也称为重结晶，相和相始终保持一定的位向关系。对+钛合金，这一过程为固溶处理的一部分。钛合金的一个显著特点是：扩散系数D100D。在区晶粒长大的速度要比在区快得多。 +两相钛合金的固溶处理通常选在相变点以下约40，一方面可保留少量初生相，另一方面可防止晶粒过分长大，这都有利于改善合金的塑性。合金的固溶处理是在高于相

38、变点的温度下进行，以利于所有合金元素均匀地溶于相中。防止晶粒长大是钛合金加工与热处理工艺中一个重要的问题。(2)冷却时的固态相变 1)在缓慢冷却中的转变 从区缓慢冷却到+相区时，要发生的多型性转变，此时相的形核是马氏体型的，靠热激活长大。新相与母相的位相关系是：(110)(0001)，1111120。 2)在快速冷却时的转变 从区快速冷却时，随着合金元素量的不同，会发生四种不同类型的转变：马氏体相变、相变、保留高温相和形成过饱和相。钛合金中的马氏体和”是软相，淬火获得的亚稳相也是软相，只有时效后才产生明显的强化。 相是过渡相，只有在高压下生成，其结构复杂，硬度极高，会使合金变脆。在高钼的合金中

39、会出现相。添加少量铝有利于抑制相形成。含相的钛合金，经过回火处理也可消除相，获得平衡的+或+TixMy组织。3)时效中的转变 钛合金可时效强化，但必须是人工时效。在快冷时生成的亚稳定相在时效时向平衡组织转变。这种相转变过程可分为相的分解、相分解、马氏体或”的分解和过饱和相分解4种类型。 钛合金的时效温度一般为450600，时效时间一般为424 h。含快共析稳定元素的钛合金，时效时问较短。亚稳相的分解要经历三个阶段；合金元素偏聚分为贫化和富化；中析出”或相；”或相分解为+相。在含同晶型元素的合金中，通过生核和长大过程直接分解为+相；在含共析型元素的合金中，通过合金元素偏聚后再分解为+TixMy混

40、合物。在TiCu、Ti一Si、TiAl、TiSn、TiGa等合金中，会发生过饱和固溶体分解。时效产生的TixMy、或Ti3Al有序相(2)会使合金变脆。 Fe、Mn、Cr共析反应极慢，常规热处理条件难以进行，称为非活性共析元素或慢共析元素；Si、Cu、Ni、Ag、H等元素共析非常快，淬火也不能抑制其转变，故称为活性共析元素，或快共析元素。 4)共析转变 在某些含快共析元素的合金中(如Ti一2.5Cu)，100s的冷却速度下会出现细小的珠光体型片状组织，在珠光体形成温度以下进行等温处理时，也可以转变为贝氏体型的非片状组织。这种转变常使合金塑性降低。5)应力诱发相变 在外加应力的作用下，过饱和？固

41、溶体也可发生马氏体相变，转变产物可能是六方马氏体或斜方马氏体”。这一转变使钛合金均匀伸长率提高，屈服强度0.2下降，有利于降低钛合金过大的屈强比(0.2/b)。在TiNi基形状记忆合金中，在Ms点以上发生的应力诱发相变，会产生机械记忆效应或超弹性。(3)钛合金组织演变规律 钛合金的显微组织演变与下列因素有关：合金成分(合金类型)；变形温度(变形温度分区、+区和跨区)和变形程度；变形方式(锻造、挤压、轧制、拉拔等)；加热温度和时间(加热温度对两相钛合金分4区：I一T以上；一T与Ms之间，一Ms与Mf之间；一Mf以下)；冷却速度(一般分水淬WQ、空冷AC和炉冷FC) 1)变形条件对组织的影响 在区

42、变形，在变形程度低时(13)，晶粒仅被压扁和拉长，在变形程度高时(45)，由于出现动态再结晶，产生新晶粒而使组织细化。冷却后，获得不同粗细程度的片状+组织 。在+两相区变形，随着变形程度的增加，原始晶粒和晶内片同时被压扁、拉长、破碎。当变形程度达6070时，就没有可见的片状组织痕迹。“跨锻造” ，即从相区开始变形，在+相区结束变形。这时形成的组织主要取决于在+相区的变形程度。当变形程度大于5060时，其组织类似于通常的+锻造。但如变形程度较小时，会产生局部不均匀组织，它由交替的片状和球状相组织区域构成， 2)热处理条件对组织的影响 图774示出了热处理条件(加热温度和冷却速度)对已充分变形的T

43、i一6Al一4v合金显微组织的影响。 原始晶粒尺寸、初生相的含量、尺寸、形貌和分布是5个非常重要的参数。例如，为保证材料有良好的塑性，一般初生相量要达到20以上，初生与转变各50时，超塑性最好。细小等轴状初生有利于增加塑性，而粗大扁豆状有利于提高断裂韧性。初生相的含量取决于加热温度，而新生的大小还取决于加热的时间。因此，控制热处理条件很重要。 +两相钛合金的显微组织可以归纳为以下4个基本类型：I类：典型魏氏组织；类：网篮状组织；类：双态组织；类：等轴组织。7.3.3钛合金热处理的特点1钛合金热处理的一般特点 1)钛合金的马氏体相变不引起合金显著强化，这与钢铁马氏体相变不同。钛合金的热处理强化只

44、能依赖淬火形成的亚稳相(包括马氏体相)的时效分解。 2)应避免形成相。形成相会使合金变脆，正确选择时效工艺(如采用高一些的时效温度)，即可使相分解为平衡的+。 3)同素异构转变难于细化晶粒。 4)导热性差。由于导热性差，钛合金(尤其是+合金)淬透性差，淬火热应力大，零件易翘曲。变形时也易引起局部温升过高，有可能超过相变点，而形成魏氏组织。 5)化学性活泼。热处理时，钛合金易吸氢，引起氢脆，也易与氧和水蒸汽反应，在工件表面形成具有一定深度的富氧层或氧化皮，使合金性能变坏。 6)相变点差异大。即使是同一成分，但冶炼炉次不同的合金，其转变温度有时差别很大(一般相差570C)。这是制定工件加热温度时要

45、特别注意的特点。 7)在相区加热时晶粒长大倾向大。晶粒粗化可使塑性急剧下降，故应严格控制加热温度与时间，并慎用在相区温度加热的热处理。2退火 钛合金退火具体形式有去应力退火、再结晶退火、双重退火、等温退火和真空去氢退火等。 耐热钛合金为了保证在高温及长期应力作用下组织及性能稳定，通常采用双重退火：第一次高温退火是使再结晶充分进行，并控制初生相的数量；第二次低温退火是使组织更接近于平衡状态。 对于稳定元素含量较高的+型合金，最好采用等温退火，这是因为相稳定性高，空冷不能使相充分分解，而采用等温冷却可使相完全转变。真空退火是消除氢脆的主要措施之一，氢在钛中的溶解析出过程是可逆的，故可采用真空退火方

46、法降低钛中的氢浓度。退火温度为650680，保温16 h，真空度应不低于1.3310-1Pa。3淬火时效1)钛合金与钢铁强化机制区别主要表现在：钢淬火所得马氏体硬度高，强化效果大，回火使钢软化。而钛合金淬火所得马氏体硬度不高，强化效果不大，时效使钛合金产生弥散强化。钢只有一种马氏体强化机理，而同一成分的+型钛合金有两种强化机理：高温淬火相中所含稳定元素小于临界浓度，得到马氏体，时效时马氏体分解产生弥散强化；低温淬火相中所含稳定元素大于临界浓度，得到亚稳定+，再经时效相分解为弥散相使合金强化。 2)时效强化效果主要决定于合金元素的性质、浓度及热处理规范，因为这些因素将所形成的亚稳定相结构、数量、

47、分解程度及弥散性。对同一合金系，在相同的淬火时效条件下，强化效果随合金浓度的增加而提高。一股在临界浓度Ck附近，达到强化峰值，对应Ck 浓度含金淬火可获得100的亚稳相，而且相在时效过程中，分解也最充分。超过Ck值，过冷相稳定性增加，时效分解程度下降，强化效果反而减弱。不同成分的合金时效强化效果亦不同，一般是稳定相能力越强(Ck值越低)的元素，时效强化效果越大。734钛合金的发展趋势(1)发展耐热性更高的高温钛合金 发展耐热钛合金的动力主要来自燃气涡轮发动机。美国在Ti一5Al一6Sn一2Zr一0.8Mo一0.25Si(5621S)基础上研制了两种新的合金，即Ti一5Al一5Sn一2Zr一2M

48、oO.25Si (5522S)和Ti一5Al一5Sn一2Zr一4Mo一0.25Si(5524S)，其工作温度可达540。通过合金化和加工工艺的改进，现在可制成能在600以下工作的钛合金。为满足高推重比航空发动机生产的需要，国内外正在研究600650(甚至更高温度)长时使用的钛合金：在固溶体为基的钛合金的基础上，研制新型的抗氧化钛合金，其极限温度估计为650；金属间化合物为基的钛合金，即Ti3Al基与TiAl基合金，其极限使用温度分别为750和900，高铌的TiAl基合金甚至可达10001100。这些高比强、高比模、抗氧化的钛合金，可以向镍基超合金挑战，用于航空发动机的“热端”(涡轮部分)。近年

49、来，2和型合金已进入工程评价阶段；以SiC纤维增强的钛基复合材料和以TiC或TiB颗位增强的钛基复合材料。复合材料技术已比较成熟，它将使航空发动机的结构发生革命性变化，实现压气机的“叶盘一体化”，使发动机的推重比达到20以上。74镁及镁合金 Mg是地壳中埋藏量较多的金属之一(2.1)，仅次于Al和Fe而占第三位。Mg的化合物占地壳总重量的2.35，此外还有大量的Mg储存在海水0.14)、盐泉水和湖水中。Mg的原子序数为12，原子量等于24.32，电子结构为1s22s22P23s2，位于周期表第二族。741镁及镁合金的特点 Mg具有密排六方结构。其特点是比重小，比热和膨胀系数较大(超过Fe一倍，

50、比Al也高)，而其弹性模量在常用航空金属中是最低的。1密度小 Mg及Mg合金的最大特点是密度小(1.74gcm3)，强度比Al合金低，但有比包括铝合金、钢、铁等在内的任何合金都高的比强度(强度密度)和比刚度。 2化学活性强 镁活性很强，在空气中也能形成氧化膜，但这种膜很脆，不致密，远不如铝合金氧化膜坚实，故保护性很差。在空气中会逐渐氧化发暗，在高温下(甚至在切削加工时)极易氧化并可能燃烧。镁合金在熔炼时若接触空气，或者工具、熔剂等潮湿，则可能由局部燃烧而爆炸，所以在熔炼镁及其合金时，要用干燥熔剂覆盖镁液表面，热处理时也应采取措施防止发生燃烧。 镁合金耐蚀性低，在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸

51、、盐溶液中易受腐蚀，因此在镁台金的生产、加工、贮存和使用期间，应采取适当防护措施，如表面氧化处理、涂胶或涂漆等。镁合金在与其他金属接触时，会发生接触腐蚀。为此，在和铝合金(AlMg合金除外)、钢、铜合金及镍基合金组装时，在接触面上应垫以浸油纸或浸石腊的硬化纸。 镁合金在氢氟酸、铬酸、碱和矿物油(如汽油、煤油等)中比较稳定，可用作输油管道。 3加工性能差 由于Mg属六方晶体结构，主滑移面为基面，滑移系少，故加工性能比铝差。纯镁变形温度提高到150225，则棱柱面(10-10)和棱锥面(10-10)也参与滑移，滑移系增加，变形能力显著提高。镁除以滑移方式进行塑性变形外，孪晶也起重要作用，主要孪晶面

52、是10-12和；10-13。另外，镁的物理及机械性能与晶粒方向和大小关系很大，所以细化镁合金的晶粒很重要。4屈服强度低 镁及镁合金力学性能的另一特点是屈服强度较低，压力加工制品的性能具有比较明显的方向性，缺口敏感性大。Mg及Mg合金的密度小、比强度和比刚度高，并有高的抗震能力，能承受比Al合金大的冲击载荷，此外，Mg及Mg合金还有优秀的切削加工和抛光性能，在需要减轻重量的结构如飞机、导弹、人造卫星、装甲车、电子产品中使用镁合金是有利的。742镁的合金化 Mg合金化原则与Al合金大致相同，细晶强化、固溶强化和时效硬化是主要强化手段。根据合金元素的作用特点和极限溶解度，可大致分成三类： 包晶反应类

53、，如Zr(3.8)和Mn(3.4)； 共晶反应类，如Ag(15.5)、Al(12.7)、Zn(8.4)、Li(5.7)和Th(4.5)；稀土元素(RE)，包括Y(12.5)、Nd(3.6%)、La(1.9)、Ce(0.85)、Pr(0.5)和混合RE(以Ce或La为主)。 包晶反应型元素的主要作用是细化晶粒，但也有净化合金(消除杂质Fe)，提高抗蚀性和耐热性的作用。 共晶反应型元素是高强度镁合金的主要合金元素，如MgAlZn和MgZnZr系合金等。稀土元素也多属共晶反应型元素，有利于抗蠕变性能。1主要合金元素及其作用按合金元素与镁的作用性质，镁的二元相图可分为三类：在液态及固态只能有限互溶的合

54、金系，如镁与碱金属钠，钾、铷、铯及高熔点过渡族元素钒、铌、铀等组成的二元系属于这种情况。在液态及固态均可完全互溶的合金系，如MgCd。在固态有限溶解并具有共晶或包晶转变的二元系。绝大多数元素属于这种情况。 镁合金设计针对材料不同的用途除了考虑固溶强化和沉淀硬化外，还需同时考察微观组织结构的控制和变质处理。主要合金元素的作用可以归属于三类：可以同时提高强度和塑性的，按强度递增顺序为A1、Zn、Ca、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、 Th等，按塑性递增顺序为Th、Ga、Zn、Ag、Ce、Ca、Al、Ni、Cu等；对合金强度提高不明显，但对塑性提高明显的，如Cd、Tl、Li等；牺牲塑性来提高强度的，如

55、Sn、Pb、Bi、Sb等。 铝、锌是高强镁合金的主要合金元素。相为Mg17Al12具有立方晶体结构。铝在镁中的溶解度在437C时为12.6，并随温度下降而迅速减小，室温下约为1.5。经固溶时效处理后，相弥散析出，有一定的强化作用。MgZn二元相图较复杂，在共晶温度下，锌在镁中的溶解度为8.4；室温下则小于1.0。冷却时析出MgZn，对Mg基体可产生强化效果。MgAlZn和MgZnZr系是发展高强镁合金的基础，变形合金中元素含量较低，以保证良好的工艺塑性。 锆在镁合金中为辅助元素，其作用主要是细化晶粒。 MgZr组成包晶系，熔融镁合金在冷凝时，首先结晶出与镁有相同晶体结构的Zr，成为非均匀形核点

56、，明显细化合金组织。同时，锆在镁中还有相当的固溶强化效果，可全面改善合金的强度和塑性。锆的另一重要作用是净化作用。镁中的杂质铁在熔炼过程中与锆化合成ZrFe2及Zr2Fe3，因比重较大而沉积在坩埚底部，这样就提高了合金的纯度，改善了力学性能及抗蚀性。 稀土添加于Mg基体形成MgRE系合金，在镁合金中常用的有钕(Nd)、铈(Ce)、镧(La)及其混合稀土(MM)。它们与镁构成类似的共晶系，有相近的相组成。以MgNd为例，552C进行共晶转变：L+Mg9Nd。Mg9Nd具有极复杂的晶体结构。钕在镁中溶解度随温度而变化，540C时为3.2，20C时约为0.08。2镁合金的晶粒细化问题 Mg合金的一个

57、重要缺陷是晶粒粗大和分布不均匀，给强度和塑性带来负面影响。热处理 将MgAl合金过热到850左右保温30 min，然后快冷到铸造温度浇注。对含Al、Mn和杂质Fe的合金细化效果最为明显。MnAl4具有六方晶格在结晶过程中起晶核作用，是晶粒细化的主要原因。另一种观点认为，液态合金冷却到铸造温度时结晶的AI4C3化合物是结晶核心。向液体合金中加入少量无水FeCl3， 生成高熔点含Fe化合物，起结晶核心作用。添加合金Zr。加入0207Zr即能显著细化晶粒，消除铸件的显微缩孔或疏松，改善铸锭质量和塑性加工性能。7. 4. 3镁及镁合金的牌号 我国工业镁合金牌号沿用着ASTM标准的标记规则。纯镁牌号以M

58、g加数字的形式来表示，数字表示Mg的质量分数，镁合金牌采用“12个化学元素的字母标记，后随数字大致表示合金元素名义成分”的方法来标注。744常用的工业镁合金1MgMn系合金 MgMn系属不可热处理强化的镁合金，是具有优良的抗蚀性和可焊性。但铸造工艺性较差，故只用于生产变形合金。MgMn系合金中Mn含量约为1.22.5，有M1A、 M2M、ME20M等牌号。 M2M合金的退火组织为Mg固溶体+点状一Mn。一Mn相提高合金强度和硬度，也提高其耐蚀性、耐热性和焊接性能。 M2M合金的退火制度：340400C，35 h，空冷；ME20M合金为280320C，23 h，空冷。 M2M和ME20M的塑性好

59、，能制成板、带、棒、型和各种冲压件，表面氧化处理后出厂。它们抗蚀性较高，应力腐蚀倾向小，容易焊接，是应用较多的变形镁合金。板材可制造飞机蒙皮、壁板和内部零件；模锻件可制造外形复杂的构件；管材多用于汽油和滑油系统等要求抗蚀性好的管路。 2MgAl(ZnMn)系合金 MgAlZn系合金中铝是主要合金元素(含量为39)，锌为辅助强化元素(含量为0.53.0)。MgAl系合金可热处理强化，强化相为相(Mg17Al12)。在MgAlZn三元系中除二元相Mg17Al12及Mg7Zn3外，还有三元相T(Al2Mg3Zn3)。含铝39而含锌小于15的合金中主要强化相为Mg17Al12含锌量超过2后，出现T相。

60、合金中均加入0.150.8Mn，目的是消除铁的有害作用，提高耐蚀性和强度，并可细化晶粒。 MgAl(ZnMn)系合金是发展较早，应用最广的一类镁合金，其主要牌号包括有AZ31B、AZ31C、AZ40M、AZ41M、AZ6lM、AZ62M、AZ80M，强度高且有良好的铸造性能，但耐蚀性较MgMn系合金稍差，屈服强度和耐热性也不够高。 3MgZn(Zr)系合金 锌在镁中有高的溶解度和大的固溶强化效果，有明显的时效硬化效应。当Zn5合金后，强度和延伸率同时开始下降，因此变形MgZn合金的Zn含量一般约为5左右。MgZn系镁合金晶粒粗大，易产生热裂，可加入少量锆，从而形成MgZnZr系。加入少量Zr合