《飞机金属结构》-第四章 飞机结构中黑色金属的应用

知识目标

[1]掌握含碳量和杂质元素对钢的性能的影响；[2]掌握碳素钢的牌号及用途；[3]熟悉合金钢的分类、牌号及应用；[4]掌握高温合金的定义、分类、牌号及应用。学习目标技能目标

[1]会识别碳素钢的牌号、成分；

[2]会识别合金钢的牌号、成分和性能特点；

[3]能够根据不同零件的工作条件选择合适的钢种；

[4]会识别高温合金的牌号及在航空发动机中的应用。。素质目标

[1]养成严谨的工作态度，优良的工作作风；[2]具备自主学习、终身学习和适应发展的能力；[3]具有良好科学素养和航空报国情怀；[4]具备“敬仰航空、敬重装备、敬畏生命”的职业精神和“零缺陷、无差错”的职业素养。学习目标主要内容一、碳素钢二、合金钢三、高温合金一、碳素钢1.黑色金属定义黑色金属材料是工业上对铁、铬和锰的统称，也包括这三种金属的合金，主要包括工业纯铁、铸铁、碳钢、合金钢以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。一、碳素钢2.含碳量对钢的组织和性能的影响一、碳素钢3.杂质元素对碳钢性能的影响（1）锰

锰来自炼钢原料（生铁和脱氧剂锰铁）。锰有较好的脱氧能力；锰与硫能生成MnS，以减轻硫的有害作用；锰大部分溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度。锰在钢中是一种有益元素。（2）硅

硅也是来自生铁和脱氧剂。硅能与钢液中的FeO生成炉渣，消除FeO对钢质量的影响；硅能溶于铁素体中产生固溶强化。硅在钢中是一种有益元素。一、碳素钢3.杂质元素对碳钢性能的影响（3）硫

硫是在炼钢时由矿石和燃料带入的。以FeS的形式存在钢中。FeS与Fe形成低熔点共晶体，熔点为958℃，分布在奥氏体晶界上，当钢在1000℃～1200℃进行热加工时，由于晶界处共晶体熔化，导致钢开裂，这种现象称为热脆。硫在钢中是有害元素。（4））磷磷是由矿石带入钢中的。一般，磷能全部溶于铁素体中，能提高钢的强度、硬度，但使塑性、韧性急剧下降，尤其在低温时更为严重，这种现象称为冷脆。磷是钢中的有害元素，应严格控制其含量。一、碳素钢4.碳钢的分类（1）按钢的含碳量分类低碳钢：0.0218%＜wC＜0.25%；

中碳钢：0.25%≤wC≤0.6%；

高碳钢：0.6%＜wC≤2.11%。（2）按钢的主要质量等级分类普通质量碳钢；特殊质量碳钢；优质碳钢。（3）按钢的用途分类碳素结构钢；碳素工具钢。一、碳素钢5.碳钢的牌号、性能和应用（1）碳素结构钢

按《碳素结构钢》（GB/T700—2006）的规定，碳素结构钢牌号由Q（屈服点的“屈”字汉语拼音字首）、屈服点数值、质量等级和脱氧方法四部分按顺序组成。质量等级有A（ws≤0.050%、wp≤0.045%）、B（ws≤0.045%、wp≤0.045%）、C（ws≤0.040%、wp≤0.040%）、D（ws≤0.035%、wp≤0.035%）四种。脱氧方法用汉语拼音字首表示：“F”——沸腾钢、“Z”——镇静钢、“TZ”——特殊镇静钢，通常“Z”和“TZ”可省略。例如Q235-A表示σs≥235MPa，质量等级为A级的碳素结构钢。一、碳素钢5.碳钢的牌号、性能和应用（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数表示，其两位数表示钢中平均含碳量的万分数。如40钢，表示平均wC=0.40%的优质碳素结构钢。钢中含锰量较高（wMn=0.7%～1.2%）时，在数字后面附以符号“Mn”，如65Mn钢，表示平均wC=0.65%，并含有较多锰（wMn=0.9%～1.2%）的优质碳素结构钢。高级优质钢在数字后面加“A”；特级优质钢在数字后面加“E”；沸腾钢在数字后面加“F”。一、碳素钢5.碳钢的牌号、性能和应用（3）优质碳素结构钢碳素工具钢的牌号用“T”（“碳”字汉语拼音字首）和数字组成。数字表示钢的平均含碳量的千分数。如T8钢，表示平均wC=0.8%的碳素工具钢。若牌号末尾加“A”，则表示钢中硫、磷含量比相同含碳量的碳素工具钢少，如T10A钢的硫、磷含量比T10钢少。二、合金钢1.合金元素的作用（1）合金元素在钢中的存在形式及对基本相的影响①形成合金铁素体绝大多数合金元素都可或多或少地溶入铁素体，形成合金铁素体。与C亲和力弱的非碳化物形成元素，如Ni、Cu、Al、Co、Si、B等，则主要溶于铁素体而难以形成碳化物。

②形成合金碳化物合金碳化物包括合金渗碳体和单独形成的特殊碳化物。作为碳化物形成元素，在元素周期表中都是位于铁左边的过渡族金属元素，如Mn、Cr、Mo、V、Nb、Zr、Ti等，离铁的位置越远，则其与碳的亲和力越强，形成碳化物能力越大，形成的碳化物越稳定而不易分解。二、合金钢1.合金元素的作用（2）合金元素对铁碳合金相图的影响①对相区的影响合金元素会使奥氏体的单相区（γ相区）扩大或缩小。Ni、Mn、Co、C、N、Cu等元素的加入都会使奥氏体相区扩大，是奥氏体稳定化元素，特别以Ni、Mn的影响更大。②对相图中S点、E点位置的影响所有的合金元素都使S点左移，而大部分合金元素使E点左移，因此，含碳量相同的碳素钢和合金钢的显微组织不同。二、合金钢1.合金元素的作用（3）合金元素对钢热处理的影响除Co、Ni外，大多数合金元素均减缓奥氏体的形成速度；碳钢加入合金元素后，使其C曲线在形状和位置上都发生了改变，如图4-4所示。除Co外，其他合金元素溶入奥氏体后，都降低原有扩散速度，增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，即提高钢的淬透性，这是钢中加入合金元素的主要目的之一；合金元素能使淬火钢在回火过程中的组织分解和转变速度减慢。二、合金钢2.合金钢的分类（1）按用途分类

1）合金结构钢：包括渗碳钢、调质钢、超高强度钢、弹簧钢、轴承钢等。

2）合金工具钢：包括刃具钢、模具钢、量具钢等。

3）特殊性能钢：包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。（2）按用途分类

1）低合金钢：合金元素总含量小于5%的钢。

2）中合金钢：合金元素总含量为5%～10%的钢。

3）高合金钢：合金元素总含量大于10%的钢。（3）按室温组织分类合金钢按在空气中冷却后所得到的组织，可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。二、合金钢3.合金钢的编号（1）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）3个部分按顺序排列。例如：Q390A，表示屈服点σs=390N/mm2、质量等级为A的低合金高强度结构钢。（2）合金结构钢我国合金结构钢的牌号由“两位数字+元素符号+数字”三部分组成。前面两位数字代表钢中平均碳的质量分数的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后面数字表示该元素的平均质量的百分数。合金元素的平均质量分数<1.5%时，一般只标明元素而不标明数值；当平均质量分数≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%等时，则在合金元素后面相应地标出2、3、4等。例如40Cr，其平均碳的质量分数wC=0.4%，平均铬的质量分数wCr<1.5%二、合金钢3.合金钢的编号（3）合金工具钢这类钢的编号方法与合金结构钢的区别仅在于：当wC<1%时，用一位数字表示碳的质量分数的千分数；当wC≥1%时，则不予标出。例如Cr12MoV钢，其平均碳的质量分数为wC=1.45%～1.70%，所以不标出；Cr的平均质量分数为12%，Mo和V的质量分数都是小于1.5%。又如9SiCr钢，其平均wC=0.9%、平均wSi、wCr均小于1.5%。（4）特殊性能钢采用“数字+合金元素符号+数字+……”的方法表示，前面数字表示碳的质量分数的千分数，合金元素的表示方法与其他合金钢相同。例如3Cr13钢，表示平均wC=0.3%，平均wCr=13%。二、合金钢4.合金结构钢合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，有意加入一种或数种合金元素，以满足其各种使用性能要求的钢材。它用于制造重要的工程结构和机器零件。它的应用范围最广、用量也最大。航空工业中常用的合金结构钢主要有合金渗碳钢、合金调质钢、超高强度钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。合金渗碳钢主要用来制造性能要求较高或截面尺寸较大，且在承受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的渗碳零件。合金调质钢一般是指碳素调质钢中加入合金元素后形成的经调质处理后使用的结构钢，是应用最广的结构钢，在机械结构钢中占70%。二、合金钢4.合金结构钢合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件，其作用是吸收冲击能量，缓和零件间的冲击；或者储存能量使机构完成某一动作。合金弹簧钢必须具有高的屈服强度和较高的疲劳强度，以免产生塑性变形并防止过早的疲劳破断。滚动轴承钢是用来制造各种滚动轴承的内外元件，如轴承内外圈、滚动体（滚珠、滚柱、滚针）的专用钢。从化学成分上看，它属于工具钢，所以也用于制造形状复杂的工具、冷冲模具、精密量具以及要求硬度高、耐磨性高的结构零件二、合金钢4.合金结构钢大型干线飞机、高速飞机的发展，要求节省燃油、提高速度、增加续航时间、增加载质量以及提高其他性能。要减小飞机的自重，就应使材料在相对密度不变或变化不大的前提下，显著地提高材料的使用强度，以减小零部件的截面尺寸。使用强度σb≥1500MPa或σs≥1400MPa的钢，常称超高强度钢。飞机上选用这类钢制造起落架、机翼、大梁等大型零部件，既满足承载要求，又减轻自重。二、合金钢5.合金工具钢（1）合金刃具钢合金刃具钢主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。（2）合金模具钢用来制造各种模具的钢称为模具钢。合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。（3）合金量具钢量具钢主要用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。二、合金钢6.特殊性能钢（1）不锈钢不锈钢按化学成分的不同，可分为铬不锈钢、镍铬不锈钢、铬锰不锈钢等。按金相组织的特点，则可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体＋铁素体双相型不锈钢等。航空工业常用的是奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和双相型不锈钢。常用的铁素体不锈钢中，wC<0.5%，wCr=12%～30%，属于Cr不锈钢。马氏体不锈钢中常用的有“Cr13”型钢（1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等）和Cr18型钢（有9Cr18、1Cr17Ni2等）。

二、合金钢6.特殊性能钢（1）不锈钢奥氏体不锈钢一般Cr的质量分数为17%～19%，Ni的质量分数为8%～11%，属镍铬钢，典型的是18-8型不锈钢（1Cr18Ni9）。奥氏体不锈钢在航空上应用较多，用于既承受腐蚀又承受高温的航空零件。如超声速飞机蒙皮、隔热板；涡喷发动机的燃气导管、尾喷管；火箭发动机的液氧、液氟、液氢箱等。二、合金钢6.特殊性能钢（2）耐热钢耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强度的特殊钢，包括抗氧化钢和热强钢。抗氧化钢中加入合金元素铬、硅、铝等，它们与氧亲和力大，故优先被氧化，形成一层致密的、高熔点的氧化膜覆盖于钢表面，可将金属与外界的高温氧化物隔绝，从而避免进一步氧化。如钢中wCr＝20%～25％时，抗氧化温度可达1100℃。热强钢采用的合金元素如Cr、Ni、Mo、W、Si等，除具有提高高温强度的作用外，还可提高高温抗氧化性。常用的热强钢按正火状态下组织的不同，大致可分为珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢三类。二、合金钢6.特殊性能钢（1）不锈钢不锈钢按化学成分的不同，可分为铬不锈钢、镍铬不锈钢、铬锰不锈钢等。按金相组织的特点，则可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体＋铁素体双相型不锈钢等。航空工业常用的是奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和双相型不锈钢。（2）合金模具钢用来制造各种模具的钢称为模具钢。合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。（3）合金量具钢量具钢主要用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。三、高温合金1.高温性能指标高温下的结构零件有两方面的破坏因素：一是高温下产生氧化与腐蚀引起的破坏；二是高温下的热强度不足引起的破坏。所以衡量高温材料的主要性能指标有两项：热稳定性和热强度。

在高温下，金属材料扺抗氧化腐蚀的能力，称为热稳定性。

在高温下，金属抵抗变形和破坏的能力，称为热强度或高温强度。衡量金属材料高温强度的指标是蠕变极限和持久强度极限。三、高温合金2.高温合金的概念及分类

高温合金是指工作温度在600～1000℃（或更高温度）下的合金，高温合金有较高的高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性能，以及良好的抗疲劳性、断裂韧性、塑性等综合性能。三、高温合金2.高温合金的概念及分类按基体元素的不同，高温合金主要可分为铁基、镍基和钴基高温合金。按生产工艺的不同，高温合金又可分为变形高温合金（指可用压力加工方法使毛坯成型的合金）和铸造高温合金（指只能或主要以铸造方式成型，一般不能进行压力加工的合金）两大类。。三、高温合金3.高温合金的牌号变形高温合金的牌号以汉语拼音字母“GH”（“高合”汉语拼音首字母）＋4位数字表示。

“GH”后的第一位数字表示分类号，即高温合金的类型：1和2表示铁基或铁镍基高温合金，3和4表示镍基高温合金，5和6表示钴基高温合金（其中的奇数1、3和5为固溶强化型合金，偶数2、4和6为时效沉淀强化型合金）；“GH”后的第二、三、四位数字表示合金的编号，如GH4169表示时效沉淀强化型的镍基高温合金，合金编号为169。三、高温合金3.高温合金的牌号铸造高温合金的牌号以汉语拼音字母“K”＋3位数字表示。“K”后的第一位数字表示分类号，即合金的类型（其含义与变形合金相同）；第二、三位数字表示合金的编号，如K418表示时效沉淀强化型镍基铸造高温合金，合金编号为18。此外，“FGH”表示粉末高温合金，“MGH”表示机械合金化粉末高温合金，“DZ”表示定向凝固铸造高温合金，“DD”表示定向单晶合金等。三、高温合金4.常用的高温合金

铁基高温合金铁基高温合金主要是奥氏体耐热合金钢。用奥氏体作为基体，是因为面心立方晶格原子间结合力较强，再结晶温度较高，比以往以铁素体为基体的钢具有更好的热强性。三、高温合金4.常用的高温合金变形镍基高温合金镍的熔点高，又是面心晶格，而且表面能形成致密的氧化膜，能防止800℃以下剧烈氧化，因此是优良的耐热基体金属。在镍中还加入Cr、W、Mo等元素提高抗氧化性与热强性。镍基高温合金是当前700～1000℃工作温度区使用较为广泛的高温合金，是在Cr20Ni80合金中加入Al、Ti、Nb、Ta、W、Mo、Co等强化元素发展起来的。固溶强化、晶格沉淀强化、碳化物强化以及晶界控制等的联合作用改善了合金的热强性。镍基高温合金根据加工工艺又可分为变形镍基高温合金和铸造镍基高温合金。三、高温合金4.常用的高温合金铸造高温合金高温合金很难切削加工，虽然尽量采用新型刀具材料，仍然不能解决问题，生产效率很低，所以近年来铸造高温合金得到很大发展。同变形高温合金相比，铸造高温合金的优点是：可大幅度加入合金元素，避免因合金元素多而使工艺性能变坏的问题；使用温度可相对提高20℃～30℃，甚至80℃；可铸成精度高和形状复杂的零件；可以采用新工艺，如定向结晶消除横向晶界，控制冷却速度获得所需的晶粒度或使叶片边缘晶粒细化，以提高叶片的力学性能。航空发动机的导向叶片通常采用铸造高温合金，以普通精密铸造工艺或定向凝固工艺生产。比较有代表性的钢种有K214、K232、K406、K417、K403、K409、K418等。三、高温合金4.常用的高温合金除上述高温合金外，还有钴基、钼基、粉末高温合金，它们可用于更高的工作温度。钴基高温合金可使用于700～1050℃的高温，这类合金具有高的熔点和较高的强度。采用精密铸造成型，可用来制造喷气发动机的涡轮机叶片等高温零件和结构件。粉末高温合金，是首先生产表面不受氧化的细合金粉末，然后将粉末装入密封罐，以热挤压形成坯料，再进行锻造或轧制，最后加工成零件。三、高温合金4.高温合金在航空发动机上的典型应用在航空涡轮发动机上，高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘4大类零部件。三、高温合金4.高温合金在航空发动机上的典型应用燃烧室用高温合金燃油雾化、油气混合、点火、燃烧等过程都是在燃烧室（也称火焰筒）内进行的，因此，燃烧室是发动机各部件中温度最高的区域。燃烧室内的燃气温度达到1500～2000℃时，壁部合金材料承受的温度可达800℃～900℃以上，局部处可达1100℃。用作燃烧室的合金除承受急热急冷的热应力和燃气的冲击外，不承受其他荷载。因此，燃烧室材料的工作特点是温度高、热应力大而机械应力小，常用易成型、可焊接的高温合金，如新型镍基和钴基高温合金板材制造。用于燃烧室的高温合金代表性牌号有GH1140、GH3030、GH3039、GH3333、GH3018、GH3022、GH3128、GH3170。三、高温合金4.高温合金在航空发动机上的典型应用导向器用高温合金导向器也称导向叶片，它是涡轮发动机上受热冲击最大的零件之一。其失效方式通常为由热应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的热疲劳裂纹以及局部的烧