航空工程材料（第4版） 课件 模块6 有色金属

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模块6有色金属轻金属：Al、Ti、Mg密度小、比强度高、比刚度大、耐热、耐腐蚀、良好的导电性、导热性金属黑色金属：Fe、Cr、Mn及其合金有色金属：除Fe、Cr、Mn以外的金属航空、航天领域应用十分广泛/CompanyLogo6.1铝及铝合金B777-200/CompanyLogo6.1.1工业纯铝1.纯铝的特性1）银白色，ρ=2.7g/cm3，熔点低(660℃)；2）fcc，δ=35～40%，σb=80～100Mpa，硬度低；3）导电导热性好，仅次于银、铜；4）良好的耐蚀性-Al2O3，5-10nm；5）航空上用作导线、隔热铝箔或铆钉等。/CompanyLogo2.纯铝的牌号（AA）用1×××作为纯铝的牌号1

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××

①②③①表示主要元素（Al）不小于99.00%②表示受控杂质的个数③表示含铝量（99.××%）中小数点后面的两位/CompanyLogo例（1）：1030的含铝量为99.30%，其杂质极限含量无特殊控制。1130，1230，1330分别表示为对其1个、2个、3个杂质含量分别予以控制。例（2）：1334的含铝量为99.34%。3个杂质含量需要控制。/CompanyLogo6.1.2铝合金的分类及牌号铝合金：

向铝中加入一种或几种适量的合金元素构成的合金。添加的主要合金元素：Cu、Mg、Zn、Mn、Si和Li。/CompanyLogo1铝合金的分类按加工工艺分变形铝合金：以压力加工的方法生产的铝合金。铸造铝合金：直接浇铸各种形状的机械零件的铝合金。变形铝合金铸造铝合金可热处理强化铝合金不可热处理强化铝合金/CompanyLogo铝合金分类示意图加热→单相固溶体→塑性高→适于压力加工共晶组织→适于铸造而不适于压力加工/CompanyLogo变形铝合金的牌号用四位数表示。2∽9

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××①②③①表示主要合金元素②表示对原来合金的改进次数③表示合金的编号2变形铝合金的牌号（AA）/CompanyLogo2×××铝铜合金，如2024、2017等硬铝合金；3×××铝锰合金，如3003防锈铝合金；4×××铝硅合金，焊接性好；5×××铝镁合金，例如5052铝合金；6×××铝镁硅合金，例如6061锻铝合金；7×××铝锌合金，例如7075铝合金；8×××其它系列，以其它合金元素为主要合金元素；9×××备用系列。/CompanyLogo3铸造铝合金的牌号铸造铝合金牌号用“ZL1××”~“ZL4××”表示。“ZL”表示铸造铝合金。ZL后的第一位数字代表不同的主要合金元素ZL1××为铝硅合金（AlSi合金）ZL2××为铝铜合金（AlCu合金）ZL3××为铝镁合金（AlMg合金）ZL4××为铝锌合金（AlZn合金）最后两位数字用来识别同一组中的不同合金若在这两位数字后还有一位字母，表示是对该合金的改型。/CompanyLogo1变形铝合金的热处理：退火、固溶、时效。退火：软化处理；固溶、时效：强化处理，提高强度性能。6.1.3变形铝合金/CompanyLogo退火

退火目的：降低强度、硬度，提高塑性，便于加工。

完全退火：获得最大的成形性，以便随后进行变形量较大的成形工艺。

不完全退火：部分消除加工硬化效应，以便随后进行变形量较小的成形工艺。/CompanyLogo可热处理强化变形铝合金的热处理方法：固溶+时效。固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。加热固溶淬火过饱和时效析出固溶时效：将过饱和的固溶体在固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理；加热固溶淬火过饱和时效析出自然时效：在室温下进行；孕育期：自然时效开始的几个小时内，强度无明显增加；人工时效：在加热条件下进行；时效强化效果与加热温度和保温时间有关。

时效含4%Cu的铝合金的时效曲线

亚时效：时效温度过低或时间过短，强度不够。过时效：时效温度过高或时间过长，合金软化。超硬铝进行过时效：改善耐应力腐蚀或晶间腐蚀的性能。6082合金不同热处理状态TEM显微组织(a)热挤态；(b)545℃/50min固溶态；(c)170℃/8h时效态；(d)170℃/200h时效态/CompanyLogo/CompanyLogo2铝合金的基本状态1)铝合金热处理状态表示法O—退火状态;F—铝合金处在制造状态（对热处理未加控制），对于铸铝表示材料处于铸造状态。T—与其后面的数字表示可热处理强化铝合金的热处理状态。/CompanyLogo-T3：固溶后冷作硬化和自然时效。-T31：固溶后通过矫平拉伸来冷作硬化，自然时效。-T42：由用户进行固溶和自然时效到基本稳定状态，适用于2024-O和6061-O铝合金。-T6：固溶后人工时效。-T62：由用户固溶和人工时效。-T73：固溶和过时效，适用于7XXX铝合金。航空公司可进行的热处理只有T42、T62和T73状态。/CompanyLogo3常用变形铝合金根据性能和用途防锈铝硬铝超硬铝锻铝/CompanyLogo①防锈铝合金(Al-Mn和Al-Mg系合金)防锈铝合金抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，可加工硬化。

/CompanyLogoAl-Mn系合金其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道等需要弯曲、冲压加工的零件。Al-Mg系合金其密度比纯铝小，强度比Al-Mn合金高，可制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。/CompanyLogo硬铝（Al-Cu系）固溶+时效；较高的强度、抗疲劳性能和断裂韧性，裂纹扩展速率较低。用于疲劳问题比较突出的部位。/CompanyLogo硬铝在使用中存在的问题：抗蚀性能差：包铝；熔焊性能差：铆接；淬火温度范围窄：误差大约在5-10℃，控制温度比较困难。/CompanyLogo飞机结构上常用的硬铝合金：2024：Cu、Mg含量高；在室温4-5天自然时效，抗拉强度和韧性高；人工时效，屈服强度高；自然时效有1.5h孕育期；常用于飞机蒙皮、梁、隔框、翼肋等主要受力构件。2017：Cu、Mg含量中等；易于进行冷压成型；淬火后自然时效，孕育期2h；常用于蒙皮、桁条、操纵拉杆和铆钉等。/CompanyLogo冰箱铆钉：2024和2017，使用前先固溶处理，淬火后放在冰箱内冷冻保存（延迟时效硬化）。外场铆钉：2117-T3，即时可用，具有较高的剪切强度和良好的耐腐蚀性。/CompanyLogo超硬铝（Al-Zn系）固溶+人工时效强化主要用于受力较大的结构件,如飞机龙骨梁、起落架、上翼面蒙皮和长桁等；缺点：抗应力腐蚀性和抗疲劳性能差。/CompanyLogo锻铝（Al-Mg-Si系）热塑性好,韧性高，适合锻造。固溶+自然时效，具有很好的耐蚀性；在飞机上用于制造对加工塑性和耐蚀性要求高的锻件，如发动机的一些零件、直升机桨叶、摇臂、框架、接头等。/CompanyLogo6.1.4铸造铝合金铸造铝合金：用来直接浇铸各种形状的机械零件的铝合金，称为铸造铝合金。流动性好，但塑性差。Al-Si系（铝硅明）ZL102有优良的铸造性能，强度较低(≈600Mpa)，适合形状复杂受力很小的零件。如仪表壳体。/CompanyLogoAl-Cu系ZL201是铸铝中强度最高的铝合金，300℃下仍能保持较高强度，铸造性能和抗蚀性差，用于300℃下工作的形状简单的铸件，如活塞。Al-Mg系ZL301强度高，铸造性能不好，抗蚀性好。Al-Zn系ZL401强度高，铸造性能好，抗蚀性差。/CompanyLogo6.2钛及钛合金/CompanyLogo1）银白色，ρ=4.5g/cm3；2）熔点1668℃；3）常温下形成致密的氧化膜抗海水及蒸汽腐蚀的能力超过不锈钢，但易受HF和浓H2SO4的腐蚀。6.2.1工业纯钛的基本特性4）同素异构转变α-Ti←882.5℃→β-Ti

（＜882.5℃hcp)（＞882.5℃bcc）/CompanyLogo5）高强度、良好的塑性，焊接性和较高的热强度。退火态：σb=450-600MPa，δ=15-30%，使用温度为350℃以下。6）按杂质含量分三个等级TA1、TA2、TA3；具有单相α组织，故归入α型钛合金。/CompanyLogo6.2.2钛合金1、钛的合金化及分类

以钛为基础，加入一种或几种其它元素构成的合金，称为钛合金。

加入钛中的合金元素（Al，V，Sn，Mo等）起固溶强化作用，溶入α-Ti形成α固溶体，溶入β-Ti形成β固溶体。/CompanyLogo根据使用状态的组织，钛合金分为三类，牌号分别以TA、TB、TC+编号来表示。

1.α型钛合金:如TA4（Ti-3Al）、TA7(Ti-5Al-2.5Sn)。

2.β型钛合金：如TB1(Ti-3Al-8Mo-11Cr);TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)。

3.α+β型钛合金：如TC4（Ti-6Al-4V）；TC10(Ti-6Al-6V-2Sn)。/CompanyLogo2、钛合金的主要性质优点：1）比强度高

强度一般为600～1110Mpa，最高强度可达1500Mpa。/CompanyLogo2）热强度高

熔点高，热强度高，能在600℃下长期工作，可向800～900℃高温发展，可与耐热钢相媲美。

3）抗蚀性好

表面形成TiO2膜，能抵抗大气的腐蚀，海水中抗蚀性仅次于铂，在高温下仍具有良好的耐蚀性，耐蚀性超过不锈钢。/CompanyLogo缺点：

1）工艺性能差，导热性小，摩擦系数大，切削加工异常困难，生产成本高。

2）高温易吸收氢、氧等而变脆，所以热加工只能在真空或保护气氛中进行。

3）耐磨性差。/CompanyLogo6.2.3钛合金的应用喷气式发动机：压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳等。机身：防火壁、蒙皮、大梁、起落架、翼肋等。火箭、导弹及宇宙飞船工业：高压容器、燃烧储箱、主起落架、飞船船舱蒙皮及结构骨架、登月舱等。CompanyLogo

6.3镁及镁合金

镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，我国是世界上著名的产镁大国，镁是重要的合金元素，世界上镁的最大消费领域是作铝合金添加元素。镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，但与铝合金和钛合金相比，镁合金的应用很有限,主要是镁合金的耐蚀性较差；高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温（150～350℃）场合的应用。

CompanyLogo一、纯镁特性

1.密度为1.74g/cm3，熔点为651℃，压铸成型性能好。

2.镁属密排六方晶格，故室温和低温塑性较低，当温度提高到150～225℃时，塑性较好，能进行各种形式的热变形加工。

3.强度低，铸态时σb≈115Mpa，冷变形状态时σb≈200Mpa；镁的化学活性很强，在空气中容易氧化，特别是在高温下，若氧化反应放出的热量不能及时发散，则容易引起燃烧。

6.3.1镁及镁合金的基本特性CompanyLogo

二、镁合金性能

1.比强度高于铝合金和钢，比刚度与铝合金、超高强度钢相当。

2.减振性好,弹性模量小,刚度大,如可作飞机起落架轮毂材料。

3.塑性差,不宜作冲压零件。

4.切削性很好。

5.抗腐蚀性差，防止电化学腐蚀。CompanyLogo

三、镁合金分类及牌号

按加工特点分为变形镁合金和铸造镁合金。变形镁合金牌号用MB表示，如，MB15（相当于美国牌号AK60A），铸造镁合金牌号用ZM表示，如ZM5（相当于美国牌号AZ91C）。CompanyLogo6.3.2变形镁合金

航空中用的较多的变形镁合金是MB15，属Mg-Zn-Zr系合金，MB15是可热处理强化的高强度变形镁合金。

该合金室温强度高，室温拉伸强度、屈服强度、塑性、韧性均优于其它镁合金，综合性能好。具有良好的热塑性变形能力（热加工变形后在空气中冷却相当于淬火）、切削性、耐腐蚀性能，但焊接性能差。可用于制造150℃温度下工作的受力构件，是生产和应用历史较久的合金之一，是国内外广泛用于宇航的结构材料。CompanyLogo6.3.3铸造镁合金

ZM1属Mg-Zn-Zr系，是铸造合金中强度和屈服强度最高的一种合金，抗蚀性良好，铸造工艺性能差。在ZM1基础上加稀土之素(Re)得到ZM2、ZM8，铸造性能提高了，但强度、塑性下降，适合铸造170～200℃工作的发动机机匣，整流舱，电机壳体等。

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ZM5属Mg-Al-Zn系，含Al量较高,能热处理强化(淬火+人工时效)。具有高的比强度、良好的铸造性能，可以焊接。该合金应用广泛，可用于制造飞机、发动机、仪表等承受较高的载荷的结构体或壳体等。CompanyLogo6.3.4镁合金的应用领域

镁合金作为目前密度最小的金属结构材料之一，广泛应用于航空航天工业。镁合金的特点可满足于航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求，可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量。从20世纪40年代开始，镁合金首先在航空航天部门得到了优先应用。CompanyLogo6.4铜及铜合金

铜是最古老的金属，我国有丰富的铜资源，也是最早使用铜合金的国家。

6.4.1纯铜的特点

外观呈紫色，又称紫铜。1.密度为8.9g/cm3，熔点为1083℃。

2.具有很高的导电性、导热性，仅次于银。CompanyLogo

3.具有良好的耐蚀性（指在大气、淡水、海水中及非氧性酸性类介质中耐蚀的金属本质）。但纯铜及合金与其它金属接触时能产生接触腐蚀，因此，许多铜及合金在使用时应进行表面处理。

4.具有抗磁性，可制造具有抗磁干扰的罗盘、航空仪器等。

5.为面心立方晶格，强度低，退火状态：

σb=250～270MPa；塑性很好，δ=30～45%；良好的延展性，易于冷、热加工。CompanyLogo

工业纯铜，有T1，T2，T3，T4四种牌号，序号越大，纯度越差。

CompanyLogo6.4.2铜合金的特点和应用

按制造工艺可分为变形合金和铸造合金两大类，除了高锡、高铅、高锰等专用的铸造铜合金外，大部分铜合金既可作变形合金也可作铸造合金。CompanyLogo

一、黄铜以锌为主要合金元素的铜合金，称为黄铜。黄铜一般含60～95%铜，不能热处理强化，退火状态下使用，表面处理采用酸洗和钝化。

只含锌的黄铜称为普通黄铜，常用的牌号有H80，H70，H68等。H70，H68又称三七黄铜，常作弹壳，故又称“弹壳黄铜”。CompanyLogo

硅黄铜ZCuZn16Si4（Cu79～81%，Si2.5～4.5%，Zn余量）是最常见的铸造铜合金。属Cu-Zn-Si系的铸造复杂黄铜。

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二、青铜铜与除锌以外的元素组成的铜合金，称为青铜。

1、锡青铜

以锡为主要合金元素的铜合金，称为锡青铜。

锡青铜在大气、海水中耐蚀性好，具有良好的耐磨性、抗磁性、低温韧性。

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锡青铜QSn6.5-0.1（Sn6～7%，P0.1～0.25%）属Cu-Sn-P三元系合金，具有高的强度、硬度、弹性、抗微塑性变形能力，有很好的冷热加工性和优良的抗蚀性。不能热处理强化，表面处理采用酸洗和光亮处理。可用于制造主要弹性元件和高强度的耐磨零件。CompanyLogo

铸造锡青铜ZCuSn10P1属高锡、高磷含量的Cu-Sn-P三元系。300℃以下有足够的热稳定性，抗拉强度最高可达365Mpa，不能热处理强化，进行消除应力退火（400～500℃空冷）。可制造重载荷、高滑动速度和较高温度下工作的耐磨零件。CompanyLogo

2、特殊青铜

特殊青铜是指不含锡的青铜。根据主要合金元素的