航空工程材料- 课件 项目四：飞机结构中的金属材料应用

课程导入播放视频——《金属材料》项目四：飞机结构中的金属材料应用结构钢与高温合金2.选择你熟知的结构钢，列举其典型牌号和主要应用场景。1.常见的结构钢有哪些？请简述其如何分类？3.什么是合金结构钢、高温合金?它们之间怎么区别?课前预习目录CONTENTS一、钢的分类与牌号二、钢的合金化及牌号标识四、认识高温合金三、认识结构钢钢的分类一、钢的分类与牌号1.1按是否含合金元素分类碳素钢（非合金钢）合金钢1.3按冶金质量分类普通钢（WS≤0.05%，WP≤0.045%）

优质钢（WS≤0.035%，WP≤0.035%）高级优质钢（WS≤0.025%，WP≤0.03%）1.2按合金元素含量分类低合金钢（合金元素总量＜5%）中合金钢（5%~10%）高合金钢（＞10%）“合金元素”是一个特指概念：为了特定性能而有意添加了除碳以外的金属元素钢的分类一、钢的分类与牌号1.4按含碳量分类低碳钢（WC＜0.25%）中碳钢（WC=0.25%～0.60%）高碳钢（WC＞0.60%）1.5按用途分类结构钢渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢…工具钢刃具钢、模具钢、量具钢特殊钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢、高温合金…钢的分类一、钢的分类与牌号碳素钢碳素结构钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢按平衡组织分亚共析钢F+P共析钢P过共析钢P+Fe3C按含碳量分低碳钢wc%＜0.25%中碳钢0.25%≤wc%≤0.60%高碳钢wc%＞0.60%碳素钢一、钢的分类与牌号1.碳素结构钢(1)普通碳素结构钢成分特点：中低碳（＜0.38%），S、P质量控制不严性能特点：具有一定的强度、良好塑性韧性，良好的焊接工艺性能常用牌号：由代表屈服强度的拼音字母Q、屈服强度数值、质量等级及脱氧方法四部分按顺序组成

例:

Q235AF，表示屈服强度ReL≈235MPa的普通碳素结构钢(A级沸腾钢)

脱氧方式符号:沸腾钢(F);半镇静钢(b);镇静钢(Z);特殊镇静钢(TZ);钢的质量等级:

A~D热处理工艺：基本不需热处理，常轧制成棒、板、型钢或以钢锭供应(热轧+空冷)一、钢的分类与牌号牌号GB700-88旧牌号GB700-77wC/%ReL/MPa用途举例Q195A10.06～0.12195

通用标准件、建筑物、钢木家具、机器外罩、日用五金、要求不高的机械零件等。Q215A20.09～0.15215Q235A30.14～0.22235Q255A40.18～0.28255Q275A50.28～0.38275普通碳素结构钢的牌号、成分、强度和用途(1)普通碳素结构钢碳素钢1.碳素结构钢一、钢的分类与牌号硫、磷含量较低，含碳量跨度较大，从低碳至高碳，性能随含碳量而变，质量优于普碳钢。常用牌号:1)含碳量用万分之几表示(两位数)

2)Mn含量较高(0.7~1.2%)时，在数字后面加上“Mn”3)高级优质钢在后面加“A” 4)脱氧方式符号:沸腾钢(F);半镇静钢(b);镇静钢(Z);特殊镇静钢(TZ)例1:45，表示含碳量为0.45%(即45/10000)的优质碳素结构钢例1:65Mn，表示含碳量为0.65%(即65/10000)，并含有较多Mn(0.7~1.2%)的优质碳素结构钢(2)优质碳素结构钢碳素钢1.碳素结构钢一、钢的分类与牌号(2)优质碳素结构钢常用牌号:08F,

10,

20,

35,

40,

45,

50,

60,

6508F（含碳量0.08%低碳沸腾钢）——塑性好，可制造冷冲压零件；10、20钢——冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，如汽车车身、仪表外壳等，经过热处理(如渗碳)也可以制造轴、销等零件；35、40、45、50钢——经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件；60、65钢

——淬火+中温回火后弹性极限好，用于制作受载不大的弹簧，主要用来制造弹簧。碳素钢1.碳素结构钢随堂测验练习题关于碳素结构钢，下列说法正确的是？（多选题）相对普通碳素结构钢，优质碳素结构钢对S和P的控制更低更严普通碳素结构钢使用时一般都需要淬火强化普通碳素结构的数字表示抗拉强度优质碳素结构钢的数字表示碳含量，万分之几ABCD提交DA随堂测验练习题关于45钢，下列说法正确的是？（多选题）含碳量4.5%优质钢中碳钢过共析钢ABCD提交BC一、钢的分类与牌号成分特点：高碳，含碳量在0.65～1.35%，不含合金元素性能特点：淬硬性高，淬火硬度≥62HRC淬透性不高、热硬性也不高，使用温度一般不能超过200℃常用牌号：T+数字组成(含碳量用千分之几表示)+字母(Mn含量0.40~0.60%/A—高级优质钢)

例如：T8代表？T12A代表？T8Mn代表？热处理工艺：预备热处理——球化退火

最终热处理——淬火+低温回火主要应用：制造小尺寸、形状简单的低速切削刀具；

制造量具、小型简单冷冲模及各种手用工具。碳素钢2.碳素工具钢一、钢的分类与牌号牌号含碳量/%硬度用途举例球化退火淬火+低回T70.7≤187HBS≥62HRC

制造有一定硬度和耐磨性、耐冲击的刀具和工具。如钳工用錾子、冲头、手锤、虎钳钳口；木工用凿子、刨刀等。T80.8T90.9≤210HBS≥62HRC

耐磨性比T7、T8高，制造不受强烈冲击的刀具和工具。如手用锯条、丝锥、板牙、小型简单冷冲模。T101.0T111.1T121.2≤220HBS≥62HRC

耐磨性很高，但韧性较低。制造不受冲击的刀具以及量具。如锉刀、刮刀、雕刻刀、剃刀、量规等。T131.3碳素工具钢的牌号、成分、性能和用途碳素钢2.碳素工具钢随堂测验练习题碳素工具钢T10钢的数字表示钢中平均含碳量是？（单选题）0.01%0.10%1.0%10%ABCD提交C课堂小结钢的分类与牌号钢中合金元素碳钢性能的不足1)淬透性低:水淬最大淬透直径10～20mm2)强度和屈强比低:Q235钢的ReL为235MPa，而低合金结构钢Q345(16Mn)的ReL则为345MPa以上30钢的ReL

/Rm为0.6,而合金钢30CrNiMoV的ReL

/Rm高达0.873)回火稳定性差(耐热性差):碳钢不适宜制作高温工作的零件调质处理时回火温度低，强度高、韧性低；回火温度高，韧性好、强度低，即综合机械性能水平不高4)不能满足特殊性能的要求:抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损等方面较差二、钢的合金化及牌号标识钢中合金元素合金：以一种金属为主，加入其它元素熔炼而成的金属材料。（碳素钢中加入合金元素后获得的钢种，称为合金钢）合金元素加入钢中，不仅仅与Fe和C这两种基本元素发生作用，还相互作用，从而对钢的基本相、铁碳相图及钢在热处理过程中的组织转变规律都有影响。二、钢的合金化及牌号标识现科学技术发展要求材料：更高的强度、抗高温、高压、腐蚀、磨损及特殊的物理化学性能为了提高碳钢的性能，需向钢中加入一定量的化学元素，即合金元素，得到的钢称合金钢合金钢的编号1.合金结构钢(1)低合金高强度结构钢常用牌号：由代表屈服强度的拼音字母Q、屈服强度数值、质量等级及脱氧方法四部分按顺序组成

例:

Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690等

脱氧方式符号:沸腾钢(F);半镇静钢(b);镇静钢(Z);特殊镇静钢(TZ);钢的质量等级:

A~D举例：Q345C“屈”服强度屈服强度Re，345MPa质量等级二、钢的合金化及牌号标识合金钢的编号1.合金结构钢(2)合金结构钢(渗碳钢、调质钢、超高强度钢)常用牌号:1)含碳量:用万分之几表示(两位数)

2)合金元素及含量:合金元素符号+百分数3)字母符号:高级优质钢在后面加“A”合金元素表示方法：含量＜1.5%时，只标元素符号，不标含量

含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%…时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4…等含碳量+合金元素符号及含量+字母符号例如20CrMnTi，40CrNiMo表示？二、钢的合金化及牌号标识合金钢的编号2.合金工具钢(1)合金工具钢含碳量

[一位数字(或没有数字)]+合金元素符号及含量常用牌号:1)含碳量:当平均碳含量≥1.0%时，不标;＜1.0%时，以千分之几表示

例如Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V2)合金元素及含量:与合金结构钢相同合金元素表示方法：含量＜1.5%时，只标元素符号，不标含量

含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%…时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4…等(2)高速工具钢一般不标出碳含量，只标出各种合金元素平均含量的百分之几例如钨系高速钢的钢号表示为“W18Cr4V”二、钢的合金化及牌号标识课堂小结钢的分类与牌号随堂测验练习题关于合金钢的牌号（编号），下列描述正确的是？（多选题）Q345是低合金高强度结构钢20CrMnTi表示合金结构钢的平均含碳量为0.20%，含Cr、Mn、Ti的量低于1.5%合金工具钢的碳含量都以万分之几表示，例如“9SiCr”钢的平均碳含量为0.09%W18Cr4V为合金工具钢，其中合金元素W的平均含量为1.8%ABCD提交BA三、认识结构钢名称（种类）常用牌号成分特点性能特点热处理工艺主要应用低合金高强度结构钢渗碳钢调质钢超高强度钢低合金高强度结构钢（简称低合金高强钢）用于桥梁、汽车、船舶、压力容器等的钢材有哪些性能要求？高强度高的塑性和韧性好的焊接性和冷变形性三、认识结构钢低合金高强度结构钢（简称低合金高强钢）(1)性能特点高强度：屈服强度300MPa以上(强度高于碳素结构钢)高塑性/韧性：足够的塑性、韧性(A=15～20%，ak≥600～800kJ/m2）及低温韧性良好的焊接性和冷热塑性加工性能低的冷脆转变温度良好的耐蚀性(2)成分特点低碳：碳含量WC≤0.2%低合金：合金元素总含量WMe≤3%，主加锰(Mn)，辅加钛(Ti)、钒(V)、铌(Nb)、铝(Al)，特殊元素Cu、P，微量稀土三、认识结构钢低合金高强度结构钢（简称低合金高强钢）低合金高强度结构钢的牌号、成分、强度和用途牌号GBT1591—94相当于旧牌号GBT1591—88ReL/MPa化学成分W/%用途举例CMnV、Nb、Ti、REQ34512MnV14MnNb16Mn3450.2约1.5微量压力容器车辆起重机械大型钢结构桥梁船舶等Q39015MnV16MnNb15MnTi3900.2约1.5微量Q42015MnVNi14MnVTiRE4200.2约1.5微量Q46014MnMoV18MnMoNb4600.2约1.5微量供应状态：热轧空冷组织：F+P一般不再进行热处理三、认识结构钢随堂测验练习题关于低合金高强钢，下列说法正确的是？（多选题）屈服强度可达300MPa以上并具有良好的塑性按碳含量分类，属于低碳钢为提高力学性能，使用前一般要进行淬火和低温回火以获得马氏体组织牌号的表示方法同优质碳素结构钢ABCD提交BA渗碳钢(2)成分特点低碳：碳含量0.10~0.25%加入提高淬透性元素：Cr、Ni、Mn、B加入阻止奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、W、Mo渗碳钢主要用于制造表面硬而耐磨、心部强韧而易于加工和渗碳热处理的机械零件，如凸轮、销轴、重载齿轮等。(1)性能特点综合要求：表强里韧三、认识结构钢渗碳钢典型工艺流程

(以20CrMnTi钢传动齿轮为例)下料——锻造毛坯——正火——机加工——渗碳——淬火+低温

回火——精加工——成品检验(3)热处理工艺预备热处理：正火

(细化晶粒；消除内应力，调整硬度，便于切削加工)最终热处理：渗碳(提高表面含碳量)——直接淬火(获得马氏体，提高表面硬度)——低温回火(消除淬火应力)三、认识结构钢渗碳钢活塞销变速箱齿轮柴油机曲轴(4)常用牌号低淬透性合金渗碳钢：合金元素总量＜3%，如15Cr、20Cr、20Mn2等，淬透性较低，心部强度较低。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。

中淬透性合金渗碳钢：合金元素总量在4%左右，如20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB等，淬透性较高，心部强度较高，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。用于中等载荷的耐磨件，如汽车变速箱齿轮。

高淬透性合金渗碳钢：合金元素总量在4%～6%，含有较多的Cr、Ni等元素，如18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A。淬透性很高，心部强度很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。用于重载荷的耐磨零件，如柴油机曲轴、飞机齿轮。渗碳件三、认识结构钢随堂测验练习题关于渗碳钢，下列说法正确的是？（多选题）渗碳钢主要用于表面硬而耐磨、心部强韧、需要进行渗碳热处理的机械零件按照分类，渗碳钢属于低碳合金工具钢20CrMnTi钢的淬透性及淬硬性均比碳素工具钢T10钢要好预备热处理为正火，改善切削加工性能，最终热处理为渗碳+淬火+低温回火以满足使用性能要求ABCD提交DA随堂测验练习题如果以含碳量为1.2%的碳素工具钢代替20CrMnTi钢制造汽车齿轮，不必渗碳而只要淬火加低温回火即可满足齿轮表硬心韧的性能要求。(单选题)对错AB提交B调质钢(2)成分特点中碳：碳含量0.3~0.5%，多为0.4%左右加入提高淬透性元素：Cr、Ni、Mn、Si、B加入提高回火稳定性元素：W、Mo、V、Ti调质钢主要用于制造要求具有良好综合力学性能的机械零件，如轴、连杆、曲轴、齿轮、高强度螺栓等，因最终热处理常采用调质而得名。(1)性能特点要求：良好综合力学性能三、认识结构钢调质钢典型工艺流程①45钢软齿面齿轮，要求一般的综合力学性能：下料——锻造毛坯——正火——机加工——成品检验②45钢软齿面齿轮，要求良好的综合力学性能：下料——锻造毛坯——正火——粗加工——调质——精加工——成品检验③40CrMnMo钢硬齿面齿轮，要求表面硬而耐磨，心部强韧：下料——锻造毛坯——完全退火——粗加工——调质——半精加工——表面淬火+低温回火

——精加工——成品检验(3)热处理工艺预备热处理：正火或完全退火最终热处理：淬火+高温回火(调质处理)三、认识结构钢调质钢(4)常用牌号低淬透性调质钢：40Cr、40MnB，油淬临界直径为30～40mm，用于制造一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴等。

中淬透性调质钢：35CrMo、40CrNi，油淬临界直径为40～60mm，用于较大截面零件，如曲轴、连杆、对接接头、螺栓、缘条等。

高淬透性调质钢：40CrNiMo、40CrMnMo，油淬临界直径为60～100mm，用于大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮、航空发动机轴。机床齿轮柴油机连杆汽轮机主轴受力复杂零件三、认识结构钢随堂测验练习题关于调质钢，下列说法正确的是？（多选题）调质钢主要用于表面硬而耐磨、心部强韧的机械零件按照分类，调质钢属于中碳合金结构钢40Cr钢属于低淬透性调质钢，用于制造一般尺寸的重要零件预备热处理为正火或完全退火，改善切削加工性能，最终热处理为淬火+低温回火以满足使用性能要求ABCD提交BC超高强度钢超高强度钢是指Rm≥1500MPa或ReL≥1380MPa的钢。在飞机上采用超高强度钢制造起落架、机翼、大梁等，可在不增大重量的情况下提高结构强度。大型干线飞机高速飞机节省燃油、提高飞行速度、增加续航时间、增加载重量、提高其他性能飞机减重提高比强度(Rm

/ρ)

三、认识结构钢超高强度钢(1)性能特点要求：高强高韧平衡、高屈强比(ReL/Rm)与比强度(Rm

/ρ)，以及良好的工艺匹配性(2)成分特点中碳：碳含量0.3~0.45%，以保证高强度、良好的塑性韧性加入扩大奥氏体区，避免淬火时P型转变元素：Mn、Ni加入提高回火稳定性元素：Cr、Si、W、Mo加入细化晶粒，提高强度元素：V、Nb(3)热处理工艺：淬火+低温回火三、认识结构钢超高强度钢(4)常用牌号30Ni4CrMoA及40CrNi2MoA(AISI4340)：用于制造截面较大的重要受力结构件，例如直升机旋翼接头、主减速器前后接头、机身专用螺栓、发动机涡轮轴、直升机主旋翼轴‌等30CrMnSiNi2A(低合金超高强度钢)：用于制造飞机起落架、机翼主梁、中央翼带板及缘条、接头、螺栓、涡轮喷气发动机压气机中机匣的后段等重要受力结构件40CrNi2Si2MoVA(300M——典型飞机起落架用钢)：用于制造飞机起落架、机体零件、发动机后框架、接头和轴等零件直升机主旋翼轴‌机翼主梁飞机起落架三、认识结构钢随堂测验练习题关于超高强度钢，下列说法正确的是？（多选题）超高强度钢是指Rm≥500MPa或ReL≥380MPa的钢超高强度钢和调质钢都是中碳钢，编号/牌号的表示方法也一样超高强度钢热处理工艺为淬火+高温回火，以满足使用性能要求超高强度钢主要用于飞机重要受力结构件，例如飞机起落架、机翼大梁等ABCD提交BD名称（种类）常用牌号成分特点性能特点热处理工艺主要应用低合金高强度结构钢Q345低碳≤0.2%主加Mn强度高于碳素结构钢---工程构件渗碳钢20CrMnTi低碳0.10~0.25%表强里韧渗碳，淬火+低回渗碳件调质钢40CrNiMo中碳0.3~0.5%良好综合力学性能调质，表淬+低回受力复杂零件超高强度钢40CrNi2Si2MoVA中高碳0.3~0.45%高强高韧高屈强比/比强度淬火+低回重要受力结构件三、认识结构钢随堂测验练习题汽车变速箱齿轮应选用下列哪一个材料？（单选题）ABCD提交A20CrMnTiCr12T12W18Cr4V随堂测验练习题20CrMnTi钢根据其组织和机械性能，在工业上主要作为一种()使用。(单选题)ABCD提交B低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金调质钢超高强度钢四、认识高温合金高温合金现代高速飞机多使用喷气发动机，为了提高喷气发动机的性能，必须提高涡轮机的进口燃气温度，相应要求提高材料的耐热性。所以，高温合金是制造高性能飞机发动机的关键材料，也是火箭发动机的关键材料之一。高温下零件的主要破坏形式有两种：一是氧化与腐蚀引起的破坏；二是热强度不足引起的破坏。对于航空、航天飞机的零构件，如喷气发动机的压气机燃烧室、涡轮、尾喷管等，在800℃以上温度长期服役，耐热钢已不能满足抗氧化和高温强度的要求，这时应选用高温合金。(1)材料性能特点①

较高的热强度：包括高温下的抗拉强度、持久强度、蠕变极限、热疲劳强度及低的缺口敏感性等②

较高的热稳定性：高温下具有良好的抗氧化、抗热腐蚀、抗冲刷能力③高比强度和比模量：以减少构件重量，并提高结构刚度④

良好的工艺性能：包括冶炼、铸造、压力加工、焊接及切削加工等综合工艺性能四、认识高温合金高温合金(2)高温合金分类高温合金以Fe(1538℃)、Ni(1450℃)、Co(1480℃)等高熔点金属为基体，加入其他合金元素制成，可在600°C以上高温服役。按基体类型：分为铁基、镍基、钴基高温合金按强化方式：分为固溶强化型和时效强化型合金按成形方式：变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金(3)牌号表示方法①变形高温合金：以GH+四位数字表示(GH为“高合”首字母)，如GH4169

(镍基，时效强化)第一位数字为分类号：1、2代表铁基/铁镍基，3、4代表镍基，5、6代表钴基其中奇数(1、3、5)为固溶强化型，偶数(2、4、6)为时效强化型，后三位数字为顺序编号②铸造高温合金：以K+三位数字表示(K为“壳型铸造”首字母)，如K418第一位数字为分类号(规则同上，1~6分别对应不同基体及强化方式)，后两位数字为顺序编号③粉末冶金高温合金：以F+GH+数字表示(F代表粉末)，如FGH4096④机械合金化高温合金：以M+GH+数字表示，如MGH956⑤定向凝固铸造高温合金：以DZ+数字表示(DZ代表定向)，如DZ22、DZ125⑥定向单晶高温合金：以DD+数字表示(DD代表单晶)，如DD3、DD6四、认识高温合金高温合金①铁基高温合金以奥氏体为基体，主加Cr和Ni，有时还有Mn，其中含Ni量达25%~60%，又称为Fe-Ni基高温合金，在500~700℃温度下，其持久强度能够提高成本低，可用于制造使用温度较低的航空发动机和工业燃气轮机的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力结构件、紧固件等组织不稳定，抗氧化性差，高温强度不够，使用温度比Ni基高温合金低，仅可用于800°C以下工作的高温零件典型牌号：GH1035是固溶强化型铁基高温合金(Cr22Ni38WTi)，常用于800℃以下工作的高温薄壁零件；GH2036是时效强化型铁基高温合金(4Cr12Ni8MoV)，常用来制造涡轮盘(4)航空常用高温合金四、认识高温合金高温合金(4)航空常用高温合金四、认识高温合金高温合金②镍基高温合金以Ni为基体，含Ni量大于50%，可在700~1000°C温度范围内使用Ni基高温合金应用最为广泛，根据加工工艺可分为：镍基变形高温合金和镍基铸造高温合金变形高温合金具有优良的热稳定性和热疲劳性、冷压和焊接性良好，常用作燃烧室联焰管、引燃管等变形高温合金典型牌号：GH3039主要成分是Cr20Ni75Mo2AlTiNb，常用作900℃以下工作的燃烧室及加力燃烧室等冷压焊接零件；GH3044主要成分Cr25Ni60W15Ti，常用作950~1100℃工作的燃烧室、鱼鳞片内腹板等冷压焊接件；GH3128是我国研制的合金，主要用于制造950℃以下长期工作的燃烧室、加力燃烧室、导向叶片等零件；航空发动机导向叶片常采用铸造高温合金，如K214、K232等(4)航空常用高温合金四、认识高温合金高温合金③钴基高温合金含Co量为40%~60%的奥氏体高温合金，工作温度可达730~1100°C当温度高于980°C时，强度很高，抗热疲劳、耐热腐蚀和耐磨蚀性均较好，可采用精密铸造工艺来制造航空发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片及柴油机的喷嘴等高温零件或构件(5)高温合金在飞机上的典型应用四、认识高温合金高温合金①燃烧室(火焰筒)发动机工作时，燃油雾化、油气混合、点火、燃烧等过程都是在燃烧室内进行的，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℃发动机工作时，燃烧室承受急热急冷的热应力和燃气的冲击，工作特点是温度高、热应力大而机械应力小常用易成形、可焊接的变形高温合金制造，如GH1140、GH3030、GH3039、GH3333、GH3018、GH3022、GH3128、GH3170，也可用于制造加力燃烧室和尾喷管(5)高温合金在飞机上的典型应用四、认识高温合金高温合金②导向叶片导向叶片是发动机各部件中受热冲击最大的零件之一。失效形式通常是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伤导向叶片大多采用熔模铸造生产，可加入W、Mo、Nb、Al、Ti等固溶强化和时效强化元素，例如K214、K232、K406、K417、K403、K423等采用定向凝固工艺生产定向合金和单晶合金，例如DZ3、DZ5、DZ22、DD3、DD402等(5)高温合金在飞机上的典型应用四、认识高温合金高温合金③涡轮叶片涡轮叶片的工作环境最为恶劣，除工作环境温度较高外，转动时还承受很大的离心力、振动力、气流冲刷力等用于制造涡轮叶片的高温合金：时效强化型镍基变形高温合金，例如GH4033、GH4037、GH4049、GH4118、GH4220；铸造高温合金K403、K405、K417、K418、DZ3、DZ22等随着燃气涡轮进口温度的提高，普通精密铸造涡轮叶片已不能满足航空发动机的需要，先进航空发动机采用单晶涡轮叶片，合金的使用温度可提高到1100~1150℃，使航空发动机的性能进一步提高，如DD402、DD3、DD6(5)高温合金在飞机上的典型应用四、认识高温合金高温合金

④涡轮盘涡轮盘工作时温差很大，产生的径向热应力也很大，承受的离心力也很大，榫齿部分既承受拉应力，又承受扭曲应力等。发动机每次启动和停止过程，都会产生一轮冷热交变，从而形成一次大应力低周疲劳循环制造涡轮盘的合金绝大多数是屈服强度很高、晶粒细小的Fe基或Ni基高温合金，例如GH2132、GH2135、GH2901、GH4761等，使用温度可达650~700℃，GH4033A、GH4698等，使用温度可达700~750℃随堂测验练习题关于高温合金，下列说法正确的是？（多选题）常用的基体材料为铁、镍、钴等高熔点金属元素按加工方式，GH3039指变形高温合金，K405指铸造高温合金结合前面所学，高温合金可满足1500-2000℃的燃烧环境，材料的壁受温度可达1100℃高温合金主要用于生产航空发动机的燃烧室、导向叶片、涡轮盘和涡轮叶片等ABCD提交BCAD课程导入播放视频——《金属材料》项目四：飞机结构中的金属材料应用铝及铝合金2.钢可以通过“淬火+回火”提高强度。类似地，强化铝合金，通常采用哪两个关键的热处理步骤？每一步的目的是什么？课前预习1.常见的非铁金属材料(有色金属)有哪些？请简述其如何分类？3.选择你熟知的铝合金，列举其典型牌号、主要性能特点和应用场景目录CONTENTS一、引言二、铝及铝合金概述三、铝合金的热处理四、铝合金的应用重点重点一、引言金属材料有色金属（非铁金属）铝及铝合金钛及钛合金铜及铜合金镁及镁合金其它合金黑色金属（钢铁材料）知识回顾一、引言知识回顾一、引言钢铁材料种类繁多且应用广泛，为什么飞机还会大量采用铝合金、钛合金等有色金属？有色金属与钢铁材料相比，具有许多优异性能(轻量化/高强度/耐高温/耐腐蚀)，是现代工业生活中不可缺少的金属材料。通常把密度小于4.5g/cm3的金属及其合金称为轻金属。铝合金、镁合金和钛合金都属于轻金属，具有密度小、比强度高、耐热、耐腐蚀等特点，在航空、航天领域的应用十分广泛。材料强度Rm(Mpa)密度ρ(g/cm3)比强度(Rm/ρ)钢材400～17007.950～210铝合金150～6002.755～220镁合金150～3401.7585～195钛合金400～14004.588～300一一、引言轻金属在航空航天领域的应用所谓比强度，是指材料的强度Rm与密度ρ

的比值。材料的比强度高，意味着可以制成轻质高强的零件，这对于减轻飞行器的重量，提高飞行器的性能有着十分重要的意义。二、铝及铝合金概述工业纯铝:铝含量≥99.00%(1)理化性能：银白色，密度小2.7g/cm3，熔点低660℃，导电性和导热性良好。化学性质较活泼，在空气中易形成致密的Al2O3保护性氧化膜，故在大气中显示出较好的耐蚀性，但不耐酸、碱、盐腐蚀。(2)力学性能:强度很低，Rm=80～100MPa，经冷加工可提高至150～200MPa；

塑性很高，A=35～40%，Z=70～90%；

硬度很低，不能热处理强化。(3)工艺性能:易冷加工成形，切削性能良好，铸造性能很好。(4)工业纯铝的用途:制造电线电缆、包装用铝箔或熔炼铝合金的原料；还可作为铝合金的包铝层；因强度低，一般不用作结构件。面心立方晶格(无同素异构转变)飞机机身蒙皮电线蛋挞杯随堂测验练习题关于纯铝，下列说法正确的是？（多选题）纯铝属于轻金属纯铝强度、硬度、塑性都很好纯铝在任何环境中耐腐蚀性都很好纯铝一般不直接用来制造结构件ABCDDA铝合金在铝中加入铜、镁、锌、锰、硅等合金元素炼制成铝合金，强度较之纯铝大幅度提高，同时又保持了纯铝质量轻、有一定耐蚀性、色泽美观等优点，成为一种重要的工程材料，在航空航天、汽车、建筑物、日用器具等制造领域得到广泛的应用。高强度+纯铝的优良特性铝合金型材机壳铝铸造件铝合金轮毂二、铝及铝合金概述根据化学成分及生产工艺特点，将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。铝合金分类示意图变形铝合金成分在D点以左的合金，加热时能形成单相固溶体α，其塑性较高，适于压力加工。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类。铸造铝合金成分在D点以右的合金，有共晶组织存在，适于铸造。铝合金的分类与牌号二、铝及铝合金概述变形铝的牌号(GB/T16474)用1×××表示，牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量中小数点后面的两位，如1070、1A90铸造纯铝的牌号(GB/T8063)由铸造代号“Z”、Al元素符号及Al的名义含量的数字组成，如ZAl99.5牌号纯铝:铝含量≥99.00%铝合金的分类与牌号1070是变形铝合金1xxx系的纯铝，其铝含量不低于99.70%二、铝及铝合金概述变形铝合金变形铝合金的牌号:

(GB/T16474)用2×××系～9×××系表示，如2A12、7050防锈铝合金：LF+序号硬铝合金：LY+序号超硬铝合金：LC+序号锻铝合金：LD+序号变形铝合金牌号表示方法GB3190-82中的旧牌号仍可继续使用铝合金的分类与牌号二、铝及铝合金概述铸造铝合金铸造铝合金的牌号:

(GB/T8063)由“Z”和基体金属的元素符号、各主要合金元素符号以及表明合金元素名义含量的数字组成；合金元素符号按其名义含量递减的次序排列，当名义含量相等时，则按元素符号字母顺序排列。铝合金的分类与牌号二、铝及铝合金概述ZL1××Al-Si系

ZL1+两位数字顺序号ZL2××Al-Cu系

ZL2+两位数字顺序号ZL3××Al-Mg系ZL3+两位数字顺序号ZL4××Al-Zn系ZL4+两位数字顺序号铸造铝合金的代号:

(GB/T1173)是由表示铸铝的汉语拼音字母“ZL”及其后面的三个阿拉伯数字组成，第一位数字代表合金的系列，最后两位数字无特殊含义，用来表示合金的顺序号。若数字后面还有字母，则表示对该合金的改型，如优质合金在其代号后附加字母“A”。铸造铝合金铝合金的分类与牌号二、铝及铝合金概述三、铝合金的热处理软化处理——退火再结晶退火加热温度350~450℃，用于冷变形加工的半成品，作用是消除加工硬化，以便继续冷变形加工低温退火加热温度180～300℃，用于冷变形加工的成品零件，作用是消除内应力，同时又保留了加工硬化带来的高强度，适当的增加塑性均匀化退火通常温度高、时间长，用于消除铸锭或铸件的成分偏析及内应力，均匀成份、组织，提高塑性强化处理——固溶(淬火)+时效固溶处理：将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得单相过饱和固溶体组织的处理。固溶处理后的铝合金强度、硬度并不高，而塑性韧性较好，所以淬火状态的铝合金仍可以进行冷变形加工固溶处理的作用是使合金元素充分溶入铝合金中的固溶体，为时效强化作准备过饱和α固溶体不稳定，有分解出强化相过渡到稳定相的倾向加热固溶淬火过饱和时效析出三、铝合金的热处理时效强化：将过饱和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。时效强化后的铝合金强度硬度上升、而塑性韧性下降，为铝合金及其它非铁金属和高温合金的重要强化手段在常温发生的时效强化称为自然时效，在加热条件下发生的称为人工时效时效强化效果与加热温度和保温时间有关此时塑性仍好利用孕育期进行冷变形加工三、铝合金的热处理强化处理——固溶(淬火)+时效过时效：时效温度过高或时间过长，析出相聚集长大，其强度降低，出现软化现象。但是，可以改善耐应力腐蚀或晶间腐蚀的性能(如超硬铝过时效)含4%Cu的铝合金的时效曲线coarseAl2Cu(overaged)三、铝合金的热处理强化处理——固溶(淬火)+时效操作步骤工艺名称及力学性能变化趋势钢变形铝合金加热→保温→慢冷退火：材料的强度、硬度明显下降，塑性、韧性明显提高加热→保温→快冷淬火：材料的强度、硬度明显提高，塑性、韧性明显下降固溶：材料的强度、硬度变化不大，塑性、韧性明显提高(经过淬火或固溶处理后)再次加热(含常温)→保温→空冷回火：材料的强度、硬度有所下降，塑性、韧性有所提高按加热温度由低到高分为低温回火、中温回火和高温回火时效强化：材料的强度、硬度明显提高，塑性、韧性有所下降按加热温度由低到高分为自然时效强化(常温)、人工时效强化和过时效强化加热→保温→空冷正火：材料的强度、硬度有所下降，塑性、韧性有所提高——变形铝合金与钢的热处理对比三、铝合金的热处理代号状态代号状态F自由加工状态T3固溶+冷作硬化+自然时效O退火状态T4固溶+自然时效H加工硬化T6固溶+人工时效W固溶处理T7固溶+过时效T8固溶+冷作硬化+人工时效变形铝合金的状态代号在资料上查阅铝合金的性能数据时，要注意是何种加工状态。三、铝合金的热处理随堂测验练习题关于铝合金的热处理，下列说法正确的是？（多选题）ABCD对于冷变形的半成品零件，一般使用低温退火，消除加工硬化效应，以保证后续加工的连续性对于冷变形的成品零件，一般使用再结晶退火，消除加工硬化效应，以保证使用时的稳定性经过固溶处理的铝合金，依然可以进行冷变形加工经过固溶处理的铝合金，必须经过自然时效或者人工时效才可以显著提高强度硬度CD类别新牌号原牌号合金系防锈铝5A02LF2Al—Mg5A11LF11Al—Mg3A21LF21Al—Mn硬铝2A01LY1Al—Cu—Mg2A11LY11Al—Cu—Mg2A12LY12Al—Cu—Mg锻铝2A50LD5Al—Cu—Mg—Si2A70LD7Al—Cu—Mg—Si超硬铝7A04LC4Al—Cu—Mg—Zn变形铝合金的分类和牌号四、铝合金的应用常用变形铝合金变形铝合金:指塑性较好，可进行变形加工的铝合金。常用变形铝合金(1)防锈铝(LF)耐腐蚀性能好，有良好的塑性和焊接性，不能热处理强化，可通过加工硬化来提高强度和硬度，主要有Al-Mn(3xxx)和Al-Mg(5xxx)系铝合金，航空工业作非结构件使用①Al-Mn系合金：有少量Mn，耐腐蚀性能高于纯铝；塑性好，焊接性能好，但强度很低，仅限飞机非结构件和受力不大的零件，常用牌号LF21(3A21)，在飞机上主要用来制造油箱、油管、铆钉等四、铝合金的应用②

Al-Mg系合金：有少量Mg和Cr，性能与3A21相似，但由于镁的固溶强化效果比较明显，所以强度较高，加工硬化后强度可达280MPa左右，但也只作非结构件，常用牌号LF5(5A05)，如飞机油箱、防锈蒙皮、液压管、铆钉和承受中等载荷的冷压、焊接结构件等常用变形铝合金(1)防锈铝(LF)四、铝合金的应用常用变形铝合金(2)硬铝(LY)主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn，可进行时效强化，也可进行变形强化；淬火后有一个时效孕育期，还可进行变形加工再时效强度、硬度高，淬火时效后强度可达460MPa左右；良好的塑性，加工性能好；韧性和抗疲劳性能较好；但耐蚀性低于防锈铝，硬铝是航空工业中使用最早、最广泛、最重要的一类合金，常用硬铝合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、翼梁、铆钉等受力较大结构件飞机翼梁(腹板为硬铝合金)四、铝合金的应用常用变形铝合金(3)超硬铝(LC)为了进一步提高铝合金的强度，在硬铝的基础上加入4~8%的Zn，形成的Al-Zn-Mg-Cu系合金称为超硬铝合金，主要通过固溶强化与时效强化处理来提高强度，时效强化效果超过硬铝合金，属于高强度变形铝合金热态塑性好，但耐蚀性差，常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作温度较低、受力大的重要结构件,如飞机大梁、起落架、螺旋桨叶片等飞机主起落架四、铝合金的应用常用变形铝合金(4)锻铝(LD)大多是Al-Cu-Mg-Si系合金，加热时有良好的塑性，便于锻造成型；可通过热处理强化，其力学性能与硬铝相近，具有良好的耐腐蚀性能用于制造要求密度小、中等强度、形状较复杂的锻件和模锻件，常用牌号有LD5(2A50)、LD7(2A70)、LD8(2A80)等，如压气机叶片、叶轮、直升机桨叶等压气机叶片四、铝合金的应用类别新牌号原牌号性能特点用途防锈铝5A02LF2不能时效强化，强度较低(Rm=120～280MPa)耐腐蚀性好，塑性和可焊性好制造要求耐腐蚀、但受力不大、轻质的非结构件，如飞机的油箱、油管、防锈蒙皮，以及日用器具5A11LF113A21LF21硬铝2A01LY1可以时效强化，强度高(Rm=300～460MPa)耐腐蚀性较差制造受力较大、轻质的结构件，如飞机的骨架、蒙皮、铆钉等2A11LY112A12LY12锻铝2A50LD5可以时效强化，强度与硬铝相当(Rm=300～430MPa)良好的可锻性，耐腐蚀性较好制造受力较大、耐腐蚀轻质锻件，如飞机螺旋桨、压气机叶片、框架，也用于生产建筑铝合金型材2A70LD5超硬铝7A04LC4可以时效强化，在铝合金中属强度最高的一类(Rm=600MPa)耐腐性性差制造轻质高强度结构件，如飞机的承力梁、螺旋桨、轻型飞机的起落架等常用变形铝合金的性能和用途常用变形铝合金四、铝合金的应用随堂测验练习题关于常用的变形铝合金，下列说法正确的是？（多选题）ABCD要求受力不大、耐腐蚀不高时，一般采用防锈铝，例如防锈蒙皮要求受力较大、耐腐蚀不高时，一般选用硬铝，例如飞机隔框要求受力较大、耐腐蚀较高时，一般选用锻铝，例如发动机叶片要求受力很大、耐腐蚀性高时，一般选用超硬铝，例如机翼大梁BC典型结构零件合金牌号及热处理状态典型结构零件合金牌号及热处理状态机身及机翼隔框、紧固件7075-T73锻件水平尾翼下表面2024-T3机身蒙皮2024-T3上表面7075-T6长桁7075-T6机翼上蒙皮、长桁、弦梁7178/7075-T6垂直尾翼蒙皮7075-T6下蒙皮、长桁、弦梁2024-T3桁条7075-T6铝合金在波音707/727/737/747/飞机上的应用常用变形铝合金目前，变形铝合金在飞机上的应用主要为2系AI-Cu合金(硬铝)和7系AI-Zn合金(超硬铝)四、铝合金的应用常用变形铝合金案例：冰箱铆钉飞机的蒙皮都是用铆钉铆接在骨架上的，在铆接的时候，要求铆钉低强度、高塑性(易于铆接)；而在铆接后又希望它具有高强度。如何解决这个加工性能和使用性能的矛盾？冰箱铆钉:

自然时效的铝合金(如2A12等)制成的铆钉，使用前先将其固溶处理(淬火)，然后立即放入冰盒中保存。在低温环境中铆钉不会发生时效强化，处于低强度、高塑性状态(适合于铆接)。使用时，从冰盒中取出铆钉，在一定时间内进行铆接。铆接后，铆钉在常温会发生自然时效而强化。思考：使用冰箱铆钉应当注意什么？四、铝合金的应用铸造铝合金：具有优良的铸造性能，适于铸造形状复杂的轻质铸件。但塑性低，不能进行变形加工；其强度也比变形铝合金低一些。类别牌号代号性能特点和用途铝硅合金ZAlSi7MgZL101Rm=130～230MPa，A=1～4%，铸造工艺性好生产在200℃以下工作的各种复杂轻质铸件如油泵壳体、内燃机气缸体、仪器零件等ZAlSi12ZL102ZAlSi9MgZL104铝铜合金ZAlCu5MnZL201Rm=160～290MPa，A=4～8%，力学性能较高，耐热性好生产在300℃以下工作的各种复杂轻质铸件如内燃机的气缸头、活塞等ZAlCu10ZL202铝镁合金ZAlMg10ZL301Rm=140～280MPa，A=1～10%，力学性能较高，耐腐蚀生产与海水、氨气接触的轻质铸件ZAlMg5SiZL303铝锌合金ZAlZn11Si7ZL401Rm=235MPa，A=4%，力学性能较好，铸造性好生产在200℃以下工作的各种复杂轻质铸件常用铸造铝合金

硅铝明（变质处理）四、铝合金的应用未变质处理经变质处理ZL102的铸态组织Al-Si系铸造铝合金是最常用的铸造铝合金，俗称硅铝明，其中ZL102(ZAlSi12)是含10~13%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明铸造性能好，ZL102组织几乎全部为共晶体，但共晶组织呈粗大的针状，使合金的强度和塑性都很低；生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理，以细化组织和改善合金的力学性能常用铸造铝合金四、铝合金的应用常用铸造铝合金铸造铝合金在飞机发动机上的应用在现代飞机结构件中，利用了1500～2000种铝铸件，根据飞机不同的使用条件和部位，主要分为三种基本的铝合金：①

高强铝合金：主要用于飞机机身部件、发动机舱、座椅、操纵系统等②

耐热铝合金：零件主要用于靠近电动机的机舱、空气交换系统等③

耐蚀铝合金：具有足够高的性能指标，其强度、塑性、冲击韧性、疲劳性能和可焊性都很好，主要具有耐蚀性，可用于水上飞机四、铝合金的应用常用铸造铝合金铝合金铸件能够一次成型形状复杂、壁厚不均的零件，并具有良好的综合性能和经济性四、铝合金的应用随堂测验练习题3.(单选题)铝合金固溶处理后，强度和硬度()。A.变化不明显 B.降低 C.提高 D.以上都不正确2.(判断题)铝合金都可以进行热处理强化。 ()×1.(判断题)纯铝具有较高的强度，常用作工程结构材料。 ()×1、下列牌号代表什么材料，具有什么特点？举例其在飞机上的应用。3A21（LF21）、2A12（LY12）、7A04（LC4）、2A50（LD5）、ZL1042、强化铝合金，应当采用什么热处理方法？3、什么是比强度，为什么航空器会选用强度较低的铝合金？随堂测验练习题谢谢！Thanksforyourattention!课程导入播放视频——《金属材料》项目四：飞机结构中的金属材料应用钛及钛合金2.选择你熟知的钛合金，列举其典型牌号、主要性能特点和应用场景课前预习1.常见的钛合金有哪些？请简述其如何分类？3.请列举钛合金的一个主要优点和一个主要缺点目录CONTENTS一、引言二、钛及钛合金概述三、钛合金的应用一、引言金属材料有色金属（非铁金属）铝及铝合金钛及钛合金铜及铜合金镁及镁合金其它合金黑色金属（钢铁材料）知识回顾钛及钛合金具有密度小、比强度高等特性，在减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、提高机体寿命、满足高温及腐蚀环境等方面具有其他金属不可替代的作用，广泛用于材料化工、水利电力、航空航天、冶金钢铁等多个领域，被誉为“太空金属”、“海洋金属”，是21世纪重要的战略金属。钛合金在C919上的应用一、引言一、引言主要民用客机钛的用量占比C919与国外主要大型客机的选材对比(单位:

%)随着航空航天技术的不断进步，对飞机性能的要求也越来越高，同时飞机选材也越来越苛刻。国外先进大型客机的材料选用总体趋势是复合材料、钛合金的占比越来越大，而铝合金、钢的用量逐步降低。相对而言，C919在复合材料、钛合金材料的应用比例显著提升，优势明显。二、钛及钛合金概述工业纯钛:纯度达99.5%

随堂测验练习题关于工业纯钛，下列说法错误的是？（多选题）ABCDCB密度大于工业纯铝，小于工业纯铁力学性能大于工业纯铝，小于工业纯铁耐腐蚀性大于工业纯铝，小于工业纯铁熔点大于工业纯铝，小于工业纯铁D钛合金（按组织分类）α型钛合金（TA4、TA5…）β型钛合金（TB1、TB2…）α+β型钛合金（TC1、TC2…）钛合金以钛为基础，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(铝、钼、锡、钒等)起固溶强化作用，强度进一步提高，溶入α-Ti形成α固溶体，溶入β-Ti形成β固溶体。根