第10講-有色金屬材料

第四章、有色金屬及其合金第一節(jié)、鋁及其合金

鋁合金在航空工業(yè)中用得很多，很廣。例如某型號飛機上約55%的零件是鋁合金制造的。飛機的蒙皮、骨架幾乎全部使用高強度鋁合金制造；大量的附件，如各種泵的殼體，多是用鋁合金鑄成；航空發(fā)動機的機匣、壓氣機葉片等很多也是用耐熱鋁合金制造的。為什么鋁合金在航空工業(yè)上用得如此之多呢？

這是由于鋁合金具有的特點，特別符合航空工業(yè)要求：比強度高、比剛度大，相當(dāng)于高強度鋼和超高強度鋼的水平（表4-1）；同時鋁合金抗腐蝕性能好、工藝性能良好。一、純鋁的特點

鋁是地殼中蘊藏最豐富的元素之一。我國鋁的儲量占世界第二位，這是我國發(fā)展鋁加工業(yè)的有利條件。純鋁具有如下特點：熔點660℃，具面心立方點陣，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，所以鋁合金的熱處理機理和鋼不同。由于具有面心立方點陣，故其塑性好（=32-40%，=70~90%），適合于各種冷、熱壓加工。鋁合金比重小、約相當(dāng)于鐵的1/3；具有良好的導(dǎo)電性，相當(dāng)于鋼的60%；具有良好的導(dǎo)熱性。鋁在空氣中易于同氧發(fā)生作用而生成一層致密的氧化鋁（Al2O3）薄膜，它可以保護(hù)其內(nèi)部免受腐蝕，因而鋁在大氣中的抗蝕性較高。純鋁強度不高，大約在80-100MPa，但塑性極好。

鋁的純度對其工藝性能和使用性能影響顯著：鋁中最有害的雜質(zhì)是鐵和硅，在鋁中主要以游離硅Si和FeAl3、Fe2SiAl7、FeSiAl3化合物等夾雜物相存在。這些夾雜在鑄鋁中通常以片狀或針狀形態(tài)存在于晶界處，使鋁的塑性急劇下降；同時，由于它們和鋁構(gòu)成微電池，也使鋁的抗蝕性下降。

純鋁材料按純度可分為三類：（1）高純鋁（純度99.93~99.99%），牌號有L01、L02、L03、L04等四種。編號越大，純度越高。高純鋁主要用于科學(xué)研究和制作電容器等。（2）工業(yè)高純鋁（99.85~99.9%），牌號有L0、L00等，用于制造鋁箔、包鋁及冶煉鋁合金的原料。（3）工業(yè)純鋁（98.0~99.0%），牌號有L1、L2、L3、L4、L5等。編號越大，純度越低。工業(yè)純鋁主要用于制造電線、電纜、器皿及配制合金。二、鋁合金：鋁合金品類很多，性能和用途也不一樣。按加工方法可分為兩大類：(1)變形鋁合金:冶煉廠將合金澆注成錠，再軋制成板材、棒材、管材、線材。(2)鑄造鋁合金:熔化后直接澆注成毛坯。

據(jù)相圖對鋁合金類別可大致進(jìn)行判斷：

成份位于B’點以左合金，屬變形鋁合金，它是單相固溶體，塑性變形能力好，適于冷、熱壓力加工。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，變形鋁合金成分已擴至F點。

變形鋁合金又分熱處理不可強化的和可熱處理強化的合金。合金成分小于D點的合金，其固溶體成分不隨溫度而變化，所以不能用熱處理強化。合金成分位于DF之間的合金，其固溶體成分隨溫度而改變，因而能用熱處理方法來強化。成分位于E點以右合金，屬鑄造合金，組織中含低熔點共晶，流動性好，宜于鑄造。根據(jù)鋁合金各自的特性，還可進(jìn)一步分類，見表4-3。

鋁合金的編號采用漢語拼音加順序號:鑄造鋁合金ZL表示，后跟順序號，如ZL101，ZL104等。防銹鋁用LF表示，后跟順序號，如LF5。硬鋁、超硬鋁、鍛鋁分別用LY、LC、LD表示，后跟順序號，如LY12、LC4、LD5。在變形鋁合金的牌號后有時還附加各種字母來表示合金的加工和熱處理狀態(tài)。三、鋁的合金化特點

純鋁雖具有許多優(yōu)異性能，但其強度很低，不能作為受力結(jié)構(gòu)材料使用。為此，必須進(jìn)行合金化，即向鋁中加入一定的合金元素，配制成強度較高的合金。

鋁經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮辖鸹?，再進(jìn)行時效強化處理（即淬火+時效），其強度可以得到很大提高。如在鋁中加入8%Zn，3%Mg，2.7%Cu，0.4%Mn，及0.2%Cr后再經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砣绱慊?時效后，強度可達(dá)680MPa，比純鋁強度提高了10余倍。為什么通過合金化就能提高鋁合金的強度？怎樣合金化才能使鋁獲得高的強度？這需要從合金的組織結(jié)構(gòu)談起，因為合金性能是由組織結(jié)構(gòu)決定的。

合金元素加入到鋁中以后，隨著加入合金元素的種類不同，可以得到單相組織（即均一的以鋁為基的固溶體），或者多相組織（即除以鋁為基的固溶體外，還有化合物相或其它第二相）。合金性能決定于合金中固溶體性能、晶粒大小、亞結(jié)構(gòu)（如鑲嵌塊等），及第二相的性能、數(shù)量、大小、形狀和分布等。

鋁合金常用合金元素有Cu、Mg、Zn、Mn、Si五種，它們主要是通過固溶強化、沉淀強化(即時效強化)，過剩相強化及組織細(xì)化來實現(xiàn)對鋁的強化作用：

（1）固溶強化：對鋁固溶強化的先決條件是合金元素在鋁中要有一定的固溶度。從各元素與鋁形成的二元相圖來看，只有8個元素在鋁中的極限固溶度大于1%：Zn、Mg、Ge、Cu、Li、Ag、Mn、Si。其中，Ge、Li、Ag為稀貴元素，從經(jīng)濟觀點不宜大量采用，因此鋁的常用合金化元素是Zn、Mg、Cu、Mn、Si。

（2）時效強化：淬火+時效是使鋁合金強化的重要手段。只有具備一定條件的鋁合金才能通過淬火+時效方法使之強化。首先，合金元素在鋁中的固溶度要隨溫度降低而減小，減小的越多，淬火后獲得固溶體過飽和程度越大，時效強化效果就越好。其次,時效強化效果還與過飽和固溶體分解析出的相結(jié)構(gòu)和特性有關(guān)。如Si、Al3Mg2相的時效強化效果很差，而Mg2Si、CuAl2()、Al2CuMg(S)、MgZn2以及Al2Mg3Zn3等則是效果極好的強化相。Al-Si二元合金如ZL102合金，溶解度雖有很大變化，但因Si的強化效果不大，所以不能時效強化。而在其中加入微量Mg，此時會形成Mg2Si相，便可通過時效來提高強度。

（3）過剩相強化：在淬火加熱時，不能溶入固溶體的那一部分第二相叫過剩相。過剩相能使合金強化，過剩相量越多，合金的強度、硬度就越高，但過剩相量超過一定限度后，會使合金變脆，并使強度降低。鋁硅系鑄造合金就是主要靠過剩相硅來強化的。

（4）細(xì)化組織：包括基體晶粒和過剩相細(xì)化，是提高合金強度的重要途徑。變形鋁合金晶粒細(xì)化，主要通過變形和再結(jié)晶來實現(xiàn)。鑄造鋁合金晶粒及過剩相細(xì)化，則通過改變鑄造工藝和加入微量元素來實現(xiàn)。如鋁合金中加入微量(0.1%-0.3%)Ti，可細(xì)化基體晶粒，提高合金塑性，減少合金熱裂傾向；再如在鋁合金中加入微量Na、Mn等可細(xì)化鑄造組織中過剩相如片狀Si、針狀Fe2SiAl7等。綜上所述，為了獲得一種性能優(yōu)異的鋁合金，往往需要多種合金元素配合使用，進(jìn)行復(fù)雜合金化。而當(dāng)掌握了各種合金元素的一般影響規(guī)律后，就可根據(jù)需要和可能，通過實驗和研究，來確定較優(yōu)的合金成分；反之，也可從既定合金成分出發(fā)，來分析、理解其性能變化規(guī)律，為制定合理熱加工工藝提供理論依據(jù)。四、鋁合金的熱處理特點

在航空工業(yè)中，用鋁合金制作的零件，幾乎都要經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，以改善其工藝性能和獲得最佳的使用性能。如飛機上的各種門框，可采用硬鋁LY12板材經(jīng)落壓成型的，其工藝路線如下：下料—落壓成型—退火—落錘校正—修整、切割余料—淬火—校正淬火變形—檢驗—表面處理—裝配。可以看出，在門框制造過程中，經(jīng)過了退火和淬火兩道熱處理工序。對鍛造鋁合金，一般都在鍛造成型后，進(jìn)行淬火時效，最后經(jīng)機械加工而成。熱處理工序在整個加工過程中的安排是不同的。有的需要安排退火，有的則不需要；有的在最后成型之后淬火時效處理，有的則將淬火程序安排在成型之前。為此，就要了解有關(guān)鋁合金熱處理的特點，才能合理地制定零件的冷、熱加工工藝。

在航空工廠中，鋁合金通常采用的熱處理操作主要有退火、淬火和時效等。1、鋁合金的退火：不論變形鋁合金還是鑄造鋁合金都可進(jìn)行退火，但是它們采用的具體處理規(guī)范及想要達(dá)到的目的則有所不同。

變形鋁合金退火有再結(jié)晶退火和消除應(yīng)力退火（也叫低溫退火）及完全退火。鋁合金在冷變形過程中會產(chǎn)生加工硬化，這給要求大變形度的半成品在繼續(xù)變形時帶來很大困難，此時半成品合金強度和硬度很高，而塑性極低，繼續(xù)變形會造成開裂。為了消除加工硬化，提高塑性，則須進(jìn)行再結(jié)晶退火，就是將零件加熱到再結(jié)晶溫度以上，經(jīng)適當(dāng)保溫后，再在空氣中冷卻。再結(jié)晶退火溫度一般在350~450℃之間。再結(jié)晶退火后的半成品適宜于中等變形程度的冷壓力加工。如供應(yīng)型材或板材的半成品是淬火+時效態(tài)的硬料，用它來制造形狀復(fù)雜的零件時，須完全退火使之軟化：就是將半成品合金加熱到該合金中化合物相強烈溶解的某一溫度（一般400~450℃），保溫后慢冷到一定溫度（250~300℃）后，空冷。

經(jīng)完全退火處理的半成品適宜于變形度很大的冷壓力加工。此外，有些變形鋁合金如防銹鋁零件，經(jīng)冷變形后不再進(jìn)行淬火和時效，為了使其保證一定程度的加工硬化效果，同時又具有一定塑性并穩(wěn)定零件尺寸，常在最終冷變形之后，進(jìn)行去應(yīng)力退火，就是將零件加熱到再結(jié)晶溫度以下某一溫度(200~300℃)經(jīng)適當(dāng)保溫，隨后在空氣中冷卻。

再結(jié)晶退火和低溫退火后合金性能的差別，可以從圖4-4中清楚地區(qū)分開來。

鋁合金鑄件也采用去應(yīng)力退火，其目的是消除鑄造時的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸。2、鋁合金的淬火：鋁合金淬火后的性能和鋼大不相同。鋼經(jīng)淬火后，其強度和硬度比退火狀態(tài)提高很多，而塑性卻急劇下降。可熱處理強化的鋁合金在淬火后，其強度和硬度比退火狀態(tài)僅有微小的提高，但塑性卻顯著增加。

這種差別主要是因為二者在淬火過程中相組織結(jié)構(gòu)的變化不同所造成的。圖4-5示意地表示了鋼(以0.8%C鋼為例)在淬火過程中的組織變化。鋼在加熱前為珠光體組織，在淬火溫度保溫后獲得奧氏體組織，淬火后得到硬而脆的馬氏體組織。因此，合金強度和硬度提高，而塑性下降。

圖4-6示意地表示含4%Cu的鋁合金在淬火過程中的組織變化：淬火加熱之前，鋁合金組織為基體和過剩相CuAl2,在加熱過程中，CuAl2溶入固溶體，獲得過飽和固溶體組織，淬火時，由于冷卻速度快，固溶體來不及分解，高溫組織被固定到室溫，得到過飽和固溶體。硬而脆的CuAl2被溶入固溶體中，因而使塑性顯著提高，同時CuAl2的溶入，使固溶體合金化程度提高，因而強度提高。但單純的固溶體強化效果不大，只有通過時效，才能使合金強度顯著提高。

鋁合金淬火的目的是為了將高溫下的固溶體固定到室溫，得到均勻過飽和固溶體，以便在隨后的時效過程中使合金強化。所以鋁合金淬火也叫做固溶處理。3、鋁合金的時效：淬火后的鋁合金在室溫停留或者加熱保溫后合金強度和硬度提高的現(xiàn)象。如淬火后的硬鋁在不同溫度時效時，強度隨時間的變化如圖4-8所示。把合金在室溫中自發(fā)強化的過程叫做自然失效。加熱后強化的過程，叫人工時效。

淬火和時效是鋁合金的強化熱處理方法，因而一般情況下，二者被認(rèn)為是兩種相聯(lián)系的熱處理操作。對絕大多數(shù)鋁合金來說，淬火與其說是強化合金，倒不如說是為強化合金作準(zhǔn)備。如4%Cu鋁合金，在退火狀態(tài)下強度為200MPa，經(jīng)淬火后為240MPa,但在淬火+時效后強度可達(dá)400MPa。

鋁合金淬火后得到的過飽和固溶體是不穩(wěn)定的，有轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定狀態(tài)即自發(fā)分解的傾向。所以時效過程實質(zhì)上是過飽和固溶體的分解（脫溶）過程。研究表明，Al-Cu系合金時效時過飽和固溶體的分解需要經(jīng)歷以下四個階段：形成溶質(zhì)原子富集區(qū)（GPⅠ區(qū)）——富集區(qū)有序化（GPⅡ區(qū)）——形成過渡相——析出穩(wěn)定相CuAl2。

所謂時效強化，一般僅僅是達(dá)到第一、二階段，在第三、四階段時，合金已開始軟化，尤其是第四階段時，合金已顯著軟化。上述Al-Cu系合金的時效原理和一般規(guī)律，對多元工業(yè)鋁合金仍然適用。只是合金種類不同時，時效時的GP區(qū)、過渡相及析出的穩(wěn)定相各不一樣。五、變形鋁合金材料簡介

1、防銹鋁：目前使用的防銹鋁主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。這類合金的共同特點是抗蝕性能高，焊接性能良好，塑性高，壓力加工性能好；強度較低，不能熱處理強化。防銹鋁常采用深沖壓的方法制成輕載荷的焊接零件和在腐蝕介質(zhì)中工作的零件，如飛機上的油箱、汽油和滑油導(dǎo)管，及整流罩等。

常見的防銹鋁牌號：Al-Mn系的LF21，Al-Mg系的LF2、LF3、LF6。

2、硬鋁：硬鋁是Al-Cu-Mg系變形鋁合金的總稱。這些合金可用熱處理（淬火+時效）強化，達(dá)到高的機械性能和良好的工藝性能，可加工成板、棒、管、線、型材等，以及鍛件等半成品。硬鋁的主要合金元素是銅和鎂，另外，還含有一定量的Mn和雜質(zhì)Fe和Si等。

硬鋁合金分為：標(biāo)準(zhǔn)硬鋁(LY11)、高強度硬鋁(LY12)、鉚接硬鋁(LY10)。其中，LY12合金經(jīng)淬火自然時效后，可獲得較高強度，是飛機中最重要的結(jié)構(gòu)材料之一，廣泛用于制造飛機蒙皮、翼肋、長桁、隔框、翼梁等受力構(gòu)件。3、超硬鋁：Al-Zn-Mg-Cu系合金，可熱處理（淬火+時效）強化。室溫強度最高的鋁合金，強度大于硬鋁，故通常稱超硬鋁。這類合金特點：（1）室溫強度高：如LC6合金，強度極限可達(dá)700MPa，LC4合金的強度也可達(dá)600MPa。比強度相當(dāng)于超高強度鋼水平。（2）耐熱性低：超硬鋁一般在120℃以下工作，主要強化相MgZn2不耐熱。（3）應(yīng)力腐蝕傾向較大：MgZn2相電極電位低，和基體電極電位相比為陽極，在腐蝕介質(zhì)中先腐蝕成腐蝕中心，在應(yīng)力作用下沿腐蝕中心(MgZn2相)破裂。（4）缺口敏感性高、疲勞強度較低。（5）斷裂韌性值較低。超硬鋁可加工成板、棒、管、線、型材等，以及鍛件等半成品，主要用于飛機結(jié)構(gòu)材料。主要合金化元素是Zn、Ng、Cu。Zn和Mg是形成強化相MgZn2和T相（Al2Zn3Mg3）的主要合金化元素。常用的有LC4，主要用于制造高屈服強度的飛機結(jié)構(gòu)零件，如機翼蒙皮、翼梁、起落架、桁條和翼肋等。4、鍛造鋁合金：屬于Al-Cu-Mg-Si系合金，由于它們的熱塑性好，適于鍛造，故得此名。常用的合金有：LD5、LD6、LD10等。此類合金中主要合金元素是Cu、Mg、Si。此類合金中，LD5、LD6的鍛造性能最好，其合金化程度低，強度水平接近LY11，因而在航空工業(yè)中主要用于制造形狀復(fù)雜、承受中等載荷的鍛件和模鍛件。如發(fā)動機的增壓器葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪和風(fēng)扇輪等。六、鑄造鋁合金在航空工業(yè)中，廣泛采用鑄造鋁合金制造各類鑄件如發(fā)動機附件殼體，它們形狀復(fù)雜、受力不大，可用鑄造鋁合金澆注成型。對鑄造鋁合金除了要求有一定機械性能外，還應(yīng)有好的鑄造性能流動性好、熱烈傾向小、縮松傾向小和偏析傾向小。

鑄造合金熱處理時具有如下特點：（1）鑄件的淬火加熱溫度一般偏低。因為鑄造合金的雜質(zhì)較多，成份偏析較大，而且工件厚薄不同處的冷卻速度不一致，所以組織不均勻，易出現(xiàn)低熔點共晶，因此加熱溫度受到限制，不能像變形合金那樣控制在得到最大飽和度時狹窄的高溫范圍，一般鑄件控制的淬火溫度寧肯低些。（2）保溫時間長。為了保證粗大組成物的充分溶解，并使偏析得以消除，因而鑄件的加熱保溫時間較長，一般在數(shù)小時以上甚至數(shù)十小時。（3）鑄件的形狀比較復(fù)雜，且壁厚較大，為了減小淬火時的應(yīng)力和變形，必須在熱水中冷卻。

常用鑄造鋁合金一般分為Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-RE等系合金。其中，Al-Si系鑄造合金的優(yōu)點是鑄造性能好，并且具有足夠高的機械性能和抗蝕性；Al-Cu系鑄造合金的突出特點是熱強度高，特別是復(fù)雜合金化后適合于高溫條件下使用，但這類合金鑄造性能差、抗蝕性低、比重大；Al-Mg系合金的突出優(yōu)點是抗蝕性高，綜合機械性能好，其缺點是鑄造性能差，易氧化吸氣等；Al-Re系鑄造合金的突出優(yōu)點是鑄造性能好、熱強度特別高。航空工業(yè)中應(yīng)用最廣的是Al-Si系鑄造合金，如ZL101A、ZL105、ZL114A等合金。第二節(jié)、鈦合金和銅合金簡介一、鈦及其合金1、純鈦：銀白色金屬，熔點為1668℃，比鐵和鎳熔點高。比重為4.5，相當(dāng)于鐵比重的一半。鈦是化學(xué)性最活潑的元素之一。在室溫下比較穩(wěn)定，但從250℃開始，固態(tài)下即可強烈吸收氧，600℃吸收氮。同時，隨溫度升高，鈦活性急劇增大。鈦金屬暴露于大氣或者任何含氧介質(zhì)中，就會立即形成一層薄而堅固的氧化膜，并具有自愈性，所以鈦在許多介質(zhì)中具有優(yōu)良的抗蝕性。常壓下，鈦會發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，。高純鈦的轉(zhuǎn)變溫度為882℃，882℃以下為-Ti。工業(yè)純鈦只進(jìn)行退火處理，工業(yè)純鈦具有良好機械性能，可用作結(jié)構(gòu)材料。通常以型材、棒材、板材等半成品供應(yīng)航空工廠，用于制造350℃以下工作的航空結(jié)構(gòu)零件，如超音速飛機蒙皮、構(gòu)架和隔熱板等。2、鈦的合金化工業(yè)純鈦機械性能低，為了改善鈦機械性能和加工工藝性能，人們采用合金化方法，即在純鈦中加入一定的合金化元素配制出滿足不同性能要求的鈦合金。

鈦合金中的合金化元素可分為如下三類：3、鈦合金的分類：根據(jù)鈦和合金元素相互作用和使用要求，人們研制出一系列鈦合金，并根據(jù)“多元少量”原則對其進(jìn)行復(fù)雜合金化，以獲得性能優(yōu)良鈦合金。目前工業(yè)上應(yīng)用最多的是Ti-Al-Sn、Ti-Al-V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mn和Ti-Al-Cr為基的鈦合金。根據(jù)合金元素與-Ti和-Ti的相互作用，及所形成相圖基本類型，可將工業(yè)用鈦合金按退火組織分為三大類，即型鈦合金(其退火組織相)，型鈦合金(其退火組織相)，+型鈦合金(其退火組織+相)。以上三類合金在相圖上的位置如圖示。鈦合金牌號分別以漢語拼音字母“TA、TB、TC”與序號數(shù)字組合來表示。4、鈦合金的主要性能特點

（1）比強度高：鈦合金強度很高，一般可達(dá)1200MPa，最高可達(dá)1700MPa，可以和超高強度鋼媲美，鈦合金與其它合金比強度值列于表4-21。可以看出，鈦合金具有比其它合金都高的比強度，這正是鈦合金適于用作航空材料的主要原因。

（2）熱強度高：由于鈦熔點高，再結(jié)晶溫度高，因而鈦合金具有較高的熱強度。如在300~350℃下鈦合金強度可10倍于鋁合金強度。目前，鈦合金已被正式使用在600℃下長期工作。其熱強度實際上可和耐熱鋼媲美。

（3）抗蝕性高：由于鈦合金表面能形成一層致密、牢固地TiO2保護(hù)膜，能抵抗大氣的腐蝕，也能抵抗強酸（HNO3、H2SO4）和強堿（KOH、NaOH）的腐蝕，對海水的抗蝕力僅次于鉑，鈦合金的抗蝕性可以和不銹鋼相媲美。所以鈦及其合金，既是“陸上金屬”，也是“空中金屬”，還是“海上金屬”。基于以上性能特點，鈦合金的用途日益廣泛。應(yīng)用實例：

TA7合金是一種典型的型鈦合金，屬于Ti-Al-Sn合金系。它以板材和棒材供應(yīng)航空工業(yè)，可用于制造300-600℃下長期工作的零件，如壓氣機匣等板金件及其它復(fù)雜焊接件。TC4是一種應(yīng)用最廣的+型鈦合金，屬Ti-Al-V合金系。具有良好綜合機械性能，且不含脆性第二相，組織穩(wěn)定性較高，能在比較寬的溫度和時間范圍內(nèi)保持有用性能，獲得了極廣泛的應(yīng)用。世界上，該合金的生產(chǎn)量約占鈦合金總產(chǎn)量60%以