鈦合金鋁合金

鈦合金鋁合金第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、抗拉強度與斷裂韌性有什么不同？抗拉強度：σb

材料因拉引而斷裂的應力。

斷裂韌性：材料存在裂紋時，應力遠小于抗拉強度σb發(fā)生低應力的脆斷的性能指標(判據(jù))。斷裂韌性：綜合反映材料的強度和塑性，是指抗拉強度與裂紋長度對材料破壞綜合性能的評價，和抗拉強度相比，它主要強調有裂紋的存在，以及裂紋的影響。2023/3/102第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、簡述金屬材料變形的機制，解釋金屬材料變形過程中出現(xiàn)的屈服現(xiàn)象多晶體在外力作用下，首先在那些取向比較適宜的晶粒中開始，位錯將沿最有利的滑移系運動，達到晶界。

由于晶界處原子排列較混亂，而使位錯滑移受阻，并在晶界附近堆積；同時也受到鄰近的位向不同的晶粒的阻礙。

隨外力增加，位錯進一步堆積，應力集中也越來越大，最后達到使鄰近晶粒中位錯開始運動，變形便由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，出現(xiàn)變形。屈服是由于最大剪應力引起的，不論在什么樣的應力狀態(tài)下，只要材料內某處的最大剪應力達到屈服的最大值，變形由彈性向塑性轉變，位錯滑移就向著變形方向自動進行，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。2023/3/103第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四章鋁合金、鈦合金第一節(jié)鋁及鋁合金一、發(fā)展簡史地殼中鋁的含量約為8%，僅次于氧和硅，居第三位。1827年德國人用鉀還原無水氯化鋁，得到少量細微的金屬顆粒。-貴重的裝飾品；2023/3/104第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日1854年法國人用鈉代替鉀還原NaCl.AlC13絡合鹽，制取金屬鋁。-建廠1865年俄國人用鎂還原冰晶石(3NaF.AlF3)來生產(chǎn)鋁。建廠1883年美國人發(fā)明了電解冰晶石—氧化鋁融鹽的方案。1888年美國匹茲堡電解廠開始用冰晶石（3NaF.AlF3-熔點1008℃)—氧化鋁融鹽電解法煉鋁，直到現(xiàn)在。2023/3/105第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日現(xiàn)在鋁材的用量之多，范圍之廣，僅次于鋼鐵，成為第二大金屬材料。1890年：180噸1925年：18萬噸1950年：150萬噸1980年:1560萬噸2023/3/106第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日現(xiàn)代鋁工業(yè)有三個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)：①從鋁土礦提取純氧化鋁；②用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法生產(chǎn)金屬鋁；③鋁加工。2023/3/107第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日氧化鋁的生產(chǎn)：將鋁礬土(Al含量54—61％)，溶解于堿溶液，提取鋁酸鈉，再把鋁酸鈉放入回轉窯在1250~1300℃下燃燒制得氧化鋁。2023/3/108第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日電解煉鋁：在冰晶石(3NaF.AlF3)中加入氧化鋁中，再電解其熔融鹽。

陰極：液體鋁，陽極：CO2+CO2023/3/109第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、鋁的化學性質鋁熔點為660℃，密度2.7g/cm3,導電性好，僅次于Ag和Cu；鋁的化學性質很活潑，標準電極電位很低（-1.67V)；極易生成氧化膜，Al2O3具有酸、堿兩性。具有面心立方結構，延展性極好，強度極低；主要是電解冶煉，價格較高。1955年匈牙利就發(fā)行了一種用0.009mm厚的鋁箔制成的郵票。2023/3/1010第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日三、鋁合金的特點(1)耐蝕性好極易生成Al2O3膜(10nm)，具有酸、堿兩性；不耐酸、堿；濃硝酸(80%)中,耐蝕性比不銹鋼好；鋁在中性介質中：大氣中抗腐蝕性強。在海水的因Cl-，耐蝕性差；為進一步提高鋁的抗蝕性，廣泛采用所謂的陽極氧化的工藝，即用電化學的方法在鋁或其含金的表面上人工制備一層氧化膜。氧化厚可達10um，銀白色、茶色、金色、粉紅色2023/3/1011第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)鋁合金很輕，比強度高；僅鋼鐵的1/3重，強度可達到普通碳鋼的值；適合航空航天應用。(3)低溫性能好。大多數(shù)金屬在低溫下會表現(xiàn)出脆性，但鋁合金隨著環(huán)境溫度的下降，強度提高而塑性并不減小，可用于冷藏車、冷凍庫，液氧及液氫的生產(chǎn)裝置等。2023/3/1012第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日航空航天應用：運載火箭及各種航天器的主要結構材料。美國的阿波羅飛船的指揮艙、登月艙，航天飛機氫氧推進劑貯箱、乘務員艙等也都采用了鋁合金作為結構材料；我國研制的各種大型運載火箭亦廣泛選用了鋁合金作為主要結構材料；神七的主要結構材料和蒙皮；波音747客機：18.6噸。我國導彈、運載火箭和航天器系統(tǒng)材料總體水平與國外的差距為15~20年，少數(shù)材料的差距較小，大致10年左右。2023/3/1013第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日在大多數(shù)國家鋁的主要使用領域是民用：建筑與結構；容器與包裝；運輸；電力系統(tǒng)。鋁的用量很大，發(fā)達國家的人均消費量達到l0kg／a(年)；而我國則不到0.5kg／a(年)。2023/3/1014第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日四、鋁合金強化方法鋁是很軟的，如何強化？在鋁合金中，常用的合金元素有：銅、鎂、鋅、鋰、錳和硅等。它們對鋁的強化作用，主要是由：(1)固溶強化；(2)沉淀硬化(又稱時效強化)；(3)過剩相強化；(4)細化鋁的晶粒強化。2023/3/1015第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日1、固溶強化固溶體：溶質組分溶入溶劑組分的晶格中所形成的單相固體通過加入合金元素形成固溶體，使金屬強度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化．這是鋁合金強化的基本途徑強化效果取決于：合金元素的性質及固溶度

特點：提高強度、不降低塑性，便于加工。2023/3/1016第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日固溶強化的原因：合金元素加入后，使鋁的晶格發(fā)生畸變，導致鋁合金在受力時的變形比較困難。固溶強化的示意圖2023/3/1017第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日強化效果：例如A1-4％Cu-0.5％Mg的合金，固溶強化可以便其抗拉強度從200MPa提高到300MPa。1MPa=10kg/cm2

2023/3/1018第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、沉淀硬化(又稱時效強化)沉淀相（強化相）：高溫急冷形成的過飽和固溶體在室溫下或加熱下析出第二相。通過生成沉淀相而提高材料強度的現(xiàn)象叫時效強化2023/3/1019第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日時效強化的先決條件是：合金元素在高溫下在鋁中有較大的固溶度；且隨溫度的降低而減小。高溫與低溫下的固溶度差越大，時效強化效果越好；強化相的結構越復雜，強化效果越好2023/3/1020第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日Zn、Si、Mg5Al8等相的時效強化效果差；CuAl2(θ相)、A12CuMg(S相)、Mg2Si、MgZn2等則是強化效果很好的相時效強化的效果：例如A1-4％Cu-0.5％Mg的合金，固溶強化可以便其抗拉強度從200MPa提高到300MPa。通過時效強化，其抗拉強度可以達到420MPa(自然時效)甚至450MPa(人工時效)。2023/3/1021第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日時效強化的過程：固溶體中的合金元素：擴散→產(chǎn)生偏聚→形成富集區(qū)域（G.P.）→長大成過渡相→析出相(沉淀相，強化相)2023/3/1022第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、過剩相強化在固溶處理時，不能溶入固溶體的那一部分，即第二相叫做過剩相。過剩相區(qū)能使合金強化-過剩相強化強化的效果也與過剩相的量、形態(tài)以及分布有關。量多強化效果就大。但量過多，卻會使合金變脆，甚至于反而使強度降低；等軸形、細小而又均勻地分布時，效果好；呈針狀，粗大而又沿晶界分布時，使合金變脆的危害作用往往大于提高強度的作用。2023/3/1023第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日過剩相強化和時效強化的區(qū)別：時效強化時的強化相極為細小，彌散度很高，在光學顯微留下觀察不到；過剩相則比較粗大，用光學顯微鏡的低倍鏡頭即能觀察到。過剩相強化的合金多是鑄造合金，變形性差。2023/3/1024第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日Al-Si鑄造合金就是通過Si過剩相強化的。Si過剩相使塑性下降，強度提高，太多時強度又下降2023/3/1025第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日4、細化組織強化單相合金：把晶粒細化多相合金：把基體相的晶粒細化和過剩相的尺寸細化。作用：提高室溫下的強度、塑性和韌性。原因：增加晶界面積；在晶界上原子排列錯亂，雜質富集，并且有大量位錯、孔洞等缺陷。這些都不利于位錯從一個晶粒向另一個晶粒運動。晶粒越細，晶界面積就越大，對位錯運動的阻力就越大，因而合金的強度越高。2023/3/1026第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶粒細化的方法：變形合金：冷加工變形和再結晶退火實現(xiàn)。鑄造合金的晶粒細化和過剩相的細化：通過改變鑄造工藝或加入微量的合金元素實現(xiàn)。鋁合金中常采用的微量元素有鈦等，其加入量大約是0.1％左右。鈦能和基體金屬形成難熔的化合物小顆粒。例如：在含1.5％Mn的鋁合金都加入0.09%的鈦后，晶粒即被強烈細化2023/3/1027第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日五、提高鋁合金高溫力學性能鋁的熔點：660℃；A1-Mg合金熔點：450℃途徑：1、提高合金熔點；2、提高合金的再結晶溫度。加入過渡族金屬元素可提高熔點：A1-Ti合金：665℃；Al-Cr合金：66l℃；Al-Fe合金：655℃。錳、鉻、鋯、鈦等都有強烈的阻礙再結晶的作用，使再結晶溫度明顯提高。2023/3/1028第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日六、鋁合金的熱處理熱處理：是將金屬材料在固態(tài)范圍內，采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結構與性能的工藝方法。2023/3/1029第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日1、固溶和時效將鋁合金加熱到單相固溶區(qū)，合金元素與Al基體完全溶解-固溶處理；在水中急冷形成過飽和的固溶體-淬火；在室溫下或加熱到某一溫度保溫，析出第二相，從而使鋁合金強化-時效。固溶-淬火-時效2023/3/1030第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、退火回火、再結晶退火、均勻化退火1、低溫退火（也叫回火或去應力退火）把合金加熱到比較低的溫度(低于該合金的再結晶溫度)，保溫后緩慢冷卻到室溫的工藝。作用：消除加工的內應力，細晶細小，實現(xiàn)變形強化。2023/3/1031第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、再結晶退火(中間退火)將經(jīng)冷變形的金屬，加熱到再結晶溫度以上，保溫一段時間。隨后在空氣中緩慢地冷卻下來的工藝。再結晶過程是一個形核和核長大的過程。作用：反復加工2023/3/1032第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、均勻化退火：冶煉的鑄錠存在嚴重的晶內偏格、不平衡共晶等，故塑性低。均勻退火一般是把鑄錠加熱到相當高的溫度（比固相線低20~40℃）保溫幾到幾十個小時，然后緩慢冷卻下來，得到均勻的合金組織以LY12鑄錠為例，在500℃均勻化退火后，伸延率從2%提高到7%左右。2023/3/1033第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日四、鋁合金的分類及牌號鋁合金可分為兩大類：(1)變形鋁合金-變形強化(細晶強化)、固溶強化、時效強化；冶金工廠通過鑄錠、變形而成為各種板材、棒材、型材等半成品供應使用；(2)鑄造鋁合金-有過剩相過剩相強化、固溶強化、時效強化、細晶強化；無變形強化直接通過鑄造而成為零件，不能加工。2023/3/1034第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日牌號編制法：由漢語拼音字母加順序號組成的。防銹鋁合金用LF，如LF21、LF5等硬鋁用LY；超硬鋁用LC；鍛鋁用LD；鑄造鋁合金牌號用ZL后跟三位數(shù)字表示：1為鋁硅系合金；2為鋁銅系臺金；3為鋁鎂系合金；4為鋁稀土合金；5為鋁鋅系合金。

2023/3/1035第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日典型鋁合金的主要成份2023/3/1036第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二節(jié)鋁-鋰合金定義：含鋰量為1%～4%(質量百分比)的多元鋁合金，屬于變形鋁合金。鋰是密度最小的金屬，密度只有0.54g/cm3；1%的鋰，可使鋁合金密度降低3%，剛度提高6%?？梢允菇Y構質量減輕10%～20%，結構剛度提高15%～20%。已有20多種鋁鋰合金的生產(chǎn)規(guī)模達到工業(yè)化水平.2023/3/1037第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日2023/3/1038第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日2.1研究鋁鋰合金的意義航天運載器每減輕1kg，其發(fā)射費用將節(jié)省約2萬美元。美國1998年用鋁鋰合金代替鋁合金，制造“奮進號”航天飛機的液氫液氧外推進劑貯箱，減輕重量約3500kg，可節(jié)約7000萬美元，獲得巨大效益。成本高，韌性、塑性較常規(guī)鋁合金低，各向異性較大，熱穩(wěn)定性差等。-攻關的內容2023/3/1039第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)鈦合金一、鈦及合金的發(fā)展簡史

1791年英國發(fā)現(xiàn)了鈦，鈦的存貯量豐富，是銅60多倍。但鈦與氧、氮、碳、氫等元素有極強的親合力，且與絕大多數(shù)耐火材料在高溫下發(fā)生反應，從而使金屬鈦的提取工藝非常復雜和困難。1930~40年代才發(fā)明了生產(chǎn)金屬鈦的方法：鈉熱法、碘化法及鎂熱法。2023/3/1040第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日1937年發(fā)明的鎂熱法最為成功和具有商業(yè)價值。也是目前正在使用的方法。1948年世界上首批生產(chǎn)了3噸海綿鈦。1957年產(chǎn)量為2萬噸。2006年200萬噸鈦的硬度與鋼鐵差不多，而它的重量幾乎只有同體積的鋼鐵的一半，鈦雖然稍稍比鋁重一點，它的硬度卻比鋁大2倍。80~90%用于國防工業(yè)，航空航天，部分用作生物材料。2023/3/1041第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日主要是成本高：(1)耗電大，44kWh(度)/kg；成本高。鋼：2.4kWh/kg;Cu:11.7kWh/kg;Al:25.6kWh/kg.(2)工藝復雜

2023/3/1042第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日鎂熱法的工藝步驟：1、硫酸分解鈦鐵礦（FeTiO3）的方法制取二TiO2；2、將TiO2和炭粉混合加熱至1000～1100K，進行氯化處理，生成的TiCl4，蒸氣冷凝。3、在1070K用熔融的鎂在氬氣中還原TiCl4可得多孔的海綿鈦。TiCl4＋2Mg＝2MgC12＋Ti4、海綿鈦經(jīng)過粉碎、放入真空電弧爐里熔煉，最后制成各種鈦材。2023/3/1043第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、鈦的化學性質熔點1660℃，沸點3287℃，密度4.5g/cm3，導電和導熱性差；鈦的化學活性高，在室溫就開始吸氫，在300℃時吸氫量很高；鈦與氧發(fā)生作用的溫度是600℃；鈦能發(fā)生爆炸：干鈦粉的自燃溫度為300~600℃，可在氮氣中燃燒。最大缺點是難于提煉，價格很高。雖然儲量豐富，僅次于鋁、鐵、鎂，占第四位。2023/3/1044第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、鈦合金的奇特性能：(1)高耐蝕性最兇猛的酸——王水，也不能腐蝕它；耐海水的腐蝕能力特別強；鈦可以耐各種強酸強堿的腐蝕；但是，與發(fā)煙硝酸長時間接觸也會發(fā)生突然爆炸。

氫氟酸、磷酸和中等強度的堿對鈦有侵蝕作用。選材要特別注意?。?！2023/3/1045第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)高強度純鈦的強度很高，與低碳鋼相似，直接用于350℃以下工作的航空產(chǎn)品，如超音速飛機的蒙皮，構架；鈦合金強度更高，是不銹鋼的3.5倍，是目前所有工業(yè)金屬材料中強度最高的；在低溫-100℃以下應用而不發(fā)生脆性破壞；450~500℃中溫下可以長期使用，比鋁合金高幾百度；但不耐高溫，工作溫度一般應在600℃以下。(3)人造骨骼合金與生物組織及體液有良好的相容性，可用作生物醫(yī)用材料，如用來制關節(jié)、人造牙齒等。2023/3/1046第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日(4)“超塑性成型”，“超塑性擴散連接”,制造任何形狀復雜零件不超過8分鐘。與以往的鉚接和焊接比較起來，可以降低成本40％～60％，減輕重量30％～50％。2023/3/1047第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日三、鈦合金的結構和組成鈦有兩種同質異晶體：α和β結構α鈦：882℃以下為密排六方結構，β鈦：882℃以上為體心立方結構。鈦合金元素可分為三類：①穩(wěn)定α相元素：鋁、碳、氧和氮等。②穩(wěn)定β元素：鉬、鈮、釩、鉻、錳、銅、鐵、硅等。③中性元素：鋯、錫等。2023/3/1048第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日類別典型合金特點α(密排六方)Ti-5Al-2.5SnTi-6Al-2Sn-4Zr-2Mo強度一般，焊接性能好抗氧化強，蠕變強度較高較少應用在高爾