航空材料與腐蝕防護(hù)講義-(航空材料部分)

第一章航空材料概論

1.1航空材料是航空工業(yè)主要基礎(chǔ)

航空材料與航空技術(shù)的關(guān)系極為密切，航空航天材料在航空產(chǎn)品發(fā)展中具有極其重要的

地位和作用：航空材料既是研制生產(chǎn)航空產(chǎn)品的物質(zhì)保障，乂是推動(dòng)航空產(chǎn)品更新?lián)Q代的技

術(shù)基礎(chǔ)。

一、航空產(chǎn)品特殊的工作環(huán)境對航空材料的性能要求集中表現(xiàn)在“輕質(zhì)高強(qiáng)、高溫耐蝕”。

所謂“輕質(zhì)高強(qiáng)”是指，要求材料的比強(qiáng)度高，即要求材料不但強(qiáng)度（靜強(qiáng)度高、能承

受大過載、疲勞強(qiáng)度高）高而且密度小。航空工業(yè)有一句口號叫做“為每一克減重而奮斗”,

反映了減重對于航空產(chǎn)品的重大經(jīng)濟(jì)意義（見表1.1）。而且材料減重對飛機(jī)減重的貢獻(xiàn)也越

來越大，所以輕質(zhì)高強(qiáng)是航空材料必須滿足的首要性能要求。

表1.1飛行器結(jié)構(gòu)減重帶來的效益（1990年數(shù)據(jù)）

小型民先進(jìn)商用超音速與高超

機(jī)種直升機(jī)航天飛機(jī)

用飛機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)輸機(jī)音速運(yùn)輸機(jī)

美元/磅50300400800300030000

“高溫耐蝕”的“高溫”是指航空材料要能耐受較高的工作溫度。對機(jī)身材料，氣動(dòng)力

加熱效應(yīng)使表面溫度升高，需要結(jié)構(gòu)材料具有好的高溫強(qiáng)度；對發(fā)動(dòng)機(jī)材料，要求渦輪盤和

渦輪葉片材料要有好的高溫強(qiáng)度和耐高溫腐蝕性能。

“耐蝕”是指航空材料要有優(yōu)良的抗腐蝕，特別是抗應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞的能力。

當(dāng)然，除以上性能外，對某些材料還要求有其他方面的性能，如：非金屬材料要具有良

好的耐老化性能和耐氣候性能；透明材料要具有良好的光學(xué)性能；電工材料具有良好的電學(xué)

性能；以及防火安全性能等等。

二、航空產(chǎn)品的高可靠性、多樣性對航空材料提出了更高的質(zhì)量要求。

航空器是技術(shù)密集、高集成度的復(fù)雜產(chǎn)品，只有采用質(zhì)地優(yōu)良的航空材料才能制造出安

全可靠、性能優(yōu)良的飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)。

航空產(chǎn)品的多樣性和小批量生產(chǎn)，導(dǎo)致了航空材料研制和生產(chǎn)上的多品種、多規(guī)格、小

批量、技術(shù)質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。

三、航空產(chǎn)品降低成本的需求導(dǎo)致要發(fā)展低成本航空材料。

新型號的先進(jìn)飛機(jī)價(jià)格不斷攀升，各航空技術(shù)領(lǐng)先的國家和地區(qū)都先后對航空產(chǎn)品提出

了“買得起”的要求。而材料在航空產(chǎn)品的成本和價(jià)格構(gòu)成中占有相當(dāng)份額，所以科學(xué)地選

材和努力發(fā)展低成本材料技術(shù)是航空材料發(fā)展的重要方向。

1.2航空材料的分類

航空材料有不同的分類方式：

按成份可分為四大類:

?金屬材料：鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋼、高溫合金、粉末冶金合金等。

?無機(jī)非金屬材料：玻璃、陶瓷等。

?高分子材料：透羽材料、膠粘劑、橡膠及密封劑、涂料、工程塑料等。

?先進(jìn)復(fù)合材料：聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù):合材料、無機(jī)非金屬基兔合材料、碳

/碳復(fù)合材料等。

按使用功能可分為兩大類:

?結(jié)構(gòu)材料

?功能材料

本課程主要介紹結(jié)構(gòu)材料。所謂結(jié)構(gòu)，是指由板、桿等承力單元件構(gòu)成的承力系統(tǒng)，在

載荷作用下，該系統(tǒng)只產(chǎn)生小的彈性形變，即系統(tǒng)應(yīng)具有幾何不變性。如承力系統(tǒng)是幾何可

變的，則承力系統(tǒng)不是結(jié)構(gòu)，而是機(jī)構(gòu)。以飛機(jī)為例，航空產(chǎn)品中典型的結(jié)構(gòu)包括：機(jī)身、

機(jī)翼、垂直尾翼、水平尾翼、各種操縱面、起落架（除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之外的部分）等。用于加工

制造這些結(jié)構(gòu)的單元件的材料都屬于結(jié)構(gòu)材料。

1.3航空材料的演變

一、飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的演變

早期飛機(jī)的結(jié)構(gòu)以木材、蒙布、金屬絲綁扎而成（圖1.1）,后來又發(fā)展為木材與金屬的

混合結(jié)構(gòu)。

圖1.1飛行者一號（復(fù)制品）

到了二十世紀(jì)三十年代，隨著鋁合金材料的發(fā)展，全金屬承力蒙皮逐漸成為普遍的結(jié)構(gòu)

形式（圖L2）.

（a）Me109型戰(zhàn)斗機(jī)（德國，1935年）

（b）噴火式戰(zhàn)斗機(jī)（英國,1936年）

圖1.2二十世紀(jì)三十年代出現(xiàn)了全金屬承力蒙皮結(jié)構(gòu)的飛機(jī)

二十世紀(jì)三、四十年代，鎂合金開始進(jìn)入航空結(jié)構(gòu)材料的行列。四、五十年代，不銹鋼

成為航空結(jié)構(gòu)材料。

到五十年代中期開始出現(xiàn)鈦合金，嗣后并被用于飛機(jī)的高溫部位。

二十世紀(jì)六十年代，開發(fā)出樹脂基先進(jìn)復(fù)合材料，后來在樹脂基復(fù)合材料的基礎(chǔ)上又出

現(xiàn)了金屬基復(fù)合材料。

現(xiàn)代飛機(jī)大量采用新型材料。如F-14（美國，1970年，圖1.3）的機(jī)體結(jié)構(gòu)中有25%的

鈦合金、15%的鋼、36%的鋁合金、還有4%的非金屬材料和20%的復(fù)合材料。

圖1.3F-14“雄貓”可變后掠翼戰(zhàn)斗機(jī)

由于采用了可變后掠翼，F(xiàn)-14背部有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱形結(jié)構(gòu)一一翼盒。翼盒兩端容納可變翼翼根轉(zhuǎn)軸。

此部分是可變翼設(shè)計(jì)飛機(jī)的重點(diǎn)，也是飛機(jī)死重的來源。為了使翼盒重量盡可輕而又不應(yīng)影響強(qiáng)度，

格魯曼采用高強(qiáng)度輕重量的鈦合金來制造。

新近投入使用或正在開發(fā)中的先進(jìn)飛機(jī)（包括軍機(jī)和民航機(jī)）的機(jī)體結(jié)構(gòu)用材料的主要

特點(diǎn)是：大量采用高比強(qiáng)度和高比模量的輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模材料，從而提高飛機(jī)的結(jié)構(gòu)效率,

降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)。其中乂以先進(jìn)復(fù)合材料和鈦合金用量的增加，傳統(tǒng)鋁合金和鋼材的

用量相應(yīng)減少的特點(diǎn)最為突出。先進(jìn)復(fù)合材料和鈦合金的用量、材料本身的性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)水平和零組件加工質(zhì)量已成為這些航空產(chǎn)品先進(jìn)性的主要表現(xiàn)之一。

從各種材料的角度分析，今后航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)用材的發(fā)展趨勢是：

1.鋁合金

鋁合金因其技術(shù)成熟、成本低、使用經(jīng)驗(yàn)豐富等優(yōu)勢，在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，仍將是亞音

速飛機(jī)和低超音速飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)用材之一。

2.結(jié)構(gòu)鋼

一些新型超高強(qiáng)度鋼在今后仍然還會(huì)是起落架、主要接頭、隔框等一些主要承力構(gòu)件的

備選材料。

3.鈦合金

鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材中所占的重要地位已確定無疑，但是鈦合金的較貴的價(jià)格和較差

的工藝性，是影響使用的很大因素。

4.先進(jìn)復(fù)合材料

由于先進(jìn)復(fù)合材料具有比鋼、鋁、鈦高得多的比強(qiáng)度、比模量和耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在未來

高性能的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中，先進(jìn)復(fù)合材料將會(huì)占據(jù)越來越重要的地位，甚至完全有可能出現(xiàn)

全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的飛機(jī)。

二、航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材的演變

早期的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)為結(jié)構(gòu)材料以普通碳素鋼為主.

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)（包括渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪槳葉發(fā)動(dòng)機(jī)）的性能水平很大程度上依賴

于高溫材料的發(fā)展。其中尤以渦輪部件材料最為關(guān)鍵：

1.渦輪葉片材料

在二十世紀(jì)四十年代，盡管噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的原理早已提出，但由于沒有合適的高溫材料

用于制造渦輪，所以發(fā)展遲緩。

到五十年代初，英國的White公司開發(fā)出了銀基高溫合金。

到六十年代，開始使用真空熔煉方法制造高溫合金，合金的純度得到提高，性能更好。

七十年代，開發(fā)出定向凝固、單晶鑄造等高溫部件制造工藝，使葉片的最高工作溫度和

耐疲勞性能進(jìn)一步提高。

2.渦輪盤材料

二十世紀(jì)四十年代的渦輪進(jìn)口溫度約為800~900℃,采用了16-25-6鐵基合金。

五十年代，隨著渦輪進(jìn)口溫度提高到950C,出現(xiàn)了沉淀硬化合金，應(yīng)用沉淀強(qiáng)化原理

使合金具有更高的高溫強(qiáng)度。

到七十年代，進(jìn)口溫度提高到了1240C,出現(xiàn)了Rene95合金和粉末冶金高溫合金。

對航空產(chǎn)品性能的要求口益攀升，要求使用推重比更高、經(jīng)濟(jì)性更好的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。軍

用發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比已經(jīng)達(dá)到10,如美國的F119發(fā)動(dòng)機(jī)已裝備了F22戰(zhàn)斗機(jī)。大推力泯輪風(fēng)

扇發(fā)動(dòng)機(jī)如GE90、PW407利084、Trent800等早已為B777、A330等大型寬體客機(jī)所選用。

在這些先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫材料仍屬于核心技術(shù)。如軍用發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫鈦合金（壓

氣機(jī)盤和葉片）、高溫合金板材（燃燒室）和粉末冶金材料和單晶葉片材料（渦輪）等，民

用發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的單晶葉片材料和粉末高溫合金渦輪盤材料。

第二章輕合金

2.1鋁合金

一、鋁合金的發(fā)展歷史

在歷史上，先后有兒種金屬材料得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展和人類自身的進(jìn)步。

首先得到應(yīng)用的是金。隨后是銅，特別是青銅，幾大文明發(fā)源地都先后出現(xiàn)了燦爛的青銅文

化。銅的發(fā)展歷史有8000多年。鐵和錫也有5000多年。另外還有鉛和汞也都有幾千年的

歷史了。

而人類到公元1825年才首次制得幾亳克鋁粉。鋁發(fā)現(xiàn)得晚，煉鋁技術(shù)成熟得更晚。無

論是在人們發(fā)現(xiàn)的金屬元索，還是作為一種結(jié)構(gòu)材料，鋁及其合金都是小字輩。但是鋁和鋁

合金的出現(xiàn)，卻極大地推動(dòng)了工業(yè)文明，特別是航空航天科技和工業(yè)的發(fā)展。

在1746年，波特(J.H.Pott)用明研制得一種氧化物。我們都知道明帆是鋁和鉀的復(fù)

合硫酸鹽。把它在高溫下灼燒分解，失去二氧化硫和水，再將氧化鉀用水洗去就剩下氧化鋁

了。當(dāng)然那個(gè)時(shí)代的人們沒有我們現(xiàn)在這么豐富的化學(xué)知識罷了。當(dāng)時(shí)其他的科學(xué)家，如法

國的拉瓦錫(A.L.Lavoisier)認(rèn)為，這是一種與氧結(jié)合很牢的未知金屬的氧化物，用碳和其

他還原劑都奪取不了它所結(jié)合的氧。這樣，就拉開了提煉單質(zhì)鋁的帷幕。

1807年，英國的戴維(H.Dary)用銷片做陽極，鐵絲做陰極，用直流電電解熔融的鉀

堿與這種氧化物的混合物，結(jié)果只制得少量的合金。戴維雖然沒有成功地提煉出單質(zhì)金屬，

但他堅(jiān)信這種金屬的存在，并命名為Aluminium,后來去掉第二個(gè)i,改稱Aluminum,但有

些國家仍稱為Aluminiurrio

1825年3月，丹麥物理學(xué)家奧爾斯泰(HansChristanOersted)用鉀汞齊還原無水氯化

鋁，然后在真空條件下把得到的鋁汞齊中的汞蒸鐳掉，得到了幾亳克的鋁粉。奧爾斯泰的報(bào)

告中說，鋁具有與錫相同的顏色和光澤。

1845年，德國化學(xué)家沃勒(PriedrichWohler)也用鉀還原氯化鋁的方法得到了一些

15mg的鋁珠，并初步測定了它的密度、延展性和熔點(diǎn)等。

以上還只是在實(shí)驗(yàn)室中出于研究的目的少量制取鋁。到了1854年，法國冶金學(xué)家戴維

爾(HenriSainteClaireDeville)用便宜的鈉代替鉀，用吸水性較小，穩(wěn)定性較好的復(fù)鹽NaAICI4

代替極易吸水而水解的無水氯化鋁，制得純度為97~97.3%的鋁。同年，在拿破侖三世(拿

破侖一世的侄子)的支持下建廠進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。

1855年，一件稀世之寶一一銀光閃閃的鋁標(biāo)本呈現(xiàn)在巴黎博覽會(huì)上。它無窮的魅力立

即引起了全世界的巨大反響。美英德等國相繼建廠生產(chǎn)珍貴的鋁。鋁自問世即得到顯貴們的

寵愛。這個(gè)時(shí)候生產(chǎn)出來的鋁比白金還貴，每丁克價(jià)格達(dá)到600美元，只能用來制作昂貴的

首飾以顯耀豪富。當(dāng)時(shí)，西歐的國王和往后視鋁如寶石，戴在頭上或掛在胸前以示其尊貴。

法蘭西帝國皇帝拿破侖三世(1808-1873)喜歡宴請四方賓客，每次設(shè)宴時(shí)，賓客用的都是

銀碗，惟有他一人用鋁碗，后來雖然經(jīng)過30年的改進(jìn)，鋁加逐步降到9美元一公斤，仍然

相當(dāng)貴。

可是，只過了20年，因?yàn)殡娊夥掍X的成功,鋁價(jià)大跌。就像成長中的嬰兒，鋁開始

蹣跚起步了。

用戴維爾的化學(xué)法總共只生產(chǎn)了200t鋁。

發(fā)明電解煉鋁法的是兩個(gè)人。他們是當(dāng)時(shí)同為23歲的青年一一美國俄亥俄州的霍耳

(CharlesMartinHall)和法國諾曼底的埃魯(PaulLovisToussaintHerroult)o

1886年，霍爾與埃魯不約而同地將氧化鋁投入熔融的冰晶石中，通入直流電電解出金

屬鋁。這個(gè)力法不再需要消耗昂貴的金屬鈉作還原劑了，成本大大降低，產(chǎn)量和質(zhì)量也有很

大的進(jìn)步。這就是著名的：現(xiàn)在仍在使用的霍爾-埃魯電解法。這兩個(gè)人有很多巧合的地方,

同一年出生，同一年作出重大發(fā)現(xiàn)，專利申請口期只相差2個(gè)月，霍爾是在1886年2月23

日申請美國專利，埃魯在4月23日申請法國專利，5月23日申請書寄到美國專利局。當(dāng)然

美國專利已經(jīng)給了霍爾了，這是一個(gè)巧合。這兩位科學(xué)家都在1914年，也就是51歲的時(shí)候

英年早逝，都死于傷寒。

在發(fā)明煉鋁技術(shù)之后，埃魯和霍爾就分別開始了開拓鋁工業(yè)的艱辛道路。

當(dāng)時(shí)，人們受習(xí)慣思維的限制，總認(rèn)為鋁只能用來做些首飾而已，鋁應(yīng)用尚未打開局面。

到1900年，也就是十九世紀(jì)的最后一年，全世界只有7個(gè)鋁廠，總年產(chǎn)量不超過八千噸。

但是這個(gè)時(shí)候，鋁價(jià)已經(jīng)降到每公斤0.5美元了。雖然人們已經(jīng)知道可以利用現(xiàn)成的設(shè)備加

工鋁制品，而且鋁在家用器具，如炊具生產(chǎn)上有優(yōu)勢。但制造商們卻因需要購置新設(shè)備和重

新培訓(xùn)工人而無動(dòng)于衷。

到了1906年，這在鋁工業(yè)發(fā)展歷史上同樣是一個(gè)重要的年份。在這一年，德國的冶金

學(xué)家阿弗列?威爾莫(Wil門)嘗試將其他金屬元素添加到鋁中，終于發(fā)明了一種含有銅、鎬、

鎂和鋁的合金。他還發(fā)現(xiàn)這種鋁合金具有一種神奇的效應(yīng)，即在常溫下放置4天會(huì)自動(dòng)變得

非常堅(jiān)硬，很適合用來制造運(yùn)輸工具和其他工業(yè)裝備。因?yàn)檫@種鋁合金首次在杜拉實(shí)現(xiàn)工業(yè)

生產(chǎn)，故命名為杜拉鋁。

從此，鋁的需求量逐漸增加。世界鋁產(chǎn)量從1906年的1.45萬31910年的4.38萬3

增長到1913年的6.82萬t。鋁第一次作為飛行器結(jié)構(gòu)材料是在一戰(zhàn)期間，德國人用杜拉鋁

(當(dāng)時(shí)其成分及硬化工藝是保密的)制成一種硬式￡艇，它的航速達(dá)100km/h、航程在200km

以上，能攜帶炸彈，具有很強(qiáng)的威懾力。協(xié)約國軍事專家為此大傷腦筋。戰(zhàn)后杜拉鋁的秘密

被揭開，全世界馬上開始了用鋁合金研制飛艇的熱潮，鋁被譽(yù)為“飛行金屬”，進(jìn)入航空工

業(yè)市場。杜拉鋁的發(fā)明為鋁工業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)機(jī)遇。

另外，高壓遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)研究成功給鋁工業(yè)帶來了另一個(gè)機(jī)遇。

盡管鋁的電導(dǎo)率是銅的65%,但它的密度僅為銅的三分之一。在相同的電阻之下，鋁導(dǎo)

線的重量僅是銅導(dǎo)線的46.6%,用鋁導(dǎo)線代替銅可以大大鑒清導(dǎo)線的重量及支撐導(dǎo)線的橋塔

的復(fù)合，從而節(jié)省投資。在20世紀(jì)早期，火力發(fā)電技術(shù)尚未應(yīng)用，發(fā)電依靠水利，所以當(dāng)

時(shí)的輸電距離動(dòng)輒達(dá)到2000km之遙，對鋁電纜的需求量大增。

在二十世紀(jì)初，汽車工業(yè)開始使用鋁合金，但當(dāng)時(shí)車身都是木制的。這一方面是由于當(dāng)

時(shí)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)馬力小，效率低，金屬車身相對來說太重，驅(qū)動(dòng)不了，另外金屬件的沖壓等

塑性加工技術(shù)還不那么發(fā)達(dá)，還無法制造出輕巧的金屬構(gòu)件。當(dāng)時(shí)是手工將鋁制成裝飾板，

然后綁縛或粘接在槐木制的車身上。汽車的散熱器也用鋁代替鋼。這些都是因?yàn)殇X輕而且不

生銹。

和平用鋁是鋁工業(yè)健康發(fā)展的永恒動(dòng)力。但是戰(zhàn)爭乜會(huì)極大地刺激鋁工業(yè)的發(fā)展。戰(zhàn)爭

需要各種激動(dòng)運(yùn)輸車輛，促使內(nèi)燃機(jī)研制迅速發(fā)展。為了減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，一些鑄造件以及

活塞都用鋁合金制造?；钊\(yùn)動(dòng)的慣性因?yàn)橘|(zhì)量更輕而減小，與活塞連接的其他零件如由軸、

軸承架上的應(yīng)力相應(yīng)減小，發(fā)動(dòng)機(jī)便做得輕巧多了。在第一次世界大戰(zhàn)的四年中，交戰(zhàn)雙方

共制造了20多萬臺發(fā)動(dòng)機(jī)。期間經(jīng)過戰(zhàn)爭環(huán)境考研的技術(shù)在戰(zhàn)后都很好地轉(zhuǎn)用到航空和汽

華工業(yè)當(dāng)中。

戰(zhàn)時(shí)，鋁還用于制造油罐、武器外殼、機(jī)槍散熱片,光學(xué)儀器及士兵的飯盒和水壺等。

這些因素都使鋁的需求量大增。當(dāng)時(shí)歐洲的鋁價(jià)漲了一倍、美國鋁價(jià)漲了兩倍。在高額利潤

的刺激下，各國的鋁產(chǎn)量都至少翻了一番，挪威的產(chǎn)能甚至增長到戰(zhàn)前的8倍。在量的增長

的同時(shí)，鋁工業(yè)的工藝技術(shù)也大大提面。鋁工業(yè)已經(jīng)開始走進(jìn)它的青年時(shí)期，即一戰(zhàn)結(jié)束的

1918年到二戰(zhàn)的1945年這段時(shí)間。

由于戰(zhàn)爭結(jié)束，各種金屬的生產(chǎn)最低于?戰(zhàn)前水平，唯有鋁仍有所增長。這是因?yàn)樵诟邏?/p>

輸電線和發(fā)動(dòng)機(jī)上的鋁不斷增加。僅1920年~1930年的10年間，美國生產(chǎn)了5000萬個(gè)鋁

活塞；汽車殼體也開始用鋁制造了；第一個(gè)全鋁火車車附問世：特別是鋁合金使飛機(jī)制造業(yè)

飛速發(fā)展。德國容克公司用鋁板制造Ju52飛機(jī)的機(jī)身，并于1930年將該飛機(jī)用于莫斯科-

倫敦航線上。1933年美國道格拉斯飛機(jī)公司用鋁合金制造了劃時(shí)代的DC1運(yùn)輸機(jī)及其系列

產(chǎn)品DC2、DC3飛機(jī)和C47運(yùn)輸機(jī)（圖2.1）,可稱現(xiàn)代飛機(jī)的鼻祖。其中1934年推出的DC2

飛機(jī)，機(jī)身呈流線型，在現(xiàn)代航線上仍然可見。由于飛機(jī)性能不斷提高，全天候洲際飛行正

在出現(xiàn)。航空業(yè)的飛速發(fā)展反過來促進(jìn)了鋁工業(yè)的發(fā)展.

圖2.1道格拉斯C-47型運(yùn)輸機(jī)

在其他方面，鋁導(dǎo)熱性好、輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)也體現(xiàn)出來。人們用鋁制造電冰箱、吸生

器和其他家用電氣，又為鋁工業(yè)形成了一個(gè)巨大的市場,鋁的延展性極好，1kg鋁可以軋出

面枳為41m2的鋁箔，而1kg錫只能軋出15m2的錫箔。

高強(qiáng)度的鋁合金也很快被用于制造裝飾板、窗戶和門框。

1936年美國鋁業(yè)公司在慶祝電解煉鋁50周年大會(huì)上羅列了鋁的2000多種用途。

可以看出年輕的鋁工業(yè)開始滲透到了國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,給各行各業(yè)都帶來了勃勃生

機(jī)。經(jīng)濟(jì)危機(jī)和戰(zhàn)爭都阻揩不了它前進(jìn)的步伐。鋁的出現(xiàn)使人類的生產(chǎn)和生活都變了樣。

二、鋁合金的生產(chǎn)過程

鋁合金是由電解得到的原鋁和回收鋁精煉后，再向其中加入添加元素得到的。

其中電解原鋁的過程是，首先用拜耳法從鋁土礦中提煉氧化鋁，再用埃魯-霍爾法電解

煉鋁。

那么具體地，電解煉鋁法究竟是怎么一回事呢？

電解是電化學(xué)的一種應(yīng)用。至少在大學(xué)化學(xué)課程中，我們都學(xué)到過一類化學(xué)反應(yīng)類型叫

做氧化還原反應(yīng)。在氧化還原反應(yīng)中，還原劑被氧化，提供電子，氧化劑得到這些電子被還

原。一個(gè)氧化還原反應(yīng)都是兩個(gè)半反應(yīng)一一還原劑的氧化反應(yīng)和氧化劑的還原反應(yīng)耦合而成

的。

如果采用特殊的裝置，控制這兩個(gè)半反應(yīng)分別在兩個(gè)導(dǎo)電的材料（稱為電極）上發(fā)生，

再將電極用導(dǎo)線連通，同時(shí)，還要提供一個(gè)可以使離子在其中遷移的導(dǎo)體，稱為離子導(dǎo)體。

這樣就構(gòu)成了一個(gè)回路，就能利用氧化還原反應(yīng)提供電流，驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。我們都知道，這

中裝置就是化學(xué)電源，也就是大家通稱的電池。從能量轉(zhuǎn)換或做功的觀點(diǎn)來看，電池的工作

過程就是把氧化劑和還原劑蘊(yùn)涵的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，輸出電功的過程。

如果反過來，把負(fù)載換成一個(gè)強(qiáng)大的電源，把它的正負(fù)極與電池的同極性的電極連接，

強(qiáng)制電池反向工作，我們都知道這個(gè)過程實(shí)際就是給電池充電。電池充電的過程就是把外部

電源提供的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。

電解，以及在后面的內(nèi)容中要介紹的電鍍，都是類似的過程。

所謂電解，就是用電能驅(qū)動(dòng)電解池工作，使電解質(zhì)在電解池的陰極或陽極上發(fā)生氧化

還原反應(yīng)而析出產(chǎn)物的過程。這些產(chǎn)物都是對我們有用的產(chǎn)品。如電解氯化鈉水溶液，可以

在陽極上得到氯氣，陰極上析出氫氣。同時(shí)因?yàn)槲龀鰵錃?，使水分解出氫氧根離子，與鈉離

子形成苛性鈉水溶液，又可以分離出氫氧化鈉。這些都是重要的化工原料。再比如電解水，

可以得到氫氣和氧氣，把消耗的電能轉(zhuǎn)化為氫和氧的化學(xué)能。氫氣又可以作為還原劑，驅(qū)動(dòng)

燃料電池工作，重新釋放出電能。

電解法煉鋁的原理也是一樣。只不過電解鋁采用的是一種特殊的電解質(zhì)，不是水溶液。

在水溶液中電解是不能得到鋁的。是采用電解熔融的氧化鋁的方法。氧化鋁（三氧化二鋁）

是離子化合物，通常狀態(tài)下是固體，而離子在固體中是不能輕易移動(dòng)的，只有將它加熱到熔

點(diǎn)以上，熔化成液態(tài)，離子才能夠在電場的驅(qū)動(dòng)下在陰極和陽極間遷移，形成離子導(dǎo)體。但

是氧化鋁的熔點(diǎn)非常高，在將它加熱到熔化之前，絕大多數(shù)用來制造電解槽的結(jié)構(gòu)材料，如

鋼鐵等都先熔化了。所以要將它溶解在一種合適的溶劑中，形成一種特殊的溶液。使用的溶

劑就是冰晶石，六氟合鋁酸鈉。這樣就可以將電解鋁的工作溫度降低到1000C以下（一般

是950~970℃）。

三、鋁合金的特點(diǎn)

鋁合金作為航空器結(jié)構(gòu)材料的最突出的特點(diǎn)是：密度小、延展性好、耐腐蝕、易加工、

價(jià)格低。

鋁合金的密度為小2.7g/cm3,遠(yuǎn)小于鐵合金或銅合金。

鋁雖然是一種非常活潑的化學(xué)元素（其電位序僅排在鉀鈣鈉鎂之后的第五位），但正由

于它非常活潑，在空氣中極易發(fā)生氧化，而生成的氧化無以一薄層非常致密的、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)

定的鈍態(tài)膜的形式存在，能有效地隔絕侵蝕性介質(zhì)。所以鋁合金的耐腐蝕性很好。

正因?yàn)殇X合金具有這些特點(diǎn)，所以在當(dāng)前在役的民月飛機(jī)中，鋁合金在總結(jié)構(gòu)用量上占

70~80%的比例。盡管先進(jìn)復(fù)合材料和鈦合金在新型號飛機(jī)上應(yīng)用比例日益提高，但鋁合金

由F成本和工藝上的優(yōu)勢，在可預(yù)見的將來，仍是航空器，特別是民用匕機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料

之一。

四、鋁合金分類

鋁合金按零件的制造方法可分為：

?變形鋁合金：具有較好的塑性，可使用鍛造、沖壓等塑性變形加工工藝成形的鋁合

金；

?鑄造鋁合金：僅適合采用鑄造工藝成形，或鑄造性能相對變形加工性能更為突出的

鋁合金；

?粉末冶金合金：使用粉末冶金技術(shù)成形的鋁合金。

按能否通過熱處理強(qiáng)化分為：

?可熱處理強(qiáng)化鋁合金；

?不可熱處理強(qiáng)化鋁合金。

五、鋁的合金化

純鋁的強(qiáng)度很低，不適合作為結(jié)構(gòu)材料使用。所以必須通過添加合金元素將鋁制成合金。

主要的起強(qiáng)化作用添加元素有：Cu、Zn、Mg、Si和Li等。

這些合金元素的強(qiáng)化機(jī)理不盡相同，具體地有兩種強(qiáng)化機(jī)理：

?固溶強(qiáng)化：蒙退卜在鋁中溶解度大的元素（溶質(zhì)），以固溶體形式存在于鋁合金中。

溶質(zhì)原子使鋁晶格發(fā)生畸變，提高合金強(qiáng)度；

?沉淀強(qiáng)化：施退下溶解度大、賞溫下溶解度小的元素，在常溫下形成各種沉淀相,

使合金強(qiáng)化。鋁合金的熱處理強(qiáng)化實(shí)際上就是利用了沉淀強(qiáng)化原理。可沉淀強(qiáng)化是

熱處理強(qiáng)化鋁合金的重要特點(diǎn)。

除這些強(qiáng)化元素外，鋁合金中有時(shí)還包含其他一些元素：

?Cr、Mn,Ti、Zr等過渡元素在鋁合金中的溶解度小，沒有多少強(qiáng)化作用。但可以

與AI形成金屬叵化合物，對控制晶粒結(jié)構(gòu)作用很大；

?Fe、K、Na等元素屬于應(yīng)控制含量的雜質(zhì)，這些元素的存在會(huì)極大地?fù)p害鋁合金的

斷裂韌性。

六、鋁合金的沉淀強(qiáng)化原理和時(shí)效處理工藝

這里以Al-Cu（4%）二元合金為例介紹鋁合金的沉淀強(qiáng)化原理（圖2.2）。

圖2.2AI-CU二元合金相圖

在高溫時(shí)Cu在AI中溶解度大，常溫時(shí)溶解度小。對于含Cu為4%的Al-Cu二元合金，

500c時(shí)，Cu可全部溶于AI中形成a固溶體。

冷卻到常溫后，絕大多數(shù)Cu以GP區(qū)或6相的形式析出。GP區(qū)或0相會(huì)阻礙形變過程

中的位錯(cuò)移動(dòng)，提高了硬度和強(qiáng)度。

應(yīng)用沉淀強(qiáng)化原理，可以對鋁合金進(jìn)行時(shí)效處理，以改善鋁合金的力學(xué)性能和抗腐蝕性

能。

所謂時(shí)效處理是指，把鋁合金在一定溫度下保持一段時(shí)間，加速合金元素從固溶體中沉

淀析出的處理工藝。

時(shí)效處理過程中，鋁合金的硬度（強(qiáng)度）會(huì)隨時(shí)效時(shí)間變化。描述這種變化規(guī)律的曲線

稱為時(shí)效曲線（圖23）.

時(shí)效時(shí)間慶

圖2.3AI-4%Cu合金的時(shí)效曲線

從圖中可以看到，時(shí)效溫度、時(shí)間鋁合金的時(shí)效硬化效果有很大影響。隨時(shí)效時(shí)間，硬

度并不是始終增大的，而是存在一個(gè)峰值。把硬度達(dá)到時(shí)效曲線上峰值的時(shí)效狀態(tài)稱為蛔

效.相應(yīng)地，在峰時(shí)效之前停止保溫，得到的時(shí)效狀態(tài)成為欠時(shí)效,在峰時(shí)效之后停止保溫,

得到的是過時(shí)效狀態(tài)的鋁合金。

盡管過時(shí)效相對于峰時(shí)效在硬度和強(qiáng)度上有損失，但由于沉淀相的過量析出，特別是在

合金組織的晶粒內(nèi)部也析出了沉淀相，減小了晶粒內(nèi)部與晶粒邊界（晶界）的電化學(xué)性質(zhì)的

差異，可以減少品間腐蝕，以及沿晶間發(fā)生的應(yīng)力腐蝕斷裂的可能性，提高鋁合金的耐腐蝕

能力。

時(shí)效處理是控制性能的重要手段。同一種成分的鋁合金，采用不同的熱處埋時(shí)效，可以

得到差異很大的性能；?種新的時(shí)效制度的研究成功，就相當(dāng)于開發(fā)出?種新的鋁合金。

七、鋁合金的標(biāo)記

由于?制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)的鋁合金主要是變形鋁合金，而鑄造鋁合金應(yīng)用較少。所以在此僅介

紹前者的標(biāo)記。鋁合金的標(biāo)記分為型號標(biāo)記和狀態(tài)代號標(biāo)記

鋁合金的型號：采用4位數(shù)字標(biāo)記法。第1位表示屬于哪種主要合金系；第2位表示合

金的改型；第3、4位表示合金的編號（表2.1）。

表2.1國際變形鋁合金標(biāo)記法

合金系四位數(shù)字標(biāo)記合金系四位數(shù)字標(biāo)記

>99.00%鋁lxxx鋁鎂硅6xxx

鋁銅2xxx鋁鋅7xxx

鋁鎰3xxx其他8xxx

鋁硅4xxx備用9xxx

鋁鎂5xxx

鋁合金的狀態(tài)以TX、TXX、TXXX等代號標(biāo)記（表2.2）。

表2.2鋁合金的狀態(tài)代號

代號名稱狀態(tài)代號熱處理狀態(tài)

F自由加工狀態(tài)T3固溶、冷作、自然時(shí)效

0退火狀態(tài)T4固溶、自然時(shí)效

H加工硬化狀態(tài)T6固溶、人工時(shí)效

W固溶熱處理狀態(tài)T7固溶、過時(shí)效

T熱處理狀態(tài)T8固溶、冷作、人工時(shí)效

狀態(tài)代號說明與應(yīng)用

T73固溶及時(shí)效達(dá)到規(guī)定的力學(xué)性能和抗應(yīng)力腐蝕性能

T74與T73狀態(tài)定義相同，但抗拉強(qiáng)度大于T73,小于T76

T76與T73狀態(tài)定義相同，但抗拉強(qiáng)度大于T73、T74,抗應(yīng)力腐蝕性能低于T73、

T74,但其抗剝落腐蝕性能仍較好

八、鋁合金在飛機(jī)上的應(yīng)用

變形鋁合金在飛機(jī)上的應(yīng)用主要為2系A(chǔ)l-Cu合金和7系A(chǔ)l-Zn合金。

2系鋁合金的代表型號是2024,名義成分為AI-4.4Cu-l.5Mg-0.6Mn（重量百分比）。該

合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用廣泛。其特點(diǎn)為：強(qiáng)度中等，可熱處理強(qiáng)化，T3狀態(tài)下斷裂韌性高;

耐蝕性不好，易發(fā)生晶間腐蝕，薄板需包覆工業(yè)純鋁以提高耐蝕性，或在T8狀態(tài)下使用。

另外2524作為2系合金的較新改型，已經(jīng)應(yīng)用于B777客機(jī)。

7系合金的代表型號是7075,名義成分為AI56Zn25Mg-l.6Cu-0.26義（重量百分比）。

該型號合金的特點(diǎn)為：T6態(tài)強(qiáng)度最高，但抗蝕性差、斷裂韌性不好；T73態(tài)耐蝕性好，但強(qiáng)

度相比T6態(tài)下降約15%。

7055是7系中合金化程度最高、強(qiáng)度最高的型號。7055-T77已經(jīng)用于B777主結(jié)枸。

另外表2.3中詳細(xì)列舉了2系和7系合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況。

表2.32系和7系鋁合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

應(yīng)用部位應(yīng)用的鋁合金

機(jī)身蒙皮2024-T3,7075-T6,7475-T6

機(jī)身桁條7075-T6,7075-T73,7475-T76,7150-T77

機(jī)身框架/隔框2024-T3,7075-T6,7050-T6

機(jī)翼上部蒙皮7075-T6,7150-T6,7055-T77

機(jī)翼下部蒙皮2024-T3,7475-T73

機(jī)翼下部桁條2024-T3,7075-T6,224-T39

機(jī)翼下壁板2024-T3,7075-T6,7175-T73

翼肋和翼梁2024-T3,7010-T76,7150-T77

尾翼2024-T3,7075-T6,7050-T76

九、鋁合金的新發(fā)展一一鋁鋰合金

其實(shí)所謂鋁鋰合金是指含鋰（Li）元素的鋁合金，其中Li并不一定作為最主要的添加元

素存在于合金當(dāng)中，比如2系含Li鋁合金，其主要添加元素是Cu而非Li。以Li為主要添加

元素的合金一般歸入8系一一其他合金系中。

Li是密度最低的金屬元素，其比重僅為0.53,而且在添加Li的鋁合金中，Li在時(shí)效處理

時(shí)能以&相的形式析出，起到沉淀強(qiáng)化作用。所以，含Li鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、模

最大等優(yōu)勢。但因價(jià)格較貴，目前在飛機(jī)結(jié)構(gòu)，特別是在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中用量還不大。但隨

著新型合金性能的改進(jìn)、制造工藝的發(fā)展，含Li合金在飛機(jī)上鋁合金中的比例將會(huì)得到提

injo

西方國家和俄羅斯（前蘇聯(lián)）曾開發(fā)了眾多的含Li鋁合金。西方鋁鋰合金的型號主要

有：2系的2020、2090、2091、2095、2195和2197等，和8系的8090。前蘇聯(lián)在50~60

年代開發(fā)了1420合金，具有焊接性好的優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)度較低，后來在1420中加入Sc（航：），

開發(fā)了1421合金，其強(qiáng)度明顯提高。含Li鋁合金目前在俄羅斯的航空工業(yè)應(yīng)用非常廣泛。

2.2鈦合金

一、純鈦的性質(zhì)

鈦（Ti）的蘊(yùn)藏量僅次于鋁、鐵、鎂，居金屬元素中的第四位。

鈦的熔點(diǎn)高，為1667℃,比鐵的熔點(diǎn)還要高。

鈦的密度4.5g/cm3,北鐵和銅都輕得多。

純鈦隨溫度變化存在固態(tài)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（固態(tài)相變），即在882.5℃這個(gè)溫度上，會(huì)發(fā)生

晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變：

低J-882.5C時(shí)鈦為密排六方晶格，稱為a-Ti；

高于882.5C為鈦為依心立方晶格，稱為B-Ti。

這種固態(tài)相變使鈦合金可以具有a、B或a+0雙相阻合顯微組織，使得鈦合金可以通過

熱處理在較大范圍內(nèi)控制顯微組織，從而控制合金性能。

二、鈦及鈦合金的主要特性

鈦合金相對于鋁合金等其他結(jié)構(gòu)材料，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：

1.比強(qiáng)度高

工業(yè)純鈦強(qiáng)度為350~700Mpa,鈦合金強(qiáng)度可達(dá)1200MPa,和調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼相近，而鈦合

金的密度比鋼低得多，所以具有高的比強(qiáng)度。

2.熱強(qiáng)度高

鈦的熔點(diǎn)高，再結(jié)晶溫度也高，因而鈦及其合金具有較高的熱強(qiáng)度。目前鈦合金使用溫

度可達(dá)到500C,并向600℃發(fā)展。

3.抗蝕性高

鈦表面能形成一層致密、穩(wěn)定的，由氧化物和氮化物組成的保護(hù)膜，具有很好的抗蝕性

能。鈦及其合金在潮濕大氣、海水、氟化性酸（硝酸、珞酸等）和大多數(shù)有機(jī)酸中，抗蝕性

與不銹鋼相當(dāng)，甚至超過了不銹鋼。

同時(shí)，鈦合金的缺點(diǎn)也是十分突出的：

1.切削加工性差

鈦的導(dǎo)熱性差（僅為鐵的仍，鋁的3），摩擦系數(shù)大，切削時(shí)容易升溫，也容易粘刀，

導(dǎo)致切削速度低，降低刀具壽命，影響零件表面光潔度。

2.熱加工工藝性差

在加熱到600c以上時(shí)，鈦及鈦合金極易吸收氫、氮、氧等氣體而使其性能變脆，使得

鑄造、鍛壓、焊接和熱處理等工藝都存在一定的困難。鈦合金的熱加工工藝過程只能在真空

或保護(hù)氣氛中進(jìn)行，這提高了鈦合金件的制造成本。

3.冷加工性差

鈦及其合金的Oo.2/ob比值較高，表明應(yīng)力接近斷裂強(qiáng)度時(shí)才發(fā)生塑性變形，因此塑性

變形困難，也容易導(dǎo)致開裂。

4.硬度低、抗磨性差

鈦合金一般不宜用來制造要求耐磨性高的零件。

三、鈦的合金化

鈦是將氧化鈦與氯氣反應(yīng)得到氯化鈦后，再用金屬M(fèi)g作還原劑還原得到的。初生態(tài)的

鈦因大量吸收空氣中的氧和氮，是海綿狀的，必須經(jīng)真空二次熔煉后才能得到密實(shí)的金屬組

織。

由于鈦的化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡稳蹮挼玫降墓I(yè)純鈦中仍殘存了大最的氧，所以實(shí)際

使用的工業(yè)純鈦實(shí)際上是Ti與0元素構(gòu)成的低合金。工業(yè)純鈦的力學(xué)性能與低碳鋼相似，

具有較高的強(qiáng)度，可直接用于航空產(chǎn)品，常用來制造使用溫度在350c以卜的飛機(jī)構(gòu)件，如

超音速飛機(jī)的蒙皮、構(gòu)架等。

除工業(yè)純鈦外，還可加入其他元素形成具有不同結(jié)構(gòu)和不同性能的鈦合金以滿足不同工

業(yè)部門和具體應(yīng)用的需要。

鈦合金的組織，取決于加入的合金元素是穩(wěn)定a相（即使鈦合金的賞退組織主要包含a

相）的，還是穩(wěn)定0相（即使鈦合金的賞退組織主要包含B相）的。

?鍵合電子數(shù)/原子＜4的合金元素能夠穩(wěn)定a相，如AI和0。所以工、也純鈦的常溫組

織為a相；

?鍵合電子數(shù)/原子＞4的合金元素能夠穩(wěn)定。相，如Mo、V和W等；

?鍵合電子數(shù)/原子=4的合金元素的作用為中性，如Zr、Sn和Si等。

通過控制添加元素的種類和相對含量，即可控制鈦合金的常溫組織，進(jìn)而得到性能特點(diǎn)

相差很大的鈦合金。

按常溫組織的不同，鈦合金可分為三種：

1.a型鈦合金

組織為a固溶體，牌號以TA加序號表示。主要合金元素是AI,還有中性元素Sn和Zr,

均產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，間隙元素0、N起間隙強(qiáng)化作用。合金組織穩(wěn)定，耐熱性高于其他鈦

合金，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度不高，壓力加工性較差，多采用熱壓加工成形。

2.0型鈦合金

組織主要為。固溶體，合金元素含量較高，牌號以TB加序號表示。性能優(yōu)點(diǎn)是室溫強(qiáng)

度高，壓力加工性能較好，成形容易，可通過熱處理強(qiáng)化。缺點(diǎn)是密度較大，冶煉工藝復(fù)雜,

熱穩(wěn)定性差，所以應(yīng)用較少。

3.（a+p）型鈦合金

含有a穩(wěn)定元素和4%~6%的B穩(wěn)定元素，組織為（a+B）兩相固溶體，牌號以TC加序

號表示。該類型鈦合金兼有a型及P型鈦合金的優(yōu)點(diǎn)。力學(xué)性能方面，既有較高的室溫性

能，又有好的高溫強(qiáng)度，型性也較好，應(yīng)用最廣泛。既可以在退火狀態(tài)下使用，又可以在淬

火、時(shí)效狀態(tài)下使用。其中典型型號為TC4合金（TI-6AI-4V）,它具有綜合的機(jī)械性能，組

織穩(wěn)定性高，典型拉伸強(qiáng)度為900MPa,最高工作溫度為400℃。在航空航天、造船工業(yè)中

應(yīng)用廣泛。

這三種鈦合金及其典型牌號的性能特點(diǎn)見圖2.4。

圖2.4鈦合金的性能特點(diǎn)

四、鈦合金在航空航天中的應(yīng)用

1950年，美國首次在F84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上采用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩等非

承力構(gòu)件。

1954年，a+B型鈦合金T.-6AI-4V用于制造J57渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子盤和葉片。

60年代中期，美國疲制成功“全鈦飛機(jī)”SR71（圖2.5）,是鈦合金制造工藝技術(shù)發(fā)展

的一次重大突破，試制成功了鈦合金隔框和起落架梁等大型復(fù)雜鍛件，用鈦量達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)

重量的93%。

圖2.5美國SR71高空高速戰(zhàn)略偵察機(jī)

70年代，鈦合金在軍用飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中的用量迅速增加。在F14和F15飛機(jī)上的用量

占結(jié)構(gòu)重量的25%,在F100和TF39發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量分別達(dá)到25%和33%。

民用飛機(jī)方面，Ti-6A〉4V合金制造的波音747主起落架支承梁模鍛件，每件長6096mm,

寬914mm,重1724kg,至今仍是世界上最大的鈦合金模鍛件。

80年代，出現(xiàn)了斷裂韌性更高的超低間隙元素級的新型合金，超塑成形和擴(kuò)散連接工

藝。鈦合金在B1B超音速轟炸機(jī)和航天飛機(jī)上得到了更廣泛的應(yīng)用。一架B1B飛機(jī)需要90

余噸鈦材。美國的航天飛機(jī)上采用了TI-6AI-4V合金制造的重達(dá)3000kg的傳力結(jié)構(gòu)件。

現(xiàn)有航空航天用鈦合金中，應(yīng)用最廣泛的是多用途a+B型TI-6AI-4V合金和

Ti-6AI-4Zr-2Mo(Ti6242)高溫鈦合金。Ti-6AI-4V合金用7制造工作溫度不超過400℃的各種

飛機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)零件，Ti6242合金用于制造工作溫度在500℃以下的高壓壓氣機(jī)零部件。

TI-6AI-4V合金具有優(yōu)良的綜合性能，用量達(dá)到各種鈦合金總用量的一半以上。

美國F22戰(zhàn)斗機(jī)中鈦合金用量已超過了鋁合金，達(dá)到整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的41%°B777飛機(jī)

中鈦合金的用審已達(dá)到7%。

未來航空航天飛行器及其推力系統(tǒng)，需要不斷提高鈦合金的工作溫度，增大航空發(fā)動(dòng)機(jī)

的推重比。普通鈦合金的最高工作溫度是600℃,進(jìn)一步提高工作溫度受到蠕變強(qiáng)度和抗氧

化能力的限制。80年代發(fā)展的鈦鋁化合物基的高溫鈦合金，具有高溫性能好，抗氧化能力

強(qiáng)，耐腐蝕和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，是制造壓氣機(jī)和低壓渦輪零部件的理想材料。其中Ti3Al為基

的高溫鈦合金，最高工作溫度可達(dá)815°C：TiAl為基的高溫鈦合金，最高工作溫度可達(dá)1040C。

2.3鎂合金

一、純鎂的性能

鎂（Mg）的密度低，僅為1.74g/cm3,約相當(dāng)于鋁的羽，是最輕的結(jié)構(gòu)金屬。

鎂的電極電位很低，在潮濕大氣、淡水、海水及絕大多數(shù)酸、鹽溶液中易受腐蝕。鎂的

化學(xué)活性強(qiáng)，在空氣中也容易氧化，形成的氧化膜疏松多孔，無明顯保護(hù)作用，所以鎂的抗

蝕性很差。用鎂制造結(jié)構(gòu)件時(shí)，需針對使用環(huán)境采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。

力學(xué)性能方面，鎂的強(qiáng)度低，且由于組織為密排六方品格，滑移系少，導(dǎo)致塑性極低，

加工成形困難，所以鎂很少用作主要結(jié)構(gòu)材料。

二、鎂的合金化

鎂經(jīng)過合金化及熱處理后，強(qiáng)度可以達(dá)到300-350Mpao

主要合金元素是鋁、鋅和錦。這些元素在鎂中都有溶解度變化，可以利用熱處理方法（淬

火加時(shí)效）來強(qiáng)化.

加入鎂合金中的鋁、鋅，當(dāng)含量不超過溶解度時(shí)起固溶強(qiáng)化作用。超過溶解度后分別與

鎂形成金屬間化合物Mgi：AI】2和MgZn,在淬火、時(shí)效時(shí)能起到沉淀強(qiáng)化作用。

加入鋅可以改善抗熱性及抗蝕性。

加入錯(cuò)（Zr）可以使鎂合金的晶粒細(xì)化。

三、鎂合金的分類與編號

按加工工藝可分為變形鎂合金與鑄造鎂合金：

?變形鎂合金牌號以“MB”加數(shù)字表示，如MB1、MB2等；

?鑄造鎂合金以牌號“ZM”加數(shù)字表示，如ZM1、ZM2等。

四、鎂合金的性能特點(diǎn)

1.比強(qiáng)度高

鎂合金強(qiáng)度雖然比鋁合金低，但由于密度小，所以比強(qiáng)度高于鋁合金。

2.減振性好

鎂合金彈性模量小，受外力作用時(shí)彈性變形功較大，即吸收能量較多，所以能承受較大

的沖擊振動(dòng)載荷。

3.切削加工性能好

可以采用高速切削，也易于進(jìn)行研磨和拋光。

4.抗蝕性差

使用時(shí)要采取防護(hù)措施，如氧化處理、涂漆等。鎂合金零件與其他高電位材料的零件(如

鋼、銅零件)組裝時(shí)，在接觸面上應(yīng)采取絕緣措施，以防止產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

五、鎂合金航空工業(yè)中的應(yīng)用

1.變形鎂合金

航空工業(yè)上應(yīng)用較多的為MB15,屬M(fèi)g-Zn-Zr系合金。它的性能特點(diǎn)是強(qiáng)度高：是常用

變形鎂合金中抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高的；可以熱處理強(qiáng)化：Zn在Mg中的溶解度隨溫度

的變化大，時(shí)效處理時(shí)能形成強(qiáng)化相MgZno

2.鑄造鎂合金

ZM1(Mg-Zn-Zr)和ZM2(Mg-RE-Zn-Zr)屬于高強(qiáng)度鑄造鎂合金，具有較高的常溫強(qiáng)度

和良好的鑄造性能，但耐熱性差，長期工作溫度不能超過ISO。。.

ZM3(Mg-Ce-Zn-Zr)屬于耐熱鑄造鎂合金，常溫強(qiáng)度較低，耐熱性好，可以在200~250c

長期工作。

航空工業(yè)上應(yīng)用較多的是ZM5合金，屬M(fèi)g-AI系。AI含量較高，能形成較多的MgnAln

強(qiáng)化相，可以采用熱處理強(qiáng)化。

應(yīng)當(dāng)說明的是，由于鎂合金耐蝕性差，零件需要進(jìn)行專門的表面防護(hù)處理，所以使用受

到一定的限制。而且隨著先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展，與之相比鎂合金在比強(qiáng)度方面并無優(yōu)勢，所

以在新型飛機(jī)上應(yīng)用鎂合金已經(jīng)很少了。

第三章鐵合金

3.1鐵碳合金

一、純鐵的性質(zhì)

鐵（Fe）,原子序數(shù)26,是一種重要的過渡金屬元素。

純鐵是光亮的銀白色金屬，密度7.86g/cm3,熔點(diǎn)1535C,沸點(diǎn)2750C。

純鐵的抗蝕力相當(dāng)強(qiáng)，但通常的鐵都含有碳和其它元素，因而抗蝕力也減弱。含有雜質(zhì)

的鐵在潮濕空氣中容易生銹。

快有延展性和導(dǎo)熱性。也能導(dǎo)電。但導(dǎo)電性比銅、侶都差。

鐵能被磁體吸引，在磁場作用下，鐵自身也能產(chǎn)生磁性。

冷的濃硝酸或冷的濃琉酸能使鐵鈍化。但鐵能溶于稀酸。加熱時(shí)能同鹵素、硫、磷、硅、

碳等非金屬反應(yīng)，但同氮不能直接化合。氮化鐵須在氨氣中加熱生成。

重要礦石有赤鐵礦（Fe2O3）.褐鐵礦（Fe2O3?砒0）、磁鐵礦（Fe3O4）和菱鐵礦（FeCO3）

等。

純鐵可由氫氣還原純氧化鐵而得，還原鐵粉可用于粉末冶金。

二、煉鐵與煉鋼

1.煉鐵

煉鐵是將鐵礦砂在熔爐（高爐）中提煉成鐵的過程。

煉鐵時(shí)，自高爐上方將鐵礦砂、焦炭、石灰石等交互投入，熱風(fēng)爐加熱過的空氣由高爐

下部風(fēng)口吹入，爐內(nèi)焦炭燃燒生成1500℃高溫，產(chǎn)生一氧化碳（CO）爐氣自爐中上升，一

氧化碳把鐵礦砂還原；鐵水自爐下方出口流出，暫貯并運(yùn)到煉鋼工場，澆鑄成鐵錠（圖3.1）。

圖3.1高爐構(gòu)造及煉鐵時(shí)的爐內(nèi)反應(yīng)

A.爐喉；B.爐身；C.爐腰：D.爐腹；E.爐缸

1.大料鐘;2.小料鐘;3.煤氣導(dǎo)出管：4.料車:5.斜橋：6.熱大圍管:7.風(fēng)口:8.出鐵口:9.出港口

2.煉鋼

由于生鐵中含碳量很高，煉鋼時(shí)需要根據(jù)要求把生鐵中的含碳量去除到規(guī)定范圍（降

碳），并使其它元素的含量減少或增加到規(guī)定范圍（去硫磷、調(diào)硅鎰含量）。

煉鋼基本上是一個(gè)氧化過程，是用不同來源的氧（如空氣中的氧、純氧氣、鐵礦石中的

氧）來氧化鐵水中的碳、硅、缽等元素。

煉鋼常用平爐、轉(zhuǎn)爐和電爐。圖3.2是現(xiàn)代平爐煉鋼過程的示意圖。

圖3.2平爐結(jié)構(gòu)圖

由鐵的冶煉過程可知，實(shí)際應(yīng)用鋼鐵都含有碳，所以它們都是鐵碳合金.

實(shí)際使用的鋼鐵材料，含碳量都不超過5%,因?yàn)楹剂砍^5%的鐵碳合金，性能太脆,

沒有實(shí)用價(jià)值。

三、鐵-碳合金的基本相和基本組織

與鈦相似，純鐵也存在固態(tài)相變一一同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵在從熔點(diǎn)到常溫的冷卻過程中

經(jīng)歷如下晶體結(jié)構(gòu)的變化：

6Fe（體心立方）好yFe（面心立方）->aFe（體心立方）

在鐵碳合金中碳的不同存在方式會(huì)形成不同的相：

1.C溶于不同的Fe晶格中形成固溶體：

■溶于SFe中形成6相固溶體，只在高溫下存在，實(shí)際意義不大；

■溶于yFe中形成v相固溶體，最大溶碳量為2.11%；

■溶于aFe中形成a相固溶體，溶碳量很少。

2.不能溶于固溶體的碳以鐵-碳化合物的形式存在：

常用鐵合金中的鐵-碳化合物是滲碳體：Fe3C。

所以，鐵碳合金的常溫組織是由V相固溶體、a相固溶體和滲碳體（Fe3C）三種相構(gòu)成

的。

這些基本相以不同的比例和形式構(gòu)成不同的基本組織:

1.鐵素體（F）組織

由a相固溶體構(gòu)成的單相組織。其機(jī)械性能與純鐵很接近，強(qiáng)度、硬度低而塑性、韌

性好。

2.奧氏體（A）組織

由Y相固溶體構(gòu)成的單相組織。屬于高溫組織。塑性好，但強(qiáng)度不高。對鐵合金進(jìn)行鍛

造等壓力加工時(shí)經(jīng)常需要將其加熱，轉(zhuǎn)化為單一奧氏體組織，以獲得較好的塑性，減小變形

抗力，改善工藝性能。

3.滲碳體（Fe3C）組織

由F/C這種金屬間化合物構(gòu)成的單相組織。Fe3c具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，機(jī)械性能特點(diǎn)是硬

而脆。包含較多滲碳體組織的鐵合金通常具有較高的強(qiáng)度和硬度。

4.珠光體（P）

由a相固溶體與滲碳體通過機(jī)械混合形成的雙相組織。珠光體具有鐵素體與滲碳體的

綜合機(jī)械性能，即硬度和強(qiáng)度較高，同時(shí)具有一定的塑性和韌性。

5.萊氏體（Le）

由V相固溶體與滲碳體形成的共晶體，僅存在于鑄鐵中。

化學(xué)成分不同、熱處理工藝不同的鐵-碳合金的組織構(gòu)成有很大區(qū)別，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械性

能區(qū)別十分顯著。

四、鐵碳合金的狀態(tài)圖

狀態(tài)圖是描述鐵-碳合金在平衡狀態(tài)下，組織隨溫度和成分的變化的圖形。

圖3.3鐵碳合金狀態(tài)圖

鐵碳合金的狀態(tài)圖中按含碳量的大小可分為三個(gè)部分：最左端，含碳量＜0.02%的是工業(yè)

純鐵;含碳量在0.02~2.11%的是碳鋼；含碳量＞2.11%的是鑄鐵。

其中碳鋼還可分為：

?共析鋼：wc=0.77%,常溫組織為珠光體：

?亞共析鋼：wc在0.02%~0.77%之間，常溫組織為鐵素體+珠光體；

?過共析鋼：wc在0.77%~2.11%之間，常溫組織為珠光體+滲碳體。

鑄鐵可分為：

?共晶白口鐵：

wc=4.3%;

?亞共晶白口鐵：wc在2.11%~4.3%之間；

?過共晶白口鐵：Wc在4.3%~6.69%之間。

五、雜質(zhì)元素對鋼性能的影響

1.硅與缽

這兩種元素是在煉鋼時(shí)加入硅鐵和缽鐵脫氧而殘留在鋼中的。作為雜質(zhì)存在時(shí).，硅的含

量約為0.17~0.37%；缽的含量約為0.5~0.8%,超過以上含量時(shí)，就作為有意加入的合金元素

了。

硅和錦都能有限溶解于鐵素體中，起固溶強(qiáng)化作用，使鋼的硬度、強(qiáng)度增加。

2.硫與磷

硫是在煉鋼時(shí)無法除盡的有害雜質(zhì)。

硫與鐵可以形成FeS化合物，通常分布在晶界上，與鐵形成低熔點(diǎn)共晶體（985℃）.鋼

在鍛造或軋制時(shí)要加熱到12CXTC,這時(shí)晶界上的低熔點(diǎn)共晶體會(huì)發(fā)生熔化，導(dǎo)致鋼材在熱

壓加工過程中發(fā)生開裂。這種高溫開裂成為“熱脆性”。因此鋼中的含硫量要嚴(yán)格控制。普

通鋼中的含硫量不能超過0.055%。

德與硫的親和力比鐵與硫的親和力大。鋼中含有硫時(shí)，硫先與錦形成MnS化合物。MnS

熔點(diǎn)高（1600C）,在高溫下還有一定塑性，可以消除鋼的熱脆性。

磷也是無法除盡的有害雜質(zhì)。磷可以溶于鐵素體中，使鋼的強(qiáng)度和硬度增加，但劇烈地

降低鋼的塑性和韌性。特別在低溫時(shí)，由于磷的作用，便鋼的性能變脆，這種現(xiàn)象叫做鋼的

“冷脆性”.磷在鋼中的含量也要嚴(yán)格控制，普通鋼中的磷含量不超過0QS5%.

六、碳鋼的分類

按用途分：

?碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造受力的工程構(gòu)件（船舶、橋梁、建筑構(gòu)建等）和機(jī)械零

件（齒輪、螺釘、軸、連桿等）；

?碳素工具鋼：主要用于制造硬度高的刃具、量具和模具等。

按含碳量分：

?低碳鋼：wc<=0.25%：

?中碳鋼：wc在0.25P6%之間；

?高碳鋼：Wc>=0.6%a

按鋼的質(zhì)量分：

?普通碳素鋼

?優(yōu)質(zhì)碳素鋼

?高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼

七、鋼的熱處理

狀態(tài)圖中的組織都是平衡狀態(tài)下的組織，往往不能滿足機(jī)械零件在使用過程的要求。為

了滿足工業(yè)應(yīng)用對于零件的各種性能要求，采取的主要措施之一，就是對金屬材料進(jìn)行熱處

理。

熱處理:在固態(tài)下，將金屬或合金以一定的加熱速度，加熱到預(yù)定的溫度，保溫一定的

時(shí)間，然后以預(yù)定的冷卻速度進(jìn)行冷卻的工藝方法。

加熱是熱處理的第一步，目的是為了獲得成分均勻、晶粒細(xì)小的奧氏體組織，為冷卻轉(zhuǎn)

變做好準(zhǔn)備。

冷卻時(shí)，依冷卻速度不同，可分為不同的熱處理工藝，冷卻后得到的常溫組織和鋼的性

能也不同。

1.退火

緩慢冷卻「?般為隨爐冷卻），得到珠光體型組織的熱處理工藝。由于組織在加熱和冷

卻時(shí)重新發(fā)生轉(zhuǎn)變，退火可以得到如下目的：

■改善鋼的組織，得到細(xì)小的晶粒；

■降低硬度，提高塑性，改善冷壓和切削等工藝性；

■改善組織，消除應(yīng)力。

2.正火

空冷，冷卻速度稍快。正火組織比退火組織具有較高的強(qiáng)度和硬度。正火的主要作用是:

■均勻、細(xì)化組織；

■可以消除某些異常組織，如過共析鋼中的網(wǎng)狀滲碳體、亞共析鋼鑄件中的針狀鐵素

體；

■改善低碳鋼的切削加工性：

■對于一般的結(jié)構(gòu)零件?，可以作為最終熱處理，得到一定強(qiáng)度與較好韌性相結(jié)合的機(jī)

械性能。

3.淬火和回火

高溫奧氏體化后，以很快的速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（過飽和固溶體），提高

了硬度和耐磨性?；鼗鹗菍⒋慊鸷蟮匿摷訜岬脚R界溫度下某一溫度，保溫后以一定冷卻速度

（空冷或更快的冷卻速度）冷卻到室溫的工藝操作。回火是淬火后必不可少的后繼工序。通

過回火，可以：

■獲得所需要的機(jī)械性能；

■穩(wěn)定組織，穩(wěn)定尺寸；

■消除淬火應(yīng)力。

改變熱處理中的工藝參數(shù)，可以使合金獲得不同的組織和性能，以滿足生產(chǎn)要求。

金屬或合金經(jīng)過熱處理，可以挖掘材料潛力，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長使用壽命。

有些零件表面要求高的硬度和耐磨性，心部要求一定的強(qiáng)度和韌性，可通過表面熱處理

獲得這種綜合性能。常用的表面熱處理工藝是表面淬火。

表面建火是將零件的表面迅速加熱到臨界溫度以上，轉(zhuǎn)變成奧氏體,隨即進(jìn)行淬火冷卻，

使表面組織成為馬氏體，再進(jìn)行低溫回火，保持高硬度、高耐磨性；而心部仍保持原始組織

和原有性能。

最常用的表面淬火力法是高頻感應(yīng)加熱淬火。

除采用表面淬火外，還可進(jìn)行化學(xué)熱處理，即將工件在特定的介質(zhì)中加熱到一定溫度并

保溫，使表面化學(xué)成分發(fā)生變化，從而改變金屬表面組織與性能。通過化學(xué)熱處理可提高表

面硬度、耐磨性、抗疲勞性能，還可以提高耐蝕性和耐熱性。

最常用的是滲碳、滲氮和碳氮共滲等。此外，按滲入元素不同，還有滲鋁、滲銘、滲硼

和滲硅等等。

3.2合金鋼

碳鋼雖然價(jià)格便宜，也有一定機(jī)械性能，但綜合機(jī)械性能不高，淬透性很小，不具備某

些特殊性能（抗蝕、耐熱等）。

航空產(chǎn)品當(dāng)中的鋼多為合金鋼。

合金鋼，是為了獲得所需要的組織和性能而加入合金元素的鋼。

對鋼進(jìn)行合金化的目的是為了提高機(jī)械性能、提高淬透性，使鋼獲得某些特殊性能（耐

蝕、耐高溫等）。

一、鐵的合金化

加入的合金元素與碳類似，可以溶于鐵素體，或溶于滲碳體，或者與碳形成碳化物。

按能否與碳形成碳化物，可將合金元素分為：

1.非碳化物形成元素

只溶于鐵素體，不形成碳化物。銀、硅、鋁、鉆、銅等。起固溶強(qiáng)化作用。合金鐵素體

的硬度隨合金元素含量增加而增高。合金元素過多，會(huì)導(dǎo)致鐵素體韌性下降。

2.碳化物形成元素

能形成碳化物，也能溶于鐵素體。錦、銘、鐺、鉗、帆、鈦、銅等，合金碳化物的硬度

高，提高耐磨性；加熱時(shí)合金碳化物不熔于奧氏體，阻止奧氏體晶粒長大，使奧氏體保持細(xì)

小的晶粒。

二、合金鋼的分類和編號

按用途分：

?結(jié)構(gòu)鋼：制造零件；

?工具鋼：

?特殊鋼：制造有特殊要求的零件，不銹鋼，耐熱鋼。

按化學(xué)成分分：

?低合金鋼：合金元素總含量小于5%；

?中合金鋼：合金元素總含量在5%~10%之間；

?高合金鋼：合金元素總含量大于10%。

合金鋼的編號以含碳量+合金元素及其含量表示：

?鋼號前2位數(shù)字表示平均含碳量（單位為0.01%）；

?所含合金元素用化學(xué)符號或漢字表示，其后的數(shù)字為合金元素的平均含量（單位為

1%）;