1、2020/7/26,1,作業(yè)：,1、什么叫做抗拉強度、屈服強度、應(yīng)力、應(yīng)變、冷變形強化、再結(jié)晶？ 抗拉強度：材料因拉引而斷裂的應(yīng)力，用b 表示。 屈服強度：材料在外力作用下發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力，用s表示 。 應(yīng)力：單位橫截面積所受載荷P 的作用力，稱為應(yīng)力，以表示。 應(yīng)變 ： 單位長度材料伸長的百分率 金屬在發(fā)生塑性變形后，強度增加而塑性下降的現(xiàn)象稱為冷變形強化或形變硬化。 再結(jié)晶：當冷變形金屬加熱到足夠高的溫度以后，會在變形最劇烈的區(qū)域產(chǎn)生新的等軸晶粒來代替原來的變形晶粒，這個過程稱為再結(jié)晶。,2020/7/26,2,2、抗拉強度與斷裂韌性有什么不同？ 抗拉強度：b 材料因拉引而斷裂的應(yīng)力

2、。斷裂韌性：材料存在裂紋時，應(yīng)力遠小于抗拉強度b發(fā)生低應(yīng)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(diào)有裂紋的存在，以及裂紋的影響。,2020/7/26,3,3、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(yīng)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

3、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(yīng)力引起的，不論在什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下，只要材料內(nèi)某處的最大剪應(yīng)力達到屈服的最大值，變形由彈性向塑性轉(zhuǎn)變，位錯滑移就向著變形方向自動進行，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。,2020/7/26,4,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；,2020/7/26,5,1854年法國人用鈉代替鉀還原NaCl.AlC13絡(luò)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

4、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。,2020/7/26,6,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,2020/7/26,7,現(xiàn)代鋁工業(yè)有三個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)： 從鋁土礦提取純氧化鋁； 用冰晶石氧化鋁融鹽電解法生產(chǎn)金屬鋁； 鋁加工。,2020/7/26,8,氧化鋁的生產(chǎn)： 將鋁礬土(Al含量5461)，溶解于堿溶液，提取鋁酸鈉，再把鋁酸鈉放入回轉(zhuǎn)窯在125

5、0 1300下燃燒制得氧化鋁。,2020/7/26,9,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+CO,2020/7/26,10,二、鋁的化學(xué)性質(zhì),鋁熔點為660，密度2.7g/cm3, 導(dǎo)電性好，僅次于Ag和Cu； 鋁的化學(xué)性質(zhì)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(jié)構(gòu)，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。,2020/7/26,11,三、鋁合金的特點 (1) 耐蝕性好 極易生成Al2O3膜(

6、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(zhì)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(xué)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,2020/7/26,12,(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(yīng)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。,2020/7/26,

7、13,航空航天應(yīng)用：運載火箭及各種航天器的主要結(jié)構(gòu)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(wù)員艙等也都采用了鋁合金作為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料；神七的主要結(jié)構(gòu)材料和蒙皮； 波音747客機：18.6噸。 我國導(dǎo)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1520年，少數(shù)材料的差距較小，大致10年左右。,2020/7/26,14,在大多數(shù)國家鋁的主要使用領(lǐng)域是民用： 建筑與結(jié)構(gòu)； 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l0kga(年)； 而我國則不到0.5kga(年)。,2020/7

8、/26,15,四、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。,2020/7/26,16,1、固溶強化 固溶體：溶質(zhì)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(zhì)及固溶度 特點：提高強度、不降低塑性，便于加工。,2020/7/26,17,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(dǎo)致鋁合金

9、在受力時的變形比較困難。,固溶強化的示意圖,2020/7/26,18,強化效果 ： 例如A1-4Cu-0.5Mg的合金，固溶強化可以便其抗拉強度從200MPa提高到300MPa。 1MPa=10kg/cm2,2020/7/26,19,2、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,2020/7/26,20,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(jié)構(gòu)越復(fù)雜，強化效果越好,2020/7/2

10、6,21,Zn、Si、Mg5Al8等相的時效強化效果差 ； CuAl2(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A1-4Cu-0.5Mg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)。,2020/7/26,22,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),2020/7/26,23,3、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

11、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(guān)。 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。,2020/7/26,24,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(xué)顯微留下觀察不到； 過剩相則比較粗大，用光學(xué)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。,2020/7/26,25,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,

12、2020/7/26,26,4、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(zhì)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。,2020/7/26,27,晶粒細化的方法： 變形合金：冷加工變形和再結(jié)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

13、物小顆粒。 例如：在含1.5Mn的鋁合金都加入0.09%的鈦后，晶粒即被強烈細化,2020/7/26,28,五、提高鋁合金高溫力學(xué)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(jié)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(jié)晶的作用，使再結(jié)晶溫度明顯提高。,2020/7/26,29,六、 鋁合金的熱處理,熱處理： 是將金屬材料在固態(tài)范圍內(nèi)，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(jié)構(gòu)與性能的工藝方法。,2020/7/26,30

14、,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,2020/7/26,31,2、 退火 回火、再結(jié)晶退火、均勻化退火 1、低溫退火（也叫回火或去應(yīng)力退火） 把合金加熱到比較低的溫度(低于該合金的再結(jié)晶溫度)，保溫后緩慢冷卻到室溫的工藝。 作用： 消除加工的內(nèi)應(yīng)力，細晶細小，實現(xiàn)變形強化。,2020/7/26,32,2、再結(jié)晶退火(中間退火) 將經(jīng)冷變形的金屬，加熱到再結(jié)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(jié)晶

15、過程是一個形核和核長大的過程。 作用：反復(fù)加工,2020/7/26,33,3、均勻化退火： 冶煉的鑄錠存在嚴重的晶內(nèi)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2040）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。,2020/7/26,34,四、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(yīng)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、

16、細晶強化；無變形強化 直接通過鑄造而成為零件，不能加工。,2020/7/26,35,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。,2020/7/26,36,典型鋁合金的主要成份,2020/7/26,37,第二節(jié) 鋁-鋰合金,定義：含鋰量為1%4%(質(zhì)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

17、%。 可以使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%20%，結(jié)構(gòu)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 .,2020/7/26,38,2020/7/26,39,2.1 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(guān)的內(nèi)容,2020/7/26,40,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、

18、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(yīng)，從而使金屬鈦的提取工藝非常復(fù)雜和困難。 193040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。,2020/7/26,41,1937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。 8090%用于國防工業(yè)，航空航天，部分用作生物材料。,2020/7/26,42,主要是成本高： (1)耗電大，44kWh(度)/k

19、g；成本高。 鋼：2.4kWh/kg; Cu: 11.7kWh/kg; Al: 25.6kWh/kg. (2)工藝復(fù)雜,2020/7/26,43,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10001100K，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。 TiCl42Mg2MgC12Ti 4、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。,2020/7/26,44,二、鈦的化學(xué)性質(zhì) 熔點1660，沸點3287，密度4.5g/cm3，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性差； 鈦的

20、化學(xué)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300600 ，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。,2020/7/26,45,二、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！,2020/7/26,46,(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(gòu)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(yīng)用而不發(fā)生脆性破壞； 450500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(yīng)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(guān)節(jié)、人造牙齒等。,2020/7/26,47,(4)“超塑性成型”，“超塑性擴散連接”, 制造任何形狀復(fù)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4060，減輕重量3050。,2020/7/26,48,三、鈦合