航空金属材料幻灯片.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章,航空材料,1,航空材料的分类：,按化学组成,(,或基本组成,),分类,(1),金属材料：,由金属元素或以金属元素为主体组成的具有金属特性的材料。,(2),无机非金属材料：无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和,(,或,),氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。,它与广义的陶瓷材料有等同的含义。,2,高分子材料,(,聚合物,),：,由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。,橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。,3,复合材料：,由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。,复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。,2004,年度国家技术发明奖一等奖：,高性能炭,/,炭航空制动材料的制备技术,(,中南大学黄伯云院士等,),耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术,(,西北工业大学张立同院士等,),4,第一节,航空金属材料,5,一、金属材料及影响其性能的因素：,金属材料分为：,纯金属和合金。,金属特性：,导电性、导热性、延展性、光泽性、正的电阻温度系数。例如：钢、铁、铜、铝等。,影响其性能的因素：,化学成分：,组成物质的基本元素及其含量。化学成分主要由冶炼和铸造控制，特别是靠冶炼来保证。,化学成分不同，金属材料的性能不同。,6,结构：,原子在空间有规律排列的形式,(,原子集合体中各原子的具体组合状态,),。,例如：石墨和金刚石。,结构不同，性能不同。,7,组织：,用肉眼和借助于不同放大倍数的显微镜观察到的金属材料内部各种相的晶粒大小、形态和分布。,不同成分具有不同的组织；,同种成分不同的加工、处理工艺可获得不同的组织。,组织不同，性能也不同。,左图为,AlSi,合金的共晶组织,8,金属铸锭组织,9,成分,-,结构,-,性质,-,工艺过程之间关系示意图,合成与制备过程,使用性能,性质,成分与结构,(,化学,),(,工程,),(,物理学,),10,金属材料的成分不同，结构组织不同，性能不同。,改变金属材料的性能：,内在因素,成分、结构、组织,外在因素,各种加工处理工艺,(,外在因素通过改变内在因素改变材料的性能,),11,二、金属材料的性能：,零件的加工过程：,冶炼 下料,(,锻件、铸造件,),预先热处理 机加工 最终热处理 磨削,装配 使用,对金属材料性能要求：,工艺性能，使用性能。,12,工艺性能：能适应实际生产工艺要求的能力。在于能不能保证生产、制作。,包括：,铸造性能,流动性，收缩性，偏析等；,锻造性能,固态流动性，冷变形硬化能力等；,以及切削加工性能，热处理性能，焊接性能。,使用性能：在使用中应具备的性能。在于保证能不能应用。,包括：物理性能，化学性能，机械性能,(,强度、硬度、塑性、韧性,),13,1,、金属键的“自由电子”模型,金属原子的最外层价电子脱离原子核的束缚，形成“自由电子”或称“离域电子”。这些电子与正离子吸引形成金属晶体。金属的这种结合力成为,金属键,。,金属的一般特性 都是和金属中存在这种“自由电子”模型。,三、金属的结构理论,14,固体能带理论是关于晶体的量子理论对于金属中的能带，常用“紧束缚近似（,TBA,）”模型，它,相当于分子中,LCAO-MO,在晶体中,的推广,：,2,、固体能带理论,15,分,子,轨,道,能,级,演,变,成,能,带,的,示,意,图,16,根据能带的分布和电子填充情况，能带有不同的性质和名称：,充满电子的能带叫,满带,部分能级充满的能带叫,导带,能级最高的满带和导带总称,价带,完全没有电子的能带叫,空带,各能带间不能填充电子的区域叫,带隙,，又称,禁带,17,单价金属,Na,的能带结构,导体的能带结构特征是具有导带,Na,的能带结构:,1s,、,2s,、,2p,能带都是满带，而3,s,能带中只填充了其中,N,2,个轨道，是部分填充电子的能带，即导带,3,s,2,p,2,s,1,s,18,Mg,的3,s,能带虽已填满，但与3,p,空带重叠，总体看来也是导带,3,s,与,3,p,金属,Mg,的能带结构,19,绝缘体,E,g,5 eV,只有满带和空带，且,E,g,超过5,eV,在一般电场条件下难以将满带电子激发入空带，因此不能形成导带.,20,E,g,3 eV,只有满带和空带，但,E,g,小于3,eV,易受光或热激发使满带中部分电子跃迁到空带，形成导带而导电,半导体,21,金属单质晶体结构比较简单,这与金属键密切相关:由于金属键没有方向性和饱和性，大多数金属元素按照等径圆球密堆积的几何方式构成金属单质晶体，主要有立方面心最密堆积、六方最密堆积和立方体心密堆积三种类型.,3,、球的密堆积,22,等径圆球以最密集的方式排成一列（密置列），进而并置成一层（密置层），再叠成两层（密置双层），都只有一种方式：,3,.1,等径圆球最密堆积,23,请,点,击,按,钮,打,开,晶,体,模,型,24,密置层如何叠起来形成密堆积?先考察一个密置层的结构特点：,等径圆球的密堆积,25,从一个密置层上，可以看出这样几点：,1.,层上有3个特殊位置:球的顶部,A、,上三角凹坑,B,和下三角凹坑,C.,以该层为参照层，称为,A,层;,2.,叠加到,A,层上的第二层各个球只能置于凹坑,B,或,C.,由于上下三角只是相对而言,故称第二层为,B,层;,3.,第三层叠加到第二层,B,上时，只可能是,C,或,A,层,;,4.无论叠加多少层，最多只有,A、B、C,三种,最少有,A、B,两种(因为相邻层不会同名);,5.若以后各层均按此方式循环,每三层重复一次，或每两层重复一次，就只会产生两种结构：,26,这两种最密堆积是金属单质晶体的典型结构.,（2）,ABABAB,即每两层重复一次,称为,A,3,(或,A3,)型,从中可取出六方晶胞。,（1）,ABCABC,即每三层重复一次,这种结构称为,A,1,(或,A1,)型,从中可以取出立方面心晶胞;,27,A,3,堆积：,ABAB,请点击按钮打开晶体模型,28,3.2,小结:几种典型的金属单质晶体结构,29,四、钛及其合金,钛及其合金的发展历程,钛及其合金的分类,钛合金在航空航天中应用,30,1.1,钛的发现,钛元素于,1791,年被英国人格雷戈尔首先发现,工业矿是,金红石,(,TiO2,),和,钛铁矿。,(,含量,60%),地壳中未发现过,纯钛。,钛及其合金的发展历程,31,1.2,、钛的制备与发展,钠还原法原理,TiCl,4,+4Na Ti+4NaCl(1),1932,年,Kroll,使用,Ca,代替了钠制备钛,TiCl,4,+2Ca Ti+2CaCl,2,(2),被誉为,“,钛工业之父,”,32,镁还原法原理,TiCl,4,+2Mg Ti+2MgCl,2,这种方法有两个过程：,还原,和,蒸馏,制得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础。,1948,年，美国杜邦公司,首先,商业化生产,金属钛,。但由于制纯钛,难度大,，钛的,价格非常高,。,中国继美、日、前苏联之后，于,1958,年开始钛的生产。,33,TiCl,4,和,Mg,分子吸附在活性中心,TiCl,4,液体的气化,发生化,学反应,结晶,成核,钛晶,长大,MgCl,2,脱附,MgCl,2,外扩散,还原过程,海绵钛,气体,TiCl,4,和液体,Mg,的外扩散,34,1.3,钛合金的发展,20,世纪,50,年代,第一个钛合金,B120 VCA,。合金,(Ti-13V-11Cr-6Al),由美国,Crucibl,钢铁公司研制出来。,第一个商业钛合金，,由德国,Rem Cru,公司研制出来的,35,SR-71,“,黑鸟,”,飞机,机体重量的,93%,为钛合金,36,1968,年，,钛合金,Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr,可以作为高强度锻件；,20,世纪,70,年代初期，此合金作中温,(,低于,425,),范围的,发动机盘,37,20,世纪,80,年代中期，用于,B-1B,轰炸机,上,B-1B,轰炸机,38,1990,年，普惠公司的,Ti-35V-15Cr,钛合金，具有,抗燃烧性,39,1.4,、我国研究现状,“,九五,”,期间研制出,超高强,钛合金,21,(,TB8,),钛合金,“,十一五,”,期间研制,高强度亚稳,钛合金,Ti-B20,抗拉强度：,1200,1500,MPa,；,延伸率：,8%,18%,40,钛：熔点,低,于,882,，呈,密排六方晶格,(h.c.p),结构，称为,钛；,钛及其合金的分类,钛：熔点,高,于,882,，呈,体心立方晶格,(b.c.c),结构，称为,钛。,构型,2.1,钛的分类,41,钛,钛,42,2.2,钛的基本性质,钛及钛合金的高速发展，是与航空和航天技术的发展以及其本身特有的优异性能分不开的,;,美国注重,宇航,用钛合金及其他各方面应用，同时开发新的应用领域；日本则注重发展,非宇航,领域用新型钛合金。,在,400500,间的,耐热性,远比,Al,合金和,Mg,合金高,;,有与,18-8,不锈钢相比媲美的,耐蚀性,，特别是在海水和含氨介质中的抗蚀性几乎与空气中相同,;,钛及钛合的,强度,与优质钢相近，但密度只有钢的一半，比强度最高,;,化学活性极高，与,Cl,O,S,C,N,等强烈反应,(,高温下,),，液态下几乎同,ThO,2,以外的所有坩埚起反应，只能用真空电耗电弧炉熔炼；,43,钛的,低温性能,很好,;,可焊性好,；具有良好的冲压性能；但耐磨性较差；,弹性模量较低,(120GPa),，约为铁的,54%;,导热系数及线胀系数均较低,。其导热系数比铁低,4.5,倍，使用时易产生温度梯度及热应力。,钛的导磁率近乎为,1.0,，非磁性,(,严格说为顺磁性,),。,制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加,80%,。同时，由于钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。,钛对超声波的阻抗较小，透声系数较高，,适于做声纳导流罩之类材料。,钛具有优良的生物相容性且无毒、质轻、强度高，,是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的材料。,44,2.3,生产方法,镁热法生产海绵钛,TiO,2,+C+Cl,2,TiCl,4,(,液态,)+2CO,Mg+TiCl,4,=MgCl,4,+Ti,纯度可达,99.5%,。海绵钛是多孔金属，易吸收空气中水分、氧气及氮气，因此海绵钛必须用铁桶密封包装。,碘化法钛,(,高纯钛,),分解,TiI,4,生产的，纯度可达,99.9%,。,45,海绵钛：通过热还原法生产出来的,海绵状,金属钛；,钛材：海绵钛通过,高温熔化,成液体，,锭铸成材。,形状,46,2.4,分类、牌号与用途,钛合金,性能：,单相合金,组织稳定,，,耐磨,性,高,于纯钛，,抗氧化,能力,强,。,500,600,下，其,强度,和,抗蠕变,性不变，但,不能,进行,热处理强化，室温强度不高,，塑性不高,。,牌号,：,TA1-TA8,。,TA1-TA3,为工业纯钛。,47,组织,：,相，含有,相稳定元素,(Al),及一些中性强化元素,(Zr,Sn),。,当加入少量,相稳定元素时，可以得到近,-,钛合金，显微组织上除,相基体外，还有少量,相。典型的钛合金有,Ti-8Al-1Mo-lV,等。,48,用途,航空工业中最常用的一种,-Ti,合金，多以板、棒材等制造在,350,以下工作的零件，用于飞机、船舶、化工以及海水淡化装置等。,TA4-TA6,：,作钛合金的焊丝材料；,TA7,：,500,以下长期工作零件，如飞机蒙皮、航空模锻件。,TA8,：,室温与高温强度较,TA7,高，可作发动机压气机盘、叶片等。,49,表一,钛合金的牌号与成分,50,钛合金,性能：,单相合金,未热处理,具有,较高的强度,，优良的,断裂韧性,塑性,加工性能优异,淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达,1372,1666 MPa,；但,热稳定,性较,差，,工作温度低于,200,度。,牌号：,TB,51,组织：,目前有两种：,退火态：稳定,淬火后：形成介稳定相,，在工业上常用；,用途：,适用于制造螺栓、铆钉、冷轧板材、带材等，用于宇航工业的结构材料，,广泛用于航空航天领域。,52,表二,钛合金的牌号与主要化学成分,53,+,钛合金,性能：,双相合金,，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的,韧性,、,塑性,和,高温变形,性能，能较好地进行,热压力加工,，能进行淬火、时效使合金强化，但焊接性能较差。,牌号,用,TC,表示，,TC1-TC10,54,组织：,含有较多的,相稳定元素和,相稳定元素。这些相的金相形态和数量依成分、热加工变形和热处理方式而异。这类合金可经处理得到很高的强度水平，典型例子有,Ti-6Al-4V,。,Ti-6Al-4V(TC4),合金至今仍是使用最广泛的钛合金。,TC1,，,TC2,：,Ti Al-Mn,系,TC3,，,TC4,，,TC10,：,Ti Al-V,系,用途：可用作火箭发动机外壳、航空发动机的压气机盘和结构锻件与紧固件。,55,钛合金在航空航天工业中的应用,3.1.,具有阻燃性能的,钛合金,Ti-35V-15Cr,(,美国,),BTT-1/BTT-3,(,俄罗斯,),Ti-25V-15Cr-0.2Si,(,中国,),Ti-1Al-13Cr-0.2Si,(,中国,),56,F22,战斗机,57,3.2,Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al),钛合金,Ti1023,合金的,拉伸强度,、,断裂韧性,和,疲劳性能,相当优异，同时这种合金具有优异的,锻造性能,，在,760,可进行等温锻造，提供各种近净型加工锻件。,58,波音,757,波音,777,59,3.3.,Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3),钛合金,优良的,铸造性,、,氢抗力,及,损伤抗力,。由于可以,冷轧带材,，随着薄板或带材的减小，该合金的成本可以低于常规的,Ti-64,的,1/10,。也广泛用于波音,777,飞机和,B-1B,轰炸机,60,3.4.,Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe,钛合金,退火后有较高的,强度,，具有极佳的,淬透性,EL-76,运输机,Su-27,61,钛合金的发展趋势,钛合金的近期发展有三方面,:,高性能化、多功能化和低成本化。,各种新型钛合金不断涌现，全世界已研制了几百种钛合金，但投入工业生产的不到,100,种。我国研制的钛合金有近,60,种。列入国家标准的已有,40,余种。,当前钛合金已扩大应用到民用工业及船舶工业。一个发展是用,Ti-6Al-4V,做蒸气涡轮叶片、电磁烹调器具、高尔夫球棒头；发展出,Ti-15Mo-5Zr,抗腐蚀性合金；做出,1,万米深海压力容器。,62,耐蚀钛合金是一个重要的发展领域；,可冷变形的钛合金，如,Ti-22V-4Al,等,钛合金,;,高强度低成本钛合金；,低温超塑性钛合金；耐磨钛合金；易切削钛合金；,耐热性更高的高温钛合金。为满足高推重比航空发动机生产的需要，研究,600650,长时使用的钛合金；,发展多用途的专用钛合金，新型形状记忆合金、新型储氢钛合金、恒弹性钛合金、低膨胀钛合金、高电阻钛合金、消气剂用钛合金、抗弹钛合金、透声钛合金、低屈强比易冷成形的钛合金和高应变速率的超塑成形钛合金等；,发展低成本的钛合金。,63,