船舶材料与焊接第三章

第三章船用非铁金属材料及其它材料本章主要介绍船用铝合金、铜合金、钛合金等种类、牌号、性能及其用途.概述:工业上钢铁称为黑色金属，除钢铁以外的金属称为非铁金属（又称有色金属）。非铁金属与黑色金属相比，具有一系列特点，有良好的导热性和导电性，如银、铜、铝等。有优异的化学稳定性，如铝、钛等。比强度（单位质量能够提供的强度）高，如铝合金、钛合金等。近年来，航空、航海中为减轻重量，提高运载能力和航行速度，要求材料强度高、密度轻。此外，石油、化工、航海中的设备及其零件要在腐蚀介质中工作，要求材料具有良好的耐腐蚀性，所以非铁金属在近代造船行业中应用广泛，特别是高强度、耐腐蚀的轻合金材料的应用，大大改善了船舶的使用性能。第一节船用铝合金一、纯铝的性能特点:（一）纯铝的密度小（2.7g/cm3）。其强度很低，σb=80MPa~100MPa。但塑性很好，δ=30%~50%。熔点为660℃，结晶后具有面心立方晶格，没有同素异构转变。（二）导电、导热性能仅次于银、铜、金而居于第四位。（三）具有良好的抗大气腐蚀能力，在空气中铝的表面可生成致密的氧化膜，可有效地隔绝铝和氧的接触，阻止表面的进一步氧化。根据上述特点，工业纯铝的主要用途为：代替较贵重的铜制作导线、电缆；配制铝合金；制作具有导热和抗大气腐蚀性能而对强度要求不高的用具和器皿。工业纯铝中常见的杂质是铁和硅，杂质越多，其导电性能越低，腐蚀性、塑性越差。AVC纯铝散热器纯铝吊灯纯铝机箱铝芯线二、铝合金的分类及对船用铝合金性能的基本要求铝合金：纯铝的强度较低，若在铝中加入一些元素，如铜、镁、锌、锰、硅等形成铝合金，其性能将会有很大的改善。（一）铝合金的分类根据铝合金的化学成分和工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。铝合金状态图的一般类型铝合金的分类形变铝合金铸造铝合金不能热处理强化铝合金能热处理强化铝合金（二）合金性能的基本要求把铝合金加热到α相区，保温后在水中快冷，得到单相过饱和的α固溶体，这种处理方式称为固溶处理或淬火。力学性能方面：1、屈强比保持一定差距，一般不要大于0.8，利于半成品和零件的加工矫正工作。2、高温强度在加热到100℃之前，应保持力学性能不变，加热到250℃时，屈服强度大于60%。3、疲劳强度平板试样的疲劳强度不小于50MPa，带焊缝试样的疲劳强度不小于40MPa。4、延伸率不小于10%，以适应各种加工工艺需要。抗腐蚀性能方面：应具有良好的抗腐蚀性能，特别是抗海水腐蚀性能。对高强度变形铝合金，还要求有较好抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能。其它方面：热处理不可强化铝合金，应具有良好的可焊性和加工性；热处理可强化铝合金，经过一定热处理后，应具有良好的加工性，并具有在热处理中抵抗变形的能力。（三）铝合金的时效硬化1.定义:固溶处理或淬火：把铝合金加热到α相区，保温后在水中快冷，得到单相过饱和的α固溶体，这种处理方式称为固溶处理或淬火。时效硬化：在固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化的现象。回归现象：已经时效硬化的铝合金，如若需恢复其塑性，可在230~250℃作短时间加热，然后快冷至室温，合金将重新恢复塑性，即性能恢复到淬火状态。若在室温下放置，则与新淬火合金一样，仍能进行正常的自然时效与人工时效，这种现象称为回归现象。2.种类自然时效人工时效含4%Cu的铝合金自然时效曲线含4%Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线（四）船用变形铝合金1.分类船用变形铝合金，按其化学成分与主要性能特点，分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝等四种，见表3-1。2.牌号按GB/T16474—1996规定，变形铝合金牌号用四位字符体系表示，牌号的第一、三、四位为数字，第二位为字母“A”。牌号中第一位数字是依主要合金元素Cu、Mn、Si、Mg、Mg2Si、Zn的顺序来表示变形铝合金的组别。依其主要合金元素的排列顺序分别标示为2、3、4、5、6、7。例如，5A50，表示以镁为主要合金元素的变形铝合金，后两位数字用以标识同一组别的不同铝合金。3.常用的铝合金(1)防锈铝合金:Al–Mn通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝好)。Al–Mg通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝轻)。防锈铝合金均属热处理不可强化的铝合金，加工硬化是其唯一的强化手段。防腐保温铝板卷铝皮铝镁合金板瓦楞铝板(2)硬铝合金:Al–Cu–Mg通过时效强化提铝合金强度,但耐蚀性不高。常用于航空制造业结构件的制造，如飞机螺旋桨、叶片、隔框、蒙皮、支架、承受高负荷的铆钉等。(3)超硬铝合金:Al–Zn–Mg–Cu通过时效强化和形成的强化相,使铝合金达到最高的硬度和强度。但耐蚀性较差。主要用于制造飞机的受力构件，如飞机的起落架、大梁等。飞机翼梁(腹板为硬铝合金)飞机主起落架(4)锻铝合金:Al–Mg–Si–Cu具有良好的热塑性,通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。由于锻铝合金的热塑性好，所以适于制造航空及仪表工业中各种形状复杂、要求比强度较高的锻件，如各种叶轮、框架或高温条件下（200℃~300℃以下）工作的零件，如内燃机的活塞及汽缸等。压气机叶片（五）铸造铝合金1.分类用来制作铸件的铝合金，成为铸造铝合金。铸造铝合金分为铝—硅系、铝—铜系、铝—镁系和铝—锌系四种。其中铝—硅系应用最广。2.牌号铸造铝合金的牌号表示法如下：例如，ZAlSi7Mg；Z—汉语拼音“铸”字的第一个大写字母，Al—铝的元素符号，Si—硅的元素符号，7—硅的质量分数，Mg—镁的元素符号。常用铸造铝合金的牌号、化学成分、力学性能及用途见表3-2。3.铸造铝–硅合金(俗称硅铝明)铝–硅合金一般铸造所得的组织几乎全部是粗大的共晶体，它使合金的力学性能下降.通常采用变质处理细化晶粒后，力学性能显著提高。一般用来制造质轻、耐蚀、形状复杂但强度要求不高的铸件，如发动机汽缸、手提电动工具或风动工具，以及仪表的外壳等。同时，加入Mg、Cu的铝—硅合金（ZL108），还具有较好的耐热性与耐磨性，常用于制造内燃机的活塞等。活塞(裙部为铝硅合金)三、铝合金的腐蚀与防腐（一）铝及铝合金常见腐蚀形式1.电化学腐蚀2.应力腐蚀开裂（SCC）铝合金的SCC是在20世纪30年代初发现的。金属在应力（拉应力或内应力）和腐蚀介质的联合作用下所发生的一种破坏，被称为SCC。SCC的特征是形成腐蚀—机械裂缝，既可以沿着晶界发展，也可以穿过晶粒扩展。由于裂缝扩展是在金属内部，会使金属结构强度大大下降，严重时会发生突然破坏。SCC在一定的条件下才会发生，它们是：一定的拉应力或金属内部有残余应力。（二）铝合金常用防腐措施1.涂层保护；2.牺牲阳极；3.阳极氧化处理。第二节船用铜合金一、纯铜（又称紫铜）铜的性能特点:密度大；导电及导热性能好；抗大气腐蚀性好；塑性高；强度低；无磁性；无打击火花；加工工艺性好等。纯铜主要用途为：制作导电材料，如电线、电缆等，还可用来配制各种合金。纯铜及其合金对于制造不允许受磁性干扰的磁学仪器，如罗盘、航空仪表和炮兵瞄准环等具有重要价值。铜电线、电缆二、铜合金的分类及牌号表示方法(一)分类白铜:Cu–Ni黄铜:Cu–Zn铜合金的分类青铜:除黄铜和白铜外的所有铜合金。普通黄铜特殊黄铜锡青铜特殊青铜（无锡青铜）压力加工黄铜铸造黄铜(二)牌号1.黄铜的牌号(Z)H90含铜量WCu=90%黄铜铸造2.特殊黄铜牌号3.青铜牌号的表示方法HAl59-3含铝量WAl=3%含铜量WCu=59%ZQSn10–1其它合金元素含量为1%主加元素锡其含量为WSn=10%青铜铸造三、黄铜1.黄铜：铜与锌组成的合金称为黄铜。为改善其性能，常加入锡、铝、硅、镍、锰、铅、铁等元素，这样形成的合金称为特殊黄铜。2.力学性能与含锌量有着极为密切的关系50030405060700400300200100010205040302010506070809010011040HB+’b当含锌量为30%时黄铜具有最大的塑性。而含锌量为40%时黄铜具有最大的硬度。3.常用的黄铜普通黄铜:金奖黄铜H90，弹壳黄铜H70(H68)，日用黄铜H62(H59)。冷凝器管法兰阀闸阀特殊黄铜：海军黄铜HSn62–1，易切削黄铜HPb59-1小型螺旋桨船厂员工在导弹驱逐舰“德凯特”号巨大螺旋桨下留影四、青铜（一）锡青铜1.力学性能与含锡量有着极为密切的关系371014压力加工铸造成形σbα+δδαδ含锡量小于8%的合金，具有良好的塑性和适宜的强度，易于压力加工；含锡量大于10%的合金塑性差，只适合铸造。2.锡青铜的应用锡青铜的抗腐蚀性和耐磨性都比纯铜和黄铜好，都用于制造耐磨零件，如轴套、轴瓦等。也可用来制造与酸、碱、蒸汽接触的零件。温度低于200℃的蒸汽管系和阀件。无锡灵山大佛轴套内螺纹恒温疏水阀（二）特殊青铜(也称无锡青铜或特殊青铜)在青铜中加入锡以外的其它合金元素，如Al、Mn、Si、Pb、Fe等元素，这种铜合金称为无锡青铜或特殊青铜。特殊青铜按主要加入元素分为铝青铜、铅青铜、锰青铜、硅青铜、铍青铜等；常用的有铝青铜、铍青铜等。铝青铜合金减速机蜗轮铝青铜合金轴套铍青铜棒、板、管、毛细丝第三节船用钛合金一、钛及钛合金的种类和性能（一）工业纯钛和高纯度钛的性能物理性能：银白色光泽，密度4.507g/cm3，熔点1677℃，α-Ti（hcp）882.5℃β-Ti（bcc）。应用：制造化工设备，船舶用零件和化工用热交换器等。热交换器纯钛眼镜架纯钛戒指（二）钛合金的种类和性能钛虽然密度小、熔点高、抗蚀性能好等一系列特性，但工业纯钛的机械性能不高，又不能热处理强化，因而限制了在工业上的应用。在工业中广泛使用的是钛合金。工业用钛合金主要合金元素有铬、锰、钼、钒、铁、铝和锡等；合金化的主要目的是改变α和β的同素异构转变温度，提高α相或β相的稳定性，形成稳定的固溶体或与钛形成合金，提高强度。根据合金在使用状态的组织，可以全部钛合金分为α型、β型和α+β型三大类钛合金。钛合金特点：1、比强度、热强度高（工作温度550℃以上）；2、较好的低温韧性；3、抗腐蚀性能好。4、主要缺点是不易切削和塑性加工。钛合金强度大，重量轻，耐热性能好，适用于船只、汽车、航空航天工业，被人们视为未来材料，新型波音777客机采用了约9%的钛合金材料。然而，钛合金的加工难度极大，如加工一个钛合金船用涡轮压缩机轮需要50个小时，而加工一个铝合金的同样部件仅需5个小时。德国布伦瑞克大学的科学家采用了一种专门热处理方法，将氢原子渗入材料，掺氢的钛合金相对软化。对软化的钛合金进行切削加工，加工设备所承受的机械和热负载明显降低，切削力仅需过去的50%，大大降低了加工成本。加工完毕后，再经专门的热处理工序，材料的特性则回到原先状态。科学家称，该方法非常适用于大批量的钛合金铸件加工。钛合金做的手机外壳钛合金用在火箭中欢迎进入第四章学习