航空航天器铸造铝合金 - 2 - 张春波
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2012,Vol.40,№12
9
航空航天器铸造铝合金(2)
12
张春波,王祝堂
(1.哈尔滨中飞新技术股份有限公司,黑龙江哈尔滨150060;2.中国有色金属加工工业协会,北京100814)
ZL105A、ZL112Y、ZL114A、ZL116及ZL2××系中的摘要:本篇是全文的第二部分,主要介绍ZL1××系中ZL105、ZL201合金的化学成分、组织、典型力学性能、热处理规范、熔炼铸造工艺、其他工艺特性,以及它们在航空航天工业中的应用情况。
关键词:铸造铝合金;力学性能;熔炼铸造工艺中图分类号:TG146.21
文献标识码:A
文章编号:1007-7235(2012)12-0009-13
Castingaluminumalloyusedforaeronauticsandaerospacevehicle(2)
ZHANGChun-po1,WANGZhu-tang2
(1.HarbinZhongfeiNewTechniqueCo.Ltd.,Harbin150060,China;2.ChinaNonferrousMetalsIndustryAssociation,Beijing,100814,China)
Abstract:Thisisthesecondpartofthecompletepaper,whichmainlydescribesthechem-structures,typicalmechanicalproperties,heattreatmentsystems,meltingicalcompositions,
andcastingprocessandotherprocesscharacteristicsofZL105,ZL105A,ZL112Y,ZL114A
whichbelongingtotheZL1××seriesandZL201alloyofZL2××series.andZL116alloys,
Theapplicationsituationoftheabovementionedalloysintheaeronauticsandaerospacein-dustrieshavebeendescribedaswell.
Keywords:castingaluminumalloy;mechanicalproperty;meltingandcastingprocess
4.5
ZL105合金
ZL105与ZL105A均为可热处理强化的Al-Si-Cu-Mg系铸造合金,具有良好的铸造性能和较高的
(AlxMg5Cu4Si4)。固溶处理后,CuAl2、Mg2Si和部分
W相溶入基体,GP并在人工时效时呈介稳相(GPⅠ、Q')析出,Ⅱ或β'、起强化作用。合金结晶过程根据
577℃),冷却速度不同,可能形成二元共晶(α+Si、525℃),三元共晶(α+Si+CuAl2、四元共晶(α+Si
+CuAl2+Mg2Si、517℃)和五元共晶(α+Si+CuAl2+Mg2Si+W、488℃)。热处理时若过烧,则组织中可能出现Si相聚集长大、共晶复熔(球形或三角形)、晶界熔化等特征。合金的杂质相为β(Al9Fe2Si2)和Al8FeMg3Si6。4.5.1
化学成分
ZL105合金的化学成分见表22,Cu含量对合金
[1]
力学性能的影响见表23,对于要求力学性能较高
气密性,属中等热强铝合金,其高温力学性能和可切
ZL104等Al-Si-Mg系铸造合金削性能均优于ZL101、
的,但随着Cu元素的加入,其塑性和耐腐蚀性能降
金属型和熔模铸造铸件,适于铸造低。可采用砂型、
形状比较复杂和承受中等载荷工作温度至250℃的
机匣、油泵壳体各种发动机零件和附件零件(气缸、
等),它是航空及其他工业部门中广泛应用的铸铝材
ZL102和ZL104合金更高的耐热有比ZL101、料,
性能。
ZL105合金相组成为α+Si+CuAl2+Mg2Si+W
收稿日期:2011-10-11
第一作者简介:张春波(1973-),男,黑龙江哈尔滨人,工程师。
10
2012,Vol.40,№12
可以中间合金或盐类形式加入。为0.02%~0.05%,
Ti的铸件可添加少量Ti或同时加入B以细化晶粒,
B的加入量(质量分数,下同)为0.1%~0.15%%,
表22ZL105合金的标定化学成分(质量分数/%)
Tab.22NominalchemicalcompositionsofZL105alloy(massfraction/%)
主要元素
技术标准
Si4.5~5.54.5~5.5
Cu1.0~1.51.0~1.5
Mg0.4~0.60.4~0.6
Al余量余量
FeS①0.60.6
J②1.01.0
Zn0.30.3
Mn0.50.5
Ti+Zr0.150.15
杂质(不大于)
Be0.1Ti0.15
Sn0.010.01
Pb0.050.05
0.05
0.15其他单个
合计
杂质总和S1.1
J1.4
GB/T1173HB962
注:以最新实行的标准为准;①S—砂型铸造,②J—金属型铸造,下同。
表23Cu含量对ZL105合金力学性能的影响
Tab.23InfluenceofCucontentonmechanicalpropertiesofZL105alloy
w(Cu)/%1.21.52.02.5
F
Rm/(N·mm-2)
155~170160~175160~180165~185
A5/%1.5~32~30.8~1.50.8~1.4
HB50~5560~7060~7090~70
300R100h/(N·mm-2)
T6
Rm/(N·mm-2)
225~275245~295245~315245~315
A5/%1~2.31~20.5~1.50.5~1.5
HB70~8075~9080~9075~90
300
R100h/(N·mm-2)
35~4035~4545~5045~50
3030~3535~4040
4.5.2
热处理
ZL105合金可在不同热处理状态下使用。铸造1有机淬火剂淬火,件,宜采用沸水或CL-以减少内
应力和防止铸件变形。若铸件在较高温度下长期工作,最好采用T7规范,其时效温度宜接近于零件工作温度。
方法、铸件尺寸和铸件结构复杂程度一般均不受限
[1]
制,热处理规范见表24,对于形状比较复杂的铸
表24ZL105合金的热处理规范
Tab.24HeattreatmentsystemofZL105alloy
状态T1T5T7
520~530520~530
3~53~5
66~10066~100
≤25≤25
固溶处理
温度/℃
保温时间/h
冷却水温度/℃
转移时间/s
温度/℃175~185170~180220~230
时效保温时间/h5~103~103~10
冷却介质空气空气空气
4.5.3
物理化学性能
ZL105合金的铸造温度700℃~750℃,熔化温并用重铬酸钾封孔。对于针孔度严重(超氧化处理,
过3级)的铸件表面则不得施加阳极氧化处理,可采用涂漆保护,对特殊用途的也可电镀和搪瓷。4.5.4力学性能
ZL105合金单铸造试样的室温典型力学性能见表25,在不同温度的典型力学性能见表26,不同针孔等级铸板的力学性能示于表27,不同温度的低周疲劳强度见表28。ZL105合金砂型铸件的压缩屈服
2
强度Rp02=(180~260)N/mm,金属型铸件的Rp0.2
3
20℃时的电阻密度2680kg/m,度577℃~627℃,
率46.2nΩ·m,无磁性。
ZL105合金具有耐工业和海洋大气腐蚀的能力。在硝酸和大部分有机酸溶液中具有较好的抗腐蚀能力,但易受盐酸、硫酸及钠、钾、钙氢氧化物的侵蚀。Cu是降低该合金耐腐蚀性能的主要合金元素,使其耐腐蚀性能低于ZL101合金的。
ZL105合金在大气条件下可不进行表面防护处理。为提高铸件的耐腐蚀性或耐磨性,可采用阳极
=(185~275)N/mm2;T5状态砂型铸件U型切口试
2
T5合金25℃样的冲击韧性αKU=22kJ/m;ZL105-
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2
时的正弹性模量E=70GN/m,切变模量G=26.5GN/m2,泊松比μ=0.33。
11
表27针孔对ZL105合金铸板力学性能的影响
Tab.27Influenceofneedleholesonmechanical
propertiesofZL105alloycastplates
试样厚/mm针孔等级(HB963)
12
12
34512
25
34
Rm/(N·mm-2)
281265245216168245228218179154
A5/%1.81.61.51.31.11.51.41.41.11.0
HB110110106979111211010410090
表25单铸ZL105合金试样的典型室温力学性能Tab.25TypicalmechanicalpropertiesofZL105alloyseparately-castsamplebeingtestedatroomtemperature
铸造工艺
SJSJSJ
状态T1
Rm/(N·mm-2)
175195265295235285
Rp0.2/(N·mm-2)
155165175185225205
A10/0.820.52
T5
T7
表26单铸ZL105合金试样在不同温度下的
5
典型力学性能
Tab.26TypicalmechanicalpropertiesofZL105alloyseparatelycastsamplebeingtestedat
differenttemperature
状态铸造工艺T/℃T1
J
-196-7020100
T5
S
15020025030020100
T7
J
200250300
Rm/(N·mm-2)
29426524517724524521617712723523517713798
177177137118780.8
111.51.541.522.546
Rp0.2/(N·mm-2)A5/%
0.80.5
表28ZL105合金在不同温度的低周疲劳强度
Tab.28Low-cyclefatiguestrengthofZL105
alloytestedatdifferenttemperature
周期
铸造工艺
状态
T/℃
105
106
107
108
5×108
疲劳强度R-1/(N·mm-2)
24
S
T7
149204260
14512411797
103979069
83766548
76695234
72654831
形成能力(723℃浇铸宽度为7.5mrn的铸环试样时出现第一条裂纹;线收缩率1.1%,体收缩率4.5%~4.9%。
ZL105合金具有较高的气密性,厚度为4mm的
2
试样,在22.6N/mm压力下试验未出现渗漏。该合金焊接性能良好,可采用气焊、氩弧焊等法修补铸件缺陷,用同种成分的焊丝。焊后不进行热处理,焊缝区拉伸性能明显下降,热处理后,其拉伸性能与基体金属的基本相同。
ZL105合金Si含量低于其他Al-Si合金的,并含ZL102、ZL104等故其可切削性能优于Z1101、有Cu,
合金的,采用硬质合金刀具,减小切削速度和增大前
角,可获得满意的加工品质。4.6
ZL105A合金
ZL105A合金是在ZL105合金基础上降低杂质Fe、Mn、Zn的含量,并缩小Mg含量范围而得到的一个比ZL105合金力学性能更高的合金,其铸造性能、气密性以及抗腐蚀性能与ZL105合金的基本相同。
4.5.5
工艺性能
ZL105合金的熔炼工艺与常用铸造铝合金的相
同,熔体处理合格后在700℃~750℃铸造。对熔体
用C2Cl6除氢时,其用量为应进行有效的除氢处理,
炉料质量的0.5%~0.7%。
Ti或Al-Ti-B中间合作为晶粒细化可采用Al-Ti的加入量为炉料量的0.1%~0.15%,B的添剂,
加量0.02%~0.05%。
ZL105合金具有良好的铸造性能,用浇铸棒状试样流动长度法测定700℃熔体的流动性为344mm,750℃的流动性为375mn;有足够高的抗热裂纹
12
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ZL105合金的相同。4.6.1化学成分
ZL105A合金的标定化学成分见表29。
该合金可采用砂型、金属型和熔模铸造等法铸造结构形状比较复杂、承受中等载荷、在250℃以下长期工作的各种发动机零件和附件零件,即其用途与
表29ZL105A合金的标定化学成分(质量分数/%)
Tab.29ChemicalcompositionsofZL105Aalloy(wt/%)
合金元素
标准
Si4.5~5.54.5~5.54.5~5.5
Cu
Mg
Al
FeS0.2
J0.20.200.2
Zn0.10.100.1
Mn0.10.100.1
0.1
杂质,不大于Sn0.01
Pb0.05
0.050.05
0.150.15
Ti
其他单个
合计
杂质总和S0.5
J0.5
GB/T1173HB962HB5480
1.0~1.50.4~0.55余量
1.0~1.50.40~0.6余量0.201.0~1.50.4~0.60余量
0.2
ZL105A合金在平衡状态下结晶时主要由α、Si、
Al2Cu和W(AlxCu4Mg5Si)4相组成。当在不平衡状Cu含量处于下限态下结晶,而Mg含量处于上限,
时,存在Mg2Si相。Mg2Si相与Al2Cu相比较,前者
后者耐热性好。它们的数量取决室温强化效果好,
w(Cu)/w(Mg)值约为2.1于w(Cu)/w(Mg)比值,
时,组织中的Mg2Si完全消失;大于2.1时出现Al2Cu相,一般保持在2.5左右的比例。Cu和Mg的总量过少,强化效果小;而总量过大会使合金塑性变差。一般其总量控制在1.5%~2.0%。其中w(Mg)为0.6%左右,w(Cu)为1.4%左右,w(Cu)和
w(Mg)的比值在2.2左右时,室温和高温的拉伸强
度达最大值。合金中Fe的质量分数限制在0.2%以下,很少出现含Fe杂质相如β(Al9Fe2Si2)和Al3FeMg3Si。4.6.2
热处理
ZL105A合金在T5、T6、T7状态使用,其热处理
1有规范见表30。形状比较复杂的零件宜采用CL-机淬火剂淬火,以减少内应力和防止变形。对于在
较高温度下长期工作的零件,建议采用T7热处理,其时效温度应接近于工作温度。
表30ZL105A合金的热处理规范
Tab.30HeattreatmentsystemofZL105Aalloy
标准GB/T1173HB5480
状态T5T6
固溶处理
T/℃525±5520~530
保温时间/h4~126~18
冷却水温度/℃工厂自定60~100
转移时间/s
≤30≤25
T/℃160±5150~160
时效保温时间/h
3~510~12
冷却介质空气空气
4.6.3
物理化学性能
ZL105A合金的熔化温度557℃~613℃,密度特殊用途的也可以电镀和搪瓷。采用涂料保护,
4.6.1力学性能
ZL105A合金单铸造试样,室温典型力学性能示于表31;不同温度时的典型力学性能示于表32;ZL105A-T5单铸试样的抗剪强度235N/mm2,T6状
2
态的221N/mm;不同温度的冲击韧性见表33,高温
2685kg/m3,电导率40%IACS,电阻率43.4nΩ·m,
无磁性。ZL105A合金具有耐工业和海洋大气腐蚀的能力,在硝酸和大部分有机酸溶液中,具有较好的抗腐蚀能力,但易受盐酸、硫酸及钠、钾、钙、氢氧化物的侵蚀。Cu是降低该合金耐腐蚀性能的主要合金元素,其耐腐蚀性能低于ZL101合金的。ZL105A合金可不进行表面防护在大气条件下,
处理。为提高铸件的耐腐蚀性或耐磨性,可采用阳极氧化处理,并用重铬酸钾封孔。对于针孔度严重(超过3级)的铸件表面则不允许阳极氧化处理,可
持久强度见表34,各种温度下的旋转疲劳强度见表
35;金属型单铸试样ZL105A-T5合金的室温旋转疲
72
劳强度(N=2×10周)R-1=98N/mm,带缺口试2
K=2.2;室温弹性模量E=70.6样的为49N/mm,
2
GN/m2,切变模量G=26.5GN/m,泊松比μ=0.33;
ZL105A-T5合金金属型单铸试样的断裂韧性KIC=
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m。21.7N/mm2·槡表31ZL105A合金单铸试样的典型室温力学性能
Tab.31TypicalmechanicalpropertiesofZL105Aalloyseparately-castsampletestedatroomtemperature
状态T5T6
铸造工艺Rm/(N·mm-2)Rp0.2/(N·mm-2)
JJS
382358296
284227207
A5/%6.014.05.5
JS
T5T5T6
13
表34ZL105A合金的高温持久强度Tab.34High-temperatureendurancestrength
ofZL105Aalloy
铸造工艺
状态
200℃
250℃
R100/(N·mm-2)147147147
6954
表32ZL105A合金单铸试样在不同温度的
典型力学性能
Tab.32TypicalmechanicalpropertiesofZL105A
alloyseparately-castsampletested
atdifferenttemperature
·mm-2)Rp0.2/(N·mm-2)A5/%ψ/%状态铸造工艺T/℃Rm/(N
-196-70
T5
J
20200250300-195-80-2824
T6
J
100149204260315
441402382255196132386344330317296262964828
362313284225147107255234234234234241694120
2465467776610406070
12304253
表35ZL105A合金的旋转疲劳强度
Tab.35RotatingfatiguestrengthofZL105Aalloy
周期
铸造工艺
状态
T/℃
105
106
107
108
5×108
疲劳强度R-1/(N·mm-2)
20
J
T6
149204260
193186165124
13112411479
110938352
100866938
96836234
裂纹。线收缩率1.1%,有较满意的气密性,在230大气压压力下试样未泄漏。
该合金适于氩弧焊焊接,焊后经热处理,接头的强度为基体金属强度的0.95。ZL105A合金Si含量Si合金的,低于其他Al-并含有Cu,故其可切削性能ZL104等合金的。优于ZL101A、
采用硬质合金刀具,降低切削速度和增加前角,
可获得满意的加工品质。4.7
ZL112Y合金
ZL112Y合金为Al-Si-Cu系压力铸造铝合金,具有优良的铸造性能和良好的力学性能,流动性、气密
性、抗热裂性一般。但由于该合金Cu的含量较高,合金耐腐蚀性能稍差。Si主要提高合金的铸造性能,使其具有很好的流动性、气密性和抗热裂性。Cu为合金主要的强化元素。合金的Fe含量较高,提高合金压铸件性能,减少压铸时粘模,但Fe含量高会制降低合金的伸长率。该合金主要用于压力铸造,造复杂薄壁力学性能要求高的飞机附件和仪表壳体零件等。4.7.1
化学成分及组织
ZL112Y合金的标定化学成分列于表36。对于
T5合金单铸试样的冲击韧性表33ZL105A-Tab.33ImpacttoughnessofZL105A-T5alloy
separatelycastsample
状态
铸造工艺
T/℃-196
T5
J
-7020
aKU/(kJ·m-2)
36.35250
4.6.5
工艺性能
ZL105A合金浇铸温度700℃~750℃,具有良好
的铸造性能,用浇铸砂型棒状试样流动长度法测定700℃的流动性为344mm,有足够高的抗热裂能力,浇铸宽度为7.5mm的铸环工艺试样时出现第一条
w(Fe)含量控制在1.0%左右,一般铸件,但对于伸
长率要求高的铸件要降低Fe含量。适当提高合金中的Fe含量,可以提高压铸的抗粘模性能;为了提高合金流动性,可以适当提高Zn含量。按美国
14
2012,Vol.40,№12
Al、Si、Al2Cu。冷室压铸。合金相组成主要为α-
ASTMB95的规定,合金含w(Fe)=1.3%~2.0%时
适用于冷、热室压铸,若w(Fe)<1.3%,一般只用于
表36ZL112Y合金的标定化学成分(质量分数/%)
Tab.36NominalchemicalcompositionsofZL112Yalloy(wt/%)
标准HB962HB5012GB/T15115
Si7.5~9.57.5~9.57.5~9.5
Fe1.01.01.2
Mg0.30.30.3
Zn1.21.21.2
Cu2.5~4.02.5~4.03.0~4.0
Mn0.60.60.5
Ti0.20.2
Sn0.20.20.1
Pb0.30.30.1
Ni0.50.50.5
余量余量Al
注:以实行中的有效最新标准为准。
4.7.2热处理
压铸件一般不进行固溶热处理。根据具体使用要求可进行退火处理:加热温度260℃~370℃,保温时间4h~6h,随炉冷却或空冷,此热处理制度可以提高合金的伸长率。根据具体使用要求还可以进行保温时间4h消除应力热处理:温度175℃~260℃,
~6h,空冷。经热处理供应的铸件,当力学性能不合格时,允许对铸件进行重新热处理后再作检查(重新热处理其力学性能仍按原要求,若仍达不到只允许一次),
原要求,则认为该炉次合金力学性能不合格。4.7.3
物理化学性能
ZL112Y合金的熔化温度582℃~564℃,密度
3
表37ZL112Y合金在不同温度的力学性能
Tab.37MechanicalpropertiesofZL112Yalloyat
differenttemperature
·mm-2)Rp0.2/(N·mm-2)A5/%铸造工艺状态温度/℃Rm/(N
-195-80-2624
Y
F
100150205260315371
407338338330310235165904928
207165165165165152110552817
2.52.533458203035
2750kg/m,20℃时的电阻率75nΩ·m,20℃时的电导率27%IACS,无磁性,由于含Cu量较高,耐腐
蚀性能较差。4.7.4
力学性能
ZL112Y合金的室温布氏硬度HB=80,在不同
流动性2
表38ZL112Y合金的压铸工艺特性
Tab.38Diecastingprocesscharacteristics
ofZL112Yalloy
抗形成缩孔的倾向
2
气密性2
抗形成热裂的倾向
2
抗形成气孔的倾向
2
对模具的不粘附性
1
F温度时的力学性能见表37,单独压铸的ZL112Y-2
试样的旋转弯曲疲劳强度R-1=138N/mm(N=5×10周、R.R.Moore试样),正弹性模量71.0
2
GN/m2,切变模量26.5GN/m,泊松比0.33。4.7.5
工艺特性
ZL112Y合金熔体铸造温度635℃~705℃,对于
8
1表示最好,2次之,注:合金工艺性能分为1~5级,以此类推。
结构组合件。
T6状态下使用,该合金一般在T5、铸造工艺、铸
件尺寸大小和复杂程度不受限制。要求强度高时宜采用T6状态。ZL114A合金具有高的力学性能,同
即高的流动性、抗热裂性、时具有优良的铸造性能,
良好的致密性和可焊性等。适合于铸造要求承载能
力大的重要复杂薄壁结构件。
ZL114A合金属Al-Si-Mg-Ti系,其相组成是α-Al固溶体、(α+Si)共晶、Mg2Si、Al3Ti等。固溶处理
MgSi溶入α固溶体中形成过饱和固溶体,175℃时,
以下时效时,过饱和固溶体分解产生GPⅠ区或GP
有气密性要求的铸件,可以进行浸渗处理,压铸工艺
特性见表38。
压铸件可进行软钎焊与闪光电阻焊;抗蚀性能差,应涂漆或电镀保护;可切削性能和磨削性能良好。4.8ZL114A合金
ZL114A合金是在ZL101A合金基础上增加Mg
Si-Mg系高强度铸造铝合金。它含量发展起来的Al-既有优良的铸造性能,又有较ZL101A合金更高的力
利用该合金的优越特性学性能。在航空制造业中,
铸造一些重要的大型薄壁结构件代替铝合金钣金
2012,Vol.40,№12
Ⅱ区,达到最高强化效果。进一步提高时效温度出
Sb、Si等现β'相或最终平衡相β(Mg2Si)相。用Na、元素对合金进行变质处理可以使(α+Si)共晶体细
化并改变其形貌,从而改善合金的力学性能,特别是B形成Al3Ti、TiB等伸长率。合金中添加微量的Ti、
高熔点化合物作为固溶体结晶核心弥散分布,使α-Al晶粒细化、合金力学性能提高。4.8.1
化学成分
ZL114A合金的标定化学成分见表39。严格控
15
高力学性能指标的首要条件。为此,配制合金时,需要高纯度的原材料,尤其是Fe杂质的含量应尽可能低。另外,宜使用非Fe质熔炼坩埚和其他工具。与ZL101A合金相比较,提高合金中Mg元素的含量以Be中间合金形式加提高合金力学性能。Be以Al-入,它的作用是防止合金氧化,减少Mg元素的烧损
Si脆性针状组织而降低合金和阻止杂质Fe生成Fe-的伸长率。
4.8.2热处理
ZL114A合金的热处理规范见表40。
制合金中杂质特别是Fe杂质的含量,是该合金达到
表39ZL114A合金的化学成分(质量分数/%)
Tab.39ChemicalcompositionsofZL114Aalloy(wt/%)
主要元素
标准
Si6.5~7.56.5~7.5
Cu0.45~0.60.45~0.75
Ti0.10~0.200.08~0.25
Be0.05~0.07
0.07
FeS0.2
J0.200.20
Cu0.20.10
Zn0.10.10
杂质,不大于
Mn0.10.10
杂质总和S0.750.05
J0.750.15
其他单个0.05
合计0.15
GB/T1173HB962
注:以最新实行的标准为准。
表40ZL114A合金的热处理规范
Tab.40HeattreatmentsystemofZL114Aalloy
状态T5T6
固溶处理
T/℃530~540535~545
保温时间/h4~66~10
冷却水温度/℃
60~10060~100
转移时间/s
≤25≤25
T/℃155~165160~170
时效保温时间/h
4~85~10
冷却介质空气空气
4.8.3物理化学性能
ZL114A合金的密度为2685kg/m3,熔化温度557℃~613℃,电阻率43.4nΩ·m,电导率40%IACS,无磁性。
ZL114A合金的抗蚀性高,接近于工业纯铝的,在大气条件下使用可不作表面防护处理,但为了进一步提高抗腐蚀性和耐磨损性,可以采用阳极氧化处理,如有特殊要求时,还可采用其他的防护方法,如电镀、涂珐琅、喷漆等。4.8.4
力学性能
ZL114A合金单铸试样的标定力学性能见表41,
T6状态砂型铸件单铸试样的典型力学性能见表42,2
的抗剪强度Rτ=285N/mm,金属型铸件的Rτ=295N/mm2;T6状态单铸砂型试样的弯曲疲劳强度
2
R-1=85N/mm2,金属型的R-1=110N/mm;砂型铸板的平面应变断裂韧性KIC=17.6~21.3(N/
2mm2)·槡m,优质铸件的KIC=23.1~24.2(N/mm)
·槡m;合金的正弹性模量71.7GN/m2,切变模量26.9GN/m2,泊松比0.33。硬度HB=85~115。
表41ZL114A合金单铸试样的标定力学性能
Tab.41NominalmechanicalpropertiesofZL114Aalloyseparately-castsample
标准GB/T1173HB962
铸造工艺SBJ,JBJ
状态T5T5T6
Rm/(N·mm-2)
≥290≥310≥300
≥220Rp0.2/(N·mm-2)
A5/%≥2≥3≥4
HB≥85≥90≥80
注:以最新实行的标准为准。
16
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4.9
ZL116合金
ZL116合金为可热处理强化的Al-Si-Mg系铸造
铝合金,是在ZL101基础上加入Ti和Be以提高合金的综合力学性能。ZL116合金具有良好的铸造性
可焊接性能和中等的室温力学性能,抗热裂倾向能、
强、抗腐蚀性好、气密性好。Mg是合金的主要强化Be可有效改善合金组织中的Fe相形貌,元素,使其Be还可以由针状变为块状,提高合金的力学性能,
减少合金熔炼时Mg的氧化和稍有提高合金热处理强度的作用。
该合金适用于砂型铸造和金属型铸造,也可以用于压铸和熔模铸造,制造承载飞机零件和有气密性要求的零件,在200℃下可以长期使用,状态为T5。
ZL116合金的相组成为α-AI、Si、Mg2Si、Al3Ti。Be与合金中的Fe形成化合物(Be-Fe相),呈块状,
Fe相的针状,Be-而不同于β-当合金中Fe含量高时,Fe相聚集呈团簇状。4.9.1
化学成分
ZL116合金的化学成分见表43(GB/T1173)。
表42ZL114A合金单铸试样的典型力学性能Tab.42TypicalmechanicalpropertiesofZL114A
alloyseparately-castsample
·mm-2)铸造工艺状态Rm/(N
SJ
T6T6
315345
Rp0.2/(N·mm-2)A5/%
250275
3.010.0
HBS8585
4.8.5
工艺性能
ZL114A合金大型薄壁铸件的铸造温度720℃~
785℃。此合金属共晶型,铸造性能好,其流动性、抗热裂倾向、致密性等均与ZL101A合金的相当。为使
Be等元素不过合金达到最低含气量,同时保持Mg、保温期间熔体温度宜在680℃~720℃。线分烧损,
收缩率11%~1.25%。
该合金焊接性能良好,通常采用氩弧焊或气焊法修补铸件缺陷部位,补焊的铸件经热处理后,焊缝处的拉伸性能几乎与基体金属的相等。
ZL114A合金的可切削性能良好,由于合金含Si,对刀具有一定的磨损,宜使用硬质合金刀具。为保证加工光洁度,加工时应使用煤油或其他润滑剂。
表43ZL116合金的标定化学成分(质量分数/%)
Tab.43ChemicalcompositionsofZL116alloy(wt/%)
合金元素
Si6.5~8.5
Mg0.35~0.55
Ti0.10~0.30
Be0.15~0.40
Al余量
Fe0.6
Cu0.3
Zn0.3
Mn0.1
杂质元素,不大于
Zr0.20
B0.10
Sn0.01
Pb0.05
总和1.0
注:以实行中的最新有效标准为准。
Be中间合金的形式加入熔体熔炼时Be以Al-Be被列为各种工业毒害中最严重的,Be的毒害中,
主要产生于粉尘、烟雾的吸入和接触,但对于低含Be
w(Be)<0.5%]的熔炼认为在一般的铸造车合金[
间进行是安全的。
4.9.2热处理
ZL116合金的热处理规范见表44,大多数铸件在T5状态使用。
表44ZL116合金的热处理规范
Tab.44HeattreatmentsystemofZL116alloy
铸造工艺
状态T4T5
固溶处理
T/℃530~540530~540
保温时间/h8~168~16
冷却水温度/℃
20~10020~100
转移时间/s
≤25≤25
T/℃室温170~180
人工时效保温时间/h
≥244~8
空气冷却介质
S,J
4.9.3
物理化学性能
ZL116合金的熔化温度572℃~609℃;密度2660kg/m3,20℃时的电阻率46nΩ·m,电导率39%IACS,无磁性,具有令人满意的耐腐蚀性能。
4.9.4
力学性能
ZL116合金的单铸试样的典型力学性能见表
45,各种温度的力学性能列于表46。
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表45ZL116合金单铸试样的典型力学性能Tab.45TypicalmechanicalpropertiesofZL116
alloyseparately-castsample
铸造工艺
状态T4
S
T5T6T4
J
T5T6
Rm/(N·mm-2)
275325315295350345
305275250
Rp0.2/(N·mm-2)
A5/S5756
17
1.1%,具有良好的可焊接性能与可切削、磨削性能。
5ZL2××系合金
ZL2××系合金可分为:Al-Cu系、Al-Cu-Mn系、
A-Cu-Mn-RE系、Al-Cu-Ni系合金,Al-Cu系合金虽有高的热处理效果,但铸造性能低与抗蚀性差,已逐渐被其他铸造铝合金替代。当前在航空工业中用得多
Cu-Mn系的ZL201、204A、205A合金,Al-Cu-的是Al-Mn-RE系的ZL206、ZL207合金,Al-Cu-Ni系的
ZL208合金。5.1
合金的成分与相组成Al-Cu及Al-Cu-Si合金
Al-Cu二元合金有ZL203(w(Cu)=4.0%~5.0%)和ZL102(w(Cu)=9.0%~11.0%)合金。Al-Cu合金是可以热处理强化的合金,在淬火、时效状态下合金具有较高的力学性能。
ZL203合金的金相试验和电子探针微区分析表当合金中含有较多的Fe和Si时,除有α(Al)、明,
Al2Cu、Si外,N(Al7Cu2Fe)和β(Al9Fe2Si2)相可能出N(Al7Cu2Fe)较现。当合金中Fe含量大于Si的时,
多,β(Al9Fe2Si2)较少;当Si含量大于Fe的时,则β(Al9FeSi2)相较多。电子探针微区分析表明,在N
w(Fe)=5.7%~14%,相中w(Cu)=31%~34%,
余为Al。在β(Al9Fe2Si2)相中,除有w(Fe)=23%、
w(Si)=16%外,还有w(Cu)=7%左右。在Si含量大于Fe且缓慢冷却时,组织中还出现骨骼状α(Al-CuFeSi)相,w(Fe)=成分为:w(Cu)=8.8%、28.6%、w(Si)=7.4%、余为Al。根据该相的形态和它很可能是一种α(Al12Fe3Si)浸蚀时的颜色变化,中溶入Cu的相。
在ZL203合金中含有少量Mg时,首先析出α(Al)初晶,若为不平衡结晶,将有L→α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶反应及α(Al)+θ(Al2Cu)+S(Al2CuMg)三元共晶反应。Al2Cu和S(Al2CuMg)相在淬火加热时,均可溶入α(Al)中,但S相的出现,形成了低熔点的α+Al2Cu+S三元共晶组织,要求降低淬火加热温度或采用阶段加热淬火工艺,否则将引起合金过烧。
ZL202合金的金相组织与ZL203合金的相似,只是由于合金含有更多的Cu,组织中有更多的α(Al)+Al2Cu共晶体,而在淬火以后有较多Al2Cu相残留下来。
当ZL203合金用于金属型铸造时,为了改善其
Cu-铸造工艺性能,添加w(Si)=2%~3%,成为Al-5.1.1
表46ZL116合金单铸试样在不同温度的力学性能
Tab.46TypicalmechanicalpropertiesofZL114Aalloyseparately-castsampletestedatdifferenttemperature
·mm-2)Rp0.2/(N·mm-2)A5/%铸造工艺状态温度/℃Rm/(N
-196-7020
S
T5
10015020025030024
J
T6
150205260
3803353252752252251751103452208555
3052056041325285265
22244.5555.56828
ZL116-T6合金砂型铸件的室温压缩屈服强度
2
Rp0.2=250N/mm2,金型铸件的为285N/mm;砂型T6铸件的室温剪切强度Rτ=285N/mm2,金型铸件
2
T6)单铸试样的持久强度的285N/mm;砂型T6(S、
R100:200℃的120N/mm2,250℃的40N/mm2,300℃2
T5铸件的冲击韧性aKU=24.5kJ/的20N/mm;S、
T5m2;室温旋转弯曲疲劳强度(N=2×107周):S、2
S、T6的85N/mm2,J、T6的110N/的74N/mm,
T5铸件20℃时的弹性模量E=76GN/m2。mm2;S、
4.9.5工艺性能
熔体经合金化、净化处理与添加晶粒细化剂后,在680℃~730℃铸造,精炼温度720℃~750℃,添Ti-B细化剂的温度730℃~750℃,加Al-变质处理可
Sr中间合金,用钠盐或Al-处理温度720℃~750℃。ZL116合金具有令人满意的抗蚀性,铸造性能优良,
有很好的气密性、流动性和抗热裂性,线收缩率
18
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合金的标定化学成分(GB/T1173)见表47。由表中
ZL201A合金是ZL201合金的改型,可见,两者的主要差别仅是ZL201A合金有更低的杂质含量;在ZL201A的基础上添加少量的Cd而获得ZL204A合并添加金。在ZL204A合金的基础上降低Mn含量,
Zr、B,微量V、获得ZL205A合金。
Si-Cu系的Si合金,其结晶过程和相组成与Al-ZL107合金的相似。在结晶出α(Al)以后,有α(Al)+Si二元共晶结晶,最后以α(Al)+Si+Al2Cu三元
共晶结晶结束。在合金中有杂质Fe时,还有N(Al7Cu2Fe)和β(Al9Fe2Si2)相出现。5.1.2Al-Cu-Mn合金
Al-Cu-Mn系ZL201、ZL201A、ZL204A、ZL205A
Cu-Mn系铸造合金的成分(质量分数/%)表47Al-Tab.47ChemicalcompositionsofAl-Cu-Mncastalloys(wt/%)
主要组元
合金代号
Cu4.5~5.34.8~5.34.6~5.34.6~5.3
Mn0.6~1.00.6~1.00.6~0.90.3~0.5
Ti0.15~0.350.15~0.350.15~0.350.15~0.35
0.15~0.250.15~0.25
0.05~0.3
0.05~0.2
Cd
V
Zr
B
Al
杂质,不大于FeS
J0.3
Si
Mg
Zl201ZL201AZL204AZL205A
余量0.25余量0.15余量0.12
0.005~0.06余量0.15
0.30.050.10.050.060.050.060.05
Cu-Mn三元相图(图14),根据Al-在平衡条件
ZL201、ZL201A合金的结晶过程是:首先结晶出下,α(Al),然后有L→α(Al)+Al6Mn二元共晶反应,最后有L+Al6Mn→α(Al)+T(Al12CuMn2)包共晶反应,直到结晶完毕。Cu可溶入α(Al)中,而无Al2CuZL201、ZL201A合金凝固相出现。故在平衡结晶时,
后处于α(Al)+T(Al12CuMn2)两相区。
Cu不能完全溶入合金在不平衡状态下结晶时,
α(Al)中,在包共晶反应以后,仍有液相存在,液相中含Cu量很高,产生L→α(Al)+Al2Cu+T(Al12CuMn2)三元共晶反应。由于三元共晶点的含Cu量比含Mn量高得多,所以三元共晶体中Al2Cu相的数T相为细小的质点,量比T(Al12CuMn2)相的多,在放大倍数低时不易分辨。
不平衡结晶时,包共晶反应不能充分进行,所以合金的组织中可见到Al6Mn相。
Cu-Mn合金中T(AlCuMn)相的化学成关于Al-各种资料报道不同,认为它的化学成分(质量分分,
19.8~24Mn,数/%)是可变的:12.8~19Cu,余为
Al。因此,可用多种化学式表示,如Al12CuMn2、Al20Cu2Mn3和(CuMn)Al4等。
ZL201合金中的T相,电子探针微区分析指出,w(Mn)=19%、w(Fe)=3.3%、含w(Cu)=15.4%、余为Al。
当合金中添加少量Ti时,将有Al3Ti相形成,从Al-Cu-Ti三元相图(图15)可看出,Al3Ti可以在高温
图14
Al-Cu-Mn三元相图
Fig.14DiagramofternaryphaseAl-Cu-Mnalloy
下直接从液相中析出,是初生相;在L+Al3Ti→α(Al)+Al2Cu的四相包共晶反应时,Al3Ti相的弥散质点可作为α(Al)的结晶核心,使α(Al)的晶粒细化。若包晶反应进行不完全,则有Al3Ti出现在组织
中;当Ti含量过高造成偏析,则合金组织中出现粗大的片状Al3Ti相。
2012,Vol.40,№12
19
在杂质含量偏高时还可能有N(Al7Cu2Fe)、Al6(CuMnFe)、Al10Mn2Si和AlFeMnSi相。ZL201A合金的相组成与ZL201合金的相似,只是杂质相少。ZL204A合金的相组成,除可能出现Cd相外,其他与ZL201A合金的相同。ZL205A合金成分较复杂,在θ铸态组织中依其成分不同可能出现α(Al)、
图15
Al-Cu-Ti三元相图
(Al2Cu)、T(Al12CuMn2)、Cd、Al3Ti、Al3Zr、Al7V和TiB2相。其杂质含量偏高时还可能有N(Al7Cu2Fe)相出现。
当淬火加热时,θ(Al2Cu)可溶入α(Al)中,淬火
Cu后形成过饱和固溶体,起固溶强化作用。含Mn、的过饱和α(Al)固溶体分解,析出大量细小而弥散的T(Al12CuMn2)相质点,弥散强化,提高合金室温
和高温强度。
在淬火后的时效过程中,含Cu固溶体分解,析
进一步提高合金性能。Cd的作用出GP区和θ'相,
在许多资料中已有阐述。一般认为Cd抑制GP区的
形成而加速θ'相的析出.因此Cd减缓合金的自然时Cd抑制而加速人工时效过程。研究证明,效过程,
ZL205合金低温时效,延缓GPⅠ区的出现,但促进较高温度下的沉淀过程,加速GPⅡ区(θ″)的长大和θ'相的析出,明显提高合金强度极限和屈服极限。5.2
ZL201合金
ZL201为可热处理强化Al-Cu-Ca系铸造铝合
Fig.15DiagramofternaryphaseAl-Cu-Tialloy
Cu-Mn系合金中添加少量的Cd,在Al-在富Al
T的合金中不形成四元相,仅出现α(Al)、θ(Al2Cu)、(Al12CuMn2)、Al6Mn和Cd相。在凝固过程中由偏
晶反应形成液相Cd,当温度下降到321℃左右,由液相Cd转变为固相Cd。
由于ZL204A和ZL205A合金中含Cd量较低,且有一部分溶入α(Al)中,剩余的Cd以圆球形质点形式与T(Al12CuMn2)和θ(Al2Cu)相一起分布在枝晶间或晶界上。因Cd相小而少,一般不易发现。当合金中含Cd量偏高和在高放大倍率下才能看到少量圆球形Cd相质点。所以ZL204A合金的金相组织与ZL201A合金的相似。
V、Zr和B,在ZL205A合金中还添加少量Ti、形
Al3Zr、Al3Ti和TiB2化合物,成Al7V、它们可作为α(Al)的外来结晶核心,有效地细化晶粒和提高合金
的力学性能。
Cu-Mn合金中存在杂质Fe时,当Al-少量的Fe可溶入T(Al12CuMn2)中,形成Al12Cu(MnFe)2相,
或随Cu一起溶入Al6Mn中,形成Al6(CuFeMn)相。Fe含量较高时,则形成N(Al7Cu2Fe)相。合金中的Si含量多时杂质Si,量少时可溶入Al6(CuMnFe)中,
可形成Al10Mn2Si相。该相可溶较多Fe形成骨骼状或枝杈状AlFeMnSi相。在ZL201合金的这种相中溶入一定量的Cu,有些资料称为Al15(CuFeMn)3Si2相,其成分是可变的。
Cu-Mn合金中的Fe、Si杂质含量较高时,T当Al-(Al12CuMn2)相的数量减少,而AlFeMnSi相的数量
AlFeMnSi相含有约增多。电子探针微区分析表明,
12.3t,16.5%Mn,6.0%Si,其余为Al,并溶有部分的Cu。
Cu-Mn合金中含有Mg,如果Al-则将形成S
(Al2CuMg)相,它参与组成低熔点共晶组织,而使合金在淬火加热时产生过烧。
ZL201合金铸造状态下可能存在的相有:T(Al12CuMn2)、Al6Mn和Al3Ti。α(Al)、θ(Al2Cu)、
金,是一种常用的高强度铝合金,具有较高的室温力
优良的可切削加工性和可焊性。合金铸造学性能、
Si系合金的,有疏松、热裂倾向,不宜制性能不如Al-造形状十分复杂的铸件,而主要用于砂型铸造工作温度175℃~300℃中等复杂程度以下的飞机承力构
件,如挂架梁、支臂、翼肋等,在T4或T5状态使用。合金可用不同加热方式(电阻、重油等)的坩埚
而以感应炉熔炼品质最好。炉熔炼,
Ti是合金的晶粒细化剂。Ti的作用是形成Al3Ti,作为外来结晶核心而细化晶粒。但是Ti的含
“中毒”否则会引起现象,导致伸长率下量不宜过高,
降。同时Ti易出现偏析,所以Ti的质量分数一般控
制在0.25%左右,在熔炼过程中加强搅拌。
Fe、Si是合金的主要杂质元素,应严格防止从熔应注意Mg的影炼工具等带入而沾污合金。同时,响,即使是微量的镁(w(Mg)=0.05%),也可能导致合金塑性和可焊性的明显降低,并引起热处理过烧。
根据合金铸造性能较差的特点,铸造时应加强补缩和采用退让性较好的造型材料,以免铸件产生疏松和热裂。如有条件,大型厚壁铸件宜采用压力
20
2012,Vol.40,№12
T相不溶解,固溶处理时θ相溶入固溶体α(Al)中,
留于枝晶间,在α(Al)固溶体中有黑色细小的弥散的T相质点析出。5.2.1热处理
ZL201合金的热处理规范见表48。
22
釜浇铸,在0.5N/mm~0.6N/mm压力下凝固。
ZL201合金的显微组织示于图16,图16a为未
热处理的,在α(Al)固溶体枝晶间分布着θ(Al2Cu)、T(Al12CuMn2)相的共晶组织,白色花纹状是θ相,黑色片状与枝杈状的相为T相;图16b为T4处理的,
表48ZL201合金的热处理规范
Tab.48HeattreatmentsystemofZL201alloy
状态
固溶处理
加热温度/℃先530±5再540±5先530±5再540±5
保温时间/h5~95~95~95~9
60~10060~100
175±5
3~5
空气
冷却水温度/℃
加热温度/℃
人工时效保温时间/h
冷却介质
T4
T5
重的铸件表面可采用化学氧化或涂漆保护。
表49
ZL201合金腐蚀试验后的抗拉强度Rm与伸长率A5损失
Tab.49TensilestrengthRmlossandelongation
AslossofetchedZL201alloybeing
状态T4T5
腐蚀90d
Rm损失/%
915
43A5损失/%
腐蚀180d
Rm损失/%
1419.5
56A5损失/%
《试验室条件下铝合金腐蚀性能的试验方法》。注:按HC129
5.2.3
力学性能
ZL201合金单铸试样的典型力学性能见表50;
T4试样的冲击韧在不同温度的力学性能见表51;S、
2
S、T5试样的78kJ/m2;单铸试样(S、性98kJ/m,
T4)的高温持久强度Rm见图17;175℃的蠕变强度Rp0.2/100=127N/mm2,300℃时的为39N/mm2;合金
图16
ZL201合金砂型铸件的显微组织
sand-moldcast
Fig.16MicrostructuresofZL201alloypartsbeing
82
的弯曲疲劳强度(N=5×10)R-1=69N/mm;
ZL201合金的正弹性模量为70GN/m2、切变模量为26GN/m2。
表50ZL201合金单铸试样的典型力学性能Tab.50TypicalmechanicalpropertiesofZL201
alloyseparately-castsample
铸造方法热处理状态Rm/(N·mm-2)Rp0.2/(N·mm-2)A5/%
S
T4T5
335365
155215
125
5.2.2
物理化学性能
ZL201合金的熔化温度547.5℃~650℃;ZL201
3
合金的密度2780kg/m,电阻率为59.5nΩ·m,无
磁性。
Cu是降低铝合金耐腐蚀性能的主要元素,故ZL2××合金耐腐蚀性能低于ZL3××和ZL1××系合金的。在固溶处理和人工时效状态有晶间腐蚀倾向,强度损失试验结果见表49。
合金阳极氧化性能良好。对于针孔和疏松较严
5.2.4
工艺性能
ZL201合金熔体经合金化与净化处理后的浇注
2012,Vol.40,№12
温度为690℃~720℃,铸造温度对力学性能的影响见图18;铸件的力学性能随凝固速度的提高而上升。
21
表51ZL201合金砂型铸件在不同温度的力学性能Tab.51Typicalmechanicalpropertiesofsand-moldcast
ZL201alloypartstestedatdifferenttemperature
状态
温度/℃-40-70
T4
175200250300-40-70
Rm/(N·mm-2)Rp0.2/(N·mm-2)
295295284275216149335335265265167118
196216108741772169869
A5/%9.59.59.57.56.510.07.57.57.58.07.07.0
图17ZL201合金持久强度(100h)与温度的关系testingtemperatureofZL201alloy
T5
175200250300
Fig.17Relationshipofendurancestrength(100h)with
合金铸造性能较差,用浇铸棒状试样流动长度法测定的流动性为165mm,环形试样热裂倾向性试验测定的第一个裂纹在宽度37.5mm时形成,线收
Si系合金的。为提缩率1.3%。合金气密性低于Al-高有疏松、针孔缺陷铸件的气密性,可采用浸渗处
理。根据合金热裂、疏松倾向性较大的特点,除在铸造工艺采取相应的措施外,铸件设计截面过渡应尽量均匀,并适当加大圆角。合金的可焊性能良好,易于氩弧焊接和补焊,已经热处理的铸件焊接或补焊后如其力学性能受到影响,则可按技术标准进行重复热处理。对于较复杂和容易变形的铸件,应当在热水(80℃~100℃)中淬火,以减少内应力和防止变必要时可采用专用夹具。ZL201合金具有良好形,
的可切削性能,超过各种ZL1××系合金的,可获得光洁度高的加工表面。
图18
浇注温度对ZL201合金T4状态单铸试样力学性能的影响
Fig.18Influenceofcastingtemperatureonmechanical
propertiesofZL201T4separately-castsample
(待续)
海湾地区2013年原铝产量可超过4000kt
2013年海合会国家(阿拉伯联据海湾铝业委员会预计,随着沙特阿拉伯马登铝业公司(Na'aden)的投产,合酋长国、阿曼、巴林、卡塔尔、科威特、沙特阿拉伯)的原铝产量将超过4000kt,成为世界最大的铝锭(ingot)与铝圆锭(billet)、扁锭(slab)出口基地。其中原铝产量:迪拜铝业公司1002kt,巴林铝业公司(Alba)880kt,阿联酋埃马尔铝业公司(Emal)750kt,马登铝业公司740kt,卡塔尔铝业公司(Qatalum)600kt,阿曼苏哈尔铝业公司(Sohar)370kt。海合会(海湾合作委员会)成立于1981年。
(王祝堂)
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