鈦及鈦合金全解學(xué)習(xí)教案VIP

1、會計學(xué)1鈦及鈦合金全解鈦及鈦合金全解第一頁，共41頁。密度小，比強(qiáng)度高：鈦密度為3，約為鋼或鎳合金的一半。比強(qiáng)度高于鋁合金及高合金鋼。導(dǎo)熱系數(shù)?。衡伒膶?dǎo)熱系數(shù)小，是低碳鋼的五分之一，銅的二十五分之一。無磁性，無毒：鈦是無磁性金屬，在很大的磁場中不被磁化，無毒且與人體組織及血液有很好的相容性。抗阻尼性能強(qiáng)：鈦受到機(jī)械振動及電振動后，與鋼、銅相比，其自身振動衰減時間最長。耐熱性佳：因熔點(diǎn)高，使得鈦被列為耐高溫金屬。耐低溫：可在低溫下保持良好的韌性及塑性，是低溫容器的理想材料。吸氣性能高：鈦的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，在高溫下容易與碳、氫、氮及氧發(fā)生反應(yīng)。耐蝕性佳：在空氣中或含氧的介質(zhì)(jizh)中，鈦表面

2、生成一層致密的、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜，保護(hù)鈦基體不被腐蝕。2 純鈦純鈦第1頁/共41頁第二頁，共41頁。2 純鈦純鈦物理性能：屬B族元素(yun s)，原子序數(shù)為22，原子量為。有兩種同素異晶體，其轉(zhuǎn)變溫度為882.5。 低于882.5，為密排六方-Ti： 點(diǎn)陣常數(shù)(20)為： a0.295111 nm，c，c 882.5熔點(diǎn)，為體心立方-Ti：點(diǎn)陣常數(shù)在25時， ；900 時。密度為。鈦的彈性模量低，只有鐵的一半。熔點(diǎn)1668，導(dǎo)電性較差（僅為銅的3.1%），導(dǎo)熱系數(shù)（鐵的六分之一）和線脹系數(shù)（與玻璃的相近）均較低。鈦無磁性，在強(qiáng)磁場下也不會磁化，用鈦制人造骨和關(guān)節(jié)植入人體內(nèi)不會受雷雨天

3、氣的影響。鈦?zhàn)枘嵝缘?，適宜做共振材料。當(dāng)溫度低于時，鈦呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，經(jīng)過適當(dāng)合金化，超導(dǎo)溫度可提高到910K。 第2頁/共41頁第三頁，共41頁?；瘜W(xué)性質(zhì)：室溫下鈦比較穩(wěn)定，高溫下很活潑，熔化態(tài)能與絕大多數(shù)坩堝或造型材料發(fā)生作用。高溫下與鹵素、氧、硫、碳、氮等進(jìn)行強(qiáng)烈反應(yīng)。鈦在真空或惰性氣氛下熔煉，如真空自耗電弧爐、電子束爐、等離子熔爐等設(shè)備中熔煉。鈦在氮?dú)?dn q)中加熱即能發(fā)生燃燒，鈦塵在空氣中有爆炸危險，所以鈦材加熱和焊接宜用氬氣作保護(hù)氣體。鈦在室溫可吸收氫氣，在500以上吸氣能力尤為強(qiáng)烈，故可作為高真空電子儀器的脫氣劑；利用鈦吸氫和放氫的特性，可以作儲氫材料。 2 純鈦純鈦第3頁/共

4、41頁第四頁，共41頁。耐蝕性能： 鈦的標(biāo)準(zhǔn)電極電位很低(E=1.63V)，但鈦的致鈍電位亦低，故鈦容易鈍化。 常溫下鈦表面極易形成由氧化物和氮化物組成的鈍化膜，它在大氣及許多浸蝕性介質(zhì)中非常穩(wěn)定，具有很好的抗蝕性。 在大氣、海水、氯化物水溶液及氧化性酸(硝酸、鉻酸等)和大多數(shù)有機(jī)酸中，其抗蝕性相當(dāng)于或超過不銹鋼，在海水中耐蝕性極強(qiáng)，可與鉑相比，是海洋開發(fā)工程理想的材料。 鈦與生物體有很好相容性，而且(r qi)無毒，適做生物工程材料。 鈦在還原性酸(濃硫酸、鹽酸、正磷酸)、氫氟酸、氯氣、熱強(qiáng)堿、某些熱濃有機(jī)酸及氧化鋁溶液中不穩(wěn)定，會發(fā)生強(qiáng)烈腐蝕。另外，鈦合金有熱鹽應(yīng)力腐蝕傾向。 鈦在550以

5、下能與氧形成致密的氧化膜，具有良好的保護(hù)作用。在538以下，鈦的氧化符合拋物線規(guī)律。但在800以上，氧化膜會分解，氧原子以氧化膜為轉(zhuǎn)換層進(jìn)入金屬晶格，此時氧化膜已失去保護(hù)作用，使鈦很快氧化。 2 純鈦純鈦第4頁/共41頁第五頁，共41頁。力學(xué)性能：純鈦性能和純鐵相似，塑性好，延伸率可達(dá)5060%，斷面收縮率可達(dá)7080%，強(qiáng)度不太高（300MPa）。純鈦力學(xué)性能與純度有關(guān)：間隙雜質(zhì)(zzh)（氧、氮、碳）含量增加，其強(qiáng)度升高，塑性陡降。常溫下鈦為密排六方結(jié)構(gòu)，與其他六方結(jié)構(gòu)的金屬(鎘、鋅、鎂)相比，鈦的塑性要高得多。原因是：滑移模型和晶體中各晶面的層錯能有關(guān)，如層錯能低，則有利于全位錯分解為不

6、全位錯，以促進(jìn)滑移的繼續(xù)進(jìn)行；鈦的層錯能比基面小，原來在基面上進(jìn)行滑移的位錯容易通過交滑移而轉(zhuǎn)移到棱柱面上，并可發(fā)生分解，這樣基面上的滑移很快終止，而棱柱面上的滑移則發(fā)揮著主導(dǎo)作用。2 純鈦純鈦第5頁/共41頁第六頁，共41頁。 純鈦的強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，加熱到250時抗拉強(qiáng)度減小一半。500以下加熱時斷面收縮率變化很小，而伸長率卻連續(xù)下降；500以上，和隨溫度提高而增加，接近轉(zhuǎn)變溫度時，出現(xiàn)超塑性(100)。 純鈦有很好的低溫塑性，特別是間隙元素含量很低的型合金適宜在低溫下使用，如在火箭發(fā)動機(jī)或載人飛船上作超低溫容器。 鈦的疲勞性能特點(diǎn)與鋼類似(li s)，具有比較明顯的物理疲勞極限，純

7、鈦的反復(fù)彎曲疲勞極限為b，鈦的疲勞性能對金屬表面狀態(tài)及應(yīng)力集中系數(shù)比較敏感。 鈦的耐熱性比鐵和鎳低。這與鈦原子自擴(kuò)散系數(shù)大和存在同素異晶轉(zhuǎn)變有關(guān)。鈦的耐磨性較差，通過滲氮、碳、硼可提高其耐磨性。 2 純鈦純鈦第6頁/共41頁第七頁，共41頁。 鈦可進(jìn)行鍛造、軋制、擠壓、沖壓等各種壓力加工，原則上加熱鋼材所采用的設(shè)備都可以用于鈦材加熱，要求爐內(nèi)氣氛保持中性或弱氧化性氣氛，絕不允許使用氫氣加熱。 鈦的屈強(qiáng)比(b)較高，一般在之間，變形抗力大，而鈦的彈性模量相對較低，因此鈦材在加工成型時比較困難。 純鈦具有良好(lingho)的焊接性能，焊縫強(qiáng)度、延性和抗蝕性與母材相差不多。為防止焊接時的污染，須采

8、用鎢極氬氣保護(hù)焊。 鈦的切削加工比較困難，主要原因是鈦的摩擦系數(shù)大，導(dǎo)熱性差，熱量主要集中在刀尖上，使刀尖很快軟化。同時鈦的化學(xué)活性高，溫度升高容易粘附刀具，造成粘結(jié)磨損。在切削加工時，應(yīng)正確選用刀具材料，保持刀具鋒銳，并采用良好(lingho)的冷卻。工藝性能2 純鈦純鈦第7頁/共41頁第八頁，共41頁。雜質(zhì)元素對鈦性能的影響雜質(zhì)元素對鈦性能的影響雜質(zhì)元素主要有氧、氮、碳、氫、鐵和硅。雜質(zhì)元素主要有氧、氮、碳、氫、鐵和硅。 前四種屬間隙型元素，后二種屬置換型元素，可以固溶在前四種屬間隙型元素，后二種屬置換型元素，可以固溶在相或相或相中，也可以化合物形式存在。相中，也可以化合物形式存在。 鈦的

9、硬度鈦的硬度(yngd)對間隙型雜質(zhì)元素很敏感，雜質(zhì)含量愈多對間隙型雜質(zhì)元素很敏感，雜質(zhì)含量愈多，鈦的硬度，鈦的硬度(yngd)就愈高。就愈高。 綜合考慮間隙元素對硬度綜合考慮間隙元素對硬度(yngd)的影響，引入氧當(dāng)量：的影響，引入氧當(dāng)量：O當(dāng)當(dāng)=O+2N十。十。 氧當(dāng)量和硬度氧當(dāng)量和硬度(yngd)的關(guān)系為：的關(guān)系為： HV=65+310 O當(dāng)。當(dāng)。 2 純鈦純鈦第8頁/共41頁第九頁，共41頁。 氫對純鈦及鈦合金性能的影響就是引起氫脆。 氫在-Ti中的溶解度比-Ti中大得多，且在-Ti中的溶解度隨溫度降低而急劇減少，當(dāng)冷卻到室溫時，會析出脆性的氫化物TiH2，使合金變脆，稱為氫化物氫脆。

10、 含氫的-Ti在應(yīng)力作用下，促進(jìn)氫化物析出，由此導(dǎo)致的脆性叫做應(yīng)力感生氫化物氫脆。 溶解在鈦晶格中的氫原子，在應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時間會擴(kuò)散到晶體缺陷處，與那里的位錯發(fā)生交互作用，使位錯被釘扎，引起塑性降低。當(dāng)應(yīng)力去除并靜止一段時間，再進(jìn)行高速變形(bin xng)時，塑性又可以恢復(fù)，這種脆性稱為可逆氫脆。 鈦及鈦合金中氫含量小于時，可避免氫化物型氫脆，但無法避免應(yīng)力感生氫化物氫脆和可逆氫脆。 減少氫脆的措施是減少氫含量，如嚴(yán)格控制原材料純度、采用真空熔煉、用中性或弱氧化性氣氛加熱、惰性氣體保護(hù)焊接、盡量避免酸洗增氫等。用真空退火去氫。2 純鈦純鈦第9頁/共41頁第十頁，共41頁。 氫可增加高

11、溫形變時塑性，即提高熱塑性或超塑性。生產(chǎn)上暫時將氫滲入(shnr)合金中，然后高溫變形，再通過真空退火去氫。增塑的原因是氫降低形變激活能，即降低原子擴(kuò)散遷移所必須克服的能壘，提高了變形過程中擴(kuò)散協(xié)調(diào)變形能力；同時氫原子在高溫下分布比較均勻，減小了局部彈性畸變；氫有促進(jìn)晶粒細(xì)化作用，從而改善高溫?zé)崴苄浴?氮、氧、碳都提高+ 相變溫度，擴(kuò)大相區(qū)，屬穩(wěn)定元素。均可提高強(qiáng)度，急劇降低塑性，其影響程度按氮、氧、碳遞減。為了保證合金的塑性和韌性，目前在工業(yè)鈦合金中氫、氧、氮、碳含量分別控制在、，以下。低溫用鈦及鈦合金，由于氧、氮和碳提高塑脆轉(zhuǎn)化溫度，應(yīng)盡量降低它們的含量，特別是氧含量。 微量鐵和硅在固溶范

12、圍內(nèi)與鈦形成置換固溶體，它們對鈦的性能影響沒有間隙雜質(zhì)元素那樣強(qiáng)烈。作為雜質(zhì)時，鐵和硅的含量分別要求小于和，但有時也作為合金元素加入。 2 純鈦純鈦第10頁/共41頁第十一頁，共41頁。純鈦組織基本形態(tài)： 形變再結(jié)晶退火后，相呈等軸狀，稱等軸； 相區(qū)緩慢冷卻，相以集束片狀形式沿晶界和晶內(nèi)有規(guī)則的析出，此類形態(tài)稱魏氏； 相區(qū)快冷，則發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變(zhunbin)，馬氏體形態(tài)與純度有關(guān)：高純鈦中呈鋸齒狀，工業(yè)純鈦中呈片狀，兩者均屬板條狀馬氏體。 2 純鈦純鈦第11頁/共41頁第十二頁，共41頁。工業(yè)純鈦的牌號、性能及用途工業(yè)純鈦的牌號、性能及用途 工業(yè)純鈦退火得到單相工業(yè)純鈦退火得到單相組織，屬

13、組織，屬型鈦合金。工業(yè)純鈦型鈦合金。工業(yè)純鈦根據(jù)雜質(zhì)含量不同分為根據(jù)雜質(zhì)含量不同分為TAlTAl、TA2TA2、TA3TA3、 TA4 TA4，其中，其中TATA為為型鈦型鈦合金的代號，數(shù)字合金的代號，數(shù)字(shz)(shz)表示合金的序號。隨著序號增大，鈦表示合金的序號。隨著序號增大，鈦的純度降低，抗拉強(qiáng)度提高，塑性下降。的純度降低，抗拉強(qiáng)度提高，塑性下降。 純鈦只能冷變形強(qiáng)化。當(dāng)變形度大于純鈦只能冷變形強(qiáng)化。當(dāng)變形度大于3030以后，強(qiáng)度增加以后，強(qiáng)度增加緩慢，塑性不再明顯降低。緩慢，塑性不再明顯降低。 純鈦的熱處理：再結(jié)晶退火（純鈦的熱處理：再結(jié)晶退火（ 540 540700 700 ）

14、和去應(yīng)力退）和去應(yīng)力退火（火（ 450 450600600），退火后均采用空冷。），退火后均采用空冷。 工業(yè)純鈦可制成板、管、棒、線、帶材等半成品。工業(yè)純鈦可制成板、管、棒、線、帶材等半成品。 工業(yè)純鈦可作為重要的耐蝕結(jié)構(gòu)材料，用于化工設(shè)備、濱工業(yè)純鈦可作為重要的耐蝕結(jié)構(gòu)材料，用于化工設(shè)備、濱海發(fā)電裝置、海水淡化裝置和艦艇零部件。海發(fā)電裝置、海水淡化裝置和艦艇零部件。 2 純鈦純鈦第12頁/共41頁第十三頁，共41頁。按組織(zzh)類型分： （用TA表示）：全、近和+化合物合金 。以鋁、錫、鋯為主要合金元素，在近型鈦合金中還添加少量穩(wěn)定化元素，如鉬、釩、鉭、鈮、鎢、銅、硅等 （用TB表示）：

15、熱力學(xué)穩(wěn)定型合金、亞穩(wěn)定型合金和近型合金 （用TC表示）：以Ti-Al為基再加適量穩(wěn)定元素 TA4 Ti-3Al TA7 Ti-5Al-2.5Sn TA8 Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5Zr TC1 Ti-2Al-1.5Mn TC3 Ti-4Al-4V TC4 Ti-6Al-4V TC6 Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si TB2 Ti-5Mo-5V-3Cr-3Al 3 鈦合金分類鈦合金分類(fn li)、牌號、牌號第13頁/共41頁第十四頁，共41頁。3 鈦合金鈦合金合金化合金化與與和和均形成連續(xù)固溶均形成連續(xù)固溶體相圖：體相圖： 鋯、鉿與鈦同族鋯、鉿與鈦

16、同族(tn (tn z)z)，有相同晶體結(jié)構(gòu)和同，有相同晶體結(jié)構(gòu)和同素異晶轉(zhuǎn)變，與素異晶轉(zhuǎn)變，與-Ti-Ti及及-Ti-Ti形成連續(xù)固溶體。形成連續(xù)固溶體。 第14頁/共41頁第十五頁，共41頁。與與-Ti無限互溶，與無限互溶，與-Ti有限溶解的相圖：有限溶解的相圖： 釩、鈮、鉭、鉬釩、鈮、鉭、鉬 都為體心立方結(jié)構(gòu)，與都為體心立方結(jié)構(gòu)，與-Ti同晶，稱為同晶，稱為同晶同晶元素。降低相變點(diǎn)，穩(wěn)定元素。降低相變點(diǎn)，穩(wěn)定相。相。 組元達(dá)到一定濃度值后，高溫組元達(dá)到一定濃度值后，高溫相可穩(wěn)定到相可穩(wěn)定到室溫，對應(yīng)這一濃度值稱為臨界濃度室溫，對應(yīng)這一濃度值稱為臨界濃度Ck。Ck反映反映合金元素穩(wěn)定合金元

17、素穩(wěn)定相能力大小，其值越小穩(wěn)定相能力大小，其值越小穩(wěn)定相能相能力就越大。穩(wěn)定力就越大。穩(wěn)定相能力按鉬、釩、鉭、鈮次序相能力按鉬、釩、鉭、鈮次序(cx)遞減。遞減。 加入這類元素的鈦合金組織穩(wěn)定性好，不會加入這類元素的鈦合金組織穩(wěn)定性好，不會發(fā)生共析轉(zhuǎn)變或包析轉(zhuǎn)變，同時能強(qiáng)化發(fā)生共析轉(zhuǎn)變或包析轉(zhuǎn)變，同時能強(qiáng)化相，并保相，并保持良好的塑性。持良好的塑性。3 鈦合金鈦合金合金化合金化第15頁/共41頁第十六頁，共41頁。3 鈦合金鈦合金合金化合金化與、鈦均有限溶解(rngji)，并具有共析轉(zhuǎn)變的相圖: Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Si、Bi、W、H 在-Ti中溶解(rngji)度比在-Ti中

18、大，降低(+) /相變溫度，其穩(wěn)定相的能力比同晶元素要大。 這類元素與鈦易形成化合物，如Ti-Mn系中形成TiMn()等化合物，含有這類元素的合金從相區(qū)冷到共析溫度時，相發(fā)生共析分解，這類元素稱為共析元素。 鉻、鎢能與-Ti完全互溶，但因原子尺寸或電化學(xué)性質(zhì)與鈦相差較大，在固態(tài)還有共析轉(zhuǎn)變，因此(ync)歸入共析元素。Ti-Cr系共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為+TiCr2。Ti-W系為+2(2為富鎢固溶體)，不存在金屬化合物。 錳、鐵、鉻共析轉(zhuǎn)變速度極慢，熱處理條件下難以進(jìn)行，稱為非活性共析元素(慢共析元素)；硅、銅、鎳、銀、氫等共析轉(zhuǎn)變極快，淬火也不能抑制其轉(zhuǎn)變，故稱為活性共析元素(快共析元素)。第16頁/

19、共41頁第十七頁，共41頁。 除錫對相變點(diǎn)影響不大，歸為中性元素外，其它元素都提高相變點(diǎn)，擴(kuò)大相區(qū)，稱為穩(wěn)定元素。 這類元素為強(qiáng)化相的主要元素，其中(qzhng)鋁和錫應(yīng)用較多。3 鈦合金鈦合金合金化合金化與和鈦均有限溶解，并有包析反應(yīng)(fnyng)的相圖：鋁、鎵、鋯、錫、硼、碳、氮、氧第17頁/共41頁第十八頁，共41頁。 各類合金元素對鈦合金常規(guī)力學(xué)性能的影響： 穩(wěn)定元素：鋁、鋯和錫的固溶強(qiáng)化效果以鋁的最大，鋯、錫次之。鋯、錫一般不單獨(dú)加入，而是與其它元素復(fù)合加入。 同晶元素：合金元素濃度超過相極限溶解度時，將進(jìn)入+相區(qū)，此時合金元素優(yōu)先溶于相，因而相具有更高的強(qiáng)度和硬度，這樣合金平均強(qiáng)度

20、將隨組織中相所占比例增加而提高，大約至相和相各占50時強(qiáng)度達(dá)到峰值。再增加相數(shù)量，強(qiáng)度反而有所下降。強(qiáng)化作用按鉬、釩、鉭、鈮次序遞減(djin)。 共析型穩(wěn)定元素：對合金性能的影晌規(guī)律和同晶型元素相似，特別是非活性共析元素錳、鉻、鐵在一般生產(chǎn)和熱處理條件下，共析轉(zhuǎn)變并不發(fā)生，因此可將鉬、釩等組元同等對待，退火組織仍為+相。但在高溫長期使用的耐熱合金，非活性共析元素的存在，將降低材料的熱穩(wěn)定性。 3 鈦合金合金元素鈦合金合金元素(yun s)對對性能的影響性能的影響第18頁/共41頁第十九頁，共41頁。 合金的高溫力學(xué)性能取決于金屬基體鍵合能力、原子擴(kuò)散過程及組織穩(wěn)定性。鈦合金耐熱性與相圖類型及

21、成分的關(guān)系為：單相固溶體濃度范圍內(nèi)，耐熱性隨濃度的增加而提高，當(dāng)組織中出現(xiàn)第二相時則有所下降，因復(fù)相(+)組織在加熱過程中將發(fā)生轉(zhuǎn)變，使相界附近的原子擴(kuò)散，且原子在具有體心立方結(jié)構(gòu)的相擴(kuò)散比相更快，耐熱性下降。所以，耐熱合金以單相組織為宜，常用型或近型鈦合金作為高溫材料。 提高鈦合金固態(tài)(gti)相變溫度的合金元素，可改善耐熱性。這是由于在接近相變溫度時，組織穩(wěn)定性下降，原子活性增加，故使金屬軟化。因此，耐熱合金在成分上應(yīng)以穩(wěn)定元素(如鋁)和中性元素(錫、鋯)為主，至于穩(wěn)定化元素一般效果較差，只有那些能強(qiáng)烈提高鈦原子鍵合能力的鉬、鎢及共析轉(zhuǎn)變溫度較高的硅、銅等元素，在適當(dāng)濃度范圍內(nèi)可有效地增加

22、合金的熱強(qiáng)性。某些金屬間化合物，如Ti-Al系中的Ti3Al(2相) 、TiAl(相)具有很高的耐熱性，有望成為新型耐熱合金。共析轉(zhuǎn)變溫度低的合金，如Ti-Mn、Ti-Fe合金，在高溫下很快軟化，故耐熱性差。 3.3 鈦合金合金元素鈦合金合金元素(yun s)對性能的影響對性能的影響第19頁/共41頁第二十頁，共41頁。 鈦合金中常用的合金元素有鋁、錫、鋯、釩、鉬、鉻、鐵、硅、銅、稀土，其中工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的元素是鋁。穩(wěn)定元素： 除工業(yè)純鈦外，各類鈦合金中幾乎都添加鋁，鋁主要起固溶強(qiáng)化作用，每添加1Al，室溫抗拉強(qiáng)度增加50MPa。 根據(jù)(gnj)鈦鋁相圖，鋁在鈦中的極限溶解度為，超過此值，出

23、現(xiàn)有序相Ti3Al(2相)，對合金的塑性、韌性及應(yīng)力腐蝕不利，故一般加鋁量不超過7。 鋁改善抗氧化性，鋁比鈦還輕，能減小合金密度，并顯著提高再結(jié)晶溫度，如添加5Al可使再結(jié)晶溫度從純鈦600提高到800。鋁增加固溶體中原子間結(jié)合力，從而提高合金的熱強(qiáng)性。在可熱處理合金中，加入3左右鋁，可防止由亞穩(wěn)定相分解產(chǎn)生的相而引起的脆性。鋁還提高氫在-Ti中的溶解度，減少由氫化物引起氫脆的敏感性。3.3 鈦合金鈦合金(hjn)常用合金常用合金(hjn)元素的作用元素的作用第20頁/共41頁第二十一頁，共41頁。 錫和鋯是常用的中性元素，它們在-Ti和-Ti中均有較大的溶解度，常和其他元素同時加入，起補(bǔ)充強(qiáng)

24、化作用。 為保證耐熱合金獲得單相組織，除鋁以外，還加入鋯和錫進(jìn)一步提高耐熱性，同時對塑性不利影響比鋁小，使合金具有良好的壓力加工性和焊接性能。 錫能減少對氫脆的敏感性。鈦錫系合金中，當(dāng)錫超過一定濃度時也會形成有序相Ti3Sn，降低塑性和熱穩(wěn)定性。 為了防止有序相Ti3X(2相)的出現(xiàn)，考慮到鋁和其它元素對2相析出的影響，Rosenberg提出(t ch)鋁當(dāng)量公式。 3.3 鈦合金常用鈦合金常用(chn yn)合金合金元素的作用元素的作用*% 1/3% 1/6% 1/2% 10 %8 9%AlAlSnZrGaO只要(zhyo)鋁當(dāng)量低于89，就不會出現(xiàn)2相。第21頁/共41頁第二十二頁，共41

25、頁。 釩和鉬：穩(wěn)定元素中應(yīng)用最多，固溶強(qiáng)化相，并顯著降低相變點(diǎn)、增加淬透性，從而增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化效果。含釩或鉬的鈦合金不發(fā)生共析反應(yīng)，在高溫下組織穩(wěn)定性好；但單獨(dú)加釩，合金耐熱性不高，其蠕變抗力只能維持到400，為了提高蠕變抗力，加鉬的效果比釩高，但密度大；鉬還改善合金的耐蝕性，尤其是提高合金在氯化物溶液中抗縫隙腐蝕能力(nngl)。 錳、鉻：強(qiáng)化效果大，穩(wěn)定相能力(nngl)強(qiáng)，密度比鉬、鎢等小，故應(yīng)用較多，是高強(qiáng)亞穩(wěn)定型鈦合金的主要添加劑。但它們與鈦形成慢共析反應(yīng)，在高溫長期工作時，組織不穩(wěn)定，蠕變抗力低；當(dāng)同時添加同晶型元素，特別是鋁時，有抑制共析反應(yīng)的作用。 硅：共析轉(zhuǎn)變溫度較高(860

26、)，加硅可改善合金的耐熱性能，因此在耐熱合金中常添加適量硅，加入硅量以不超過相最大固溶度為宜，一般為左右。由于硅與鈦的原子尺寸差別較大，在固溶體中容易在位錯處偏聚，阻止位錯運(yùn)動，從而提高耐熱性。3.3 鈦合金常用鈦合金常用(chn yn)合金元素的作用合金元素的作用第22頁/共41頁第二十三頁，共41頁。 稀土：提高合金耐熱性和熱穩(wěn)定性。稀土的內(nèi)氧化作用，形成了稀土：提高合金耐熱性和熱穩(wěn)定性。稀土的內(nèi)氧化作用，形成了細(xì)小穩(wěn)定的細(xì)小穩(wěn)定的RExOv顆粒，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。由于內(nèi)氧化降低顆粒，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。由于內(nèi)氧化降低(jingd)了了基體中的氧濃度，并促使合金中的錫轉(zhuǎn)移到稀土氧化物中，這有利于基體

27、中的氧濃度，并促使合金中的錫轉(zhuǎn)移到稀土氧化物中，這有利于抑止脆性抑止脆性2相析出。此外，稀土還有強(qiáng)烈抑制相析出。此外，稀土還有強(qiáng)烈抑制晶粒長大和細(xì)化晶粒的晶粒長大和細(xì)化晶粒的作用，因而改善合金的綜合性能。作用，因而改善合金的綜合性能。3.3 鈦合金常用鈦合金常用(chn yn)合金元素的作用合金元素的作用小結(jié)：合金(hjn)元素的作用： 固溶強(qiáng)化：提高室溫強(qiáng)度最顯著的元素為鐵、錳，鉻、硅，其次為鋁、鉬、釩，而鋯、錫、鉭、鈮強(qiáng)化效果差。穩(wěn)定相或相：合金(hjn)元素提高或降低相變點(diǎn)。增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化：添加穩(wěn)定元素，增加合金(hjn)淬透性。鋁、錫有防止相形成作用，稀土可抑制2相析出，同晶元素有阻制

28、相共析分解的作用。改善合金(hjn)的耐熱性：加鋁、硅、鋯，稀士等。提高合金(hjn)的耐蝕性和擴(kuò)大鈍化范圍：加鈀、釕、鉑，鉬等。第23頁/共41頁第二十四頁，共41頁。 純鈦： 慢冷時，擴(kuò)散方式，完成(wn chng)轉(zhuǎn)變； 快冷時，無擴(kuò)散方式，馬氏體轉(zhuǎn)變。 鈦合金：轉(zhuǎn)變溫度或升高、或降低、或基本保持不變。存在+兩相區(qū)，即轉(zhuǎn)變在一 個溫度范圍內(nèi)完成(wn chng)。 鈦和鈦合金的轉(zhuǎn)變具有下列特點(diǎn)：新相和母相存在嚴(yán)格的取向關(guān)系。如冷卻時，相總是以片狀或針狀有規(guī)則析出，形成魏氏組織。 鈦的轉(zhuǎn)變所需的過冷度或過熱度很小。當(dāng)加熱溫度超過相變點(diǎn)后，相極易長大，形成粗晶（由于高溫加熱而造成的脆性稱脆性

29、）。相區(qū)加熱形成的粗晶，不能像鋼鐵那樣利用同素異晶轉(zhuǎn)變使之晶粒細(xì)化；只有經(jīng)適當(dāng)形變再結(jié)晶才能消除粗晶魏氏組織。（原因：鈦的兩個同素異晶體比容差小，僅為，而鐵為，同時鈦的彈性模量小，在相變過程中不能產(chǎn)生足夠的形變硬化，以引起基體再結(jié)晶，使晶粒細(xì)化。）3.3 鈦合金鈦合金相變及熱處理相變及熱處理第24頁/共41頁第二十五頁，共41頁。3.3 鈦合金鈦合金相變及熱處理相變及熱處理相在冷卻時的轉(zhuǎn)變：相在冷卻時的轉(zhuǎn)變： 根據(jù)合金成分和冷卻條件，加熱到根據(jù)合金成分和冷卻條件，加熱到相區(qū)的鈦合金可能發(fā)生相區(qū)的鈦合金可能發(fā)生(fshng)下列轉(zhuǎn)變：下列轉(zhuǎn)變： + ： +TixMy ： 或或 ： ：密排六方晶格

30、，為六方馬氏體：密排六方晶格，為六方馬氏體 ：斜方晶格，為斜方馬氏體：斜方晶格，為斜方馬氏體 ： ：亞穩(wěn)定六方晶格：亞穩(wěn)定六方晶格相在慢冷時的轉(zhuǎn)變相在慢冷時的轉(zhuǎn)變相在快冷時的轉(zhuǎn)變相在快冷時的轉(zhuǎn)變第25頁/共41頁第二十六頁，共41頁。相在慢冷時的轉(zhuǎn)變：相在慢冷時的轉(zhuǎn)變： 合金加熱到合金加熱到相區(qū)后緩冷：將從相區(qū)后緩冷：將從相中析出次生相中析出次生。隨著溫度降低，次生。隨著溫度降低，次生相不斷增多，相不斷增多，相不相不斷減少，斷減少，穩(wěn)定化組元濃度連續(xù)增高。當(dāng)達(dá)到室溫時，兩相分別達(dá)到各自平衡濃度，室溫得到穩(wěn)定化組元濃度連續(xù)增高。當(dāng)達(dá)到室溫時，兩相分別達(dá)到各自平衡濃度，室溫得到+平衡組織。平衡組織

31、。 緩冷時，先在原緩冷時，先在原晶界開始形核長大，形成晶界晶界開始形核長大，形成晶界，然后從晶界向晶內(nèi)呈集束狀擴(kuò)展，直至互，然后從晶界向晶內(nèi)呈集束狀擴(kuò)展，直至互相接觸為止。相互平行位向一致的一組片狀相接觸為止。相互平行位向一致的一組片狀構(gòu)成一個群體，稱為構(gòu)成一個群體，稱為集束，集束，相處于片狀相處于片狀相之間相之間，呈連續(xù)的或間斷的層片狀，冷卻后形成魏氏，呈連續(xù)的或間斷的層片狀，冷卻后形成魏氏(+)。加熱溫度愈高、冷卻愈緩慢，則。加熱溫度愈高、冷卻愈緩慢，則片愈厚片愈厚，集束尺寸也愈大，形成位向比較單一的集束，這種組織稱并列式魏氏結(jié)構(gòu)。集束尺寸也愈大，形成位向比較單一的集束，這種組織稱并列式魏

32、氏結(jié)構(gòu)。 冷卻速度較快時，冷卻速度較快時，相不僅相不僅(bjn)可在晶界上生核，同時在可在晶界上生核，同時在晶粒內(nèi)部可獨(dú)立生核，這樣晶粒內(nèi)部可獨(dú)立生核，這樣群群體數(shù)目增多，組織細(xì)化，這種由多種取向的片狀體數(shù)目增多，組織細(xì)化，這種由多種取向的片狀相構(gòu)成的組織稱作網(wǎng)狀魏氏結(jié)構(gòu)。相構(gòu)成的組織稱作網(wǎng)狀魏氏結(jié)構(gòu)。3.3 鈦合金鈦合金相變及熱處理相變及熱處理第26頁/共41頁第二十七頁，共41頁。3.3 鈦合金鈦合金相變及熱處理相變及熱處理 加熱到+兩相區(qū)慢冷：與上述轉(zhuǎn)變主要差別是：原來存在的相在冷卻過程(guchng)中不發(fā)生轉(zhuǎn)變，為了與析出的次生相區(qū)別，稱為初生。隨著冷卻速度減慢，次生相由晶內(nèi)成核逐步

33、變?yōu)樵诔跎嗪拖嘟缑嫣幊珊碎L大，并與初生連成一體，而相呈網(wǎng)絡(luò)狀(晶間)，網(wǎng)絡(luò)狀也可能進(jìn)一步集聚成塊狀。加熱溫度較低，相濃度較高，過冷度較大，故轉(zhuǎn)變組織更為細(xì)密。 某些兩相鈦合金從相區(qū)或(+)相區(qū)上部溫度連續(xù)冷卻時，在轉(zhuǎn)變時，相界上存在界面相或界面層。界面相由兩層組成，靠近相一邊的層比較完整，且外觀較光滑，稱單片層，具有面心立方結(jié)構(gòu)；靠近相一側(cè)的層有許多條痕，稱條紋層，具有六方結(jié)構(gòu)，但和相鄰的相晶體取向關(guān)系不同。界面層厚度與冷卻速度有關(guān)，在適當(dāng)?shù)睦鋮s速度下，厚度達(dá)到最大值。界面相是在連續(xù)冷卻時轉(zhuǎn)變的一個過渡階段，面心立方單片層是轉(zhuǎn)變的一個中間結(jié)構(gòu)，條紋層已接近完成的轉(zhuǎn)變。 界面相的存在對兩相鈦合

34、金性能產(chǎn)生影響，疲勞裂紋易在界面層萌生。第27頁/共41頁第二十八頁，共41頁。Ms和Mf分別表示馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度和終了溫度，這兩個溫度隨穩(wěn)定(wndng)元素濃度的增加而降低，達(dá)到室溫時的對應(yīng)濃度稱臨界濃度Ck和Ck。對應(yīng)的淬火溫度稱臨界淬火溫度tk和tk。低于tk溫度淬火，相濃度大于Ck，故淬火時不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。而淬火溫度超過tk后，相濃度低于Ck故馬氏體轉(zhuǎn)變得以全部完成。C1CkCkC2C2CkCkC3第28頁/共41頁第二十九頁，共41頁。3.3 鈦合金鈦合金相變及熱處理相變及熱處理相在快冷時的轉(zhuǎn)變 不同成分鈦合金從相區(qū)淬火時的組織變化規(guī)律： 鈦合金從相區(qū)淬火，發(fā)生無擴(kuò)散的馬氏體轉(zhuǎn)

35、變： 當(dāng)穩(wěn)定元素含量少時，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。 若穩(wěn)定元素含量高時，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。 當(dāng)合金元素含量在臨界(ln ji)濃度附近時，淬火形成亞穩(wěn)定六方晶 格相。 轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變的異同點(diǎn)：相同點(diǎn)：相變速度快，即使很高冷速也不能抑制其進(jìn)行；母相與相成分相同；轉(zhuǎn)變具有可逆性，保持共格界面等，故變是一種無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。不同點(diǎn)：形核率高，形核容易，長大困難，尺寸細(xì)小彌散，表面沒有浮凸效應(yīng)。第29頁/共41頁第三十頁，共41頁。1 結(jié)構(gòu)鈦合金結(jié)構(gòu)鈦合金 強(qiáng)度較高，長期使用溫度在強(qiáng)度較高，長期使用溫度在400以下以下TA7合金：合金： 為為型鈦合金，屬型鈦合金，屬Ti-Al-Sn系系(Ti-5Al-2.5Sn) 合金

36、元素作用：鋁和錫起穩(wěn)定合金元素作用：鋁和錫起穩(wěn)定和固溶強(qiáng)化作用。和固溶強(qiáng)化作用。 性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)： 具有具有(jyu)中等強(qiáng)度和較高的耐熱性，可在中等強(qiáng)度和較高的耐熱性，可在400下長期工作。下長期工作。 具有具有(jyu)良好的低溫性能和焊接性能。良好的低溫性能和焊接性能。 隨溫度降低，強(qiáng)度升高，塑性略有下降。間隙元素含量低的合金，隨溫度降低，強(qiáng)度升高，塑性略有下降。間隙元素含量低的合金，在在-250時仍保持良好的塑性，用于超低溫高壓容器，多以管材供應(yīng)。時仍保持良好的塑性，用于超低溫高壓容器，多以管材供應(yīng)。 冷熱加工性較差。冷熱加工性較差。 軋制工藝對熱成型影響較大，軋制溫度為軋制工藝對熱成型影響較大，軋制溫度為750左右，具有左右，具有(jyu)較較好的熱成型性，高溫軋制塑性反而降低，原因是晶粒粗化，但通過交叉好的熱成型性，高溫軋制塑性反而降低，原因是晶粒粗化，但通過交叉軋制改善組織，可提高熱塑性。軋制改善組織，可提高熱塑性。 3.3 鈦合金幾種鈦合金幾種(j zhn)典型鈦典型鈦合金合金第30頁/共41頁第三十一頁，共41頁。TC4(Ti-6Al-4V)： +型合金型合金(hjn)，國際上一種通用型鈦合金，國際上一種通用型鈦合金(hjn)，其用，其用量占鈦合金量占鈦合金(hjn)總消耗量總消耗量50左右。在航空工業(yè)上