鈦及鈦合金知識

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第3章 鈦及鈦合金3.1 概述3.2 純鈦3.3 鈦合金3.4 鈦合金的應(yīng)用3.1 概述 1791年英國化學(xué)家格雷戈?duì)栄芯库佽F礦和金紅石時(shí)發(fā)現(xiàn)了鈦。1795年，德國化學(xué)家克拉普羅特在分析匈牙利產(chǎn)的金紅石時(shí)也發(fā)現(xiàn)了這種元素。格雷戈?duì)柡涂死樟_特當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的鈦是粉末狀的二氧化鈦，而不是金屬鈦。到1910年美國化學(xué)家亨特第一次制得純度達(dá)99.9%的金屬鈦。 鈦在地殼中的豐度占第七位，0.42%，金屬占第四位（鋁、鐵、鎂、鈦）。 以鈦鐵礦或金紅石為原料生產(chǎn)出高純度四氯化鈦，再用鎂作為還原劑將四氯化鈦中的鈦還原出來，由于還原后得到鈦類似海綿狀所以稱為海綿鈦，最后以海綿鈦為原料生

2、產(chǎn)出鈦材和鈦粉。 1947年才開始冶煉，當(dāng)年產(chǎn)量只有2噸。 1955年產(chǎn)量2萬噸。 1975年產(chǎn)量7萬噸。 2006年產(chǎn)量14萬噸 鈦的硬度與鋼鐵差不多，而它的重量幾乎只有同體積鋼鐵的一半，鈦雖然比鋁重，它的硬度卻比鋁大2倍。在宇宙火箭和導(dǎo)彈中，已大量用鈦代替鋼鐵。極細(xì)的鈦粉，還是火箭的好燃料，所以鈦被譽(yù)為宇宙金屬，空間金屬。3.2 純鈦密度小，比強(qiáng)度高：鈦密度為4.51g/cm3，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?？棺枘?/p>

3、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(shí)間最長。耐熱性強(qiáng)：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)。耐腐蝕性佳：在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成一層致密的、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜，保護(hù)鈦基體不被腐蝕。物理性能：屬第四副族B族元素，原子序數(shù)為22，原子量為47.9。有兩種同素異晶體，其轉(zhuǎn)變溫度為882.5。 鈦在固態(tài)隨著溫度的改變，其原子排列的晶體結(jié)構(gòu)要發(fā)生變化（組織轉(zhuǎn)變）。 也就是說，在882.5以下，是密排六方晶體的-Ti (相), 在88

4、2.5以上，是體心立方晶體的-Ti（相）。 可見， 882.5這個溫度是純鈦發(fā)生組織轉(zhuǎn)變（相 相）的溫度。 因之，將其稱為相變點(diǎn)。密度為4.5。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)較低（鐵的六分之一）和線脹系數(shù)較低（與玻璃的相近）。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)不會受雷雨天氣的影響。鈦?zhàn)枘嵝缘?，適宜做共振材料。當(dāng)溫度低于0.49K時(shí)，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。（-273為絕對零度） 化學(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

5、、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)庵屑訜峒茨馨l(fā)生燃燒，鈦塵在空氣中有爆炸危險(xiǎn)，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。 耐腐蝕性能： 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

6、過不銹鋼，在海水中耐蝕性極強(qiáng)，可與白金相比，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(shí)氧化膜已失去保護(hù)作用，使鈦很快氧化。 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）。一般用于科

7、研，沒有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。 但當(dāng)其中含有一定雜質(zhì)時(shí)，將強(qiáng)烈地改變機(jī)械性能，但此時(shí)再也不能稱為純鈦，而叫工業(yè)純鈦。純鈦力學(xué)性能與純度有關(guān)：間隙雜質(zhì)（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。反之，對于基面層錯能比較低的金屬，如鎘、鋅、鎂，則0001是主要滑移面。

8、純鈦的強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，加熱到250時(shí)抗拉強(qiáng)度減小一半。500以下加熱時(shí)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(shí)，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，具有比較明顯的物理疲勞極限，純鈦的反復(fù)彎曲疲勞極限為0.60.80b抗拉強(qiáng)度，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。 工藝性能鈦可進(jìn)行

9、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(0.2b)較高，一般在0.700.95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(shí)比較困難。 純鈦具有良好的焊接性能，焊縫強(qiáng)度、延性和抗蝕性與母材相差不多。為防止焊接時(shí)的污染，須采用鎢極氬氣保護(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(shí)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(shí)，應(yīng)正確選用刀具材料，保持刀具鋒銳，并采用良好的冷卻工藝。雜質(zhì)

10、元素對鈦性能的影響雜質(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，可以固溶在相或相中，也可以化合物形式存在。 鈦的硬度對間隙型雜質(zhì)元素很敏感，雜質(zhì)含量愈多，鈦的硬度就愈高。 綜合考慮間隙元素對硬度的影響，引入氧當(dāng)量：O當(dāng)=O+2N十0.67C。 氧當(dāng)量和硬度的關(guān)系為： HV=65+310· O當(dāng)。 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(shí)，會析出脆性的氫化物TiH2，使合金變脆，稱為氫化物氫脆。 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)

11、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(shí)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(shí)間，再進(jìn)行高速變形時(shí)，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0.015時(shí)，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。 氫可增加高溫形變時(shí)塑性，即提高熱塑性或超塑性。生產(chǎn)上暫時(shí)將氫滲入合金中，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

12、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(shí)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0.015、0.15、0.05，0.1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(shí)，鐵和硅的含量分別

13、要求小于0.3和0.15，但有時(shí)也作為合金元素加入。 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，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。 工業(yè)純鈦的牌號、性能及用途 工業(yè)純鈦退火得到單相組織，屬型鈦合金。工業(yè)純鈦根據(jù)雜質(zhì)含量不同分為TAl、TA2、TA3、 TA4，其中TA為型鈦合金的代號，數(shù)字表示合金的序號。隨著序號增大，鈦的純度降低，抗拉強(qiáng)度提高，塑性下降。 純鈦只能冷變形強(qiáng)化。當(dāng)變形度大于30以后，強(qiáng)度增加緩慢，塑性不再明顯降低。

14、 純鈦的熱處理：再結(jié)晶退火（ 540700 ）和去應(yīng)力退火（ 450600），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。 3.3 鈦合金分類、牌號按組織類型分： （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）：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     &

15、#160;                TA7 Ti-5Al-2.5Sn（錫） TA8 Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5Zr（鋯）TC1 Ti-2Al-1.5Mn  TC3 Ti-4Al-4V                  &

16、#160;          TC4 Ti-6Al-4V                                  TC6 Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-

17、0.5Fe-0.3SiTB2 Ti-5Mo-5V-3Cr（鉻-3Al）    與和均形成連續(xù)固溶體相圖： 鋯、鉿與鈦同族，有相同晶體結(jié)構(gòu)和同素異晶轉(zhuǎn)變，與-Ti及-Ti形成連續(xù)固溶體。與-Ti無限互溶，與-Ti有限溶解的相圖： 釩、鈮、鉭、鉬 都為體心立方結(jié)構(gòu)，與-Ti同晶，稱為同晶元素。降低相變點(diǎn)，穩(wěn)定相。 組元達(dá)到一定濃度值后，高溫相可穩(wěn)定到室溫，對應(yīng)這一濃度值稱為臨界濃度Ck。Ck反映合金元素穩(wěn)定相能力大小，其值越小穩(wěn)定相能力就越大。穩(wěn)定相能力按鉬、釩、鉭、鈮次序遞減。 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(shí)能強(qiáng)化相，并

18、保持良好的塑性。與、鈦均有限溶解，并具有共析轉(zhuǎn)變的相圖: Cr、Mn、Fe、Co（鈷）、Ni、Cu、Si、Bi、W、H 在-Ti中溶解度比在-Ti中大，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(shí)，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?xiàng)l件下難以進(jìn)

19、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)。與和鈦均有限溶解，并有包析反應(yīng)的相圖：鋁、鎵、鋯、錫、硼、碳、氮、氧除錫對相變點(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，其中鋁和錫應(yīng)用較多。合金元素穩(wěn)定元素間隙元素C、N、O置換元素Al、Ga（鎵）中性元素中性元素Zr（鋯）、Sn、Hf（鉿）、Ge（鍺）、La（稀土）、Mg穩(wěn)定元素間隙元素H置換元素（同晶元素，共析元素）同晶元素V、Nb（鈮）、Mo（鉬）、Ta（鉭）共析元素Cr(鉻)、Mn、Fe、Co（鈷）

20、Si、Cu、Ag、Ni 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(shí)，將進(jìn)入+相區(qū)，此時(shí)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(shí)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。 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?xiàng)l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

21、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。 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(shí)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)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(shí)，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

22、(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。 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)鈦鋁相圖，鋁在鈦中的極限溶解度為7.5，超過此值，出現(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。 錫和鋯是常用的中性元素，