钛及钛合金材料精品整理

1、一、 钛及钛合金材料(一) 材料1. 碘化钛碘与粗钛在低温下直接作用生成挥发性的碘化 钛，经加热使碘化钛分解，再沉积而得到高纯度的金属钛称 为碘化钛。牌号：TAD. 符号：Til2. 纯度99.9% (wt)主要用于科研，如测试纯钛的化学性能、物理性能、合 金化研究等。2. 海绵钛含钛的矿石从金红石( Tio2 )存在，经氯( Cl2 )化生成 四氯化钛(TiCl4 )，再用活性金属(Mg或Na)还原得到海 绵状的金属钛( Ti )称为海绵钛。镁法海绵钛： MHTi纳法海绵钛： NHTi海绵钛是疏松多孔，纯度 99.1-99.7%(wt)，其硬度HB为 1 00- 1 57 ，是钛工业生产的原

2、料。海绵钛分级见表 1.3. 工业纯钛含有一定量的氧、氮、碳、硅、铁及其他元素杂质的a 相钛称为工业纯钛。工业纯钛的含钛量V 99.0% (wt) 按杂质元素含量把工业纯钛划分为四个级别，见表 2.产品 等级Grade产品牌号及HBBrandsTi不小 于%wtNo less than化学成分（质量分数， %） Chemical Composition, %布氏硬度 不大于Brinell hardness NO more than杂质兀素不大于（% wt）Impurity , no more thanFeSiC1CNOMnMgH0级MHT-10099.70.060.020.060.020.02

3、0.060.010.060.0051001级MHT-11099.60.100.030.080.030.020.080.010.070.0051102级MHT-12599.50.150.030.100.030.030.100.020.070.0051253级MHT-14099.30.200.030.150.030.040.150.020.080.1404级MHT-16099.10.300.040.150.040.050.200.030.090.0121605级MHT-20098.50.400.060.300.050.100.300.080.150.030200表2 工业纯钛分级GB/T3620.

4、1 -94.牌号化学成 分组Ti杂质元素不大于（%）FeCNHO其他元素单一总和TA0工业纯钛余量0.150.100.030.0150.150.100.40TA1工业纯钛余量0.250.100.030.0150.200.100.40TA2工业纯钛余量0.300.100.050.0150.250.100.40TA3工业纯钛余量0.400.100.050.0150.300.100.404. 钛合金以钛为基体金属元素和含有其他合金元素及杂质元素 所组成的合金称为钛合金。钛合金举例见表3.表 3 钛合金 GB/T3620.1-94牌号化学成分组TiPdMoNi杂质兀素不大于（%）其他兀素FeCNHO单

5、一总和TA9Ti-0.2Pd余量0.12-0.25-0.250.100.030.0150.200.100.40TA10Ti-0.3Mo-0.8Ni余量-0.2-0.40.6-0.90.300.080.030.0150.250.100.40TC4Ti-6Al-4V余量-0.300.100.050.0150.200.100.405. ELI钛及钛合金具有超低间隙杂质元素的钛及钛合金称为ELI钛及钛合金。如：Ti-6Al-4V ELI.为了改善低温钛及钛合金的塑性和韧性开发出来的超低间隙元素的钛及钛合金，由于间隙元素含量小，其溶于钛 后减小了钛晶格歪曲，随温度降低，钛的强度增加，而塑性 和韧性下降的

6、很小，在室温 -253 C条件下具有强度高，良好 的塑性和高的断裂韧性。（二） 标准1. 常用标准（钛）（1） 中国标准 GB :国家强制性标准 GB/T:国家推荐性标准 GJB:国家军用标准 YB:部颁标准 丫丫：行业标准 YS/T:行业标准 NY/T: 行业标准（ 2） 国际及外国标准 ISO ：国际标准化组织标准 ANSI :美国国家标准a. ASTM: 美国材料试验协会标准b. MIL-T（MIL-STD）: 美国军标c. AMS: 美国金属学会标准 TOCT:原苏联国家标准AMTY: 原苏联国家航空技术委员会标准 JIS:日本工业标准 EN:欧洲标准委员会标准 DIN:德国标准WL

7、:德国航空材料标准 BS:英国标准 NF:法国标准2. 钛及钛合金牌号对照表 43. 有关标准检验项目表 54. 产品标准参考表 6、表 75. 出口用标准三） 国际组织与标准化机构1. 部分国际组织、国家标准化机构和标准代号2. 与金属材料有关的部分国外协会、学会及专业标准代（四） 热处理1. 概念 通过对金属材料采用适合的加热方式、保温、冷却以获 得预期的组织形态、分布及性能的工艺称为热处理。加热的方式有非真空加热、真空加热。冷却的方式有空 冷、水冷、油冷、炉冷等。2. 真空热处理一般指在 1X10-5 Pa 的真空环境中（通常最低要求2-3X10-3 Pa的真空度），进行加热，（有时要求

8、充惰性气体）, 保温、冷却的热处理工艺称为真空热处理。产品的出炉温度v 200 C才能保证钛的表面不被氧化， 呈银白色的金属钛本色。3. 退火 对产品加热到适合温度，保温一定时间，使其冷却，获 得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。退火目的是均匀化学成分，改善机械性能和工艺性能。 例如：消除因加工引起的硬化、 如消除应力、 如实现再结晶、 如真空退火除气（一般是氢气）等。（ 1 ）再结晶退火 对冷变形和热变形的金属加热到高于再结晶温度，使其破碎的晶粒和拉长的晶粒重新成核并长大成为细小的等轴晶粒，不禁消除了加工引起的硬化，还恢复了加工变形能力，这称为再结晶退火。考虑再结晶退火温度受产品变形率和

9、原始晶粒的大小 等影响因素，再结晶温度要比理论讲的再结晶温度高出100-150 C为宜。所以，实际再结晶退火温度：工业纯钛为650-700 C；TC4钛合金为 800-850 C。(2)消除应力退火消除金属材料因变形加工、切削加工、焊接加工及深加 工制造等过程引起的部应力，又不发生再结晶的退火称为消 除应力退火。女如:工业纯钛消除应力退火温度550-600 C, TC4钛合金消除应力退火温度 550-600 Co4. 加热(1)非真空加热图示 1 加热工艺流程OA: 炉子加热升温AB:装料温度工业纯钛350-400 CTC4 钛合金 600-700 CBC: 保温CD: 冷却（一般为空冷）保温

10、时间 h=D/2+ （30-50 分钟）D 为钛的直径或厚度 mm.（ 2） 真空加热 先装炉料，然后加热并抽真空（有时真空度达到要求后 充惰性气体），保温、冷却，最后出炉（出炉温度最佳V 200C） 空冷。（ 3）加热特点 加热工艺依据 钛的加热工艺主要依据其物理化学特性，其中导热率和 化学活性是重要因素。a. 钛的化学活性大， 其导热系数低为铜的 1/2，铝的 1/3， 钢的 1/5，说明在同一加热温度下，钛的加热时间要长，使 其表面受热的时间要长，则钛截面的温度差要大，只有在加 热长的时间才达到平衡。b. 钛的化学活性大，在常温的空气中，钛表面的氧膜是 一层致密、惰性和稳定的保护膜能阻止

11、氧等向钛基体扩散。这层氧化膜为金红石结构 （TiO2）,呈银白色，具有自愈性能。但是随温度升高，钛的氧化膜发生变化，如：钛在500-550 C的纯氧中有自燃烧特性，在空气中600-650 C时，与氧发生强烈反应，使钛表面钝化膜增厚，进而脱落，将失 去对钛的保护作用。如：钛在500-560 C的空气中，有明显吸氮的特性，高于 850 C发生强烈反应，使氧化膜增厚，进 而促进脱落。如：在高于900 C的空气中，钛与碳发生强烈反应，增加氧化膜厚度，进而促进脱落。特别是钛吸氢变脆特性，钛的吸氢是可逆的，即吸氢也 可析出氢，但是高于 300 C时吸氢大于析出氢。钛与氢反应 形成氢化钛（ TiH 2）细小

12、弥散的指点，使钛受脆，其冲击值 大幅度下降。针对钛的活性特性，确定合理的加热温度和保温时间对 获得良好性能的钛材具有重要意义。 过热 对钛的加热温度偏高，并保温时间过长，使其组织中的 晶粒长大，导致力学性能显著降低的现象称为过热。 过烧 对钛的加热温度过高，接近固相线时，其组织中的晶界 处优先发生氧化，进而发生部分熔化的现象称为过烧。（ 4） 钛的氧化膜钛的氧化膜随温度不同有不同的厚度和颜色，其成分也发生了变化。表8给出了氧化膜厚度和颜色加热温度（C）氧化膜厚度（mm）氧化膜颜色V 200极薄银白色300极薄淡黄色400极薄金黄色500极薄蓝色600极薄紫色6490.005紫色7040.007

13、6红灰色700-800V 0.025红灰色760-871V 0.025红灰色900V 0.灰色927-982V 0.灰色10380.102灰色10930.356灰色举例：在一定温度下，把试样剖开看截面的氧化膜结构及 颜色变化。 700-800 CTi基体（银白色）Tio （青铜色）一TiO2 （金红石，淡 蓝色）。 825-850 CTi 基体一Ti+TiO 粉一TiO+ 少量 Ti TiO2 （深蓝色） TiO2 （浅蓝色）TiO2 （黄褐色） 875-1050 CTi基体TiO+ 少量 Ti TiO* TiO2 （紫色粉末）-TiO2 （深蓝色）5.加热设备及气愤（1）感应加热：咼频、中频

14、及低频感应炉（2）电接触加热：直接电阻加热（3）燃气加热：煤气炉，液化气炉（4）燃油加热：重油炉，柴油炉（5）间接式电阻加热：箱式电阻丝炉、管式电阻丝炉、辊道式电阻丝炉以上加热属非真空加热，要求加热炉的气氛保持中性或 微氧化性，绝对不允许燃气及燃油的火焰直接喷射钛的表 面，不允许用氢气加热。（五）钛材加工（1）钛材压力加工（又称塑性加工）概念通过压力加工设备使钛金属塑性变形，把固态钛变成 为所需要的产品形态的加工过程称为压力加工。（2）压力加工特点 无切屑变形，金属损耗小 获得所需要形态的同时，也获得了期望的组织与性能 对产品适合专业化的规模生产（ 3） 影响压力加工因素 确认合理的变形程度要

15、实现变形过程，取决于钛本身的性能，必须选择合理 的变形参数即适宜的温度、速度、变形率，能避免产生裂 纹、断裂、分层、折叠等缺陷和因为变形率不足而造成不 希望的组织。如：在拉制棒材过程中，所确认的温度、速度、涂层、 模具等环节不合适，可能会发生塑性变形失稳，而产生拉 断、颈缩等现象。 选择适宜的设备、工具模确认使用的压力加工设备、工具模要有足够的刚性和实 现塑性变形的能力。 确认技术经济合理的工艺路线 常用的压力加工设备繁多，选择的原则是不能“大马拉小车”，也不能“小马拉大车” ，考虑的核心是成本低，质量 符合，保证塑性变形的能力。（4）变形方式 锻造使用锻造设备上的锤头（包括模具） ，对钛坯料

16、加力， 使其发生塑性变形，获得预期的形状、尺寸、组织和性能的 产品的压力加工工艺称为锻造。般认为：加力的时间短发生了塑性变形称为锻；加力 的时间长发生了塑性变形称为压。 轧制使用两个旋转的轧辊之间的空隙或模具孔，对钛坯料 加力，使其发生横截面积减小，而长（宽）度增加的产品的 压力加工工艺称为轧制。 拉（拔）制钛坯料在拉力作用下，穿过模孔使其发生横截面积减 小，长度增加的产品的压力加工工艺称为拉（拔）。（5） 钛及钛合金加工材生产工艺流程图示2.（6）钛及钛合金锻造、轧（拉）制产品的工艺规程 表9，表10.表9名称开坯锻造变形锻造成品锻造TA1-TA3980-1000 C900-950 C830

17、-850 CTC41050-1150 C1000-1050 C900-950 C注控制终锻温度：工业纯钛 700 CTC4钛合金 800 C控制变形率： 60%表10名称加热温度保温时间终轧（拉）温度变形量TA1-TA3800-850 C40-60 分< 700 C> 60%TC4920-950 C40-60 分< 800 C> 60%、 钛的性能1. 物理性能（ 1） 熔点（熔融温度）钛的晶态和液态平衡共存的温度称为熔点工业纯钛的熔点为 1668土 4C高纯度碘化钛的熔点为1670 ± 4 C（ 2） 密度材料每单位体积的质量称为密度。密度表示材料致密的程度

18、，p =m （质量）/v （体积）工业纯钛的密度p =4.505g/cm3TC4钛合金的密度p =4.45g/cm3（ 3 ）比重材料每单位体积的重量称为比重。比重表示材料的重量程度r比重=g （重量）/v （体积）工业纯钛的比重 r=4.505g/cm 3TC4 钛合金的比重 r=4.45g/cm3（ 4）比强度是指质轻、强度高的特性指标，为密度与抗拉强的比 值，比强度高是航天航空工业应用钛及钛合金的重要依据 之一。(5) 相变点相变开始转变的温度称为相变点工业纯钛的相变点温度：a J B 885 CTC4钛合金的相变点温度：a - B- 990 C一般工艺规定：成品热变形加工在低于相变点温

19、度30-50 C围完成。(6) 晶体结构钛金属部原子、分子按晶体学作长程有序排列、重复 的点称为晶体结构。 具有密排六方晶格，出现在低于885C,其稳定晶形状态为a型(也称a钛)。 具有体心立方晶格，出现在高于885C,其稳定晶形状态为B型(也称B钛)。沸点钛的沸点为3535 C(8 )膨胀系数钛的膨胀系数是各向异性的，常用线性膨胀系数平均数：0-100 C时，工业纯钛为 8.4X10-6 cm/cm/C (1/C)。钛合金为8.8X10-6(9)导热系数钛的导热性差，是铜的 1/2，铝的1/3，钢的1/5，在一定温度下的导热系数举例:工业纯钛25 C时为0.41卡/厘米.秒.C100 C时为

20、 0.036钛合金25 C时为0.018（ 1 0）电阻率钛的导电性差，是铜的3.1%，其电阻系数20C时为47.8微欧.厘米。（ 1 1 ）磁化率金属钛是顺磁性物质，其磁化率为3.15（0.02 ）X10-6 厘米. 克. 秒。钛的磁化率很小，被称为无磁性金属。（12）弹性模量钛在其弹性围，应力与应变呈正比的比例数称弹性模量。 弹性模量表示材料抵抗变形的能力。2. 机械性能钛的机械性能指标有抗拉强度、屈服强度、伸长率、断 面收缩率、硬度、冲击值、疲劳强度、缺口敏感性、断裂韧 性、耐磨性等。（1）强度钛抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。抗拉强度 材料拉断前承受最大标称（力的读数）称为抗拉强度。

21、符号：Rm单位：MPa屈服强度材料抵抗塑性变形的能力，以20%处所取的数值称为屈服强度。符号：Rpo.2 单位：MPa（2）断面收缩率材料原始截面积和拉断后最小截面积的差值与原始截面积的百分比称为断面收缩率。符号：Z 单位：%（3）延伸（伸长）率材料拉断后的标距部分实际伸长与拉伸前原始标距长的百分比称为延伸率。符号：A 单位：%钛及钛合金棒材的力学性能表12表12弹性模量比较牌号弹性模量（公斤力/毫米）工业纯钛10850镍210001cr18Ni9Ti20300表13棒材力学性能牌号标准室温玄Rm.MPaRpo.2 MPaA %Z %TA0GB/T2965*-96 GB/T13810-1997

22、2801702430TA1GB/T2965*-96 GB/T13810-19973702502030TA2GB/T2965*-96 GB/T13810-19974403201830TA3GB/T2965*-96 GB/T13810-19975404101525TA4GB/T2965*-96 GB/T13810-19978958251025硬度固体材料表面抵抗压入、划伤的能力称为硬度。 硬度是衡量固体材料软硬程度的力学性能指标。钛及钛合金硬度表 14表14名称TA0TA1TA2TA3TA4HB <100110-125130-16017-200320-380硬度分类有：布氏硬度HB,维氏硬度

23、HV,络氏硬度HR肖氏硬 度HS.几种硬度值按kg/mm计算可查表得出数值之间关系。（5）磨损当表面相接触并做相对运动时，材料自该表面逐渐损失，甚至损伤的现象称为磨损。3. 工艺性能金属在成形过程中的难易程度的性能称为工艺性能。女口：铸造成形的流动性、充填性、收缩性；如深充性能；如弯曲性能等。（1）可锻性金属材料在锻造加工中，能实现塑性变形而不发生破裂等缺陷产品的工艺性能称为可锻性。（2）可轧制行（3）可切削性 金属材料能承受告诉切削的加工工艺性能为可切削性。（ 4） 可焊接性 金属材料在焊接加工中，能获得好的焊接接头的工艺性 能称为可焊接性。（ 5） 其他工艺性能 翻边性能，如管材扩口； 深

24、冲性能，如杯突值； 弯曲性能，如弯曲角； 压弯性能，如管材压扁。三、 常用的术语1. 组织 对金属材料用金相方法观察到的由不同形态、 不同尺寸 和分布不同的单相或复相，以及部损伤、缺陷等构成的总体 称为组织。2. 相 金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能均匀组成， 并在组成部分之间有分界面隔开称为相。通常，一个相的组织称为单相， 如工业纯钛是a相组织，如TB1钛合金是B组织；有多个相的组织称为复相，如TC4钛合金是a - B相组织。3. 相变金属组织中相的数目、相的性质发生了变化，称为相变。 如a * * a - B*.4. 以相分类的钛及钛合金(1) a钛合金：含有a稳定剂，在室温稳定状态

25、下基本 为a相的钛及钛合金，称为a钛合金。女口：工业纯钛：TAO-TA3.(2) a - B钛合金：含有a稳定剂和较多B稳定剂， 在 室温稳定状态下由a相和B相组成的钛合金，称为a- B钛 合金。(3) B钛合金：含有足够的B稳定剂，在室温稳定状 态下全部为B相的钛合金，称为B钛合金5. 相的稳定剂(1) a稳定剂：在钛及钛合金中，优先溶解于a相 并提高a斗亠B转变温度的合金元素，称为a稳定剂。女口：间隙元素有 O C、N、H.(H为可逆元素). 置换元素有Al.(2) B稳定剂：在钛及钛合金中，优先溶解于B相中 并降低a - B岬4 B转变温度而不发生共析反应，与B形成 连续固溶体的合金元素

26、，称为B稳定剂。女口：间隙元素有H Si.置换元素有 V、Pa、Mo Ni、Fe.(2) 马氏体：在太和钛合金中，B相以很高的速度 冷却并以非扩散形式转变成a产物，其含有过饱和的B稳定 剂，称为马氏体。符号：MS：在冷却过程中开始转变为马氏体的最高温度。Mf ：在冷却过程中终止转变为马氏体的温度。6. 基体 在钛及钛合金的显微组织中，连续的、占优势的相组成 部分称为基体。如如: a相基体、a - B相基体、B相基体。7. 基体元素 在钛及钛合金中，质量占支配地位的金属元素称为基体元素。如：工业纯钛的基体元素有 Ti.TC4 钛合金的基体元素有 Ti 、 Al 、 V.8. 间隙元素 在钛及钛合

27、金的组织中，原子直径比钛的小，溶于钛后位于钛晶的空隙中的元素称为间隙元素。间隙元素的作用使钛的晶格歪曲，提高了钛的强度、弹 性模量，恶化了切削性能，降低了塑性。常提到的间隙元素有 C、 H、 N、 O、 B、 Si 等.9. 置换元素 在钛及钛合金的组织中，原子直径与钛的接近，溶于钛后能置换或替代钛晶格上的钛原子的元素，称为置换元素置换元素的含量控制不好，会因为组织中相的变化及其分布不同，影响钛及钛合金的力学性能和工艺性能。 常提到的置换元素有 V、 Al 、 Fe 等。10. 杂质元素 在钛及钛合金组织中存在，并非有意加入或保留的金属 元素或非金属元素，称为杂质元素。如：工业纯钛中有 C、H

28、、N、O、Fe、Al 、Si 等。 TC4 钛合金中有 C、H、N、O、Fe、Y 等。11. 合金元素 为了获得具有特定要求性能的合金，加入或保留在基体 金属中的金属元素或非金属元素称为合金元素。女口： TC4钛合金，为了获得符合标准的力学性能、工艺性能及其组织，控制加入 Al 、V 的含量，控制 C、H、N、O、 Fe （有要求丫、Si ）等含量。12. 晶粒度 对金属材料组织中晶粒大小的评定，是采用晶粒编号或 晶粒直径平均值或单位面积的晶粒度数目等为定量评级，称 为晶粒度。通常晶粒度指金相观察法， 一般为250X，晶粒度图谱标准见 GB5168-85 中的 B1-B21, 其术语标准见 GB8755-88 中规13. 低倍组织金属材料的试样， 用金相方法处理， 对其磨面用肉眼 （有 时借助低倍放大镜）观察，其表面的组织状况如：裂纹、划 伤、