金属材料学十的知识

1、11 钛合金的合金化原理1、Ti存在同素异构转变，有两种同素异构体-Ti及-Ti。在882以下稳定，h.c.p.结构；稳定于 882-熔点间，b.c.c.结构。2、Ti密度小，4.51 g/cm3，比强度高，熔点高，1720，塑性好，高的比强度可保持到550-600。3、Ti与O和N形成化学稳定性极高的致密氧化物和氮化物保护膜，具有优良的耐蚀性。一、钛的基本性质第十章 钛合金1 钛合金的合金化原理4、低温机械性能好。5、弹性模量较低，约为Fe的54%。6、导热系数和线膨胀系数都较低。7、屈强比很高，0.720.93，对Ti的压力加工很不利。一、钛的基本性质1）Fe 与Ti形成置换固溶体，固溶强

2、化作用，对塑性影响不大，有害作用比间隙元素小。2）O 与Ti形成间隙固溶体，占据八面体间隙位置，产生点阵畸变，六方点阵参数c变化大，几乎不影响a，提高强度、降低塑性。3）N 与O类似，强烈提高强度而降低塑性，0.1%C时，塑性急剧下降，控制在0.1%C以下。二、钛合金中的合金元素与杂质元素 1、钛合金中的杂质元素 工业用钛合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu和Si等。1）相稳定元素提高转变温度，扩大 相区，Ti与合金元素在固态发生包析转变。如Al、O、N、C等，有效强化相，提高低温和高温（550）的强度。2、钛合金中的合金元素2）相稳定元素降低转变温度，扩大相

3、区的元素。第一类：与形成无限固溶体，与形成有限固溶体，不产生相共析分解，但慢冷时析出相，快冷时有马氏体转变。如Mo、V、Nb、Ta等。稳定相的能力是MoVNbTa。2、钛合金中的合金元素2）相稳定元素降低转变温度，扩大相区的元素。第二类：产生相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co和W等，随温度降低，相发生共析分解，析出相及金属间化合物。2、钛合金中的合金元素3）中性元素对转变温度影响较小，它们在和相中均有大的固溶度，称为中性强化元素。如Hf和Zr。2、钛合金中的合金元素1）Zr 中性元素，在和中均能形成无限固溶体，起固溶强化作用，提高钛合金的高温性能，7%Al时，出现脆性相，控

4、制在7%Al以下。3、合金元素对钛合金性能的影响4）V 稳定元素，在中能无限固溶，在中有一定的固溶度，起有效的固溶强化作用，提高钛合金强度的同时，保持良好的塑性，提高抗蠕变能力和热稳定性，在钛合金中应用广泛。5）Mo 稳定元素，与V相似，起固溶强化作用，改善热加工性能，能提高抗蠕变能力和热稳定性，减少氢脆倾向。6）Cu 共析型稳定元素，一部分溶于固溶体，一部分形成TiCu2化合物，提高热稳定性和热强性，通过时效弥散强化，提高室温强度和高温强度。7）Si 共析型稳定元素，有效提高热强性，形成Ti5Si3和(Ti,Zr)5Si3相，提高抗蠕变能力，但降低热稳定性，减少氢脆倾向。3、合金元素对钛合金

5、性能的影响2 钛合金的分类 一、钛合金退火状态的显微组织是单相固溶体，含有稳定元素及一些中性强化元素，不含或只含极少量的稳定元素。主要元素是Al、Zr、Sn等。牌号：TA+顺序号，TA1TA3是工业纯钛。二、+钛合金退火状态的显微组织是+相，含有较多的相稳定元素。牌号：TC+顺序号，如TC1至TC10。三、钛合金退火或淬火状态的显微组织是相，含有大量的相稳定元素，多数还含有Al、Cr、Mo等。室温强度可达到+钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，不过高温强度比不上+合金。牌号：TB+顺序号，只有TB1，TB2两个牌号。3 钛合金的热处理原理强化的基本原理：既有淬火时效强化（与铝合金相似），又有马氏

6、体相变（与钢相似）。一、淬火后得到的介稳定相 室温下呈单相组织的钛合金，不能热处理强化，只进行退火处理； Ti与稳定元素组成的钛合金，加热到相区淬火后，可以得到不同的介稳定相，如、和过冷相。一、淬火后得到的介稳定相1、 相 相是相区淬火时发生无扩散型相变形成的合金元素在六方点阵-Ti中的过饱和固溶体的针状组织； 置换型过饱和固溶体，硬度较低，塑性很好，硬度略高于平衡相，强化作用不大； 随着合金元素的增加，Ms点降低，当Ms点降低至室温以下，得到相，该浓度称为临界浓度。合金元素的临界浓度：3.5%Fe；6.3%Cr；6.4%Mn；7.0%Co；9.0%Ni；10%Mo；13%Cu；15%V；22

7、.5%W；36%Nb；45%Ta。一、淬火后得到的介稳定相2、 相 相是相区淬火时发生无扩散型相变形成的斜方（正交）点阵的针状马氏体组织，位移相变较相小； 硬度比相更低，常见于含W、Mo、V、Nb、Ta的钛合金中。3、 相 是过冷相转变成相过程中的一种中间相，具有畸变的体心立方点阵，与相保持共格关系，是一种特殊形式的马氏体； 淬火时， 相变是无扩散型相变，但淬火后较低温度回火时， 相变属于扩散型相变；高硬度和脆性，属有害组织，不能被利用。一、淬火后得到的介稳定相4、 相 淬火过程中保留下来的过饱和固溶体，极不稳定的相，会分解析出：介稳定的、相和稳定的相，引起合金性能变化； 很好的塑性，但强度、

8、硬度低。二、钛合金过冷相的等温转变 与钢中的过冷A等温分解相似-C曲线； 在较高温度T1等温， 直接分解为+ 相，随等温温度降低，转变产物越细， 相弥散度越大，强度、硬度越高； 当等温分解温度T2较低时， 相分解过程为：+。二、钛合金过冷相的等温转变 钛合金C曲线的形状和位置取决于 稳定元素的种类和含量； 随着加入的 稳定元素的数量和稳定 相的能力增大，C曲线向右下方移动； 用C曲线近似判断连续冷却时合金的组织转变和最终组织； 水淬（曲线1）： +； 油淬（曲线2）： +； 曲线3： + ； 曲线4： + 。三、钛合金的时效 钛合金时效强化机理：依靠相在时效过程中分解析出弥散的固溶体使合金强化

9、，即 + 。 + 也能产生一定的强化效果； 时效产物可按C曲线判断，时效工艺应避免产生相和共析分解产物，否则合金的塑性急剧下降。五、钛合金的强韧化、应用与发展 1、近和钛合金 这类合金的机械性能对热处理不敏感，因为总是相没有相变。通过冷加工和随后退火控制相形态和大小，通过固溶强化强化相。经相热加工冷却得到片状魏氏组织；相热加工冷却得到等轴组织；经+相热加工也得到等轴组织。魏氏组织片的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能很好，而等轴相的低周疲劳性能和拉伸强度较高。典型合金Ti-5Al-2.5Sn,在300以下使用,可以焊接,但冷加工困难。发展方向：加入更多的稳定元素，提高蠕变性能，但制备困难，在制备和使用过程中易产生脆性。由于Al当量的限制，该合金的发展受到限制。进一步发展方向：时效硬化合金，Ti-25Cu，可冷加工和焊接，广泛用于发动机铸件和法兰盘等。2、+钛合金加入4-6%的稳定元素，从而使和两个相都有较多数量，而且抑制相在冷却时发生转变，只在随后的时效时析出，产生强化。可在退火态或淬火时效态使用，既可以在+相区也可以在相进行热加工，使组织和性能有较大调整余地。典型合金Ti-6Al-4V，用量占整个钛合金的一半。广泛用于压气机盘件、叶片和其他锻件。3、钛合金和近钛合金钛合金的相可以残留到室温，但却是不稳定的，随后时效析出第二相强化。其强度可优于+钛合金，同