高性能合金材料课件

高性能合金材料高分子09-2郭盼军540904010210发展史发现于18世纪末。但由于化学活性高，提取困难，直到1910年金属钛才被美国科学家用钠还原法(亨特法)提炼出来。1936年卢森堡科学家克劳尔用镁还原法(克劳尔法)还原TiCl4，制得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础。其技术转让到美国，1948年在美国首先开始海绵钛的工业生产。中国继美、日、前苏联之后，于1958年开始钛的生产。钛合金用于航空钛及其合金由于密度低(4.54.8g/cm3，比钢约轻40%)、比强度高和耐蚀性好而成为一种优良的结构材料，在航空、航天、海洋及化工机械领域非常引人注目，在国防科技领域占有重要地位。钛由于具有某些特殊功能(如储氢特性、形状记忆、超弹性)和无毒、生理相容性好等特性而成为新型功能材料和重要的生物医学材料。钛的基本特性钛的弹性模量较低（120GPa），属中等，约为铁的54%，比模量稍低于钢适于做弹性元件，但加工时回弹比较大。合金化可使钛弹性模量发生很大变化。具有导热系数和线膨胀系数均低的特性。钛的比热容与不锈钢相当，电阻率比不锈钢稍大。钛的导磁率近乎为1.0，非磁性(严格说为顺磁性)。制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，由于钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。

钛对超声波的阻抗较小，透声系数较高，适于做声纳导流罩之类材料。钛具有优良的生物相容性且无毒、质轻、强度高，是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的材料。合金元素的分类

将钛的合金元素分成三类：α相稳定元素，能提高α→β相的转变温度，扩大α相区，如铝和氧、氮等；中性元素，在α相和β相中均有较大固溶度，对α⇔β相变温度影响不大，如锡、锆等。

β相稳定元素，一般是降低β相的转变温度，扩大β相区，它又可分两小类。钛合金的分类

按其成分和室温下的组织分为三类：

α-钛合金：显微组织是α相，含有α相稳定元素及一些中性强化元素。主要元素是铝、锆、锡等。典型合金有Ti-8Al-1Mo-1V。

α+β钛合金：显微组织是α+β相，含有较多的α相稳定元素和β相稳定元素。

β钛合金和近β钛合金：含有大量的β相稳定元素，多数还含有铝、锆、锡等。室温强度可达到α+β钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，高温强度比不上α+β合金。近β钛合金的显微组织是α+β相，α强化相分布在β相基体上。钛合金的强韧化、应用与发展

近α和α钛合金

这类合金的机械性能对热处理不敏感，因为总是α相没有相变。通过冷加工和随后退火控制α相形态和大小，通过固溶强化强化α相。经β相热加工冷却得到片状魏氏组织α结构；α相热加工冷却得到等轴组织；经α+β相热加工也得到等轴组织。魏氏组织α片的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能很好，而等轴α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α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α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。钛合金的强韧化、应用与发展β钛合金和近β钛合金

β钛合金的β相可以残留到室温，但却是不稳定的，随后时效析出α第二相强化。经热处理后其强度可优于α+β钛合金，同时韧性也优于α+β钛合金。但若控制不当，β合金可产生严重脆性。控制第二相的数量、大小和分布。典型合金Ti-13V-11Cr-3Al，经固溶淬火冷成形及时效处理，可获得高强度。该合金已成功制作SR-71飞机的蒙皮。要进一步提高强度，先要解决韧性低问题。细化β晶粒可以提高塑性，但不能提高断裂韧性；通过形变热处理改善断裂韧性。

钛合金的发展趋势

发展综合性能更好的高强钛合金。高强钛合金目前已达到σb≥1250MPa水平，其强度可与30CrMnSiA优质结构钢媲美，但其延伸率与断裂韧性(KIC)及弹性模量还差一些，耐热性在350℃以下。人们正努力提高其综合性能，如近年研制出了既高强又耐热的β21S合金。发展耐蚀性更好的钛合金。特别是发展在还原性介质中像Ti-32Mo一样耐蚀，但加工性较好的合金。发展多用途的专用钛合金，如新型形状记忆合金、新型储氢钛合金、恒弹性钛合金、低膨胀钛合金、高