钛及钛合金课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,复习题：,1,、铝合金的强化原理与工艺？,2,、什么是硅铝明合金？什么是杜拉铝合金？它们分别是属于哪类铝合金？,复习题：,钛及钛合金,概述,1,、新型的结构材料,钛及钛合金基本上是一类新型的结构材料，在当代的尖端科学技术工业领域中，如航空、宇航、海洋等中得到广泛的应用，主要原因：,1,）比强度高；,2,）耐腐蚀性；,3,）良好的低温性能。,2,、新型的功能材料,它们具有某些特殊的物理、化学、生物特性：,形状记忆合金，,TiNi,该材料强度与它的密度之比,钛及钛合金该材料强度与它的密度之比,人造骨头；,超导材料等。,3,、我国钛资源十分丰富，储量居世界首位，这是我国发展钛工业的优势。,第一节 工业纯钛,一、钛的基本性质,1,、物理性质,1,）两种同素异晶体：,-Ti;,-Ti,-Ti,-Ti,883,h.c.p,b.c.c,纯铝有类似的转变吗,?,铁呢,?,人造骨头；883h.c.pb.c.c纯铝有类似的转变吗?铁,2) T,熔,=1668,3,）,=7.857%=4.4g/cm,3,较轻；,4,）导电、导热性均较低，线膨胀系数较低；,5,）无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，因此植入人体内的钛制人造骨架不会受雷雨天气的影响。,2,、化学性质,钛在室温下比较稳定，但在高温下却很活泼：,在熔化状态下，能与绝大多数坩埚材料发生作用；,高温下，与卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈,2) T熔=1668,的反应，而使钛受到污染。因此，钛要在真空或惰性气氛下熔炼。,3,、耐蚀性质,1,）在介质中，钛的标准电极电位很低：,Ti Ti,2+,+2e, E=-1.63v,但钛的致钝电位亦低，故钛容易钝化,2,）不同温度下的耐蚀性：,在常温下，金属表面极易形成由氧化物和氮化物组成的钝化膜，它在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定，有很好的抗蚀性。,的反应，而使钛受到污染。因此，钛要在真空或惰性气氛下熔炼。,550,以下，能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的保护作用；,800,以上，氧化膜会分解，氧原子会以氧化膜为转换层，进入金属晶格，此时氧化膜已失去保护作用。,4,、钛的机械性能和工艺性能,1,）纯钛机械性能：强度不太高，塑性好。虽是,h.c.p,结构，但不象,Zn,、,Mg,等，钛的滑移系较多：,Ti: ,而,Zn,、,Mg,仅仅在 基面上。,2,）钛的,T,熔点,比,Fe,与,Ni,高，但,Ti,的耐热性较差，主要,550以下，能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的保护作用；,是钛有较大的自扩散系数以及同素异晶转变；,3,）切削性能不好，导热性差，摩擦系数大。,二、杂质元素对钛性能的影响,1,、主要杂质元素,间隙型元素：,O,、,N,、,H,、,C,；,置换（代位）型元素：,Fe,、,Si,。,2,、影响：,钛的硬度对间隙型杂质元素很敏感，杂质含量愈多，钛的硬度就愈高。,是钛有较大的自扩散系数以及同素异晶转变；,据此，生产上可以根据钛的硬度来估计其纯度：,引入氧当量,O,当,=O%+2N%+0.67C%,HV=65+310,O,、,N,、,C,使钛的强度提高、塑性降低，主要原因是与钛形成固溶体后晶格发生畸变，阻碍了位错的运动；,O,、,N,、,C,提高,-Ti/,-Ti,转变温度，使,稳定元素；,H,元素降低,/,转变温度，是,稳定元素。,据此，生产上可以根据钛的硬度来估计其纯度：,H,：,1,）在室温时氢引起各种氢脆（钉轧位错线、析出氢化物等）,降低措施：原料控制纯度、真空冶炼、加热时采用中性或弱氧化性气氛、在惰性气氛焊接、酸洗时避免增氢措施、真空退火去氢；,2,）高温时有增塑作用：先用氢作为合金元素增塑，然后再扩散退火。,增塑的原因是氢降低形变激活能，即降低原子扩散迁移所必须克服的能垒。,H：,第二节 钛的合金化原理,纯钛塑性和韧性虽好，但强度低，加入适当合金元素可以明显改善组织和性能，以满足工程上不同性能的要求。,一、钛与其他元素之间的作用,这些相互作用取决于它们的原子结构、晶体类型与原子尺寸等因素。,1,、与钛形成连续固溶体元素（合金化）,这类元素（,10,个），同族元素、近邻元素，性质相似、原子尺寸相差小于,8%,。,第二节 钛的合金化原理,其中,Zr,、,Hf,与,Ti,同族，具有相同的晶体结构和同素异晶转变，因此，与,-Ti,与,-Ti,形成连续固溶体；,V,、,Nb,、,Ta,与,Mo,具有体心立方结构，即与,-Ti,同晶，因此与,-Ti,形成连续固溶体；而与,-Ti,形成有限固溶体。,2,、与钛形成有限固溶体元素（合金化）,由于原子外层电子结构、晶体类型和原子尺寸与钛都有较大差异，故只能与钛形成有限固溶体。,代位固溶体：,Mn,、,Fe,、,Co,、,Ni,、,Cu,、,Al,、,Ga,、,Sn,、,Si,间隙固溶体：,B,、,C,、,O,、,N,、,H,其中Zr、Hf与Ti 同族，具有相同的晶体结构和同素异晶转变,3,、在钛中完全不溶解，而只形成共价键或离子键化合物,;,生产,Ti,时用到的卤素，它们位于周期表的最右端：,TiCl,4,、,TiI,4,。,4,、与钛不发生作用：碱金属、碱土金属,用卤素还原,TiO,2,得到,TiCl,4,(TiI,4,),，再用,Na(Mg,、,Ca,）与氯结合，使钛游离出来。,二、钛合金的二元相图及常用合金元素的作用,大致可以分为四类：,3、在钛中完全不溶解，而只形成共价键或离子键化合物;,温度,Ti,M:,中性元素,Zr,、,Hf,、,Sn,L+,L,+,1,、合金元素与,-Ti,和,-Ti,形成连续固溶体,与,Ti,同族元素,Zr,、,Hf,在,-Ti,和,-Ti,中均能无限溶解；,随组元浓度增加，,转变温度虽有所下降，但在实用浓度范围内，可认为变化不大，故称,中性元素,；,Zr,、,Hf,对,、,相强化不明显。,(,为什么,?),温度TiM:中性元素Zr、Hf、SnL+L+1、合,Ti-Zr,二元相图,Ti-Zr二元相图,2,、与,-Ti,无限互溶，与,-Ti,有限溶解的相图,L+,L,+,与,-Ti,同晶型元素,V,、,Nb,、,Ta,、,Mo,等能形成这类相图；,这类元素降低相变点，起稳定,相的作用，称,同晶元素,，也称,相稳定元素,。,温度,Ti,Me%,2、与-Ti无限互溶，与-Ti有限溶解的相图L+L,同晶元素,V,与,Ti,组成的相图,同晶元素V与Ti组成的相图,3,、与,-Ti,和,-Ti,都形成有限固溶体，,相会发生共析分解,+,+,L,L+,L+,温度,Ti,Me%,与钛形成这类相图的元素有铬、钨、锰、铁、钴、镍、铜、硅等；,这些元素在,和,-Ti,中均为有限溶解，降低相变温度；,这些元素与钛易形成化合物，,相，是以金属间化合物为基的固溶体；,这类元素称为共析型,稳定元素；,+,3、与-Ti和-Ti都形成有限固溶体，相会发生共析分解,Ti,与,Cr,(,共析型,稳定元素,),组成的相图,Ti与Cr(共析型稳定元素)组成的相图,Ti,与,Mn,(,共析型,稳定元素,),组成的相图,Ti与Mn,非活性共析元素（慢共析元素）,钛与这类过渡族元素形成的共析反应，进行的速度极慢，在通常的冷却速度下来不及进行，故它们在钛合金中的作用，与前述,同晶元素有相似之处。,活性,共析元素（快共析元素）,钛与铜、硅等非过渡元素形成的共析反应进行极快，在一般的冷却速度下，不能阻止其进行。因此，这类合金的,相实际很难固定到室温。,共析型,稳定元素中最常用的是,铁、锰、铬,，它们稳定,相的能力比同晶型的,V,、,Mo,等强烈的多，但不能在高温下长期工作。,非活性共析元素（慢共析元素）,4,、合金元素与,-Ti,、,-Ti,都形成有限固溶体，但,相由包析反应生成,+,+,L,L+,L+,+,温度,Ti,Me%,这类元素有如铝、镓、镧、硼等；,提高（,+,）,/,相变温度，稳定,相，,是,稳定元素,4、合金元素与-Ti、-Ti都形成有限固溶体，但相由包,Ti-Al(,稳定元素）组成的相图,Ti-Al(稳定元素）组成的相图,三、主要合金元素与相的形成,1,、主要合金元素：,同晶元素：,V,、,Mo,、,Nb,、,Ta,；,共析型,相稳定元素：,Cr,、,Mn,（慢共析元素）,Cu,（快共析元素）,稳定元素：,Al,；,中性元素：,Zr,、,Sn,；,2,、分三类,（,1,）,相稳定元素，能提高,相转变温度；,三、主要合金元素与相的形成,铝为什么是钛合金的一个基本合金元素？,1,）,Al,是最有效的,强化元素，起固溶强化作用；,2,）提高钛合金的比强度，因为,Al,的比重轻；,3,）有效提高低温强度和高温强度（,550,以下）；,4,）显著提高钛合金的再结晶温度；,5,）增加氢在钛合金中的溶解度，减轻氢的危害。,（,2,）中性元素,合金元素,(Sn,、,Zr,）等能有效强化,相，它们在,-Ti,与,-Ti,中有较大的固溶度，但对,/,相变温度影响较小，故有,中性强化元素,。,铝为什么是钛合金的一个基本合金元素？,（,3,）,相稳定元素，一般是降低,相转变温度，分二类：,1,）产生,相共析分解的元素，如,Cr,、,Mn,、,Fe,、,Cu,、,Ni,、,Co,、,W,，随温度,T,降低，,+,金属间化合物。,共析反应的速率随元素而异：,Cu,、,Si,等合金化时，共析转变快，析出,TiCu,2,、,Ti,5,Si,3,;,Fe,、,Mn,、,Cr,、,Co,、,Ni,等合金化时：共析转变速率较慢，即使连续缓慢冷却，也可能转变不完全，保留一些残余的,相；快冷时，共析反应可以完全被抑制，过冷,相可以保留到室温；这个过程还与合金含量有关，含量增加，,相可完全过冷到室温。,（3）相稳定元素，一般是降低相转变温度，分二类：,2) Mo,、,V,、,Nb,、,Ta,等，二元相图上不产生,相共析分解，但慢冷时析出,相，快冷时有,马氏体相变,M,f,Ms,稳定元素质量分数,/%,温度,+,钛合金加热到,相区，根据合金成分和冷却条件不同，可能发生各种转变，分别加以讨论：,相在慢冷过程中的转变,相析出,是一个有形核与长大的过程。请分析不同合金的室温组织。,C1,C2,C4,C3,2) Mo、V、Nb、Ta等，二元相图上不产生相共析分解，,Ti-5Al-2.5Sn,合金加热到,1175,空冷，组织为,次生晶界,+,晶内,集束,次生晶界,晶内,集束,Ti-5Al-2.5Sn,合金加热到,1175,炉冷，粗片状,Ti-5Al-2.5Sn合金加热到1175空冷，组织为次生,Ti-6Al-4V,合金加热到,1065,炉冷，层状,（白）,+,晶间,（黑）,Ti-6Al-4V,合金从高温,相区空冷，魏氏组织,工业纯钛从高温,相区空冷，网蓝状组织,Ti-6Al-4V合金加热到1065炉冷，层状（白）+晶,高温,相淬火快冷时，可以发生马氏体相变，合金元素对,相快冷时相变有影响，含量不同时可能获得不同的快冷组织（,马氏体强化效果不明显，为什么？,）：,合金含量较低（小于,c,1,),时，,相在快冷淬火时发生完全的马氏体相变，形成,相,（,马氏体,为,h.c.p,结构，是合金元素在,相中的过饱和固溶体，非扩散性产物，分板状马氏体和针状马氏体）；,合金含量较高（,C,1,M%C,2,),时，可能有部分,相残留下来，得到,+,残余,组织，有时淬火温度高时，会形成一种,相（亚稳相，六方晶格）：见下图所示；,合金含量达,C,2,M%C,3,时，马氏体转变被完全抑,高温相淬火快冷时，可以发生马氏体相变，合金元素对相快冷时,Ti-6Al-4V,合金,955,水淬，组织,+,初,初,Ti-9Mo,合金淬火，,组织细针,Ti-6Al-4V合金955水淬，组织+初初Ti-,钛合金淬火板条,，,TEM,X24000,Ti-8.5Mo-0.5Si,合金, 1000,水淬，孪晶,，,TEM,5000X,转变,相也是一种无扩散性转变,它形核容易,长大困难,因此尺寸细小,!,钛合金淬火板条，TEM,X24000Ti-8.5Mo-0,Ti-8Fe,900,固溶,+400,4 h,时效，立方体形,相，,TEM(,暗场,）,Ti-11.5Mo-4.5Sn-6Zr,合金，,900,固溶,+480,时效,5min,，椭球形,相,1,）,相为钛合金淬火形成的,相，尺寸小（,5,10nm,），它的形态、尺寸与稳定性决定于,/,界面的错配度；,2,）,相是一种硬而脆的相，,相的出现，强烈提高合金的硬度和弹性模量，降低塑性；,3,）为防止,相的形成，,a.,应控制淬火时效工艺，避免低温时效,;b.,加铝、锆、锡等,Ti-8Fe,900固溶+4004 h时效，立方体形,制，只有残留,相存在。但这种残留,相在机械外力作用下，不稳定的，分解为,相；,当合金含量,C3,时，应力不起作用，残留,相稳定，不再分解。,四、,相共析转变及等温转变,1,、共析转变,钛与某些,共析元素组成的合金系，在一定的成分范围和温度条件下，发生共析转变：,+Ti,x,M,y,共析转变速度与共析温度（合金元素）有关,制，只有残留相存在。但这种残留相在机械外力作用下，不稳定,温度较高，共析转变容易,如,Ti-Si,、,Ti-Cu,、,Ti-Au,等,温度较低，共析转变不容易，极慢,如,Ti-Mn (Fe,、,Cr,），在共析温度（,550,），保温长达三个星期，还没有开始转变。,由于共析转变产物对合金的塑性及韧性十分不利，并降低合金热稳定性，因此这些合金元素受到限制，特别是不宜加入,耐热钛合金,中。,2,、等温转变,高温,相和亚稳定,相都可以等温分解，其分解, 温度较高，共析转变容易,动力学可用,C,曲线表达，如下图所示。等温转变分高温部分和低温部分。,高温区域保温时，,相直接析出,相；随温度下降，分解产物愈细，,相弥散度愈大，合金强度和硬度愈高。,低温区保温时，由于原子扩散比较困难，,相不能直接析出,相，而先形成,过渡相，随时间增加，,相转变成,相。,影响,相等温转变动力学,C,曲线的主要因素：合金成分、固溶温度及应力状态等：,动力学可用C曲线表达，如下图所示。等温转变分高温部分和低温部,钛合金过冷,相等温转变示意图,钛合金过冷相等温转变示意图,1,）,稳定化元素含量的增加，,C,曲线向右下方移动等；,2,）,稳定化元素含量增加，加速,相分解，,C,曲线左移。,合金元素不仅影响,C,曲线的位置,而且改变,C,曲线的形状。,3,、用,C,曲线近似判断连续冷却时合金的组织转变过程,如下图所示，不同的冷却曲线将得到不同的室温组织：,1,）水淬（冷却曲线,1,）可以得到,+,；,2,）油淬（冷却曲线,2,）得到,+,+,；,3,）,冷却曲线,3,得到,+,；,1）稳定化元素含量的增加，C曲线向右下方移动等；,4,）冷却曲线,4,，则得到,+,两相组织。,钛合金连续冷却时的组织转变示意图,4）冷却曲线4，则得到+两相组织。钛合金连续冷却时的组织,五、时效过程中亚稳定相的分解,钛合金淬火形成的,、,、,和,m,的亚稳定相，在热力学上是不稳定的，加热时将要发生分解；,分解过程复杂：不同的亚稳相分解不一样；同一种亚稳相，因成分与时效工艺不同，也不一样。,最终分解产物：,+,或,+TixMy;,五、时效过程中亚稳定相的分解,在时效分解过程的一定阶段,可以获得弥散的,+,相,使合金产生弥散强化,这就是钛合金淬火强化的基本原理,.,(1),六方马氏体,的分解,+,过渡相,+TixMy,+TixMy,（,2,）斜方马氏体,的分解,根据钛合金,Ms,点高低，,相可出现两种不同分解,与铝合金时效分解相似,初期,在时效分解过程的一定阶段,可以获得弥散的+相,使合金产,方式：,+,相再分解,3,、亚稳定,的分解：,m,+,（,如下图,a,所示,）,m,+,a,+,a,+,+,m,+,+,+,+,(,颗粒极小，晶体结构与,m,相同）（,如下图,b,所示,）,4,、,分解：,相是,稳定元素在,-Ti,中过饱和固溶体,与,相的分解基本相同：,+,方式：,a,、,Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo,合金，,815,固溶,+6756h,时效，从,相析出,（黑点），,X250,合金浓度较低的合金在高温时效时的析出情况,a、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金，815,Ti-40(at)%Nb,合金,，,900,固溶,+400,时效,24,小时，在富集,基体上析出贫乏,，,X31000,合金浓度高或添加抑制,相形成元素的合金，先形成过渡相，然后再转变成平衡组织,Ti-40(at)%Nb合金，900固溶+400时效24,六、钛合金分类,可以根据成分和室温基本组织（退火组织）特点分类：,1,、,-Ti,合金,显微组织是,相组织,:,含有,相稳定合金元素,(,如铝,),及一些中性强化元素,(Zr,、,Sn,、,Hf,）；,当加入少量,相稳定元素时，可以得到近,-Ti,合金，显微组织上除,相基体外，还有少量,相，如,Ti-8Al-1Mo-1V,。,2,、,+,钛合金,六、钛合金分类,含有较多的,相稳定元素和,相稳定元素，具有,+,相混合组织结构；,这些相的形貌与数量依成分、热加工变形与热处理方式而变；,这类合金强度可以到达很高的水平，如,Ti-6Al-4V,。,3,、,-,钛合金和近,-,钛合金,（,1,）这类合金含有大量的,相稳定元素，多数还有,Al,、,Zr,、,Sn,等，在室温，强度可以达到,+,钛合金水平；但工艺性能更好；但高温强度不如,+,；,（,2,）近,钛合金,含有较多的相稳定元素和相稳定元素，具有+相混合组织,显微组织为,+,，但,（少量）作为强化相分布于,相之间；,相的形态、分布、尺寸、数量等与热加工、热处理有关。,七、钛合金热处理,为了改善钛合金的性能，除了合金化外，还要进行适当热处理；,常见热处理：,1,）退火处理：应用于各种钛合金，是工业纯钛与,型钛合金唯一的热处理方式；,显微组织为+，但（少量）作为强化相分布于相之间；,2,）淬火时效：,可用于,+,、,+,化合物和亚稳定型,型钛合金。,1,、退火,目的为了消除应力、提高塑性以及稳定组织；,有应力退火、再结晶退火、等温退火以及真空去氢退火。,举例：,1,）消除冷变形、铸造以及焊接等工艺过程中产生的内应力，可以采取去应力退火，退火过程主要是发生回复；,2,）为了消除加工硬化、稳定组织和提高塑性。,2）淬火时效：,可选用完全退火。,这一过程主要发生再结晶，也称再结晶退火；,当再结晶发生时，,相、,相在组成、形态和数量上产生变化，性能就改变。大部分,和,+,钛合金都是在完全退火状态下使用；,退火温度介于再结晶温度与相变温度之间。,2,、,强化热处理（淬火时效处理）,钛合金的强化热处理兼有钢和铝合金的特点，但又与它们有区别，其主要异同点有：,（,1,）钢与钛合金淬火都可以得到马氏体：,可选用完全退火。,但钢的马氏体硬度高，强化效果大，回火使钢软化；,而钛马氏体硬度不高，强化效果不高，,回火（时效）使合金弥散硬化,。,（,2,）成分一定的钢或铝合金，只有一个强化机理；而成分一定的（,+,）钛合金却视淬火温度的不同，有二种不完全相同的强化机制：,加热温度较高时，,相中所含,稳定元素小于临界浓度，淬火转变为马氏体，时效时马氏体分解为弥散相使合金强化；,若加热温度较低时，,相中所含,稳定元素大于临,但钢的马氏体硬度高，强化效果大，回火使钢软化；,温度,c1,c2,c3,+,Ms,Mf,c4,浓度,%,界浓度，则淬火得过冷,相，时效时,相分解为弥散相使合金强化；,（,3,）钛合金的固溶处理和时效过程与铝合金基本相似。,钛合金的强化热处理主要用于,（,+,）型及,型合金,。,合金的强化实质上属于固溶时效强化，因为加热时,相的成分总是大于临界浓度，故,温度c1c2c3+MsMfc4浓度%界浓度，则淬火得,不形成马氏体；对于,+,两相合金，则决定于淬火组织（马氏体,或亚稳,相），也就是和实际淬火温度有关。,不形成马氏体；对于+两相合金，则决定于淬火组织（马氏体,