钛及钛合金全解课件

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,*,钛及钛合金,密度小，比强度高：钛密度为4.51g/cm,3,，约为钢或镍合金的一半。比强度高于铝合金及高合金钢。,导热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。,无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场中不被磁化，无毒且与人体组织及血液有很好的相容性。,抗阻尼性能强：钛受到机械振动及电振动后，与钢、铜相比，其自身振动衰减时间最长。,耐热性佳：因熔点高，使得钛被列为耐高温金属。,耐低温：可在低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理想材料。,吸气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下容易与碳、氢、氮及氧发生反应。,耐蚀性佳：在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附著力强、惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。,2 纯钛,2 纯钛,物理性能：,属B族元素，原子序数为22，原子量为47.9。,有两种同素异晶体，其转变温度为882.5。,低于882.5，为,密排六方-Ti,：点阵常数(20)为：,a0.295111 nm，c0.468433nm，ca=1.5873,882.5熔点，为,体心立方-Ti,：点阵常数在25时，,a=0.3282nm；900 时a=0.33065nm。,密度为4.5。钛的弹性模量低，只有铁的一半。,熔点1668，导电性较差,（仅为铜的3.1%）,，导热系数,（铁的六分之一）,和线胀系数,（与玻璃的相近）,均较低。,钛无磁性，在强磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体内不会受雷雨天气的影响。,钛阻尼性低，适宜做共振材料。,当温度低于0.49K时，钛呈现超导特性，经过适当合金化，超导温度可提高到910K。,化学性质：,室温下钛比较稳定，高温下很活泼，熔化态能与绝大多数坩埚或造型材料发生作用。,高温下与卤素、氧、硫、碳、氮等进行强烈反应。,钛在真空或惰性气氛下熔炼，如真空自耗电弧炉、电子束炉、等离子熔炉等设备中熔炼。,钛在氮气中加热即能发生燃烧，钛尘在空气中有爆炸危险，所以钛材加热和焊接宜用氩气作保护气体。,钛在室温可吸收氢气，在500以上吸气能力尤为强烈，故可作为高真空电子仪器的脱气剂；利用钛吸氢和放氢的特性，可以作储氢材料。,2 纯钛,耐蚀性能：,钛的标准电极电位很低(E=,1.63V)，但钛的致钝电位亦低，故钛容易钝化。,常温下钛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，具有很好的抗蚀性。,在大气、海水、氯化物水溶液及氧化性酸(硝酸、铬酸等)和大多数有机酸中，其抗蚀性相当于或超过不锈钢，在海水中耐蚀性极强，可与铂相比，是海洋开发工程理想的材料。,钛与生物体有很好相容性，而且无毒，适做生物工程材料。,钛在还原性酸(浓硫酸、盐酸、正磷酸)、氢氟酸、氯气、热强碱、某些热浓有机酸及氧化铝溶液中不稳定，会发生强烈腐蚀。另外，钛合金有热盐应力腐蚀倾向。,钛在550以下能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的保护作用。在538以下，钛的氧化符合抛物线规律。但在800以上，氧化膜会分解，氧原子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，使钛很快氧化。,2 纯钛,力学性能,：,纯钛性能和纯铁相似，塑性好，延伸率可达50,60%，断面收缩率可达70,80%，强度不太高,（300MPa）,。,纯钛力学性能与纯度有关：间隙杂质（氧、氮、碳）含量增加，其强度升高，塑性陡降。,常温下钛为密排六方结构，与其他六方结构的金属(镉、锌、镁)相比，钛的塑性要高得多,。,原因是,：,滑移模型和晶体中各晶面的层错能有关，如层错能低，则有利于全位错分解为不全位错，以促进滑移的继续进行,；,钛的层错能比基面小，原来在基面上进行滑移的位错容易通过交滑移而转移到棱柱面上，并可发生分解，这样基面上的滑移很快终止，而棱柱面上的滑移则发挥着主导作用。,2 纯钛,纯钛的强度随温度的升高而降低，加热到250时抗拉强度减小一半。500以下加热时断面收缩率变化很小，而伸长率却连续下降；500以上，和随温度提高而增加，接近转变温度时，出现超塑性(100)。,纯钛有很好的低温塑性，特别是间隙元素含量很低的型合金适宜在低温下使用，如在火箭发动机或载人飞船上作超低温容器。,钛的疲劳性能特点与钢类似，具有比较明显的物理疲劳极限，纯钛的反复弯曲疲劳极限为0.60.80,b,，钛的疲劳性能对金属表面状态及应力集中系数比较敏感。,钛的耐热性比铁和镍低。这与钛原子自扩散系数大和存在同素异晶转变有关。钛的耐磨性较差，通过渗氮、碳、硼可提高其耐磨性。,2 纯钛,钛可进行锻造、轧制、挤压、冲压等各种压力加工，原则上加热钢材所采用的设备都可以用于钛材加热，要求炉内气氛保持中性或弱氧化性气氛，绝不允许使用氢气加热。,钛的屈强比(,0.2,b,)较高，一般在0.700.95之间，变形抗力大，而钛的弹性模量相对较低，因此钛材在加工成型时比较困难。,纯钛具有良好的焊接性能，焊缝强度、延性和抗蚀性与母材相差不多。为防止焊接时的污染，须采用钨极氩气保护焊。,钛的切削加工比较困难，主要原因是钛的摩擦系数大，导热性差，热量主要集中在刀尖上，使刀尖很快软化。同时钛的化学活性高，温度升高容易粘附刀具，造成粘结磨损。在切削加工时，应正确选用刀具材料，保持刀具锋锐，并采用良好的冷却。,工艺性能,2 纯钛,杂质元素对钛性能的影响,杂质元素,主要,有氧、氮、碳、氢、铁和硅。,前四种属间隙型元素，后二种属置换型元素，可以固溶在相或相中，也可以化合物形式存在。,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。,综合考虑间隙元素对硬度的影响，引入氧当量：O,当,=O+2N十0.67。,氧当量和硬度的关系为：HV=65+310,O,0.5,当,。,2 纯钛,氢对纯钛及钛合金性能的影响就是引起氢脆。,氢在-Ti中的溶解度比-Ti中大得多，且在-Ti中的溶解度随温度降低而急剧减少，当冷却到室温时，会析出脆性的氢化物TiH,2,，使合金变脆，称为,氢化物氢脆,。,含氢的-Ti在应力作用下，促进氢化物析出，由此导致的脆性叫做,应力感生氢化物氢脆,。,溶解在钛晶格中的氢原子，在应力作用下，经过一定时间会扩散到晶体缺陷处，与那里的位错发生交互作用，使位错被钉扎，引起塑性降低。当应力去除并静止一段时间，再进行高速变形时，塑性又可以恢复，这种脆性称为,可逆氢脆,。,钛及钛合金中氢含量小于0.015时，可避免氢化物型氢脆，但无法避免应力感生氢化物氢脆和可逆氢脆。,减少氢脆的措施是减少氢含量，如严格控制原材料纯度、采用真空熔炼、用中性或弱氧化性气氛加热、惰性气体保护焊接、尽量避免酸洗增氢等。用真空退火去氢。,2 纯钛,氢可增加高温形变时塑性，即提高热塑性或超塑性。生产上暂时将氢渗入合金中，然后高温变形，再通过真空退火去氢。,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，提高了变形过程中扩散协调变形能力；同时氢原子在高温下分布比较均匀，减小了局部弹性畸变；氢有促进晶粒细化作用，从而改善高温热塑性。,氮、氧、碳都提高+相变温度，扩大相区，属稳定元素。均可提高强度，急剧降低塑性，其影响程度按氮、氧、碳递减。为了保证合金的塑性和韧性，目前在工业钛合金中氢、氧、氮、碳含量分别控制在0.015、0.15、0.05，0.1以下。低温用钛及钛合金，由于氧、氮和碳提高塑脆转化温度，应尽量降低它们的含量，特别是氧含量。,微量铁和硅在固溶范围内与钛形成置换固溶体，它们对钛的性能影响没有间隙杂质元素那样强烈。作为杂质时，铁和硅的含量分别要求小于0.3和0.15，但有时也作为合金元素加入。,2 纯钛,纯钛组织基本形态：,形变再结晶退火后，相呈等轴状，称等轴；,相区缓慢冷却，相以集束片状形式沿晶界和晶内有规则的析出，此类形态称魏氏,；,相区快冷，则发生马氏体转变，马氏体形态与纯度有关,：,高纯钛中呈锯齿状，工业纯钛中呈片状，两者均属板条状马氏体。,2 纯钛,工业纯钛的牌号、性能及用途,工业纯钛退火得到单相组织，属型钛合金。工业纯钛根据杂质含量不同分为TAl、TA2、TA3、TA4，其中TA为型钛合金的代号，数字表示合金的序号。随着序号增大，钛的纯度降低，抗拉强度提高，塑性下降。,纯钛只能冷变形强化。当变形度大于30以后，强度增加缓慢，塑性不再明显降低。,纯钛的热处理,：,再结晶退火,（540,700）和去应力退火（450600），退火后均采用空冷。,工业纯钛可制成板、管、棒、线、带材等半成品。,工业纯钛可作为重要的耐蚀结构材料，用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置和舰艇零部件。,2 纯钛,按组织类型分,：,（用TA表示）：全、近和+化合物合金,。,以铝、锡、锆为主要合金元素，在近型钛合金中还添加少量稳定化元素，如钼、钒、钽、铌、钨、铜、硅等,（用TB表示）：热力学稳定型合金、亚稳定型合金和近型合金,（用TC表示）：以Ti-Al为基再加适量稳定元素,TA4 Ti-3Al TA7 Ti-5Al-2.5Sn,TA8 Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5Zr TC1 Ti-2Al-1.5Mn,TC3 Ti-4Al-4V,TC4 Ti-6Al-4V,TC6 Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si TB2 Ti-5Mo-5V-3Cr-3Al,3 钛合金,分类、牌号,3 钛合金,合金化,与,和均,形成连续固溶体相图,：,锆、铪与钛同族，有相同晶体结构和同素异晶转变，与-Ti及-Ti形成连续固溶体。,与-Ti无限互溶，与-Ti有限溶解的相图,：,钒、铌、钽、钼,都,为体心立方结构，与-Ti同晶，,称为,同晶元素,。降低相变点，稳定相,。,组元达到一定浓度值后，高温相可稳定到室温，对应这一浓度值称为,临界浓度,C,k,。C,k,反映合金元素稳定相能力大小，其值越小稳定相能力就越大。稳定相能力按钼、钒、钽、铌次序递减。,加入这类元素的钛合金组织稳定性好，不会发生共析转变或包析转变，同时能强化相，并保持良好的塑性。,3 钛合金,合金化,3 钛合金,合金化,与、钛均有限溶解，并具有共析转变的相图,:,Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Si、Bi、W、H,在-Ti中溶解度比在-Ti中大，降低(+)/相变温度，其稳定相的能力比同晶元素要大。,这类元素与钛易形成化合物，如Ti-Mn系中形成TiMn()等化合物，含有这类元素的合金从相区冷到共析温度时，相发生共析分解，这类元素称为,共析元素,。,铬、钨能与-Ti完全互溶，但因原子尺寸或电化学性质与钛相差较大，在固态还有共析转变，因此归入共析元素。Ti-Cr系共析转变产物为+TiCr,2,。Ti-W系为+,2,(,2,为富钨固溶体)，不存在金属化合物。,锰、铁、铬共析转变速度极慢，热处理条件下难以进行，称为,非活性共析元素,(慢共析元素)；硅、铜、镍、银、氢等共析转变极快，淬火也不能抑制其转变，故称为,活性共析元素,(快共析元素)。,除锡对相变点影响不大，归为中性元素外，其它元素都提高相变点，扩大相区，称为,稳定元素,。,这类元素为强化相的主要元素,，,其中,铝和锡应用较多。,3 钛合金,合金化,与和钛均有限溶解，并有包析反应的相图,：,铝,、镓、锆、,锡,、硼、碳、氮、氧,各类合金元素对钛合金常规力学性能的影响：,稳定元素,：,铝、锆和锡的固溶强化效果以铝的最大，锆,、,锡次之。锆、锡一般不单独加入，而是与其它元素复合加入。,同晶元素,：合金元素浓度超过相极限溶解度时，将进入+相区,，此时,合金元素优先溶于相，因而相具有更高的强度和硬度，这样合金平均强度将随组织中相所占比例增加而提高，大约至相和相各占50时强度达到峰值。再增加相数量，强度反而有所下降。强化作用按钼、钒、钽、铌次序递减。,共析型稳定元素：,对,合金性能的影晌规律和同晶型元素相似，特别是非活性共析元素锰、铬、铁在一般生产和热处理条件下，共析转变并不发生，因此可将钼、钒等组元同等对待，退火组织仍为+相。但在高温长期使用的耐热合金，非活性共析元素的存在，将