TC21钛合金板孔冷挤压残余应力与疲劳性能研究-西北有色金属研究院

钛合金特性及加工办法

精心整理 钛合金特性及加工方法 钛合金以其强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想的制造材料，但由于其切削加工性差，长期以来在很大程度上制约了它的应用。随着加工工艺技术的发展，近年来，钛合金已广泛应用于飞机发动机的压气机段、发动机罩、排气装置等零件的制造以及飞机的大梁隔框等结构框架件的制造。我公司某新型航空发动机的钛合金零件约占零件总数的11％。本文是在该新机试制过程中积累的对钛合金材料切削特性以及在不同加工方法下表现出的具体特点的认识及所应采取工艺措施的经验总结。 1钛合金的切削加工性及普遍原则 钛合金按金属组织分为a 相、b 相、a+b 相，分别以TA ，TB ，TC 表示其牌号和类型。我公司某新型发动 600 损严重。 要保持刀刃锋利，以保证排屑流畅，避免粘屑崩刃。 切削速度宜低，以免切削温度过高；进给量适中，过大易烧刀，过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快；切削深度可较大，使刀尖在硬化层以下工作，有利于提高刀具耐用度。 加工时须加冷却液充分冷却。 切削钛合金时吃刀抗力较大，故工艺系统需保证有足够的刚度。由于钛合金易变形，所以切削夹紧力不能大，特别是在某些精加工工序时，必要时可使用一定的辅助支承。 以上是钛合金加工时需考虑的普遍原则，事实上，用不同的加工方法时及在不同的条件下存在着不同的矛盾突出点和解决问题的侧重点。 2钛合金切削加工的工艺措施

车削 钛合金车削易获得较好的表面粗糙度，加工硬化不严重，但切削温度高，刀具磨损快。针对这些特点，主要在刀具、切削参数方面采取以下措施： 刀具材料：根据工厂现有条件选用YG6，YG8，YG10HT。 刀具几何参数：合适的刀具前后角、刀尖磨圆。 较低的切削速度。 适中的进给量。 较深的切削深度。 选用的具体参数见表1。 表1车削钛合金参数表工序车刀前角go ° ° mm m/min mm mm/r 粗车56 精车56 铣削 了3 此外，为使钛合金顺利铣削，还应注意以下几点： 相对于通用标准铣刀，前角应减小，后角应加大。 铣削速度宜低。 尽量采用尖齿铣刀，避免使用铲齿铣刀。 刀尖应圆滑转接。 大量使用切削液。 为提高生产效率，可适当增加铣削深度与宽度，铣削深度一般粗加工为 1.5～3.0mm，精加工为0.2～0.5mm。 磨削 磨削钛合金零件常见的问题是粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。其原因是钛合金的导热性差，使磨削区产生高温，从而使钛合金与磨料发生粘结、扩散以及强烈的化学反应。粘屑和砂轮堵塞导致磨削比显著

应力与应变关系

一、应力与应变 1、应力 在连续介质力学里，应力定义为单位面积所承受的作用力。 通常的术语“应力”实际上是一个叫做“应力张量” (stress tensor)的二阶张量。 概略地说，应力描述了连续介质内部之间通过力（而且是通过近距离接触作用力）进行相互作用的强度。 具体说，如果我们把连续介质用一张假想的光滑曲面把它一分为二，那么被分开的这两部分就会透过这张曲面相互施加作用力。 很显然，即使在保持连续介质的物理状态不变的前提下，这种作用力也会因为假想曲面的不同而不同，所以，必须用一个不依赖于假想曲面的物理量来描述连续介质内部的相互作用的状态。 对于连续介质来说，担当此任的就是应力张量，简称为应力。 2、应变 应变在力学中定义为一微小材料元素承受应力时所产生的单位长度变形量。因此是一个无量纲的物理量。 在直杆模型中，除了长度方向由长度改变量除以原长而得“线形变”，另外，还定义了压缩时以截面边长（或直径）改变量除以原边长（或直径）而得的“横向应变”。 对大多数材料，横向应变的绝对值约为线应变的绝对值的三分之一至四分之一，二者之比的绝对值称作“泊松系数”。 3、本构关系 应力与应变的关系我们叫本构关系（物理方程）。E σε=（应力=弹性模量*应变） 4、许用应力（allowable stress ） 机械设计或工程结构设计中允许零件或构件承受的最大应力值。要判定零件或构件受载后的工作应力过高或过低，需要预先确定一个衡量的标准，这个标准就是许用应力。 凡是零件或构件中的工作应力不超过许用应力时，这个零件或构件在运转中是安全的，否则就是不安全的。 许用应力等于考虑各种影响因素后经适当修正的材料的失效应力除以安全系数。 失效应力为：静强度设计中用屈服极限（yield limit ）或强度极限（strength limit ）；疲劳强度设计中用疲劳极限（fatigue limit ）。 5、许用应力、失效应力及安全系数之间关系 塑性材料（大多数结构钢和铝合金）以屈服极限为基准，除以安全系数后得许用应力，即[]()/ 1.5~2.5s n n σσ==。（许用应力=屈服极限/安全系数） 脆性材料（铸铁和高强钢）以强度极限为基准，除以安全系数后得许用应力， 即[]()/2~5b n n σσ==。（许用应力=强度极限/安全系数） 表3机床静力学分析结果总结

Ti-6Al-4V(TC4)及钛合金的性能

T i-6A l-4V(T C4) Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良 好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效 使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可 在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。 表3-2 钛合金Ti-6Al-4V成分 钛合金 Ti6Al-4V合金 碳（最大）0.10％ 铝 5.50至6.75％ 氮0.05％ 氧气（最大）0.020％ 其他，合计（最大）0.40％ *其他，每个（最大）= 0.1％ 钛平衡 钒 3.50至4.50％ 铁（最大）0.40％ 氢（最大）0.015％ 比重0.160 弹性模量（E）的15.2 x 10 3 ksi 贝塔Transus 1800 to 1850 °F 液相线温度2976 to 3046 °F 固相线温度2900 to 2940 °F 电阻率 -418 °F 902.5 ohm-cir-mil/ft 73.4 °F 1053 ohm-cir-mil/ft 986 °F 1143 ohm-cir-mil/ft 典型的室温强度计算退火钛6Al-4V的： 极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300 ksi） 压缩屈服强度825-895兆帕（120-130 ksi） 极限剪切强度480-690兆帕（70-100 ksi） Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1. 钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。 钛的应用 应用领域材料的使用特性应用部位 航 空喷气发动机 在500℃以下具有高的屈服强度/ 密度比和疲劳强度/密度比，良好 在500℃以下的部位使用：压气 盘、静叶片、动叶片、机壳、燃 元素Al V Fe O Si C N H 其他Ti 成分 5.5- 6.8 3.5- 4.5 0.3 0.2 0.15 0.1 0.05 0.01 0.5 余 量

Ti-6Al-4V(TC4)及钛合金的性能

. T i -6A l -4V (T C 4) Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良 好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效 使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可 在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。 表3-2 钛合金Ti-6Al-4V 成分 钛合金 Ti6Al-4V 合金 碳（最大） 0.10％ 铝 5.50至6.75％ 氮 0.05％ 氧气（最大） 0.020％ 其他，合计（最大） 0.40％ *其他，每个（最大）= 0.1％ 钛 平衡 钒 3.50至4.50％ 铁（最大） 0.40％ 氢（最大） 0.015％ 比重 0.160 弹性模量（E ）的 15.2 x 10 3 ksi? 贝塔Transus 1800 to 1850 °F? 液相线温度 2976 to 3046 °F 固相线温度 2900 to 2940 ° F 电阻率 -418 °F 902.5 ohm-cir-mil/ft? 73.4 °F 1053 ohm-cir-mil/ft? 986 °F 1143 ohm-cir-mil/ft? 典型的室温强度计算退火钛6Al-4V 的： 极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300 ksi ） 压缩屈服强度825-895兆帕（120-130 ksi ） 极限剪切强度480-690兆帕（70-100 ksi ） Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1. 钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,抗拉强度σb=539MPa ，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。 钛的应用 应用领域 材料的使用特性 应用部位 元素 Al V Fe O Si C N H 其他 Ti 成分 5.5- 6.8 3.5- 4.5 0.3 0.2 0.15 0.1 0.05 0.01 0.5 余量

应力应变关系

1.应力 物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。 在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。 应力仪或者应变仪是来测定物体由于内应力的仪器。一般通过采集应变片的信号，而转化为电信号进行分析和测量。 方法是：将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。 通过惠斯通电桥，便可以将这种电阻的比例关系转化为电压。然后不同的仪器，可以将这种电压的变化转化成可以测量的数据。 对于应力仪或者应变仪，关键的指标有：测试精度，采样速度，测试可以支持的通道数，动态范围，支持的应变片型号等。并且，应力仪所配套的软件也至关重要，需要能够实时显示，实时分析，实时记录等各种功能，高端的软件还具有各种信号处理能力。另外，有一些仪器是通过光谱，膜片等原理设计的。 应力的单位：应力的单位是Pa，简称帕（这是为了纪念法国科学家帕斯卡Blaise· pascal而命名的），即牛顿/平方米（N/ ㎡）。 2.应变 物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变。应变有正应变（线应变），切应变（角应变）及体应变。正应变公式为 ，式中l是变形的前长度，Δl是其变形后的伸长量。 应变单位：应变是形变量与原来尺寸的比值，用ε表示，即ε=ΔL/L，无量纲，常用百分数表示。 3.弹性模量 一般地讲，对弹性体施加一个外界作用，弹性体会发生形状的改变（称为“应变”），“弹性模量”的一般定义是：应力除以应变。 材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。又称杨氏模量，弹性材料的一种最重要、最具特征的力学性质，是物体弹性变形难易程度的表征，用E表示。定义为理想材料有小

Ti-6Al-4V(TC4)及钛合金的性能

Ti-6Al-4V(TC4) Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良 好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效 使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可 在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。 表3-2 钛合金Ti-6Al-4V 成分 钛合金Ti6Al-4V 合金 碳（最大） 0.10％ 铝 5.50至6.75％ 氮 0.05％ 氧气（最大） 0.020％ 其他，合计（最大） 0.40％ *其他，每个（最大）= 0.1％ 钛 平衡 钒 3.50至4.50％ 铁（最大） 0.40％ 氢（最大） 0.015％ 比重 0.160 弹性模量（E ）的 15.2 x 10 3 ksi 贝塔Transus 1800 to 1850 °F 液相线温度 2976 to 3046 °F 固相线温度 2900 to 2940 ° F 电阻率 -418 °F 902.5 ohm-cir-mil/ft 73.4 °F 1053 ohm-cir-mil/ft 986 °F 1143 ohm-cir-mil/ft 典型的室温强度计算退火钛6Al-4V 的： 极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300 ksi ） 压缩屈服强度825-895兆帕（120-130 ksi ） 极限剪切强度480-690兆帕（70-100 ksi ） Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1. 元素 Al V Fe O Si C N H 其他 Ti 成分 5.5-6.8 3.5- 4.5 0.3 0.2 0.15 0.1 0.05 0.01 0.5 余量

杆件的强度计算公式资料讲解

杆件的强度、刚度和稳定性计算 1.构件的承载能力，指的是什么？ 答：构件满足强度、刚度和稳定性要求的能力称为构件的承载能力。 (1)足够的强度。即要求构件应具有足够的抵抗破坏的能力，在荷载作用下不致于发生破坏。 (2)足够的刚度。即要求构件应具有足够的抵抗变形的能力，在荷载作用下不致于发生过大的变形而影响使用。 (3)足够的稳定性。即要求构件应具有保持原有平衡状态的能力，在荷载作用下不致于突然丧失稳定。 2.什么是应力、正应力、切应力？应力的单位如何表示？ 答：内力在一点处的集度称为应力。 垂直于截面的应力分量称为正应力或法向应力，用σ表示；相切于截面的应力分量称切应力或切向应力，用τ表示。 应力的单位为Pa。 1 Pa=1 N／m2 工程实际中应力数值较大，常用MPa或GPa作单位 1 MPa=106Pa 1 GPa=109Pa 3.应力和内力的关系是什么？ 答：内力在一点处的集度称为应力。 4.应变和变形有什么不同？ 答：单位长度上的变形称为应变。单位纵向长度上的变形称纵向线应变，简称线应变，以ε表示。单位横向长度上的变形称横向线应变，以ε/表示横向应变。 5.什么是线应变？什么是横向应变？什么是泊松比？ 答：（1）线应变 单位长度上的变形称纵向线应变，简称线应变，以ε表示。对于轴力为常量的等截面直杆，其纵向变形在杆内分布均匀，故线应变为 l l? = ε （4-2） 拉伸时ε为正，压缩时ε为负。线应变是无量纲（无单位）的量。 （2）横向应变 拉(压)杆产生纵向变形时，横向也产生变形。设杆件变形前的横向尺寸为a，变形后为a1，则横向变形为 a a a- = ? 1 横向应变ε/为

第四章 钛合金的相变及热处理

第4章钛合金的相变及热处理 可以利用钛合金相变诱发的超塑性进行钛合金的固态焊接，接头强度接近基体强度。 4.1 同素异晶转变 1.高纯钛的β相变点为88 2.5℃，对成分十分敏感。在882.5℃发生同素异晶转变：α（密排六方）→β（体心立方），α相与β相完全符合布拉格的取向关系。 2.扫描电镜的取向成像附件技术（Orientation-Imaging Microscopy , OIM） 3.α/β界面相是一种真实存在的相，不稳定，在受热情况下发生明显变化，严重影响合金的力学性能。 4.纯钛的β→α转变的过程容易进行，相变是以扩散方式完成的，相变阻力和所需要的过冷度均很小。冷却速度大于每秒200℃时，以无扩散发生马氏体转变，试样表面出现浮凸，显微组织中出现针状α′。转变温度会随所含合金元素的性质和数量的不同而不同。 5.钛和钛合金的同素异晶转变具有下列特点： （1）新相和母相存在严格的取向关系 （2）由于β相中原子扩散系数大，钛合金的加热温度超过相变点后，β相长大倾向特别大，极易形成粗大晶粒。 （3）钛及钛合金在β相区加热造成的粗大晶粒，不像铁那样，利用同素异晶转变进行重结晶使晶粒细化。钛及钛合金只有经过适当的形变再结晶消除粗晶组织。 4.2 β相在冷却时的转变 冷却速度在410℃/s以上时，只发生马氏体转变；冷速在410～20℃/s时,发生块状转变；冷却继续降低，将以扩散型转变为主。 1.β相在快冷过程中的转变 钛合金自高温快速冷却时，视合金成分不同，β相可以转变成马氏体α′或α"、ω或过冷β等亚稳定相。 （1）马氏体相变 ①在快速冷却过程中，由于β相析出α相的过程来不及进行，但是β相的晶体结构，不易为冷却所抑制，仍然发生了改变。这种原始β相的成分未发生变化,但晶体结构发生了变化的过饱和固溶体是马氏体。 ②如果合金的溶度高，马氏体转变点M S降低至室温一下，β相将被冻结到室温，这种β相称过冷β相或残留β相。 ③若β相稳定元素含量少，转变阻力小，β相由体心立方晶格直接转变为密排六方晶格，这种具有六方晶格的过饱和固溶体称六方马氏体，以α′表示。 ④若β相稳定元素含量高，晶格转变阻力大，不能直接转变为六方晶格，只能转变为斜方晶格，这种具有斜方晶格的马氏体称斜方马氏体，以α′′表示。 ⑤马氏体相变是一个切变相变，在转变时，β相中的原子作集体的、有规律的进程迁移，迁移距离较大时形成六方α′相，迁移距离较小时形成斜方α′′相。 ⑥马氏体相变开始温度M S ；马氏体相变终了温度M f 。 ⑦钛合金中加入Al、Sn、Zr将扩大α相区，使β相变点升高；V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu、Si将缩小α相区（扩大β相区），使β相变点降低。 ⑧β相中原子扩散系数很大，钛合金的加热温度一旦超过β相变点，β相将快速长大成粗晶组织，即β脆性，故钛合金淬火的加热温度一般均低于其β相变点。 ⑨β相稳定元素含量越高，相变过程中晶格改组的阻力就越大，因而转变所需

钛合金的特性

钛合金的特性 钛合金具有电、磁、声、光、热等方面的特殊性质，或在其他作用下表面处理特殊功能的材料。 1、密度小，比强度高 金属钛的密度为 4.51g/cm3，高于铝和镁，而低于钢、铜、镍，但比强度高于铝合金和高强合金钢。 2、弹性模量低 钛的弹性模量在常温时为106.4GPa，为钢的57%，而且与人体骨骼的弹性模量接近。3、导热系数小 金属钛的导热系数小，是低碳钢的1/5，铜的1/25。 4、抗拉强度与其屈服强度接近 钛的这一性能能说明了其屈强比高，表示了金属钛材料在成型时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大，使钛成型时的回弹能力大。、 5、无磁性、无毒性 钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，无毒且与人体组织及血液有好的相容性，所以被医疗界所采用。 6、抗阻尼性能强 金属钛收到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可做音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。 7、耐热性好 新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。 8、耐低温性能好 钛合金TA7，TC4和半TA18等为代表的低温钛合金，其强度随温度的降低而提高，但塑性变化却不大。在-196℃~253℃低温下保持较好的延展性及韧性，避免了金属冷脆性，是低温容器和存储等设备的理想材料。 9、吸气性能 钛是一种化学性质非常活泼的金属，在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛的吸气性主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。 10、耐腐蚀性能 钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介子中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介子中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介子中式耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧介子中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械膜层也会很快自愈或重新再生。“卡乐钛制品”经营产品有： 1、建筑装饰用纯色抛光钛板、双色拼接钛板、炫彩钛板、各种花纹彩色钛及钛合金装饰板；蚀刻钛板，精雕各种花纹图像，支持定制。 2、金属钛装饰品有彩色钛壁画与壁饰、各色彩色钛制器皿与餐具、金属钛首饰； 3、定制高端金属钛制名片、标牌、挂牌等； 4、钛及钛合金制品表面抛光、着色、硬化处理代加工服务。

第二讲应力疲劳

第二讲应力疲劳 上节回顾 疲劳问题的特点 足够多次循环扰动荷载作用、疲劳是一个发展过程、疲劳破坏的三个阶段、断口特征、局部化 循环应力应变特性 循环硬化和循环软化 应力控制下的循环蠕变和应变控制下的循环松驰 Bauschinger效应 稳态循环应力应变曲线及数学描述 材料的记忆特性 疲劳问题分类 按循环应力作用的大小，疲劳可分为应力疲劳和应变疲劳 应力疲劳：最大循环应力S max小于屈服应力S y 寿命一般较高（>104），高周疲劳 应变疲劳：最大循环应力S max大于屈服应力S y（材料屈服后应变变化较大而应力变化较小，故一般以应变为 控制参量） 寿命一般较低（<104），低周疲劳材料应力疲劳特性

1． S -N 曲线 评价和估算疲劳寿命或强度需建立外荷载与寿命之间的关系。反映外加应力S 和疲劳寿命N 之间关系的曲线称为S -N 曲线。 基本S -N 曲线 在最简单的荷载谱－恒幅循环应力作用下，R = -1时（对称恒幅荷载）实验给出的应力－寿命关系曲线 2．S -N 曲线的一般形状 材料的S -N 曲线一般由实验得到 用一组标准试件在给定应力比和应力幅作用下，记录相应的寿命所得到的曲线。 典型S -N 曲线可分为 三段：低周疲劳区（LCF ）， 高周疲劳区（HCF ）和亚 疲劳区（SF ）。 由S-N 曲线确定的对 应于寿命N 的应力称为寿 命为N 次循环的疲劳强度S N 。N = 1/4对应材料的静拉伸强度 S b ，N = 106~7对应的疲劳强度为疲劳极限S f 。特别地，R = -1的疲 劳极限记为S 1。 在HCF 区，S -N 曲线在对数坐标系上近似为直线。 1 04 106~7 S S L CF H CF S F S N S

钛材料的力学性能

钛材料对外加应力或载荷所表现的力学响应。加载温度、形变速率和环境介质都会影响力学性能。主要的力学性能有：屈服强度和断裂强度、伸长率、面缩率和冲击功、疲劳强度和疲劳极限、断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率和抗蠕变性能等。 屈服强度(σ0.2)和断裂强度(σF) 工业纯钛、钛合金的强度和材料中占据间隙位置的元素[O]、[N]、[C]等的含量有关，通常将这些元素综合在一起规定为等效氧量[O]eq，其算式为：[O]eq＝[O]+2[N]+0.75[C](原子百分数)。随[O]eq的增大，钛材料的屈服强度显著提高。屈服强度与显微组织有密切关系，例如，α+β型钛合金(Ti-6Al-4V)细的等轴组织的屈服强度和断裂强度最高，分别可以达到1120MPa和1505MPa。 具有初生等轴α相和细针状(或片状)的混合组织称为双态组织，其断裂强度(1455MPa)比粗等轴组织的强度(1370MPa)高。完全针状组织的σ0.2最低。亚稳β钛合金，例如Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al，其断裂强度受冷轧变形量、固溶处理和冷却速度的影响。 伸长率、面缩率和冲击功[O]eq，增多使钛材料在室温的伸长率下降。[N]的作用最大，其次是[O]，再次是[C]。长时间(500h)退火，能使工业纯钛的面缩率和冲击功在500℃附近出现最低值。其高温伸长率在500℃附近，也出现极小值。拉伸速率ε为2.7×10-5/s 时，工业纯钛表现尤为明显。细晶(6μm)钛高温伸长率无下降现象。 α+β型钛合金细晶等轴组织的伸长率或断裂应4V经过1088K固溶后水淬，其中β相可在变形中诱导转变成马氏体，表现出在223K的夏比冲击功和动态断裂韧度均得到明显改善。与此同时，伸长率和断裂应变也提高。采用新型氢处理工艺，可使Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-4V合金的屈服强度、断裂强度和伸长率分别提高8%～15%，5%～13%和7%～14%。 疲劳强度和疲劳极限工业纯钛具有明确的疲劳极限，随等效氧量增多而提高，随晶粒粗化而降低。Ti-6Al-4V的疲劳强度(σN)(即寿命为107周的应力幅)，既决定于合金的组织，又受试验时环境介质的影响。粗大等轴组织的σN恒为最低，不到500MPa，在空气中和在3.5%NaCl溶液中，双态组织的σN较高，可达650～700MPa之间。在钛合金中，等轴α+β显微组织光滑试样的疲劳性能，比转变β组织的性能优越，前者萌生疲劳裂纹的寿命长。但是，转变β组织的疲劳裂纹扩展阻力则较大。 断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率钛合金的平面应变断裂韧性和显微组织有密切关系。不论强度级别如何，β加工形成针状或片状组织的断裂韧性KIC要比同等强度的等轴组织高，但常规的伸长率要受到损害。α+β型钛合金虽然成分已定，由于热处理的经历不同，可以出现差别很大的显微组织。即使屈服强度几乎相同，不同取向材料的断裂韧性也有很大的差异。Ti-6Al-4V厚板T-L取向的试样，粗大组织的KIC比细小组织的可高22%。为了使断裂韧性和常规伸长率达到适当平衡，可采取获得双态组织的热处理。Ti-6Al-4V合金的显微组织对裂纹慢扩展的撕裂模量(TR)的影响，比对断裂韧性(JIC)的影响更大。合金中若有亚稳定β相，形变时感生α″马氏体有助于提高较低温度的断裂韧性。α型钛合金的断裂韧性受α2(Ti3Al)析出的影响，强度提高，KIC下降。 β型钛合金断裂韧性，主要决定于由β相中析出的α相的形态。Ti-15-3合金先高温后低温时效，组织中同时存在粗大α相和细小的α相，强度和断裂韧性得到满意平衡。铸造Ti-15-3钛合金的KIC和Ti-6Al-4V钛合金相当。改善钛合金断裂韧性的冶金因素，也

纯钛及钛合金热加工性能全参数

纯钛热加工性能参数 1. 来料牌号及化学成分 注：合金牌号对应标准GB/T3620.1-2007 2.纯钛的物理性能 熔点1668±4℃ 密度ρ＝4.5g/cm3 弹性模量E＝1.17×105MPa、G＝0.44×105Mpa（约为钢的54%）导热系数λ＝19.3Wm-1K-1 热膨胀系数10.2×10-6/℃（室温-700℃） 泊松比υ＝0.33

3.常温下力学性能 4. 加热规范 板坯在热轧前需要在加热炉中均匀加热， 为防止氧扩散，应限制加热温度和时间，因此，从成材率、表面质量考虑，该扩散层的厚度越薄越好，为此，热轧带卷加热温度的设定应在保证稳定轧制并可卷制成带的情况下，尽可能低。通常工业纯钛在加热炉内最好加热至800~920℃。 纯钛料轧制时的加热制度和终轧温度 5. 轧制过程控制 热轧分为粗轧和精轧。粗轧通常使用可逆式轧机，从厚板坯（80~300mm ）的轧制到供精轧机轧制的板材厚度（25~40mm ），需经5~7个道次的轧制。纯钛的粗轧终轧温度为790℃。精轧工序在6~7台串列式轧机进行，可将25~40mm 的板坯连续加工成钛带材（厚3~6mm ），轧制速度可达

300~600m/min。 轧制过程温度控制参数为：钛板坯在加热炉中加热到800~920℃，在910℃出炉；粗轧终轧温度为790℃，连续热轧时钛坯温度控制在650~800℃范围，终轧温度为670℃；在470~490℃温度范围进行卷取。轧制后立即将钛带在输出辊道上用水冷或空冷的方法，以大于5~10℃/s的速度冷却，在低于500℃时卷取，以保证带卷材质均匀。 其它工艺要点有：严格控制初轧及连轧时各机架压下量和各机架上带材的温度；避免辊道对带材表面划伤；每轧3~4块清理一下辊道上的金属沾污；热轧带卷初始阶段，需要建立一个稳定的、大于4MPa/mm2的后张力，防止因带材卷乱或松卷引起划伤。 轧制温度对纯钛的单位压力的影响

钛合金铣削用量选择

TA15、TB6两种钛合金材料具有重量轻、强度高、耐热、耐腐蚀、疲劳性能好等一系列 优良的力学、物理性能，成为航空航天、核能、船舶等领域理想的结构材料之一。但由于该材料价格昂贵，难加工，尤其是铣削加工制造周期长、成本高，制约了它的应用。而新一代航空产品需要具备更优异的性能新材料、新结构、新工艺被广泛应用。同时，为了竞争的需 要，研制周期短和制造成本低是取胜的关键，因此，开展对TA15、TB6两种钛合金材料切削加工的研究是必要的，特别是铣削高效加工的探索尤其显得紧迫和重要。 TA15、TB6钛合金材料主要特征 TA15α钛合金是α相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在930MPa以上，耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，500～600 ℃下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。 TB6β钛合金是β相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在1105MPa 以上，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。 TA15、TB6钛合金的切削加工工艺特性 摩擦系数大，导热系数低，刀尖切削温度高。钛合金热导率仅为钢的1/4 、铝的1/14 、铜的1/25 , 因而散热慢，不利于热平衡。切削时产生的切削热都集中在刀尖上，使刀尖温度很高，易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。 弹性模量小。钛合金的弹性模量只有30CrMnSi的56% ，这说明零件的刚性差，切削 时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命；同时造成已加工面的弹性恢复较大，刀具后面摩擦增加导致刀具过快磨损。 化学活性大。在300℃以上时有强烈的吸氢、氧、氮的特性，造成加工表面易产生脆硬 的化合物，切屑形成短碎片状，使刀具极易磨损。 钛合金化学亲和力较强，极易与其他金属亲和结合。在加工中切屑与刀具的粘结现象严重，使刀具的粘结和扩散磨损加大。 TA15、TB6钛合金零件切削用量和刀具参数的选择 主要加工方法 钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄(2～3mm) ，主要配合表面的尺寸精度、 形位公差又较严，因此每项结构件都必须按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排工序。主要表面分阶段反复加工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计图的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削、攻丝等。

工程力学第九章梁的应力及强度计算

课时授课计划 掌握弯曲应力基本概念； 掌握弯曲正应力及弯曲剪应力的计算；掌握弯曲正应力的强度计算； 掌握弯曲剪应力强度校核。

（1）平面假设：梁变形后，横截面仍保持为平面，只是绕某一轴旋转了一个角度，且仍与变形后的梁轴曲线垂直。 中性层：梁纯弯曲变形后，在凸边的纤维伸长，凹边的纤维缩短，纤维层中必有一层既不伸长也不缩短，这一纤维层称为中性层。 中性轴：中性层与横截面的交线称为中性轴。 中性轴将横截面分为两个区域——拉伸区和压缩区。 注意：中性层是对整个梁而言的； 中性轴是对某个横截面而言的。 中性轴通过横截面的形心，是截面的形心主惯性轴。 （2）纵向纤维假设：梁是由许多纵向纤维组成的，且各纵向纤维之间无挤压。各纵向纤维只产生单向的拉伸或压缩。 3、推理 纯弯曲梁横截面上只存在正应力，不存在剪应力。 二、纯弯曲横梁截面上正应力分布规律 由于各纵向纤维只承受轴向拉伸或压缩，于是在正应力不超过比例极限时，由胡克定律可知

ρ εσy E E =?= 通过上式可知横截面上正应力的分布规律，即横截面上任意一点的正应力与该点到中性轴之间的距离成正比，也就是正应力沿截面高度呈线性分布，而中性轴上各点的正应力为零。 三、纯弯曲横梁截面上正应力计算公式 梁在纯弯曲时的正应力公式： Z I My = σ 式中：σ——梁横截面上任一点的正应力； M ——该点所在横截面的弯矩； Iz ——横截面对其中性轴z 的惯性矩；矩形Z I =123 bh ；圆形Z I =64 4D π y ——所求正应力点到中性轴的距离。 正应力的单位为：Pa 或MPa ，工程上常用MPa 。 公式表明：梁横截面上任一点的正应力σ与截面上的弯矩M 和该点到中性轴的距离成正比，而与截面对中性轴的惯性矩 IZ 成反比。

钛合金加工性能

一，钛合金大类综述 钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。另外，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差，生产工艺复杂。 钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。 室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。 钛合金性能特点： ①使用温度高，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作。②钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。③钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。 二，典型牌号分析 三，难加工原因 钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削。 ①，变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点，变形系数小于或接近于1。切屑 在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速刀具磨损。 ②，切削温度高：由于钛合金的导热系数很小，切屑与前刀面的接触长度极短，切削 时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。 在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。 ③，单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小20%，由于切屑与前刀面的接触 长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。 ④，冷硬现象严重：由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的 氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损，是切削钛合金时的一个很重要特点。 ⑤，刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外 皮，极易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损。 四，拟采取的措施 1，刀具材料 切削加工钛合金应从降低切削温度和减少粘结两方面出发，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，YG类硬质合金比较合适。常用的硬质合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。2，刀具几何参数

钛合金在多领域的应用与发展完整版

钛合金在多领域的应用 与发展 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】

上海大学 本科生课程论文 论文题目：钛合金在多领域的应用与发展 课程名称： 课程号： 学生姓名： 学生学号： 所在学院：材料科学与工程学院 日期 摘要：钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。本文综述了钛合金在航空航天飞行器、热氢处理、发动机、高温钛合金、生物医用材料等方面的应用与发展。 关键词：钛合金；航空；氢；发动机；生物医用材料 钛合金在航空方面的应用与发展 钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点。从20世纪50年代开始, 钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,可以减轻飞机的重量,提高结构效率。在飞机用材中钛的比例,客机波 音777为7%,运输机C-17为%,战斗机F-4为8%,F-15为%,F-22为39%。 高性能航空发动机的发展需求牵引着高温钛合金的发展,钛合金的使用温度逐 步提高,从20世纪50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的350℃ ,经过IMI679和 IMI829提高到了以IMI834合金为代表的600℃。目前,代表国际先进的高温钛合金有美国的Ti-6242S,Ti-1100,英国的IMI834,俄罗斯的BT36以及中国的Ti-60。表 2为600℃主要高温钛合金的成分及性能特点。 Ti-6242S钛合金是美国于20世纪60年代为了满足改善钛合金高温性能的需要,特别是为了满足喷气发动机使用要求而研制的一种近α型钛合金。合金的最高使用温度为540℃,室温的σb=930 MPa。特点是具有强度、蠕变强度、韧性和热稳定性 的良好结合,并具有良好的焊接性能,主要应用于燃气涡轮发动机零件,发动机结构 板材零件,飞机机体热端零件。 BT36合金是俄罗斯于1992年研制成功的一种使用温度在600～650℃的钛合金。合金中加入了5%W和约%Y。加入W对提高合金的热强性有明显作用。加入微量Y可以明显地细化合金的晶粒,改善了合金的塑性和热稳定性。 Ti60 合金由中国科学院金属研究所在Ti55合金基础上改型设计、宝鸡有色金属加工厂参与研制的一种600℃高温钛合金。Ti60合金的特点之一是合金中加入

应力应变关系

应力应变关系 我所认识的应力应变关系 一在前面两章的分别学习了关于应力与应变的学习，第三章的本构关系讲述了应力与应变的关系从而构成了弹塑性力学的本构关系。 在单向应力状态下，理想的弹塑性材料的应力应变关系及其简单满足胡克定律即 ,E ,,XX 在三维应力状态下需要9个分量，即应力应变需要9个分量，于是可以把单向应力应变关系推广到三维应力状态，及推广到广义的胡克定律 本式应该是91个应变分量单由于切应力互等定理，此时后面的三个应力与式中的切应力想等即现在剩余36个应变分量。 (1)具有一个弹性对称面的线弹性体的应力应变公式如下

(2)正交各向异性弹性体的弹塑性体公式如下 (3)各向同性弹性体的本构方程 各向同性弹性体在弹性状态下，主应力方向与主应变方向重合容易证明。在主应变空间里，由于应变主轴与应力主轴重合，各向同性弹性体体内任意一点的应力和应变之间满足: ,,,,,，，CCCxxyz111213 ,,,,,，，CCCyxyz212223 ,,,,,，，CCCzxyz313233 (2-3) ,,,,,,yyxzxz对的影响与对以及对的影响是相同的，即有 ,CCC==,CC=CC=,y112233x12132123z;和对的影响相同，即，同理有和CC=3132等，则可统一写为: CCCa==,112233 CCCCCCb=====,122113312332 (2-4) 所以在主应变空间里，各向同性弹性体独立的弹性常数只有2个。在任意的坐标系中，同样可以证明弹性体独立的弹性参数只有2个。 广义胡可定律如下式 ,,xy1,,,,,,,,,,，[()]xy,xxyz,2GE,,,,1,yz, ,,，[()],,,,,,,,yzyyxz 2GE,,

ti-6al-v(tc)及钛合金的性能

T i -6A l -4V (T C 4) Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良 好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效 使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可 在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。 表3-2 钛合金Ti-6Al-4V 成分 钛合金Ti6Al-4V 合金 碳（最大） 0.10％ 铝 5.50至6.75％ 氮 0.05％ 氧气（最大） 0.020％ 其他，合计（最大） 0.40％ *其他，每个（最大）= 0.1％ 钛 平衡 钒 3.50至4.50％ 铁（最大） 0.40％ 氢（最大） 0.015％ 比重 0.160 弹性模量（E ）的 15.2 x 10 3 ksi 贝塔Transus 1800 to 1850 °F 液相线温度 2976 to 3046 °F 固相线温度 2900 to 2940 ° F 电阻率 -418 °F 902.5 ohm-cir-mil/ft 73.4 °F 1053 ohm-cir-mil/ft 986 °F 1143 ohm-cir-mil/ft 典型的室温强度计算退火钛6Al-4V 的： 极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300 ksi ） 压缩屈服强度825-895兆帕（120-130 ksi ） 极限剪切强度480-690兆帕（70-100 ksi ） 元素 Al V Fe O Si C N H 其他 Ti 成分 5.5-6.8 3.5- 4.5 0.3 0.2 0.15 0.1 0.05 0.01 0.5 余量

Ti-6Al-4V(TC4)及钛合金的性能

T i -6 A l -4 V ( T C 4 ) Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良 好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效 使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可 在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。 表3-2 钛合金Ti-6Al-4V 成分 钛合金 Ti6Al-4V 合金 碳（最大） 0.10％ 铝 5.50至6.75％ 氮 0.05％ 氧气（最大） 0.020％ 其他，合计（最大） 0.40％ *其他，每个（最大）= 0.1％ 钛 平衡 钒 3.50至4.50％ 铁（最大） 0.40％ 氢（最大） 0.015％ 比重 0.160 弹性模量（E ）的 15.2 x 10 3 ksi? 贝塔Transus 1800 to 1850 °F? 液相线温度 2976 to 3046 °F 固相线温度 2900 to 2940 ° F 电阻率 -418 °F 902.5 ohm-cir-mil/ft? 73.4 °F 1053 ohm-cir-mil/ft? 986 °F 1143 ohm-cir-mil/ft? 典型的室温强度计算退火钛6Al-4V 的： 极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300 ksi ） 压缩屈服强度825-895兆帕（120-130 ksi ） 极限剪切强度480-690兆帕（70-100 ksi ） Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1. 钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,抗拉强度σb=539MPa ，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa ，硬度HB195。 钛的应用 应用领域 材料的使用特性 应用部位 元素 Al V Fe O Si C N H 其他 Ti 成分 5.5- 6.8 3.5- 4.5 0.3 0.2 0.15 0.1 0.05 0.01 0.5 余量