钛及钛合金金相组织图片(1)
干货丨高清金相图谱之钛及钛合金
干货丨高清金相图谱之钛及钛合金来源：材易通。
初生α相(primary α)从α+β相区上部加热保留下来的α相。
一般初生α相多呈等轴状，而等轴状的α相几乎都是初生α相。
次生α相(secondary α)从α+β相区上部加热，冷却和时效过程中β相分解产生的α相。
一般次生α相多呈片层状，长宽比较大。
原始β晶粒(prior β grain)最后一次进入到β相区时形成的β晶粒，这些晶粒可能会在β转变点以下的加工时变形。
转变β组织(transformed β structure)从β转变点以上或α+β相区保温冷却过程中β相分解所形成的混合组织，通常由片状α和β交替排列组成。
集束(colonies)β在原始β晶粒内，α片取向几乎相同的区域。
不同方向的集束相互交错，构成了β转变组织。
α'相(α prime/hexagonal martensite phase)β相以非扩散转变形成的过饱和非平衡六方晶格α相。
形态为针状，长宽比高。
由于其形核不依赖于位置，形成的马氏体针常常交错排布，终止于晶界。
α'相(α double prime/orthorhombic martensite phase)由β相以非扩散转变形成的过包和非平衡斜方相，也可能是由于加工应变而引起的。
一般认为α'相是β相向α'相转变的过渡相，退火时效过程中，可以发生α'相向α'相的转变。
ω相(ω phase)在β相分解过程中，通过形核长大的一种非平衡显微相，是β相向α相转变的过渡相。
淬火、时效都可以形成ω相，淬火形成的是无热ω相，时效形成的是等温ω相。
有资料认为，应力应变也可以引发β相向ω相的相变。
ω相引起合金强度升高，塑韧性严重降低。
β'相(β' phase)溶质富化型亚稳定β钛合金中β相通过相分离反应形成的一种浓度较低的亚稳相，此时ω相形成受到抑制，和调幅分解的主要区别在于调幅分解没有形核，而β'相的生成是通过形核长大过程实现的。
钛合金
到α’＋ 残余β相组织。
当含量达到C2时，马氏体转变完全被抑 制，只有残留β相（机械不稳定，在应力 作用下分解）存在。 当含量≥C3时，为机械稳定β相（非热力
学稳定，回火时分解）。
当元素含量超过C4时才得到室温热力学 稳定的β相。
β相稳定元素含量与淬火快冷 组织关系示意图
气体杂质元素的分类与作用
第十一章
钛合金
序
发现于18世纪末。
言
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
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
全世界已研制了几百种钛合金，但投入工业生产的不到100种。我国研制 的钛合金有近60种。列入国家标准的已有40余种。 目前钛合金发展的趋势是发展竞争力更强的钛合金，实现高性能化、多 功能化和低成本化。
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。
钛合金介绍 PPT课件
钛合▪金自高热温β处相稳理定基区冷础却下来， β相发生分解。
▪当转变温度T3时，转变终了得α+β相。 ▪当转变温度T2时，先是β→β+ω，此时ω为介 稳定相，再进一步转变为β+ω→ β+α+ω→β+α。
▪当转变温度为T1时，发生β→β+ω相变。 ▪三种情况下相应的硬度变化见图。ω相均匀细 小，析出明显强化合金，但一般同时引起严重 脆性。因此，ω相沉淀硬化是难以接受的。
钛合金的强韧化基础－α+β钛合金
2. α+β钛合金
➢Ti-6Al-4V是应用最广泛的α+β钛合金，其强度特性可通过控制α、 β二相的相对含量及金相形态而变化。退火态合金拉伸强度约 900MPa，而固溶时效态可以获得1200MPa。一般说来通过组织细 化和β相变控制，可以获得高强度。首先经α+β两相区热加工后控 制固溶处理，得到细而均匀分布的一次α相，再时效得到在前β相 区析出细的二次α相质点。细的等轴α结构还具有较高的塑性、疲 劳裂纹形成阻力和高温低周疲劳强度。
仍保持良好的塑性及韧性)
➢耐腐蚀性能(钝化层（TiO2）,纳米尺度，室温下长大极慢) ➢吸气性能（储气、干燥）
纯钛特点
纯钛：一种银白色的金属
特点：
是很活泼的元素。
有很好的钝化性能，钝化膜很稳定，在许多环境中表现出 很好的耐蚀性。有“耐海水腐蚀之王”之称。
高温下，钛的化学活性很高，能与卤素、氧、氮、碳、硫 等元素发生剧烈反应。
▪再增加冷速，可以不发生相变得到室温介稳的 β相，或者得到β→α马氏体相变，得到α马氏体 相（当β稳定剂小于临界浓度时）；在随后的 时效时，马氏体又可以分解析出细小β相。
钛合金相变知识(整理)
钛合金的固体相变（整理版）钛的主要相及其结构纯钛在固态下有两种同素异构体，常温下以密排六方(hcp)晶格结构存在，称之为α钛。
hcp单元晶胞如图1-1左图所示，在室温下点阵常数a=0.295nm，c=0.468nm。
纯钛的c/a=1.587，小于理想hcp结构的c/a值1.663，(0001)是称为底面(basal plane)，为密排面；(1010)称为棱柱面，(1011)称为棱锥面；a1、a2、a3轴是密排方向，即<1120>方向。
当温度升到882.5℃以上时，变成体心立方(bcc)晶格结构，称之为β钛。
bcc单元晶胞如图1-1右图所示，(110)为密排面，密排方向为<111>，900℃时，点阵常数a=0.332nm。
图1-1 α钛和β钛的原子结构示意图钛合金两相间的具体的转变温度会受间隙和置换元素含量的强烈影响，所以钛的合金元素被分为α稳定元素、中性元素和β稳定元素，如图所示：α稳定元素提高α/β转变温度，置换式的Al和间隙式的C、N、O都是强α稳定元素，这些元素含量越多，则钛合金的α/β转变温度越高。
Zr，Hf和Sn 等属于中性元素，因为它们含量很低时略微降低α/β相变温度，当们含量增加时，又会提高α/β相变温度。
β稳定元素能够降低钛的同素异型转变温度，扩大β相区并增加β相在热力学上的稳定性，这类元素包括间隙式的H和大量的置换式元素，其中置换式β稳定元素又分为β同晶元素和β共析元素，这取决于所产生的二元相图的细节。
钛合金的相变钛合金热处理是钛合金学科领域内一个重要的分枝。
其典型特征为: 淬火过程中发生了马氏体相变，或保留高温组织，合金的塑性韧性稍有升高，强度硬度稍有降低。
在随后时效过程中，由于亚稳定相和中间相的生成，合金硬度、强度升高，塑性、韧性降低。
对过渡阶段的每一种亚稳相和中间相都有其产生的条件和相应的性质，钛合金热处理的研究实际上就是对其淬火和时效过程中中间相的研究。
钛及钛合金组织特征PPT课件
TA1,退火+ 焊接;焊缝区:片状α +原始β晶 界（晶内有孪晶）
浸蚀剂--氢氟酸:硝酸:水=1:1:3;
金相明场 250×; 金相偏光 250×; 电镜明场 5000×
2.2 TA7,典型组织介绍 TA7,1040℃/30分,水淬;针状α + 原始β晶界
等轴α +晶间β
等轴+针状 α +晶间β 等轴α +针状 α( 转变态β)
少量等轴α +针状 α+ β( 转变态β)
片状α( 转变态β)+ β 初 片状α( 转变态β)+ β +
生β晶界α24
初0℃
Ti-6Al-V合金的相转变图，MS:马氏体转 变 开 始 温 度 。 以 及 Ti-6Al-4V 合 金 从
TC4,1020℃/1hr 水淬;马氏体α’+原始β晶界
浸蚀剂----
氢氟酸:硝酸:水=1:6:193;
金相明场 金相相衬 电镜明场
250×; 250×; 5 0 0 0 ×;
TC4,1020℃/1hr,AC;针状α + 原始β晶界
TC4钛合金,1020℃/1hr 经空冷,针状+原始晶界. 金相明场 250×;相衬 250×;电镜明场 5000×. 浸蚀剂:氢氟酸:硝酸:水 =1:6:193
好
差
较快 慢 慢 最快
疲劳性能
低周 高周
较差
较好
高于 双态 高于 等轴
差
好 高于 等轴
好
差
差
52
金相明场 250×; 金相偏光 250×; 电镜明场 5000×
2010秋-轻合金-15-钛合金
主要α+β钛合金性能综述
① Ti-Al-V系合金
在钛合金中用量最大并且性能数据最为齐全的是Ti6Al-4V（TC4）合金。 此合金具有良好的力学性能和工艺性能(包括热变形 性、焊接性、切削加工性和抗蚀性)，可加工成棒材、 型材、板材、锻件、模锻件等半成品供应。 在航空工业上多用于制造压气机叶片、盘以及某些 紧固件等。
够的塑性和韧性。
(1) 合金元素对室温力学性能的影响
图13表示各类主要合金元素对钛退火状态力学 性能的影响，此图可反映合金元素的固溶强化 效果。
(a)中性元素及α稳定化元素 (b)同晶型β稳定化元素 (c)共析型β稳定化元素
图13 常用合金元素对钛性能影响(退火状态)
图14 二元钛合金退火组织与性能的关系
这样的二元系有四个：Ti-V、Ti-Nb、Ti-Ta和TiMo系。
由于V、Nb、Ta、Mo四种金属只有一种体心立方 点阵，所以它们只与具有相同晶型β-Ti形成连续固
溶体，而与密排六方点阵的α-Ti形成有限固溶体。
(3)第三种类型
与α、β均有限溶解，并且有包析反应的相图[见 图1(c)]。
表6 钛中加入1％(质量分数)合金元素增加的强度值
3 钛合金的分类及牌号
3．1 钛合金的分类
钛合金可按其退火组织分为三类：α钛合金、β钛 合金、α+β钛合金（还包括含有少量β相的近α合
金）。
它们的划分可以利用钛钒合金状态图的β相转变成
α相部分(见图22)来加以说明。
如果钛中钒的加入量少于D点的含量时，这样的
钛及钛合金
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: 1010 , 而Zn、Mg仅仅在 0001 基面上。
2）钛的T熔点比Fe与Ni高，但Ti的耐热性较差，主要
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。
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%。
的相图
Ti与Mn
(共析型β稳定元素) 组成的相图
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β同晶元素有相似之处。
活性β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β相实际很难固定到室温。
钛合金淬火板条α’， TEM,X24000
钛合金相变和表征方法专题培训课件
图一：淬火组织与组成关系
图二：马氏体切变形成过程
5
马氏体类型与形态
常见的类型：
两种形态
6
7
片层组织（魏氏组织）
层片组织 8
网篮组织
网 篮 组 织
9
双态组织
双态组织
10
等轴组织
等轴组织
11
总结
钛合金性能与组织的关系
性能
魏氏组 网篮组 双态组 等轴组
织
织
织
织
拉伸强 高 度
较高 较高 稍低
拉伸塑 低
6
1920
1987
2006
钛合金相变和表征方法
一、钛合金的分类
图 1： TA1板材650℃/h退火状态： 等轴α+少量晶间β
图 2： TC4800℃退火状态： 白色等轴α+灰色晶间β
图 3：Ti40合金850℃退火组织
等轴β组织
2
二、钛合金的相变与组织
• 1、同素异晶转变 • 2、马氏体相变 • 3、热处理典型组织 • 片层组织 • 网篮组织 • 双态组织 • 等轴组织
原子力显微镜 Atomic Force Microscopy (AFM)
探测介质 分辨率
穿透能力
可见光 ~200 nm 表面 /内部 (透明物体)
电子
~1 nm
表面