第五章_钛及钛合金的热处理
钛合金的热处理基本原理
钛合金的热处理基本原理钛合金的热处理基本引言钛合金是一种重要的结构材料，具有广泛的应用领域。
然而，由于其特殊的化学成分和晶体结构，钛合金的热处理相对复杂。
在本文中，我们将从浅入深地介绍钛合金的热处理基本原理。
1. 钛合金的结构与特点钛合金由钛和其他合金元素组成，具有较高的强度、优良的耐腐蚀性和低的密度。
然而，钛合金的晶体结构也使其具有一些局限性，例如易形成过热α相和热稳定β相的共存状态。
2. 热处理的基本概念热处理是通过加热和冷却来改变材料的结构和性能的方法。
对钛合金进行热处理可以改变其晶粒尺寸、相组成和晶体方向性，从而调控其力学性能和耐腐蚀性。
3. 热处理的常见方法钛合金的热处理常见方法包括退火、时效、固溶处理和淬火等。
这些方法可以单独应用，也可以组合使用，以便达到最佳的材料性能。
•退火退火是将钛合金加热至适当温度并经过一段时间保温后缓慢冷却的过程。
退火可以消除内部应力、改善材料的塑性和韧性，并提高晶体的等轴性。
•时效时效是在退火完成后，将钛合金再次加热至一定温度下保温一段时间，然后冷却的过程。
时效能够使钛合金中的析出相达到最优化的状态，进一步提高材料的强度和韧性。
•固溶处理固溶处理是将钛合金加热至固溶温度，并迅速冷却以保持固溶状态。
固溶处理可以改善合金的可加工性，但会降低强度和耐蚀性。
•淬火淬火是将钛合金迅速冷却至室温，以形成固溶相。
淬火可以使合金获得最高的强度和硬度，但可能导致脆性增加。
4. 热处理过程中的微观变化在钛合金的热处理过程中，晶体结构和相组成会发生微观变化。
热处理可以引起晶粒长大或细化、相转变或析出反应。
这些变化对材料的性能具有重要影响。
结论综上所述，钛合金的热处理是调控其性能的重要方法。
不同的热处理方法可以针对不同的应用需求选择。
熟悉钛合金的结构和特点，并理解热处理的基本原理，对于正确应用热处理技术具有重要意义。
参考文献[1] Gupta, , Aman, D., Kashyap, , & Patnaik, A. (2016). Heat treatment of titanium alloys - A review. Materials Science and Engineering: A, 654, .。
钛及钛合金热处理工艺
冷却方式 空冷或更慢冷 空冷或更慢冷
合金牌号 TA1 TA2 TA3 TC4
棒材\线材\锻件\铸件 加热温度/℃ 630-815 700-850
合金牌号 TA1, TA2 TA3 TC4
加热温度/℃ 700-750 800
钛及钛合金管材真空退火工艺 坯料退火和中间退火 出炉温度(不高于)/℃ 保温时间/min 温度/℃ 60 200 650-680 60 200 700-750 钛合金固溶处理工艺
钛及钛合金的β 转变温度(Tβ ) 合金种类 工业纯钛 α +β 型 合金牌号 TA1,ZTA1 TA2 TA3 TC4 ZTC4 名义β 转变温度/℃ 900 910 930 995
合金种类 工业纯钛 α +β 型
钛及钛合金的去应力退火工艺 合金牌号 加热温度/℃ TA1, TA2 TA3 445-595 ZTA1 600-750 TC4 480-650 ZTC4 600-800
保温时间/min 15-360 60-240 60-360 60-240 钛及钛合金完全退火工艺
合金种类 工业纯钛 α +β 型
合金牌号 TA1 TA2 TA3 TC4
板材\带材\箔材\管材 加热温度/℃ 保温时间/min 630-815 15-120 520-570 15-120 700-870 15-120
成品退火 保温时间/min 45-60 45-60
出炉温度(不高于)/℃
100-150 150
合金类型 α +β 型
合金牌号 TC4
板材\带材\箔材 加热温度/℃ 890-970 钛合金时效工艺 保温时间/min 2-90
棒材\线材\锻件\铸件 保温时间/min 加热温度/℃ 890-970 20-120
钛及钛合金的热处理及耐蚀性表面处理
钛及钛合金的热处理及耐蚀性表面处理1 有关热处理的标准与热处理炉钛及钛合金的热处理条件虽然在JIS或ASTM中都没有标准化，但在美国军用标准（MIL —H81200）中有详细的规定，下表列出了根据该标准整理的纯钛和钛合金的热处理温度、*ELI表示氧、氮等间隙元素特别低的材料在MIL标准中还规定了热处理炉的炉膛温度分布均匀性，要求退火或固溶处理时不超过±14℃，时效处理时不超过±8.3℃，针对这些要求希望采用具有（1）可控硅控制的电源；（2）升温、保温、冷却的程序控制机构；（3）用风扇搅拌炉内空气等功能的电炉。
在使用燃烧炉的时候，必须注意（1）为了防止吸氢，保持微氧化性气氛；（2）被处理材料装入马弗缸内，不要直接接触火焰。
2 退火一般地说，金属的退火是使其内部应变消除、加工组织产生恢复与再结晶的热处理。
钛及钛合金的热处理是为了组织稳定化、稳定制品尺寸、提高可切削性以及改善力学性能而实施的。
α合金的退火是在α相区加热，使平衡状态的α相充分地恢复与再结晶，然后再冷却到室温。
冷却速度引起的组织变化很小，快冷或缓冷均可。
α—β合金的退火是在两项区进行。
β合金则是在高于β相变点的温度下退火处理。
Ti-6Al-4V是采取在两相区加热后空冷进行退火的，以便在常温下得到稳定的β相和α相混合组织。
MIL标准规定的退火工艺为690～871℃下加热并保温，然后空冷。
β合金的退火与固溶处理相同。
3 固溶处理所谓固溶处理，就是使所有合金元素溶入基体相中形成均匀的固溶体后快冷到室温，将高温下的组织状态保持下来，获得过饱和固溶体的热处理操作。
由于过饱和固溶体是不稳定的，若在某一温度下重新加热，溶入的元素或者以化合物形态析出或者形成平衡的稳定相，从而达到稳定的状态。
α—β合金的固溶处理是在β相变点以下的两相区加热，类似于铁素体＋奥氏体两相不锈钢的固溶处理。
加热到固溶温度后溶入该温度下处于平衡状态的α和β相中的合金元素是不同的，各自的成分也完全不同于合金的平均组成。
钛合金热处理
钛合金热处理概述钛合金是一种具有轻质、高强度、耐腐蚀性好等优点的重要结构材料。
然而，钛合金的性能还受到热处理工艺的影响。
本文将介绍钛合金热处理的基本概念、常见工艺以及热处理后钛合金的性能变化。
热处理工艺钛合金的热处理工艺主要包括退火、时效处理和固溶处理等。
下面将详细介绍每种热处理工艺的原理和步骤。
退火退火是钛合金常用的热处理工艺之一，通过加热和持温使材料晶粒长大，消除应力和改善材料的机械性能。
退火的具体步骤如下：1.加热：将钛合金材料放入炉中，以逐渐升高温度的方式进行加热。
2.保温：在达到合适的退火温度后，保持材料在该温度下一定的时间。
3.冷却：将材料从炉中取出，在大气中自然冷却至室温。
时效处理时效处理是通过合理的时间和温度控制，使合金中的相发生相互转变，提高材料的硬度、强度和耐蚀性。
时效处理的步骤如下：1.固溶处理：将预处理好的钛合金材料加热至固溶温度，保持一定时间，使溶解相均匀分布。
2.快速冷却：迅速将材料从固溶温度快速冷却至较低温度，比如水淬或油淬。
3.时效处理：将快速冷却后的材料再次加热至时效温度，保持一定时间，使相转变发生。
固溶处理固溶处理是将固溶体加热至一定温度，使其中的溶质完全溶解，然后通过快速冷却将其固定。
固溶处理的步骤如下：1.加热：将钛合金材料放入炉中，以逐渐升高温度的方式进行加热至固溶温度。
2.保温：在固溶温度下保持一定的时间，使溶质彻底溶解。
3.快速冷却：迅速将材料从固溶温度快速冷却至较低温度，比如水淬或油淬。
热处理后钛合金的性能变化钛合金经过热处理后，其性能会发生一系列变化，主要包括硬度、强度和耐蚀性等。
以下是热处理对这些性能的影响：硬度通过固溶处理和时效处理，钛合金的硬度可以显著提高。
固溶处理可以使固溶体中的溶质溶解，消除溶质对晶格的影响，提高硬度。
时效处理则可以通过相转变的方式使钛合金的硬度进一步增加。
强度热处理对钛合金的强度也有显著的影响。
退火处理可以消除材料中的内应力，提高韧性和韧性与强度的平衡。
固溶和时效的钛及钛合金
固溶和时效的钛及钛合金固溶和时效是钛合金加工过程中的两个重要热处理步骤，它们可以显著改变钛合金的力学性能和微观组织。
在本文中，我将深入探讨固溶和时效对钛及钛合金的影响，并分享我的观点和理解。
首先，让我们来了解固溶和时效的基本概念。
固溶是指将钛合金加热到固溶温度，使合金中的溶质元素溶解在α相（钛基体）中形成固溶固溶体。
固溶温度因合金成分而异，在800-1000摄氏度范围内。
然后，通过快速冷却，固溶固溶体被固定在晶格中，形成一个均质的α固溶体。
固溶处理可以显著提高钛合金的强度和硬度，同时保持一定的韧性。
这是因为溶质元素的固溶固溶体可以改变合金中原子之间的相互作用力，从而增加材料的变形阻力。
此外，溶质元素的加入还可以限制α相的晶体生长，使晶粒细化，提高材料的硬度。
然而，固溶处理后的钛合金存在着时效敏感性。
时效是指将固溶处理后的钛合金在中间温度下长时间保持，使固溶固溶体发生分解和相变的过程。
时效温度通常在200-500摄氏度之间，持续时间从几分钟到数小时不等。
时效可以进一步改善钛合金的力学性能，并调节材料的织构和晶粒尺寸。
时效处理中的相变通常包括析出溶质元素的形成和沉淀，并形成一些强化相，如α'+β"相。
这些相的存在可以增加材料的强度和耐热性能，但可能会降低材料的可塑性和韧性。
因此，在确定时效处理条件时，需要权衡强度和韧性的需求。
我个人认为，固溶和时效是钛及钛合金加工中至关重要的步骤。
通过固溶处理和时效处理，可以实现对钛合金力学性能和微观组织的有针对性调控。
固溶处理可以有效提高材料的强度和硬度，而时效处理可以进一步优化材料的性能。
然而，为了实现最佳性能，我们需要合理选择固溶温度、时效温度和持续时间，并在考虑应用环境和要求的情况下进行优化。
总结起来，固溶和时效是钛合金加工过程中不可或缺的步骤。
通过固溶处理和时效处理，可以显著改变钛合金的力学性能和微观组织。
固溶处理可以提高强度和硬度，而时效处理可以进一步调节材料的织构和晶粒尺寸。
钛合金热处理
钛合金热处理
钛合金是一种由钛、铝、氧和氮组成的铝基合金，具有良好的耐腐蚀性、耐热性和良
好的力学性能。
钛合金热处理是改善其物理和机械性能的重要步骤，包括固溶热处理和
组织调整等步骤。
钛合金固溶热处理是温度比较高的热处理，主要是为了增强合金的机械性能和耐腐蚀性。
该热处理通常在1100℃～1200℃的温度下，用一定的时间进行预热，然后降温，让材料中的结晶晶体达到足够数量，以满足使用寿命的要求。
在固溶热处理过程中，可以形成
针状结晶结构，以改善材料的性能。
另一种重要的热处理方法是组织调整热处理，主要是为了改善材料的结构，从而改善
其机械性能。
钛合金组织调整热处理一般在500℃～800℃的温度下进行，可以形成α-
α+β双相结构，通过加热、预热和对材料进行延长时间，从而减少中空和晶界等缺陷，
从而提高外部载荷和抗疲劳性能。
此外，还有一种热处理方法，即细化处理热处理，主要是为了改善材料的性能，提高
耐热性能。
该热处理可以用来细化钛合金的晶体结构，以提高材料的抗疲劳性能。
总之，钛合金的热处理主要有固溶热处理、组织调整热处理和细化处理热处理等，这
些热处理方法可以有效改善其物理和机械性能，使其更加适宜用于高温环境中的工程应用。
钛合金的热处理基本原理(一)
钛合金的热处理基本原理(一)钛合金的热处理基本1. 什么是钛合金的热处理？钛合金是一种轻巧、高强度、耐腐蚀的金属材料。
然而，由于钛合金的制造过程中可能会导致材料内部存在一些不稳定晶相或缺陷，因此需要进行热处理。
热处理是通过加热和冷却的不同方式改变钛合金的晶体结构和性能，以达到所需的材料性能。
本文将介绍钛合金热处理的基本原理和常用方法。
2. 钛合金的热处理原理钛合金的热处理原理基于以下两个基本原则：固溶处理原理固溶处理是指将钛合金加热至其固溶温度以上，使合金中的溶质原子均匀地溶解在基体晶格中。
通过固溶处理，可以消除钛合金中的不稳定相，提高合金的强度和塑性。
相变处理原理相变处理是指在固溶处理的基础上，通过控制冷却速度使钛合金的晶体结构发生相变。
相变处理可以改变钛合金的晶体结构和晶界形貌，从而调整其力学性能和耐腐蚀性能。
钛合金的热处理方法主要包括固溶处理和时效处理两种。
下面将分别介绍这两种方法：固溶处理固溶处理是钛合金热处理的基础步骤，它可以消除钛合金中的不稳定相和缺陷，提高合金的强度和塑性。
固溶处理的具体步骤如下：•加热：将钛合金加热至其固溶温度以上，一般在摄氏度范围内。
•保温：保持合金在固溶温度下足够长的时间，使溶质原子充分溶解在基体中。
•冷却：迅速冷却合金至室温，固定溶质原子在基体中。
时效处理时效处理是在固溶处理的基础上进行的钛合金热处理方法，通过控制冷却速度，使合金的晶体结构发生相变，从而调整其力学性能和耐腐蚀性能。
时效处理的具体步骤如下：•固溶处理：按照固溶处理的方法对钛合金进行加热和冷却处理。
•时效处理：将处理过的钛合金再次加热至合金中存在的稳定相的温度，并保持一段时间。
•冷却：迅速冷却合金至室温，固定相变后的晶体结构。
钛合金的热处理广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。
通过热处理，可以增加钛合金的强度和保持其良好的耐腐蚀性能，提高材料的使用寿命。
5. 结论钛合金热处理是一种重要的材料加工方法，通过固溶处理和时效处理可以调整钛合金的晶体结构和性能。
钛及钛合金热处理标准
钛及钛合金热处理标准钛及钛合金是一类重要的结构材料，具有优良的耐腐蚀性能和高强度，因此在航空航天、船舶制造、化工设备等领域得到广泛应用。
然而，钛及钛合金的热处理工艺对其性能和组织结构有着重要影响，因此需要严格按照标准进行热处理，以确保材料的性能和质量。
首先，钛及钛合金的热处理标准主要包括退火、固溶处理、时效处理等工艺。
在退火处理中，通常需要将材料加热至一定温度，然后进行保温一段时间，最后缓慢冷却至室温。
这一过程旨在消除材料的应力和改善其塑性，提高加工性能。
固溶处理则是将材料加热至固溶温度，保温一段时间，然后迅速冷却至室温，以溶解合金元素并均匀分布在基体中，提高材料的强度和硬度。
时效处理是在固溶处理后，将材料在较低温度下保温一段时间，使合金元素析出形成弥散分布的强化相，进一步提高材料的强度和耐热性。
其次，钛及钛合金的热处理标准还包括了加热温度、保温时间、冷却速度等具体参数的要求。
这些参数的选择直接影响着材料的组织结构和性能。
例如，在退火处理中，加热温度和保温时间的选择需根据材料的成分和工艺要求来确定，以保证材料达到理想的组织状态。
在固溶处理和时效处理中，加热温度和保温时间的控制也是至关重要的，过高或过低的温度都会导致材料性能的下降。
最后，钛及钛合金的热处理标准还包括了热处理后的性能检测和评定要求。
经过热处理的材料需要进行硬度测试、拉伸试验、冲击试验等，以评定其力学性能和韧性。
同时，还需要对材料的显微组织进行金相分析，以确保热处理后的组织结构符合标准要求。
只有通过了性能检测和组织评定的材料，才能被认定为合格品，并投入实际使用。
总之，钛及钛合金的热处理标准是确保材料性能和质量的重要保障，只有严格按照标准要求进行热处理，才能保证材料达到理想的性能水平，满足工程需求。
因此，作为钛及钛合金的生产和加工单位，必须严格遵守相关标准，加强工艺管理，确保产品质量，为推动钛及钛合金产业的发展做出应有的贡献。
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有关，所以必须明确在各类中的β稳定系பைடு நூலகம்值。
5.1.2 钛的合金化
（1）α钛合金 此合金是指其退火组织以α钛为基体的单相固溶体
的合金。我国α钛合金的牌号为TA后加一个代表合 金序号的数字，如TA1、TA2、TA3等。 （2）近α钛合金 这类合金主要靠α稳定元素固溶强化，另加少量β 稳定元素，以使退火组织中有少量β相。
铝
钛
660
1668
2.7
4.5
0.52
0.036
22.9
9.0
铁 1535 7.8 0.19 11.7
钛的力学性能
钛的力学性能主要取决于钛的成分、组织以及对其所进行 的加工和热处理工艺等。
钛的力学性能
钛中含有杂质时，强度升高，塑性下降（氮、氧、 碳影响显著）
钛的力学性能 随着变形程度的增大，强度指标升高，塑性下降
5 钛及钛合金的热处理
5.1 钛及钛合金 5.2 钛合金的相变 5.3 钛合金的热处理 5.4 钛合金的组织及其性能 5.5 常用钛合金的热处理制度
5.1 钛及钛合金
钛及钛合金的优点： 密度小、比强度高、耐热性较铝高、良好的耐蚀性
钛及钛合金的缺点： 导热性差、耐磨性差、弹性模量低、化学活性高 钛资源在地壳中的含量
5.2.1 同素异构转变 5.2.2 β相转变 （1）β相在快冷过程中的转变
1）马氏体相变 2）ω相变 3）淬火钛合金的亚稳定相图 （2）β相在慢冷过程中的转变 （3）β相共析反应和等温转变 5.2.3 时效过程亚稳相的分解 （1）六方马氏体α′的分解 （2）斜方马氏体α〞的分解 （3）ω相的分解 （4）亚稳定βm相的分解
5.2.1 同素异构相变
纯钛在固态有两种同素异晶体，即体心立方晶格 的β相和密排六方晶格的α相，在882.5℃发生下列 同素异构转变：
882.5℃
α（密排六方） β（体心立方）
相变特点：
（1）相变体积效应不大 （2）在β相转变为α相的过程中相变阻力及所需过冷度都很
小
（3）钛合金中的同素异构转变，温度对合金的成分极为敏 感
锡和锆为常用的中性元素，在α钛和β钛中均有较 大的溶解度，常和其他元素同时加入，有补充强 化作用，对塑性的不利影响比铝小，使合金具有 良好的压力加工性能和焊接性能。
5.1.2 钛的合金化
钒和钼是β稳定元素中应用最广的两种元素，对β 相起固溶强化作用，降低相变点，增加合金的淬 透性，从而强化热处理强化效果。
锰、铁、铬等元素强化效果高，稳定β的能力强， 比钨、钼、铌轻，故应用较广。
硅的共析转变温度较高（860℃），加硅可改善合 金的耐热性能。加入少量的硼可以细化宏观组织 。稀土元素可显著地提高合金的瞬时强度和蠕变 强度。
5.1.2 钛的合金化
5.1.2.4工业钛合金的分类和编号 根据钛合金退火（空冷）后的组织特点，钛合金可
5.1.2 钛的合金化
（3）α＋β钛合金 这种合金是指其退火组织为α＋β相的钛合金，也
称为两相钛合金。我国这类合金的牌号为TC，后 跟合金序号，如TC4、TC5、TC6等。 （4）钛合金 此类合金含β稳定元素较多。我国这类合金的牌号 为TB，后跟合金序号，如TB1、TB2等。
5.2 钛的相变
（4）加热温度超过β相变点后，β相长大倾向很大，极易使β 相晶粒粗化
5.2.2 β相转变
5.2.2.1 β相在快冷过程中的转变 当钛合金自高温快速冷却（淬火）时，根据合金成分的不 同， β相可以转变为马氏体、ω相或过冷β等亚稳定相。
（1）形成马氏体 定义：α稳定元素过饱和的固溶体为钛合金的马氏体。 类型： β稳定元素含量不大，六方马氏体α′(板条状和针状)；
5.1.2.1 钛与其他元素之间的作用 钛与其他合金元素之间的作用，取决于原子的电子
层结构、原子半径、晶格类型等诸因素。
5.1.2 钛的合金化
周期表中各元素按与钛作用性质可纳如下：①在周期表上 与钛同族的元素锆和铪具有与钛相同的外层电子结构和晶 格类型，原子半径也相近，故它们与α和β钛均能无限互溶 ，形成连续固溶体；②在周期表上靠近钛的元素，如钒、 钼、铌、钽等与β钛具有相同的晶格类型，能与β钛无限互 溶，在α钛中有限溶解；③在外层电子结构、晶体类型和 原子尺寸上都与Ti有较大的差异，如锰、铁、钴、镍等元 素与钛只能形成有限的固溶体，超过溶解极限则形成化合 物。
β稳定元素含量较大，斜方马氏体α〞(细针状马氏体)；
5.2.2 β相转变
板条马氏 体内有密 集的位错
针状马氏 体内有大 量孪晶
5.2.2 β相转变
途径：淬火或者受力 除淬火时β相可发生马氏体转变外，过冷β相在受力时也可 能发生马氏体转变，称为应力诱发马氏体。应力诱发马氏 体均为α〞晶体结构，为细针状。 钛合金中马氏体不像钢中马氏体能强烈提高合金的强度和 硬度，因为钢中的马氏体为过饱和的间隙固溶体，钛中马 氏体为过饱和的置换固溶体，产生的晶格畸变较小，对位 错滑移的阻力较小，因此对合金只有较小的强化作用。
钛的力学性能
钛的力学性能与热处理制度紧密相联
工业纯钛的牌号、性能 按杂质含量的不同，工业纯钛分为三个等级，TA表示α型钛
合金的代号，数字表示合金的序号，序号越大，钛的纯度 越低。
随着杂质含量的增加，钛的强度升高，塑性下降。
5.1.2 钛的合金化
纯钛虽然其塑性和韧性很好，但强度较低，影响了 应用范围。加入适当的合金元素后，可以明显地改 善其组织和性能，满足工程上的性能和要求。
5.1.2 钛的合金化
5.1.2.2 钛二元相图类型及合金元素的分类 钛的二元相图可分为下列四种主要类型。
5.1.2 钛的合金化
5.1.2 钛的合金化
5.1.2.3 常见合金元素的作用
工业钛合金中常用的合金元素有：铝、锆、锡、 钒、钼、锰、铬、铁、铜、硅等。
铝主要起固溶强化作用，每增加1％Al，可使室温 抗拉强度增加50MPa。铝在钛中的极限溶解度为 7.5％,一般加铝量不超过7％。
（1）Al 7.45% （2） Fe 4.20% （3）Mg 2.35% （4）Ti 0.61%
5.1.1 纯钛
纯钛的化学及物理性能： 化学活性大 钛易吸氢引起氢脆 耐蚀性强（空气中、水中、硝酸中）
钛的主要几个物理性能与铝、铁的比较
物理性能 熔点/℃ 密度/（g/cm3） 热导率/[cal/(cm·s·℃] 线膨胀系数/×10－6℃－1