钛及钛合金全解

3 钛合金－分类、牌号 按组织类型分： α（用TA表示）：全α、近α和α+化合物合金 。以铝、锡、 锆为主要合金元素，在近α型钛合金中还添加少量β稳定化元 素，如钼、钒、钽、铌、钨、铜、硅等 β（用TB表示）：热力学稳定型β合金、亚稳定β型合金和 近β型合金 α＋β（用TC表示）：以Ti-Al为基再加适量β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
钛及钛合金
2 纯钛
⑴密度小，比强度高：钛密度为4.51g/cm3，约为钢或镍合金的一半。比强度 高于铝合金及高合金钢。 ⑵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。 ⑶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。 ⑷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。 ⑸耐热性佳：因熔点高，使得钛被列为耐高温金属。 ⑹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。 ⑺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。 ⑻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。
3 钛合金－合金化
与α和β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α-Ti及 β-Ti形成连续固溶体。
3 钛合金－合金化 与β-Ti无限互溶，与α-Ti有限溶解的相图： 钒、铌、钽、钼 都为体心立方结构，与β-Ti同晶，称为β 同晶元素。降低相变点，稳定β相。 组元达到一定浓度值后，高温β相可稳定 到室温，对应这一浓度值称为临界浓度Ck。 Ck反映合金元素稳定β相能力大小，其值越小 稳定β相能力就越大。稳定β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β 相，并保持良好的塑性。
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。
工业纯钛退火得到单相α组织，属α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α 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（ 450～600℃），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
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α相 或β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·O0.5当。
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 工艺性能 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(σ0.2／σb)较高，一般在0.70～0.95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。
2 纯钛 物理性能：
属ⅣB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α-Ti： 点阵常数(20℃)为： a＝0.295111 nm，c＝0.468433nm，c／a=1.5873 882.5℃～熔点，为体心立方β-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9～10K。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
氢对纯钛及钛合金性能的影响就是引起氢脆。 氢在β-Ti中的溶解度比α-Ti中大得多，且在α-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TiH2，使合金变脆，称为氢化物氢脆。 含氢的α-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。
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，ψ和δ随温度提高而增加，接近转变温度 时，出现超塑性(δ>100％)。 纯钛有很好的低温塑性，特别是间隙元素含量很低的α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0.6～0.80σb，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 纯钛组织基本形态： 形变再结晶退火后，α相呈等轴状，称等轴α； β相区缓慢冷却，α相以集束片状形式沿β晶界和晶 内有规则的析出，此类形态称魏氏α； β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
β同晶元素：合金元素浓度超过α相极限溶解度时，将进入 α+β相区，此时合金元素优先溶于β相，因而β相具有更高的强 度和硬度，这样合金平均强度将随组织中β相所占比例增加而提高， 大约至α相和β相各占50％时强度达到峰值。再增加β相数量，强 度反而有所下降。强化作用按钼、钒、钽、铌次序递减。
3 钛合金－合金化
与α、β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β-Ti中溶解度比在α-Ti中大，降低(α+β) /β 相变温度，其稳定β相的能力比β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(θ)等化合物，含有这类元素的合金从β 相区冷到共析温度时，β相发生共析分解，这类 元素称为β共析元素。
3 钛合金－合金化 与α和β钛均有限溶解，并有包析反应的相图： 铝、镓、锆、锡、硼、碳、氮、氧
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α相区，称为α稳定元素。 这类元素为强化α相的主要元 素，其中铝和锡应用较多。
3 钛合金－合金元素对性能的影响