Ti合金的相变
钛合金相变的影响
钛合金相变的影响
钛合金的相变指的是在特定温度下发生的晶体结构的变化。
钛合金常见的相变包括α相（属于正交晶系）到β相（属于体心立方晶系）的相变，以及β相到ω相（属于六方晶系）的相变。
这些相变对钛合金的性能和特性有着重要的影响。
以下是一些主要影响：
1. 机械性能：钛合金在α相状态下具有较高的强度和硬度，而在β相状态下具有较高的塑性和韧性。
因此，通过控制相变可以调节钛合金的机械性能，以满足不同应用的需求。
2. 耐腐蚀性：钛合金在α相状态下具有较好的耐腐蚀性能，而在β相状态下容易发生腐蚀。
因此，通过控制相变可以提高钛合金的耐腐蚀性能。
3. 加工性能：钛合金在α相状态下较难加工，而在β相状态下具有较好的可塑性和可加工性。
因此，通过控制相变可以改善钛合金的加工性能，使其更易于成型和加工。
4. 热处理性能：钛合金的相变可以用于热处理，通过调节相变温度和时间，可以改变钛合金的晶粒尺寸、相组成和晶体结构，从而改善其热处理性能。
钛合金的相变对其性能和特性有着显著的影响，通过控制和利用相
变可以调节钛合金的力学性能、耐腐蚀性、加工性能和热处理性能，以满足不同应用的需求。
差示扫描量热法测定钛合金的相变温度
差示扫描量热法测定钛合金的相变温度差示扫描量热法（DSC）是一种广泛应用于材料研究领域的实验技术，通过该技术可以测定材料的热性质参数，例如热容、热导率和相变温度等。
在材料科学研究中，DSC技术被广泛用于测定各种材料的相变温度，以及研究材料的热稳定性和热动力学特性。
在本文中，将介绍使用DSC技术测定钛合金的相变温度的实验方法和结果分析。
1. 实验设计实验选取了常见的钛合金材料，将其制备成试样，并使用DSC技术进行热分析。
试样的制备要求尽可能统一，以保证实验结果的准确性。
实验选取了不同成分和热处理状态的钛合金试样，包括α相和β相钛合金，以及不同固溶处理和时效处理状态的试样。
2. 实验过程对试样进行精密称重，并记录其质量。
然后将试样放入DSC仪器中，并进行热分析实验。
在实验过程中，需将试样进行升温和降温处理，以获得完整的相变曲线。
在升温过程中，试样将吸收热量，发生相变；而在降温过程中，试样将释放热量，再次发生相变。
通过测量试样在升温和降温过程中的热量变化，可以得到试样的相变温度和相变热等参数。
3. 实验结果经过实验测定和数据处理，得到了不同钛合金试样的相变曲线和相变温度。
根据实验结果，可以明确各种钛合金试样的相变特性和热稳定性。
还可以比较不同试样之间的相变温度差异，分析其对材料性能的影响。
4. 结果分析5. 实验意义本文介绍了使用DSC技术测定钛合金的相变温度的实验方法和结果分析，这对深入理解钛合金材料的热性质和相变特性具有重要的意义。
相信这些实验结果和分析成果可以为钛合金材料的材料设计和工程应用提供有益的参考。
通过DSC技术测定钛合金的相变温度，可以获得准确的实验数据，并通过数据分析得到对材料性能和工程应用具有重要意义的结论。
希望本文能为相关领域的科研工作者和工程技术人员提供有益的信息和参考。
钛合金相变及表征方法共19页
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
电子 ~0.05 nm
内部
离子
~10 nm
悬臂梁探针 ~0.1 nm
悬臂梁探针 ~0.1 nm
表面 表面 表面
13
扫描电子显微镜（SEM）
性能特性
• 塑性及疲劳性能高于魏氏组织 • 断裂韧性低于魏氏组织
网 篮 组 织
8
双态组织
形成途径 • 在α-β区上部温度以一定速度冷却，或在两相 区上部温度进行变形形成双态组织 主要特征 • 既存在等轴的初生α，又存在片状的α-β 性能特性 • 与魏氏组织相反，具有较高的疲劳强度和塑性
双态组织
9显微镜 Optical Microscopy
扫描电子显微镜 Scanning Electron Microscopy (SEM) 透射电子显微镜 Transmission Electron Microscopy (TEM) 聚焦离子束 Focused Ion Beam (FIB) 扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscopy (STM)
钛合金
一、钛合金的分类
α钛合金 α+β钛合金
工业纯钛 TA1、 TA2、TA3、 TA4
近α钛合金
TC4、TC11、TC21
图 1： TA1板材650℃/h退火状态： 等轴α+少量晶间β
β钛合金
高温合金
其他类型
α2合金
γ合金
图 2： TC4800℃退火状态： 白色等轴α+灰色晶间β
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
钛合金及其固态相变的归纳
α′ to
α″+β α″
β
α″+β(ω)
α+α′
α+α″ β(ω)
α+α″+β
α+α″+β(ω) tk
α+β(ω)
温度/℃
α+β
α
MrBiblioteka MsTi Cα C0 C1
C2 Ck
C3
Cβ
β 同晶元素含量/%
图 1 二元 β 同晶合金系亚稳相图
β 钛合金中各类合金的 β 稳定元素含量均高于
C1，因此自 β 相区高温快速冷却后会得到 α″、ω、β′ 相中的 1 种或几种视合金成分和温度而定。这 3 类
3 β 钛合金强化热处理中的相变
钛合金的固态相变有很多类型，M K Mequilla[21]概括为同素异构转变、共析转变和有序
收稿日期：2008-01-31 基金项目：国家 973 项目（2007CB613805） 作者简介：吴晓东（1984-），男，硕士，主要从事钛及钛合金的研究工作，电话：029-86231078，E-mail: wuxiaodong020312 @。
Ti-10V-2Fe-3Al Ti-3Al-5V-5Mo-1Fe-1Cr
美国
9.5
高强锻件
前苏联
9
高负荷构件、发动机
Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al
中国
8.5
高压结构件
Ti-2.5Al-12V-2Sn-6Zr
Ti-16V-2.5Al Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe（苏）
Ti-11V-4Zr-6Sn Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr
Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe Ti-5Al-2Sn-2Cr-4Mo-4Zr-1Fe
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a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B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。
■r■:＜图1-1 a钛和P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a稳定元素、中性元素和P稳定元素，如图所示：a稳定元素提高a/B转变温度，置换式的Al和间隙式的C、N、O都是强a稳定元素，这些元素含量越多，则钛合金的a/B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a /B相变温度，当们含量增加时，又会提高a/B相变温度。
B稳定元素能够降低钛的同素异型转变温度，扩大B相区并增加B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B稳定元素又分为B同晶元素和B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。
金属材料的热处理可以归纳为三大类：第一类，淬火+回火；第二类，固溶+时效；第三类，淬火+时效。
钛合金相变及表征方法
电镜类型
类型
光学显微镜 Optical Microscopy
扫描电子显微镜 Scanning Electron Microscopy SEM 透射电子显微镜 Transmission Electron Microscopy TEM 聚焦离子束 Focused Ion Beam FIB 扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscopy STM
• 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
1、同素异晶转变
晶格常数 a=0.3306nm,b/a=0.87, 滑移系：12个
晶格常数 a=0.29511nm,c=0.468, 滑移系：3个
β-Ti 体心六方
纯钛882℃
1700
钛合金相变及表征方法
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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
二、钛合金的相变与组织
等轴组织
等轴组织
总结
性能
拉伸强 度 拉伸塑 性 冲击韧 性 疲劳强 度 断裂韧
钛合金性能与组织的关系
魏氏组 网篮组 双态组
织
织
织
高
较高 较高
低
良
好
低
优
好
低
较好 好
高
较好 较好
等轴组 织 稍低
优
较好
有
低
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。
钛合金相变[整理版]
![钛合金相变[整理版]](https://img.taocdn.com/s3/m/c784d1f09a89680203d8ce2f0066f5335a816765.png)
钛合金相变(phase transformation in titanium alloy)钛合金的固态组织在不同条件下的形成和变化规律。
由于纯钛具有两种同素异晶体，因此其固态相变类型繁多，性质复杂，远超过铜、铝、镍等其他有色金属。
概括起来，钛合金的固态相变可归纳为3大类：在一般连续加热和冷却条件下进行的同素异晶转变；在淬火过程中发生的非扩散性转变，即马氏体α’、α“和ωa相的形成；各种亚稳相的分解，即亚稳β相、过饱和的α相和马氏体在等温或时效处理中的沉淀过程。
连续加热和冷却过程中的同素异晶转变纯钛加热时在882.5 ℃发生α→β转变。
合金化后该转变温度(Tβ)将随合金元素的性质和含量而变化。
钛合金加热转变的主要特点在于α→β转变的体积变化效应小(约0.17％)，相变应力值低，且因体心立方β相自扩散系数高，故转变迅速，不易过热，合金一旦进入β相区，晶粒尺寸迅速增大，因此难以利用相变重结晶方式细化晶粒，这一点与一般钢材有明显差异。
钛合金从β相区连续冷却时，α相通常呈片叶状析出，粗细程度与合金性质和冷却速度有关，但其基本形貌是相似的。
大量试验证明，α相与β基体之间存在严格的伯格斯(Burgers)晶体学取向关系，即{0001}αll{110)β、<112¯0>αll<111>β。
因每一{110)面族包含6个晶面，又各有2个<111>取向，故片状α相有12个变体，由此构成分布十分规则的显微组织形貌，即魏氏组织(图la)，这也是绝大多数钛合金自β相区缓慢冷却后的基本组织形态。
钛合金同素异晶转变产物保持着强烈的组织遗传性。
连续冷却后形成的魏氏组织，若重新加热至β相区，α相将转变成原始取向的β相，再冷却，则又形成固有的魏氏结构。
这种组织往往伴有粗大的原始β晶粒和网状晶界α，相应的拉伸塑性和疲劳性能较差。
为改变这种状况，获得细等轴组织(图1b)或双态组织(图1c)，形变再结晶是最有效的途径，这也说明为何热加工变形在决定钛合金组织状态方面占据重要地位。
钛合金(Ti)
α钛合金
α相固溶体组成的相合金，不论是在一般温 度下还是在较高的实际应用温度下，均是α 相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化 能力强。 在780℃～600℃的温度下，仍保持其强度 和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化， 室温强度不高 。
β钛合金
β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具 有较高的强度，淬火、时效后合金得到进 一步强化，室温强度可达1372～1666 MPa； 但热稳定性较差，不宜在高温下使用
钛合金简介
从实现工业生产至今才50多年，具有密度小、比 强度高、耐腐蚀等一系列优异特性。 钛：金属元素，灰色，原子序数22，位于元素周 期表中ⅣB族。能在氮气中燃烧，熔点高。 发展非常快，短时间内显示出强大的生命力，尤 其在航空航天、军事、能源、化工及医疗等领域 成了不可或缺的材料。
一、概述
钛的基本性质
11钛的钛的基本性质基本性质与与合金化合金化相变特点相变特点22常用钛合金常用钛合金33钛合金的钛合金的热处理热处理44钛合金的发展与应用钛合金的发展与应用钛合金简介钛合金简介从实现工业生产至今才50多年具有密度小比强度高耐腐蚀等一系列优异特性
钛合金（Ti） Ti）
本章主要介绍：
1、钛的基本性质与合金化，相变特点 、钛的基本性质与合金化，相变特点 2、常用钛合金 3、钛合金的热处理 、钛合金的热处理 4、钛合金的发;β钛合金
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80%～ 80% 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 。
三、钛合金热处理
方法有退火、固溶和时效处理。
钛合金化的主要目的 钛合金化的主要目的：
钛合金相变_phase transformation in titanium alloy
钛合金相变(phase transformation in titanium alloy)钛合金的固态组织在不同条件下的形成和变化规律。
由于纯钛具有两种同素异晶体，因此其固态相变类型繁多，性质复杂，远超过铜、铝、镍等其他有色金属。
概括起来，钛合金的固态相变可归纳为3大类：在一般连续加热和冷却条件下进行的同素异晶转变；在淬火过程中发生的非扩散性转变，即马氏体α’、α“和ωa相的形成；各种亚稳相的分解，即亚稳β相、过饱和的α相和马氏体在等温或时效处理中的沉淀过程。
连续加热和冷却过程中的同素异晶转变纯钛加热时在882.5 ℃发生α→β转变。
合金化后该转变温度(Tβ)将随合金元素的性质和含量而变化。
钛合金加热转变的主要特点在于α→β转变的体积变化效应小(约0.17％)，相变应力值低，且因体心立方β相自扩散系数高，故转变迅速，不易过热，合金一旦进入β相区，晶粒尺寸迅速增大，因此难以利用相变重结晶方式细化晶粒，这一点与一般钢材有明显差异。
钛合金从β相区连续冷却时，α相通常呈片叶状析出，粗细程度与合金性质和冷却速度有关，但其基本形貌是相似的。
大量试验证明，α相与β基体之间存在严格的伯格斯(Burgers)晶体学取向关系，即{0001}αll{110)β、<112¯0>αll<111>β。
因每一{110)面族包含6个晶面，又各有2个<111>取向，故片状α相有12个变体，由此构成分布十分规则的显微组织形貌，即魏氏组织(图la)，这也是绝大多数钛合金自β相区缓慢冷却后的基本组织形态。
钛合金同素异晶转变产物保持着强烈的组织遗传性。
连续冷却后形成的魏氏组织，若重新加热至β相区，α相将转变成原始取向的β相，再冷却，则又形成固有的魏氏结构。
这种组织往往伴有粗大的原始β晶粒和网状晶界α，相应的拉伸塑性和疲劳性能较差。
为改变这种状况，获得细等轴组织(图1b)或双态组织(图1c)，形变再结晶是最有效的途径，这也说明为何热加工变形在决定钛合金组织状态方面占据重要地位。
钛合金相变及表征方法
α-Ti 密排六方
4
2、马氏体相变
马氏体相变：在快速冷却的过程中，β相转化成α相的过程中 来不及进行，β相转变成与母相成分相同、晶体结构不同的 过饱和固溶体。 马氏体特点：1、无扩散型相变，只发生晶格重构 2、转变无孕育期，转变速度极快 3、转变阻力大，需要较大的过冷度 4、晶格与母相有严格的取向关系
背散射
二次电子
伴生
特征X射线
俄歇电子
高的分辨率，1nm左右 很大的景深 制样简单
15
透射电子显微镜（TEM）
16
X射线衍射
17
板条马氏体
• 电镜下成板条状 • 亚结构为位错
针状马氏体
• 在合金浓度较高时成针状 • 亚结构为孪晶
6
7
片层组织（魏氏组织）
形成途径
主要特征 性能特性
• 在β相区进行热加工或者在β相区退火。
• 具有粗大等轴的原始β晶粒 • 断裂韧性高；在较快冷却状态下其蠕变抗力和 持久强度较高 • 塑性低，尤其是断面收缩率低于其它类型的
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
3
1、同素异晶转变
晶格常数 a=0.3306nm，b/a=0.87, 滑移系：12个
层片组织
8
网篮组织
形成途径
主要特征
• 在β相区开始变形，但在（α＋β）相区终止 变形，原始β晶粒及晶界α破碎，冷却后形成 • α丛的尺寸减小，α条变短，且各丛交错排列， 犹如编织网篮的形状 • 塑性及疲劳性能高于魏氏组织 • 断裂韧性低于魏氏组织
钛合金的合金化原理
钛合⾦的合⾦化原理四、钛合⾦的合⾦化原理1．钛合⾦的合⾦化特点钛合⾦的性能由Ti 同合⾦元素间的物理化学反应特点来决定，即由形成的固溶体和化合物的特性以及对α?β转变的影响等来决定。
⽽这些影响⼜与合⾦元素的原⼦尺⼨、电化学性质（在周期表中的相对位置）、晶格类型和电⼦浓度等有关。
但作为Ti合⾦与其它有⾊⾦属如Al、Cu、Ni 等⽐较，还有其独有的特点，如：（1）利⽤Ti 的α?β转变，通过合⾦化和热处理可以随意得到α、α + β和β相组织；（2）Ti 是过渡族元素，有未填满的d 电⼦层，能同原⼦直径差位于±20％以内的置换式元素形成⾼浓度的固溶体；（3）Ti 及其合⾦在远远低于熔点的温度中能同O、N、H、C 等间隙式杂质发⽣反应，使性能发⽣强烈的改变；（4）Ti 同其它元素能形成⾦属键、共价键和离⼦键固溶体和化合物。
Ti 合⾦合⾦化的主要⽬的是利⽤合⾦元素对α或β相的稳定作⽤，来控制α和β相的组成和性能。
各种合⾦元素的稳定作⽤⼜与元素的电⼦浓度（价电⼦数与原⼦的⽐值）有密切关系，⼀般来说，电⼦浓度⼩于4 的元素能稳定α相，电⼦浓度⼤于4的元素能稳定β相，电⼦浓度等于4 的元素，既能稳定α相，也能稳定β相。
⼯业⽤Ti 合⾦的主要合⾦元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu 和Si等，按其对转变温度的影响和在α或β相中的固溶度可以分为三⼤类。
能提⾼相变点，在α相中⼤量溶解和扩⼤α相区的元素叫α稳定元素；能降低相变温度，在β相中⼤量溶解和扩⼤β相区的元素叫β稳定元素；对转变温度影响⼩，在α和β相中均能⼤量溶解或完全互溶的元素叫中性元素。
按合⾦元素与Ti 的反应特点或⼆元状态图的类型，可以分成四⼤类（图1-44）：（1）α稳定型状态图（图1-44(a)）Al、Ga、Sn 和间隙式元素C、N、O 等与Ti 形成这种状态图。
这些元素分别属于ⅢB~ⅥB 族，外层电⼦（S、P）数＜4，如Al 为3S2P1，故为α稳定元素；Sn 的外层电⼦为5S2P2=4，对相变温度影响⼩，故⼜属于中性元素。
钛合金相变点计算公式
钛合金相变点计算公式钛合金相变点的计算可不是一件简单的事儿，这就像解开一道复杂的谜题，需要一些特定的公式和方法。
咱们先来说说钛合金相变点到底是啥。
简单来讲，相变点就是钛合金在受热或者冷却过程中，其内部结构发生变化的那个关键温度点。
比如说，从一种晶体结构变成另一种晶体结构。
那怎么来计算这个相变点呢？这里面就有不少学问啦。
常用的计算公式会涉及到钛合金中各种元素的含量。
比如说，有一种公式是这样的：相变点 = A + B × (元素 1 的含量) + C × (元素 2 的含量) + …… 这里的 A、B、C 呢，是根据大量实验和研究得出来的系数。
我记得有一次，在实验室里，我们一群人就在研究这个钛合金相变点的计算。
当时，为了得到准确的数据，我们可是费了好大的劲儿。
每个人都全神贯注，眼睛紧盯着仪器上的数据变化。
有个小伙伴因为太紧张，额头都冒出了汗珠。
咱们再深入一点，不同类型的钛合金，其相变点的计算公式还可能会有所不同。
这就像是不同的游戏有不同的规则一样。
比如说，α型钛合金和β型钛合金，它们的计算公式就有差别。
而且啊，计算相变点的时候，可不能只依赖公式，还得考虑到实际的加工条件和环境因素。
有时候，一点点细微的差别，都可能导致计算结果的偏差。
在实际应用中，准确计算钛合金的相变点那是相当重要的。
比如说在制造飞机零件的时候，如果相变点计算不准确，那零件的性能可能就达不到要求，这后果可就严重啦。
总之，钛合金相变点的计算公式虽然复杂，但只要我们认真研究，仔细分析，还是能够掌握其中的奥秘，为相关的工程应用提供有力的支持。
希望通过我的这番讲解，能让您对钛合金相变点计算公式有个初步的了解。
钛合金及其相变
4.2 时效过程亚稳相的分解
防空警报 快速冷却
敌机已经在头顶 更快速冷却
如果敌机离去：胆大 的人开始活动。（低 温退火）
如果警报解除：胆稍 大的人也会开始活动 （中温退火）
完全安全后：所有人 都开始活动（高温退 火）
4.2 时效过程亚稳相的分解
• 钛合金淬火形成的亚稳定相α′、α″、ω及βm（亚 稳态的β 相），在热力学上是不稳定的，加热时 要发生分解，其分解过程是比较复杂的。不同的 亚稳定相分解过程不同，同一亚稳定相因合金成 分和时效规程不同分解过程也不同。但最终的分 解产物均为平衡状态的α＋β。若合金有共析反应， 则最终产物为α＋TixMy,即
β1+β2
Ti+W
3、钛的相图及合金化
只在BCC结构的Ti中无限互溶
βα βTi
α+β αTi
β1+β2 Ti+W
从相图可以 看出，在030%的范围 内，随着W 的增加， βα转变 的温度逐渐 降低。
3、钛的相图及合金化
βTi βα
αTi
从相图可以 看出，在08%的范围内， 随着Al的增 加，βα 转变的温度 逐渐升高。
Cu、Si等合金化时，共析转变快，析出TiCu2、Ti5Si3;
Fe、Mn、Cr、Co、Ni等合金化时：共析转变速率较 慢，即使连续缓慢冷却，也可能转变不完全，保留一些 残余的β相；快冷时，共析反应可以完全被抑制，过冷β 相可以保留到室温；这个过程还与合金含量有关，含量 增加，β相可完全过冷到室温。 注意：共析速度快慢是动力学的范畴。而相图是基于 平衡态热力学构建的，所体现出来的是，相变发生的 可能性，完全不会有相变发生快慢方面的信息。
1、无法形成120角。六方正交 2、长大困，通常细针状，称为斜方马氏体α〞
钛合金中的马氏体相变
在钛合金中经常加入的合金元素有Al、 Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu、Si 等, 其中Al、Sn、Zr 加入后将扩大α相区, 使β相 变点升高, 称为α稳定元素。其它元素加入 后将缩小α相区( 扩大β相区) , 使β相变点降 低, 称为β稳定元素。
在发生马氏体相变时，不发生原子扩散， 仅发生β相原子集体的、有规律的近程迁移， 迁移距离较大时形成α‘，迁移距离较小时形 成α“。 β 、 α‘和 α“之间的晶体结构如下图 所的原理 高纯钛在缓冷退火后，获得多面的α组 织，如果自高温快速冷却，将发生马氏体 转变，晶界变得不完整且呈锯齿状。钛合 金自高温快速冷却时，视合金成分的不同， β相可转变为马氏体（α‘或者α“）、ω相或 者过冷β相，在快速冷却过程中，由于从β 相转变为α相的过程来不及进行， β相将转 变为成分与母相相同、晶体结构不同的过 饱和固溶体，即马氏体。
• 二、其他金属中的马氏体相变 • 20世纪以来，对钢中 马氏体相变的特 征累积了较多的知识，又相继发现在某些 纯金属和合金中也具有马氏体相变，如： Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、 Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、CuAl、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前广 泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产 物统称为马氏体。
从右图图可知：当β 稳定元素的浓度达到 临界值C0与C1时，合金
的Ms点和Mf点分别达到 室温。
图2 Ms和Mf的关系
3.3
钛合金相变马氏体的特点
钛合金的马氏体相变属无扩散型相变,在相变 过程中不发生原子扩散, 只发生晶格重构。它具有 马氏体相变的所有特点。 动力学特点：转变无孕育期; 瞬间形核长大, 转变速度极快, 每个马氏体瞬间长到最终尺寸; 恒 温转变量极少, 主要在不断冷却中增加体积分数。 切变特点: 马氏体转变是晶体切变过程, 在切 变过程中完成晶格重构。
第四章钛合金的相变及热处理
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882.5℃，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。
钛合金的固态相变
钛合金的固态相变钛合金的固体相变简介钛属于ⅣB族元素，原子序数为22，它在地壳中的丰度为0.6%，是地壳中储量较丰富的元素之一，在金属元素中仅次于铝、铁、镁，占第四位。
钛自其发现到发展至如今已经过了200多年的历史，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛仅次于铁、铝，被称为正在崛起的第三金属。
与其他材料相比，钛具有下列优异的性能。
（1）钛的密度小、强度高、比强度大。
钛的密度为4.51g・cm-3，仅为铁的57.4%，铜的50.7%，不到铝的两倍，强度却比铝大三倍。
钛合金的比强度是常用工业合金中最大的，为不锈钢的3.5倍，是铝合金的1.3倍，是镁合金的1.7倍，所以钛是航空航天工业必不可少的结构材料。
（2）耐蚀性能优异。
由于钛能在表面形成致密的钝性氧化膜，所以钛在海水、湿氯气、亚氯酸盐及次氯酸盐溶液、硝酸、铬酸、金属氯化物、硫化物、除草酸和大于10%的甲酸外的有机酸、5%以下的硫酸、盐酸、磷酸等很多腐蚀性介质中不被腐蚀。
钛在海水中可保持5年不锈蚀，耐蚀性远远超过不锈钢（3）耐热性能好。
钛的耐热性能好，通常铝在150℃，不锈钢在310℃即失去了原有的较高的力学性能，而钛合金在500℃左右仍保持良好的力学性能，有些钛合金的工作温度可高达600℃。
（4）低温性能好。
某些钛合金的强度随温度的降低而提高，但仍然保持很好的塑性，在�C200℃下仍有较好的延性及韧性。
（5）钛具有良好的生物相容性。
医疗用钛合金骨骼、关节，血管支架等等，具有不锈钢等所没有的对人体无排异性的性能[5]。
（6）钛具有无磁性。
在20粤斯特条件下，其磁导率为1.00005~1.0001H・m-1，在很强大的磁场中也不会被磁化。
（7）除此之外，钛还有很多其他优异性能，如吸氢功能，能与铌合成超导合金，与镍合成记忆合金等。
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。
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3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
图3-16 Ti-10V-2Fe-3Al 工艺：α+β固溶 700°C/8h/WQ + 时效 600°C/4h/AC. 组织：初生等轴αand 针状α （SEM ）
32
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察 3.4、其他Ti合金组织
Ti-Al合金：Ti3Al基合金和 TiAl基合金 α2(Ti3Al)、O (Ti2AlNb),
36
欢迎老师和同学批评指正！
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
图3-9 Ti-6Al-4V
1020℃/20min/WQ 马氏体组织+晶界初生β
图3-10 Ti-6Al-4V
1020℃/20min/FC 魏氏组织α 相+初生β相晶界α 28
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
a b
图3-11 Ti-6Al-4V
a:960℃/60min/WC 等轴α 相+转变β相
少量等轴α 30+针状 α+ β( 转变态β)
片状α( 转变态β)+ β 初 生β晶界α
片状α( 转变态β)+ β + 初生β晶界α
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察 3.3、 β-Ti合金组织
Ti-10V-2Fe-3Al
图3-14 工艺： 820°C/8h/WQ 组织：等轴β相
31
图3-15 工艺：820°C/8h/WQ + 时效 600°C/8h/AC. 组织：β相 基体上细小的α相析出
10
图2-3 Ti-Mo相图
2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理 2.2Ti合金相变类型
1、马氏体相变 高冷速通过切变协调原子的运动（非扩散型）。 两种类型的马氏体：六方α′马氏体和斜方α″马氏体。 其中六方α′马氏体有两种形态：板条状马氏体和针状马 氏体。 马氏体转变过程被抑制， β相沉淀析出形成ω相。 β稳定元素含量少时α′马氏体、β稳定元素含量高时 α″马氏体、临界浓度附近时亚稳定的ω相。 α相和β相满足Burgers取向关系： {0001} α // {110} β，<11-20> α // <111> β
2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理 2.3元素扩散对相变的影响
H O Ni Fe H Fe\Ni\Co Cr\Mn O α-Ti Al\Zr
在β-Ti中： Cr\Mn 在α-Ti中:
β-Ti Al\Sn Nb Mo
扩 散 速 率 增 加
17
图2-9 Ti的自扩散和不同元素 在α 和β相中扩散Arrhenius图
3
主要内容
1 研究Ti合金相变的意义 研究Ti Ti合金相变的意义 2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理 3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察 4总结
4
1 研究Ti合金相变的意义 研究Ti合金相变的意义
882℃
同素异构转变:
β
α
bcc
hcp
强度（高温强度） 塑性
相变
组织
性能
损伤容限性、疲劳 可焊性
2、Ti-Al相图
避免Ti3Al(α2)的形 Al 6% 成，Al含量低于6% Al当量： [Al]+0.17[Zr]+0.33 [Sn]+10[O]
图2-2 Ti-Al相图
9
2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理 2.1Ti合金相图
3、Ti-Mo相图
Mo当量： [Mo]+0.2[Ta]+0.28[Nb]+0.4[W] +0.67[V]+1.25[Cr]+1.25[Ni]+1. 7[Mn]+1.7[Co]+2.5[Fe]
专题报告
Ti合金的相变 合金的相变
学 生：刘继雄 时 间：2010年6月28日
航空、航天工业
运动器械
生活用品
舰船工业
生活用品
车辆工业
2
医药工业
生活用品
主要内容
研究Ti Ti合金相变的意义 1 研究Ti合金相变的意义 Ti合金相变原理 2 Ti合金相变原理 Ti合金组织观察 3 Ti合金组织观察 4 总结
11
2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理
图2-4 Ti-6Al-4V从β相区淬火组织：针状马氏体（a）LM（b）TEM
12
2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理 2.2Ti合金相变类型
2、形核和扩散长大 低冷速， α相首先在原β晶界形核长大，形成晶界α，然后 从晶界向晶内呈集束状扩展，直至互相接触为止。 β相处 于片状α相之间呈连续的或间断的层片状，冷却后形成魏 氏组织(α +β)。（扩散型） α +β两相区冷却与β相区冷却的区别 存在初生的α相 α相和β相满足Burgers取向关系： {0001} α // {110} β，<11-20> α // <111> β
主要内容
1 研究Ti合金相变的意义 研究Ti Ti合金相变的意义 2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理 3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察 4总结
18
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
3.1、 CP-Ti\α -Ti合金\近α-Ti合金 3.2 、α +β-Ti合金组织 3.3、 β-Ti合金组织 3.4、其他Ti合金组织
图3-12 Ti-6Al-4V
b:960℃/60min/AC 等轴α 相+转变β相
c
图3-13 Ti-6Al-4V c:960℃/60min/FC 等轴α 相+转变β相 29
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
Ti-6Al-4V的六种组织状态
等轴α +晶间β
等轴+针状 α +晶间β
等轴α +针状 α( 转变态β)
图3-17 Ti-24Al-20Nb 工艺： α2+β 固 900°C/1h/WQ. 组织： α2 (dark) + O (gray) + B2 (bright) 相.
33
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
图3-18 Ti-24Al-11Nb, 工艺：1060°C/4h/WQ + 800°C/24h/AC. 组织： α2 + 转变B2 相
5
1 研究Ti合金相变的意义 研究Ti合金相变的意义
表1 显微组织对Ti合金性能的影响
6
主要内容
1 研究Ti合金相变的意义 研究Ti Ti合金相变的意义 2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理 3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察 4总结
7
2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理 2.1Ti合金相图
组织：转变β相和 初始β晶界
图3-4
23
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察 3.2 、α +β-Ti合金组织
TC4:Ti-6Al-4V
A:1050 ℃ T(℃) β B:950 ℃
C:650 ℃ α α +β Ms
4
V%
图3-5
24
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
A
工艺： 1050 ℃ 保温：5min 冷速：50℃\S 组织： 马氏体和β 初始晶界
TA2
A :0.5℃\s B:1℃\s
C :5℃\s
D:50℃\s
图3-3 TA2不 同冷速下组织 （保温温度： 1000℃、保温 时间：5min）
22
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
近α -Ti合金:Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.3Si
工艺： 1050°C，1h，油淬 600°C，24h，时效.
13
2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理
图2-5 Ti-6Al-4V形 成魏氏组织的模拟 图
14
2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理
α相
β相
图2-6 Ti-6Al-4V从β相区慢冷组织（a）LM（b）SEM
15
2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理
图2-8 α相和β相相变过程中的取向关系
16
1、不同合金元素对Ti合金相图的影响
A: α稳定化元素 Al\O\N\C
B:中性元素 Zr\Sn
C1:同晶型元素 V\Mo\Nb\Ta
C2:共析型元素 Fe\Mn\Cr\Ni\Cu\Si\H
C: β稳定化元素
8
图2-1 合金元素对Ti合金相图的影响
2Ti合金相变原理 2Ti合金相变原理 2.1Ti合金相图
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
TA2：0.25O\0.3Fe
A:885 ℃ B:890℃ C:895℃
D:900℃
E :905 ℃
F :910℃
G:915℃
图3-2 TA2不同保温温度下的组织（加热速率： 10 ℃/s 、保温时间：0min 、 冷却速率：50 ℃/s）
21
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
34
主要内容
1 研究钛合金相变的意义 2钛合金相变原理 3钛合金组织观察 4总结
35
4总结 Ti合金的相变主要有两种类型：马氏体非扩 散型转变和形核扩散型转变 Ti合金中存在的相：α、β、α′、 α″、 ω、TixMy （α2、O) Ti合金组织主要形态：等轴状、针状、片层 状、双态组织（等轴状+针状） 成分、工艺共同决定了组织状态
25
图3-6 TC4组织
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
B
工艺： 950 ℃ 保温：5min 冷速：1℃\S 组织： 等轴α和转变 β相
26
图3-7 TC4组织
3Ti合金组织观察 3Ti合金组织观察
工Байду номын сангаас： 650 ℃ 保温：5min 冷速：1℃\S 组织： 等轴α和转变 β相