钛合金材料组织性能关系 PPT
钛合金及其应用ppt课件.ppt
■钛白粉：化学式TiO2，晶型有锐钛型（A-TiO2）和金红 石型（R-TiO2）两种工业产品。它是最好的白色颜料，还 是塑料、造纸业的重要原料。
■生产方法： ①硫酸法：既能生产金红石型钛白粉也能生产锐钛型钛白粉， 为传统工艺，废料（硫酸亚铁）处理问题尚未很好解决。 ②氯化法：只能生产金红石型钛白粉，目前世界上60% 以上 的钛白粉由此种发法生产，正在不断取代①。
目前使用最广泛的Ti-6Al-4V合金，是在20世纪40年代晚期 由美国开发出来的。现在，人们已经开发出了大量的钛合 金，从而开辟了轻合金在许多工业领域中得以广泛应用的 新局面。
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
■化学性能： 钛的耐腐蚀性很好，虽然钛是一种非常活泼的金属，其
平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大，但是因为钛 和氧的亲和力大，在空气或含氧介质中，钛表面生成一层致 密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不受腐蚀， 即使受到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有 强烈钝化倾向的金属。 对海水的抗腐蚀性很强。
2 工业纯钛（纯度约为99.5%）
2.1 基本性质
■物理性质：纯钛是银白色金属，位于周期表ⅣB族。
表2-1 钛的基本物理性能数据
名称 相对原子量 原子半径 溶化温度/℃ α-TiβTi相变 比密度/g/cm3
热导率 /[W/(m●K)] 超导转变温度／K
数值
47.9 0.145 1668±5（属难熔金属） 相变潜热：3.47KJ/mol, 相变温度:882 ℃, 结构:α(hcp), β(bcc) 4.505(20 ℃) ,4.35(870 ℃) ,4.32(900 ℃),约为纲的57% 22.08,只有铁的1/4,是铜的1/7
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。
tc4钛合金
TC4钛合金在组织工程中的应用
应用部位
• 骨组织工程：作为骨组织支架材料，具有良好的生物相 容性、力学性能和耐腐蚀性能 • 软组织工程：作为软组织支架材料，具有良好的生物相 容性、力学性能和降解性能
应用要求
• 制造过程中的质量控制：保证组织工程材料的性能和稳 定性 • 制造过程中的工艺优化：提高组织工程材料的制造效率 和降低成本
制造工艺
• 精密铸造：制造形状复杂的航空航天部件 • 精密锻造：提高合金的力学性能和加工性能 • 精密加工：进行车削、铣削、钻削等精密加工，制造出 高质量的航空航天部件
制造过程中的关键技术
• 控制合金的成分和组织结构：保证航空航天部件的性能 和稳定性 • 控制制造过程中的缺陷：避免产生气孔、裂纹等缺陷
TC4钛合金研究与应用
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01
TC4钛合金的基本特性及成分
TC4钛合金的化学成分及其与其 他钛合金的区别
01
TC4钛合金的化学成分
• 钛（Ti）：余量 • 铝（Al）：6.0~6.8% • 钒（V）：3.5~4.2% • 铁（Fe）：2.5~2.9% • 锆（Zr）：1.5~2.0% • 镍（Ni）：1.0~1.3%
• 采用真空铸造法：避免合金在铸造过程中产生气泡、夹杂物等缺陷 • 控制铸造温度：1600~1700℃ • 铸造过程中的冷却：采用缓慢冷却或分级冷却工艺，避免产生过大的热应力
TC4钛合金的变形加工与热处理工艺
变形加工
• 可采用热成型、冷成型等方法进行加工 • 控制变形温度和速度：避免产生过大的热应力 • 变形过程中的热处理：进行退火、正火等热处理，改善合金的力学性能和加工性 能
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。
钛合金的α和β相组织
钛合金的α和β相组织
钛合金是一种具有许多优点的材料，具有高强度、轻质等特点，因此广泛应用于航空、航天、汽车等领域。
而钛合金的组织结构在它的性质和性能上也起着非常重要的作用，其中α和β相组织是钛合金最常见的组织形式。
钛合金的α相是一种排列有序的六方密排结构，具有极好的高温稳定性、刚性和延展性。
而β相则是一种面心立方结构，具有高比强度和高韧性等特点。
因此，钛合金的α相和β相组织的比例对于钛合金的性能和用途影响非常大。
一般情况下，钛合金的α和β相的比例可以通过不同的合金配方和热处理方法来调节。
例如，当钛合金中的β相含量较高时，其比强度和塑性会相应地增加，其应用于高强度轻量化领域会更为广泛。
而当钛合金中的α相含量较高时，其延展性和高温稳定性较好，适用于高温环境下的使用。
除了合金配方和热处理方法外，机械加工和热加工等工艺也可以对钛合金的α和β相组织进行调节。
例如，通过热加工可以使α相向β相转化，从而增加钛合金的塑性和韧性，但会相应地减少钛合金的强度和硬度。
总的来说，钛合金的α和β相组织对钛合金的性能和应用有着至关重要的作用。
在实际应用中，需要根据不同的领域和要求来选择调节合金中α和β相比例的方法，以满足各种使用场景下的性能要求。
第三章 钛合金及合金化原理
第三章钛合金及合金化原理3.1钛合金相图类型及合金元素分类1.钛合金的二元相图（1）第一种类型与α和β均形成连续互溶的相图。
只有2个即Ti-Zr和Ti-Hf 系。
钛、锆、铪是同族元素，其原子外层电子构造一样，点阵类型相同，原子半径相近。
这两元素在α钛和β钛中溶解能力相同，对α相和β相的稳定性能影响不大。
温度高时，锆的强化作用较强，因此锆常作为热强钛合金的组元。
（2）第二种类型β是连续固溶体，α是有限固溶体。
有4个：Ti-V Ti-Nb Ti-Ta Ti-Mo系。
V、Nb、Ta、Mo四种金属只有一种一种体心立方，所以它们与具有相同晶型的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。
V属于稳定β相的元素，并且随着浓度的提高，它急剧降低钛的同素异晶转变温度。
V含量大于15%时，通过淬火可将β相固定到室温。
对于工业钛合金来说，V在α钛中有较大的浓度（>3%），这样可以得到将单相α合金的优点（良好的焊接性）和两相合金的有点（能热处理强化，比α合金的工艺塑性好）结合在一起的合金。
Ti-V系中无共析反应和金属化合物。
Nb在α钛中溶解度大致和V相同（约4%），但作为β稳定剂的效应低很多。
Nb含量大于37%时，可淬火成全β组织。
Mo在α钛中的溶解度不超过1%，而β稳定化效应最大。
Mo含量大于1%时，可淬火成全β组织.Mo的添加有效地提高了室温和高温的强度。
Mo室温一个缺点是熔点高，与钛不易形成均匀的合金。
加入Mo时，一般是以Mo-Al中间合金形式（通过钼氧化物的铝热还原过程制得）加入。
（3）第三种类型与α、β均有限溶解，并且有包析反应的相图。
Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ca、Ti-B、Ti-C、Ti-N、Ti-O等。
5%～25% Al浓度范围内的相区范围内存在有序化的α2（Ti3X）相,它会使合金的性能下降。
铝当量Al*=Al% +1/3Sn%+ 1/6Zr% + 1/2Ga% + 10[O]% ≤ 8%～9% 。
钛合金介绍PPT课件
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魏氏组织α 片结构的断裂韧性与屈服强度的关系
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α 稳定元素和间隙元素的固溶强化
间隙元素的硬化能力比α 稳定元素大，源于形成强的 局部定向电子结合键。
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β稳定元素的钛固溶强化作用
α +β 型钛合金的退火组织为α +β ，以TC加顺序号表示其合金
的牌号。 合金同时含有β 相稳定元素和α 相稳定元素。组织以α 相为主，β 相的数量通常不超过30%。 合金可通过淬火及时效进行强化，多在退火状态下使用。α+β 型钛合金的室温强度和塑性高于α 型钛合金，生产工艺比较简单， 通过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的 性能，应用比较广泛，尤以TC4用途最广，用量最多。
（1）产生β相共析分解的元素，如铬、钴、锰、钨、铁、镍、
铜、银、金、钯、铂等。随温度降低， β相会发生共析分解， 析出α相及金属间化合物相。铜、硅等合金化时，共析转变快， 析出TiCu2，Ti5Si3。而铁、锰、铬、钴、镍等合金化时则速率 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。当快速冷却时，共析反应可以被完全抑制，过冷β相可 保留到室温，而不产生相变。
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气体杂质元素的作用
氢：稳定β相元素。
在335℃下，氢在α -Ti的溶解度为0.18%，并随温度降低而迅速 下降。故α相钛合金很容易发生氢脆，脆化原因是生成TiH2氢化物， 一般纯α-Ti的冲击韧性αK≈180J/cm2，当w(H)=0.015%时， αK 降至30J/cm2。因此，具有α 及α ＋β 组织的钛合金要求含氢量低， 一般采用真空冶炼，使含氢量较低。
典型钛及钛合金的组织与性能综述
典型钛合金的组织与性能文献查阅总结1.α型钛合金α型钛合金中又分为全α型钛合金和近α型钛合金，工业纯钛属于α型钛合金，此外一般α合金含有6%左右的Al和少量中性元素，退火后几乎全部是α相，典型合金包括TA1~TA7合金等；近α型钛合金中除了含有Al和少量中性元素外，还有少量（不超过4%）的稳定元素，如TA15、TA16、TA17等。
1.1工业纯钛工业纯钛按杂质元素含量分为TA1、TA1ELI、TA1-1、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI9个牌号，相变点大约为900℃。
工业纯钛具有高塑性、适当的强度、良好地耐蚀性以及优良的焊接性能等特点，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置、舰船零部件等，其冷热加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和丝材，一般在退火状态下交货使用。
典型的工业纯钛显微组织如图1-3所示：图1 TA1板材650℃/1h退火态组织：等轴α+少量晶间β图2 TA2大规格棒材600℃/1h退火态组织：等轴α图3 TA3板材800℃/1h退火态组织：等轴α+含有针状α转变的β1.1.1 TA1钛管的组织与性能[][]庞继明，李明利，李明强等. 退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展. 2011, 28(2): 26-28研究方法：TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压，最终获得φ45×7mm的管坯。
管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12×1.25mm的管材。
将管材置于真空热处理炉中，分别加热至450，475，490，500，550，600，650，700℃，保温90min，随炉冷却。
a）TA1钛管的显微组织图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。
可以看出，冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全；700℃下的组织已完全再结晶、等轴化，与650℃的相比晶粒已明显长大。
钛和钛合金基本知识集锦ppt课件.ppt
3.2 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，可与白金相比，是海洋开发工程理想的材料。
3.2 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。
3.1 概述
1791年英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现了钛。1795年， 德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的金红石时也发现了这种元素。格雷 戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金属钛。到 1910年美国化学家亨特第一次制得纯度达99.9%的金属钛。
钛在地壳中的丰度占第七位，0.42%，金属占第四位（铝、铁、镁、钛）。 以钛铁矿或金红石为原料生产出高纯度四氯化钛，再用镁作为还原剂将四 氯化钛中的钛还原出来，由于还原后得到钛类似海绵状所以称为海绵钛，最 后以海绵钛为原料生产出钛材和钛粉。 1947年才开始冶炼，当年产量只有2吨。 1955年产量2万吨。 1975年产量7万吨。 2006年产量14万吨 钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积钢铁的一半，钛虽然 比铝重，它的硬度却比铝大2倍。在宇宙火箭和导弹中，已大量用钛代替钢铁。 极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。
钛合金材料的组织与力学性能分析
钛合金材料的组织与力学性能分析钛合金是一种重要的结构材料，由于其高强度、低密度和良好的耐腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、汽车、医疗和化工等领域。
钛合金的性能与其组织密切相关，因此对钛合金的组织与力学性能进行深入分析至关重要。
1. 钛合金的组织类型钛合金的组织类型包括α相、β相、α+β相和ω相等。
α相是一种密排六方晶系结构，具有良好的塑性和热稳定性；β相是一种密排体心立方结构，具有高硬度和较好的强化效果；α+β相则是α相和β相的混合体，具有综合性能较好的特点；而ω相是一种高温相，具有良好的高温强度。
2. 组织对力学性能的影响不同的组织类型对钛合金的力学性能有着不同的影响。
α相具有优良的塑性和韧性，能够减缓裂纹的扩展速度，并提高钛合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率；β相则具有高硬度和较好的强度，能够提高钛合金的硬度和耐磨性；而α+β相则可以兼顾塑性和硬度，使得钛合金既具备了良好的延展性又具备一定的强度。
而ω相一般出现在高温条件下，能够提高钛合金的高温强度和耐热性能。
3. 组织控制方法为了调控钛合金的组织，提高其力学性能，可以采取一系列的组织控制方法。
其中，固溶处理是常用的方法之一，通过高温处理使得合金元素均匀固溶在α相或β相中，从而改善合金的塑性和韧性；时效处理则是将固溶处理后的合金在适当的温度下保温一段时间，形成更加均匀的相分布和细小的析出相，从而提高合金的硬度和强度。
此外，通过合金元素的调控也可以实现组织控制。
例如，通过添加合适的合金元素可以增加合金的固溶度区域，使得钛合金具备更好的热处理稳定性；同时，合适的合金元素还能够调节相转变温度和相转变形式，从而使钛合金具备更为优异的力学性能。
4.力学性能测试方法对钛合金的力学性能进行准确的测试是保证其质量和可靠性的重要手段。
常用的力学性能测试方法包括拉伸试验、硬度测试和冲击试验等。
拉伸试验可以判断钛合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率等指标；硬度测试可以测量钛合金的硬度值，从而评估其耐磨性；而冲击试验则可以测试钛合金在受到冲击负荷时的韧性和断裂行为。
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。
钛合金的金相组织与力学性能分析
钛合金的金相组织与力学性能分析钛合金是一种具有良好综合性能的非常优秀的结构材料。
它除具有低密度、高强度、良好的韧性和高温抗氧化性能外，还具有优良的耐腐蚀性和高阻尼性等特点，因此在航空、航天、汽车、生物医学等领域得到广泛应用。
而钛合金的金相组织和力学性能是该材料广泛应用的重要基础。
本文将对钛合金的金相组织和力学性能进行详细的分析。
一、钛合金的金相组织钛合金的金相组织通常由$\alpha$ 相和$\beta$ 相组成。
其中，$\alpha$ 相是指在钛合金的温度范围内稳定的体心立方晶系结构，而 $\beta$ 相是指在高温时存在的面心立方结构。
根据类晶体化学理论，钛合金的成分可能为 $\alpha$ 相型、$\beta$ 相型以及$\alpha + \beta$ 相型三种。
钛合金的 $\alpha$ 相通常为 $\alpha''$ 相和 $\alpha'$ 相两类。
$\alpha''$ 相是一种高密度$\alpha$ 相，具有体心立方结构。
它通常在钛合金的高温快速冷却过程中生成。
而 $\alpha'$ 相是一种低密度$\alpha$ 相，具有六方晶系结构。
它是由 $\alpha''$ 相通过自然时效或人工时效转变而来的。
钛合金的 $\beta$ 相主要是由 $\beta$ 晶体、$\omega$ 晶体以及$\beta''$ 晶体组成。
其中，$\beta$ 晶体是指面心立方结构，通常在$\alpha$ 和 $\beta$ 转变时生成。
$\omega$ 相是一种具有六方晶系结构的反激活相，这种相主要在热处理时加入合金元素时发生的。
而 $\beta''$ 相是指具有体心立方结构的强化相。
二、钛合金的力学性能1. 屈服强度与拉伸强度钛合金具有很高的屈服强度和拉伸强度，这是因为它们具有良好的抗拉应力和压缩应力性能。
钛材料的力学性能
钛材料的力学性能文件管理序列号：[K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688]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着提高。
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%。
钛合金材料的力学性能与微观结构关系分析
钛合金材料的力学性能与微观结构关系分析引言：钛合金作为一种重要的结构材料，在航空航天、汽车制造等领域有着广泛的应用。
而钛合金材料的力学性能与其微观结构之间存在着密切的联系。
本文将从晶体结构、晶界、位错和相组织等方面对钛合金材料的力学性能进行分析。
一、钛合金的晶体结构钛合金的晶体结构决定了其力学性能的一些基本特点。
钛合金所具有的晶体结构主要有四种，分别是α相、β相、ω相和单斜相。
1. α相是一种典型的层状六方密堆积结构，具有良好的可锻性和韧性。
但是由于其层状结构中存在着大量的【镜面位错？】和【蜂窝状】缺陷，因此其力学性能相比于其他相较为弱化。
2. β相是一种体心立方结构，具有较高的强度和硬度。
由于其钢铁基元的含量相对较高，因此β相的形变行为比α相更加复杂，但是β相的强度却相对较高。
3. ω相是一种稳定存在于低温下的非常规结构相。
它具有高硬度、耐磨性和抗腐蚀性等优秀性能，但是由于其独特的结构，使得ω相的塑性非常差，故在结构材料中较少应用。
4. 单斜相是α和β相之间存在的过渡相。
其晶体结构比较复杂，因此不同组分、不同的工艺条件会导致其晶体结构的差异，从而影响其力学性能。
二、钛合金的晶界及其对力学性能的影响晶界作为晶体的界面部分，是实现材料性能优化的关键点。
晶界的类型可以分为位错密集区、贫稀区和晶粒边界等。
1. 位错密集区是一种晶界类型，它存在于钛合金材料的晶体中，是位错较多的区域。
这种晶界类型还会引发晶内应力的集中和扩散，从而导致材料的变形和开裂。
所以，位错密集区的存在对钛合金材料的力学性能产生较大影响。
2. 贫稀区是一种晶界类型，其特点是位错较少或几乎没有。
贫稀区的存在可以提高晶界的强度和稳定性，从而改善钛合金材料的抗变形性能。
3. 晶粒边界存在于晶体内部，是晶粒之间的分界面。
晶粒边界的存在使晶体具有更好的韧性和可塑性，从而提高钛合金材料的力学性能。
三、钛合金中的位错和其对力学性能的影响位错是材料中晶体结构的缺陷，其种类和分布对钛合金材料的力学性能具有重要影响。
钛合金材料组织性能关系
钛合金材料组织性能关系钛合金是一种重要的结构材料，具有良好的力学性能和抗腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、汽车、生物医学和化工等领域。
钛合金的结构和性能之间存在密切的关系，主要包括材料的组织和晶粒尺寸、晶界特征、残余应力和缺陷等因素。
以下将详细介绍钛合金的组织性能关系。
首先，钛合金的组织对其力学性能具有重要影响。
钛合金通常具有多相组织，包括α相、β相和ω相等。
β相是钛合金中最常见的相，对应于基体晶粒的组织。
在β相的基础上，通过合金化元素的添加和热处理等方法，可以形成强化相，例如α″相和ω相。
这些强化相可以显著提高钛合金的强度和硬度。
此外，晶粒尺寸也对钛合金的力学性能有影响。
通常情况下，细小的晶粒可以使钛合金具有更高的强度，而较大的晶粒则有助于提高韧性。
其次，晶界特征对钛合金的性能也具有重要影响。
晶界是晶体内部不同晶粒之间的界面。
钛合金中的晶界主要有高角度晶界和低角度晶界两种。
高角度晶界通常由晶粒迅速生长而形成，其存在可以阻止晶粒的继续长大，从而提高材料的强度。
低角度晶界则是晶粒的旋转变形所产生的，对材料的韧性和塑性起到了重要的作用。
晶界还可以吸收和储存应力，降低材料的蠕变变形和疲劳损伤。
此外，钛合金中的残余应力和缺陷也对其性能产生影响。
在加工和热处理过程中，由于塑性变形和相变等原因，钛合金中往往存在一定的残余应力。
这些应力可以导致材料的变形和失稳，进而对材料的力学性能和疲劳寿命产生影响。
同时，材料中的缺陷也会对其性能产生显著影响。
例如，气孔、夹杂物和裂纹等缺陷会导致应力集中和损伤扩展，影响钛合金的强度和韧性。
总结起来，钛合金的组织性能关系主要包括材料的组织和晶粒尺寸、晶界特征、残余应力和缺陷等因素。
了解和控制这些关系可以优化钛合金的力学性能和抗腐蚀性能，实现更广泛的应用。
在未来的研究中，还需要进一步深入研究不同因素之间的相互作用机制，以进一步提高钛合金的性能。
钛合金材料组织性能关系
✓织构控制与性能
晶体学织构：主要影响力学性能各向异性、疲劳与腐蚀行为等 发展现状：X-射线（极图、ODF），SEM（EBSD），TEM等
取向与疲劳裂纹形成关系 （F. Bridier，France）
相的ND取向图（621所、北工大） (钛合金准锻造大块相形成机理)
1075 14 40 1080 13 33 1117 14.2 40.8 1138 12.4 49.1 ≥1010 ≥8 ≥20
KIC MPam0.5
74.3 71.2 76.1 76.8 ≥60
例子3：中强度TC6(BT31)钛合金
TC6钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型“准锻 造工艺” ，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机上得 到应用。
1
TC21钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加优异的综合性能匹配
例子2：高强韧TC18(BT22)钛合金
TC18钛合金是我国大型运输机大量选用的高强韧钛合金， 也采用新型“准锻造工艺” ，获得了高性能综合匹配。
取向
L L 指标
b MPa
1120 1125 1154 1176 ≥1080
0.2 5 MPa % %
钛合金组织类型的工程化定义
适合工程应用 的分类
1、等轴组织
２、网篮组织
３、双态组织
4、片层组织
钛合金组织类型的工程化定义
近型合金
+型合金
近型合金
等轴组织及其类型变化
● 等轴组织＝(α等 + β转) ● 特征： α等轴≥40％以上
● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
钛合金组织类型的工程化定义
钛合金 高低倍组织
钛合金的高低倍组织是指在不同倍率下对钛合金进行显微组织观察时的差异。
高倍组织：在高倍显微镜下观察，可以看到钛合金的细微结构和晶粒尺寸。
高倍组织通常用于研究钛合金的晶体学特征、相分布、晶界形貌等细节。
高倍组织观察可以揭示钛合金的晶粒定向、孪晶、位错密度等信息，对于材料的力学性能和微观变形机制的研究非常重要。
低倍组织：在低倍显微镜下观察，主要关注钛合金的宏观形貌和晶粒整体分布情况。
低倍组织观察可以提供钛合金的晶粒尺寸、晶粒形状以及不同晶粒之间的空隙和相互关系等信息。
低倍组织观察对于评估钛合金的综合性能和形态特征具有重要意义，例如颗粒度、均匀性和晶界的连续性。
综上所述，高低倍组织观察在研究钛合金的微观结构和宏观形貌方面起着不可或缺的作用，对于了解钛合金的组织性能以及材料的应用潜力具有重要意义。
1。
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α相含量与钛合金拉伸性能的关系
随着初生相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度 变化只有50MPa，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。
α相含量与钛合金强韧性匹配关系
时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金力学性能与次生尺寸的影响
随着次生α相的片层厚度的增加，合金的强度下降比较明显， 而塑性和断裂韧性获得了较大幅度的增加。
（三）对高温钛合金，采用钛合金近锻造 工艺，可获得高温综合性能好的双态组织
例子：发动机用TC11和TC17高温钛合金
西北工业大学
℃
近β锻造
15
β
相转变点
α
α+β
TC11
钛合金二元相图示意
Ti β稳定元素含量（%）
TC17
近锻造工艺即在相变点以下15℃加热锻造，并控制锻后冷 却方式等得到的双态组织（或三态组织）具有良好的蠕变和 持久性能的综合匹配
(1) 等轴组织；(2) 混合组织； (3) 网篮组织；(4) 魏氏组织
钛合金组织类型的工程化定义
适合工程应用 的分类
1、等轴组织
２、网篮组织
３、双态组织4、片Βιβλιοθήκη 组织钛合金组织类型的工程化定义
近型合金
+型合金
近型合金
等轴组织及其类型变化
● 等轴组织＝(α等 + β转) ● 特征： α等轴≥40％以上
（二）对中等强度钛合金，采用钛合金 准热处理工艺，获得高塑性片层组织， 也是实现综合高性能目标的有效途径
例子：中强高损伤容限型TC4-DT钛合金
621所
采用新型“钛合金准热处理工艺”(专利号ZL 2.3)，解决了：(1) 片层组织塑性低；(2) 复杂截面特大型锻件组织性能均匀性； (3) 普通热处理在实际生产控制难等技术关键。
钛合金组织类型的工程化定义
钛合金组织与性能的一般关系
钛合金组织与拉伸性能的关系
拉伸性能：退火（片层）组织塑性最差、 双态最好、 加
工（网篮）组织各向异性大
钛合金组织与断裂韧性关系
断裂韧度KIC：
退火组织较高、 双态居中、 加工组织最高
钛合金组织特征与da/dN性能关系
da/dN : 退火组织最低、 加工组织居中、双态最差
（一）对高强度钛合金，采用钛合金准 锻造工艺，获得高塑性网篮组织，是实 现综合高性能目标的有效途径
例子1：高强韧损伤容限型TC21钛合金
621所
采用新型“准锻造工艺” (授权发明专利: ZL 01131237.8)，控制复杂、变截面、大尺寸整体 航空锻件的网篮组织均匀性，获得了具有高强、 高韧、高疲劳性能和低da/dN的综合性能。
钛合金组织与疲劳性能关系
疲劳强度：
退火(片层)组织居中、 双 态最好、 加工(网篮)组织
各向异性大
原始β晶粒尺寸与钛合金性能匹配关系
随着β晶粒的增大，合金的断裂韧性和屈服强度逐渐降低
Microstructures A>B>C
强韧性匹配：退火组织只提高强度时，塑性与韧性大为降低
使用性能：晶粒粗大时，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强 度却大为降低
● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
钛合金组织类型的工程化定义
近型合金
+型合金
近型合金
双态组织及其类型变化 （混合组织）
● 等轴组织＝(α等 + β转) ● 特征： α等轴≤40％ ● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
钛合金组织类型的工程化定义
破碎晶界
1
TC21钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加优异的综合性能匹配
例子2：高强韧TC18(BT22)钛合金
TC18钛合金是我国大型运输机大量选用的高强韧钛合金， 也采用新型“准锻造工艺” ，获得了高性能综合匹配。
例子3：中强度TC6(BT31)钛合金
TC6钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型“准锻 造工艺” ，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机上得 到应用。
✓成分决定了合金类型
✓工艺决定了组织类型
✓组织决定了性能
钛合金组织参数(D、d、b、)对性能的影响关系
钛合金组织类型的工程化定义
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
国外一般分类
钛合金组织类型的工程化定义
普通分类方法
国内普通分类
(1) 片层组织；(2) 过渡组织 (3) 球状组织
钛合金组织与性能的一般关系
问题：钛合金的普通组织类型，均难以满足综合高性能的要求
钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标
综合高性能
1、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配 2、使用要求：高疲劳性能与损伤容限性能匹配、疲劳性能 与蠕变－持久性能匹配 3、加工要求：热工艺简单易行、加工成形性能优异（如焊 接性能、超塑成形性能等） 4、其它综合性能：低的缺口敏感性、良好的耐环境稳定性、 抗应力腐蚀与抗氢脆能力、
断续晶界
网篮组织及其类型变化
● 网篮组织＝β转（变形的） ● 特征： α等轴＝0％
● β转（变形的） 具网篮编制状为主要特征
大块
钛合金组织类型的工程化定义
粗大片层
典型片层 片层组织及其类型变化
针状细小 （魏氏组织）
● 片层组织＝β转（不变形的） ● 特征： α等轴＝0％
● β转（不变形的） 以片层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（6级）
1200 1000
Ti-62222S TC21 TC4
8.00E-04 6.00E-04
800
4.00E-04
2.00E-04 600
0.00E+00
400
1 2 3 4 σb(MPa)
强度
KIC(MPa·m1/2) 断裂韧性
σD(R＝0.1/Kt=1) 疲劳强度
da/dN(△K=33) 裂纹扩展速率
TC4-DT钛合金大量应用于我国新一代飞机安全寿命级关键承力部件上
与美国Ti-6Al-4V ELI合金对比
美国F-22飞机和C-17等大型运输机上也大量采用了普通退 火态的Ti6Al4V ELI损伤容限钛合金，在其它性能相当的情况 下，TC4-DT钛合金采用准热处理可得到较高的塑性与疲劳 性能（以满足我国飞机设计需求）。
钛合金材料组织性能关系
提纲
1 钛合金成分－工艺－组织－性能四要素 2 钛合金组织类型的工程化定义 3 钛合金组织与性能的一般关系 4 钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标 5 几个研究热点问题 6 结语：存在的主要差距与建议
钛合金成分-工艺-组织-性能四要素
钛合金成分、工艺、组织和性能四要素