工程材料--钛及钛合金详解
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当轴高速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受 轴颈施加的交变载荷和冲击力。 对轴承合金的性能要求： ⑴ 足够的强韧性，以承受轴颈施加的交变冲击载荷. ⑵ 较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性，以 防止轴与轴瓦之间咬合。 ⑶ 较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性，以减 少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。 （4）容易制造，价格便宜。
第三节 钛及钛合金
一、概述
纯钛密度小，熔点高。882.5℃发生同素异构转变 -Ti⇌-Ti, 由体心立方-Ti转变为密排六方-Ti。 纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。
工业纯钛中含美有F-2氢2战、机碳约、36氧%、重量铁的、零镁等杂质元素。 工业纯钛按杂质含件量用不钛合同金分制为造TA1、TA2、TA3，编号 越大，杂质含量越多。
铬、钒、铝等。
经淬火加时效处理后， 组织为相基体上分布着 细小的相粒子。
这类合金强度高，但冶 炼工艺复杂，难于焊接, 应用受到限制。
钛合金管 钛合金管应用
常用型钛合金有TB1、 TB2两个牌号。 主要用于350℃以下工 作的结构件和紧固件, 如飞机压气机叶片、轴、 弹簧、轮盘等。
钛离心泵
钛合金棒 β钛合金眼镜架
二、常用轴承合金
工业上常用的是锡基、铅基轴承合金, 又称巴氏合金。
1、锡基轴承合金 是以锡为主并加入少 量锑、铜等元素组成 的合金，熔点较低， 是软基体硬质点组织 类型的轴承合金。
典型牌号为ZchSnSb11-6。 (其组织为基体+白亮块状SnSb+星状Cu6Sn5)
锡基轴承合金具有较 高的耐磨性、导热性、 耐蚀性和嵌藏性，摩擦 系数和热膨胀系数小， 但疲劳强度较低，工作 温度不超过 150 ℃， 价格高。
国外舰船汽轮机用冷凝管和部分海水管路系统早 已选用钛合金。
第四节 滑动轴承合金
制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承 合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑 作用的重要部件，由轴承体 和轴瓦两部分组成。 与滚动轴承相比滑动轴承具 有承载面积大，工作平稳， 无噪音及拆装方便等优点。
一、组织性能要求
强度低于另两类钛合金， 但高温强度、低温韧性 及耐蚀性优越。
钛合金氢泵壳体
常用牌号有TA5、TA7等 主要用于制造500℃以下工作的 零件，如飞机压气机叶片、导弹 的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机 匣及飞船上的高压低温容器等。
钛合金卫星框架 钛合金液下泵
-Ti合金组织
B-1轰炸机
波音757客机
2、型钛合金 加入的合金元素有钼、
+型钛合金主要用
于制造400℃以下工
作的飞机压气机叶片、
火箭发动机外壳、火
飞 机
箭和导弹的液氢燃料
压 气
箱部件及舰船耐压壳
机 叶
体等。
片
生物医 用材料
人 工 关 节
微机械
仿真手臂
“自行车发烧友” 的首选 钛结构自行车架
四、钛合金在舰船上的应用
可以制造深潜器、水翼船、耐空泡腐蚀的船用 螺旋桨及耐海水腐蚀的管系、阀门等许多重要部 件。
表面保护层 减磨层 镍栅层
轴承合金 衬背
3、铜基轴承合金
常用的铜基轴承合金有ZQPb30和ZQSn10-1。 ZQPb30 显微组织为硬的基体（铜）中分布着大
量软的质点（铅）。 具有很好的疲劳强度、高的导热性、低的摩擦系
数。 在高速、高负荷、大马力的发动机上得到了广泛
的应用。如航空发动机、高速柴油机的轴承等。 ZQSn10-1 在ZQSn10的合金成分中，再加入0.8～ 1.2％P，组织为α+δ+Cu3P。 具有高的强度，适用于高速、高负荷的柴油机
（二）、钛合金的热处理
1、退火
去应力退火 再结晶退火（650～850℃）
2、HT强化（淬火＋时效）
TA类－不能HT强化
TB类 TC类
均可HT强化 → σb↑δ稍有↓
三、常用钛合金牌号及应用
1、型钛合金
钛合金氢泵 诱导轮
主加元素为铝，还有
锡、硼等。
不能热处理强化，通 常在退火状态下使用， 组织为单相固溶体。
纯钛主要用于 350℃
以下工作、强度要求不
高的零件，如石油化工
用热交换器、反应器，
海水净化装置及舰船零
部件。
钛钢复合反应釜
钛管换热器
钛制蒸馏塔
二、钛合金的分类及热处理
（一）钛合金的分类
纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能 提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度。
（a）表示添加Al、Ni、O等元素形成的α相稳定型相 图；
3、+型钛合金 加入的合金元素有铝、钒、 锰等。 可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好
的热强性、耐蚀性和低温韧性。
钛 合 金 列 管 式 换 热 器
+型钛合金共有九个牌号，其 中以TC4应用最广、用量最大， 其经过淬火加时效处理后，组织 为++时效析出的针状。
α+β钛合金组织
α+β钛合金组织（电镜）
（b）表示添加Mo、V等元素形成的β相稳定型相图； （c）表示添加Cu、Ag、Si等元素形成的β共析型相
图； （d）表示添加Zr等元素与Ti完全固溶，对同素异构
转变影响不大。
按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和 +型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC 加顺序号表示 。如TA5、TB2、TC4等。其中 TA1~TA3为工业纯钛。
铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不 如锡基轴承合金，但其成本低，高温强度好，有自 润滑性。
常用于低速、 低载条件下工 作的设备,如汽 车、拖拉机曲 轴的轴承等。
内燃机轴瓦
锡基和铅基轴承合金强度比较低，为提高其承载 能力和使用寿命，生产上常采用离心浇注法，将 它们镶铸在低碳钢轴瓦上，形成一层薄而均匀的 内衬，成为双金属轴承。
为满足上述性能要求，轴承合金的组织应
是软的基体上分布着硬的质点或硬的基体上分
布着软的质点。
• 当轴旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹 陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储 存润滑油和轴与轴瓦间的磨合，而硬的质点 (基体)则支撑着轴颈，起承载和耐磨作用。
• 软基体 (或质点)还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的 作用, 以避免擦伤轴颈。
巴氏合金轴瓦
广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和内燃 机等大型机器的高速轴瓦。
2、铅基轴承合金 是以铅为主加入少量锑、 锡、铜等元素的合金， 也是软基体硬质点型轴 承合金。 典型牌号为
ZchPbSb16Sn16Cu2。
ZPbSb16Sn16Cu2合金的显微组织
[wenku.baidu.com+)共晶基体+方块状SnSb+针状 Cu6Sn5]
第三节 钛及钛合金
一、概述
纯钛密度小，熔点高。882.5℃发生同素异构转变 -Ti⇌-Ti, 由体心立方-Ti转变为密排六方-Ti。 纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。
工业纯钛中含美有F-2氢2战、机碳约、36氧%、重量铁的、零镁等杂质元素。 工业纯钛按杂质含件量用不钛合同金分制为造TA1、TA2、TA3，编号 越大，杂质含量越多。
铬、钒、铝等。
经淬火加时效处理后， 组织为相基体上分布着 细小的相粒子。
这类合金强度高，但冶 炼工艺复杂，难于焊接, 应用受到限制。
钛合金管 钛合金管应用
常用型钛合金有TB1、 TB2两个牌号。 主要用于350℃以下工 作的结构件和紧固件, 如飞机压气机叶片、轴、 弹簧、轮盘等。
钛离心泵
钛合金棒 β钛合金眼镜架
二、常用轴承合金
工业上常用的是锡基、铅基轴承合金, 又称巴氏合金。
1、锡基轴承合金 是以锡为主并加入少 量锑、铜等元素组成 的合金，熔点较低， 是软基体硬质点组织 类型的轴承合金。
典型牌号为ZchSnSb11-6。 (其组织为基体+白亮块状SnSb+星状Cu6Sn5)
锡基轴承合金具有较 高的耐磨性、导热性、 耐蚀性和嵌藏性，摩擦 系数和热膨胀系数小， 但疲劳强度较低，工作 温度不超过 150 ℃， 价格高。
国外舰船汽轮机用冷凝管和部分海水管路系统早 已选用钛合金。
第四节 滑动轴承合金
制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承 合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑 作用的重要部件，由轴承体 和轴瓦两部分组成。 与滚动轴承相比滑动轴承具 有承载面积大，工作平稳， 无噪音及拆装方便等优点。
一、组织性能要求
强度低于另两类钛合金， 但高温强度、低温韧性 及耐蚀性优越。
钛合金氢泵壳体
常用牌号有TA5、TA7等 主要用于制造500℃以下工作的 零件，如飞机压气机叶片、导弹 的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机 匣及飞船上的高压低温容器等。
钛合金卫星框架 钛合金液下泵
-Ti合金组织
B-1轰炸机
波音757客机
2、型钛合金 加入的合金元素有钼、
+型钛合金主要用
于制造400℃以下工
作的飞机压气机叶片、
火箭发动机外壳、火
飞 机
箭和导弹的液氢燃料
压 气
箱部件及舰船耐压壳
机 叶
体等。
片
生物医 用材料
人 工 关 节
微机械
仿真手臂
“自行车发烧友” 的首选 钛结构自行车架
四、钛合金在舰船上的应用
可以制造深潜器、水翼船、耐空泡腐蚀的船用 螺旋桨及耐海水腐蚀的管系、阀门等许多重要部 件。
表面保护层 减磨层 镍栅层
轴承合金 衬背
3、铜基轴承合金
常用的铜基轴承合金有ZQPb30和ZQSn10-1。 ZQPb30 显微组织为硬的基体（铜）中分布着大
量软的质点（铅）。 具有很好的疲劳强度、高的导热性、低的摩擦系
数。 在高速、高负荷、大马力的发动机上得到了广泛
的应用。如航空发动机、高速柴油机的轴承等。 ZQSn10-1 在ZQSn10的合金成分中，再加入0.8～ 1.2％P，组织为α+δ+Cu3P。 具有高的强度，适用于高速、高负荷的柴油机
（二）、钛合金的热处理
1、退火
去应力退火 再结晶退火（650～850℃）
2、HT强化（淬火＋时效）
TA类－不能HT强化
TB类 TC类
均可HT强化 → σb↑δ稍有↓
三、常用钛合金牌号及应用
1、型钛合金
钛合金氢泵 诱导轮
主加元素为铝，还有
锡、硼等。
不能热处理强化，通 常在退火状态下使用， 组织为单相固溶体。
纯钛主要用于 350℃
以下工作、强度要求不
高的零件，如石油化工
用热交换器、反应器，
海水净化装置及舰船零
部件。
钛钢复合反应釜
钛管换热器
钛制蒸馏塔
二、钛合金的分类及热处理
（一）钛合金的分类
纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能 提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度。
（a）表示添加Al、Ni、O等元素形成的α相稳定型相 图；
3、+型钛合金 加入的合金元素有铝、钒、 锰等。 可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好
的热强性、耐蚀性和低温韧性。
钛 合 金 列 管 式 换 热 器
+型钛合金共有九个牌号，其 中以TC4应用最广、用量最大， 其经过淬火加时效处理后，组织 为++时效析出的针状。
α+β钛合金组织
α+β钛合金组织（电镜）
（b）表示添加Mo、V等元素形成的β相稳定型相图； （c）表示添加Cu、Ag、Si等元素形成的β共析型相
图； （d）表示添加Zr等元素与Ti完全固溶，对同素异构
转变影响不大。
按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和 +型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC 加顺序号表示 。如TA5、TB2、TC4等。其中 TA1~TA3为工业纯钛。
铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不 如锡基轴承合金，但其成本低，高温强度好，有自 润滑性。
常用于低速、 低载条件下工 作的设备,如汽 车、拖拉机曲 轴的轴承等。
内燃机轴瓦
锡基和铅基轴承合金强度比较低，为提高其承载 能力和使用寿命，生产上常采用离心浇注法，将 它们镶铸在低碳钢轴瓦上，形成一层薄而均匀的 内衬，成为双金属轴承。
为满足上述性能要求，轴承合金的组织应
是软的基体上分布着硬的质点或硬的基体上分
布着软的质点。
• 当轴旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹 陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储 存润滑油和轴与轴瓦间的磨合，而硬的质点 (基体)则支撑着轴颈，起承载和耐磨作用。
• 软基体 (或质点)还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的 作用, 以避免擦伤轴颈。
巴氏合金轴瓦
广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和内燃 机等大型机器的高速轴瓦。
2、铅基轴承合金 是以铅为主加入少量锑、 锡、铜等元素的合金， 也是软基体硬质点型轴 承合金。 典型牌号为
ZchPbSb16Sn16Cu2。
ZPbSb16Sn16Cu2合金的显微组织
[wenku.baidu.com+)共晶基体+方块状SnSb+针状 Cu6Sn5]