金属材料_钛及钛合金

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耐蚀性能：
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，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 钛与生物体有很好相容性，而且无毒，适做生物工程材料
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工艺性能
钛可进行各种压力加工，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 钛的切削加工比较困难。这是由于摩擦系数大，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。
除工业纯钛外，各类钛合金中几乎都添加铝，铝主要起固溶强化作 用，每添加1％Al，室温抗拉强度增加50MPa 铝在钛中的极限溶解度为7.5％，超过此值，对合金的塑性、韧性及 应力腐蚀不利，故一般加铝量不超过7％ 铝改善抗氧化性，铝比钛还轻，能减小合金密度，并显著提高再结 晶温度
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铬、钨能与β-Ti完全互溶，但因原子尺寸或电化学性质与钛相差 较大，在固态还有共析转变，因此归入β共析元素 锰、铁、铬共析转变速度极慢，热处理条件下难以进行，称为非活 性共析元素 硅、铜、镍、银、氢等共析转变极快，淬火也不能抑制其转变，故 称为活性共析元素
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铝、镓、锆、锡、硼、碳、氮、氧与α和β钛均有限溶解
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钛合金－合金化
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。 钒、铌、钽、钼与β-Ti无限互溶，与α-Ti有限溶解 ，称为β 同晶元素，降低相变点，稳定β相。 1. 合金组元达到一定浓度值后，高温β相可稳定到室温，稳定 β相能力按钼、钒、钽、铌次序递减。 2. 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



β稳定化元素中强烈提高钛原子键合能力的钼、钨及共析转变温度较 高的硅、铜等元素，在适当浓度范围内可有效地增加合金的热强性
共析转变温度低的合金，如Ti-Mn、Ti-Fe合金，在高温下很快软化， 故耐热性差
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钛合金中常用的合金元素有铝、锡、锆、钒、钼、铬、铁、硅、铜、稀 土，其中工业上应用最广泛的元素是铝
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
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概述
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

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 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 钛的耐磨性较差，通过渗氮、碳、硼可提高其耐磨性。
与人体组织及血液有很好的相容性。
• 热性佳：熔点高，被列为耐高温金属。 • 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。
• 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。 • 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。
1910年美国化学家亨特第一次制得纯度达99.9%的金属钛
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钛在地壳中的含量占第七位，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
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
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化学性质
室温下钛比较稳定，高温下很活泼，熔化态能与绝大多数坩埚或造 型材料发生作用 高温下与卤素、氧、硫、碳、氮等进行强烈反应


钛必须在真空或惰性气氛下熔炼
钛在氮气中加热即能发生燃烧，钛尘在空气中有爆炸危险，所以钛 材加热和焊接宜用氩气作保护气体

钛在室温可吸收氢气，在500℃以上吸气能力尤为强烈，故可作为 高真空电子仪器的脱气剂；利用钛吸氢和放氢的特性，可以作储氢 材料
金属材料
方俊飞
fangfei@ahut.edu.cn 安徽工业大学材料科学与工程学院
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第十章 钛及钛合金
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
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美国的 YF—12A 战斗机是当前世界上 应用钛合金数量最多的机种，全机 结构有 93 ％是用钻合金制造的，因 而有”全钛飞机”之称
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10.1 纯钛
• 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。
• 热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的1/5，铜的1/25。 • 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


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，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
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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： 氢降低形变激活能，提高了变形过程中扩散协调变形能力 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。

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Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Si、Bi、W、H与α、β钛均有限溶 解，并具有共析转变
1. 这类元素在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 2. 与钛易形成化合物，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
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物理性能
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 882.5℃～熔点，为体心立方β-Ti
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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。
1. 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 2. 这类元素为强化α相的主要元素，其中铝和锡应用较多
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钛合金－合金元素对性能的影响
力学性能
α稳定元素：铝、锆和锡的固溶强化效果以铝的最大，锆、锡次之。 锆、锡一般不单独加入，而是与其它元素复合加入。 β同晶元素：随合金元素浓度增加，形成α+β相区，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。
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杂质元素对钛性能的影响

微量铁和硅在固溶范围内与钛形成置换固溶体，它们对钛的 性能影响没有间隙杂质元素那样强烈 作为杂质时，铁和硅的含量分别要求小于0.3％和0.15％，但 有时也作为合金元素加入。
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工业纯钛的牌号、性能及用途
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


共析型β稳定元素：对合金性能的影晌规律和β同晶型元素相似，但 在高温长期使用的耐热合金，非活性共析元素的存在，将降低材料的 热稳定性
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钛合金耐热性
耐热性随单相固溶体浓度的增加而提高，当组织中出现第二相时则有 所下降，耐热合金以单相组织为宜，常用α型或近α型钛合金作为高 温材料 提高钛合金固态相变温度的合金元素，可改善耐热性。耐热合金在成 分上应以α稳定元素(如铝)和中性元素(锡、锆)为主

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10.2 钛合金
按组织类型分：
α（用TA表示）：全α、近α和α+化合物合金 。 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 TA7 TA8 TC1 TC3 TC4 TC6 TB2 Ti-3Al Ti-5Al-2.5Sn Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5Zr Ti-2Al-1.5Mn Ti-4Al-4V Ti-6Al-4V Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si Ti-5Mo-5V-3Cr-3Al
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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 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。
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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
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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
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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。 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

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杂质元素对钛性能的影响
氮、氧、碳都提高α+ β／β相变温度，扩大α相区，属α稳 定元素 均可提高强度，急剧降低塑性，其影响程度按氮、氧、碳递减 为了保证合金的塑性和韧性，目前在工业钛合金中氢、氧、氮 、碳含量分别控制在0.015％、0.15％、0.05％，0.1％以下 低温用钛及钛合金，由于氧、氮和碳提高塑－脆转化温度，应 尽量降低它们的含量，特别是氧含量。
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
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