钛及钛合金

550℃以下，能与氧形成致密的氧化膜，具有良好 的保护作用；
800℃以上，氧化膜会分解，氧原子会以氧化膜为 转换层，进入金属晶格，此时氧化膜已失去保护作 用。
4、钛的机械性能和工艺性能
1）纯钛机械性能：强度不太高，塑性好。虽是h.c.p 结构，但不象Zn、Mg等，钛的滑移系较多：
Ti: 1010 , 而Zn、Mg仅仅在 0001 基面上。
2）钛的T熔点比Fe与Ni高，但Ti的耐热性较差，主要
是钛有较大的自扩散系数以及同素异晶转变； 3）切削性能不好，导热性差，摩擦系数大。 二、杂质元素对钛性能的影响 1、主要杂质元素 间隙型元素：O、N、H、C； 置换（代位）型元素：Fe、Si。 2、影响： 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。
第二节 钛的合金化原理
纯钛塑性和韧性虽好，但强度低，加入适当合金 元素可以明显改善组织和性能，以满足工程上不 同性能的要求。
一、钛与其他元素之间的作用
这些相互作用取决于它们的原子结构、晶体类 型与原子尺寸等因素。
1、与钛形成连续固溶体元素（合金化）
这类元素（10个），同族元素、近邻元素，性 质相似、原子尺寸相差小于8%。
的相图
Ti与Mn
(共析型β稳定元素) 组成的相图
非活性共析元素（慢共析元素）
钛与这类过渡族元素形成的共析反应，进行的速度 极慢，在通常的冷却速度下来不及进行，故它们在钛 合金中的作用，与前述β同晶元素有相似之处。
活性β共析元素（快共析元素）
钛与铜、硅等非过渡元素形成的共析反应进行极快， 在一般的冷却速度下，不能阻止其进行。因此，这类 合金的β相实际很难固定到室温。
钛合金淬火板条α’， TEM,X24000
Ti-8.5Mo-0.5Si合金, 1000℃水淬，孪晶α’’， TEM,5000X
β转变ω相也是一种无扩散性转变,它形核容易,长大困难,因此 尺寸细小!
Ti-8Fe,900℃固溶+400℃×4 h时效，立
方体形ω相，TEM(暗场）
Ti-11.5Mo-4.5Sn-6Zr合金，900℃固溶 +480℃时效5min，椭球形ω相
代位固溶体：Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Ga、Sn、 Si
间隙固溶体：B、C、O、N、H
3、在钛中完全不溶解，而只形成共价键或离子键化合 物;
生产Ti时用到的卤素，它们位于周期表的最右端： TiCl4、TiI4。 4、与钛不发生作用：碱金属、碱土金属
用卤素还原TiO2得到TiCl4(TiI4)，再用Na(Mg、Ca） 与氯结合，使钛游离出来。
② 温度较低，共析转变不容易，极慢
如Ti-Mn (Fe、Cr），在共析温度（550℃），保温 长达三个星期，还没有开始转变。
由于共析转变产物对合金的塑性及韧性十分不利， 并降低合金热稳定性，因此这些合金元素受到限制， 特别是不宜加入耐热钛合金中。
2、等温转变
高温β相和亚稳定β相都可以等温分解，其分解
动力学可用C曲线表达，如下图所示。等温转变分高温 部分和低温部分。
高温区域保温时，β相直接析出α相；随温度下降， 分解产物愈细，α相弥散度愈大，合金强度和硬度愈高。
低温区保温时，由于原子扩散比较困难，β相不能直 接析出α相，而先形成ω过渡相，随时间增加，ω相转 变成α相。
影响β相等温转变动力学C曲线的主要因素：合金成 分、固溶温度及应力状态等：
1）ω相为钛合金淬火形成的ω相，尺寸小（5—10nm），它的形
态、尺寸与稳定性决定于ω/β界面的错配度；
2）ω相是一种硬而脆的相，ω相的出现，强烈提高合金的硬度和弹 性模量，降低塑性；
3）为防止ω相的形成， a.应控制淬火时效工艺，避免低温时效;b. 加铝、锆、锡等
制，只有残留β相存在。但这种残留β相在机械外力作 用下，不稳定的，分解为ω相；
纯铝有类似的转变吗?
h.c.p
b.c.c
铁呢?
2) T熔=1668℃ 3）ρ=7.8×57%=4.4g/cm3,较轻； 4）导电、导热性均较低，线膨胀系数较低； 5）无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，因此植入 人体内的钛制人造骨架不会受雷雨天气的影响。 2、化学性质 钛在室温下比较稳定，但在高温下却很活泼： 在熔化状态下，能与绝大多数坩埚材料发生作用； 高温下，与卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈
的反应，而使钛受到污染。因此，钛要在真空或惰性 气氛下熔炼。
3、耐蚀性质
1）在介质中Ti2++2e, E=-1.63v
但钛的致钝电位亦低，故钛容易钝化
2）不同温度下的耐蚀性：
在常温下，金属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， 有很好的抗蚀性。
④当合金含量≥C3时，应力不起作用，残留β相稳定， 不再分解。
四、β相共析转变及等温转变
1、共析转变
钛与某些β共析元素组成的合金系，在一定的成分 范围和温度条件下，发生共析转变：
β→α+TixMy 共析转变速度与共析温度（合金元素）有关
① 温度较高，共析转变容易
如Ti-Si、Ti-Cu、Ti-Au等
2、新型的功能材料
该材料强度与它的密度之比
它们具有某些特殊的物理、化学、生物特性：
形状记忆合金，TiNi
人造骨头；
超导材料等。
3、我国钛资源十分丰富，储量居世界首位，这是
我国发展钛工业的优势。
第一节 工业纯钛
一、钛的基本性质
1、物理性质
1）两种同素异晶体：α-Ti;β-Ti
α-Ti
β-Ti
883℃
其中Zr、Hf与Ti 同族，具有相同的晶体结构和同素 异晶转变，因此，与α-Ti与β-Ti形成连续固溶体；
V、Nb、Ta与Mo具有体心立方结构，即与β-Ti同晶， 因此与β-Ti形成连续固溶体；而与α-Ti 形成有限固溶 体。
2、与钛形成有限固溶体元素（合金化）
由于原子外层电子结构、晶体类型和原子尺寸与钛 都有较大差异，故只能与钛形成有限固溶体。
钛合金过冷β相等温转变示意图
1）β稳定化元素含量的增加，C曲线向右下方移动等； 2）α稳定化元素含量增加，加速β相分解，C曲线左移。
合金元素不仅影响C曲线的位置,而且改变C曲线的形 状。 3、用 C曲线近似判断连续冷却时合金的组织转变过程
如下图所示，不同的冷却曲线将得到不同的室温组 织： 1）水淬（冷却曲线1）可以得到α’+β； 2）油淬（冷却曲线2）得到α’+ω+β； 3）冷却曲线3得到ω+β；
H：
1）在室温时氢引起各种氢脆（钉轧位错线、析出氢 化物等）
降低措施：原料控制纯度、真空冶炼、加热时采用 中性或弱氧化性气氛、在惰性气氛焊接、酸洗时避 免增氢措施、真空退火去氢；
2）高温时有增塑作用：先用氢作为合金元素增塑， 然后再扩散退火。
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。
Ti-Zr 二元 相图
2、与β-Ti无限互溶，与α-Ti有限溶解的相图
L
温 度
L+β
β
α α+β
Ti
Me%
与β-Ti同晶型元素V、 Nb、Ta、Mo等能形成 这类相图；
这类元素降低相变点， 起稳定β相的作用，称β 同晶元素，也称β相稳 定元素。
β同晶元素V与Ti 组成的相图
3、与β-Ti和α-Ti都形成有限固溶体，β相会发生共 析分解
温
L+β
度
β
α+β
L L+γ β+γ
α
α+γ
Ti
Me%
与钛形成这类相图的元素有 铬、钨、锰、铁、钴、镍、铜、 硅等；
这些元素在α和β-Ti中均为 有限溶解，降低相变温度；
这些元素与钛易形成化合物， γ相，是以金属间化合物为基 的固溶体；
这类元素称为共析型β稳定 元素；
Ti与Cr(共 析型β稳定 元素)组成
（3）β相稳定元素，一般是降低β相转变温度，分二类：
1）产生β相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、 Ni、Co、W，随温度T降低，β→α+金属间化合物。
共析反应的速率随元素而异：
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。
② 合金含量较高（C1≤M%≤C2)时，可能有部分β相残留下来， 得到α’+残余β组织，有时淬火温度高时，会形成一种ω相 （亚稳相，六方晶格）：见下图所示；
③ 合金含量达C2≤M%≤C3时，马氏体转变被完全抑
α初
Ti-6Al-4V合金955℃水淬， 组织α’+α初
Ti-9Mo合金淬火， 组织细针α’’
铝为什么是钛合金的一个基本合金元素？ 1）Al是最有效的α强化元素，起固溶强化作用； 2）提高钛合金的比强度，因为Al的比重轻； 3）有效提高低温强度和高温强度（550℃以下）； 4）显著提高钛合金的再结晶温度； 5）增加氢在钛合金中的溶解度，减轻氢的危害。 （2）中性元素
合金元素(Sn、Zr）等能有效强化α相，它们在αTi与β-Ti中有较大的固溶度，但对α/β相变温度影响 较小，故有中性强化元素。
复习题：
1、铝合金的强化原理与工艺？
2、什么是硅铝明合金？什么是杜拉铝合金？它们分 别是属于哪类铝合金？
钛及钛合金
概述
1、新型的结构材料
钛及钛合金基本上是一类新型的结构材料，在当代 的尖端科学技术工业领域中，如航空、宇航、海洋 等中得到广泛的应用，主要原因：1）比强度高；2） 耐腐蚀性；3）良好的低温性能。