第五章_钛及钛合金的热处理剖析

钛的力学性能
钛的力学性能与热处理制度紧密相联
工业纯钛的牌号、性能 按杂质含量的不同，工业纯钛分为三个等级，TA表示α型钛
合金的代号，数字表示合金的序号，序号越大，钛的纯度 越低。
随着杂质含量的增加，钛的强度升高，塑性下降。
5.1.2 钛的合金化
纯钛虽然其塑性和韧性很好，但强度较低，影响了 应用范围。加入适当的合金元素后，可以明显地改 善其组织和性能，满足工程上的性能和要求。
5.1.2.1 钛与其他元素之间的作用 钛与其他合金元素之间的作用，取决于原子的电子
层结构、原子半径、晶格类型等诸因素。
5.1.2 钛的合金化
周期表中各元素按与钛作用性质可纳如下：①在周期表上 与钛同族的元素锆和铪具有与钛相同的外层电子结构和晶 格类型，原子半径也相近，故它们与α和β钛均能无限互溶 ，形成连续固溶体；②在周期表上靠近钛的元素，如钒、 钼、铌、钽等与β钛具有相同的晶格类型，能与β钛无限互 溶，在α钛中有限溶解；③在外层电子结构、晶体类型和 原子尺寸上都与Ti有较大的差异，如锰、铁、钴、镍等元 素与钛只能形成有限的固溶体，超过溶解极限则形成化合 物。
5 钛及钛合金的热处理
5.1 钛及钛合金 5.2 钛合金的相变 5.3 钛合金的热处理 5.4 钛合金的组织及其性能 5.5 常用钛合金的热处理制度
5.1 钛及钛合金
钛及钛合金的优点： 密度小、比强度高、耐热性较铝高、良好的耐蚀性
钛及钛合金的缺点： 导热性差、耐磨性差、弹性模量低、化学活性高 钛资源在地壳中的含量
5.1.2 钛的合金化
（3）α＋β钛合金 这种合金是指其退火组织为α＋β相的钛合金，也
称为两相钛合金。我国这类合金的牌号为TC，后 跟合金序号，如TC4、TC5、TC6等。 （4）钛合金 此类合金含β稳定元素较多。我国这类合金的牌号 为TB，后跟合金序号，如TB1、TB2等。
5.2 钛的相变
分为α、近α 、 （α＋β）和β四类。 因这四类的形成与钛合金中所含β稳定元素的数量wk.baidu.com
有关，所以必须明确在各类中的β稳定系数值。
5.1.2 钛的合金化
（1）α钛合金 此合金是指其退火组织以α钛为基体的单相固溶体
的合金。我国α钛合金的牌号为TA后加一个代表合 金序号的数字，如TA1、TA2、TA3等。 （2）近α钛合金 这类合金主要靠α稳定元素固溶强化，另加少量β 稳定元素，以使退火组织中有少量β相。
（1）Al 7.45% （2） Fe 4.20% （3）Mg 2.35% （4）Ti 0.61%
5.1.1 纯钛
纯钛的化学及物理性能： 化学活性大 钛易吸氢引起氢脆 耐蚀性强（空气中、水中、硝酸中）
钛的主要几个物理性能与铝、铁的比较
物理性能 熔点/℃ 密度/（g/cm3） 热导率/[cal/(cm·s·℃] 线膨胀系数/×10－6℃－1
锰、铁、铬等元素强化效果高，稳定β的能力强， 比钨、钼、铌轻，故应用较广。
硅的共析转变温度较高（860℃），加硅可改善合 金的耐热性能。加入少量的硼可以细化宏观组织 。稀土元素可显著地提高合金的瞬时强度和蠕变 强度。
5.1.2 钛的合金化
5.1.2.4工业钛合金的分类和编号 根据钛合金退火（空冷）后的组织特点，钛合金可
锡和锆为常用的中性元素，在α钛和β钛中均有较 大的溶解度，常和其他元素同时加入，有补充强 化作用，对塑性的不利影响比铝小，使合金具有 良好的压力加工性能和焊接性能。
5.1.2 钛的合金化
钒和钼是β稳定元素中应用最广的两种元素，对β 相起固溶强化作用，降低相变点，增加合金的淬 透性，从而强化热处理强化效果。
5.2.1 同素异构转变 5.2.2 β相转变 （1）β相在快冷过程中的转变
1）马氏体相变 2）ω相变 3）淬火钛合金的亚稳定相图 （2）β相在慢冷过程中的转变 （3）β相共析反应和等温转变 5.2.3 时效过程亚稳相的分解 （1）六方马氏体α′的分解 （2）斜方马氏体α〞的分解 （3）ω相的分解 （4）亚稳定βm相的分解
5.2.1 同素异构相变
纯钛在固态有两种同素异晶体，即体心立方晶格 的β相和密排六方晶格的α相，在882.5℃发生下列 同素异构转变：
882.5℃
α（密排六方） β（体心立方）
相变特点：
（1）相变体积效应不大 （2）在β相转变为α相的过程中相变阻力及所需过冷度都很
小
（3）钛合金中的同素异构转变，温度对合金的成分极为敏 感
β稳定元素含量较大，斜方马氏体α〞(细针状马氏体)；
5.2.2 β相转变
板条马氏 体内有密 集的位错
针状马氏 体内有大 量孪晶
5.2.2 β相转变
途径：淬火或者受力 除淬火时β相可发生马氏体转变外，过冷β相在受力时也可 能发生马氏体转变，称为应力诱发马氏体。应力诱发马氏 体均为α〞晶体结构，为细针状。 钛合金中马氏体不像钢中马氏体能强烈提高合金的强度和 硬度，因为钢中的马氏体为过饱和的间隙固溶体，钛中马 氏体为过饱和的置换固溶体，产生的晶格畸变较小，对位 错滑移的阻力较小，因此对合金只有较小的强化作用。
5.1.2 钛的合金化
5.1.2.2 钛二元相图类型及合金元素的分类 钛的二元相图可分为下列四种主要类型。
5.1.2 钛的合金化
5.1.2 钛的合金化
5.1.2.3 常见合金元素的作用
工业钛合金中常用的合金元素有：铝、锆、锡、 钒、钼、锰、铬、铁、铜、硅等。
铝主要起固溶强化作用，每增加1％Al，可使室温 抗拉强度增加50MPa。铝在钛中的极限溶解度为 7.5％,一般加铝量不超过7％。
（4）加热温度超过β相变点后，β相长大倾向很大，极易使β 相晶粒粗化
5.2.2 β相转变
5.2.2.1 β相在快冷过程中的转变 当钛合金自高温快速冷却（淬火）时，根据合金成分的不 同， β相可以转变为马氏体、ω相或过冷β等亚稳定相。
（1）形成马氏体 定义：α稳定元素过饱和的固溶体为钛合金的马氏体。 类型： β稳定元素含量不大，六方马氏体α′(板条状和针状)；
铝
钛
660
1668
2.7
4.5
0.52
0.036
22.9
9.0
铁 1535 7.8 0.19 11.7
钛的力学性能
钛的力学性能主要取决于钛的成分、组织以及对其所进行 的加工和热处理工艺等。
钛的力学性能
钛中含有杂质时，强度升高，塑性下降（氮、氧、 碳影响显著）
钛的力学性能 随着变形程度的增大，强度指标升高，塑性下降