钛合金材料及其热加工讲座2007[1].4.11
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
钛合金材料及其热加工讲座 2007[1].4.11
一、钛和钛合金的基本知识
1.纯钛 2.1）高纯度钛的特性 ● 具有同素异晶转变的特性
钛在固态随着温度的改变，其原子排列的晶体结 构要发生变化（组织转变）。
高纯度钛的组织转变温度为882.5℃。也就是说，在 882.5℃以下，是密排六方晶体的α-Ti (α相), 在882.5℃以 上，是体心立方晶体的β-Ti（β相）。
3
对于六方晶体而言，一个 滑移面可以有3个滑移方向。 所以滑移系的数目是1×3=3 个。
镁就是这种晶体结构。所以镁和镁合金不好锻，塑 性很差，锻造容易产生裂纹，更没有听说镁可以冷锻。
当然，变形条件改变了，如加热、大变形或高应变 速率下次要滑移面也可以开动。所以，镁在热态塑性不 坏，很好锻。
4
β-Ti（相）是体心立方晶体， 体心立方晶体原子排列最密的晶 面有6个{110}，但滑移方向只有2 个，所以滑移系数目6×2=12个。
但条件变化了，如加热、大变形、高速变形，那 么，次要滑移面也将产生滑移。
在体心立方晶体中，主要滑移面＋次要滑移面共 有48个。当然，滑移容易了，也就是说塑性好了。
5
由此，给我们的启示： ● 钛合金为什么一般不能冷变形？ ● 又为什么发展近β锻造、 β锻造？
（除了发挥材料性能） ● 为什么要严格控制钛合金终锻温度？ ● 为什么在高速锤上变形、金属填充
13
● 宏观指标，ψ 在做室温拉伸时，可以测得一个断面缩率，叫
ψ1。 经过一定时间热暴露（在炉中加热一定时间，一
般100小时）后，再去做室温拉伸，又可测得一个面 缩率，叫ψ2，ψ2/ψ1>50％，表示材料或工艺是稳定的， 因为稳定性好。否则就判为不合格。当然，一般条件 ψ2/ψ1>50％，但β合金（Ti40）或β锻造就不好说了。
是，其危害不能小视。 为什么？ ● 导致材料表面变脆，由于氧的渗透，在金属表 面 形成一层富氧层（TiO2）。
众所周知，金属凡是与氧结合形成的氧化物，几 乎都是脆性的，所以富氧层更确切的含义应该叫做富 氧脆性层，实际上常说的“氧脆”就是这个意思。 ● 形成微裂纹，使材料的热稳定性下降。
12
什么叫热稳定性？ 简单地讲，金属材料（试样）或者构件在温度场， 或者在温度场和应力场共同作用下，其组织和性能变 化的程度。 ● 表面稳定性 那么用什么指标来衡量呢？
Ti-679（近α合金）合金氧的玷污深度
℃
900 940 1000
玷 污 深 度（μm）
15 min 29 43 82
30 min 41 61 104
60 min 57 87 168
120 min 80 122 206
11
由上表可见: ● 加热温度越高，时间越长，玷污深度越大。 ● 比钢锻件产生的氧化皮小得多，最大只有0.2mm 可
性能特别好（一般一锤成形）？
α
均量 与有 含关
6
● 化学性能活泼、容易氧化 高纯度钛的熔点为1668℃±4℃，比铁(1539℃)、
钴(1500 ℃ )、镍(1450 ℃ )的熔点还高。 如果单从熔点来讲，似乎钛是很好的耐热材料，
可是很遗憾，自二次世界大战出现低于400 ℃使用的 TC4钛合金以来，六十年过去了，钛合金的使用温度仍 然限于600 ℃。
因为氧增加一点点，塑性(ψ)大大下降。所以，当σb 低时，也不要轻易放松氧含量的控制要求。对冶金厂来 讲，提高强度并不难，降低海绵钛的品位就可以解决， 但是氧含量 ，ψ 。所以，冶金厂也不会随便提高氧 含量。
8
当金属钛（钛合金）在高温下加热时： ● 由于存在着较大的氧的梯度浓度，则给氧向基 体
金属扩散（渗透）创造了条件，正如水由高 处流 向低处一样，落差越大，水的流速越快。 高温下，氧很活泼，不断地向金属内部扩散。 ● 氧在固体金属钛中比氢 (H)有较大的固溶度，就 是说氧在钛中比H有较大的溶解度，而且它不是置 换式的固溶，而是间隙式的。只要原子之 间有点 间隙，它就可以钻进去，讲得明白一点，干脆叫它 无孔不入。因而，又为氧向金属内部扩散创造了条 件。
可见， 882.5℃这个温度是纯钛发生组织转变（α相 β相）的温度。
因之，将其称为相变点。
2
由α-Ti 转变β-Ti（ α相转变β相 ），其塑性变形 的能力发生了变化。
为什么？ 因为金属塑性变形（锻造）时，首先是沿着晶体中原 子排列最密的晶面和晶向优先产生滑移。 为什么？ 因为原子密度最大的晶面原子间距小，原子结合力强， 而晶面的间距增大，则晶面间结合力较弱，滑移阻力当然 就小，显然易成为滑移面。而α-Ti是密排六方晶体，其原 子排列最密集的晶面只有1个，即 {0001}面。
14
● 另一种微观指标 K1C 科学已发展到衡量材料性能，不能单从宏观角度
来考虑了，而是可用微观力学性能来表征了，K1C就是 表征材料抵抗裂纹扩展的能力。
当然，微观指标比宏观指标更重要，更能评价材 质的优劣。
但是，不管用ψ或K1C表征材料（锻件或构件）的 稳定性，都属于表面稳定性。
影响材料（锻件或构件）热稳定性的另一个因素 内部组织转变。
而将铁、钴、镍加入到钢中形成的铁基、钴基、 镍基黑色高温耐热合金，其使用温度可达到900℃。
那么为什么？
7
原因：高温下氧对钛的玷污速率很高
控制的杂质氧 含量<0.15%
Leabharlann Baidu氧化膜
基体金属 的界面
钛金属(如钛棒)在空气中 也会氧化的，形成一层很薄的 淡黄色的氧化膜，如图黄色的 外圈。
一般讲，技术条件控制钛金属中杂质氧含量≤0.15% （为什么？）
9
讲到这里，你们可能会问，钛合金不要在氧化 性气氛中加热，而是在还原性气氛中加热不是更好 吗？
回答是肯定的：不行。即使没有电炉的条件下， 宁可在油炉中加热。
为什么？ 氢对钛合金性能的影响远比氧大得多，要发生 氢脆。所以，技术条件控制的氢含量<0.012（简称双 零控制）。
10
● 加热温度越高、时间越长，氧在金属内部扩散越厉害。 氧对钛金属玷污的程度∝T·H ·CM成正比
15
● 冶金热稳定 主要是材料内部相分解、相析出引起的热稳定性
下降。
● β残余相中析出αs相（硬脆相） ● 形成有序相，致使晶体结构
发生变化
现在讲不清楚， 以后再分析
一、钛和钛合金的基本知识
1.纯钛 2.1）高纯度钛的特性 ● 具有同素异晶转变的特性
钛在固态随着温度的改变，其原子排列的晶体结 构要发生变化（组织转变）。
高纯度钛的组织转变温度为882.5℃。也就是说，在 882.5℃以下，是密排六方晶体的α-Ti (α相), 在882.5℃以 上，是体心立方晶体的β-Ti（β相）。
3
对于六方晶体而言，一个 滑移面可以有3个滑移方向。 所以滑移系的数目是1×3=3 个。
镁就是这种晶体结构。所以镁和镁合金不好锻，塑 性很差，锻造容易产生裂纹，更没有听说镁可以冷锻。
当然，变形条件改变了，如加热、大变形或高应变 速率下次要滑移面也可以开动。所以，镁在热态塑性不 坏，很好锻。
4
β-Ti（相）是体心立方晶体， 体心立方晶体原子排列最密的晶 面有6个{110}，但滑移方向只有2 个，所以滑移系数目6×2=12个。
但条件变化了，如加热、大变形、高速变形，那 么，次要滑移面也将产生滑移。
在体心立方晶体中，主要滑移面＋次要滑移面共 有48个。当然，滑移容易了，也就是说塑性好了。
5
由此，给我们的启示： ● 钛合金为什么一般不能冷变形？ ● 又为什么发展近β锻造、 β锻造？
（除了发挥材料性能） ● 为什么要严格控制钛合金终锻温度？ ● 为什么在高速锤上变形、金属填充
13
● 宏观指标，ψ 在做室温拉伸时，可以测得一个断面缩率，叫
ψ1。 经过一定时间热暴露（在炉中加热一定时间，一
般100小时）后，再去做室温拉伸，又可测得一个面 缩率，叫ψ2，ψ2/ψ1>50％，表示材料或工艺是稳定的， 因为稳定性好。否则就判为不合格。当然，一般条件 ψ2/ψ1>50％，但β合金（Ti40）或β锻造就不好说了。
是，其危害不能小视。 为什么？ ● 导致材料表面变脆，由于氧的渗透，在金属表 面 形成一层富氧层（TiO2）。
众所周知，金属凡是与氧结合形成的氧化物，几 乎都是脆性的，所以富氧层更确切的含义应该叫做富 氧脆性层，实际上常说的“氧脆”就是这个意思。 ● 形成微裂纹，使材料的热稳定性下降。
12
什么叫热稳定性？ 简单地讲，金属材料（试样）或者构件在温度场， 或者在温度场和应力场共同作用下，其组织和性能变 化的程度。 ● 表面稳定性 那么用什么指标来衡量呢？
Ti-679（近α合金）合金氧的玷污深度
℃
900 940 1000
玷 污 深 度（μm）
15 min 29 43 82
30 min 41 61 104
60 min 57 87 168
120 min 80 122 206
11
由上表可见: ● 加热温度越高，时间越长，玷污深度越大。 ● 比钢锻件产生的氧化皮小得多，最大只有0.2mm 可
性能特别好（一般一锤成形）？
α
均量 与有 含关
6
● 化学性能活泼、容易氧化 高纯度钛的熔点为1668℃±4℃，比铁(1539℃)、
钴(1500 ℃ )、镍(1450 ℃ )的熔点还高。 如果单从熔点来讲，似乎钛是很好的耐热材料，
可是很遗憾，自二次世界大战出现低于400 ℃使用的 TC4钛合金以来，六十年过去了，钛合金的使用温度仍 然限于600 ℃。
因为氧增加一点点，塑性(ψ)大大下降。所以，当σb 低时，也不要轻易放松氧含量的控制要求。对冶金厂来 讲，提高强度并不难，降低海绵钛的品位就可以解决， 但是氧含量 ，ψ 。所以，冶金厂也不会随便提高氧 含量。
8
当金属钛（钛合金）在高温下加热时： ● 由于存在着较大的氧的梯度浓度，则给氧向基 体
金属扩散（渗透）创造了条件，正如水由高 处流 向低处一样，落差越大，水的流速越快。 高温下，氧很活泼，不断地向金属内部扩散。 ● 氧在固体金属钛中比氢 (H)有较大的固溶度，就 是说氧在钛中比H有较大的溶解度，而且它不是置 换式的固溶，而是间隙式的。只要原子之 间有点 间隙，它就可以钻进去，讲得明白一点，干脆叫它 无孔不入。因而，又为氧向金属内部扩散创造了条 件。
可见， 882.5℃这个温度是纯钛发生组织转变（α相 β相）的温度。
因之，将其称为相变点。
2
由α-Ti 转变β-Ti（ α相转变β相 ），其塑性变形 的能力发生了变化。
为什么？ 因为金属塑性变形（锻造）时，首先是沿着晶体中原 子排列最密的晶面和晶向优先产生滑移。 为什么？ 因为原子密度最大的晶面原子间距小，原子结合力强， 而晶面的间距增大，则晶面间结合力较弱，滑移阻力当然 就小，显然易成为滑移面。而α-Ti是密排六方晶体，其原 子排列最密集的晶面只有1个，即 {0001}面。
14
● 另一种微观指标 K1C 科学已发展到衡量材料性能，不能单从宏观角度
来考虑了，而是可用微观力学性能来表征了，K1C就是 表征材料抵抗裂纹扩展的能力。
当然，微观指标比宏观指标更重要，更能评价材 质的优劣。
但是，不管用ψ或K1C表征材料（锻件或构件）的 稳定性，都属于表面稳定性。
影响材料（锻件或构件）热稳定性的另一个因素 内部组织转变。
而将铁、钴、镍加入到钢中形成的铁基、钴基、 镍基黑色高温耐热合金，其使用温度可达到900℃。
那么为什么？
7
原因：高温下氧对钛的玷污速率很高
控制的杂质氧 含量<0.15%
Leabharlann Baidu氧化膜
基体金属 的界面
钛金属(如钛棒)在空气中 也会氧化的，形成一层很薄的 淡黄色的氧化膜，如图黄色的 外圈。
一般讲，技术条件控制钛金属中杂质氧含量≤0.15% （为什么？）
9
讲到这里，你们可能会问，钛合金不要在氧化 性气氛中加热，而是在还原性气氛中加热不是更好 吗？
回答是肯定的：不行。即使没有电炉的条件下， 宁可在油炉中加热。
为什么？ 氢对钛合金性能的影响远比氧大得多，要发生 氢脆。所以，技术条件控制的氢含量<0.012（简称双 零控制）。
10
● 加热温度越高、时间越长，氧在金属内部扩散越厉害。 氧对钛金属玷污的程度∝T·H ·CM成正比
15
● 冶金热稳定 主要是材料内部相分解、相析出引起的热稳定性
下降。
● β残余相中析出αs相（硬脆相） ● 形成有序相，致使晶体结构
发生变化
现在讲不清楚， 以后再分析