钛及钛合金材料精品整理资料

一、钛及钛合金材料
（一）材料
1.碘化钛碘与粗钛在低温下直接作用生成挥发性的碘化钛，经加热使碘化钛分解，再沉积而得到高纯度的金属钛称为碘化钛。

牌号：TAD. 符号：Til2. 纯度＞99.9%（wt）
主要用于科研，如测试纯钛的化学性能、物理性能、合金化研究等。

2.海绵钛
含钛的矿石从金红石（Tio2）存在，经氯（Cl2）化生成四氯化钛（TiCl4），再用活性金属（Mg或Na）还原得到海绵状的金属钛（Ti）称为海绵钛。

镁法海绵钛：MHTi
纳法海绵钛：NHTi
海绵钛是疏松多孔，纯度99.1-99.7%（wt），其硬度HB 为100-157，是钛工业生产的原料。

海绵钛分级见表1.
3.工业纯钛
含有一定量的氧、氮、碳、硅、铁及其他元素杂质的α相钛称为工业纯钛。

工业纯钛的含钛量≮99.0%（wt）
按杂质元素含量把工业纯钛划分为四个级别，见表2.
表1 海绵钛分级（MHTi）GB/T2524-2002
产品等级Grade 产品牌号
及H B≯
Brands
Ti不
小
于%
wt
No
less
than
化学成分（质量分数，%）Chemical Composition，% 布氏硬度
不大于
Brinell
hardness
NO more
than
杂质元素不大于（% wt）Impurity，no more than
Fe Si C1 C N O Mn Mg H
0级MHT-100 99.7 0.06 0.02 0.06 0.02 0.02 0.06 0.01 0.06 0.005 100 1级MHT-110 99.6 0.10 0.03 0.08 0.03 0.02 0.08 0.01 0.07 0.005 110 2级MHT-125 99.5 0.15 0.03 0.10 0.03 0.03 0.10 0.02 0.07 0.005 125 3级MHT-140 99.3 0.20 0.03 0.15 0.03 0.04 0.15 0.02 0.08 0.010 140 4级MHT-160 99.1 0.30 0.04 0.15 0.04 0.05 0.20 0.03 0.09 0.012 160 5级MHT-200 98.5 0.40 0.06 0.30 0.05 0.10 0.30 0.08 0.15 0.030 200
表2 工业纯钛分级GB/T3620.1-94.
牌号化学成
分组
Ti
杂质元素不大于（%）
Fe C N H O 其他元素
单一总和
TA0 工业纯钛余量0.15 0.10 0.03 0.015 0.15 0.10 0.40 TA1 工业纯钛余量0.25 0.100.03 0.015 0.20 0.10 0.40 TA2 工业纯钛余量0.30 0.100.05 0.015 0.25 0.10 0.40 TA3 工业纯钛余量0.40 0.100.05 0.015 0.30 0.10 0.40 4.钛合金
以钛为基体金属元素和含有其他合金元素及杂质元素所组成的合金称为钛合金。

钛合金举例见表3.
表3 钛合金GB/T3620.1-94
牌号化学成分组Ti Pd Mo Ni
杂质元素不大于（%）其他元素Fe C N H O 单一总和
TA9 Ti-0.2Pd 余量0.12-0.25 --- --- 0.25 0.10 0.03 0.015 0.20 0.10 0.40 TA10 Ti-0.3Mo-0.8Ni 余量--- 0.2-0.4 0.6-0.9 0.30 0.08 0.03 0.015 0.25 0.10 0.40 TC4 Ti-6Al-4V 余量--- --- --- 0.30 0.10 0.05 0.015 0.20 0.10 0.40
5.ELI钛及钛合金
具有超低间隙杂质元素的钛及钛合金称为ELI钛及钛合金。

如：Ti-6Al-4V ELI.
为了改善低温钛及钛合金的塑性和韧性开发出来的超低间隙元素的钛及钛合金，由于间隙元素含量小，其溶于钛
后减小了钛晶格歪曲，随温度降低，钛的强度增加，而塑性
和韧性下降的很小，在室温-253℃条件下具有强度高，良好
的塑性和高的断裂韧性。

（二）标准
1.常用标准（钛）
（1）中国标准
①GB：国家强制性标准
②GB/T: 国家推荐性标准
③GJB: 国家军用标准
④YB: 部颁标准
⑤YY: 行业标准
⑥YS/T: 行业标准
⑦NY/T: 行业标准
（2）国际及外国标准
①ISO：国际标准化组织标准
②ANSI：美国国家标准
a.ASTM: 美国材料试验协会标准
-T(MIL-STD): 美国军标
c.AMS: 美国金属学会标准
③TOCT: 原苏联国家标准
AMTY:原苏联国家航空技术委员会标准
④JIS: 日本工业标准
⑤EN: 欧洲标准委员会标准
⑥DIN: 德国标准
WL：德国航空材料标准
⑦BS: 英国标准
⑧NF: 法国标准
2.钛及钛合金牌号对照表4
3.有关标准检验项目表5
4.产品标准参考表6、表7
5.出口用标准
（三）国际组织与标准化机构
1.部分国际组织、国家标准化机构和标准代号
2.与金属材料有关的部分国外协会、学会及专业标准代
号。

（四）热处理
1.概念
通过对金属材料采用适合的加热方式、保温、冷却以获得预期的组织形态、分布及性能的工艺称为热处理。

加热的方式有非真空加热、真空加热。

冷却的方式有空冷、水冷、油冷、炉冷等。

2.真空热处理
一般指在1X10-5 Pa的真空环境中（通常最低要求
2-3X10-3 Pa的真空度），进行加热，(有时要求充惰性气体)，保温、冷却的热处理工艺称为真空热处理。

产品的出炉温度＜200℃才能保证钛的表面不被氧化，呈银白色的金属钛本色。

3.退火
对产品加热到适合温度，保温一定时间，使其冷却，获得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。

退火目的是均匀化学成分，改善机械性能和工艺性能。

例如：消除因加工引起的硬化、如消除内应力、如实现再结晶、如真空退火除气（一般是氢气）等。

（1）再结晶退火
对冷变形和热变形的金属加热到高于再结晶温度，使其破碎的晶粒和拉长的晶粒重新成核并长大成为细小的等轴
晶粒，不禁消除了加工引起的硬化，还恢复了加工变形能力，这称为再结晶退火。

考虑再结晶退火温度受产品变形率和原始晶粒的大小等影响因素，再结晶温度要比理论讲的再结晶温度高出100-150℃为宜。

所以，实际再结晶退火温度：工业纯钛为650-700℃；TC4钛合金为800-850℃。

（2）消除应力退火
消除金属材料因变形加工、切削加工、焊接加工及深加工制造等过程引起的内部应力，又不发生再结晶的退火称为消除应力退火。

如：工业纯钛消除应力退火温度550-600℃，TC4钛合金消除应力退火温度550-600℃。

4.加热
（1）非真空加热
t（℃）图示1给出了加热流程
h（分）O A B C D
图示1 加热工艺流程
OA: 炉子加热升温
AB: 装料温度工业纯钛350-400℃
TC4钛合金600-700℃
BC: 保温
CD: 冷却（一般为空冷）
保温时间h=D/2+（30-50分钟）
D为钛的直径或厚度mm.
（2）真空加热
先装炉料，然后加热并抽真空（有时真空度达到要求后充惰性气体），保温、冷却，最后出炉（出炉温度最佳＜200℃）空冷。

（3）加热特点
①加热工艺依据
钛的加热工艺主要依据其物理化学特性，其中导热率和化学活性是重要因素。

a.钛的化学活性大，其导热系数低为铜的1/2，铝的1/3，钢的1/5，说明在同一加热温度下，钛的加热时间要长，使其表面受热的时间要长，则钛截面的温度差要大，只有在加热长的时间内才达到平衡。

b.钛的化学活性大，在常温的空气中，钛表面的氧膜是一层致密、惰性和稳定的保护膜能阻止氧等向钛基体扩散。

这层氧化膜为金红石结构（TiO2），呈银白色，具有自愈性能。

但是随温度升高，钛的氧化膜发生变化，如：钛在
500-550℃的纯氧中有自燃烧特性，在空气中600-650℃时，与氧发生强烈反应，使钛表面钝化膜增厚，进而脱落，将失去对钛的保护作用。

如：钛在500-560℃的空气中，有明显吸氮的特性，高于850℃发生强烈反应，使氧化膜增厚，进而促进脱落。

如：在高于900℃的空气中，钛与碳发生强烈反应，增加氧化膜厚度，进而促进脱落。

特别是钛吸氢变脆特性，钛的吸氢是可逆的，即吸氢也可析出氢，但是高于300℃时吸氢大于析出氢。

钛与氢反应形成氢化钛（TiH2）细小弥散的指点，使钛受脆，其冲击值大幅度下降。

针对钛的活性特性，确定合理的加热温度和保温时间对获得良好性能的钛材具有重要意义。

②过热
对钛的加热温度偏高，并保温时间过长，使其组织中的晶粒长大，导致力学性能显著降低的现象称为过热。

③过烧
对钛的加热温度过高，接近固相线时，其组织中的晶界处优先发生氧化，进而发生部分熔化的现象称为过烧。

（4）钛的氧化膜
钛的氧化膜随温度不同有不同的厚度和颜色，其成分也
发生了变化。

表8给出了氧化膜厚度和颜色。

加热温度（℃）氧化膜厚度（mm）氧化膜颜色＜200 极薄银白色
～300 极薄淡黄色
～400极薄金黄色
～500极薄蓝色
～600极薄紫色
～6490.005 紫色
～7040.0076 红灰色
700-800 ＜0.025 红灰色
760-871 ＜0.025 红灰色
～900 ＜0.051 灰色
927-982 ＜0.051 灰色
1038 0.102 灰色
1093 0.356 灰色
举例：在一定温度下，把试样剖开看截面的氧化膜结构及颜色变化。

①700-800℃
Ti基体（银白色）Tio（青铜色）TiO2（金红石，淡蓝色）。

②825-850℃
Ti基体Ti+TiO粉末TiO+少量Ti TiO2（深蓝
色）TiO2（浅蓝色）TiO2（黄褐色）
③875-1050℃
Ti基体TiO+少量Ti TiO TiO2（紫色粉末）TiO2（深蓝色）
5.加热设备及气愤
（1）感应加热：高频、中频及低频感应炉
（2）电接触加热：直接电阻加热
（3）燃气加热：煤气炉，液化气炉
（4）燃油加热：重油炉，柴油炉
（5）间接式电阻加热：箱式电阻丝炉、管式电阻丝炉、辊道式电阻丝炉
以上加热属非真空加热，要求加热炉内的气氛保持中性或微氧化性，绝对不允许燃气及燃油的火焰直接喷射钛的表面，不允许用氢气加热。

（五）钛材加工
（1）钛材压力加工（又称塑性加工）概念
通过压力加工设备使钛金属塑性变形，把固态钛变成为所需要的产品形态的加工过程称为压力加工。

（2）压力加工特点
①无切屑变形，金属损耗小
②获得所需要形态的同时，也获得了期望的组织与性能
③对产品适合专业化的规模生产
（3）影响压力加工因素
①确认合理的变形程度
要实现变形过程，取决于钛本身的性能，必须选择合理的变形参数即适宜的温度、速度、变形率，能避免产生裂纹、断裂、分层、折叠等缺陷和因为变形率不足而造成不希望的组织。

如：在拉制棒材过程中，所确认的温度、速度、涂层、模具等环节不合适，可能会发生塑性变形失稳，而产生拉断、颈缩等现象。

②选择适宜的设备、工具模
确认使用的压力加工设备、工具模要有足够的刚性和实现塑性变形的能力。

③确认技术经济合理的工艺路线
常用的压力加工设备繁多，选择的原则是不能“大马拉小车”，也不能“小马拉大车”，考虑的核心是成本低，质量符合，保证塑性变形的能力。

(4)变形方式
①锻造
使用锻造设备上的锤头（包括模具），对钛坯料加力，使其发生塑性变形，获得预期的形状、尺寸、组织和性能的产品的压力加工工艺称为锻造。

一般认为：加力的时间短发生了塑性变形称为锻；加力
的时间长发生了塑性变形称为压。

②轧制
使用两个旋转的轧辊之间的空隙或模具孔，对钛坯料加力，使其发生横截面积减小，而长（宽）度增加的产品的压力加工工艺称为轧制。

③拉（拔）制
钛坯料在拉力作用下，穿过模孔使其发生横截面积减小，长度增加的产品的压力加工工艺称为拉（拔）。

（5）钛及钛合金加工材生产工艺流程图示2.
（6）钛及钛合金锻造、轧（拉）制产品的工艺规程表9，表10.
表9
名称开坯锻造变形锻造成品锻造TA1-TA3 980-1000℃900-950℃830-850℃TC4 1050-1150℃1000-1050℃900-950℃
注控制终锻温度：工业纯钛＞700℃
TC4钛合金＞800℃控制变形率：＞60%
表10
名称加热温度保温时间终轧(拉)温度变形量TA1-TA3 800-850℃40-60分≮700℃＞60% TC4 920-950℃40-60分≮800℃＞60%
海绵钛合金元素或中间合金
混料
制备电极
熔炼铸锭商品锭
开坯锻造锻件
板坯
二、钛的性能
1.物理性能
（1）熔点（熔融温度）
钛的晶态和液态平衡共存的温度称为熔点
工业纯钛的熔点为1668±4℃
高纯度碘化钛的熔点为1670±4℃
（2）密度
材料每单位体积的质量称为密度。

密度表示材料致密的程度，ρ=m（质量）/v（体积）
工业纯钛的密度ρ=4.505g/cm3
TC4钛合金的密度ρ=4.45g/cm3
（3）比重
材料每单位体积的重量称为比重。

比重表示材料的重量程度r比重=g（重量）/v（体积）
工业纯钛的比重r=4.505g/cm3
TC4钛合金的比重r=4.45g/cm3
（4）比强度
是指质轻、强度高的特性指标，为密度与抗拉强的比值，比强度高是航天航空工业应用钛及钛合金的重要依据之一。

（5）相变点
相变开始转变的温度称为相变点
工业纯钛的相变点温度：αβ885℃
TC4钛合金的相变点温度：α-ββ990℃
一般工艺规定：成品热变形加工在低于相变点温度30-50℃范围内完成。

（6）晶体结构
钛金属内部原子、分子按晶体学作长程有序排列、重复的点陈称为晶体结构。

①具有密排六方晶格，出现在低于885℃，其稳定晶形状态为α型（也称α钛）。

②具有体心立方晶格，出现在高于885℃，其稳定晶形状态为β型（也称β钛）。

(7)沸点
钛的沸点为3535℃
（8）膨胀系数
钛的膨胀系数是各向异性的，常用线性膨胀系数平均数：0---100℃时，工业纯钛为8.4X10-6 cm/cm/℃（1/℃）。

钛合金为8.8X10-6
（9）导热系数
钛的导热性差，是铜的1/2，铝的1/3，钢的1/5，在一定温度下的导热系数举例：
工业纯钛25℃时为0.41卡/厘米.秒.℃
100℃时为0.036
钛合金25℃时为0.018
（10）电阻率
钛的导电性差，是铜的3.1%，其电阻系数20℃时为47.8微欧.厘米。

（11）磁化率
金属钛是顺磁性物质，其磁化率为3.15（0.02）X10-6厘米.克.秒。

钛的磁化率很小，被称为无磁性金属。

（12）弹性模量
钛在其弹性范围内，应力与应变呈正比的比例数称弹性模量。

弹性模量表示材料抵抗变形的能力。

2.机械性能
钛的机械性能指标有抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击值、疲劳强度、缺口敏感性、断裂韧性、耐磨性等。

（1）强度
钛抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

①抗拉强度
材料拉断前承受最大标称（力的读数）称为抗拉强度。

符号：Rm，单位：MPa
②屈服强度
材料抵抗塑性变形的能力，以20%处所取的数值称为屈服强度。

符号：Rpo.2 单位：MPa
(2)断面收缩率
材料原始截面积和拉断后最小截面积的差值与原始截面积的百分比称为断面收缩率。

符号：Z 单位：%
（3）延伸（伸长）率
材料拉断后的标距部分实际伸长与拉伸前原始标距长的百分比称为延伸率。

符号：A 单位：%
钛及钛合金棒材的力学性能表12
表12 弹性模量比较
牌号弹性模量(公斤·力/毫米2)
工业纯钛10850
镍21000
1cr18Ni9Ti 20300
表13 棒材力学性能
室温≮
牌号标准
Rm.MPa Rpo.2 MPa A % Z %
280 170 24 30 TA0 GB/T2965*-96
GB/T13810-1997
370 250 20 30 TA1 GB/T2965*-96
GB/T13810-1997
TA2 GB/T2965*-96
440 320 18 30 GB/T13810-1997
540 410 15 25 TA3 GB/T2965*-96
GB/T13810-1997
TA4 GB/T2965*-96
895 825 10 25 GB/T13810-1997
(4)硬度
固体材料表面抵抗压入、划伤的能力称为硬度。

硬度是衡量固体材料软硬程度的力学性能指标。

①钛及钛合金硬度表14
表14
名称TA0 TA1 TA2 TA3 TA4 HB ≮100 110-125 130-160 17-200 320-380
②硬度分类
有：布氏硬度HB，维氏硬度HV,络氏硬度HR，肖氏硬度HS.几种硬度值按kg/mm计算可查表得出数值之间关系。

（5）磨损
当表面相接触并做相对运动时，材料自该表面逐渐损失，甚至损伤的现象称为磨损。

3.工艺性能
金属在成形过程中的难易程度的性能称为工艺性能。

如：铸造成形的流动性、充填性、收缩性；
如深充性能；如弯曲性能等。

（1）可锻性
金属材料在锻造加工中，能实现塑性变形而不发生破裂等缺陷产品的工艺性能称为可锻性。

（2）可轧制行
（3）可切削性
金属材料能承受告诉切削的加工工艺性能为可切削性。

（4）可焊接性
金属材料在焊接加工中，能获得好的焊接接头的工艺性能称为可焊接性。

（5）其他工艺性能
①翻边性能，如管材扩口；
②深冲性能，如杯突值；
③弯曲性能，如弯曲角；
④压弯性能，如管材压扁。

三、常用的术语
1.组织
对金属材料用金相方法观察到的由不同形态、不同尺寸和分布不同的单相或复相，以及内部损伤、缺陷等构成的总体称为组织。

2.相
金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能均匀组成，并在组成部分之间有分界面隔开称为相。

通常，一个相的组织称为单相，如工业纯钛是α相组织，如TB1钛合金是β组织；有多个相的组织称为复相，如TC4钛合金是α-β相组织。

3.相变
金属组织中相的数目、相的性质发生了变化，称为相变。

如αα-ββ.
4.以相分类的钛及钛合金
(1)α钛合金：含有α稳定剂，在室温稳定状态下基本为α相的钛及钛合金，称为α钛合金。

如：工业纯钛：TA0-TA3.
（2）α-β钛合金：含有α稳定剂和较多β稳定剂，在室温稳定状态下由α相和β相组成的钛合金，称为α-β钛合金。

（3）β钛合金：含有足够的β稳定剂，在室温稳定状态下全部为β相的钛合金，称为β钛合金
5.相的稳定剂
（1）α稳定剂：在钛及钛合金中，优先溶解于α相并提高αβ转变温度的合金元素，称为α稳定剂。

如：间隙元素有O、C、N、H.(H为可逆元素).
置换元素有Al.
（2）β稳定剂：在钛及钛合金中，优先溶解于β相中并降低α-ββ转变温度而不发生共析反应，与β形成连续固溶体的合金元素，称为β稳定剂。

如：间隙元素有H、Si.
置换元素有V、Pa、Mo、Ni、Fe.
（2）马氏体：在太和钛合金中，β相以很高的速度
冷却并以非扩散形式转变成α产物，其含有过饱和的β稳定剂，称为马氏体。

符号：Ms：在冷却过程中开始转变为马氏体的最高温度。

Mf：在冷却过程中终止转变为马氏体的温度。

6.基体
在钛及钛合金的显微组织中，连续的、占优势的相组成部分称为基体。

如：α相基体、α-β相基体、β相基体。

7.基体元素
在钛及钛合金中，质量占支配地位的金属元素称为基体元素。

如：工业纯钛的基体元素有Ti.
TC4钛合金的基体元素有Ti、Al、V.
8.间隙元素
在钛及钛合金的组织中，原子直径比钛的小，溶于钛后位于钛晶的空隙中的元素称为间隙元素。

间隙元素的作用使钛的晶格歪曲，提高了钛的强度、弹性模量，恶化了切削性能，降低了塑性。

常提到的间隙元素有C、H、N、O、B、Si等.
9.置换元素
在钛及钛合金的组织中，原子直径与钛的接近，溶于钛后能置换或替代钛晶格上的钛原子的元素，称为置换元素。

置换元素的含量控制不好，会因为组织中相的变化及其分布不同，影响钛及钛合金的力学性能和工艺性能。

常提到的置换元素有V、Al、Fe等。

10.杂质元素
在钛及钛合金组织中存在，并非有意加入或保留的金属元素或非金属元素，称为杂质元素。

如：工业纯钛中有C、H、N、O、Fe、Al、Si等。

TC4钛合金中有C、H、N、O、Fe、Y等。

11.合金元素
为了获得具有特定要求性能的合金，加入或保留在基体金属中的金属元素或非金属元素称为合金元素。

如：TC4钛合金，为了获得符合标准的力学性能、工艺性能及其组织，控制加入Al、V的含量，控制C、H、N、O、Fe（有要求Y、Si）等含量。

12.晶粒度
对金属材料组织中晶粒大小的评定，是采用晶粒编号或晶粒直径平均值或单位面积内的晶粒度数目等为定量评级，称为晶粒度。

通常晶粒度指金相观察法，一般为250X，晶粒度图谱标准见GB5168-85中的B1-B21,其术语标准见GB8755-88中规定。

13.低倍组织
金属材料的试样，用金相方法处理，对其磨面用肉眼（有时借助低倍放大镜）观察，其表面的组织状况如：裂纹、划伤、麻点、凹坑和偏析等统称为低倍组织。

低倍组织也称宏观组织。

14.显微组织
金属材料的试样，用金相方法处理，把其磨面置于光学显微镜下（一般250X）或电子显微镜下（一般千倍以上），所观察到的表面组织状况如：想的形态、数量、晶界、析出物等统称为显微组织。

显微组织也称高倍组织或微观组织。

15.再结晶
金属材料加工后在退火时其组织形成新晶核并长大取代变形后退货前的组织，称为再结晶。

实验室测定：工业纯钛（TA2）的再结晶开始温度为550℃；TC4钛合金的再结晶开始温度为700℃.
16.等轴组织
在钛及钛合金的组织中，各个方向具有尺寸大致相等的多角或球形的显微组织，称为等轴组织。

其特性是强度高、塑性好、易切削等良好的综合性能。

17.变形
在外加力作用下，材料的组织中原子发生相对位置的改变，宏观表现为形状和尺寸的变化，即产生弹性变形或塑性
变形，统称为变形。

18.塑性变形
在外加力作用下能改变其形状和尺寸，当出去外加力不能恢复其形状和尺寸的变形称为塑性变形。

这种特性也称为范性变形。

对材料断裂之前发生不可逆永久变形的能称为塑性，对塑性的常用判断是断面收缩率和伸长率。

19.弹性变形
在外加力作用下能改变其形状和尺寸，当出去外加力能恢复其形状和尺寸的变形称为弹性变形。

这种特性称为弹性。

20.屈服
外加负荷到一定值时，负荷只是启动指针停止转动并开始回落，表示了外加负荷不增加并减少但是被拉伸的试样继续伸长，这种现象称为屈服。

21.应力
金属材料在外加力作用下，导致其内部之间的相互作用力，称为内力。

单位面积上的内力称为应力。

22.加工硬化
金属材料经塑性变形后，其流变强度（也称屈服强度）提高的现象称为加工硬化。

23.加工软化
金属材料经塑性变形后，继续加工时及流变强度降低的现象称为加工软化。

24.应变
金属材料在外力作用下，导致其原始形状和尺寸的相对变化称为应变，以百分数（%）表示应变。

25.应力---应变曲线
C D
A E :应力（纵坐标）
B C r：应变（横坐标）
0 r
图3
在外加负荷下：OA：弹性变形段
AB:屈服变形段
A点：塑性变形开始，称上屈服点
B点：终止屈服塑性变形，称下屈服点
BC:屈服变形平台，在负荷指示器指针停止
转动继续伸长
C点：屈服变形硬化段
D点：拉伸强度最大，开始产生缩颈
DE:继续缩颈并断裂段
E点：表示断裂。