金属材料学 第10章 钛合金

响
根据合金元素对β转变温度的影响，钛的合金 化元素分为：α相稳定化元素、 β相稳定化元素、 中性元素。
①α相稳定化元素：使α相区扩展到高的温度，如 Al
②β相稳定化元素：使β相区扩展到较低的温度， 如Mo、V、Cr、Mn
③ 中性元素 ：对 β转变温度没有影响 ，如Sn、 Zr(锆)、Hf(铪)
稳定型
根据共析反应的速度分为活性共析 元 素 （ 反 应 速 度 快 ， 如 Cu 、 Si ， 一般冷却条件下室温得不到β相） 和非活性共析元素（反应速度极慢， 如Fe、Cr、Mn，通常冷却条件下 β相来不及分解）。
共析反应析出第二相—脆性金属间 化合物TixMy，降低合金塑性和韧 性。
3、淬火马氏体转变
合金成分、热处理工艺、原始组织
1）合金成分的影响
一般情况下，淬火所得亚稳相的时效强化效 果由强到弱的次序：亚稳β， α”， α’。
同一合金系，β元素↑，淬火后亚稳β量↑ ，时 效强化↑ 。 β元素含量=Ck时，强化效果最大。 β元素继续↑ ， β稳定性增大，时效分解程度 下降，析出α数量减少，强化效果。
2）快速冷却时，由于β相析出 α相的过程来不及进行，原始β 相的成分未发生变化，但晶体结构发生了无扩散型的马氏 体相变，形成板条或针状马氏体。
3）β相中原子扩散系数大，β相区加热易形成粗大晶粒。
自β区缓冷组织（魏氏组织）和快冷组织（马氏体）
2、共析转变： β→α+TixMy
β相的共析组织为片层状（类似于 珠光体）。
Tc
Ck
稳定型合金元素浓度与Ms的关系
4、ω相的形成
β稳定型钛合金的成分位于临界浓度Ck附近时，淬火时 除形成α′或βr外，还能形成淬火ω相，用ωq表示。
性
ωq是六方晶格，与β相有共格关系。ω相形状
质 与Me原子半径r有关，r与钛相差较小的合金，ω
相是椭圆形，Δr相差较大时为立方体形
ω相硬而脆，虽↑↑强度、硬度和弹性模量，但
E=100~120GPa
0.332nm
bcc — -Ti
E=60~80GPa
只有在300℃以下，碳纤维增强塑料的比强度才高 于钛合金。在高温下钛合金的比强度特别优异。
几种结构材料与钛合金及钛铝化合物的比强度-使用温度关系比较
主要合金元素有A1、Zr、V 、Mo、Sn、Mn、Cr等。
合金 元素 对合 金相 的影
弥散强化
各种亚 稳相分 解过程
（1）过冷βr相分解 βrα+βxα+βe(平衡)
或 βrωa(回火)+βxωa+α+βxα+βe(平衡) （2）马氏体分解,钛合金α′、α″在300~400℃
发生快速分解，在400~ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ00℃回火时→
弥散度高的α+β相混合物。
（3）ω相的分解.
三、钛合金的热处理
钛合金的热处理工艺主要是退火、固溶处理和 时效处理。
一、 钛的基本性质与合金化
钛
②比强度高。ρ=4.51g/cm3，可保持到550～600℃
的
基
本
③耐蚀性好。形成保护膜, 耐海水腐蚀性是最好的
性 质
④低温性能好。在77K下仍有良好的力学性能
⑤导热系数低。比铁低4.5倍，易产生热应力
-Ti和-Ti的晶体结构
882C
c
0.468nm
0.295nm
-Ti — hcp
第10章 钛合金
Ti从实现工业生产至今才50多年，由于其密度小、 比强度高、耐腐蚀等一系列优异特性，发展非常快， 短时间内已显示出了它强大的生命力，成了航空航 天工业、能源工业、海上运输业、化学工业以及医 疗保健等方面不可缺少的材料。
Ti不是稀有金属，在含量最丰富的结构金属中排第 4位，仅次于Al、Fe、Mg. 但高含Ti量的矿石很少发 现，从未发现过纯钛。由于制取纯钛的难度很大， 只能分批、间歇式地生产，所以钛价格极高。
特 塑性急剧↓。一般情况下,ω相是有害组织，在热
点
处理时都要避开它的形成区间。加Al能抑制ω相
的形成 → 大多数工业用钛合金都含有A1
5、亚稳定相的分解
淬火形成的α′、α″、 ω 和 βr 相 都 是 不 稳 定 的 ， 时效加热时将分解
最终产物为弥散分布 的 平 衡 α+β 相 （ β 共 析 型的分解产物是 α+TixMy化合物）
退火
包括去应力退火、预防白点退火、完全退火和等温退 火，目的：消除应力，除氢，提高组织均匀和稳定性等
淬火(固溶)+时效
是钛合金热处理强化的主要方式，主要用于α+β型钛合 金和β型钛合金。
钛合金的强化热处理与钢和铝的异同点：
1）钢淬火得到的马氏体硬度高（间隙型），强化效果大， 回火是为了降低马氏体硬度，提高韧性。钛淬火得到的 马氏体硬度不高（置换型），强化效果不显著，回火使 马氏体分解产生弥散强化。
2）成分一定的α+β型钛合金由于淬火温度的不同，有两种 强化机制： 高温淬火时（高于β 相变温度）， β相中所含稳定元素 小
于Ck，淬火转变为马氏体，时效时马氏体分解为弥散相 使合金强化。 低温淬火时， β相中所含稳定元素 大于Ck ，淬火得到βr， 时效时βr分解为弥散相使合金强化。
影响淬火时效热处理强化效果的主要因素：
强化后强度可由450MPa增到1000~1200MPa，再 经后续时效处理强度可达1200~1500MPa。
二、 钛合金的相变特点
1、同素异构转变及特点
1）新相和母相有严格的取向关系，缓慢冷却过程中， α相总 是以片状或针状有规则析出，形成魏氏组织。因组织有强 烈的遗传性，不能通过同素异构转变细化晶粒。
稳定型
中性型
（a）Ti-Al
同晶型
共析型
合金元素的质量分数（%） （b）Ti-V(Mo等) （c）Ti-Mn(Cr\Cu\Si等) （d）Ti-Zr
钛与常见合金元素的典型相图
合金元 素对力 学性能 的影响
(1) 固溶强化：通过提高浓度来提高性能。
(2) 弥散强化：通过淬火+时效获得高弥散的 α+ β或金属间化合物来达到强化的目的。
β相(bcc) → α′六方马氏体(hcp)； → α″斜方马氏体。
基 本
合金元素浓度↑，Ms ↓ ，当Ms低于室温， β被冻 结，形成βr，成为β钛合金。
概
念
Ck： Ms↓室温时β相不发生M转变的合金浓度
tc：当T淬↓到一定温度，β相浓度↑到Ck时，淬火到 室温β相也不发生M转变的临界淬火温度。Ck和tc 是非常重要的两个参数。