第六章 钛及其合金

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1、第六章钛及其合金过去钛被称为稀有金属，最近又有人把它归类为轻金属。钛及其合金是第二次世界大战之后，由于航空及航天技术的迫切需要才发展起来的新材料。钛工业开始于1948年。钛合金的突出优点：重量轻、强度高、高低温性能好、耐蚀、比强高（所有结构材料中最高）最高抗拉强度可达1800～2000MPa优秀的耐蚀性（在大气、海水）工作温度范围宽1）耐热钛合金工作温度可达500℃，目前已突破600℃2）低温钛合金在-253℃仍保持良好的塑性。特殊的物理、化学和生物性能和特殊的技术功能（超导、记忆、储氢）钛合金的缺点：导热性、切削加工性差冶炼加工困难，成本高飞机飞行高度

2、为20km，马赫数为3时，飞机机翼前缘蒙皮温度将高达240～315℃。导弹飞行时，当马赫数为4～5时，导弹表面温度高至450℃。第一节工业纯钛一纯钛的性质（一）物性熔点1670℃（1668±10）沸点3535℃密度4.5103kg/m3导电率是Cu的3.6％比电阻（25℃）（42～55）10-6W×cm顺磁性磁化率1875弹性模量112500MPa是Fe的弹性模量的一半左右导热系数（25℃）0.042～0.047cal/s.cm.℃热膨胀系数（25℃）8.510-6/℃比热（0～500℃）0.125～0.140cal/g.℃有同素异晶转变：882℃

3、以上（β--Ti）体心立方晶格882℃以下（α--Ti）密排六方晶格（二）力学性能高纯钛的强度不高，塑性很好。σb＝240MPa；σ0.2＝145MPa；δ％＝55；ψ％＝75微量的O、N、C可强烈提高纯钛的硬度，明显降低其塑性钛的纯度与硬度的关系％Ti99.9599.899.699.599.4HV90145165195225纯钛室温是密排六方晶格，但纯钛在室温下还有这样高的塑性对密排六方晶格金属来说是罕见的。原因是其c/a比值小（<1.633）。c/a比值小可有如下现象：使孪生面增加（在几个晶面上都能形成孪生）。因而，当钛塑性变形时，较易出现孪生，这

4、种重新取向使新的滑移系活化。使得基面之外的其它晶面具有较大的晶面间距。与密排六方元素Zn不同，除基面以外它还有多个滑移面，有利于滑移。（三）钛的化学性能钛的化学性质很活泼液体钛几乎同二氧化钍即ThO2以外的所有坩埚材料起反应，因此只能用真空自耗电弧炉进行熔炼和铸造。在550℃以下的空气中，抗氧化表面形成致密氧化膜，与基体结合紧密防止基体继续氧化，起到良好的保护作用。在550℃以上的空气中，不抗氧化氧能迅速透过氧化膜继续氧化，因此钛的工作温度不能超过550℃钛在海水中的抗蚀性：比铝合金、不锈钢、镍合金还好。HF、H2SO4、HCl、正磷酸和某些热的有机酸对

5、钛的腐蚀作用较强（其中HF的作用最强）Ti容易吸氢纯钛腐蚀的突出特点是：不发生局部腐蚀和晶间腐蚀，一般为均匀腐蚀。二常见杂质的影响O、N、C、H、Fe、Si这些元素与钛形成间隙或置换固溶体，过量时形成脆性化合物。对于机械性能影响最大的是N和O，它们强烈提高钛的强度（硬度），明显降低塑性，其原因如下：由于形成间隙固溶体，（1）发生晶格畸变阻碍位错运动；（2）是钛的c轴增大较多，a轴增大较少，造成c/a增大，使滑移系减少，失去良好的塑性。Brown58年总结出一个各元素含量对布氏硬度影响的关系式:布氏硬度=196+158+45+20+57第二节钛合金的合金化

6、原理一钛的合金化目前国内外生产的钛合金中常用的合金元素有：Al.Sn.Zr.V.Mo.Mn.Fe.Cr.Cu.Si钛合金合金化的主要目的：由于钛与铝、铜等金属不同，它的固态有一个同素异晶转变a、固溶强化；b、利用合金元素对α或β相的稳定作用，来控制α或β的组成，获得预期的性能。固溶强化：形成高浓度固溶体。细晶和第二相强化：利用钛的αβ同素异晶转变，通过合金化和热处理，可以随意得到不同尺寸、形态和分布的a和b相的组织，以得到预期的性能。二钛合金中合金元素的分类按对αβ转变温度的影响和在α及β中固溶度可大致将合金化元素分成三大类。（一）α稳定元素：在α中

7、有较大的溶解度，是强化α相的主要组元。提高αβ温度，扩大α相区。α稳定元素包括：Al.Ga还有C.O.N，其中只有铝在配制合金时得到广泛应用。铝的应用：Al对α固溶体的固溶强化效果最显著，每增加1％铝，b增加50MPa,但当铝大于6％以后，合金中出现α2（Ti3Al）相，使合金塑性降低。Al可以提高α＋β型合金的时效能力，改善抗氧化性能，减小合金的密度，提高弹性模量。（二）β稳定元素在β－Ti中有较大的溶解度，是强化β相的主要元素，降低αβ温度同晶型与共析型与β无限互溶β有限互溶Mo.V.Nb.Fe.Mn.Co.Ta.WCr.Ni.Cu.Si在同样

8、含量时共析型元素的固溶强化效果大于同晶型元素。在常用的β稳定元素中，V最轻（密度