鈦及鈦合金課件

復習題：1、鋁合金的強化原理與工藝？2、什么是硅鋁明合金？什么是杜拉鋁合金？它們分別是屬于哪類鋁合金？復習題：鈦及鈦合金概述1、新型的結構材料鈦及鈦合金基本上是一類新型的結構材料，在當代的尖端科學技術工業(yè)領域中，如航空、宇航、海洋等中得到廣泛的應用，主要原因：1）比強度高；2）耐腐蝕性；3）良好的低溫性能。2、新型的功能材料它們具有某些特殊的物理、化學、生物特性：形狀記憶合金，TiNi該材料強度與它的密度之比鈦及鈦合金該材料強度與它的密度之比人造骨頭；超導材料等。3、我國鈦資源十分豐富，儲量居世界首位，這是我國發(fā)展鈦工業(yè)的優(yōu)勢。第一節(jié)工業(yè)純鈦一、鈦的基本性質1、物理性質1）兩種同素異晶體：α-Ti;β-Tiα-Tiβ-Ti883℃h.c.pb.c.c純鋁有類似的轉變嗎?鐵呢?人造骨頭；883℃h.c.pb.c.c純鋁有類似的轉變嗎?鐵2)T熔=1668℃3）ρ=7.8×57%=4.4g/cm3,較輕；4）導電、導熱性均較低，線膨脹系數較低；5）無磁性，在很強的磁場下也不會磁化，因此植入人體內的鈦制人造骨架不會受雷雨天氣的影響。2、化學性質鈦在室溫下比較穩(wěn)定，但在高溫下卻很活潑：在熔化狀態(tài)下，能與絕大多數坩堝材料發(fā)生作用；高溫下，與鹵素、氧、硫、碳、氮等元素進行強烈2)T熔=1668℃的反應，而使鈦受到污染。因此，鈦要在真空或惰性氣氛下熔煉。3、耐蝕性質1）在介質中，鈦的標準電極電位很低：

TiTi2++2e,E=-1.63v但鈦的致鈍電位亦低，故鈦容易鈍化2）不同溫度下的耐蝕性：在常溫下，金屬表面極易形成由氧化物和氮化物組成的鈍化膜，它在大氣及許多浸蝕性介質中非常穩(wěn)定，有很好的抗蝕性。的反應，而使鈦受到污染。因此，鈦要在真空或惰性氣氛下熔煉。550℃以下，能與氧形成致密的氧化膜，具有良好的保護作用；

800℃以上，氧化膜會分解，氧原子會以氧化膜為轉換層，進入金屬晶格，此時氧化膜已失去保護作用。4、鈦的機械性能和工藝性能1）純鈦機械性能：強度不太高，塑性好。雖是h.c.p結構，但不象Zn、Mg等，鈦的滑移系較多：Ti:,而Zn、Mg僅僅在基面上。2）鈦的T熔點比Fe與Ni高，但Ti的耐熱性較差，主要550℃以下，能與氧形成致密的氧化膜，具有良好的保護作用；是鈦有較大的自擴散系數以及同素異晶轉變；3）切削性能不好，導熱性差，摩擦系數大。二、雜質元素對鈦性能的影響1、主要雜質元素間隙型元素：O、N、H、C；置換（代位）型元素：Fe、Si。2、影響：鈦的硬度對間隙型雜質元素很敏感，雜質含量愈多，鈦的硬度就愈高。是鈦有較大的自擴散系數以及同素異晶轉變；據此，生產上可以根據鈦的硬度來估計其純度：引入氧當量O當=O%+2N%+0.67C%HV=65+310O、N、C使鈦的強度提高、塑性降低，主要原因是與鈦形成固溶體后晶格發(fā)生畸變，阻礙了位錯的運動；

O、N、C提高α-Ti/β-Ti轉變溫度，使α穩(wěn)定元素；

H元素降低α/β轉變溫度，是β穩(wěn)定元素。據此，生產上可以根據鈦的硬度來估計其純度：H：1）在室溫時氫引起各種氫脆（釘軋位錯線、析出氫化物等）降低措施：原料控制純度、真空冶煉、加熱時采用中性或弱氧化性氣氛、在惰性氣氛焊接、酸洗時避免增氫措施、真空退火去氫；2）高溫時有增塑作用：先用氫作為合金元素增塑，然后再擴散退火。增塑的原因是氫降低形變激活能，即降低原子擴散遷移所必須克服的能壘。H：第二節(jié)鈦的合金化原理純鈦塑性和韌性雖好，但強度低，加入適當合金元素可以明顯改善組織和性能，以滿足工程上不同性能的要求。一、鈦與其他元素之間的作用這些相互作用取決于它們的原子結構、晶體類型與原子尺寸等因素。1、與鈦形成連續(xù)固溶體元素（合金化）這類元素（10個），同族元素、近鄰元素，性質相似、原子尺寸相差小于8%。第二節(jié)鈦的合金化原理其中Zr、Hf與Ti同族，具有相同的晶體結構和同素異晶轉變，因此，與α-Ti與β-Ti形成連續(xù)固溶體；

V、Nb、Ta與Mo具有體心立方結構，即與β-Ti同晶，因此與β-Ti形成連續(xù)固溶體；而與α-Ti形成有限固溶體。2、與鈦形成有限固溶體元素（合金化）由于原子外層電子結構、晶體類型和原子尺寸與鈦都有較大差異，故只能與鈦形成有限固溶體。代位固溶體：Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Ga、Sn、Si間隙固溶體：B、C、O、N、H其中Zr、Hf與Ti同族，具有相同的晶體結構和同素異晶轉變3、在鈦中完全不溶解，而只形成共價鍵或離子鍵化合物;

生產Ti時用到的鹵素，它們位于周期表的最右端：TiCl4、TiI4。4、與鈦不發(fā)生作用：堿金屬、堿土金屬用鹵素還原TiO2得到TiCl4(TiI4)，再用Na(Mg、Ca）與氯結合，使鈦游離出來。二、鈦合金的二元相圖及常用合金元素的作用大致可以分為四類：3、在鈦中完全不溶解，而只形成共價鍵或離子鍵化合物;溫度TiM:中性元素Zr、Hf、SnL+βLβα+βα1、合金元素與α-Ti和β-Ti形成連續(xù)固溶體與Ti同族元素Zr、Hf在α-Ti和β-Ti中均能無限溶解；隨組元濃度增加，β

α轉變溫度雖有所下降，但在實用濃度范圍內，可認為變化不大，故稱中性元素；Zr、Hf對α、β相強化不明顯。(為什么?)溫度TiM:中性元素Zr、Hf、SnL+βLβα+βα1、合Ti-Zr二元相圖Ti-Zr二元相圖2、與β-Ti無限互溶，與α-Ti有限溶解的相圖L+βLβα+βα與β-Ti同晶型元素V、Nb、Ta、Mo等能形成這類相圖；這類元素降低相變點，起穩(wěn)定β相的作用，稱β同晶元素，也稱β相穩(wěn)定元素。溫度TiMe%2、與β-Ti無限互溶，與α-Ti有限溶解的相圖L+βLβαβ同晶元素V與Ti組成的相圖β同晶元素V與Ti組成的相圖3、與β-Ti和α-Ti都形成有限固溶體，β相會發(fā)生共析分解ββ+γα+γαLL+βL+γ溫度TiMe%

與鈦形成這類相圖的元素有鉻、鎢、錳、鐵、鈷、鎳、銅、硅等；這些元素在α和β-Ti中均為有限溶解，降低相變溫度；這些元素與鈦易形成化合物，γ相，是以金屬間化合物為基的固溶體；這類元素稱為共析型β穩(wěn)定元素；α+β3、與β-Ti和α-Ti都形成有限固溶體，β相會發(fā)生共析分解Ti與Cr(共析型β穩(wěn)定元素)組成的相圖Ti與Cr(共析型β穩(wěn)定元素)組成的相圖Ti與Mn(共析型β穩(wěn)定元素)組成的相圖Ti與Mn

非活性共析元素（慢共析元素）鈦與這類過渡族元素形成的共析反應，進行的速度極慢，在通常的冷卻速度下來不及進行，故它們在鈦合金中的作用，與前述β同晶元素有相似之處?；钚驭鹿参鲈兀旃参鲈兀┾伵c銅、硅等非過渡元素形成的共析反應進行極快，在一般的冷卻速度下，不能阻止其進行。因此，這類合金的β相實際很難固定到室溫。共析型β穩(wěn)定元素中最常用的是鐵、錳、鉻，它們穩(wěn)定β相的能力比同晶型的V、Mo等強烈的多，但不能在高溫下長期工作。非活性共析元素（慢共析元素）4、合金元素與α-Ti、β-Ti都形成有限固溶體，但α相由包析反應生成β+γα+γαβLL+βL+γβ+α溫度TiMe%這類元素有如鋁、鎵、鑭、硼等；提高（α+β）/α相變溫度，穩(wěn)定α相，是α穩(wěn)定元素4、合金元素與α-Ti、β-Ti都形成有限固溶體，但α相由包Ti-Al(α穩(wěn)定元素）組成的相圖Ti-Al(α穩(wěn)定元素）組成的相圖三、主要合金元素與相的形成

1、主要合金元素：β同晶元素：V、Mo、Nb、Ta；共析型β相穩(wěn)定元素：Cr、Mn（慢共析元素）

Cu（快共析元素）α穩(wěn)定元素：

Al；中性元素：Zr、Sn；2、分三類（1）α相穩(wěn)定元素，能提高α→β相轉變溫度；三、主要合金元素與相的形成

鋁為什么是鈦合金的一個基本合金元素？1）Al是最有效的α強化元素，起固溶強化作用；2）提高鈦合金的比強度，因為Al的比重輕；3）有效提高低溫強度和高溫強度（550℃以下）；4）顯著提高鈦合金的再結晶溫度；5）增加氫在鈦合金中的溶解度，減輕氫的危害。（2）中性元素合金元素(Sn、Zr）等能有效強化α相，它們在α-Ti與β-Ti中有較大的固溶度，但對α/β相變溫度影響較小，故有中性強化元素。鋁為什么是鈦合金的一個基本合金元素？（3）β相穩(wěn)定元素，一般是降低β相轉變溫度，分二類：1）產生β相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W，隨溫度T降低，β→α+金屬間化合物。共析反應的速率隨元素而異：Cu、Si等合金化時，共析轉變快，析出TiCu2、Ti5Si3;Fe、Mn、Cr、Co、Ni等合金化時：共析轉變速率較慢，即使連續(xù)緩慢冷卻，也可能轉變不完全，保留一些殘余的β相；快冷時，共析反應可以完全被抑制，過冷β相可以保留到室溫；這個過程還與合金含量有關，含量增加，β相可完全過冷到室溫。（3）β相穩(wěn)定元素，一般是降低β相轉變溫度，分二類：2)Mo、V、Nb、Ta等，二元相圖上不產生β相共析分解，但慢冷時析出α相，快冷時有α’馬氏體相變αβMfMsβ穩(wěn)定元素質量分數/%溫度α+β鈦合金加熱到β相區(qū)，根據合金成分和冷卻條件不同，可能發(fā)生各種轉變，分別加以討論：β相在慢冷過程中的轉變

α相析出是一個有形核與長大的過程。請分析不同合金的室溫組織。C1C2C4C32)Mo、V、Nb、Ta等，二元相圖上不產生β相共析分解，Ti-5Al-2.5Sn合金加熱到1175℃空冷，組織為次生晶界α+晶內α集束次生晶界α晶內α集束Ti-5Al-2.5Sn合金加熱到1175℃爐冷，粗片狀ααTi-5Al-2.5Sn合金加熱到1175℃空冷，組織為次生Ti-6Al-4V合金加熱到1065℃爐冷，層狀α（白）+晶間β（黑）Ti-6Al-4V合金從高溫β相區(qū)空冷，魏氏組織工業(yè)純鈦從高溫β相區(qū)空冷，網藍狀組織αβTi-6Al-4V合金加熱到1065℃爐冷，層狀α（白）+晶高溫β相淬火快冷時，可以發(fā)生馬氏體相變，合金元素對β相快冷時相變有影響，含量不同時可能獲得不同的快冷組織（馬氏體強化效果不明顯，為什么？）：合金含量較低（小于c1)時，β相在快冷淬火時發(fā)生完全的馬氏體相變，形成α’相（α’馬氏體為h.c.p結構，是合金元素在α相中的過飽和固溶體，非擴散性產物，分板狀馬氏體和針狀馬氏體）；合金含量較高（C1≤M%≤C2)時，可能有部分β相殘留下來，得到α’+殘余β組織，有時淬火溫度高時，會形成一種ω相（亞穩(wěn)相，六方晶格）：見下圖所示；合金含量達C2≤M%≤C3時，馬氏體轉變被完全抑高溫β相淬火快冷時，可以發(fā)生馬氏體相變，合金元素對β相快冷時Ti-6Al-4V合金955℃水淬，組織α’+α初α初Ti-9Mo合金淬火，組織細針α’’Ti-6Al-4V合金955℃水淬，組織α’+α初α初Ti-鈦合金淬火板條α’，TEM,X24000Ti-8.5Mo-0.5Si合金,1000℃水淬，孿晶α’’，TEM,5000Xβ轉變ω相也是一種無擴散性轉變,它形核容易,長大困難,因此尺寸細小!鈦合金淬火板條α’，TEM,X24000Ti-8.5Mo-0Ti-8Fe,900℃固溶+400℃×4h時效，立方體形ω相，TEM(暗場）Ti-11.5Mo-4.5Sn-6Zr合金，900℃固溶+480℃時效5min，橢球形ω相1）ω相為鈦合金淬火形成的ω相，尺寸?。?—10nm），它的形態(tài)、尺寸與穩(wěn)定性決定于ω/β界面的錯配度；2）ω相是一種硬而脆的相，ω相的出現，強烈提高合金的硬度和彈性模量，降低塑性；3）為防止ω相的形成，a.應控制淬火時效工藝，避免低溫時效;b.加鋁、鋯、錫等Ti-8Fe,900℃固溶+400℃×4h時效，立方體形ω制，只有殘留β相存在。但這種殘留β相在機械外力作用下，不穩(wěn)定的，分解為ω相；④當合金含量≥C3時，應力不起作用，殘留β相穩(wěn)定，不再分解。四、β相共析轉變及等溫轉變1、共析轉變鈦與某些β共析元素組成的合金系，在一定的成分范圍和溫度條件下，發(fā)生共析轉變：

β→α+TixMy

共析轉變速度與共析溫度（合金元素）有關制，只有殘留β相存在。但這種殘留β相在機械外力作用下，不穩(wěn)定①溫度較高，共析轉變容易如Ti-Si、Ti-Cu、Ti-Au等②溫度較低，共析轉變不容易，極慢如Ti-Mn(Fe、Cr），在共析溫度（550℃），保溫長達三個星期，還沒有開始轉變。由于共析轉變產物對合金的塑性及韌性十分不利，并降低合金熱穩(wěn)定性，因此這些合金元素受到限制，特別是不宜加入耐熱鈦合金中。2、等溫轉變高溫β相和亞穩(wěn)定β相都可以等溫分解，其分解①溫度較高，共析轉變容易動力學可用C曲線表達，如下圖所示。等溫轉變分高溫部分和低溫部分。高溫區(qū)域保溫時，β相直接析出α相；隨溫度下降，分解產物愈細，α相彌散度愈大，合金強度和硬度愈高。低溫區(qū)保溫時，由于原子擴散比較困難，β相不能直接析出α相，而先形成ω過渡相，隨時間增加，ω相轉變成α相。影響β相等溫轉變動力學C曲線的主要因素：合金成分、固溶溫度及應力狀態(tài)等：動力學可用C曲線表達，如下圖所示。等溫轉變分高溫部分和低溫部鈦合金過冷β相等溫轉變示意圖鈦合金過冷β相等溫轉變示意圖1）β穩(wěn)定化元素含量的增加，C曲線向右下方移動等；2）α穩(wěn)定化元素含量增加，加速β相分解，C曲線左移。

合金元素不僅影響C曲線的位置,而且改變C曲線的形狀。3、用C曲線近似判斷連續(xù)冷卻時合金的組織轉變過程如下圖所示，不同的冷卻曲線將得到不同的室溫組織：1）水淬（冷卻曲線1）可以得到α’+β；2）油淬（冷卻曲線2）得到α’+ω+β；3）冷卻曲線3得到ω+β；1）β穩(wěn)定化元素含量的增加，C曲線向右下方移動等；4）冷卻曲線4，則得到α+β兩相組織。鈦合金連續(xù)冷卻時的組織轉變示意圖4）冷卻曲線4，則得到α+β兩相組織。鈦合金連續(xù)冷卻時的組織五、時效過程中亞穩(wěn)定相的分解鈦合金淬火形成的α’、α’’、ω和βm的亞穩(wěn)定相，在熱力學上是不穩(wěn)定的，加熱時將要發(fā)生分解；分解過程復雜：不同的亞穩(wěn)相分解不一樣；同一種亞穩(wěn)相，因成分與時效工藝不同，也不一樣。最終分解產物：α+β或α+TixMy;

五、時效過程中亞穩(wěn)定相的分解

在時效分解過程的一定階段,可以獲得彌散的α+β相,使合金產生彌散強化,這就是鈦合金淬火強化的基本原理.(1)六方馬氏體α’的分解

α’→β+α

α’→過渡相→α+TixMy

α’→β→β+TixMy（2）斜方馬氏體α’’的分解根據鈦合金Ms點高低，α’’相可出現兩種不同分解與鋁合金時效分解相似初期在時效分解過程的一定階段,可以獲得彌散的α+β相,使合金產方式：α’’→β+αα’’→β→β相再分解3、亞穩(wěn)定β的分解：βm→α+β（如下圖a所示）βm→β+ωa→β+ωa+α→β+αβm→β+β’→β+β’+α→β+α(β’顆粒極小，晶體結構與βm相同）（如下圖b所示）4、ω分解：ω相是β穩(wěn)定元素在α-Ti中過飽和固溶體,與α’’相的分解基本相同：α’’→β+α方式：a、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金，815℃固溶+675℃6h時效，從β相析出α（黑點），X250合金濃度較低的合金在高溫時效時的析出情況a、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金，815℃Ti-40(at)%Nb合金，900℃固溶+400℃時效24小時，在富集β基體上析出貧乏β’，X31000合金濃度高或添加抑制ω相形成元素的合金，先形成過渡相，然后再轉變成平衡組織Ti-40(at)%Nb合金，900℃固溶+400℃時效24六、鈦合金分類可以根據成分和室溫基本組織（退火組織）特點分類：1、α-Ti合金顯微組織是α相組織:含有α相穩(wěn)定合金元素(如鋁)及一些中性強化元素(Zr、Sn、Hf）；當加入少量β相穩(wěn)定元素時，可以得到近α-Ti合金，顯微組織上除α相基體外，還有少量β相，如Ti-8Al-1Mo-1V。2、α+β鈦合金六、鈦合金分類

含有較多的α相穩(wěn)定元素和β相穩(wěn)定元素，具有α+β相混合組織結構；這些相的形貌與數量依成分、熱加工變形與熱處理方式而變；這類合金強度可以到達很高的水平，如Ti-6Al-4V。3、β-鈦合金和近β-鈦合金（1）這類合金含有大量的β相穩(wěn)定元素，多數還有Al、Zr、Sn等，在室溫，強度可以達到α+β鈦合金水平；但工藝性能更好；但高溫強度不如α+β；（2）近β鈦合金含有較多的α相穩(wěn)定元素和β相穩(wěn)定元素，具有α+β相混合組織

顯微組織為α+β，但α（少量）作為強化相分布于β相之間；相的形態(tài)、分布、尺寸、數量等與熱加工、熱處理有關。七、鈦合金熱處理為了改善鈦合金的性能，除了合金化外，還要進行適當熱處理；常見熱處理：1）退火處理：應用于各種鈦合金，是工業(yè)純鈦與α型鈦合金唯一的熱處理方式；顯微組織為α+β，但α（少量）作為強化相分布于β相之間；2）淬火時效：可用于α+β、α+化合物和亞穩(wěn)定型β型鈦合金。1、退火目的為了消除應力、提高塑性以及穩(wěn)定組織；有應力退火、再結晶退火、等溫退火以及真空去氫退火。舉例：1）消除冷變形、鑄造以及焊接等工藝過程中產生的內應力，可以采取去應力退火，退火過程主要是發(fā)生回復；

2）為了消除加工硬化、穩(wěn)定組織和提高塑性。2）淬火時效：可選用完全退火。這一過程主要發(fā)生再結晶，也稱再結晶退火；當再結晶發(fā)生時，α相、β相在組成、形態(tài)和數量上產生變化，性能就改變。大部分α和α+β鈦合金都是在完全退火狀態(tài)下使用；退火溫度介于再結晶溫度與相變溫度之間。2、強化熱處理（淬火時效處理）鈦合金的強化熱處理兼有鋼和鋁合金的特點，但又與它們有區(qū)別，其主要異同點有：（1）鋼與鈦合金淬火都可以得到馬氏體：可選用完全退火。

但鋼的馬氏體硬度高，強化效果大，回火使鋼軟化；而鈦馬氏體硬度不高，強化效果不高，回火（時效）使合金彌散硬化。（2）成分一定的鋼或鋁合金，只有一個強化機理；而成分一定的（α+β）鈦合金卻視淬火溫度的不同，有二種不完全相同的強化機制：加熱溫度較高時，β相中所含β穩(wěn)定元素小于臨界濃度，淬火轉變?yōu)轳R氏體，時效時馬氏體分解為彌散相使合金強化；若加熱溫度較低時，β相中所含β穩(wěn)定元素大于臨但鋼的馬氏體硬度高，強化效果大，回火使鋼軟化；溫度c1c2c3αβα+βMsMfc4濃度%界濃度，則淬火得過冷β相，時效時β相分解為彌散相使合金強化；（3）鈦合金的固溶處理和時效過程與鋁合金基本相似。鈦合金的強化熱處理主要用于（α+β）型及β型合金。β合金的強化實質上屬于固溶時效強化，因為加熱時β相的成分總是大于臨界濃度，故溫度c1c2c3αβα+βMsMfc4濃度%界濃度，則淬火得不形成馬氏體；對于α+β兩相合金，則決定于淬火組織（馬氏體α’或亞穩(wěn)β相），也就是和實際淬火溫度有關。不形成馬氏體；對于α+β兩相合金，則決定于淬火組織（馬氏體α復習題：1、鋁合金的強化原理與工藝？2、什么是硅鋁明合金？什么是杜拉鋁合金？它們分別是屬于哪類鋁合金？復習題：鈦及鈦合金概述1、新型的結構材料鈦及鈦合金基本上是一類新型的結構材料，在當代的尖端科學技術工業(yè)領域中，如航空、宇航、海洋等中得到廣泛的應用，主要原因：1）比強度高；2）耐腐蝕性；3）良好的低溫性能。2、新型的功能材料它們具有某些特殊的物理、化學、生物特性：形狀記憶合金，TiNi該材料強度與它的密度之比鈦及鈦合金該材料強度與它的密度之比人造骨頭；超導材料等。3、我國鈦資源十分豐富，儲量居世界首位，這是我國發(fā)展鈦工業(yè)的優(yōu)勢。第一節(jié)工業(yè)純鈦一、鈦的基本性質1、物理性質1）兩種同素異晶體：α-Ti;β-Tiα-Tiβ-Ti883℃h.c.pb.c.c純鋁有類似的轉變嗎?鐵呢?人造骨頭；883℃h.c.pb.c.c純鋁有類似的轉變嗎?鐵2)T熔=1668℃3）ρ=7.8×57%=4.4g/cm3,較輕；4）導電、導熱性均較低，線膨脹系數較低；5）無磁性，在很強的磁場下也不會磁化，因此植入人體內的鈦制人造骨架不會受雷雨天氣的影響。2、化學性質鈦在室溫下比較穩(wěn)定，但在高溫下卻很活潑：在熔化狀態(tài)下，能與絕大多數坩堝材料發(fā)生作用；高溫下，與鹵素、氧、硫、碳、氮等元素進行強烈2)T熔=1668℃的反應，而使鈦受到污染。因此，鈦要在真空或惰性氣氛下熔煉。3、耐蝕性質1）在介質中，鈦的標準電極電位很低：

TiTi2++2e,E=-1.63v但鈦的致鈍電位亦低，故鈦容易鈍化2）不同溫度下的耐蝕性：在常溫下，金屬表面極易形成由氧化物和氮化物組成的鈍化膜，它在大氣及許多浸蝕性介質中非常穩(wěn)定，有很好的抗蝕性。的反應，而使鈦受到污染。因此，鈦要在真空或惰性氣氛下熔煉。550℃以下，能與氧形成致密的氧化膜，具有良好的保護作用；

800℃以上，氧化膜會分解，氧原子會以氧化膜為轉換層，進入金屬晶格，此時氧化膜已失去保護作用。4、鈦的機械性能和工藝性能1）純鈦機械性能：強度不太高，塑性好。雖是h.c.p結構，但不象Zn、Mg等，鈦的滑移系較多：Ti:,而Zn、Mg僅僅在基面上。2）鈦的T熔點比Fe與Ni高，但Ti的耐熱性較差，主要550℃以下，能與氧形成致密的氧化膜，具有良好的保護作用；是鈦有較大的自擴散系數以及同素異晶轉變；3）切削性能不好，導熱性差，摩擦系數大。二、雜質元素對鈦性能的影響1、主要雜質元素間隙型元素：O、N、H、C；置換（代位）型元素：Fe、Si。2、影響：鈦的硬度對間隙型雜質元素很敏感，雜質含量愈多，鈦的硬度就愈高。是鈦有較大的自擴散系數以及同素異晶轉變；據此，生產上可以根據鈦的硬度來估計其純度：引入氧當量O當=O%+2N%+0.67C%HV=65+310O、N、C使鈦的強度提高、塑性降低，主要原因是與鈦形成固溶體后晶格發(fā)生畸變，阻礙了位錯的運動；

O、N、C提高α-Ti/β-Ti轉變溫度，使α穩(wěn)定元素；

H元素降低α/β轉變溫度，是β穩(wěn)定元素。據此，生產上可以根據鈦的硬度來估計其純度：H：1）在室溫時氫引起各種氫脆（釘軋位錯線、析出氫化物等）降低措施：原料控制純度、真空冶煉、加熱時采用中性或弱氧化性氣氛、在惰性氣氛焊接、酸洗時避免增氫措施、真空退火去氫；2）高溫時有增塑作用：先用氫作為合金元素增塑，然后再擴散退火。增塑的原因是氫降低形變激活能，即降低原子擴散遷移所必須克服的能壘。H：第二節(jié)鈦的合金化原理純鈦塑性和韌性雖好，但強度低，加入適當合金元素可以明顯改善組織和性能，以滿足工程上不同性能的要求。一、鈦與其他元素之間的作用這些相互作用取決于它們的原子結構、晶體類型與原子尺寸等因素。1、與鈦形成連續(xù)固溶體元素（合金化）這類元素（10個），同族元素、近鄰元素，性質相似、原子尺寸相差小于8%。第二節(jié)鈦的合金化原理其中Zr、Hf與Ti同族，具有相同的晶體結構和同素異晶轉變，因此，與α-Ti與β-Ti形成連續(xù)固溶體；

V、Nb、Ta與Mo具有體心立方結構，即與β-Ti同晶，因此與β-Ti形成連續(xù)固溶體；而與α-Ti形成有限固溶體。2、與鈦形成有限固溶體元素（合金化）由于原子外層電子結構、晶體類型和原子尺寸與鈦都有較大差異，故只能與鈦形成有限固溶體。代位固溶體：Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Ga、Sn、Si間隙固溶體：B、C、O、N、H其中Zr、Hf與Ti同族，具有相同的晶體結構和同素異晶轉變3、在鈦中完全不溶解，而只形成共價鍵或離子鍵化合物;

生產Ti時用到的鹵素，它們位于周期表的最右端：TiCl4、TiI4。4、與鈦不發(fā)生作用：堿金屬、堿土金屬用鹵素還原TiO2得到TiCl4(TiI4)，再用Na(Mg、Ca）與氯結合，使鈦游離出來。二、鈦合金的二元相圖及常用合金元素的作用大致可以分為四類：3、在鈦中完全不溶解，而只形成共價鍵或離子鍵化合物;溫度TiM:中性元素Zr、Hf、SnL+βLβα+βα1、合金元素與α-Ti和β-Ti形成連續(xù)固溶體與Ti同族元素Zr、Hf在α-Ti和β-Ti中均能無限溶解；隨組元濃度增加，β

α轉變溫度雖有所下降，但在實用濃度范圍內，可認為變化不大，故稱中性元素；Zr、Hf對α、β相強化不明顯。(為什么?)溫度TiM:中性元素Zr、Hf、SnL+βLβα+βα1、合Ti-Zr二元相圖Ti-Zr二元相圖2、與β-Ti無限互溶，與α-Ti有限溶解的相圖L+βLβα+βα與β-Ti同晶型元素V、Nb、Ta、Mo等能形成這類相圖；這類元素降低相變點，起穩(wěn)定β相的作用，稱β同晶元素，也稱β相穩(wěn)定元素。溫度TiMe%2、與β-Ti無限互溶，與α-Ti有限溶解的相圖L+βLβαβ同晶元素V與Ti組成的相圖β同晶元素V與Ti組成的相圖3、與β-Ti和α-Ti都形成有限固溶體，β相會發(fā)生共析分解ββ+γα+γαLL+βL+γ溫度TiMe%

與鈦形成這類相圖的元素有鉻、鎢、錳、鐵、鈷、鎳、銅、硅等；這些元素在α和β-Ti中均為有限溶解，降低相變溫度；這些元素與鈦易形成化合物，γ相，是以金屬間化合物為基的固溶體；這類元素稱為共析型β穩(wěn)定元素；α+β3、與β-Ti和α-Ti都形成有限固溶體，β相會發(fā)生共析分解Ti與Cr(共析型β穩(wěn)定元素)組成的相圖Ti與Cr(共析型β穩(wěn)定元素)組成的相圖Ti與Mn(共析型β穩(wěn)定元素)組成的相圖Ti與Mn

非活性共析元素（慢共析元素）鈦與這類過渡族元素形成的共析反應，進行的速度極慢，在通常的冷卻速度下來不及進行，故它們在鈦合金中的作用，與前述β同晶元素有相似之處?；钚驭鹿参鲈兀旃参鲈兀┾伵c銅、硅等非過渡元素形成的共析反應進行極快，在一般的冷卻速度下，不能阻止其進行。因此，這類合金的β相實際很難固定到室溫。共析型β穩(wěn)定元素中最常用的是鐵、錳、鉻，它們穩(wěn)定β相的能力比同晶型的V、Mo等強烈的多，但不能在高溫下長期工作。非活性共析元素（慢共析元素）4、合金元素與α-Ti、β-Ti都形成有限固溶體，但α相由包析反應生成β+γα+γαβLL+βL+γβ+α溫度TiMe%這類元素有如鋁、鎵、鑭、硼等；提高（α+β）/α相變溫度，穩(wěn)定α相，是α穩(wěn)定元素4、合金元素與α-Ti、β-Ti都形成有限固溶體，但α相由包Ti-Al(α穩(wěn)定元素）組成的相圖Ti-Al(α穩(wěn)定元素）組成的相圖三、主要合金元素與相的形成

1、主要合金元素：β同晶元素：V、Mo、Nb、Ta；共析型β相穩(wěn)定元素：Cr、Mn（慢共析元素）

Cu（快共析元素）α穩(wěn)定元素：

Al；中性元素：Zr、Sn；2、分三類（1）α相穩(wěn)定元素，能提高α→β相轉變溫度；三、主要合金元素與相的形成

鋁為什么是鈦合金的一個基本合金元素？1）Al是最有效的α強化元素，起固溶強化作用；2）提高鈦合金的比強度，因為Al的比重輕；3）有效提高低溫強度和高溫強度（550℃以下）；4）顯著提高鈦合金的再結晶溫度；5）增加氫在鈦合金中的溶解度，減輕氫的危害。（2）中性元素合金元素(Sn、Zr）等能有效強化α相，它們在α-Ti與β-Ti中有較大的固溶度，但對α/β相變溫度影響較小，故有中性強化元素。鋁為什么是鈦合金的一個基本合金元素？（3）β相穩(wěn)定元素，一般是降低β相轉變溫度，分二類：1）產生β相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W，隨溫度T降低，β→α+金屬間化合物。共析反應的速率隨元素而異：Cu、Si等合金化時，共析轉變快，析出TiCu2、Ti5Si3;Fe、Mn、Cr、Co、Ni等合金化時：共析轉變速率較慢，即使連續(xù)緩慢冷卻，也可能轉變不完全，保留一些殘余的β相；快冷時，共析反應可以完全被抑制，過冷β相可以保留到室溫；這個過程還與合金含量有關，含量增加，β相可完全過冷到室溫。（3）β相穩(wěn)定元素，一般是降低β相轉變溫度，分二類：2)Mo、V、Nb、Ta等，二元相圖上不產生β相共析分解，但慢冷時析出α相，快冷時有α’馬氏體相變αβMfMsβ穩(wěn)定元素質量分數/%溫度α+β鈦合金加熱到β相區(qū)，根據合金成分和冷卻條件不同，可能發(fā)生各種轉變，分別加以討論：β相在慢冷過程中的轉變

α相析出是一個有形核與長大的過程。請分析不同合金的室溫組織。C1C2C4C32)Mo、V、Nb、Ta等，二元相圖上不產生β相共析分解，Ti-5Al-2.5Sn合金加熱到1175℃空冷，組織為次生晶界α+晶內α集束次生晶界α晶內α集束Ti-5Al-2.5Sn合金加熱到1175℃爐冷，粗片狀ααTi-5Al-2.5Sn合金加熱到1175℃空冷，組織為次生Ti-6Al-4V合金加熱到1065℃爐冷，層狀α（白）+晶間β（黑）Ti-6Al-4V合金從高溫β相區(qū)空冷，魏氏組織工業(yè)純鈦從高溫β相區(qū)空冷，網藍狀組織αβTi-6Al-4V合金加熱到1065℃爐冷，層狀α（白）+晶高溫β相淬火快冷時，可以發(fā)生馬氏體相變，合金元素對β相快冷時相變有影響，含量不同時可能獲得不同的快冷組織（馬氏體強化效果不明顯，為什么？）：合金含量較低（小于c1)時，β相在快冷淬火時發(fā)生完全的馬氏體相變，形成α’相（α’馬氏體為h.c.p結構，是合金元素在α相中的過飽和固溶體，非擴散性產物，分板狀馬氏體和針狀馬氏體）；合金含量較高（C1≤M%≤C2)時，可能有部分β相殘留下來，得到α’+殘余β組織，有時淬火溫度高時，會形成一種ω相（亞穩(wěn)相，六方晶格）：見下圖所示；合金含量達C2≤M%≤C3時，馬氏體轉變被完全抑高溫β相淬火快冷時，可以發(fā)生馬氏體相變，合金元素對β相快冷時Ti-6Al-4V合金955℃水淬，組織α’+α初α初Ti-9Mo合金淬火，組織細針α’’Ti-6Al-4V合金955℃水淬，組織α’+α初α初Ti-鈦合金淬火板條α’，TEM,X24000Ti-8.5Mo-0.5Si合金,1000℃水淬，孿晶α’’，TEM,5000Xβ轉變ω相也是一種無擴散性轉變,它形核容易,長大困難,因此尺寸細小!鈦合金淬火板條α’，TEM,X24000Ti-8.5Mo-0Ti-8Fe,900℃固溶+400℃×4h時效，立方體形ω相，TEM(暗場）Ti-11.5Mo-4.5Sn-6Zr合金，900℃固溶+480℃時效5min，橢球形ω相1）ω相為鈦合金淬火形成的ω相，尺寸?。?—10nm），它的形態(tài)、尺寸與穩(wěn)定性決定于ω/β界面的錯配度；2）ω相是一種硬而脆的相，ω相的出現，強烈提高合金的硬度和彈性模量，降低塑性；3）為防止ω相的形成，a.應控制淬火時效工藝，避免低溫時效;b.加鋁、鋯、錫等Ti-8Fe,900℃固溶+400℃×4h時效，立方體形ω制，只有殘留β相存在。但這種殘留β相在機械外力作用下，不穩(wěn)定的，分解為ω相；④當合金含量≥C3時，應力不起作用，殘留β相穩(wěn)定，不再分解。四、β相共析轉變及等溫轉變1、共析轉變鈦與某些β共析元素組成的合金系，在一定的成分范圍和溫度條件下，發(fā)生共析轉變：

β→α+TixMy

共析轉變速度與共析溫度（合金元素）有關制，只有殘留β相存在。但這種殘留β相在機械外力作用下，不穩(wěn)定①溫度較高，共析轉變容易如Ti-Si、Ti-Cu、Ti-Au等②溫度較低，共析轉變不容易，極慢如Ti-Mn(Fe、Cr），在共析溫度（550℃），保溫長達三個星期，還沒有開始轉變。由于共析轉變產物對合金的塑性及韌性十分不利，并降低合金熱穩(wěn)定性，因此這些合金元素受到限制，特別是不宜加入耐熱鈦合金中。2、等溫轉變高溫β相和亞穩(wěn)定β相都可以等溫分解，其分解①溫度較高，共析轉變容易動力學可用C曲線表達，如下圖所示。等溫轉變分高溫部分和低溫部分。高溫區(qū)域保溫時，β相直接析出α相；隨溫度下降，分解產物愈細，α相彌散度愈大，合金強度和硬度愈高。低溫區(qū)保溫時，由于原子擴散比較困難，β相不能直接析出α相，而先形成ω過渡相，隨時間增加，ω相轉變成α相。影響β相等溫轉變動力學C曲線的主要因素：合金成分、固溶溫度及應力狀態(tài)等：動力學可用C曲線表達，如下圖所示。等溫轉變分高溫部分和低溫部鈦合金過冷β相等溫轉變示意圖鈦合金過冷β相等溫轉變示意圖1）β穩(wěn)定化元素含量的增加，C曲線向右下方移動等；2）α穩(wěn)定化元素含量增加，加速β相分解，C曲線左移。

合金元素不僅影響C曲線的位置,而且改變C曲線的形狀。3、用C曲線近似判斷連續(xù)冷卻時合金的組織轉變過程如下圖所示，不同的冷卻曲線將得到不同的室溫組織：1）水淬（冷卻曲線1）可以得到α’+β；2）油淬（冷卻曲線2）得到α’+ω+β；3）冷卻曲線3得到ω+β；1）β穩(wěn)定化元素含量的增加，C曲線向右下方移動等；4）冷卻曲線4，則得到α+β兩相組織。鈦合金連續(xù)冷卻時的組織轉變示意圖4）冷卻曲線4，則得到α+β兩相組織。鈦合金連續(xù)冷卻時的組織五、時效過程中亞穩(wěn)定相的分解鈦合金淬火形成的α’、α’’、ω和βm的亞穩(wěn)定相，在熱力學上是不穩(wěn)定的，加熱時將要發(fā)生分解；分解過程復雜：不同的亞穩(wěn)相分解不一樣；同一種亞穩(wěn)相，因成分與時效工藝不同，也不一樣。最終分解產物：α+β或α+TixMy;

五、時效過程中亞穩(wěn)定相的分解

在時效分解過程的一定階段,可以獲得彌散的α+β相,使合金產生彌散強化,這就是鈦合金淬火強化的基本原理.(1)六方馬氏體α’的分解

α’→β+α

α’→過渡相→α+TixMy

α’→β→β+TixMy（2）斜方馬氏體α’’的分解根據鈦合金Ms點高低，α’’相可出現兩種不同分解與鋁合金時效分解相似初期在時效分解過程的一定階段,可以獲得彌散的α+β相,使合金產方式：α’’→β+αα’’→β→β相再分解3、亞穩(wěn)定β的分解：βm→α+β（如下圖a所示）βm→β+ωa→β+ωa+α→β+αβm→β+β’→β+β’+α→β+α(β’顆粒極小，晶體結構與βm相同）（如下圖b所示）4、ω分解：ω相是β穩(wěn)定元素在α-Ti中過飽和固溶體,與α’’相的分解