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复习题:1、铝合金的强化原理与工艺?2、什么是硅铝明合金?什么是杜拉铝合金?它们分别是属于哪类铝合金?钛及钛合金概述1、新型的结构材料钛及钛合金基本上是一类新型的结构材料,在当代的尖端科学技术工业领域中,如航空、宇航、海洋等中得到广泛的应用,主要原因:1)比强度高;2)耐腐蚀性;3)良好的低温性能。2、新型的功能材料它们具有某些特殊的物理、化学、生物特性:形状记忆合金,TiNi该材料强度与它的密度之比人造骨头;超导材料等。3、我国钛资源十分丰富,储量居世界首位,这是我国发展钛工业的优势。第一节工业纯钛一、钛的基本性质1、物理性质1)两种同素异晶体:α-Ti;β-Tiα-Tiβ-Ti883℃h.c.pb.c.c纯铝有类似的转变吗?铁呢?2)T熔=1668℃3)ρ=7.8×57%=4.4g/cm3,较轻;4)导电、导热性均较低,线膨胀系数较低;5)无磁性,在很强的磁场下也不会磁化,因此植入人体内的钛制人造骨架不会受雷雨天气的影响。2、化学性质钛在室温下比较稳定,但在高温下却很活泼:在熔化状态下,能与绝大多数坩埚材料发生作用;高温下,与卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈的反应,而使钛受到污染。因此,钛要在真空或惰性气氛下熔炼。3、耐蚀性质1)在介质中,钛的标准电极电位很低:TiTi2++2e,E=-1.63v但钛的致钝电位亦低,故钛容易钝化2)不同温度下的耐蚀性:在常温下,金属表面极易形成由氧化物和氮化物组成的钝化膜,它在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定,有很好的抗蚀性。550℃以下,能与氧形成致密的氧化膜,具有良好的保护作用;800℃以上,氧化膜会分解,氧原子会以氧化膜为转换层,进入金属晶格,此时氧化膜已失去保护作用。4、钛的机械性能和工艺性能1)纯钛机械性能:强度不太高,塑性好。虽是h.c.p结构,但不象Zn、Mg等,钛的滑移系较多:Ti:,而Zn、Mg仅仅在基面上。2)钛的T熔点比Fe与Ni高,但Ti的耐热性较差,主要01100001是钛有较大的自扩散系数以及同素异晶转变;3)切削性能不好,导热性差,摩擦系数大。二、杂质元素对钛性能的影响1、主要杂质元素间隙型元素:O、N、H、C;置换(代位)型元素:Fe、Si。2、影响:钛的硬度对间隙型杂质元素很敏感,杂质含量愈多,钛的硬度就愈高。据此,生产上可以根据钛的硬度来估计其纯度:引入氧当量O当=O%+2N%+0.67C%HV=65+310O、N、C使钛的强度提高、塑性降低,主要原因是与钛形成固溶体后晶格发生畸变,阻碍了位错的运动;O、N、C提高α-Ti/β-Ti转变温度,使α稳定元素;H元素降低α/β转变温度,是β稳定元素。当OH:1)在室温时氢引起各种氢脆(钉轧位错线、析出氢化物等)降低措施:原料控制纯度、真空冶炼、加热时采用中性或弱氧化性气氛、在惰性气氛焊接、酸洗时避免增氢措施、真空退火去氢;2)高温时有增塑作用:先用氢作为合金元素增塑,然后再扩散退火。增塑的原因是氢降低形变激活能,即降低原子扩散迁移所必须克服的能垒。第二节钛的合金化原理纯钛塑性和韧性虽好,但强度低,加入适当合金元素可以明显改善组织和性能,以满足工程上不同性能的要求。一、钛与其他元素之间的作用这些相互作用取决于它们的原子结构、晶体类型与原子尺寸等因素。1、与钛形成连续固溶体元素(合金化)这类元素(10个),同族元素、近邻元素,性质相似、原子尺寸相差小于8%。其中Zr、Hf与Ti同族,具有相同的晶体结构和同素异晶转变,因此,与α-Ti与β-Ti形成连续固溶体;V、Nb、Ta与Mo具有体心立方结构,即与β-Ti同晶,因此与β-Ti形成连续固溶体;而与α-Ti形成有限固溶体。2、与钛形成有限固溶体元素(合金化)由于原子外层电子结构、晶体类型和原子尺寸与钛都有较大差异,故只能与钛形成有限固溶体。代位固溶体:Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Ga、Sn、Si间隙固溶体:B、C、O、N、H3、在钛中完全不溶解,而只形成共价键或离子键化合物;生产Ti时用到的卤素,它们位于周期表的最右端:TiCl4、TiI4。4、与钛不发生作用:碱金属、碱土金属用卤素还原TiO2得到TiCl4(TiI4),再用Na(Mg、Ca)与氯结合,使钛游离出来。二、钛合金的二元相图及常用合金元素的作用大致可以分为四类:温度TiM:中性元素Zr、Hf、SnL+βLβα+βα1、合金元素与α-Ti和β-Ti形成连续固溶体与Ti同族元素Zr、Hf在α-Ti和β-Ti中均能无限溶解;随组元浓度增加,βα转变温度虽有所下降,但在实用浓度范围内,可认为变化不大,故称中性元素;Zr、Hf对α、β相强化不明显。(为什么?)Ti-Zr二元相图2、与β-Ti无限互溶,与α-Ti有限溶解的相图L+βLβα+βα与β-Ti同晶型元素V、Nb、Ta、Mo等能形成这类相图;这类元素降低相变点,起稳定β相的作用,称β同晶元素,也称β相稳定元素。温度TiMe%β同晶元素V与Ti组成的相图3、与β-Ti和α-Ti都形成有限固溶体,β相会发生共析分解ββ+γα+γαLL+βL+γ温度TiMe%与钛形成这类相图的元素有铬、钨、锰、铁、钴、镍、铜、硅等;这些元素在α和β-Ti中均为有限溶解,降低相变温度;这些元素与钛易形成化合物,γ相,是以金属间化合物为基的固溶体;这类元素称为共析型β稳定元素;α+βTi与Cr(共析型β稳定元素)组成的相图Ti与Mn(共析型β稳定元素)组成的相图非活性共析元素(慢共析元素)钛与这类过渡族元素形成的共析反应,进行的速度极慢,在通常的冷却速度下来不及进行,故它们在钛合金中的作用,与前述β同晶元素有相似之处。活性β共析元素(快共析元素)钛与铜、硅等非过渡元素形成的共析反应进行极快,在一般的冷却速度下,不能阻止其进行。因此,这类合金的β相实际很难固定到室温。共析型β稳定元素中最常用的是铁、锰、铬,它们稳定β相的能力比同晶型的V、Mo等强烈的多,但不能在高温下长期工作。4、合金元素与α-Ti、β-Ti都形成有限固溶体,但α相由包析反应生成β+γα+γαβLL+βL+γβ+α温度TiMe%这类元素有如铝、镓、镧、硼等;提高(α+β)/α相变温度,稳定α相,是α稳定元素Ti-Al(α稳定元素)组成的相图三、主要合金元素与相的形成1、主要合金元素:β同晶元素:V、Mo、Nb、Ta;共析型β相稳定元素:Cr、Mn(慢共析元素)Cu(快共析元素)α稳定元素:Al;中性元素:Zr、Sn;2、分三类(1)α相稳定元素,能提高α→β相转变温度;铝为什么是钛合金的一个基本合金元素?1)Al是最有效的α强化元素,起固溶强化作用;2)提高钛合金的比强度,因为Al的比重轻;3)有效提高低温强度和高温强度(550℃以下);4)显著提高钛合金的再结晶温度;5)增加氢在钛合金中的溶解度,减轻氢的危害。(2)中性元素合金元素(Sn、Zr)等能有效强化α相,它们在α-Ti与β-Ti中有较大的固溶度,但对α/β相变温度影响较小,故有中性强化元素。(3)β相稳定元素,一般是降低β相转变温度,分二类:1)产生β相共析分解的元素,如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W,随温度T降低,β→α+金属间化合物。共析反应的速率随元素而异:Cu、Si等合金化时,共析转变快,析出TiCu2、Ti5Si3;Fe、Mn、Cr、Co、Ni等合金化时:共析转变速率较慢,即使连续缓慢冷却,也可能转变不完全,保留一些残余的β相;快冷时,共析反应可以完全被抑制,过冷β相可以保留到室温;这个过程还与合金含量有关,含量增加,β相可完全过冷到室温。2)Mo、V、Nb、Ta等,二元相图上不产生β相共析分解,但慢冷时析出α相,快冷时有α’马氏体相变αβMfMsβ稳定元素质量分数/%温度α+β钛合金加热到β相区,根据合金成分和冷却条件不同,可能发生各种转变,分别加以讨论:β相在慢冷过程中的转变α相析出是一个有形核与长大的过程。请分析不同合金的室温组织。C1C2C4C3Ti-5Al-2.5Sn合金加热到1175℃空冷,组织为次生晶界α+晶内α集束次生晶界α晶内α集束Ti-5Al-2.5Sn合金加热到1175℃炉冷,粗片状ααTi-6Al-4V合金加热到1065℃炉冷,层状α(白)+晶间β(黑)Ti-6Al-4V合金从高温β相区空冷,魏氏组织工业纯钛从高温β相区空冷,网蓝状组织αβ高温β相淬火快冷时,可以发生马氏体相变,合金元素对β相快冷时相变有影响,含量不同时可能获得不同的快冷组织(马氏体强化效果不明显,为什么?):①合金含量较低(小于c1)时,β相在快冷淬火时发生完全的马氏体相变,形成α’相(α’马氏体为h.c.p结构,是合金元素在α相中的过饱和固溶体,非扩散性产物,分板状马氏体和针状马氏体);②合金含量较高(C1≤M%≤C2)时,可能有部分β相残留下来,得到α’+残余β组织,有时淬火温度高时,会形成一种ω相(亚稳相,六方晶格):见下图所示;③合金含量达C2≤M%≤C3时,马氏体转变被完全抑Ti-6Al-4V合金955℃水淬,组织α’+α初α初Ti-9Mo合金淬火,组织细针α’’钛合金淬火板条α’,TEM,X24000Ti-8.5Mo-0.5Si合金,1000℃水淬,孪晶α’’,TEM,5000Xβ转变ω相也是一种无扩散性转变,它形核容易,长大困难,因此尺寸细小!Ti-8Fe,900℃固溶+400℃×4h时效,立方体形ω相,TEM(暗场)Ti-11.5Mo-4.5Sn-6Zr合金,900℃固溶+480℃时效5min,椭球形ω相1)ω相为钛合金淬火形成的ω相,尺寸小(5—10nm),它的形态、尺寸与稳定性决定于ω/β界面的错配度;2)ω相是一种硬而脆的相,ω相的出现,强烈提高合金的硬度和弹性模量,降低塑性;3)为防止ω相的形成,a.应控制淬火时效工艺,避免低温时效;b.加铝、锆、锡等制,只有残留β相存在。但这种残留β相在机械外力作用下,不稳定的,分解为ω相;④当合金含量≥C3时,应力不起作用,残留β相稳定,不再分解。四、β相共析转变及等温转变1、共析转变钛与某些β共析元素组成的合金系,在一定的成分范围和温度条件下,发生共析转变:β→α+TixMy共析转变速度与共析温度(合金元素)有关①温度较高,共析转变容易如Ti-Si、Ti-Cu、Ti-Au等②温度较低,共析转变不容易,极慢如Ti-Mn(Fe、Cr),在共析温度(550℃),保温长达三个星期,还没有开始转变。由于共析转变产物对合金的塑性及韧性十分不利,并降低合金热稳定性,因此这些合金元素受到限制,特别是不宜加入耐热钛合金中。2、等温转变高温β相和亚稳定β相都可以等温分解,其分解动力学可用C曲线表达,如下图所示。等温转变分高温部分和低温部分。高温区域保温时,β相直接析出α相;随温度下降,分解产物愈细,α相弥散度愈大,合金强度和硬度愈高。低温区保温时,由于原子扩散比较困难,β相不能直接析出α相,而先形成ω过渡相,随时间增加,ω相转变成α相。影响β相等温转变动力学C曲线的主要因素:合金成分、固溶温度及应力状态等:钛合金过冷β相等温转变示意图1)β稳定化元素含量的增加,C曲线向右下方移动等;2)α稳定化元素含量增加,加速β相分解,C曲线左移。合金元素不仅影响C曲线的位置,而且改变C曲线的形状。3、用C曲线近似判断连续冷却时合金的组织转变过程如下图所示,不同的冷却曲线将得到不同的室温组织:1)水淬(冷却曲线1)可以得到α’+β;2)油淬(冷却曲线2)得到α’+ω+β;3)冷却曲线3得到ω+β;4)冷却曲线4,则得到α+β两相组织。钛合金连续冷却时的组织转变示意图五、时效过程中亚稳定相的分解钛合金淬火形成的α’、α’’、ω和βm的亚稳定相,在热力学上是不稳定的,加热时将要发生分解;分解过程复杂:不同的亚稳相分解不一样;同一种亚稳相,因成分与时效工艺不同,也不一样。最终分解产物:α+β或α+TixMy;在时效分解过程的一定阶段,可以获得弥散的α+β相,使合金产生弥散强化,这就是钛合金淬
本文标题:钛及钛合金
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