钛材料的力学性能

钛材料对外加应力或载荷所表现的力学响应。加载温度、形变速率和环境介质都会影响力学性能。主要的力学性能有：屈服强度和断裂强度、伸长率、面缩率和冲击功、疲劳强度和疲劳极限、断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率和抗蠕变性能等。屈服强度(σ0.2)和断裂强度(σF)工业纯钛、钛合金的强度和材料中占据间隙位置的元素[O]、[N]、[C]等的含量有关，通常将这些元素综合在一起规定为等效氧量[O]eq，其算式为：[O]eq＝[O]+2[N]+0.75[C](原子百分数)。随[O]eq的增大，钛材料的屈服强度显著提高。屈服强度与显微组织有密切关系，例如，α+β型钛合金(Ti-6Al-4V)细的等轴组织的屈服强度和断裂强度最高，分别可以达到1120MPa和1505MPa。具有初生等轴α相和细针状(或片状)的混合组织称为双态组织，其断裂强度(1455MPa)比粗等轴组织的强度(1370MPa)高。完全针状组织的σ0.2最低。亚稳β钛合金，例如Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al，其断裂强度受冷轧变形量、固溶处理和冷却速度的影响。伸长率、面缩率和冲击功[O]eq，增多使钛材料在室温的伸长率下降。[N]的作用最大，其次是[O]，再次是[C]。长时间(500h)退火，能使工业纯钛的面缩率和冲击功在500℃附近出现最低值。其高温伸长率在500℃附近，也出现极小值。拉伸速率ε为2.7×10-5/s时，工业纯钛表现尤为明显。细晶(6μm)钛高温伸长率无下降现象。α+β型钛合金细晶等轴组织的伸长率或断裂应4V经过1088K固溶后水淬，其中β相可在变形中诱导转变成马氏体，表现出在223K的夏比冲击功和动态断裂韧度均得到明显改善。与此同时，伸长率和断裂应变也提高。采用新型氢处理工艺，可使Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-4V合金的屈服强度、断裂强度和伸长率分别提高8%～15%，5%～13%和7%～14%。疲劳强度和疲劳极限工业纯钛具有明确的疲劳极限，随等效氧量增多而提高，随晶粒粗化而降低。Ti-6Al-4V的疲劳强度(σN)(即寿命为107周的应力幅)，既决定于合金的组织，又受试验时环境介质的影响。粗大等轴组织的σN恒为最低，不到500MPa，在空气中和在3.5%NaCl溶液中，双态组织的σN较高，可达650～700MPa之间。在钛合金中，等轴α+β显微组织光滑试样的疲劳性能，比转变β组织的性能优越，前者萌生疲劳裂纹的寿命长。但是，转变β组织的疲劳裂纹扩展阻力则较大。断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率钛合金的平面应变断裂韧性和显微组织有密切关系。不论强度级别如何，β加工形成针状或片状组织的断裂韧性KIC要比同等强度的等轴组织高，但常规的伸长率要受到损害。α+β型钛合金虽然成分已定，由于热处理的经历不同，可以出现差别很大的显微组织。即使屈服强度几乎相同，不同取向材料的断裂韧性也有很大的差异。Ti-6Al-4V厚板T-L取向的试样，粗大组织的KIC比细小组织的可高22%。为了使断裂韧性和常规伸长率达到适当平衡，可采取获得双态组织的热处理。Ti-6Al-4V合金的显微组织对裂纹慢扩展的撕裂模量(TR)的影响，比对断裂韧性(JIC)的影响更大。合金中若有亚稳定β相，形变时感生α″马氏体有助于提高较低温度的断裂韧性。α型钛合金的断裂韧性受α2(Ti3Al)析出的影响，强度提高，KIC下降。β型钛合金断裂韧性，主要决定于由β相中析出的α相的形态。Ti-15-3合金先高温后低温时效，组织中同时存在粗大α相和细小的α相，强度和断裂韧性得到满意平衡。铸造Ti-15-3钛合金的KIC和Ti-6Al-4V钛合金相当。改善钛合金断裂韧性的冶金因素，也是降低疲劳裂纹扩展速率(da/dN)的因素。抗蠕变性能近α钛合金是400～500℃高温使用的钛合金，其最高蠕变抗力是通过β相区热处理以后，冷却到室温获得的。在更高温度使用的钛合金，由于发生冶金不稳定性，有序相Ti3X析出，硅化物沉淀和富氧表面层形成等，而损害其力学性能。