第五章-钛及钛合金的热处理

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1、5.1 钛及钛合金5.2 钛合金的相变5.3 钛合金的热处理5.4 钛合金的组织及其性能5.5 常用钛合金的热处理制度5 钛及钛合金的热处理钛及钛合金的热处理钛及钛合金的优点：密度小、比强度高、耐热性较铝高、良好的耐蚀性钛及钛合金的缺点：导热性差、耐磨性差、弹性模量低、化学活性高 钛资源在地壳中的含量（1）Al 7.45%（2）Fe 4.20%（3）Mg 2.35%（4）Ti 0.61%5.1 钛及钛合金钛及钛合金纯钛的化学及物理性能：化学活性大钛易吸氢引起氢脆耐蚀性强（空气中、水中、硝酸中）钛的主要几个物理性能与铝、铁的比较5.1.1 纯钛纯钛物理性能铝钛铁熔点/66016681535密度/

2、（g/cm3）2.74.57.8热导率/cal/(cms0.520.0360.19线膨胀系数/106122.99.011.7钛的力学性能 钛的力学性能主要取决于钛的成分、组织以及对其所进行的加工和热处理工艺等。钛的力学性能 钛中含有杂质时，强度升高，塑性下降（氮、氧、碳影响显著）钛的力学性能随着变形程度的增大，强度指标升高，塑性下降钛的力学性能钛的力学性能与热处理制度紧密相联工业纯钛的牌号、性能 按杂质含量的不同，工业纯钛分为三个等级，TA表示型钛合金的代号，数字表示合金的序号，序号越大，钛的纯度越低。随着杂质含量的增加，钛的强度升高，塑性下降。纯钛虽然其塑性和韧性很好，但强度较低，影响了应用

3、范围。加入适当的合金元素后，可以明显地改善其组织和性能，满足工程上的性能和要求。5.1.2.1 钛与其他元素之间的作用钛与其他合金元素之间的作用，取决于原子的电子层结构、原子半径、晶格类型等诸因素。5.1.2 钛的合金化钛的合金化周期表中各元素按与钛作用性质可纳如下：在周期表上与钛同族的元素锆和铪具有与钛相同的外层电子结构和晶格类型，原子半径也相近，故它们与和钛均能无限互溶，形成连续固溶体；在周期表上靠近钛的元素，如钒、钼、铌、钽等与钛具有相同的晶格类型，能与钛无限互溶，在钛中有限溶解；在外层电子结构、晶体类型和原子尺寸上都与Ti有较大的差异，如锰、铁、钴、镍等元素与钛只能形成有限的固溶体，超

4、过溶解极限则形成化合物。5.1.2 钛的合金化钛的合金化5.1.2 钛的合金化钛的合金化5.1.2.2 钛二元相图类型及合金元素的分类钛的二元相图可分为下列四种主要类型。5.1.2 钛的合金化钛的合金化5.1.2.3 常见合金元素的作用工业钛合金中常用的合金元素有：铝、锆、锡、钒、钼、锰、铬、铁、铜、硅等。铝主要起固溶强化作用，每增加1Al，可使室温抗拉强度增加50MPa。铝在钛中的极限溶解度为7.5,一般加铝量不超过7。锡和锆为常用的中性元素，在钛和钛中均有较大的溶解度，常和其他元素同时加入，有补充强化作用，对塑性的不利影响比铝小，使合金具有良好的压力加工性能和焊接性能。5.1.2 钛的合金

5、化钛的合金化钒和钼是稳定元素中应用最广的两种元素，对相起固溶强化作用，降低相变点，增加合金的淬透性，从而强化热处理强化效果。锰、铁、铬等元素强化效果高，稳定的能力强，比钨、钼、铌轻，故应用较广。硅的共析转变温度较高（860），加硅可改善合金的耐热性能。加入少量的硼可以细化宏观组织。稀土元素可显著地提高合金的瞬时强度和蠕变强度。5.1.2 钛的合金化钛的合金化工业钛合金的分类和编号工业钛合金的分类和编号根据钛合金退火（空冷）后的组织特点，钛合金可根据钛合金退火（空冷）后的组织特点，钛合金可分为分为、近、近、（）和）和四类。四类。因这四类的形成与钛合金中所含因这四类的形成与钛合金中所含稳定元素的数

6、量稳定元素的数量有关，所以必须明确在各类中的有关，所以必须明确在各类中的稳定系数值。稳定系数值。5.1.2 钛的合金化钛的合金化（1）钛合金此合金是指其退火组织以钛为基体的单相固溶体的合金。我国钛合金的牌号为TA后加一个代表合金序号的数字，如TA1、TA2、TA3等。（2）近钛合金这类合金主要靠稳定元素固溶强化，另加少量稳定元素，以使退火组织中有少量相。5.1.2 钛的合金化钛的合金化（3）钛合金这种合金是指其退火组织为相的钛合金，也称为两相钛合金。我国这类合金的牌号为TC，后跟合金序号，如TC4、TC5、TC6等。（4）钛合金此类合金含稳定元素较多。我国这类合金的牌号为TB，后跟合金序号，如

7、TB1、TB2等。5.1.2 钛的合金化钛的合金化5.2.1 同素异构转变5.2.2 相转变（1）相在快冷过程中的转变 1）马氏体相变 2）相变 3）淬火钛合金的亚稳定相图（2）相在慢冷过程中的转变（3）相共析反应和等温转变5.2.3 时效过程亚稳相的分解（1）六方马氏体的分解（2）斜方马氏体的分解（3）相的分解（4）亚稳定m相的分解5.2 钛的相变钛的相变5.2.1 同素异构相变同素异构相变纯钛在固态有两种同素异晶体，即体心立方晶格的相和密排六方晶格的相，在882.5发生下列同素异构转变：（密排六方）（体心立方）相变特点：（1）相变体积效应不大（2）在相转变为相的过程中相变阻力及所需过冷度都

8、很小（3）钛合金中的同素异构转变，温度对合金的成分极为敏感（4）加热温度超过相变点后，相长大倾向很大，极易使相晶粒粗化882.55.2.2.1 相在快冷过程中的转变 当钛合金自高温快速冷却（淬火）时，根据合金成分的不同，相可以转变为马氏体、相或过冷等亚稳定相。（1）形成马氏体定义：稳定元素过饱和的固溶体为钛合金的马氏体。类型：稳定元素含量不大，六方马氏体(板条状和针状)；稳定元素含量较大，斜方马氏体(细针状马氏体)；5.2.2 相转变相转变5.2.2 相转变相转变针状马氏体内有大量孪晶板条马氏体内有密集的位错途径：淬火或者受力 除淬火时相可发生马氏体转变外，过冷相在受力时也可能发生马氏体转变，

9、称为应力诱发马氏体。应力诱发马氏体均为晶体结构，为细针状。钛合金中马氏体不像钢中马氏体能强烈提高合金的强度和硬度，因为钢中的马氏体为过饱和的间隙固溶体，钛中马氏体为过饱和的置换固溶体，产生的晶格畸变较小，对位错滑移的阻力较小，因此对合金只有较小的强化作用。5.2.2 相转变相转变 (2)相变 形成条件：1)当合金成分在临界浓度Ck附近时，高温淬火由相形成。相形成。2)淬火后亚稳定相在相在550以下等温以下等温(回火回火)相的特点：硬脆相，位错不能在其中移动。合金中出现时，强度、硬度升高，塑性、韧性降低。5.2.2 相转变相转变为防止相生成，应控制淬火时效工艺，避免在低温时效；合金中铝、锆、锡能

10、抑制相的生成。(3)淬火钛合金的亚稳定相图5.2.2 相转变相转变归纳起来，不同成归纳起来，不同成分合金自分合金自相区淬相区淬火，可以得到六种火，可以得到六种组织，即组织，即、m、()、()、m。5.2.2.2 相在慢冷过程中的转变对于稳定元素含量小于C的合金，无论从何种温度炉冷，其组织均为单相。但若采用空冷时，由于 的相变来不及进行到底，在组织中往往残留有少量的亚稳定相。当合金的范围为CB时，自相区慢冷，将从相中不断地析出相，随着温度的降低，析出的相的数量不断增加，相的相对数量则不断减少。和相分别沿着各自的溶解度曲线（AC和AB)变化。达到室温时，两相分别达到各自平衡浓度，室温得到平衡组织。

11、5.2.2 相转变相转变5.2.2.3 相共析反应和等温转变(1)共析反应 钛与铬、锰、铁、钴、镍、铜、硅等元素组成共析相图。在一定成分和温度范围内发生共析反应：TixMy5.2.2 相转变相转变共析反应速度与加入的元素种类、元素浓度、反应温度及杂质元素有关。合金长时间在高温下工作，会逐渐分解出TixMy，使合金脆化，热稳定性降低。(2)等温转变等温转变分高温和低温两部分。5.2.2 相转变相转变钛合金淬火形成的亚稳定相钛合金淬火形成的亚稳定相、及及m，在，在热力学上是不稳定的，加热时要发生分解，其分热力学上是不稳定的，加热时要发生分解，其分解过程是比较复杂的。不同的亚稳定相分解过程解过程是比

12、较复杂的。不同的亚稳定相分解过程不同，同一亚稳定相因合金成分和时效规程不同不同，同一亚稳定相因合金成分和时效规程不同分解过程也不同。分解过程也不同。但最终的分解产物均为平衡状但最终的分解产物均为平衡状态的态的。若合金有共析反应，则最终产物为。若合金有共析反应，则最终产物为TixMy,即即5.2.3 时效过程中亚稳定相的分解时效过程中亚稳定相的分解 m或（TixMy）加热(1)六方马氏体的分解的分解与稳定元素的含量有关稳定元素的含量少时，分解过程一般为：稳定元素的含量较高，且主要为共晶元素时，分解过程一般为：稳定元素的含量较高，并存在共析元素时，分解过程一般为：含快共析元素时 TixMy或 Ti

13、xMy TixMy含慢共析元素时 TixMy5.2.3 时效过程中亚稳定相的分解时效过程中亚稳定相的分解(2)斜方马氏体的分解 m 贫 m 富 m 富 贫 m 贫 富 m 贫 5.2.3 时效过程中亚稳定相的分解时效过程中亚稳定相的分解(3)相的分解相是稳定元素在钛合金中的一种过饱和固溶体，从相中析出有以下几种形式：相在原来晶界和相界上不均匀形核、长大并吞食；相首先溶解，然后从相中析出相；延长时效时间或提高时效温度，相逐渐失去稳定性而直接转变为相或 相。5.2.3 时效过程中亚稳定相的分解时效过程中亚稳定相的分解(4)亚稳定m相的分解合金浓度较低时在高温（大于500）的时效，m相的分解是：m

14、合金浓度较高时在较低温度（300-400 ）的时效，m相的分解是：m +对合金浓度高或添加抑制形成元素的合金，m相的分解是：m +5.2.3 时效过程中亚稳定相的分解时效过程中亚稳定相的分解5.3.1 钛合金热处理的特点：（1）马氏体相变不会引起合金的显著强化（2）应避免形成相（3）同素异构转变难于细化晶粒（4）导热性差（5）化学性活泼（6）相变点差异大（7）在相区加热时晶粒长大倾向大。5.3 钛合金的热处理钛合金的热处理5.3.2.1 退火 通常采用的退火方式有去应力退火、简单退火、等温退火、双重退火、再结晶退火和真空退火等。（1）去应力退火 为了消除由于塑性变形、焊接等工艺过程所产生的内应

15、力，将工件加热到再结晶温度以下进行的退火工艺。去应力退火温度较低，属于未再结晶的退火，在退火过程中发生回复。（2）简单退火 为了消除残余应力，将工件加热到略低于再结晶开始温度进行的退火工艺。这种退火方式是冶金产品出厂时常用的一种。5.3.2 钛合金热处理的主要类型钛合金热处理的主要类型（3）等温退火和双重退火 等温退火：将工件加热到足以发生再结晶的较高温度，然后冷却到相具有高稳定性的温度（此温度一般低于再结晶温度），在此温度下保温，随后在空气中冷却。双重退火与等温退火的区别在于，双重退火后的第一阶段，合金在空气中冷却到室温，之后将合金再重新加热到第二阶段的温度（此温度低于第一阶段的温度）。（4

16、）再结晶退火 将工件加热到再结晶温度以上进行的退火工艺。在这一退火中主要发生再结晶，使加工硬化消除，组织稳定，塑性提高。退火温度介于再结晶温度和相变温度之间。5.3.2 钛合金热处理的主要类型钛合金热处理的主要类型再结晶温度过高，会导致组织粗大。（5）真空退火 目的：使钛合金表面层的含氢量降低到安全浓度，消除产生氢脆的可能性。此外，降低残余应力和保证合金的力学性能及使用性能等。注意事项：u把钛合金表面层的氢浓度降低到在以后的使用过程中不会产生氢脆（慢性断裂）的水平；u将残余应力（特别是焊接应力）降低到不能对钛合金构件的使用特性产生负面影响的水平；u不许保证钛合金构件应有的力学性能和使用性能，必

17、须把合金元素从表面层的蒸发等不利因素降低到最低水平；u使退火构件保持原有的尺寸；u在真空退火件表面上形成氧化膜，防止金属与水汽和其它含氢气体相互作用。影响因素：退火温度和保温时间5.3.2.2 强化热处理 淬火时效是钛合金热处理强化的主要方式，故称为强化热处理。强化热处理是提高钛合金强度指标的重要途径。钛合金强化热处理与钢、铝的异同：（1）钢和钛淬火都可以得到马氏体，但钢的马氏体强度高，强化效果强，回火使钢软化；而钛马氏体硬度不高，强化效果不大，回火使合金弥散强化；（2）钢只有一种马氏体强化机理，而同一成分的（）钛合金有两种强化机理，即高温淬火相中所含稳定元素小于临界浓度，淬火转变为马氏体，时

18、效时马氏体分解5.3.2 钛合金热处理的主要类型钛合金热处理的主要类型为弥散相使合金强化，低温淬火相中含有稳定元素大于临界浓度，则淬火得到过冷相，时效时相分解为弥散相使合金强化；（3）钛合金的固溶处理和时效过程与铝合金基本相似。强化热处理的原则是用快速冷却的方法得到亚稳定的、相，以及随后在人为时效过程中它们分解为弥散的和相。合金强化效果取决于亚稳相的类型、数量、成分和时效后所形成和相质点的弥散度。以上由合金成分和热处理工艺决定。5.3.2 钛合金热处理的主要类型钛合金热处理的主要类型合金成分对热处理强化效果的影响合金中稳定元素含量越多，淬火获得亚稳定的数量越多，时效后强化效果越大。热处理工艺参

19、数对热处理强化效果的影响热处理工艺参数对热处理强化效果的影响热处理工艺参数对热处理强化效果的影响时效温度和时效时间的选择应以获得最好的综合力学性能为准。5.3.2.3 形变热处理（热机械处理）目的：提高强度和塑性 根据变形温度的不同，形变热处理分为高温形变热处理、低温形变热处理、预形变热处理和复合形变热处理。5.3.2 钛合金热处理的主要类型钛合金热处理的主要类型5.3.2.3 形变热处理（热机械处理）5.3.2.4 化学热处理目的：提高耐磨性、热稳定性、表面强度。5.3.2 钛合金热处理的主要类型钛合金热处理的主要类型在化学热处理中以渗氮和渗氧应用较为广泛。由于热处理钛合金产生的典型缺陷包括

20、以下几种：（1）产生粗大晶粒（2）合金力学性能和使用性能偏离已定的技术条件（3）强烈的气体饱和（4）合金元素从表面或者沿界面蒸发（5）零件或半成品产生歪曲（6）由于热应力和相应力产生裂纹缺陷的防治：前5种通过合理制定和严格控制热处理制度来防治；第6种缺陷的防治方法是：（1）降低淬火温度；（2）提高时效温度；（3）采用等温淬火；（4）在低温时效前引入预高温时效。5.3.3 热处理缺陷和防治热处理缺陷和防治5.4 钛合金的组织及性能钛合金的组织及性能5.4.1 钛合金的相组成钛合金的组织中有两个基本的相组成物，即以钛为基的固溶体和以钛为基的固溶体。相和相本身的性能以及在合金中的形态、大小、分布和所

21、占的比例决定着合金的性能。相滑移系统较多，更容易承受压力加工变形。相和相的性能决定于溶入元素的种类和数量。相的耐热性、热稳定性和抗蠕变性能要好于相。钛合金非淬火组织按其形态可分为魏氏组织、网篮组织、等轴组织和双态组织。（1）魏氏组织形成途径：在相区进行热加工或者在相区退火。主要特征：具有粗大等轴的原始晶粒。5.4.2 钛合金的组织类型钛合金的组织类型 魏氏组织优点：断裂韧性高；在较快冷却状态下其蠕变抗力和持久强度较高。魏氏组织缺点：塑性低，尤其是断面收缩率低于其它类型的组织。（2）网篮组织u钛合金在（）/相变点附近变形，或在相区开始变形，但在（）相区终止变形，变形量为50-80时，使原始晶粒及

22、晶界破碎，冷却后丛的尺寸减小，条变短，且各丛交错排列，犹如编织网篮的形状，称为网篮组织。u网篮组织的塑性及疲劳性能高于魏氏组织，但断裂韧性低于魏氏组织。在实际应用中，对于高温长期受力部件，往往采用网篮组织代替魏氏组织。5.4.2 钛合金的组织类型钛合金的组织类型（3）等轴组织钛合金在相区热加工时，由于温度较高，在变形过程中，相和相继发生了再结晶，获得了完全等轴的。若变形温度低，再结晶不发生或部分发生，随后进行再结晶退火，亦可得到等轴组织。等轴程度的大小与变形程度、加热温度和保温时间有关。总的趋势是，随此三者的增加，等轴化程度增加。5.4.2 钛合金的组织类型钛合金的组织类型（4）双态组织双态组

23、织是指组织中有两种形态，即一种是等轴状的初生，另一种是转变组织中的片状。双态组织和等轴组织的性能特征大致相同，仅随所含初生数量不同而有一定差异。这两种组织的性能特点与魏氏组织相反，具有较高的疲劳强度和塑性。5.4.2 钛合金的组织类型钛合金的组织类型本章重点钛及钛合金的优缺点。钛及钛合金的优缺点。工业钛合金的分类和编号。工业钛合金的分类和编号。纯钛的同素异构转变。纯钛的同素异构转变。相转变。相转变。钛合金热处理的特点。钛合金热处理的特点。钛合金热处理的主要类型。钛合金热处理的主要类型。钛合金热处理缺陷和防治。钛合金热处理缺陷和防治。钛合金的相组成及组织类型。钛合金的相组成及组织类型。作业（2）1 1 钛及钛合金的优缺点？钛及钛合金的优缺点？2 2 工业钛合金的分类和编号？工业钛合金的分类和编号？3 3 纯钛的同素异构转变表达式？纯钛的同素异构转变表达式？4 4 相在快冷过程中的转变产物及特点？相在快冷过程中的转变产物及特点？5 5 钛合金热处理的特点？钛合金热处理的特点？6 6 钛合金热处理的主要类型？钛合金热处理的主要类型？7 7 钛合金热处理缺陷和防治？钛合金热处理缺陷和防治？8 8 钛合金的相组成及组织类型？钛合金的相组成及组织类型？9 9 不同成分钛合金自不同成分钛合金自相区淬火，可以得到哪六相区淬火，可以得到哪六种组织？种组织？