钛及钛合金.ppt
- 文档编号:2755874
- 上传时间:2022-11-11
- 格式:PPT
- 页数:51
- 大小:3.31MB
钛及钛合金.ppt
《钛及钛合金.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《钛及钛合金.ppt(51页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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?
钛及钛合金钛及钛合金概述概述1、新型的结构材料、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、新型的功能材料它们具有某些特殊的物理、化学、生物特性:
l形状记忆合金,TiNi该材料强度与它的密度之比l人造骨头;l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。
第一节第一节工业纯钛工业纯钛一、钛的基本性质一、钛的基本性质1、物理性质、物理性质1)两种同素异晶体:
-Ti;-Ti-Ti-Ti883h.c.pb.c.c纯铝有类似的转变吗?
铁呢?
2)T熔=16683)=7.857%=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。
22、化学性质、化学性质钛在室温下比较稳定,但在高温下却很活泼:
l在熔化状态下,能与绝大多数坩埚材料发生作用;l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:
l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。
l550以下,能与氧形成致密的氧化膜,具有良好的保护作用;l800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l间隙型元素:
O、N、H、C;l置换(代位)型元素:
Fe、Si。
2、影响:
l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+310lO、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;lO、N、C提高-Ti/-Ti转变温度,使稳定元素;H元素降低/转变温度,是稳定元素。
lH:
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。
第二节第二节钛的合金化原理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%。
l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-Ti与-Ti形成连续固溶体;lV、Nb、Ta与Mo具有体心立方结构,即与-Ti同晶,因此与-Ti形成连续固溶体;而与-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:
温温度度TiM:
中性元素中性元素Zr、Hf、SnL+L+1、合金元素与、合金元素与-Ti-Ti和和-Ti形成形成连续固溶体固溶体l与Ti同族元素Zr、Hf在-Ti和-Ti中均能无限溶解;l随组元浓度增加,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,故称中性元素中性元素;lZr、Hf对、相强化不明显。
(为什么?
)Ti-Zr二元二元相图相图2、与、与-Ti无限互溶,与无限互溶,与-Ti-Ti有限溶解的相有限溶解的相图L+L+l与-Ti同晶型元素V、Nb、Ta、Mo等能形成这类相图;l这类元素降低相变点,起稳定相的作用,称同晶元素同晶元素,也称相相稳定元素定元素。
温度TiMe%同晶元素同晶元素V与与Ti组成的相成的相图3、与、与-Ti和和-Ti-Ti都形成有限固溶体,都形成有限固溶体,相会相会发生共生共析分解析分解+LL+L+温温度度TiMe%l与钛形成这类相图的元素有铬、钨、锰、铁、钴、镍、铜、硅等;l这些元素在和-Ti中均为有限溶解,降低相变温度;l这些元素与钛易形成化合物,相,是以金属间化合物为基的固溶体;l这类元素称为共析型稳定元素;+Ti与与Cr(共析型稳定元素)组成的相图Ti与与Mn(共析型稳定元素)组成的相图l非活性共析元素(慢共析元素)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,与前述同晶元素有相似之处。
l活性活性共析元素(快共析元素)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,这类合金的相实际很难固定到室温。
l共析型稳定元素中最常用的是铁、锰、铬,它们稳定相的能力比同晶型的VV、MoMo等强烈的多,但不能在高温下长期工作。
4、合金元素与、合金元素与-Ti-Ti、-Ti都形成有限固溶体,但都形成有限固溶体,但相由包析反相由包析反应生成生成+LL+L+温温度度TiMe%l这类元素有如铝、镓、镧、硼等;l提高(+)/相变温度,稳定相,是稳定元素稳定元素Ti-Al(稳定元稳定元素)组成的相素)组成的相图图三、主要合金元素与相的形成三、主要合金元素与相的形成1、主要合金元素:
、主要合金元素:
l同晶元素:
V、Mo、Nb、Ta;l共析型相稳定元素:
Cr、Mn(慢共析元素)Cu(快共析元素)l稳定元素:
Al;l中性元素:
Zr、Sn;2、分三类、分三类
(1)相稳定元素,能提高相转变温度;l铝为什么是钛合金的一个基本合金元素?
1)Al是最有效的强化元素,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。
(22)中性元素)中性元素合金元素(Sn、Zr)等能有效强化相,它们在-Ti与-Ti中有较大的固溶度,但对/相变温度影响较小,故有中性强化元素中性强化元素。
(3)相相稳定元素,一般是降低定元素,一般是降低相相转变温度,分二温度,分二类:
1)产生相共析分解的元素,如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W,随温度T降低,+金属间化合物。
共析反应的速率随元素而异:
lCu、Si等合金化时,共析转变快,析出TiCu2、Ti5Si3;lFe、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,保留一些残余的相;快冷时,共析反应可以完全被抑制,过冷相可以保留到室温;这个过程还与合金含量有关,含量增加,相可完全过冷到室温。
2)Mo、V、Nb、Ta等,二元相图上不产生等,二元相图上不产生相共析相共析分解,但慢冷分解,但慢冷时析出析出相,快冷相,快冷时有有马氏体相氏体相变MfMs稳定元素定元素质量分数量分数/%温温度度+钛合金加热到相区,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:
l相在慢冷过程中的转变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,组织为次生次生晶界晶界+晶内晶内集束集束次生晶界次生晶界晶内晶内集束集束Ti-5Al-2.5Sn合金加热到1175炉冷,粗片状Ti-6Al-4V合金加热到1065炉冷,层状(白)+晶间(黑)Ti-6Al-4V合金从高温相区空冷,魏氏组织工业纯钛从高温相区空冷,网蓝状组织l高温相淬火快冷时,可以发生马氏体相变,合金元素对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?
马氏体强化效果不明显,为什么?
):
合金含量较低(小于c1)时,相在快冷淬火时发生完全的马氏体相变,形成相相(马氏体氏体为h.c.p结构,是合金元素在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);合金含量较高(C1M%C2)时,可能有部分相残留下来,得到+残余组织,有时淬火温度高时,会形成一种相(亚稳相,六方晶格):
见下图所示;合金含量达C2M%C3时,马氏体转变被完全抑Ti-6Al-4V合金955水淬,组织+初初初Ti-9Mo合金淬火,组织细针钛合金淬火板条,TEM,X24000Ti-8.5Mo-0.5Si合金,1000水淬,孪晶,TEM,5000X转转变变相相也也是是一一种种无无扩扩散散性性转转变变,它它形形核核容容易易,长长大大困困难难,因因此尺寸细小此尺寸细小!
Ti-8Fe,900固溶+4004h时效,立方体形相,TEM(暗场)Ti-11.5Mo-4.5Sn-6Zr合金,900固溶+480时效5min,椭球形相1)相为钛合金淬火形成的相,尺寸小(510nm),它的形态、尺寸与稳定性决定于/界面的错配度;2)相是一种硬而脆的相,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,只有残留相存在。
但这种残留相在机械外力作用下,不稳定的,分解为相;当合金含量C3时,应力不起作用,残留相稳定,不再分解。
四、四、相共析相共析转变及等温及等温转变11、共析、共析转变l钛与某些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:
+TixMyl共析转变速度与共析温度(合金元素)有关温度较高,共析转变容易如Ti-Si、Ti-Cu、Ti-Au等温度较低,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。
l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耐热钛合金中。
2、等温转变、等温转变高温相和亚稳定相都可以等温分解,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。
l高温区域保温时,相直接析出相;随温度下降,分解产物愈细,相弥散度愈大,合金强度和硬度愈高。
l低温区保温时,由于原子扩散比较困难,相不能直接析出相,而先形成过渡相,随时间增加,相转变成相。
l影响相等温转变动力学C曲线的主要因素:
合金成分、固溶温度及应力状态等:
钛合金过冷钛合金过冷相等温相等温转变示意示意图1)稳定化元素含量的增加,C曲线向右下方移动等;2)稳定化元素含量增加,加速相分解,C曲线左移。
l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+;2)油淬(冷却曲线2)得到+;3)冷却曲线3
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 钛合金