有色金属及合金-2方案课件.ppt

1、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

2、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。2 2、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： Ti Ti2+

3、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。l 550以下，能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的保护作用；l 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

4、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+310l O、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；l O、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。当OlH：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

5、：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

6、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；l V、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

7、(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形成连续固溶体形成连续固溶体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有限溶解的相图有限溶解的相图L+L+ +l与-Ti同晶型元素V、N

8、b、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，也称相稳相稳定元素定元素。温度TiMe%同晶元素同晶元素V与与Ti组成的相图组成的相图3、与、与-Ti和和-Ti-Ti都形成有限固溶体，都形成有限固溶体，相会发生共相会发生共析分解析分解+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

9、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、铬铁、锰、铬，它们稳定相的能力比同晶型的 V V、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

10、应生成相由包析反应生成+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(稳定稳定元素）组成的元素）组成的相图相图三、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

11、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 2）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）相稳定元素，一般是降低相稳定元素，一般是降低相转变温度，分二类：相转变温度，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;l Fe、Mn、Cr、Co、Ni

12、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，但慢冷时析出分解，但慢冷时析出相，快冷时有相，快冷时有马氏体相变马氏体相变MfMs稳定元素质量分数稳定元素质量分数/%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.

13、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，为什马氏体强化效果不明显，为什么？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（马氏体马氏体为h.c.p结构，是合金元素在相中的过

14、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转变转变相也是一种无扩散性转变相也是一种无扩散性转变, ,它形核容易它形核容易, ,长大困难长大困难, ,因因此尺寸细小此尺寸细小! !Ti-8Fe,900固溶+4004 h时效

15、，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、相共析转变及等温转变相共析转变及等温转变1 1、共析转变、共析转变l 钛与某些共析元素组成的合金系，在一定的成

16、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

17、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转变示意图相等温转变示意图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得到+；4）冷却曲

18、线4，则得到+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五、时效过程中亚稳定相的分解l 钛合金淬火形成的、和m的亚稳定相，在热力学上是不稳定的，加热时将要发生分解；l 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。l 最终分解产物：+或+TixMy; l 在时效分解过程的一定阶段,可以获得弥散的+相,使合金产生弥散强化,这就是钛合金淬火强化的基本原理.(1)(1)六方马氏体六方马氏体的分解的分解 + 过渡相+TixMy +TixMy（2 2）斜方马氏体）斜方马氏体的分解的分解 根据钛合金Ms点高低，相可出现两种不同分解与铝合金时

19、效分解相似与铝合金时效分解相似初期初期方式：+相再分解3、亚稳定的分解：m+（如下图如下图a a所示所示）m+a+a+m+(颗粒极小，晶体结构与m相同）（如下图如下图b b 所示所示）4、分解：相是稳定元素在-Ti中过饱和固溶体,与相的分解基本相同：+a、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金，815固溶+6756h时效，从相析出（黑点），X250合金浓度较低的合金在高温时效时的析出情况Ti-40(at)%Nb合金合金，900固溶+400时效24小时，在富集基体上析出贫乏，X31000合金浓度高或添加抑制相形成元素的合金，先形成过渡相，然后再转变成平衡组织六、钛合金分类六、钛合金分类

20、可以根据成分和室温基本组织（退火组织）特点分类：1、-Ti-Ti合金合金l 显微组织是相组织:含有相稳定合金元素(如铝)及一些中性强化元素(Zr、Sn、Hf）；l 当加入少量相稳定元素时，可以得到近-Ti合金，显微组织上除相基体外，还有少量相，如Ti-8Al-1Mo-1V。2 2、+ +钛合金钛合金l 含有较多的相稳定元素和相稳定元素，具有+相混合组织结构；l 这些相的形貌与数量依成分、热加工变形与热处理方式而变；l 这类合金强度可以到达很高的水平，如Ti-6Al-4V。3、-钛合金和近-钛合金（1）这类合金含有大量的相稳定元素，多数还有Al、Zr、Sn等，在室温，强度可以达到+钛合金水平；但

21、工艺性能更好；但高温强度不如+；（2）近钛合金l 显微组织为+，但（少量）作为强化相分布于相之间；l 相的形态、分布、尺寸、数量等与热加工、热处理有关。七、钛合金热处理七、钛合金热处理l 为了改善钛合金的性能，除了合金化外，还要进行适当热处理；l 常见热处理：1）退火处理：应用于各种钛合金，是工业纯钛与型钛合金唯一的热处理方式；2）淬火时效：）淬火时效： 可用于+、+化合物和亚稳定型型钛合金。1、退火、退火l 目的为了消除应力、提高塑性以及稳定组织；l 有应力退火、再结晶退火、等温退火以及真空去氢退火。l举例：1）消除冷变形、铸造以及焊接等工艺过程中产生的内应力，可以采取去应力退火，退火过程主

22、要是发生回复； 2）为了消除加工硬化、稳定组织和提高塑性。可选用完全退火。l 这一过程主要发生再结晶，也称再结晶退火；l 当再结晶发生时，相、相在组成、形态和数量上产生变化，性能就改变。大部分和+钛合金都是在完全退火状态下使用；l 退火温度介于再结晶温度与相变温度之间。2、强化热处理（淬火时效处理）强化热处理（淬火时效处理） 钛合金的强化热处理兼有钢和铝合金的特点，但又与它们有区别，其主要异同点有：（1）钢与钛合金淬火都可以得到马氏体：l 但钢的马氏体硬度高，强化效果大，回火使钢软化；l 而钛马氏体硬度不高，强化效果不高，回火（时效）回火（时效）使合金弥散硬化使合金弥散硬化。（2）成分一定的钢

23、或铝合金，只有一个强化机理；而成分一定的（+）钛合金却视淬火温度的不同，有二种不完全相同的强化机制：l 加热温度较高时，相中所含稳定元素小于临界浓度，淬火转变为马氏体，时效时马氏体分解为弥散相使合金强化；l 若加热温度较低时，相中所含稳定元素大于临温温度度c1 c2c3+ +MsMfc4浓度浓度%界浓度，则淬火得过冷相，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。 钛合金的强化热处理主要用于（+ +）型及）型及型合金型合金。合金的强化实质上属于固溶时效强化，因为加热时相的成分总是大于临界浓度，故不形成马氏体；对于+两相合金，则决定于淬火组织（马氏体或亚稳相），也就是和实际淬火温度有关。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。