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高性能合金材料 高分子09-2 郭盼军 540904010210 发展史 发现于18世纪末。 但由于化学活性高，提取困难，直到1910年金属钛才被美国科学家用钠还原法(亨特法)提炼出来。 1936年卢森堡科学家克劳尔用镁还原法(克劳尔法)还原TiCl4，制得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础。其技术转让到美国，1948年在美国首先开始海绵钛的工业生产。 中国继美、日、前苏联之后，于1958年开始钛的生产。 钛合金用于航空 钛及其合金由于密度低(4.5?4.8g/cm3，比钢约轻40%)、比强度高和耐蚀性好而成为一种优良的结构材料，在航空、航天、海洋及化工机械领域非常引人注目，在国防科技领域占有重要地位。 钛由于具有某些特殊功能(如储氢特性、形状记忆、超弹性)和无毒、生理相容性好等特性而成为新型功能材料和重要的生物医学材料。 钛的基本特性 钛具有两种同素异构体α及β。低温α-Ti在882℃以下稳定，具有密排六方结构(HCP)，而高温β-Ti稳定于882℃～熔点1678℃，为体心立方结构(bcc)。钛合金转变点随成份而变。 钛体积质量小（4.51g/cm3)，但比强度高，在-253℃~600℃范围内，钛的比强度是最高的；塑性好，熔点高，但由于同素异性转变和高温下吸气、氧化倾向的影响，它的耐热性为中等，介于铝与镍之间。 具有优良的耐蚀性，在室温下能很快生成一层具极好保护性的钝化层（TiO2)。在许多介质中，其耐蚀性极高；但在还原性介质中稍差。 钛的低温性能很好，在液氮温度下仍有良好的机械性能，强度高而仍保持有良好的塑性和韧性。 钛的基本特性 钛的弹性模量较低（120GPa），属中等，约为铁的54%，比模量稍低于钢适于做弹性元件，但加工时回弹比较大。合金化可使钛弹性模量发生很大变化。 具有导热系数和线膨胀系数均低的特性。钛的比热容与不锈钢相当，电阻率比不锈钢稍大。 钛的导磁率近乎为1.0，非磁性(严格说为顺磁性)。制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，由于钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。 钛对超声波的阻抗较小，透声系数较高，适于做声纳导流罩之类材料。 钛具有优良的生物相容性且无毒、质轻、强度高，是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的材料。 钛合金的分类 按其成分和室温下的组织分为三类： α-钛合金 ：显微组织是α相，含有α相稳定元素及一些中性强化元素。主要元素是铝、锆、锡等。典型合金有Ti-8Al-1Mo-1V。 α+β钛合金 ：显微组织是α+β相，含有较多的α相稳定元素和β相稳定元素。 β钛合金和近β钛合金 ：含有大量的β相稳定元素，多数还含有铝、锆、锡等。 室温强度可达到α+β钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，高温强度比不上α+β合金。 近β钛合金的显微组织是α+β相，α强化相分布在β相基体上。 钛合金的强韧化、应用与发展 近α和α钛合金 这类合金的机械性能对热处理不敏感，因为总是α相没有相变。通过冷加工和随后退火控制α相形态和大小，通过固溶强化强化α相。 经β相热加工冷却得到片状魏氏组织α结构；α相热加工冷却得到等轴组织；经α+β相热加工也得到等轴组织。 魏氏组织α片的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能很好，而等轴α相的低周疲劳性能和拉伸强度较高。 典型合金Ti-5Al-2.5Sn，在300℃以下使用，可以焊接，但冷加工困难。 发展方向：加入更多的α稳定元素，提高蠕变性能，但制备困难，在制备和使用过程中易产生脆性。由于Al当量的限制，该合金的发展受到限制。 进一步发展方向：时效硬化α合金，Ti-25Cu，可冷加工和焊接，广泛用于发动机铸件和法兰盘等。 钛合金的强韧化、应用与发展 α+β钛合金 加入4-6%的β稳定元素，从而使α和β两个相都有较多数量，而且抑制β相在冷却时发生转变，只在随后的时效时析出，产生强化。 可在退火态或淬火时效态使用，既可以在α+β相区也可以在β相进行热加工，使组织和性能有较大调整余地。 典型合金Ti-6Al-4V，用量占整个钛合金的一半。广泛用于压气机盘件、叶片和其他锻件。 钛合金的强韧化、应用与发展 β钛合金和近β钛合金 β钛合金的β相可以残留到室温，但却是不稳定的，随后时效析出α第二相强化。经热处理后其强度可优于α+β钛合金，同时韧性也优于α+β钛合金。但若控制不当，β合金可产生严重脆性。 控制第二相的数量、大小和分布。 典型合金Ti-13V-11Cr-3Al，经固溶淬火冷成形及时效处理，可获得高强度。该合金已成功制作SR-71飞机的蒙皮。 要进一步提高强度，先要解决韧性低问题。 细化β晶粒可以提高塑性，但不能提高断裂韧性；通过形变热处理改善断裂韧性。 * * 当加