金属结构材料-钛合金ppt课件.ppt

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1、严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。先进金属结构材料先进金属结构材料 钛及钛合金钛及钛合金Titanium and Titanium AlloyTitanium and Titanium Alloy严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。主要内容主要内容第四部分第四部分 商业纯钛与商业纯钛与钛合金钛合金第三部分第三部分 制备工艺制备工艺 第二部分第二部分 基本问题基本问题 第一部分第一部分 简介简介第五部分第五部分 +钛合金钛合金第六部分第六部分

2、高温钛合金高温钛合金第七部分第七部分 钛合金钛合金严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。第一部分第一部分 简介简介严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。u1791年年，英英国国牧牧师师业业余余矿矿物物学学家家William Gregory发发现现了了一一种新元素种新元素:他他分分析析了了英英格格兰兰Cornwall地地区区Menachan山山谷谷Helford河河中中的的磁磁性性矿矿砂砂，并并分分离离出出了了“黑黑色色矿矿砂砂”，即即现现在在的的钛

3、钛铁铁矿矿。他他利利用用磁磁铁铁除除去去其其中中的的铁铁，再再用用盐盐酸酸处处理理剩剩余余物物，得得到到了了一种不太纯的新元素的氧化物一种不太纯的新元素的氧化物TiO2。u1795年年，德德国国柏柏林林化化学学家家Martin Heinrich Klaproth独独立立地地从从匈匈牙牙利利产产的的矿矿石石（即即现现在在的的金金红红石石）中中分分解解出出了了氧氧化化钛钛，并并根根据据希希腊腊神神话话中中Uranos和和Gaia的的孩孩子子们们的的名名字字Titans为为其其重重新新命命名名。Titans 当当时时曾曾遭遭到到父父亲亲的的极极端端憎憎恨恨，被被监监禁禁在在地地壳壳中中，其其情情形形

4、与与从从矿矿石石中中难难以以提提炼炼出出来来这这种种新新元元素素类类似似，因此，他将该元素命名为因此，他将该元素命名为Titanium。简简 介介严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。u一一百百多多年年以以后后，1910年年纽纽约约Troy区区Rensselaer Polytechnic Institute 的的Matthew Albert Hunter 通通过过加加热热放放在在钢钢弹弹容容器器中中TiCl4和和Na的混合物制取了金属钛。的混合物制取了金属钛。u最最终终卢卢森森堡堡化化学学家家Wilhelm justin

5、 Kroll 于于1932年年用用TiCl4和和Ca制取了大量的钛，他被称为钛工业之父。制取了大量的钛，他被称为钛工业之父。u第第二二次次世世界界大大战战初初期期，他他到到美美国国避避难难并并在在美美国国矿矿务务局局证证明明了了用用Ca取取代代Mg作作为为还还原原剂剂还还原原TiCl4可可以以商商业业化化地地提提炼炼钛钛。直直至至今今日日，该该方方法法仍仍然然是是应应用用最最广广泛泛的的工工艺艺，被被称称为为“Kroll工工艺艺”。u第第二二次次世世界界大大战战后后，钛钛基基合合金金很很快快称称为为航航空空发发动动机机的的关关键键材材料。料。1948年杜邦公司首先开始商业化生产金属钛。年杜邦公

6、司首先开始商业化生产金属钛。简简 介介严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。u钛在地壳中的含量为钛在地壳中的含量为0.6%，是仅次于铝、铁、镁排在第四位的，是仅次于铝、铁、镁排在第四位的金属元素。遗憾的是，人们极少在地壳中发现高含钛量的矿石，金属元素。遗憾的是，人们极少在地壳中发现高含钛量的矿石，且从未发现过纯钛。由于制取金属纯钛的难度很大，所以钛的价且从未发现过纯钛。由于制取金属纯钛的难度很大，所以钛的价格很高。格很高。u主要矿藏为钛铁矿（主要矿藏为钛铁矿（FeTiO3）和金红石矿（）和金红石矿（TiO2）。）。u金金

7、属属钛钛生生产产从从1948年年至至今今才才有有半半个个世世纪纪的的历历史史，它它是是伴伴随随着着航航空空和和航航天天工工业业而而发发展展起起来来的的新新兴兴工工业业。它它的的发发展展经经受受了了数数次次大大起起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。u但但总总的的说说来来，钛钛发发展展的的速速度度是是很很快快的的，它它超超过过了了任任何何一一种种其其他他有有色色金金属属的的发发展展速速度度。这这从从全全世世界界海海绵绵钛钛工工业业发发展展情情况况可可以以看看出出：海海绵绵钛钛生生产产规规模模60年年代代为为60kt/a，70年年代代为为1l0kt/a，

8、80年年代代为为130kt/a，到，到1992年已达年已达140kt/a。简简 介介严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。简简 介介严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。简简 介介钛在航空上的应用：钛在航空上的应用：机身和航空发动机机身和航空发动机严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类

9、违纪行为或突发事件。现代航空发动机上钛的用量约占现代航空发动机上钛的用量约占25波音777所用发动机简简 介介严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。钛的其它使用：钛的其它使用：u钢铁及其它金属的强化元素钢铁及其它金属的强化元素u因因具具有有极极好好的的耐耐腐腐蚀蚀性性能能用用作作身身体体器器官官的的代代替替品品，如人工关节如人工关节生物材料生物材料u高档消费品，如高尔夫球头、球杆高档消费品，如高尔夫球头、球杆奢侈消费品奢侈消费品u严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类

10、违纪行为或突发事件。第二部分第二部分 基本问题基本问题严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。基本问题与氧气的反应活性高也使得钛在暴露于空气中时表面与氧气的反应活性高也使得钛在暴露于空气中时表面会形成一层稳定的氧化层，这就使得钛在恶劣环境下会形成一层稳定的氧化层，这就使得钛在恶劣环境下的腐蚀抗性很高，尤其是在酸溶液中。的腐蚀抗性很高，尤其是在酸溶液中。熔点高使得钛比铝的使用温度高了熔点高使得钛比铝的使用温度高了150左右。对氧气左右。对氧气的高反应活性使得钛的最高适用温度在的高反应活性使得钛的最高适用温度在600左右，在左

11、右，在此温度之上，氧在氧化层中的扩散变快，导致氧化层此温度之上，氧在氧化层中的扩散变快，导致氧化层过度增厚，并且与钛合金连接处的氧化层变脆。过度增厚，并且与钛合金连接处的氧化层变脆。2.1 基本性质基本性质严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。基本问题严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。2.2 晶体结构晶体结构u纯纯钛钛在在822822时时有有同同素素异异形形转转变变，从从高高温温时时的的体体心心立立方方晶晶体体结结构构（相相）变变为为低低温温时

12、时的的密密排排六六方方结结构构（相）相）。u实实际际转转变变温温度度受受间间隙隙和和置置换换元元素素的的影影响响，因因此此转转变变温温度受合金化程度的影响很大。度受合金化程度的影响很大。基本问题基本问题严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。基本问题基本问题2.2 晶体结构晶体结构严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。u六个六个(110)面是最密排面面是最密排面u四个四个是密排方向是密排方向u900时时，纯纯相相钛钛的的晶晶格常数格常数a=0.332

13、nm。相：纯钛大于相：纯钛大于822存在存在严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。相：纯钛小于相：纯钛小于822存在存在u室室 温温 时时 晶晶 格格 常常 数数 为为：a=0.295nm，c=0.468nm，c/a=1.5871.633(密密排排六六方方结结构理论值构理论值)u有三种密排面：有三种密排面：l底面（底面（0002）l棱面棱面1010，三个，三个l柱面柱面1011，六个，六个u三三个个坐坐标标轴轴a1、a2、a3是是密密排排方向方向1120严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发

14、现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。2.3 弹弹 性性u单单晶晶钛钛的的弹弹性性模模量量E是是的的函函数数，是是c轴轴与与应应力力方方向向的夹角。的夹角。u单晶的剪切模量单晶的剪切模量G也有类似的现象。也有类似的现象。u多晶多晶钛的钛的E随随的变化没有这么显著。的变化没有这么显著。基本问题基本问题严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。单单晶晶无无织织构构的的钛钛的的E和和G：随随着着温温度度的的升升高高几几乎乎是是线性下降。线性下降。基本问题严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、

15、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。u相的弹性模量在室温下无法测得，因为室温下相的弹性模量在室温下无法测得，因为室温下相不稳定。在相不稳定。在相稳定元素含量很高的两相钛合金中，例如含相稳定元素含量很高的两相钛合金中，例如含20%V的的Ti-V合金，合金，利用快速冷却，利用快速冷却，相能够保持到室温。下图是水淬的相能够保持到室温。下图是水淬的Ti-V合金的合金的数据。数据。+严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。uV含含量量在在20%50%之之间间时时，相相的的E随随V含含量量的的增增加加而而增增加加。这说明总体上这说

16、明总体上相的模量比相的模量比相的低。相的低。uV含量在含量在15%左右时，左右时，相的相的E的最大值是由于无热的最大值是由于无热相的形成。相的形成。uV含含量量在在0%10%之之间间时时，相相的的E急急剧剧降降低低，这这是是含含有有相相稳稳定定元元素素的的Ti的的马马氏氏体体的的典典型型现现象象。通通常常认认为为原原因因是是，亚亚稳稳态态的的相相在在施施加加载载荷荷过过程程中中转转变变为为由由应应力力导导致致的的马马氏氏体体，这这导导致致了了低低的的弹弹性性模模量量。但但是是最最近近发发现现，Ti-7Mo合合金金的的E也也只只有有很很低低的的72GPa，但但是是这这种种合合金金是是100%的的

17、马马氏氏体体，没没有有亚亚稳稳态态的的相相，所所以以模模量量的的急急剧剧减减小小的的原原因因是是相相稳稳定定元元素素严严重重的的干干扰扰并并削削弱弱了晶格的结合力。了晶格的结合力。u对对于于退退火火的的(+)两两相相区区，E的的最最大大值值和和最最小小值值都都没没有有，弹弹性性模模量量在在(+)两两相相区区边边界界之之间间，是是沿沿着着两两平平衡衡相相成成分分点点间间连连线线。（上图中的虚线）（上图中的虚线）u有有趣趣的的是是，有有些些合合金金中中的的马马氏氏体体有有亚亚稳稳态态分分解解的的倾倾向向；相相反反，最常见的最常见的相稳定元素（相稳定元素（Al）增加）增加相的弹性模量。相的弹性模量。

18、严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。u总总体体来来说说，商商业业钛钛合合金金与与钛钛合合金金、钛钛合合金金相比，弹性模量相比，弹性模量E值是比较低的。值是比较低的。u对对于于商商业业钛钛合合金金，典典型型水水淬淬条条件件下下的的E值值是是7090GPa，退火状态是，退火状态是100105GPa。u商用纯钛合金的商用纯钛合金的E值是值是105GPa。u商用商用钛合金的钛合金的E值是值是115GPa。弹性能弹性能基本问题基本问题严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪

19、行为或突发事件。2.4 变形机制变形机制u密密排排六六方方钛钛具具有有良良好好的的塑塑性性，尤尤其其在在低低温温条条件件下下，主主要要是是由由于于除除了了常常规规的的位位错错滑滑移移外外，孪孪晶晶变变形形模模式式也也被被激激活活。对对于于商商业业纯纯钛钛和和一一些些钛合金，这些孪晶变形模式是很重要的。钛合金，这些孪晶变形模式是很重要的。u在在双双相相+钛钛合合金金中中，由由于于具具有有小小的的相相尺尺寸寸、高高的的固固溶溶度度和和Ti3Al沉沉淀淀相相的的析析出出，孪孪晶晶变变形形模模式式几几乎乎完完全全被被抑抑制制，但但合合金金在在低低温温下下仍仍有有很好的塑性，主要是由于它们的相尺寸很小。

20、很好的塑性，主要是由于它们的相尺寸很小。ubcc结结构构的的相相在在滑滑移移之之外外也也存存在在挛挛晶晶，但但是是相相中中出出现现孪孪晶晶仅仅限限于于单单相相状状态态，并并随随着着固固溶溶度度的的增增加加而而减减少少。在在完完全全热热处处理理的的相相合合金金中中，由由于于颗颗粒粒的的析析出出，孪孪晶晶完完全全被被抑抑制制，在在这这些些合合金金中中。时时效效前前进进行行变变形形可可能能出出现现孪孪晶晶。一一些些商商用用相相合合金金也也可可能能形形成成应应变变诱诱发发马马氏氏体体来来提提高高它它们们的的变变形形能能力力，这这种种应应变变诱诱发发马马氏氏体体的的出出现现对对成成分分很很敏感。敏感。基

21、本问题基本问题严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。2.4.1 滑移机制滑移机制下图在六方晶胞中表示了下图在六方晶胞中表示了钛的滑移面和滑移方向。钛的滑移面和滑移方向。基本问题基本问题严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。u主要的滑移方向是三个主要的滑移方向是三个。u包含伯氏矢量的滑移面有一个包含伯氏矢量的滑移面有一个(0002)，三个，三个10 0，六个，六个10 1。u这些滑移方向和滑移面组合起来得到这些滑移方向和滑移面组合起来得到12个滑移系

22、，其中个滑移系，其中4个独立的滑移系（下表）。个独立的滑移系（下表）。基本问题基本问题严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。2.4.2 变形孪生变形孪生钛主要的孪生方式是钛主要的孪生方式是10 2，11 1和和11 2。三个孪生系统的晶体学元素如下表所示。三个孪生系统的晶体学元素如下表所示。基本问题基本问题严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。在低温下，如果应力轴平行于c轴并且含有基面的伯氏矢量的位错无法开动，那么孪生机制对于塑性变形和延展性很重要

23、。在这中情况下，10 2和11 1孪晶在拉伸变形中被激活，并引起沿c轴的延伸。最常见的孪晶是10 2，但它的孪晶剪切量最小（上表）。伴随着11 1孪晶的形状改变如下图所示。严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。在沿在沿c轴的压缩下，轴的压缩下，11 1孪晶被激活，造孪晶被激活，造成沿成沿c轴的收缩。如下图轴的收缩。如下图严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。钛钛中中溶溶质质原原子子（O、Al等等）含含量量越越高高，越越难难发发生生孪孪生生。因因此此，作作为为能能造造成成沿沿着着c轴轴的的形形状状改改变变的的变变形形方方式式，孪孪生生只只在在氧氧含含量量低低的纯钛或商业纯钛中才有重要的作用。的纯钛或商业纯钛中才有重要的作用。基本问题基本问题