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1、钛合金中的相与相变易丹青 教授材料科学与工程学院,内容提要,1、钛和钛合金简介2、钛合金中的相3、钛合金中的相变,1,图 钛的晶体结构（a）低温下为密排六方结构(hcp)的相；（b）高温下为体心立方结构(bcc)的相,表 钛的主要物理性质,T=882.5点阵常数(25)：Ti: a=2.9503, c=4.6831, c/a=1.5873Ti: a=3.282,钛的性质,原子序数22，原子半径1.45，核外电子构型为1s22s22p63s23p63d24s2,2,根据合金元素和杂质对钛的转变温度的影响，可以将它们分为三类 ：提高转变温度的元素均称为稳定元素 Al, Ga, C, N等；降低转变
2、温度的元素均称为稳定元素 Mo, V, Nb, Ta, Ni, Co, Fe, Mn, Cr等过渡族元素； 介于两者之间的元素为中性影响元素 Zr, Hf, Sn, Ge, Ce, La, Mg等；合金元素的加入是稳定钛的相还是相，还取决于键合电子数，价电子/原子的比值低于4的元素稳定相，大于4的元素稳定相，等于4的元素为中性。,钛的合金元素分类,3,图 钛合金分类的三维示意相图,钛合金的分类,按亚稳定状态相组成将钛合金分为六种类型：型钛合金；近型钛合金；马氏体+型钛合金；近亚稳定型钛合金；亚稳定型钛合金；稳定型钛合金；,按应用将钛合金分为：结构钛合金：使用温度一般在400以下，可近一步分为高
3、塑性低强度钛合金、中等强度钛合金、高强度钛合金；高温钛合金：也称为热强钛合金，包括马氏体+型热强钛合金(500以下)和近型热强钛合金(500以上)。目前高温钛合金的使用温度不超过550600.,4,低密度比强度高弹性模量低耐高温耐低温耐腐蚀吸气性好抗阻尼性强无毒无磁导热系数小线胀系数小,钛及钛合金材料的优点及应用 被誉为21世纪的智慧金属、全能金属,钛和钛合金的用途,5,钛合金中的合金相,稳定相：和相；亚稳定相：、 、和 (过冷相)金属间化合物：TixMy/界面相,钛合金中的相,6,晶体结构：纯钛在882.5以下为-Ti，具有密排六方点阵（hcp），每个晶胞有两个原子，每个原子周围有12个临近
4、原子，点阵常数 a=b=2.951, c=4.683，c/a=1.587，比一般密排六方点阵的轴比1.633 略小。-Ti室温变形时主要以1010柱面滑移为主，并常诱发孪生。,钛合金中的相, 相,7,更高的抵抗塑性变形能力；较低的塑性；力学和物理性能的各向异性更强；扩散速率至少低两个数量级；更高的抗蠕变性能。,与体心立方相相比，六方相具有更高的堆积密度和各向异性的晶格结构。与相相比，相具有以下特征：,钛合金中的相,8,钛合金的优点：高温性能好，组织稳定，焊接性能好，合金元素是耐热Ti合金的主要组成部分； 缺点：常温强度低，塑性不够高，变形抗力大，热加工性差。,退火组织为以相为基体的单相固溶体的
5、合金称为合金。这类合金中的合金元素主要是稳定元素（Al）和中性元素（Sn、Zr），基本不含或只含很少量的稳定元素。,钛合金中的相,合金,9,表 高纯多晶-Ti的物理性能（25）,-Ti 的性能,钛合金中的相,力学性能,10,钛合金中的相,11,钛合金中的相,12,钛合金中的相,魏氏组织,13,钛合金中的相,网篮组织,图 TC21合金的网篮组织,优点：塑性、蠕变抗力和高温持久强度等综合性能较好。缺点：断裂韧性差。,SEM,14,钛合金中的相,等轴组织,15,钛合金中的相,16,钛合金中的相,表 TC4合金四种典型组织对性能的影响,17,钛合金中的相, 相,晶体结构：,-Ti在882.5与熔点16
6、78 之间稳定存在，具有体心立方点阵（bcc），每个晶胞有两个原子，每个原子周围有8个临近原子，点阵常数 a=b=c=3.282。,18,钛合金中的相,-Ti 的形状特征,相变点以下加热时，原始晶粒被若干片状相分开成连续的相中间层，电镜下表现为板条状；当加热温度超过相变点后，原始晶粒的长大倾向特别大，极易形成粗大晶粒，使合金的塑性下降。,19,bcc-Ti 的原子堆垛密度比hcp -Ti小，因此-Ti中的扩散快得多，使得-Ti的塑性加工性能好，可通过强化热处理获得高的常温力学性能，是发展高强度钛合金的基础，由于-Ti的弹性模量低，生物相容性好，作为新一代生物医用钛合金具有广阔的应用前景。,钛合
7、金中的相,表 钛合金的优缺点,20,钛合金中的相,相晶粒尺寸对材料性能的影响,21,钛合金中的相,马氏体相和相,22,钛合金中的相,马氏体相和相的形状特征,图 Ti-6-22-22-0.22Si合金1016，5.5s-1速率冷却产生的：(a)OM, (b)TEM,图 Ti-18Al-18Nb合金中应力诱变马氏体相,23,钛合金中的马氏体不能像钢的马氏体那样显著提高合金的强度和硬度。马氏体的硬度只略高于固溶体，对合金的强化作用较小。当合金中出现马氏体时，合金的强度、硬度，特别是屈服强度明显下降。,表 TC6合金的硬度与相组成的关系,钛合金中的相,马氏体相和相的性能,24,钛合金中的相, 相,晶体
8、结构,钛合金中，当稳定元素含量在临界浓度附近时，快速冷却，在合金组织中形成一种新相相。相具有六方晶体结构，点阵常数a=4.607, c=2.821，c/a=0.613，与母相共生，并有共格关系 。它们的取向关系为：0001/111,(1 1 -2 0)/(1 -1 0)。,图 相的单位晶胞,25,相尺寸很小，高度弥散、密集，体积分数可达80%以上。相有立方形和椭球状两种形貌。,形貌特征,钛合金中的相,相,26,相硬度很高（HB 500），脆性极大，位错不能在其中移动，能显著提高合金的强度、硬度和弹性模量，但使塑性急剧下降。相对合金的力学性能的影响程度与其在合金中的体积分数有关，当相的体积分数达
9、到80%以上，合金会完全失去塑性；如果相的体积分数控制适当（50%左右），合金具有较好的强度与塑性的配合。相是钛合金的有害组织，相的体积分量可通过改变成分或热处理制度加以控制或避开它的形成区间。,力学性能,相,钛合金中的相,27,稳定元素含量较高的钛合金，淬火后将保留结构，称为相，实际上是过冷相。它具有与母相相同的bcc晶体结构，且与母相维持共格界面，呈月牙形或短棒状，尺寸细小，只有几十纳米左右。随时效时间的延长，最终会转变为a相。由于相与相在晶格参数上只有很小的差别，因此用X射线衍射技术很难区别，只能用薄膜电镜技术可以观察到析出的相。由固溶处理获得的相在随后的时效过程可使合金显著强化，相在应
10、力作用会发生马氏体相变使合金强化。,图17 基体中的析出,钛合金中的相, 相,28, 金属间化合物TixMy,钛合金中的相,Ti合金与稳定元素（Al）和共析元素（Fe、Si、Cr）等反应，生成2-Ti3Al、TiAl、Ti5Si3、TiCr2等金属间化合物。,图 Ti-Al二元相图,Ti合金中，金属化合物的析出可以强化合金，但是其脆性大，使合金塑性严重下降，因此，应该严格控制TixMy含量。,图 TC4合金中Ti3Al的析出形貌,图 Ti3Al的晶体结构,29,钛合金中的相, /界面相,许多钛合金中均发现有/界面相的存在，、和界面相形成“三明治”形态。但这种界面相到底是结构演变产物还是样品电解
11、抛光时形成的尚有争议。Q. Kang等利用高分辨电解证明了界面相是一种真实存在的相，它是/相转变过程中，由于溶质原子分布不同造成的过渡相,而且很不稳定，严重影响合金的力学性能。一般认为，界面相有两种形态：块状和锯齿状，块状为面心立方结构，锯齿状为密排六方结构。,30,钛合金的相变非常复杂，在固态下观察到的每一种相变，几乎在一定成分的钛合金中都遇到过。总体来讲，钛合金的相变大体可分为同素异晶转变、快速冷却中相的转变、慢冷过程中相的转变。快冷和慢冷过程中的形成的马氏体相以及亚稳相，在时效过程中还发生一定程度的分解。,钛合金的相变,31,钛合金的相变类型,32,1. 同素异晶转变,同素异晶转变是钛合
12、金中各种相变的基础。纯钛在固态时有两种同素异晶体, 其转变温度称为相变点, 高纯钛的相变点为882.5，对成分十分敏感，该温度是制定钛合金热加工工艺规范的一个重要参数。纯钛自高温缓慢冷至882.5时, 从体心立方点阵相转变为密排六方点阵的相。,钛合金的相变,相与相完全符合布拉格的取向关系：(110)/(0001), 111/11 1; 惯习面是(331)或(8811), (8912)。,33,图 体心立方的晶格改组为密排六方晶格示意图（1=0.1nm）,同素异晶转变,左一为相体心立方晶胞，为左二是5个体心立方晶胞，从中可以分离出一个体心正方晶胞，正方体的上下两个底平面110,侧平面为112。这
13、些侧平面沿右上图中箭头所指方向，即(1-12)沿1-11方向, (112)沿11-1方向滑移0.22的距离，使之间的夹角由7232变为60。同时沿c轴和方向作适当的调整，即得右下图所示的六方晶胞。,钛合金的相变,34,钛与钛合金同素异晶转变的特点,新相和母相存在严格的取向关系，如在冷却过程中，相以片状或针状有规则的析出，形成魏氏组织。由于相中原子扩散系数大，钛合金的加热温度超过相变点，相的长大倾向特别大，极易形成粗大晶粒。这一点在制定钛合金的加热工艺时必须考虑。钛及钛合金在相区加热造成的粗大晶粒，不能像铁那样，利用同素异晶转变进行重结晶使晶粒细化。,钛合金的相变,钛与钛合金同素异构转变过程的这
14、些特点，在制定钛合金加热工艺及实际操作过程中，都应给予考虑。,35,同素异晶转变,36,同素异晶转变,37,2. 相在快冷过程中的转变,钛合金自高温快速冷却时，视合金成分不同，相可以转变成马氏体或、或过冷等亚稳定相。,钛合金的相变,38,图 钛与同晶元素组成的相图,马氏体相变是一种无扩散型相变，是晶体通过切变方式由一种结构转变为另外一种结构，是由界面迁移控制的固态相变。钛合金中的马氏体相变是钛合金固态相变的重要部分之一。,含稳定元素的合金自相区缓慢冷却时，将从相中析出，其成分随度下降沿AC曲线变化；相的成分沿AB曲线变化。在快速冷却过程中，相析出相的过程来不及进行，但是相的晶体结构不易为冷却所
15、抑制，任然发生了改变。这种原始相的成分未发生变化，但晶体结构发生了变化的过饱和固溶体是马氏体。如果合金的浓度高，马氏体转变点Ms降低至室温以下，相将被冻结到室温，这种相称为过冷相或残留相。,钛合金的相变, 马氏体相变,39,在钛合金中已经发现四种晶体结构的马氏体：一种具有密排六方点阵，称为六方马氏体（）；一种具有斜方（正交）点阵，称为斜方马氏体（），另外两种具有面心立方和面心斜方点阵。而在工业钛合金中，最常见的是和。,马氏体相变,40,马氏体转变是一种切变相变，在转变时，相中的原子作集体的有规律的近程迁移。当相中的合金元素含量较小时，原子迁移较大，点阵改组进行到底，得到密排六方点阵；当合金元素含量较大时，点阵改组受到阻碍，停留在某一中间阶段，即形成斜方点阵。,
