第３０ 卷 ２０１３ 年 第 ４ 期 ８ 月 Ｖｏｌ畅 ３０ Ａｕｇｕｓｔ Ｎｏ畅 ４ ２０１３ 钛合金固态相变的归纳与讨论（Ⅵ）— — —阿尔法 辛社伟， 赵永庆 （西北有色金属研究院， 陕西 西安 ７１００１６） 摘 要： 钛合金中， 涉及到钛元素的相成百上千， 这些相中， 大部分无需了解， 但其中有 ７ 个相尤其需要关注， 他 们是 ６ 个同素异构相 α 、 β 、 α ′ 、 α ＂ 、 ω 、 β ′ 和一个共析相 α２ 这 ７ 个重要的相的表达中以阿尔法为主体表达式的相 有４ 个： α 、 α ′ 、 α ＂ 和 α２相 根据相关资料和作者在钛合金方面的工作经验， 对这４ 个以阿尔法为主体表达式的相 的结构、 形态、 相转变特点以及他们之间的联系进行了介绍， 旨在为初涉钛合金领域的工程技术人员研究钛合金组 织和相变提供一定的参考 关键词： 钛合金； 相变； α ； α ′ ； α ＂ ； α２ 收稿日期： ２０１３ － ０３ － １２ 作者简介： 辛社伟（１９７８—）， 男， 博士 Inductions and Discussions of Solid State Phase Transformation of Titanium Alloy（Ⅵ）— — —Alpha Ｘｉｎ Ｓｈｅｗｅｉ， Ｚｈａｏ Ｙｏｎｇｑｉｎｇ （Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｘｉ’ａｎ ７１００１６， Ｃｈｉｎａ） Abstract： Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｐｈａｓｅｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｔｉ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｍａｊｏｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｐｈａ- ｓｅｓ ａｒｅ ｕｎｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｋｎｏｗ， ａｍｏｎｇ ｔｈｅｍ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｓｅｖｅｎ ｐｈａｓｅｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓ ｉｎ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｙ ａｒｅ ｓｉｘ ａｌｌｏｔｒｏｐｉｃ ｐｈａｓｅｓ ｏｆ α ， β ， α ′ ， α ＂ ， ω ， β ′ ａｎｄ ｏｎｅ ｅｕｔｅｃｔｏｉｄ ｐｈａｓｅ ｏｆ α２． Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｙｍｂｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｖｅｎ ｐｈａｓｅｓ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｆｏｕｒ ｐｈａｓｅｓ ｏｆ α ， α ′ ， α ＂ａｎｄ α ２ｓｈｏｗｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｍａｉｎ ｂｏｄｙ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｙｍｂｏｌ ｏｆ α ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ， ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｆｏｕｒ ｐｈａｓｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ．Ｉｔ ｗａｓ ｂｅｌｉｅｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｏｕｌｄ ｄｏ ｈｅｌｐ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ． Key words： ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ； ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ； α ； α ′ ； α ＂ ； α ２ １ 前 言 钛合金中最重要的相有７ 个， 分别是α 、 β 、 α ′ 、 α ＂ 、 ω 、 β ′ 和 α ２相， 这些相中 α 、 α ′ 、 α ＂ 、 ω 、 β ′ 、 β 相属于同素异构相， α ２相属于共析相， 因此也可称它 们为“６ ＋ １”个相。
这 ７ 个相中以“α ”为主体表达式 的相有 ４ 个， 占到一半以上， 分别为 α 、 α ′ 、 α ＂ 和 α２相 弄清楚这 ４ 个相的区别与联系对于了解钛合 金相变具有重要意义 现有的关于钛合金的文献中， 与这 ４ 个相相关 的内容非常多， 但大都集中于特定的合金， 研究这 些合金中某个相的特征和相变， 缺乏对各个相之间 关系的系统介绍 在 ＧＢ／ Ｔ ６６１１—２００８ 中， 对上述 ４ 个相也进行了定义 ［１］ 而国标中对这 ４ 个相的定 义大多为描述性的， 并且分类过于繁杂， 即使参考 这些定义， 也无法得到这 ４ 个相的清晰概念 此外， 国标中对于部分相的分类和描述也有值得商榷的地 方 为此， 针对上述以“α ”为主体表达式的 ４ 个典 型相， 以现有的文献和作者多年的工作经验为基础， 从结构、 形态以及相转变三个方面对这 ４ 个相之间 的区别和联系进行了系统阐述， 旨在为初涉钛合金 领域的工程技术人员研究钛合金组织和相变提供一 定的参考 ]２ ３０ 卷 ２ α相 α相是钛合金中最基本的， 也是最重要的相， 关于其晶体学特征以及与晶体学特征相关的特性在 相关书籍和文献中已有详细的论述。
众所周知， α 相的形态是钛合金组织形态的基础， 钛合金的 ４ 大 典型组织形态（等轴组织、 双态组织、 网篮组织和魏 氏组织）都是以 α相的形态来命名的， 所以 α相的形 态几乎决定了合金的组织形态 对于 α相形态的理解， 可以抓住一条主线， 即 以双态合金为典型合金， 根据 α相生成阶段的不同， 分清楚初生 α相（一次 α相）、 次生 α相（二次 α相） 和时效 α相（三次 α相）这 ３ 类 α相， 具体如图 １ 所示 图１ 两相钛合金的典型组织及模拟图 Ｆｉｇ畅 １ Ｔｙｐｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｔｗｏ - ｐｈａｓｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ 固溶阶段保留的 α相为初生 α相， 借鉴钢中渗 碳体的命名， 也可称为一次 α相， 其形态大多属于 等轴状， 也有片层状 初生 α相的含量只与固溶温 度有关， 而形态与固溶前的原始组织有关 如果原 始组织为双态区的加工组织， 那么初生 α相为等轴 状， 如图１ 所示 如果原始组织为魏氏组织或网篮 组织， 则初生 α相大多为片层状 合金固溶后， 在 冷却过程中初生α相以外的部分会析出 α相， 这个过 程生成的 α相为次生 α相， 或称为二次 α相， 这部 分 α相为片层状， 片层厚度由冷却速率决定， 即冷 却速率决定次生 α相的形态尺寸。
次生 α相形成后， 除初生 α相以外的组织是混合组织， 由片层状的次 生 α相和次生 α相层间的残留 β 相组成， 如图１ｂ 所 示 时效过程中， 这些残留的片层状 β相会进一步 第４ 期辛社伟等： 钛合金固态相变的归纳与讨论（Ⅵ）— — —阿尔法]３ 发生分解， 形成分解 α相和时效残留 β相， 可以分 别命名为时效 α相和时效 β 相， 时效 α相还可以称 为三次 α相， 如图１ｃ 和 ｄ 所示 图 １ｅ 为图 １ｃ 中模 拟组织对应的实物的金相照片 图 １ｆ 为图 １ｄ 局部 放大模拟图对应的实物的 ＴＥＭ 照片 综上可知， 一 个典型的双相钛合金组织是由初生 α相 ＋ 次生 α相 ＋ 时效 α相 ＋ 时效 β相 ４ 个部分组成 其中， 不同 阶段产生的３ 类 α相是理解微观组织的主线和关键， 其它类型的组织都可套用该模式 例如， 对于魏氏 组织， 由于固溶温度在单相区， 因此不包含初生 α 相， 是由次生 α相 ＋ 时效 α相 ＋ 时效 β 相 ３ 个部分 组成； 对于近 β 合金也是一样的， 只是由于 β稳定 系数高， 次生 α相大多呈细片层或针状分布于混合 组织中， 其形态与时效 α相差距变小， 但是只要把 握不同阶段的 α相， 则会对组织有清晰的了解。
对 于固溶后冷却速度较快， 形成马氏体相而不是次生 α相的情况， 在后文讨论马氏体部分时会有所解释 可以看出， 为了更便于理解组织， 本文对次生 α相几乎进行了重新定义， 并提出了时效 α相和时 效 β相的概念， 其定义的原则是 α相不同的生成阶 段 文献中通常讲到的“次生 α相”是本文中的次生 α相和时效 α相的统称， 转变 β组织是本文中的次 生 α相 ＋ 时效 α相 ＋ 时效 β 相的混合组织 还需说 明的是虽然 ＧＢ／ Ｔ ６６１１—２００８ 中也有“时效 β 相”的 定义 ［１］ ， 但对其解释是模糊不清的 从该解释中无 法得到“时效 β 相”是指“α沉淀”还是“β基体”， 如 果理解成 β 基体上沉淀有细小 α相的混合组织， 则 不能称为相， 否则会将相与组织的概念混淆 ［３］ ， 所 以命名为时效 β组织则更为准确 此时的时效 β组 织则是本文定义的时效 α相 ＋ 时效 β 相的混合组织 ３ α ′ 相 α ′ 相（αｐｒｉｍｅ ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）为钛合金马 氏体中的一种， 呈六方结构， 与体心立方的 β相之 间保 持 Ｂｕｒｇｅｒｓ 位 向 关 系： （０００１ ）α ′∥ （０１１）β， ［１１２０］α ′∥［１１１］ β， 该位向关系如图 ２ 所示， 与 β →α之间的结晶学位向关系相同。
关于 α ′ 相的特性， 一般讨论最多的是 α ′ 相与片 层状或针状 α相之间的区别与联系 关于 α ′ 相 ＧＢ／ Ｔ ６６１１—２００８ 中描述为： 常常与针状 α难以区分； 区分特征是马氏体片截至在原始 β晶界， 而针状 α 常在这些晶粒边界成核； 长宽比为 １０∶ １ 或更大 ［１］ 另有文献指出： α ′ 相的衍射谱线与 α相相同， 只是 图２ β 相和 α ′ 相的晶体学关系 Ｆｉｇ畅 ２ Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ βａｎｄ α ′ ｐｈａｓｅｓ 由于 α ′ 相内应力的关系， 其衍射受到冲刷 ［２］ 还有 科研工作者根据自己的研究经验得出： α ′ 相与 α相 的衍射峰线重合， 但相对于 α相， α ′ 相的衍射峰会 变宽， 并向低角度偏移 上述论述无疑都是正确的， 但是对于如何真正区分 α ′ 相与 α相来说， 显得过于 抽象， 缺乏实际指导意义 区分 α ′ 相与 α相要先了解它们之间的联系： ① α ′ 相与 α相具有相同的晶格结构， 几乎相同的晶格 常数（α相参考晶胞尺寸： a ＝ ０畅 ２９３ ｎｍ， c ＝ ０畅 ４６７ ５ ｎｍ， c／ a ＝１畅 ５９６； α ′ 相参考晶胞尺寸： a ＝０畅 ２９５ ｎｍ， c ＝ ０畅 ４６８ ｎｍ， c／ a ＝ １畅 ５８７）； ② α ′ 相和 α相都 与 β 相保持 Ｂｕｒｇｅｒｓ 位向关系； ③ α ′ 相是 β 相转变成 α相的过渡相， 是固溶元素在 α相的过饱和固溶体。
从上述联系可以看出， 无论是从晶体结构、 晶格常 数， 还是与母相的位向关系， α ′ 相和 α相几乎都是 相同的， 这就是为什么在命名时在 α主体表达式上 加上一撇， 将其命名为 α ′ 相的原因， 也是为什么 α ′ 相与 α相极难区分的原因 然而， 在晶体学中， 形成过饱和固溶体、 饱和 固溶体结构的例子很多， 但大部分都没有进行区分， 而钛合金中则将其重新命名为 α ′ 相， 这主要与 α ′ 相 和 α相的转变方式有关 α ′ 相是 β相通过无扩散相 变切变方式转变的， 它符合马氏体转变的特征， 而 α相是扩散相变转变的 对于 β →α ′ 和 β →α这种无 扩散相变和扩散相变转变方式以及 α ′ 相与 α相的形 式， 文献［３］用图形重组的方式给予了形象说明 导致 α ′ 相和 α相相变方式不同的唯一原因是冷却速 率， 当冷却速率超过一定值时， β →α相变会以无扩 散的。