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1、钛合金的相变及热处理The document was prepared on January 2, 2021第4章 钛合 金 的 相 变 及 热 处 理可以利用钛合金相变诱发的超塑性进行钛合金的固态焊接，接头强度接近基体强度。 同素异晶转变1. 高纯钛的卩相变点为C,对成分十分敏感。在C发生同素异晶转变：a (密排六方) 卩(体心立方)，a相与卩相完全符合布拉格的取向关系。2. 扫描电镜的取向成像附件技术(Orientation-Imaging Microscopy , OIM)3. a/卩界面相是一种真实存在的相，不稳定，在受热情况下发生明显变化，严重影响合金 的力学性能。4纯钛的卩-a转变
2、的过程容易进行，相变是以扩散方式完成的，相变阻力和所需要的过 冷度均很小。冷却速度大于每秒200C时，以无扩散发生马氏体转变，试样表面出现浮 凸，显微组织中出现针状a，。转变温度会随所含合金元素的性质和数量的不同而不同。 5.钛和钛合金的同素异晶转变具有下列特点：(1) 新相和母相存在严格的取向关系(2) 由于卩相中原子扩散系数大，钛合金的加热温度超过相变点后，卩相长大倾向特别 大，极易形成粗大晶粒。(3) 钛及钛合金在卩相区加热造成的粗大晶粒，不像铁那样，利用同素异晶转变进行 重结晶使晶粒细化。钛及钛合金只有经过适当的形变再结晶消除粗晶组织。卩相在冷却时的转变冷却速度在410C/s以上时，只
3、发生马氏体转变；冷速在41020C/s时，发生块状转 变；冷却继续降低，将以扩散型转变为主。1. 卩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，卩相可以转变成马氏体a，或a、或过 冷卩等亚稳定相。(1) 马氏体相变 在快速冷却过程中，由于卩相析出a相的过程来不及进行，但是卩相的晶体结构， 不易为冷却所抑制，仍然发生了改变。这种原始卩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。 如果合金的溶度高，马氏体转变点MS降低至室温一下，卩相将被冻结到室温，这种 卩相称过冷卩相或残留卩相。 若卩相稳定元素含量少，转变阻力小，卩相由体心立方晶格直接转变为密排六方晶 格，
4、这种具有六方晶格的过饱和固溶体称六方马氏体，以a，表示。 若卩相稳定元素含量高，晶格转变阻力大，不能直接转变为六方晶格，只能转变为 斜方晶格，这种具有斜方晶格的马氏体称斜方马氏体，以a，表示。 马氏体相变是一个切变相变，在转变时，卩相中的原子作集体的、有规律的进程迁 移，迁移距离较大时形成六方a，相，迁移距离较小时形成斜方a，相。 马氏体相变开始温度MS ；马氏体相变终了温度Mf。 钛合金中加入Al、Sn、Zr将扩大a相区，使卩相变点升高；V、Mo、Mn、Fe、 Cr、Cu、Si将缩小a相区(扩大卩相区)，使卩相变点降低。 卩相中原子扩散系数很大，钛合金的加热温度一旦超过卩相变点，卩相将快速长
5、大成 粗晶组织，即卩脆性，故钛合金淬火的加热温度一般均低于其卩相变点。 卩相稳定元素含量越高，相变过程中晶格改组的阻力就越大，因而转变所需的过冷度 越大，MS Mf越低。 六方马氏体有两种组织形态。合金元素含量少时，MS点高，形成块状组织，在电子 显微镜下呈板条状马氏体；合金元素含量高时，MS点低，形成针状组织，在电子显微 镜下呈针状马氏体。板条状马氏体内有密集的位错，基本没有孪晶；针状马氏体内有大 量的细孪晶。钛合金的马氏体不能显着提高合金的强度和硬度。钛合金的马氏体a的硬度只略高于a 固溶体，对合金的强化作用较小。当合金中出现斜方马氏体a时，合金的强度、硬度、 特别是屈服强度明显下降。钛合
6、金的马氏体相变属于无扩散型相变，在相变过程中不发生原子扩散，只发生晶格 重构，具有马氏体相变的所有特点。动力学特点是转变无孕育期，瞬间形核长大，转变 速度极快，每个马氏体瞬间长到最终尺寸；晶体学特点是马氏体晶格与母相卩相之间存 在严格取向关系，而且马氏体总是沿着卩相的一定晶面形成；热力学特点是马氏体转变 的阻力很大，转变时需要较大的过冷度，而且马氏体转变的持续进行只能在越来越低的 温度进行。w相变 当合金中元素含量在临界浓度附近时，快速冷却时，将在合金组织中形成一种新相 w相，w相尺寸很小，高度弥散、密集，体积分量可达到80%以上。w相具有六方晶 格，与母相共生，并有共格关系。 当合金元素的原
7、子与钛原子半径相差很小时，对w相形状起作用的是表面能，w相 呈椭圆形；当合金元素的原子与钛原子半径相差较大时，对w相形状起作用的是界面应 变能，w相呈立方体形。 p-w的转变是无扩散相变，极快的冷速也不能抑制其进行，晶格构造以无扩散的共 格切变方式由体心立方改组为六方晶格，但w相长大要依靠原子扩散。 P稳定元素的浓度超过临界浓度的合金，淬火时不形成w相，但可以得到亚稳定p 相，亚稳定P相在500C下回火转变为w相，称为回火w相。将回火形成的w相加热 到较高温度，w相会消失。 w相硬度很高，脆性很大，位错不能在其中移动，显着提高合金的强度、硬度、弹 性模量，但使塑性急剧下降。当w相的体积分数达到
8、80%以上，合金会完全失去塑性； 如果w相的体积分数控制适当(50%左右)，合金具有较好的强度和塑性的配合。 w相是钛合金的有害组织，加入铝能促进回火时a相形成，降低w相的稳定性。(3) 过冷 p 亚稳定相当P稳定元素含量较高时，淬火时将保留P结构，称为P相，即亚稳定P相。这种淬 火属无多型性转变的淬火，即固溶处理。由固溶处理得到的高强度合金化P相在随后的 时效时可使合金显着强化。P相在应力作用会发生马氏体转变使合金强化。2. p相在慢冷过程中的转变(1) a相的析出过程是一个形核和长大的过程，当冷却速度很慢时，由于产生的过冷度 很小，晶核首先在晶界形成，并在晶界区长大成为网状晶界a,同时由晶
9、界a向晶内生 长，形成位向相同，并互相平行排列的长条状组织，一般称为平直的a组织。(2) 若冷却速度不够慢，则在晶粒内部也可形核，并长成a片丛；若冷速极慢，a在晶 界形核，向晶内生长，贯穿整个晶粒。3. 钛合金的亚稳相图(1) t0Ck线为马氏体相变开始线，也称Ms线；(2) t0C1线为马氏体相变终止线，也称Mf线。(3) 合金元素含量大于临界浓度Ck但不超过某些成分范围的合金，淬火所得的亚稳态 p 相，受到应力作用将转变为马氏体，称为应力诱变马氏体。其具有低的屈服强度、高 应变硬化速率及均匀伸长，并具有较高的塑性。卩相共析转变及等温转变1. 共析转变(1) 钛与卩共析元素(铬、锰、铁、钻、
10、镍、铜、硅)组成的合金系，在一定的成分和温 度范围内发生共析反应，即：卩f a + TixMy(2) 共析转变温度较高的合金系(钛与硅、铜、银等活性元素组成的合金系)，共析反应 容易进行而且反应极快，淬火都不能抑制其发生；共析温度越低，原子活动能力就越 差，共析反应速度越慢。(3) 同一合金系中，卩稳定元素含量越高的合金，共析反应速度越慢。与a-Ti形成间隙固溶体的元素氧、氮、碳降低卩相的稳定性，加快过冷卩相的分解 过程；与P-Ti形成间隙固溶体的元素氢，阻碍过冷卩的分解。(5)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。2. 等温转变(1) 在高温区保温时，P相直接析出a相。
11、随等温分解温度降低，分解产物越细，a相弥 散度越大，合金强度和硬度就越高。(2) 在低温区域(v450C )保温时，由于原子扩散比较困难，P相不能直接析出a相而先 形成过渡相，然后随等温时间的延长再转变为a相。(3) 随着加入的P稳定化元素含量的增加，C曲线向右下方移动。(4) 若加入a稳定元素(铝、氧、氮)则促使a相形核，加速P相分解，C曲线左移。(5) 提高固溶温度将增加过冷P相中的空位浓度，塑性变形则有利于a相在滑移带上析 出，加速P相分解，C曲线左移。时效过程中亚稳定相的分解钛合金淬火形成的亚稳相al a、w即过冷P相，在热力学上是不稳定的，加热会 发生分解，最终的分解产物均为平衡组织
12、a+P (或a+TixMy)。在时效分解过程的一定 xy阶段，可以获得弥散的a+P相，使合金产生弥散强化，这就是钛合金淬火时效强化的基 本原理。1. 马氏体的分解(1) 六方马氏体a的分解 含P同晶元素的钛合金按afP+a方式分解 含活性共析元素的钛合金按af过渡相fa+TixMy方式分解xy 含非活性共析元素的钛合金按afPfP+TixMy方式分解xy(2) 斜方马氏体a的分解斜方马氏体在300400C即发生快速分解，在400500C可获得弥散度高的a+P 的混合物，使合金弥散强化。斜方马氏体在分解为最终的平衡状态产物a+P (Ti-P同晶 型合金)或a+TixMy (Ti-P共析型合金)之
13、前，要经历一系列复杂的中间过渡阶段。xy2. w 相的分解w相是P稳定兀素在a-Ti中一种过饱和固溶体，分解的最终产物是a+P相。3亚稳P相的分解(1) 当加热温度较低时，亚稳P相将分解为无数极小的溶质原子贫化区与其相邻的溶 质原子富集区；随着加热温度升高或加热时间延长，则视P相化学成分不同从溶质原子 贫化区中析出w相或a相，并最终形成a +P相组织。(2) 由于平衡的a相是在P相的溶质原子贫化区的位置上形核析出，而P相的溶质原 子贫化区均匀地分布在整个基体上(P高度弥散)，所以可以利用低温回火细化合金的 组织，获得高度弥散的a +P相组织，改善合金的力学性能。(3) 合金浓度较低的合金在高温
14、(500C )时效时，亚稳P相按P亚fa +P分解，从P 中直接析出a ；合金浓度较高的合金在低温(300400C )时效时，亚稳P相按P f亚亚卩+Ef卩+E+aa +P分解，经过中间过渡相，并逐步转变为平衡组织a +卩；对合金 浓度高或添加抑制形成元素的合金，当过渡相不能出现时，合金按卩亚卩+Pf 卩+P+a-a +P分解，先形成过渡卩相，然后再转变为平衡组织a +卩。(4) 过渡卩相的形状是尺寸极小的粒子，具有与亚稳卩相相同的晶体结构。(5) 时效过程中形成的过渡相，其结构和性能与淬火形成的相相似，但时效时形 成的过渡相的转变伴随有成分的变化，因此它属于扩散型转变。钛合金的热处理及其对性
15、能的影响1. 钛合金热处理基础(1) 少数钛合金系(Ti-Cu系，)可以进行时效析出金属间化合物强化：大多数钛合金 只是通过热处理控制卩-a相变强化。(2) 相均匀细小，析出明显强(硬)化合金，但一般同时引起严重脆性。因此，相 沉淀硬化是难以接受的。(3) 通过不同冷却速度，可以得到不同形态的a相。慢冷时，a由卩相中析出，得到片 层魏氏组织及沿卩相晶界的a相；快冷时，含有较高卩稳定元素的合金已得到一种篮网 组织；再增加冷却速度，卩相分解以非形核长大过程，发生无扩散马氏体相变，生成六 方a相(针状及块状)及正交马氏体相(溶质含量高时生成)。(4) 不同形态和不同尺寸的a相通过热机械处理，可以得到等轴a相。(5) 近 a 钛合金可通过控制冷却速度得到细的篮网组织，这种组织在低温低周疲劳条 件下，裂纹长大速率比具有片状a相的合金低的多。因此，近a合金通常在卩相区固溶 以得到好的蠕变抗力，同时要适当快冷以得到大面积的篮网状a相组织。(6) 对于a +p钛合金，通过淬火时效得到细晶粒a +p结构，初生a相的比例要相对较 高，可得到很好的热疲劳性能。如果提高固溶温度，得到较多的大晶粒卩相转变产物， 则断裂韧性较高。(7) 冷加工将促进卩相分解和a相析出。2. 钛合金热处理特点(1) 马氏体相变不
