《鈦合金鍛造講》PPT課件.ppt

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1、鈦 合 金 鍛 造 內(nèi) 容一 、 鈦 和 鈦 合 金 的 基 本 知 識(shí)二 、 鈦 合 金 鍛 造三 、 鈦 合 金 熱 處 理四 、 鈦 合 金 整 體 葉 盤(pán) 鍛 造五 、 鈦 合 金 鍛 造 的 計(jì) 算 機(jī) 模 擬 一 、 鈦 和 鈦 合 金 的 基 本 知 識(shí)1. 純 鈦1） 高 純 度 鈦 的 特 性 具 有 同 素 異 晶 轉(zhuǎn) 變 的 特 性 鈦 在 固 態(tài) 隨 著 溫 度 的 改 變 ， 其 原 子 排 列 的 晶 體 結(jié)構(gòu) 要 發(fā) 生 變 化 （ 組 織 轉(zhuǎn) 變 ） 。 高 純 度 鈦 的 組 織 轉(zhuǎn) 變 溫 度 為 882.5 。 也 就 是 說(shuō) ，在 882.5 以 下 ，

2、 是 密 排 六 方 晶 體 的 -Ti (相 ), 在 882.5 以 上 ， 是 體 心 立 方 晶 體 的 -Ti（ 相 ） 。 可 見(jiàn) ， 882.5 這 個(gè) 溫 度 是 純 鈦 發(fā) 生 組 織 轉(zhuǎn) 變（ 相 相 ） 的 溫 度 。 因 之 ， 將 其 稱(chēng) 為 相 變 點(diǎn) 。 由 -Ti 轉(zhuǎn) 變 -Ti（ 相 轉(zhuǎn) 變 相 ） ， 其 塑 性 變 形的 能 力 發(fā) 生 了 變 化 。 為 什 么 ？ 因 為 金 屬 塑 性 變 形 （ 鍛 造 ） 時(shí) ， 首 先 是 沿 著 晶 體中 原 子 排 列 最 密 的 晶 面 和 晶 向 優(yōu) 先 產(chǎn) 生 滑 移 。 為 什 么 ？ 因 為 原

3、子 密 度 最 大 的 晶 面 原 子 間 距 小 ， 原 子 結(jié) 合力 強(qiáng) ， 而 晶 面 的 間 距 增 大 ， 則 晶 面 間 結(jié) 合 力 較 弱 ， 滑移 阻 力 當(dāng) 然 就 小 ， 顯 然 易 成 為 滑 移 面 。 而 -Ti是 密 排六 方 晶 體 ， 其 原 子 排 列 最 密 集 的 晶 面 只 有 1個(gè) ， 即0001面 。 鎂 就 是 這 種 晶 體 結(jié) 構(gòu) 。 所 以 鎂 和 鎂 合 金 不 好 鍛 ，塑 性 很 差 ， 鍛 造 容 易 產(chǎn) 生 裂 紋 ， 更 沒(méi) 有 聽(tīng) 說(shuō) 鎂 可 以冷 鍛 。 當(dāng) 然 ， 變 形 條 件 改 變 了 ， 如 加 熱 、 大 變 形

4、或 高 應(yīng)變 速 率 下 次 要 滑 移 面 也 可 以 開(kāi) 動(dòng) 。 所 以 ， 鎂 在 熱 態(tài)塑 性 不 壞 ， 很 好 鍛 。 對(duì) 于 六 方 晶 體 而 言 ， 一個(gè) 滑 移 面 可 以 有 3個(gè) 滑 移 方向 。所 以 滑 移 系 的 數(shù) 目 是 1 3=3個(gè) 。 但 條 件 變 化 了 ， 如 加 熱 、 大 變 形 、 高 速 變 形 ，那 么 ， 次 要 滑 移 面 也 將 產(chǎn) 生 滑 移 。 在 體 心 立 方 晶 體 中 ， 主 要 滑 移 面 次 要 滑 移 面共 有 48個(gè) 。 當(dāng) 然 ， 滑 移 容 易 了 ， 也 就 是 說(shuō) 塑 性 好了 。 -Ti（ 相 ） 是 體

5、 心 立 方 晶體 ， 體 心 立 方 晶 體 原 子 排 列 最密 的 晶 面 有 6個(gè) 110， 但 滑 移方 向 只 有 2個(gè) ， 所 以 滑 移 系 數(shù) 目6 2=12個(gè) 。 由 此 ， 給 我 們 的 啟 示 ： 鈦 合 金 為 什 么 一 般 不 能 冷 變 形 ？ 又 為 什 么 發(fā) 展 近 鍛 造 、 鍛 造 ？ （ 除 了 發(fā) 揮 材 料 性 能 ） 為 什 么 要 嚴(yán) 格 控 制 鈦 合 金 終 鍛 溫 度 ？ 為 什 么 在 高 速 錘 上 變 形 、 金 屬 填 充 性 能 特 別 好 （ 一 般 一 錘 成 形 ） ？ 均與 含 量有關(guān) 化 學(xué) 性 能 活 潑 、 容

6、 易 氧 化 高 純 度 鈦 的 熔 點(diǎn) 為 1668 4 ， 比 鐵 (1539 )、鈷 (1500 )、 鎳 (1450 )的 熔 點(diǎn) 還 高 。 如 果 單 從 熔 點(diǎn) 來(lái) 講 ， 似 乎 鈦 是 很 好 的 耐 熱 材 料 ，可 是 很 遺 憾 ， 自 二 次 世 界 大 戰(zhàn) 出 現(xiàn) 低 于 400 使 用的 TC4鈦 合 金 以 來(lái) ， 五 十 年 過(guò) 去 了 ， 鈦 合 金 的 使用 溫 度 仍 然 限 于 600 。 而 將 鐵 、 鈷 、 鎳 加 入 到 鋼 中 形 成 的 鐵 基 、 鈷 基 、鎳 基 黑 色 高 溫 耐 熱 合 金 ， 其 使 用 溫 度 可 達(dá) 到 900

7、 。 那 么 為 什 么 ？ 原 因 ： 高 溫 下 氧 對(duì) 鈦 的 玷 污 速 率 很 高控 制 的 雜 質(zhì) 氧含 量 0.15% 氧 化 膜基 體 金 屬的 界 面 鈦 金 屬 (如 鈦 棒 )在 空 氣中 也 會(huì) 氧 化 的 ， 形 成 一 層 很薄 的 淡 黃 色 的 氧 化 膜 ， 如 圖黃 色 的 外 圈 。 一 般 講 ， 技 術(shù) 條 件 控 制 鈦 金 屬 中 雜 質(zhì) 氧 含 量0.15%（ 為 什 么 ？ ） 因 為 氧 增 加 一 點(diǎn) 點(diǎn) ， 塑 性 ()大 大 下 降 。 所 以 ，當(dāng) b低 時(shí) ， 也 不 要 輕 易 放 松 氧 含 量 的 控 制 要 求 。 對(duì)冶 金

8、 廠(chǎng) 來(lái) 講 ， 提 高 強(qiáng) 度 并 不 難 ， 降 低 海 綿 鈦 的 品 位就 可 以 解 決 ， 但 是 氧 含 量 ， 。 所 以 ， 冶 金 廠(chǎng)也 不 會(huì) 隨 便 提 高 氧 含 量 。 當(dāng) 金 屬 鈦 （ 鈦 合 金 ） 在 高 溫 下 加 熱 時(shí) ： 由 于 存 在 著 較 大 的 氧 的 梯 度 濃 度 ， 則 給 氧 向 基 體 金 屬 擴(kuò) 散 （ 滲 透 ） 創(chuàng) 造 了 條 件 ， 正 如 水 由 高 處 流 向 低 處 一 樣 ， 落 差 越 大 ， 水 的 流 速 越 快 。 高 溫 下 ， 氧 很 活 潑 ， 不 斷 地 向 金 屬 內(nèi) 部 擴(kuò) 散 。 氧 在 固 體

9、 金 屬 鈦 中 比 氫 (H)有 較 大 的 固 溶 度 ， 就 是 說(shuō) 氧 在 鈦 中 比 H有 較 大 的 溶 解 度 ， 而 且 它 不 是 置 換 式 的 固 溶 ， 而 是 間 隙 式 的 。 只 要 原 子 之 間 有 點(diǎn) 間 隙 ， 它 就 可 以 鉆 進(jìn) 去 ， 講 得 明 白 一 點(diǎn) ，干 脆 叫 它 無(wú) 孔 不 入 。 因 而 ， 又 為 氧 向 金 屬 內(nèi) 部擴(kuò) 散 創(chuàng) 造 了 條 件 。 講 到 這 里 ， 你 們 可 能 會(huì) 問(wèn) ， 鈦 合 金 不 要 在 氧化 性 氣 氛 中 加 熱 ， 而 是 在 還 原 性 氣 氛 中 加 熱 不 是更 好 嗎 ？ 回 答 是

10、 肯 定 的 ： 不 行 。 即 使 沒(méi) 有 電 爐 的 條 件下 ， 寧 可 在 油 爐 中 加 熱 。 為 什 么 ？ 氫 對(duì) 鈦 合 金 性 能 的 影 響 遠(yuǎn) 比 氧 大 得 多 ， 要 發(fā)生 氫 脆 。 所 以 ， 技 術(shù) 條 件 控 制 的 氫 含 量 50 ， 表 示 材 料 或 工藝 是 穩(wěn) 定 的 ， 因 為 穩(wěn) 定 性 好 。 否 則 就 判 為 不 合 格 。當(dāng) 然 ， 一 般 條 件 2/ 150 ， 但 合 金 （ Ti40）或 鍛 造 就 不 好 說(shuō) 了 。 另 一 種 微 觀 指 標(biāo) K1C 科 學(xué) 已 發(fā) 展 到 衡 量 材 料 性 能 ， 不 能 單 從 宏

11、觀 角度 來(lái) 考 慮 了 ， 而 是 可 用 微 觀 力 學(xué) 性 能 來(lái) 表 征 了 ，K1C就 是 表 征 材 料 抵 抗 裂 紋 擴(kuò) 展 的 能 力 。 當(dāng) 然 ， 微 觀 指 標(biāo) 比 宏 觀 指 標(biāo) 更 重 要 ， 更 能 評(píng) 價(jià)材 質(zhì) 的 優(yōu) 劣 。 但 是 ， 不 管 用 或 K1C表 征 材 料 （ 鍛 件 或 構(gòu) 件 ）的 穩(wěn) 定 性 ， 都 屬 于 表 面 穩(wěn) 定 性 。 影 響 材 料 （ 鍛 件 或 構(gòu) 件 ） 熱 穩(wěn) 定 性 的 另 一 個(gè) 因素 內(nèi) 部 組 織 轉(zhuǎn) 變 。 冶 金 熱 穩(wěn) 定 主 要 是 材 料 內(nèi) 部 相 分 解 、 相 析 出 引 起 的 熱 穩(wěn) 定

12、 性下 降 。 殘 余 相 中 析 出 s相 （ 硬 脆 相 ） 形 成 有 序 相 ， 致 使 晶 體 結(jié) 構(gòu) 發(fā) 生 變 化 現(xiàn) 在 講 不 清 楚 ，以 后 再 分 析 這 里 要 特 別 強(qiáng) 調(diào) 的 ， 也 是 你 們 應(yīng) 該 注 意 的 ， 有 三點(diǎn) ： 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 小 Al 0.52卡 /厘 米 秒 度 15倍 Fe 0.19卡 /厘 米 秒 度 5倍 Ti 0.036卡 /厘 米 秒 度 以 此 為 1 所 以 ， 鈦 合 金 不 采 用 快 速 加 熱 ， 也 不 采 用 低 溫預(yù) 熱 ， 否 則 保 溫 時(shí) 間 太 長(zhǎng) ， 而 是 爐 溫 到 預(yù) 定 溫 度 后一 次 直

13、 接 放 入 高 溫 區(qū) 加 熱 。 保 溫 時(shí) 間 ： 0.5 1.0分 鐘 /毫 米 ， 一 般 取 0.6 0.8 分 鐘 /毫 米 , 熱 態(tài) 回 爐 減 半 。 摩 擦 系 數(shù) 大 就 是 說(shuō) 比 較 粘 ， 金 屬 流 動(dòng) 性 不 好 ， 因 此 注 意 以 下問(wèn) 題 ： 設(shè) 計(jì) 模 具 時(shí) ， 金 屬 流 動(dòng) 激 烈 處 ， 圓 角 半 角 大 一 點(diǎn) 。 鍛 造 時(shí) ， 加 強(qiáng) 潤(rùn) 滑 。 毛 坯 噴 涂 玻 璃 潤(rùn) 滑 劑 ， 其 作 用 ： a. 減 少 加 熱 氧 化 b. 減 緩 冷 卻 c. 潤(rùn) 滑 作 用 在 鍛 造 時(shí) ， 最 好 再 采 用 機(jī) 油 石 墨 均

14、勻 地 灑 入 上 下 模 膛 內(nèi) ， 這 樣 ： a. 冷 卻 b. 潤(rùn) 滑 ， 利 于 金 屬 流 動(dòng) （ 對(duì) 于 大 型 鍛 件 ， 特 別 注 意 均 勻 潤(rùn) 滑 ） c. 容 易 出 模 這 里 ， 要 特 別 介 紹 的 ， 或 者 說(shuō) 要 消 除 你 們 顧 慮的 ， 更 要 引 起 注 意 的 熱 效 應(yīng) 問(wèn) 題 鈦 合 金 摩 擦 系 數(shù) 大 ， 那 么 鍛 造 時(shí) 金 屬 流 動(dòng) 激 烈 ，是 否 會(huì) 引 起 摩 擦 生 熱 而 出 現(xiàn) 溫 升 （ 熱 效 應(yīng) ） ？ 答 案 是 肯 定 的 ， 會(huì) 產(chǎn) 生 熱 效 應(yīng) 的 。 一 般 資 料 介 紹 可 達(dá) 30 50 ，

15、 有 些 教 科 書(shū) 上 寫(xiě)著 ， 可 能 高 達(dá) 100 以 上 。 假 定 是 這 樣 ， 那 么 ， 國(guó) 內(nèi) 外 傳 統(tǒng) 的 相 變 點(diǎn) 以 下40 50 的 常 規(guī) 鍛 造 ， 也 只 能 得 到 網(wǎng) 籃 組 織 ， 甚至 魏 氏 組 織 ， 無(wú) 法 得 到 等 軸 組 織 。 網(wǎng) 籃 組 織魏 氏 組 織 等 軸 組 織 實(shí) 際 上 ， 國(guó) 內(nèi) 外 ， 特 別 是 國(guó) 內(nèi) 常 規(guī) 模 鍛 均 獲 得等 軸 組 織 。 那 么 為 什 么 呢 ？ 以 上 數(shù) 據(jù) 是 計(jì) 算 出 來(lái) 的 。 而 且 是 瞬 時(shí) 產(chǎn) 生 的 。 這 里 要 告 誡 大 家 的 ： 為 什 么 ？ 潤(rùn) 滑

16、劑 冷 卻 ； 散 熱 條 件 好 ； 間 隔 時(shí) 間 長(zhǎng) 由 此 ， 提 出 “ 控 溫 打 鈦 ” 新 概 念 。 至 于 模 鍛 錘 （ 對(duì) 擊 錘 ） 、 水 壓 機(jī) 上 溫 升 如 何 ？ 下 面 再 介 紹 。 膨 脹 系 數(shù) 小 熱 收 縮 率 為 鋼 的 一 半 左 右 ， 模 具 設(shè) 計(jì) 時(shí)=0.7 0.8 高 純 度 鈦 的 強(qiáng) 度 很 低 b 250 300MPa, 70 80 一 般 用 于 科 研 ， 沒(méi) 有 工 業(yè) 應(yīng) 用 價(jià) 值 。 但 當(dāng) 其 中 含 有 一 定 雜 質(zhì) 時(shí) ， 將 強(qiáng) 烈 地 改變 機(jī) 械 性 能 ， 但 此 時(shí) 再 也 不 能 稱(chēng) 為 純 鈦

17、 ，而 叫 工 業(yè) 純 鈦 。 雜 質(zhì) 對(duì) 純 鈦 機(jī) 械 性 能 的 影 響 鈦 中 常 見(jiàn) 的 雜 質(zhì) 有 O、 N、 C、 H、 Fe、 Si。 這 些 雜 質(zhì) 元 素 與 鈦 形 成 ： 間 隙 式 或 置 換 式 固溶 體 ， 過(guò) 量 時(shí) 形 成 脆 性 化 合 物 。 O、 N、 C、 H形 成 間 隙 式 固 溶 體 ， 因 為 這 些 元素 的 原 子 半 徑 很 小 ， 它 們 與 鈦 不 是 置 換 式 固 溶 ，而 是 間 隙 式 固 溶 ， 只 要 鈦 原 子 之 間 有 間 隙 ， 它 們就 無(wú) 孔 不 入 。 從 而 使 鈦 的 晶 格 發(fā) 生 畸 變 ， 阻 礙

18、了 位 錯(cuò) 運(yùn) 動(dòng) 。所 以 強(qiáng) 度 提 高 ， 塑 性 下 降 。 加 入 0.05%的 O、 N或 C， 能 使 鈦 的 b分 別 提 高 ：6、 12.5和 3.5MPa。 其 中 N的 強(qiáng) 化 作 用 最 大 ， 但 使塑 性 劇 烈 下 降 。 當(dāng) 含 C量 大 于 0.2%， 就 會(huì) 出 現(xiàn) 脆 性 化 合 物 碳 化鈦 （ TiC） 。 所 以 C含 量 一 般 控 制 在 0.1%。 O、 N、 C是 提 高 轉(zhuǎn) 變 的 溫 度 ， 也 就 是 說(shuō) 擴(kuò)大 相 區(qū) 的 ， 是 穩(wěn) 定 元 素 。 由 Ti和 H的 相 圖 可 知 ： H在 鈦 中 的 溶 解 度 比 在 鈦 中

19、大 得 多 且 H在 鈦 中 的 溶 解 度 隨 溫 度 的 降 低 而 劇 烈 減 少Ti-H相 圖 H在 中 的 溶 解 度 曲 線(xiàn) H在 相 中 的 溶 解 度 為 2%， 是 降 低 轉(zhuǎn) 變 溫 度的 穩(wěn) 定 元 素 。 而 H在 相 中 的 溶 解 度 很 小 ， 在150 ， 小 于 0.003%。 當(dāng) 含 H的 -Ti共 析 分 解 以 及 含 H的 -Ti冷 卻 時(shí) ， 均可 析 出 氫 化 物 TiH2。 H含 量 低 時(shí) ， TiH2呈 （ 黑 色 ）點(diǎn) 狀 ， H含 量 高 時(shí) 呈 針 （ 片 ） 狀 ， 如 左 圖 。TiH2的 存 在 使 合 金 變 脆 ， 稱(chēng) 為

20、氫化 物 型 氫 脆 。 斷 口 檢 查 可 發(fā) 現(xiàn) 裂 紋 是沿 著 氫 化 物 與 基 體 之 間 的 界 面 發(fā) 展 的 。這 是 因 為 基 體 金 屬 與 氫 化 物 之 間 的 結(jié)合 力 較 弱 ， 受 力 后 引 起 應(yīng) 力 集 中 而 形成 裂 紋 ， 并 迅 速 擴(kuò) 展 而 導(dǎo) 致 斷 裂 。 純 鈦 中 的 氫 化 物 （ 黑 針 ） 含 H0.023%（ wt） H可 用 真 空 退 火 的 辦 法 來(lái) 去 除 （ O和 N不 能 ） ， 為什 么 ？ 原 因 ： H在 Ti中 的 溶 解 度 是 可 逆 的 ， 也 就 是 說(shuō) Ti中的 H與 外 界 保 持 著 平 衡

21、 關(guān) 系 。 當(dāng) 外 界 環(huán) 境 中 H的 分壓 力 降 低 時(shí) ， H就 會(huì) 從 Ti中 逸 出 來(lái) 以 維 持 平 衡 ， 即使 在 Ti中 已 形 成 了 TiH2， 只 要 加 熱 到 320 以 上 也 能分 解 。 所 以 ， 含 H的 鈦 和 鈦 合 金 ， 置 于 真 空 爐 中 加 熱 時(shí) ，由 于 真 空 爐 中 H的 分 壓 低 ， 又 是 在 加 熱 狀 態(tài) ， 則 H很 容 易 從 材 料 中 逸 出 。 真 空 退 火 的 條 件 為 800 900 /真 空 度 為 10-3mm水銀 柱 （ 10 -3帕 真 空 度 ） ， 保 溫 時(shí) 間 1 6小 時(shí) ， 視

22、合金 成 分 以 及 要 求 的 性 能 而 定 。 Fe、 Si與 Ti形 成 置 換 式 固 溶 體 ， 盡 管 Fe、 Si在 純鈦 中 也 是 雜 質(zhì) ， 但 不 象 O、 N、 C、 H那 樣 對(duì) Ti的性 能 影 響 大 。 含 0.05Fe或 Si， 僅 使 鈦 的 強(qiáng) 度 提 高10 12MPa。 但 Fe、 Si作 為 雜 質(zhì) 時(shí) （ Fe與 Si也 可 作 為 合 金 元素 加 入 Ti中 ） ， 其 含 量 要 求 分 別 小 于 0.3%和0.15%。 Fe、 Si不 管 是 雜 質(zhì) 還 是 添 加 元 素 ， 主 要 溶 解 于 相 中 ， 它 們 是 降 低 轉(zhuǎn) 變

23、 溫 度 的 ， 是 穩(wěn) 定 元素 。 為 了 保 證 材 料 的 塑 性 和 韌 性 ， 在 工 業(yè) 純 鈦 （ TA1、TA2和 TA3） 和 鈦 合 金 中 ， 一 般 限 制 O含 量 小 于0.15 0.2%， N含 量 小 于 0.05 0.08%， C含 量 小于 0.1 0.2%， H含 量 小 于 0.015 0.02%。 近 20年 來(lái) ， 國(guó) 內(nèi) 外 發(fā) 展 了 一 些 間 隙 （ 雜 質(zhì) ） 元 素特 別 低 的 高 純 度 鈦 合 金 。 如 美 國(guó) 標(biāo) 準(zhǔn) 純 鈦 的 Ti-6Al-4V合 金 的 O含 量 小 于 0.2%， C含 量 小 于 0.1%；而 高 純

24、 度 的 Ti-6Al-4V（ ELI） 合 金 的 O含 量 小 于0.13%， C含 量 小 于 0.08%。 因 為 O會(huì) 增 加 Ti的 冷脆 性 ， 并 嚴(yán) 重 降 低 斷 裂 韌 性 。 所 以 ， 高 純 度 鈦 合金 適 宜 于 低 溫 或 要 求 高 的 斷 裂 韌 性 時(shí) 使 用 。 降 低間 隙 元 素 含 量 可 提 高 材 料 的 斷 裂 韌 性 。 綜 上 所 述 ， 鈦 中 的 間 隙 雜 質(zhì) 雖 然 能 提 高 鈦 的 強(qiáng) 度 ，但 建 議 不 要 采 用 提 高 間 隙 雜 質(zhì) 來(lái) 提 高 鈦 的 強(qiáng) 度 。 原 因 ： 這 種 雜 質(zhì) 不 僅 嚴(yán) 重 降 低

25、 合 金 的 塑 性 和 斷裂 韌 性 ， 而 且 會(huì) 加 快 疲 勞 裂 紋 擴(kuò) 展 速 率 ， 并 使 其他 一 些 重 要 性 能 ， 如 熱 穩(wěn) 定 性 ， 蠕 變 抗 力 ， 缺 口敏 感 性 等 變 壞 。 此 外 ， 現(xiàn) 用 的 和 發(fā) 展 中 的 高 強(qiáng) 鈦 合 金 主 要 靠 加入 大 量 的 合 金 元 素 來(lái) 強(qiáng) 化 ， 這 就 需 要 基 體 元 素 鈦有 更 高 的 塑 性 儲(chǔ) 備 。 所 以 提 高 鈦 的 純 度 （ 實(shí) 際 上是 提 高 海 綿 鈦 的 品 位 ） 是 發(fā) 揮 合 金 潛 力 以 及 研 制新 的 高 強(qiáng) 度 、 高 塑 性 和 高 韌 性 鈦

26、合 金 的 必 要 條 件 。 工 業(yè) 純 鈦 按 雜 質(zhì) 含 量 不 同 ， 在 我 國(guó) 現(xiàn) 行 冶 標(biāo) 中 有 三 個(gè) 牌號(hào) ： 中 國(guó) 俄 羅 斯 美 國(guó) 英 國(guó) 日 本 bMPa % %TA1 BT1-0 Ti-35 IMI115 KS50 350 25 50TA2 BT1-1 Ti-55 IMI125 KS60 450 20 45TA3 BT1-2 Ti-65 IMI135 KS85 550 15 40KS85 0.15 0.05KS50 0.03 0.015 0.15 0.100.1 0.05KS60 0.15 0.05 0.05 0.015 0.30 0.15 中 國(guó) 俄 羅 斯

27、 美 國(guó) 英 國(guó) 日 本 O N C H Fe SiTA1 BT1-0 Ti-35 IMI115TA2 BT1-1 Ti-55 IMI125TA3 BT1-2 Ti-65 IMI135 0.10 0.015 0.30 0.15 工 業(yè) 純 鈦 的 特 點(diǎn) ： 從 上 表 可 以 看 到 ： 隨 著 純 度 降 低 ， 或 者 說(shuō) 雜 質(zhì) 含 量 增 加 ， 工 業(yè) 純 鈦 強(qiáng) 度 提 高 ， 塑 性 下 降 。 工 業(yè) 純 鈦 在 退 火 狀 態(tài) 下 為 單 相 的 組 織 （ 一 片 白 色 ） ， 工 業(yè) 純 鈦 屬 型 合 金 ， 我 國(guó) 用 TA表 示 。 工 業(yè) 純 鈦 不 能 采

28、用 熱 處 理 強(qiáng) 化 （ 退 火 是 軟 化 ， 不 是 強(qiáng) 化 ） 。 要 想 提 高 工 業(yè) 純 鈦 的 強(qiáng) 度 ， 只 能 采 用 冷 變 形 的 所 謂 冷 作 硬 化 。 用 鈑 金 成 形 的 飛 機(jī) 蒙 皮 ， 其 強(qiáng) 度 可 達(dá) 600MPa。 上 面 主 要 以 純 鈦 來(lái) 介 紹 其 力 學(xué) 性 能 特 點(diǎn) 的 ， 其實(shí) ， 對(duì) 于 鈦 合 金 來(lái) 講 ， 同 樣 存 在 同 素 異 晶 轉(zhuǎn) 變 、化 學(xué) 性 活 潑 、 摩 擦 系 數(shù) 大 、 導(dǎo) 熱 性 差 、 線(xiàn) 膨 脹 系數(shù) 小 等 特 點(diǎn) ， 以 后 就 不 再 重 復(fù) 介 紹 了 。 下 面 對(duì) 從 事 切 削

29、 加 工 的 聽(tīng) 眾 ， 介 紹 一 點(diǎn) 切 削加 工 方 面 的 知 識(shí) 。 鈦 的 化 學(xué) 性 質(zhì) 活 潑 極 易 氧 化 ， 其 結(jié) 果 在 工 件 表 面 形 成 富 氧 層 ， 實(shí) 際 上 應(yīng) 叫 做 硬 化 脆 性 層 。 其 厚 度 取 決 于 加 熱 條 件 和 合 金 牌 號(hào) ， 對(duì) 于 型 和 近 型 合 金 來(lái) 講 ， 最 厚 可 達(dá) 0.7mm， 如 果 不 經(jīng) 退 火 處 理 ， 一 般 的 切 削 刀 具 是 加 工 不 動(dòng) 的 。 特 別 是 刨 削 加 工 更 困 難 ， 一 般 采 用 硬 質(zhì) 合 金 刀 具 ， 切 削 速 度 為 15米 /分 左 右 。

30、當(dāng) 富 氧 層 去 掉 后 ， 還 是 很 好 加 工 的 。 鈦 的 導(dǎo) 熱 性 差 ， 加 工 時(shí) 應(yīng) 不 斷 冷 卻 刀 刃 ， 一 般 采 用 乳 化 液 ， 也 可 以 用 機(jī) 油 冷 卻 ， 否 則 刀 具 壽 命 很低 。 加 工 鈦 比 鋼 需 要 更 大 的 切 削 力 ， 應(yīng) 采 用 剛 度 好 的 機(jī) 床 進(jìn) 行 車(chē) 削 加 工 ， 否 則 因 彈 性 變 形 而 影 響 精 度 。 磨 削 加 工 ， 除 了 降 低 磨 削 速 度 ， 還 需 不 斷 冷 卻（ 乳 化 液 ） 。 砂 輪 切 割 ， 盡 可 能 少 用 ， 如 用 冷 卻 ； 余 量 大 一 點(diǎn) ，

31、至 少 3 5毫 米 燒 傷 區(qū) ， 做 金 相 試 樣 或 性 能 試 樣 時(shí) ， 必 須 車(chē) 或 銑 掉 ， 否 則 容 易 出 現(xiàn) 假 象 。 2、 鈦 合 金 所 謂 鈦 合 金 ， 除 了 上 面 講 到 的 O、 N、 H、 C、Fe、 Si不 可 避 免 的 雜 質(zhì) 外 ， 人 為 地 或 者 說(shuō) 有 意 識(shí) 地在 Ti中 加 入 某 些 合 金 元 素 ， 其 目 的 為 了 提 高 或 滿(mǎn) 足某 種 機(jī) 械 性 能 。 鈦 與 合 金 元 素 的 相 互 作 用 影 響 鈦 與 合 金 元 素 相 互 作 用 的 基 本 因 素 在 研 制 一 個(gè) 合 金 時(shí) ， 首 先 考

32、 慮 的 問(wèn) 題 是 加 入 的元 素 ： 與 鈦 形 成 固 溶 體 還 是 化 合 物 ； 與 -Ti還是 -Ti形 成 固 溶 ； 溶 解 度 有 多 大 。 上 述 問(wèn) 題 主 要 取 決 于 加 入 元 素 的 ： 晶 格 類(lèi) 型 ； 電 子 層 結(jié) 構(gòu) ； 原 子 半 徑 大 小 ； 電 子 濃 度 等 。 鈦 與 合 金 元 素 的 相 互 作 用 眾 所 周 知 ， 鈦 是 過(guò) 渡 族 金 屬 元 素 ， 它 最 外 層 的 電子 結(jié) 構(gòu) 3d24s2。 在 元 素 周 期 表 上 有 很 多 元 素 都 能 與 Ti形 成 置 換 式固 溶 體 。 但 是 只 有 外 層 電

33、 子 結(jié) 構(gòu) 與 Ti相 近 的 元 素才 能 有 較 大 的 溶 解 度 。 那 么 ， 哪 些 元 素 與 Ti是 同 一 過(guò) 渡 族 ， 而 且 晶 格 類(lèi)型 相 同 ， 外 層 電 子 結(jié) 構(gòu) 和 原 子 半 徑 相 近 呢 ？ 元 素 外 層 電 子 結(jié) 構(gòu) 原 子 半 徑 R， 原 子 半 徑 差（ RT-Rx） ， 晶 格 類(lèi) 型Ti（ 鈦 ）Zr（ 鋯 ）Hf（ 鉿 ） 3d24s2（ d2s2）4d25s2（ d2s2）5d26s2（ d2s2） 1.471.601.59 -0.13-0.12 從 上 表 可 知 ， Zr與 Hf元 素 與 Ti屬 于 同 一 類(lèi) ， 在 固

34、態(tài) 都 有 相 同 的 同 素 異 晶 轉(zhuǎn) 變 ， 即 在 低 溫 時(shí) 為 密 排 六 方晶 格 ， 高 溫 時(shí) 為 體 心 立 方 晶 格 。 體心立方密排六方 因 此 ， Zr、 Hf既 可 在 低 溫 時(shí) 溶 解 于 -Ti ， 又 可 在高 溫 時(shí) 溶 解 于 -Ti中 。 又 因 外 層 電 子 結(jié) 構(gòu) 和 原 子 半 徑 相 近 ， 所 以 ， 兩者 在 -Ti和 -Ti中 均 能 無(wú) 限 互 溶 ， 就 是 說(shuō) 加 入 多 少可 以 溶 解 多 少 ； 而 且 是 置 換 式 的 固 溶 。 由 于 在 -Ti和 -Ti中 的 溶 解 能 力 相 同 ， 所 以 又 稱(chēng) 為 中

35、性 元 素 。 與 Zr、 Hf元 素 具 有 類(lèi) 似 特 性 的 還 有 Sn（ 錫 ） ， 但Sn在 高 溫 -Ti中 不 是 無(wú) 限 的 ， 而 是 有 限 的 溶 解 。 Zr、 Hf、 Sn中 ， Hf是 稀 貴 和 稀 缺 元 素 ， 一 般 不 用 。Zr、 Sn常 用 。 那 么 ， 到 底 用 Zr還 是 Sn， 很 有 講 究 。 這 里 用 TC11合 金 來(lái) 舉 例 ： TC11合 金 是 我 國(guó) 于 70年 代 末 80年 代 初 仿 制 原蘇 聯(lián) 用 于 500 的 BT9熱 強(qiáng) 鈦 合 金 ， 其 名 義 成 分 為 Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.

36、3Si。 而 原 蘇 聯(lián) 于 1958年 研 制 這 個(gè) 合 金 時(shí) ， 最 初 用 的是 2.5Sn。 后 來(lái) 發(fā) 現(xiàn) 加 Sn的 熱 強(qiáng) 性 不 太 好 。 于 1966年 以 1.5Zr替 代 了 2.5Sn， 其 目 的 在 于 提 高 持 久 和蠕 變 強(qiáng) 度 。 為 什 么 以 Zr代 替 Sn可 提 高 熱 強(qiáng) 性 呢 ？ 原 因 ： Zr的 熔 點(diǎn) 為 1750 ， 比 錫 的 熔 點(diǎn) 231.9 高 得 多 。 一 個(gè) 鈦 合 金 的 熱 強(qiáng) 性 （ 高 溫 性 能 ） 取 決 于 ： 合 金 的 熔 化 溫 度 再 結(jié) 晶 溫 度 相 變 溫 度 加 Zr意 味 著 提 高

37、 了 合 金 的 熔 化 溫 度 。 這 里 再 引 入 一 個(gè) 科 學(xué) 概 念 ： 熔 化 溫 度 高 的 合 金 ，其 再 結(jié) 晶 溫 度 必 然 是 高 的 。 道 理 很 簡(jiǎn) 單 ， 高 熔 點(diǎn) 元 素 加 入 到 合 金 中 ， 在提 高 合 金 熔 化 溫 度 的 同 時(shí) ， 阻 礙 了 合 金 再 結(jié) 晶 過(guò)程 的 完 成 ， 也 就 是 說(shuō) 提 高 了 再 結(jié) 晶 溫 度 。 同 樣 道 理 ， 再 結(jié) 晶 溫 度 高 的 合 金 ， 其 相 變 溫 度也 是 高 的 。 為 什 么 ？ 因 為 只 有 再 結(jié) 晶 過(guò) 程 結(jié) 束 后 相 變 才 開(kāi) 始 。 所 以 ，合 金

38、的 相 變 溫 度 在 很 大 程 度 上 決 定 了 這 個(gè) 合 金 的工 作 溫 度 。 例 如 TC4的 相 變 點(diǎn) 正 常 情 況 下 為 1000 ， 而TC11有 時(shí) 高 達(dá) 1020 1030 。 因 此 ， TC4的 使 用溫 度 低 于 400 ， 而 TC11可 在 500 使 用 。 可 見(jiàn) ， 發(fā) 展 熱 強(qiáng) 鈦 合 金 一 般 選 擇 不 是 降 低 而 是提 高 相 變 點(diǎn) 的 合 金 元 素 是 有 道 理 的 。 如 美 國(guó) 的 Ti-1100合 金 ， 英 國(guó) 的 IMI834合 金 ， 兩 者 的 相 變 點(diǎn)為 1015 左 右 ， 可 在 600 溫 度

39、下 使 用 。 Zr的 固 溶 強(qiáng) 化 效 果 比 Sn好 。 為 什 么 ？ Zr本 身 的 強(qiáng) 度 比 Sn高 ； Sn在 -Ti中 是 有 限 互 溶 ， 所 以 強(qiáng) 化 效 果 差 ； Zr與 Ti形 成 以 -Ti為 基 的 連 續(xù) 固 溶 體 ， 不 會(huì) 引 起 固 溶 體 的 有 序 化 。 而 Sn不 同 ， Sn的 加 入 ， 在合 金 中 容 易 形 成 有 序 相 Ti3X， 使 合 金 變 脆 ， 熱 穩(wěn)定 性 差 。 最 關(guān) 鍵 的 問(wèn) 題 ， 以 Zr代 Sn降 低 了 Si在 相 中 的 溶解 度 。 前 面 已 經(jīng) 提 到 了 ， Si是 穩(wěn) 定 元 素 ， 也

40、 就 是 說(shuō) Si如 果 是 作 為 元 素 （ 不 是 雜 質(zhì) ） 加 入 到 合 金 中 ， 主要 溶 解 于 相 中 。 但 是 Si在 -Ti中 也 有 一 定 的 溶 解度 。 Antong的 研 究 指 出 ： Si在 -Ti中 的 溶 解 度 可達(dá) 0.3%。 當(dāng) 然 ， 在 TC11合 金 中 加 入 0.3Si的 目 的 ： 既 不是 強(qiáng) 化 相 ， 也 不 是 強(qiáng) 化 相 ， 而 是 為 了 析 出 硅 化物 顆 粒 而 達(dá) 到 彌 散 強(qiáng) 化 的 效 果 。 原 蘇 聯(lián) 的 材 料 科 學(xué) 家 發(fā) 現(xiàn) ， 在 BT9（ 中國(guó) 早 期 TC9） 中 加 入 Sn， 達(dá) 不

41、到 彌 散 強(qiáng) 化的 效 果 ， 所 以 ， 于 1966年 提 出 以 Zr代 Sn。以 Zr代 Sn具 有 彌 散 強(qiáng) 化 的 效 果 。 為 什 么 ？ 由 于 Zr的 加 入 ， Zr與 Ti、 Si可 形 成Ti2ZrSi3和 Ti2ZrSi等 硅 化 物 沉 淀 相 。 這 樣 ，沒(méi) 有 多 余 的 Si溶 解 于 -Ti或 -Ti中 了 。 也 就是 說(shuō) Si優(yōu) 先 與 Ti、 Zr形 成 了 硅 化 物 。 TC11合 金 ， 經(jīng) 950 /1h空 冷 +530 /6h空 冷 處理 ， 這 些 硅 化 物 以 細(xì) 小 的 顆 粒 彌 散 分 布 于 基 體 上和 魏 氏 體 片

42、 層 之 間 。 有 人 把 細(xì) 小 的 硅 化 物 顆 粒 比作 為 小 釘 子 ， 這 些 小 釘 子 扎 在 基 體 上 與 片 層 之 間 ，大 大 地 阻 礙 了 金 屬 的 滑 移 和 位 錯(cuò) 運(yùn) 動(dòng) ， 即 使 很 小 的變 形 蠕 變 ， 也 很 困 難 。 因 此 ， 蠕 變 強(qiáng) 度 高 ， 當(dāng) 然 ，持 久 強(qiáng) 度 高 也 是 同 樣 的 道 理 。 所 以 ， Sn與 Zr都 是 中 性 元 素 ， 但 Zr的 強(qiáng) 化 作 用比 Sn好 。 下 面 介 紹 在 元 素 周 期 表 上 的 位 置 與 Ti靠 近 的 元 素 ：同 晶 元 素 共 析 元 素常 用元 素 M

43、o（ 鉬 ） 、 V（ 釩 ） Cr（ 鉻 ） Mn（ 錳 ） Fe（ 鐵 ）Co（ 鈷 ） W （ 鎢 ） Cu（ 銅 ）Ni（ 鎳 ） Si（ 硅 ）不 常 用元 素 Nb（ 鈮 ） 、 Ta（ 鉭 ） Sb（ 銻 ） Bi（ 鉍 ） Ag（ 銀 ）Ir（ 銥 ） Rh（ 銠 ） 同 晶 元 素 的 特 點(diǎn) ： 同 晶 元 素 顧 名 思 意 ， 其 晶 格 類(lèi) 型 與 -Ti相 同 ，即 體 心 立 方 晶 格 。 由 于 晶 格 相 同 ， 所 以 它 們 在 -Ti中 無(wú) 限 互 溶 。 換 句 話(huà) 講 ， 它 們 的 加 入 是 固 溶 強(qiáng)化 相 。 與 Ti原 子 半 徑 相 差

44、 不 大 ， 在 置 換 式 固 溶 時(shí) ， 晶格 畸 變 很 小 。 因 此 ， 隨 著 加 入 量 的 增 加 ， 在 提 高強(qiáng) 度 的 同 時(shí) ， 仍 能 保 持 高 的 塑 性 。 例 如 21S（ Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si） ， “ 九 五 ” 期 間 我 國(guó) 仿 制的 指 標(biāo) ： b1200MPa、 KIC70MPam、 8%。美 國(guó) 資 料 介 紹 ， 通 過(guò) 熱 處 理 ： b1450MPa、K IC80MPam、 8%， 屬 高 強(qiáng) 高 韌 合 金 。 同 晶 元 素 的 加 入 量 越 多 ， 合 金 組 織 中 的 相 越 穩(wěn)定 。 當(dāng) Mo、 V含

45、 量 達(dá) 到 某 一 臨 界 值 時(shí) ， 即 使 空 冷也 能 將 合 金 中 的 相 保 留 到 室 溫 。 這 一 臨 界 值 稱(chēng) 為“ 臨 界 濃 度 ” 。 一 個(gè) 合 金 元 素 的 臨 界 濃 度 反 映 其穩(wěn) 定 相 的 能 力 ， 臨 界 濃 度 越 小 的 元 素 ， 穩(wěn) 定 相的 能 力 越 大 ， 如 Mo的 臨 界 濃 度 為 11.0%（ 重 量 ） ，而 V為 19.3%， Mo穩(wěn) 定 相 的 能 力 幾 乎 是 V的 一 倍 。Mo和 V是 開(kāi) 發(fā) 高 強(qiáng) 合 金 的 主 要 合 金 元 素 ， 但 常 用的 是 Mo， 如 21S中 有 15Mo， 中 僅 有

46、11.5Mo，稱(chēng) 為 合 金 （ 又 稱(chēng) 亞 穩(wěn) 定 合 金 ） ， 而 Ti-1023中 ，有 10V， 只 能 稱(chēng) 為 貧 （ 近 ） 合 金 。 在 Ti中 加 入 Mo、 V、 Nb、 Ta來(lái) 穩(wěn) 定 相 的 一 個(gè) 特點(diǎn) ， 所 得 組 織 的 穩(wěn) 定 性 好 ， 且 不 會(huì) 發(fā) 生 共 析 反 應(yīng)而 使 合 金 在 一 定 條 件 下 變 脆 。 換 句 話(huà) 講 ， 在 合 金中 除 了 加 入 Mo、 V、 Nb、 Ta以 外 ， 加 入 其 他 穩(wěn)定 元 素 ， 如 常 用 的 元 素 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 W、Cu、 Ni、 Si等 都 會(huì) 發(fā) 生 共 析 反 應(yīng)

47、， 只 是 反 應(yīng) 速 度快 慢 而 已 。 共 析 元 素 的 特 點(diǎn) ： 它 們 在 -Ti和 -Ti中 均 為 有 限 溶 解 ， 但 在 -Ti中的 溶 解 度 比 -Ti中 大 得 多 。 因 為 畢 竟 是 穩(wěn) 定 元 素 ，當(dāng) 然 主 要 溶 解 于 相 中 來(lái) 穩(wěn) 定 相 和 固 溶 強(qiáng) 化 相 。 這 類(lèi) 元 素 與 相 形 成 的 固 溶 體 ， 在 一 定 條 件 下要 發(fā) 生 共 析 反 應(yīng) ， 其 結(jié) 果 將 相 分 解 為 固 溶 體 和 相 。 而 相 通 常 是 以 金 屬 間 化 合 物 為 基 的 固 溶 體 。眾 所 周 知 ， 在 鈦 合 金 中 凡 是

48、 出 現(xiàn) 金 屬 間 化 合 物 ，一 般 都 會(huì) 使 金 屬 變 脆 。 Ti與 Cu、 Ni、 Si等 非 過(guò) 度 族 元 素 形 成 的 共 析 反應(yīng) 進(jìn) 行 極 快 ， 在 一 般 冷 卻 條 件 下 ， 不 能 阻 止 其 共析 反 應(yīng) 。 換 句 話(huà) 講 ， 很 難 將 加 入 這 類(lèi) 元 素 的 合 金中 的 相 固 定 （ 保 留 ） 到 室 溫 。 我 們 把 這 類(lèi) 元 素 稱(chēng)為 活 性 共 析 元 素 ， 有 時(shí) 干 脆 稱(chēng) 之 為 快 共 析 元 素 。 Ti與 Fe、 Mn、 Cr等 元 素 形 成 的 共 析 反 應(yīng) 進(jìn) 行 極慢 ， 在 通 常 冷 卻 情 況 下

49、 根 本 來(lái) 不 及 進(jìn) 行 。 所 以 把這 類(lèi) 元 素 稱(chēng) 為 非 活 性 共 析 元 素 ， 也 稱(chēng) 慢 共 析 元 素 。 Fe、 Mn、 Cr是 研 制 合 金 中 最 常 采 用 的 共 析元 素 ， Fe（ 5.2 5.7%wt） 、 Mn（ 5.7%wt） 、 Cr（ 9.0%wt） 穩(wěn) 定 相 的 能 力 比 Mo（ 11.0%wt） 、V（ 19.3%wt） 等 大 得 多 。 但 Fe、 Mn、 Cr畢 竟 是共 析 型 元 素 ， 盡 管 在 通 常 條 件 下 共 析 反 應(yīng) 來(lái) 不 及進(jìn) 行 ， 可 是 來(lái) 不 及 進(jìn) 行 不 等 于 不 會(huì) 進(jìn) 行 ， 在 一 定

50、溫 度 場(chǎng) 和 應(yīng) 力 場(chǎng) 作 用 下 ， 共 析 反 應(yīng) 還 是 要 發(fā) 生 的（ 共 析 反 應(yīng) 的 結(jié) 果 會(huì) 使 合 金 脆 化 ） 。 所 以 ， 研 制高 溫 下 工 作 的 合 金 時(shí) ， 一 般 不 宜 將 Fe、 Mn、 Cr作 為 主 元 素 加 入 到 合 金 中 去 。 前 蘇 聯(lián) 的 鈦 科 學(xué) 工 作 者 認(rèn) 為 ： 對(duì) 于 熱 強(qiáng) 鈦 合 金 來(lái)說(shuō) ， 添 加 共 析 型 穩(wěn) 定 元 素 ， 不 應(yīng) 該 認(rèn) 為 有 發(fā) 展 前途 。 原 因 ： Cu、 Ni、 Si等 快 共 析 元 素 不 能 將 相 保 留 到 室溫 ； Fe、 Mn、 Cr等 慢 共 析 元

51、 素 ， 在 一 定 條 件 下 發(fā)生 共 析 反 應(yīng) 會(huì) 使 合 金 變 脆 。 因 此 ， 研 制 高 溫 鈦 合 金 一 般 添 加 同 晶 型 元 素Mo、 V、 Nb、 Ta。 但 美 國(guó) 、 日 本 等 ， 在 90年 代 中 后 期 ， 開(kāi) 發(fā) 含F(xiàn)e的 鈦 合 金 來(lái) 降 低 材 料 的 成 本 而 用 于 汽 車(chē) 工 業(yè) 。 既 然 講 到 了 Fe這 個(gè) 慢 共 析 穩(wěn) 定 元 素 ， 先 將 斑 點(diǎn) 作 一 介 紹 。 這 里 舉 Ti-1023合 金 （ Ti-10V-2Fe-3Al） 為 例 。 由 于 含 Fe量 較 高 （ 2%） ， 熔 煉 過(guò) 程 中 因 偏

52、析而 易 形 成 斑 點(diǎn) 。 下 面 介 紹 三 點(diǎn) ： 斑 點(diǎn) 的 特 征 斑 點(diǎn) 產(chǎn) 生 的 原 因 和 改 善 的 辦 法 斑 點(diǎn) 對(duì) 性 能 的 影 響 斑 點(diǎn) 的 特 征 在 低 倍 照 片 上 以 亮 斑 的 形 式 出 現(xiàn) （ 圖 中 大 大 小 小 的白 塊 ） ， 實(shí) 際 上 肉 眼 也 可 以 看 到 亮 斑 。 斑 點(diǎn) 的 低 倍 特 征 在 高 倍 照 片 上 斑 點(diǎn) 以 區(qū) 域 的 形 式 出 現(xiàn) 。 在 斑 區(qū)內(nèi) 僅 有 少 量 相 ， 甚 至 沒(méi) 有 相 。 但 可 明 顯 的 見(jiàn)到 原 始 晶 粒 邊 界 。斑 點(diǎn) 的 高 倍 特 征 通 過(guò) 實(shí) 驗(yàn) ， 可 以

53、 進(jìn) 一 步 發(fā) 現(xiàn) ： 斑 區(qū) 內(nèi) 的 顯 微 硬 度 一 般 大 于 基 體 （ 正 常 組織 ） 的 硬 度 ； 微 區(qū) 成 分 分 析 ， 斑 區(qū) 內(nèi) 穩(wěn) 定 元 素 含 量 低 于基 體 ， 而 穩(wěn) 定 元 素 含 量 一 般 大 于 基 體 。 關(guān) 于 判 斷 斑 點(diǎn) 的 定 量 標(biāo) 準(zhǔn) ， 至 今 尚 缺乏 統(tǒng) 一 認(rèn) 識(shí) 。 歐 洲 生 產(chǎn) 者 技 術(shù) 委 員 會(huì) 規(guī) 定 ：相 （ 等 軸 或 條 狀 ） 含 量 少 于 基 體 的 20%，定 義 為 斑 點(diǎn) 。 斑 點(diǎn) 產(chǎn) 生 的 原 因 和 改 善 的 辦 法 在 、 近 和 （ +） 鈦 合 金 中 ， 由 于 添 加

54、的 穩(wěn) 定元 素 含 量 較 少 ， 所 以 不 常 出 現(xiàn) 斑 點(diǎn) 。 而 在 近 和 鈦 合 金 中 ， 特 別 是 添 加 Fe、 Mo、 Mn、Cr、 Cu等 穩(wěn) 定 元 素 的 合 金 中 ， 出 現(xiàn) 斑 點(diǎn) 的 幾 率較 大 。 Mo的 熔 點(diǎn) 較 高 （ 2610 ） ， 如 果 以 Mo元 素加 入 ， 由 于 Mo顆 粒 較 大 ， 難 以 完 全 熔 化 而 沉 淀 于熔 池 底 部 形 成 Mo偏 析 。 偏 析 是 形 成 斑 點(diǎn) 的 潛 在因 素 。 前 面 已 提 及 Fe、 Cr、 Mn、 Cu均 屬 于 共 析 元素 ， 主 要 溶 解 于 相 ， 但 在 相

55、中 不 是 無(wú) 限 而 是 有限 溶 解 ， 如 局 部 區(qū) 域 含 量 較 多 ， 就 有 可 能 形 成 偏析 。 另 外 ， Fe、 Cr、 Mn又 屬 于 慢 共 析 元 素 ， 特 別是 Fe是 沉 淀 型 慢 共 析 元 素 。 因 此 ， Fe在 相 中 的 有 限 溶 解 ， Fe又 是 沉 淀 型慢 共 析 元 素 這 兩 個(gè) 特 點(diǎn) ， 為 材 料 化 學(xué) 成 分 不 均 勻帶 來(lái) 了 隱 患 。 嚴(yán) 重 的 化 學(xué) 成 分 不 均 勻 （ 偏 析 ） 是 形 成 斑 點(diǎn)的 根 本 原 因 。 眾 所 周 知 ， 真 空 自 耗 電 弧 熔 煉 的 特 點(diǎn) ： 邊 熔化 邊

56、 凝 固 。 鈦 合 金 化 學(xué) 成 分 的 均 勻 性 取 決 于 ：（ 1） 電 極 中 的 合 金 料 （ 海 綿 鈦 ， 加 入 的 元 素 或 中 間合 金 ） 的 均 勻 性 ；（ 2） 熔 煉 過(guò) 程 中 在 有 限 的 熔 池 中 的 攪 拌 。 如 果 壓 制 電 極 用 海 綿 鈦 ， 加 入 的 元 素 、 合 金 、中 間 合 金 顆 粒 大 小 不 合 適 ； 或 布 料 不 均 ； 或 因 電極 壓 制 時(shí) 焊 接 得 不 好 ， 在 熔 化 過(guò) 程 中 有 大 塊 合 金料 掉 入 熔 池 又 來(lái) 不 及 熔 化 和 攪 拌 均 勻 就 凝 固 了 。 從 凝 固

57、 條 件 來(lái) 分 析 ， 可 能 產(chǎn) 生 斑 點(diǎn) 的 原 因 ： 合 金 元 素 的 分 配 率 ； 凝 固 速 度 ； 液 相 移 動(dòng) 和擴(kuò) 散 速 度 等 等 。 其 中 影 響 最 大 的 是 合 金 元 素 的 分配 率 。 上 述 諸 多 因 素 都 有 可 能 造 成 化 學(xué) 成 分 不 均 勻而 形 成 偏 析 。 1980年 ， 美 國(guó) 宇 航 材 料 手 冊(cè) 中 提 到 ， Fe偏 析 波 動(dòng) 0.5%（ wt） 。 轉(zhuǎn) 變 溫 度 相 應(yīng) 地 降 低42 。 因 此 ， 采 用 傳 統(tǒng) 的 相 變 點(diǎn) 以 下 40 50 常 規(guī)鍛 造 ， 或 者 采 用 相 變 點(diǎn) 以 下

58、 15 左 右 加 熱 變 形 的近 鍛 造 。 那 么 Fe偏 析 富 集 的 局 部 區(qū) 域 ， 往 往 容易 接 近 甚 至 超 過(guò) 轉(zhuǎn) 變 溫 度 而 使 相 減 少 ， 或 完全 消 失 。 前 已 提 及 歐 洲 鈦 生 產(chǎn) 技 術(shù) 委 員 會(huì) 的 規(guī) 定 ， 相 含 量 少 于 基 體 （ 正 常 組 織 ） 的 20%， 即 定 義 為 斑 點(diǎn) 。 所 以 ， 對(duì) 于 含 有 Fe、 Mo、 Cr等 元 素 可 能造 成 化 學(xué) 成 分 不 均 勻 而 形 成 偏 析 的 合 金 ， 最 好 先采 用 鍛 造 ， 然 后 再 在 （ + ） 較 低 溫 度 鍛 造 。 道 理

59、很 簡(jiǎn) 單 ： 在 區(qū) 加 熱 鍛 造 ， 提 高 了 溫 度 ， 有 利 于 偏 析 元素 的 擴(kuò) 散 。 在 （ +） 兩 相 區(qū) 偏 下 部 加 熱 、 鍛 造 ， 那 么 即使 局 部 區(qū) 域 因 偏 析 元 素 降 低 了 相 變 點(diǎn) ， 也 不 至 于接 近 相 變 點(diǎn) 而 使 相 大 大 減 少 ， 或 完 全 消 失 而 形成 斑 點(diǎn) 。 鍛 造 是 這 樣 ， 對(duì) 熱 處 理 也 是 同 樣 的 道 理 ， 對(duì)Ti-1023合 金 來(lái) 講 ， 固 溶 溫 度 盡 可 能 低 一 點(diǎn) 。 Froes對(duì) 鈦 合 金 的 研 究 指 出 ： 如 果 最 后 的 熱 加工 和 熱 處

60、 理 ， 在 足 夠 低 的 溫 度 下 進(jìn) 行 ， 將 觀 察 不到 或 很 少 有 斑 點(diǎn) 的 存 在 。 我 們 的 研 究 得 到 了 同 樣的 結(jié) 果 。 我 們 對(duì) Ti-1023合 金 斑 點(diǎn) 的 研 究 ， 還 發(fā) 現(xiàn) 了 一個(gè) 十 分 有 趣 的 事 實(shí) ： 鍛 后 采 用 水 冷 ， 可 明 顯 減 輕 斑 點(diǎn) 。 這 個(gè) 現(xiàn) 象 的 理 論 解 釋 還 沒(méi) 有 資 料 加 以 論 述 。 我們 認(rèn) 為 ： 鍛 后 水 冷 能 保 留 金 屬 變 形 產(chǎn) 生 的 大 量 晶體 缺 陷 ， 而 這 些 晶 體 缺 陷 在 隨 后 的 熱 處 理 過(guò) 程 中 ，不 僅 成 為

61、形 核 的 場(chǎng) 所 ， 而 且 缺 陷 所 儲(chǔ) 存 的 畸 變 能為 元 素 擴(kuò) 散 提 供 了 激 活 能 。 根 據(jù) 位 錯(cuò) 理 論 ， 晶 體 發(fā) 生 形 變 可 使 位 錯(cuò) 密 度 提高 5 6個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ， 而 原 子 沿 著 位 錯(cuò) 畸 變 區(qū) 進(jìn) 行 遷移 要 比 晶 內(nèi) 容 易 ， 可 見(jiàn) ， 水 冷 儲(chǔ) 存 的 畸 變 能 加 速了 擴(kuò) 散 過(guò) 程 的 進(jìn) 行 ， 使 Fe偏 析 均 勻 化 ， 從 而 減 輕了 斑 點(diǎn) 。 綜 上 所 述 ， Ti-1023合 金 的 斑 點(diǎn) 不 僅 與 原 材 料化 學(xué) 成 分 不 均 勻 有 關(guān) ， 還 與 熱 加 工 工 藝 有

62、關(guān) ， 而Fe偏 析 是 形 成 斑 點(diǎn) 的 根 本 原 因 。 斑 點(diǎn) 對(duì) 性 能 的 影 響 斑 點(diǎn) 主 要 影 響 材 料 的 塑 性 和 低 周 疲 勞 性 能 。 斑 點(diǎn) 對(duì) Ti-1023合 金 拉 伸 性 能 的 影 響最 大 斑 點(diǎn) 面 積（ Smax， mm2） 斑 點(diǎn) 占 斷 裂 截 面 積百 分 比 （ PA， %） b（ MPa） 0.2（ MPa） （ %） （ %）0 0 1202 1183 11.0 48.70.01（ =0.21 0.05） 0.06 1210 1195 11.6 51.30.02（ =0.32 0.07） 0.12 1245 1220 9.6

63、44.00.07（ =0.37 0.19） 0.12 1182 1165 10.0 46.0 0.09（ =0.48 0.18） 1.1 1250 1220 8.8 30.00.20（ =1. 28 0.16） 5.7 1282 1243 6.4 11.90.21（ =1.04 0.20） 1.8 1269 1250 8.0 26.80.22（ =1.07 0.21） 3.3 1220 1210 7.2 29.50.32（ =0.63 0.51） 6.1 1260 1211 5.6 11.70.58（ =0.97 0.60） 13.6 1302 1280 5.6 11.00.60（ =2.73

64、 0.22） 3.2 1226 1200 6.0 13.2 從 上 表 可 以 看 到 ： 斷 裂 面 上 沒(méi) 有 斑 點(diǎn) （ Smax=0） 的 試 樣 ,值 高 達(dá)48.7%。 斷 裂 面 上 存 在 嚴(yán) 重 斑 點(diǎn) （ Smax=0.58） 的 試 樣 ,值僅 為 11.0% 不 僅 最 大 斑 點(diǎn) 面 積 Smax影 響 塑 性 ， 而 且 斑 點(diǎn) 占斷 裂 截 面 積 百 分 比 PA同 樣 影 響 塑 性 。 有 的 試 樣Smax值 沒(méi) 有 超 過(guò) 控 制 標(biāo) 準(zhǔn) （ 0.762 0.762） 。 但 PA很 高 ， 例 如 Smax=1.28 0.16=0.20mm2的 試 樣

65、 ， 由于 斷 裂 面 上 斑 點(diǎn) 很 多 ， PA=5.7%， 其 對(duì) 應(yīng) 的 值只 有 11.9%。 因 此 ， 在 實(shí) 際 生 產(chǎn) 中 ， 除 了 應(yīng) 控 制 S max外 ， 還應(yīng) 考 慮 PA值 。 斑 點(diǎn) 對(duì) Ti-1023合 金 低 周 疲 勞 性 能 的 影 響最 大 斑 點(diǎn) 面 積（ Smax， mm2） 斑 點(diǎn) 占 斷 裂 截 面 積百 分 比 （ PA， %） 應(yīng) 力（ ， MPa ） 低 周 疲 勞 壽 命 （ Nf）0 0 800 1.61 1070.09（ =0.43 0.21） 0.59 800 2.5 1050.15（ =0.50 0.30） 10.90 800

66、 6 1040.18（ =8.42 0.23） 1.30 800 8.1 1057.83（ =8.42 0.93） 11.99 800 8.8 10 5斷 在 夾 頭 處0 0 900 7.3 1050.11（ =0.57 0.19） 1.60 900 2 1050.13（ =0.38 0.33） 0.54 900 6.1 1050.19（ =0.62 0.31） 1.72 900 5.4 1050.21（ =0.56 0.38） 2.75 900 3.5 1053.76（ =3.27 1.15） 31.22 900 2.3 105 從 上 表 可 以 看 到 ： 在 斷 裂 面 上 沒(méi) 有 斑 點(diǎn) （ Smax=0） 的 試 樣 ，Nf=1.61 107； 在 斷 裂 面 上 存 在 嚴(yán) 重 斑 點(diǎn) （ Smax=7.83） 的 試 樣 ，疲 勞 試 樣 斷 在 夾 緊 部 位 （ 夾 頭 處 ） ； 在 斷 裂 面 上 存 在 嚴(yán) 重 斑 點(diǎn) （ PA=31.22） 的 試 樣 ，Nf僅 為 2.3 105。 因 此 ， 同 樣 道 理 斑 點(diǎn) 嚴(yán) 重 的 試 樣 ， 不 管 是S