钛金属的主要物理性能Word格式文档下载.docx

1、钛同时兼有钢（强度高）和铝（质地轻）的优点。高纯钛具有良好的塑性，但杂质含量超过一定时，变得硬而脆Ilo。 工业纯钛在冷变形过程中，没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接近，在冷变形加工过程中有产生裂纹的倾向，工业纯钛具有极高的冷加工硬化效应，因此可利用冷加工变形工艺进行强化。当变形度大于2030时，强度增加速度减慢，塑性几乎不降低。； 钛的屈服强度与抗拉强度接近，屈强比（do2db）较高，而且钛的弹性模量小，约为铁的54，成形加工时回弹量大，冷成形困难。有时利用这一特性，将钛合金作为弹性材料使用1112，但是，高弹钛合金多属。+p（或近a）合金，具有六方晶系结构，其物理性能呈强的各向异性，

2、如弹性模量绕c轴呈对称分布，c轴方向弹性模量为14313GPa，底面各取向的弹性模量为10414GPa，因此需要仔细考虑合金板材的各向异性、弹性模量以及合金织构与弹性各向异性之间的关系，通过合金化与工艺的调整，有目的地控制织构与弹性各向异性以满足设计和使用要求。图21所示为钛单晶弹性模量取向分布13。 图21 钛单晶弹性模量取向分布（单位：GPa）工业纯钛与高纯钛（999）相比强度明显提高，而塑性显著降低，二者的力学性能数据列于表22。 衰2-2 纯钛的力学性能 性 能 高纯钛 工业纯钛 性 能 高纯钛 工业纯钛 抗拉强度oMPa 250 300600 正弹性模量EMPa 108X10 3 1

3、12X10 3 屈服强度fo2MPa 190 250500 切变弹性模量GMPa 40X10 3 41X10 3 伸长率a 40 2030 泊松比f 034 032 断面收缩率 60 45 冲击韧性ohMJm2 25 0515 体弹性模量KMPa 126X109 104X103 钛的另一特点是在高温能保持比较高的比强度。作为难熔金属，钛熔点高，随着温度的升高，其强度逐渐下降，但是，其高的比强度可保持到550600。同时，在低温下，钛仍具有良好的力学性能：强度高，保持良好的塑性和韧性。曾经对工业纯钛在一196下进行拉伸和低周循环疲劳实验L1，结果表明，变形后的强度较之室温拉伸变形有了明显提高，同

4、时塑性也有明显增加。但其循环变形具有明显的循环硬化特性并伴随有大量的孪晶生成，从而显示出低温循环疲劳在微观结构演化上可能与室温的情况不同1s，室温循环疲劳中位错的行为起了关键性的影响“。表23列出了工业纯钛的低温力学性能。表2-3 工业纯钛的低温力学性能 温度 fbMPa Oo2MPa f 矽 20 520 400 24 59 196 990 750 44 68 253 1280 900 29 64 269 1210 870 35 58 213 化学性能 工业上大量应用的工业纯钛纯度约为995，钛在淡水和海水中有极高的抗蚀性，在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都好。钛与氧形成高化学稳定

5、性的致密的氧化物保护膜，因而在低温和高温气体中具有极高的抗蚀性。在室温条件下，钛不与氯气、稀硫酸、稀盐酸、硝酸和铬酸作用，在碱溶液和大多数的有机酸和化合物中抗蚀性也很高，但能被氢氟酸、磷酸、熔融辕侵蚀。 钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定。如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的，这是因为钛和氧的亲和力大，在空气中或含氧介质中，钛表面生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使受到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有强烈钝化倾向的金属，介质温度在315以下，钛的氧化膜始终保持这一特性，完全满足钛在

6、一般环境中的耐蚀性。钛最突出的性能是对海水的抗腐蚀性很强。 工业纯钛的耐蚀性与高纯钛相似，但低温性能则差得多。张树霞c1，等通过实验发现，工业纯钛在稀盐酸溶液中存在一个腐蚀临界浓度（074），当盐酸浓度低于该值时，在任何情况下钛都不会发生腐蚀，同时工业纯钛还在一定浓度的盐酸中有一个临界腐蚀温度，当溶液温度高于此临界温度，钛表面的保护膜很快就被破坏，而低于此临界温度时，钛处于钝化状态。图22所示为工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系。 50 000 040 080 120 160 200 240 盐酸浓度工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系22 杂质元素对钛性能的影响

7、 杂质对工业纯钛的性能影响很大，杂质含量高则强度提高，塑性急剧降低，生产上常以硬度作为测定工业纯钛的纯度标准13），钛的纯度与硬度的关系见表24。 钛是一种化学性质非常活泼的金属，原子价是可变的。在较高的温度下，衰2-4 钛的纯度与硬度的关系 纯度 9995 998 996 995 994 _ 硬度（HV） 90 145 165 195 225 钛金属的主要物理性能名 称单 位数 据原子序数22比 热卡/克.度0.138原子量47.9热膨胀系数10-6/（0-100）8.2克原子体积厘米3/克原子10.7弹性模量 拉伸压缩剪切公斤/毫米210850密度 20克/厘米34.50510340熔点1

8、668410550沸点35354500熔化潜热千卡/克分子5导热系数卡/厘米.秒.0.036汽化潜热112.50.3%电阻系数10-6欧母.厘米47.8同素异晶转变温度882转变时体积的变化%5.5转变时熵的变化0.587磁化率10-6厘米3/克3.2转变潜热67810%泊桑比0.41钛的性质原子结构 钛位于元素周期表中B族，原子序数为22，原子核由22个质子和20-32个中子组成，核外电子 结构排列为1S22S22P63S23D24S2。原子核半径5x10-13厘米。物理性质 钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20），熔点16684，熔化潜热3.7-5.0千卡/克 原子，沸点32

9、6020，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350，临界压力 1130大气压。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。在25时，钛的热容为0.126卡/克原子度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡 /克原子度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结 构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提 高钛的强度，显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其

10、 中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。化学性质 钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。各种元素，按其与钛发生不同反应可 分为四类：第一类：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物；第二类：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体；第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体；第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或基 本上不发生反应。* 与化合物的反应： HF和氟化物 氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4， 反应式为（1）；不含水的氟化氢液体可在钛 表面上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF浸入钛

11、的内部。氢氟酸是钛的最强熔剂。即使 是浓度为1%的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应，见式（2）；无水的氟化物及其水溶液在低温 下不与钛发生反应，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显著反应。Ti4HFTiF42H2135.0千卡 （1）2Ti6HF2TiF43H2 （2） HCl和氯化物 氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在300时与钛反应生成TiCl4，见 式（3）;浓度 5%的盐酸 在室温下不与钛反应，20%的盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的TiCl3，见式 （4）;当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、 锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4离子及其水溶液，都不与

12、钛发生反应，钛在这些氯化物中具有 很好的稳定性。Ti4HClTiCl42H294.75千卡 （3）2Ti6HClTiCl33H2 （4） 硫酸和硫化氢 钛与5% 的硫酸与钛有明显的反应，在常温下，约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快，当浓度大于40%，达 到60%时腐蚀速度反而变慢，80%又达到最快。加热的稀酸或50%的浓硫酸可与钛反应生成硫酸 钛，见式（5）,（6），加热的浓硫酸可被钛还原，生成SO2，见式（7）。常温下钛与硫化氢 反应，在其表面生成一层保护膜，可阻止硫化氢与钛的进一步反应。但在高温下，硫化氢与钛 反应析出氢，见式（8），粉末钛在600开始与硫化氢反应生成钛的硫化物，在900时反

13、应产物主要为TiS，1200时为Ti2S3。TiH2SO4TiSO4H2 （5） 2Ti3H2SO4Ti2（SO4）3H2 （6） 2Ti6H2SO4Ti2（SO4）33SO26H2O202千卡 （7）TiH2STiSH270千卡 （8） 硝酸和王水 致密的表面光滑的钛对硝酸具有很好的稳定性，这是由于硝酸能快速在钛表面生成一层牢固的 氧化膜，但是表面粗糙，特别是海绵钛或粉末钛，可与次、热稀硝酸发生反应，见式（9）、 （10），高于70的浓硝酸也可与钛发生反应，见式（11）；常温下，钛不与王水反应。温度 高时，钛可与王水反应生成TiCl2。3Ti4HNO34H2O3H4TiO44NO （9）3T

14、i4HNO3H2O3H2TiO34NO （10） Ti8HNO3Ti（NO3）44NO24H2O （11） 综上所述，钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金属钛在自然界 中是相当稳定的，但是，粉末钛在空气中可引起自燃。钛中杂质的存在，显著的影响钛的物理、 化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质，它们可以使钛晶格发生畸变，而影 响钛的的各种性能。常温下钛的化学活性很小，能与氢氟酸等少数几种物质发生反应，但温 度增加时钛的活性迅速增加，特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。钛的冶炼过程一 般都在800以上的高温下进行，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。中

15、 国美 国俄 罗 斯TAD碘化钛Grade11号纯钛BT1-00工业纯钛TA1Grade22号纯钛BT1-0TA2Grade33号纯钛0T4-0Ti-0.8A1-0.7SnTA3Grade44号纯钛0T4-1Ti-2a1-1.5MNTA4Ti-3AlGrade5Ti-6a1-4v0T4Ti-3A1-1.5MnTA5Ti-4Al-0.005BGrade6Ti-5A1-2.5VBT5Ti-5A1TA6Ti-5AlGrade7Ti-0.2pdBT5-1Ti-5A1-2.5SnTA7Ti-5Al-2.5SnGrade9Ti-3A1-2.5vBT6Ti-6A1-4vTA8Ti-5Al-2.5Sn-3Cu

16、-1.5ZrGrade10Ti-11.5Mo-4.5Sn-6ZrBT6cTi-6A1-4v TC1Ti-2A1-1.5MnGrade11BT3-1Ti-6A1-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3SiTC2Grade12Ti-0.3Mo-0.75NiBT9Ti-6.5A1-3.Mo-0.3SiTC3Ti-4A1-4vA-1BT/4Ti-5A1-3Mo-0.3SiTC4A-3Ti-6A1-2Nb-1TaBT16Ti-8A1-5Mo-5VTC6A-4Ti-8A1-1Mo-1VBT18Ti-8a1-0.6Mo-11Zr-1nBTC7Ti-6A1-0.6Cr-0.4Fe-0.4Si-0.01BA

17、B-1BT19Ti-6A1-5.5Mo-3.5-5.5Cr-1ZrTC9Ti-6A1-3.5Mo-2.5Sn-0.3SiAB-3Ti-6A1-6V-2SnBT20Ti-6A1-1.5Mo-1.5VTC10Ti-6A1-6V-2Sn-0.5CXu-0.5FeAB-4Ti-6A1-2Sn-4Zr-2MoBT22Ti-5.5A1-5V-5Mo-1.5Cr-1.0oFeTC11Ti-6A1-3.5Mo-1.5Zr-0.3SiAB-5Ti-3A1-2.5VBT-3BTi-4A1-2V钛合金的具体分类按照合金在平衡和亚稳定状态的相组成，钛合金可分为、近、+、近、等五类；但习惯上将钛合金分为、+和三大类。钛

18、合金分类如图所示。若按照使用性能特点，则可分为结构钛合金、耐热（热强）钛合金和抗钛合金等类。我国钛合金国标牌号中，TA系列代表型钛合金；TB系列代表型钛合金；TC系列代表+型钛合金。中国钛合金的牌号及其名义成分牌号名义成分合金类型工作温度（C）Ti-5A-2.5Sn500Ti-2Al-1.5Mn近350Ti-5Al-4V+400Ti-6Al-4VTi-6 Al-2.5 Mo-1.5 Cr-0.5 Fe-0.3Si450Ti-6.5 Al-3.5 Mo-1.5 Zr-0.3Si TB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al300Ti-22Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al47121Ti-7Mo

19、-10V-2Fe-1Zr-4AlZTC4ZT3Ti-5Al-5Mo-2Sn-0.3Si-0.02Ce世界各国钛合金的特性及应用合金牌号特性及应用锻造时抗裂纹的能力较好，成型性尚可，焊接性良好，热处理不能强化。用于传动齿轮箱外壳，喷气发动机外壳装置及导向叶片罩，管道结构等Ti-8Al-1Mo-1V成型性及锻造时抗裂纹的能力尚可，焊接性好，但不可热处理强化。用地制作喷气发动机叶片，叶轮和外壳，陀螺仪万向导向叶片罩，喷管装置的内蒙皮和框架等属于热处理强化的钛合金，它具有较好的焊接性薄板成型性和锻造性能。用于制造喷气发动机压缩机叶片，叶轮等。其他如起落架轮和结构件，紧固件，支架，飞机附件，框架、桁条结

20、构、管道，应用非常广泛Ti-6Al-6V-2Sn属于可热处理强化的钛合金，锻造时抗裂纹的能力好，但焊接性差，用于制造紧固件，入风口控制导向装置，试验结构件Ti-13V-11Cr-3Al属于可热处理强化的钛合金，成型性良好，锻造时有一定抗裂纹能力，焊接性尚可，用作结构锻件，板状桁条结构，蒙皮，框架、支架、飞机附件，紧固件Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2Si属于可热处理强化的钛合金，锻造时抗裂纹的能力好，用于制造喷气发动机叶片，叶轮，起落架滚轮，飞机骨架、紧固件等Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo成型性焊接性好，锻造时有良好的抗裂纹能力，但不热处理强化。用于制造压缩机叶片，叶

21、轮，起落架滚轮，隔圈压气机箱组合件，飞机骨架，蒙皮构件等Ti-4Al-3Mo-1V属于可热处理强化的钛合金，锻造性、成型性好。用于制造飞机骨架构件IMI125IMI130IMI160工业纯钛，抗蚀性优异，比强度较高，疲劳极限较好，锻造性好，可用普通方法锻造、成形和焊接。可制成板、棒、丝材。应用于航空、医疗、化工等方面，如排气管，防火墙、受热蒙皮以及要求塑性好、能抗蚀的零件IMI317属于型钛合金，可焊接，在315593C具有良好的抗氧化性、强度和高温稳定性，可制造锻件及板材零件，如航空发动机压气机叶片、壳体、支架IMI315属于+型钛合金，可热处理强化，用于航空发动机压气机盘和叶片、导弹部件等

22、IMI318型合金，锻造性及综合性能良好，是各国普遍使用的钛合金，用于航空发动机压气机盘和叶片等部件IMI550型钛合金，易锻造，室温强度好，蠕变抗力较高（400C以下），持久强度高，广泛用于制造发动机及机翼滑轨，动力控制装置外壳等。IMI551型钛合金高强度钛合金，它具有强度高、蠕变极限高（400C以下），锻造性良好等特性，用于制造飞机构件如起落架、安装座、燃气涡轮部件，亦可用于一般工程和化工、汽轮机叶片，压气机零件及其他高速旋转的部件IMI685是一种属于+型钛合金，在室温及中温的比强度高，在高温（520C）抗蠕变性能良好，高温稳定性好，可焊接，容易加工，其使用温度较高。用于制作航空发动机零部件IMI684型钛合金，可焊接、抗蠕变性能（535C以下）好，热稳定性优良。该合金与IMI685性能相近，用途相同。用于制作高压压气机盘及叶片等IMI679是一种复杂的型钛合金，在450500C具有较好的强度、高的蠕变极限以及高温稳定性和良好的抗氧化性，它的缸口疲劳强度高。用于制造航空发动机压气机盘、叶片，飞机骨架等IMI230型钛合金，中等强度，塑性好，可焊接，能时效强化，易成形，合金在退火