预变形对ti1023合金时效组织和力学性能的影响(附件)
本文以Ti1023合金为研究对象，通过对合金试样进行预变形时效处理，进行拉伸试验，利用OM、XRD、TEM、SEM进行表征和分析，结合实验结果分析了预冷变形时效处理对Ti1023合金试样微观组织与力学性能的影响。实验结果表明相比于自由时效，Ti1023试样经过0.055预冷变形后发生应力诱发马氏体相变，在随后的时效过程中马氏体α″发生调幅分解形成相间的α/β层片状组织，降低了初始β相晶界、晶内强度差，抑制了局部变形的出现，从而具有更好的强度-塑性匹配。关键词 Ti1023合金，微观组织，力学性能，预变形，固溶时效
目 录
1 绪论 1
1.1 钛及钛合金简介 1
1.2 钛合金的显微组织与性能 3
1.3 本课题研究问题 4
2 实验材料、设备与方法 6
2.1 实验试剂与材料 6
2.2 实验设备与方法 6
3 实验结果与讨论 8
3.1 XRD物像分析 8
3.2 金相形貌观察 9
3.3 TEM形貌观察 11
3.4 拉伸断口观察 13
3.5 力学性能研究 14
3.6 分析讨论 16
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 绪论
1.1 钛及钛合金简介
1.1.1 钛与钛合金
钛是英国化学家Gregor R W在1791年研究钛磁铁矿和金红石（较纯的二氧化碳）时首先发现的。仅仅四年后，德国化学家Klaproth M H在分析暗红色金红石时也发现了这种元素，他认为可以采用为铀命名的方法，于是引用希腊神话中曾经统治世界的泰坦神族“Titanic”的名字，把这种新发现的元素称为Titanium[1]。美国化学家Hunter M A在1910年第一次用钠还原法制得纯度达99.9%的金属钛[2]。
钛是具有固态多晶型相变的元素，相变点为882.5℃。低于882.5℃为密排六方结构的α钛，室温（20℃）下的晶格常数为a=0.295nm，c=0.468nm，c/a=1.586；高于882.5℃为体心立方结构的β钛，900℃时的点阵常数为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
0.332nm[3]。晶体结构如图11所示。
αTi βTi
图11 αTi和βTi的晶体结构
钛合金指为改善强度及加工性而添加合金元素生成的合金。目前人们所了解的钛合金大约有100多种，但是其中只有二十几种可以进行商业化应用[4]。而在这些可以商业化应用的合金中，TC4合金应用最为广泛，约占一半以上,该合金是在1954年由美国率先研制成功。另外，有20%~30%是未合金化的纯钛。
1.1.2钛合金的分类
根据对β转变温度的影响，钛的合金化元素可分为α相稳定化元素、β相稳定化元素或中性元素[5]。合金化元素不同，合金化后的显微组织也就不同，合金性能因此
产生差异。因此，将钛合金划分为α型、α＋β型、β型合金，进一步细分可以分为近α型和亚稳β型合金[6]。这种分类可以示意地概括在一个分别含有α和β稳定化元素的两个相图所构成的三维相图上[7]，如图12所示。
图12 区分钛合金的三维相图（示意图）
1.1.3 钛合金的应用
从作为面向制造飞机所使用的特殊材料起，钛就拥有三大特点：密度小、强度高、耐腐蚀性能好，因而应用于一般工业用材料。在钛合金发展的这几十年间，钛合金的发展应用日益广泛，已经涉及人们生活的方方面面。
在航空航天领域中的应用 与钢铁或铝合金相比，钛合金是一种更新的结构金属。美国在1954年研制成功第一个实用的钛合金Ti6Al4V，现在它仍作为航空应用的主体材料[8]。钛合金的具有很高比强度和优秀的抗蚀性[9]。正因如此，钛合金应用于在强度、质量、抗蚀性和高温稳定性能要求较高的航空产品中，通常这些要求铝合金或高强钢不能满足。例如，在美国的F22战斗机中，钛的新型合金材料以用做飞机的机架材料，达到39%[10]。MAN Technologie AG采用冷加工成形β合金的方法生产出国际空间站自动传输飞行器上的ESA油箱[11]。
在生物应用材料方面的应用 钛的耐腐蚀性好、稳定性高，不会造成人的过敏，同时它又是唯一对人类植物神经的味觉没有影响的金属，又被人们称为“亲生物金属”。钛在20世纪40年代首次被用于医学领域，钛和钛合金具有比强度高、耐蚀性好、无过敏和优异的生物相容性等优点，因此是一种理想的医用植入材料[12]。同时，钛合金在交变载荷作用下具有很高的疲劳强度，因此被广泛用作外科修复材料，也被视为最有潜力的人工关节材料之一[13]。常用生物金属材料性能比较如表11所示。
表11 常用生物金属材料性能比较
在汽车制造领域中的应用 在汽车制造领域要想通过采用替代材料来获得质量和功能的优势，只有一种金属合适，这就是钛。当汽车零件基于最高强度或疲劳强度设计时，钛合金比其他金属材料优越，如果设计主要从轻质方面考虑，使用镁合金或铝合金更合适，因此价格更便宜。因为车身的设计主要考虑的是达到尽可能大的扭矩和弯曲刚性，从而钛合金在汽车底板和动力系统中具有广阔的应用前景。表12是钛材料在汽车制造领域的应用。
表12 钛材料在汽车制造领域的应用
1.2 钛合金的显微组织与性能
1.2.1 钛合金的显微组织
显微组织对钛合金的性能有显著地影响。传统钛合金的显微组织主要用α和β两相的尺寸及其排列方式来描述。由β相区冷却时产生的层状组织和由再结晶过程产生的等轴状组织就是合金相排列的两个极端例子[7]。这两种组织都含有细小以及粗大的两相。不同的显微组织对钛合金的力学性能的影响如表13所示。不同的显微组织对钛合金的力学性能有着强烈的影响。细小的组织可以提高合金的强度和塑性，还可以延缓裂纹的形核，同时也是超塑性变形的必要条件[14]。另一方面，粗大的组织抵抗蠕变和疲劳裂纹扩展的能力更强。等轴状组织往往具有高的塑性和疲劳强度，并易于超塑性变形；而层状组织具有高的断裂韧性、优异的抗蠕变性能和抗疲劳裂纹扩展性能。由于双态组织综合了层状和等轴状组织的优点，因此具有优良的综合性能。
目 录
1 绪论 1
1.1 钛及钛合金简介 1
1.2 钛合金的显微组织与性能 3
1.3 本课题研究问题 4
2 实验材料、设备与方法 6
2.1 实验试剂与材料 6
2.2 实验设备与方法 6
3 实验结果与讨论 8
3.1 XRD物像分析 8
3.2 金相形貌观察 9
3.3 TEM形貌观察 11
3.4 拉伸断口观察 13
3.5 力学性能研究 14
3.6 分析讨论 16
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 绪论
1.1 钛及钛合金简介
1.1.1 钛与钛合金
钛是英国化学家Gregor R W在1791年研究钛磁铁矿和金红石（较纯的二氧化碳）时首先发现的。仅仅四年后，德国化学家Klaproth M H在分析暗红色金红石时也发现了这种元素，他认为可以采用为铀命名的方法，于是引用希腊神话中曾经统治世界的泰坦神族“Titanic”的名字，把这种新发现的元素称为Titanium[1]。美国化学家Hunter M A在1910年第一次用钠还原法制得纯度达99.9%的金属钛[2]。
钛是具有固态多晶型相变的元素，相变点为882.5℃。低于882.5℃为密排六方结构的α钛，室温（20℃）下的晶格常数为a=0.295nm，c=0.468nm，c/a=1.586；高于882.5℃为体心立方结构的β钛，900℃时的点阵常数为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
0.332nm[3]。晶体结构如图11所示。
αTi βTi
图11 αTi和βTi的晶体结构
钛合金指为改善强度及加工性而添加合金元素生成的合金。目前人们所了解的钛合金大约有100多种，但是其中只有二十几种可以进行商业化应用[4]。而在这些可以商业化应用的合金中，TC4合金应用最为广泛，约占一半以上,该合金是在1954年由美国率先研制成功。另外，有20%~30%是未合金化的纯钛。
1.1.2钛合金的分类
根据对β转变温度的影响，钛的合金化元素可分为α相稳定化元素、β相稳定化元素或中性元素[5]。合金化元素不同，合金化后的显微组织也就不同，合金性能因此
产生差异。因此，将钛合金划分为α型、α＋β型、β型合金，进一步细分可以分为近α型和亚稳β型合金[6]。这种分类可以示意地概括在一个分别含有α和β稳定化元素的两个相图所构成的三维相图上[7]，如图12所示。
图12 区分钛合金的三维相图（示意图）
1.1.3 钛合金的应用
从作为面向制造飞机所使用的特殊材料起，钛就拥有三大特点：密度小、强度高、耐腐蚀性能好，因而应用于一般工业用材料。在钛合金发展的这几十年间，钛合金的发展应用日益广泛，已经涉及人们生活的方方面面。
在航空航天领域中的应用 与钢铁或铝合金相比，钛合金是一种更新的结构金属。美国在1954年研制成功第一个实用的钛合金Ti6Al4V，现在它仍作为航空应用的主体材料[8]。钛合金的具有很高比强度和优秀的抗蚀性[9]。正因如此，钛合金应用于在强度、质量、抗蚀性和高温稳定性能要求较高的航空产品中，通常这些要求铝合金或高强钢不能满足。例如，在美国的F22战斗机中，钛的新型合金材料以用做飞机的机架材料，达到39%[10]。MAN Technologie AG采用冷加工成形β合金的方法生产出国际空间站自动传输飞行器上的ESA油箱[11]。
在生物应用材料方面的应用 钛的耐腐蚀性好、稳定性高，不会造成人的过敏，同时它又是唯一对人类植物神经的味觉没有影响的金属，又被人们称为“亲生物金属”。钛在20世纪40年代首次被用于医学领域，钛和钛合金具有比强度高、耐蚀性好、无过敏和优异的生物相容性等优点，因此是一种理想的医用植入材料[12]。同时，钛合金在交变载荷作用下具有很高的疲劳强度，因此被广泛用作外科修复材料，也被视为最有潜力的人工关节材料之一[13]。常用生物金属材料性能比较如表11所示。
表11 常用生物金属材料性能比较
在汽车制造领域中的应用 在汽车制造领域要想通过采用替代材料来获得质量和功能的优势，只有一种金属合适，这就是钛。当汽车零件基于最高强度或疲劳强度设计时，钛合金比其他金属材料优越，如果设计主要从轻质方面考虑，使用镁合金或铝合金更合适，因此价格更便宜。因为车身的设计主要考虑的是达到尽可能大的扭矩和弯曲刚性，从而钛合金在汽车底板和动力系统中具有广阔的应用前景。表12是钛材料在汽车制造领域的应用。
表12 钛材料在汽车制造领域的应用
1.2 钛合金的显微组织与性能
1.2.1 钛合金的显微组织
显微组织对钛合金的性能有显著地影响。传统钛合金的显微组织主要用α和β两相的尺寸及其排列方式来描述。由β相区冷却时产生的层状组织和由再结晶过程产生的等轴状组织就是合金相排列的两个极端例子[7]。这两种组织都含有细小以及粗大的两相。不同的显微组织对钛合金的力学性能的影响如表13所示。不同的显微组织对钛合金的力学性能有着强烈的影响。细小的组织可以提高合金的强度和塑性，还可以延缓裂纹的形核，同时也是超塑性变形的必要条件[14]。另一方面，粗大的组织抵抗蠕变和疲劳裂纹扩展的能力更强。等轴状组织往往具有高的塑性和疲劳强度，并易于超塑性变形；而层状组织具有高的断裂韧性、优异的抗蠕变性能和抗疲劳裂纹扩展性能。由于双态组织综合了层状和等轴状组织的优点，因此具有优良的综合性能。
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