鈦合金材料組織性能關(guān)系學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1鈦合金材料鈦合金材料(cilio)組織性能關(guān)系組織性能關(guān)系第一頁，共50頁。鈦合金成分鈦合金成分(chng fn)-工藝工藝-組織組織-性性能四要素能四要素第2頁/共50頁第二頁，共50頁。鈦合金成分、工藝、組織鈦合金成分、工藝、組織(zzh)和性能四要素和性能四要素第3頁/共50頁第三頁，共50頁。成分成分(chng fn)決定了合金類型決定了合金類型第4頁/共50頁第四頁，共50頁。工藝工藝(gngy)決定了組織類型決定了組織類型第5頁/共50頁第五頁，共50頁。組織組織(zzh)決定了性能決定了性能鈦合金組織參數(shù)鈦合金組織參數(shù)(D、d、b、 )對性能對性能(xngnng)的影響關(guān)

2、系的影響關(guān)系第6頁/共50頁第六頁，共50頁。鈦合金組織類型鈦合金組織類型(lixng)的工程化的工程化定義定義第7頁/共50頁第七頁，共50頁。(1) 等軸組織等軸組織(zzh)；(2) 混合組織混合組織(zzh)；(3) 網(wǎng)籃組織網(wǎng)籃組織(zzh)；(4) 魏氏組織魏氏組織(zzh)鈦合金組織(zzh)類型的工程化定義(1) 片層組織片層組織(zzh)；(2) 過渡組織過渡組織(zzh)(3) 球狀組織球狀組織(zzh)普通分類方法普通分類方法國外一般分類國外一般分類國內(nèi)普通分類國內(nèi)普通分類第8頁/共50頁第八頁，共50頁。4、片層組織、片層組織(zzh)、網(wǎng)籃、網(wǎng)籃(wngln)組織組織

3、、雙態(tài)組織、雙態(tài)組織(zzh)1、等軸組織、等軸組織鈦合金組織類型的工程化定義適合工程應(yīng)用適合工程應(yīng)用的分類的分類第9頁/共50頁第九頁，共50頁。等軸組織等軸組織(zzh)及其類型及其類型變化變化鈦合金組織類型(lixng)的工程化定義近近型合金型合金(hjn) + 型型合金合金近近 型型合金合金 等軸組織等軸組織(等等 + 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)) 特征：特征： 等軸等軸40以上以上 等軸等軸，有球形、橢圓形、橄欖形、棒錘形、短棒形等多種形態(tài)，有球形、橢圓形、橄欖形、棒錘形、短棒形等多種形態(tài)第10頁/共50頁第十頁，共50頁。雙態(tài)組織及其類型雙態(tài)組織及其類型(lixng)變變化（混合組織）化（混合組織）鈦合

4、金組織(zzh)類型的工程化定義近近型合型合金金(hjn) + 型型合金合金近近 型型合金合金 等軸組織等軸組織(等等 + 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)) 特征：特征： 等軸等軸40 等軸等軸，有球形、橢圓形、橄欖形、棒錘形、短棒形等多種形態(tài)，有球形、橢圓形、橄欖形、棒錘形、短棒形等多種形態(tài)第11頁/共50頁第十一頁，共50頁。網(wǎng)籃組織網(wǎng)籃組織(zzh)及其類型變及其類型變化化鈦合金組織類型(lixng)的工程化定義破碎破碎(p su)晶界晶界 網(wǎng)籃組織網(wǎng)籃組織轉(zhuǎn)（變形的）轉(zhuǎn)（變形的） 特征：特征： 等軸等軸0 0 轉(zhuǎn)（變形的）轉(zhuǎn)（變形的） 具網(wǎng)籃編制狀為主要特征具網(wǎng)籃編制狀為主要特征斷續(xù)晶界斷續(xù)晶界 大塊大塊 第1

5、2頁/共50頁第十二頁，共50頁。片層組織及其類型片層組織及其類型(lixng)變化變化鈦合金組織(zzh)類型的工程化定義粗大粗大(cd)片片層層 片層組織片層組織轉(zhuǎn)（不變形的）轉(zhuǎn)（不變形的） 特征：特征： 等軸等軸0 0 轉(zhuǎn)（不變形的）轉(zhuǎn)（不變形的） 以片層狀為主要特征，片層厚度不同，形態(tài)不同（以片層狀為主要特征，片層厚度不同，形態(tài)不同（6級）級）典型片層典型片層 針狀細(xì)小針狀細(xì)小 （魏氏組織）（魏氏組織）第13頁/共50頁第十三頁，共50頁。鈦合金組織類型(lixng)的工程化定義第14頁/共50頁第十四頁，共50頁。鈦合金組織與性能鈦合金組織與性能(xngnng)的一般的一般關(guān)系關(guān)系第

6、15頁/共50頁第十五頁，共50頁。鈦合金組織與拉伸性能(xngnng)的關(guān)系拉伸性能：拉伸性能：退火退火(tu hu)（片層）組織塑性最差、（片層）組織塑性最差、 雙雙態(tài)最好、態(tài)最好、 加工（網(wǎng)籃）組織各向異性大加工（網(wǎng)籃）組織各向異性大 第16頁/共50頁第十六頁，共50頁。鈦合金組織(zzh)與斷裂韌性關(guān)系斷裂斷裂(dun li)韌度韌度KIC：退火組織較高、退火組織較高、 雙態(tài)居雙態(tài)居中、中、 加工組織最高加工組織最高第17頁/共50頁第十七頁，共50頁。鈦合金組織特征與da/dN性能(xngnng)關(guān)系da/dN : 退火退火(tu hu)組織最低、組織最低、 加工組織居中、加工組織

7、居中、雙態(tài)最差雙態(tài)最差第18頁/共50頁第十八頁，共50頁。鈦合金組織與疲勞性能(xngnng)關(guān)系疲勞強(qiáng)度：疲勞強(qiáng)度：退火退火(片層片層)組織組織(zzh)居中、居中、 雙態(tài)最雙態(tài)最好、好、 加工加工(網(wǎng)籃網(wǎng)籃)組織組織(zzh)各向異性大各向異性大第19頁/共50頁第十九頁，共50頁。原始晶粒尺寸與鈦合金性能匹配(ppi)關(guān)系隨著隨著晶粒的增大，合金的斷裂韌性和屈服晶粒的增大，合金的斷裂韌性和屈服(qf)強(qiáng)度逐漸降低強(qiáng)度逐漸降低第20頁/共50頁第二十頁，共50頁。MicrostructuresABC 強(qiáng)韌性匹配：強(qiáng)韌性匹配：退火組織只提高強(qiáng)度退火組織只提高強(qiáng)度(qingd)時，塑性與韌性

8、時，塑性與韌性大為降低大為降低第21頁/共50頁第二十一頁，共50頁。使用性能：晶粒粗大使用性能：晶粒粗大(cd)時，強(qiáng)度與韌性變化不大，但塑性與疲勞強(qiáng)度卻時，強(qiáng)度與韌性變化不大，但塑性與疲勞強(qiáng)度卻大為降低大為降低第22頁/共50頁第二十二頁，共50頁。相含量(hnling)與鈦合金拉伸性能的關(guān)系隨著初生隨著初生相含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變化只有變化只有50MPa，而延伸率和斷面，而延伸率和斷面(dun min)收縮率則迅速增加。收縮率則迅速增加。第23頁/共50頁第二十三頁，共50頁。熱處理制度熱處理制度b(MPa)0.2(MPa)5(%)(

9、%)KIC(MPam1/2) s厚度厚度760/2h WQ +480/8hAC144813733.88.137.30.05m760/2h WQ +520/8hAC1245118810.326.858.90.08m760/2h WQ +540/8hAC1222117011.633.563.70.10m760/2h WQ +580/8hAC1048101817.353.699.80.15m760/2h WQ +620/8hAC101898620.062.997.70.20m時效溫度對時效溫度對Ti-10V-2Fe-3Al合金合金(hjn)力學(xué)性能與次生力學(xué)性能與次生尺寸的影響尺寸的影響隨著次生隨著

10、次生相的片層厚度的增加，合金的強(qiáng)度下降比較明顯，相的片層厚度的增加，合金的強(qiáng)度下降比較明顯，而塑性而塑性(sxng)和斷裂韌性獲得了較大幅度的增加。和斷裂韌性獲得了較大幅度的增加。相含量與鈦合金強(qiáng)韌性匹配(ppi)關(guān)系第24頁/共50頁第二十四頁，共50頁。鈦合金組織(zzh)與性能的一般關(guān)系問題：鈦合金的普通組織類型，均難以滿足問題：鈦合金的普通組織類型，均難以滿足(mnz)綜合高性能的要求綜合高性能的要求第25頁/共50頁第二十五頁，共50頁。鈦合金組織鈦合金組織(zzh)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合高性控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合高性能目標(biāo)能目標(biāo)第26頁/共50頁第二十六頁，共50頁。1 1、基本要求：強(qiáng)韌

11、性匹配、強(qiáng)塑性匹配、基本要求：強(qiáng)韌性匹配、強(qiáng)塑性匹配2 2、使用要求：高疲勞性能與損傷容限性能匹配、疲勞性能、使用要求：高疲勞性能與損傷容限性能匹配、疲勞性能與蠕變持久性能匹配與蠕變持久性能匹配3 3、加工要求：熱工藝簡單易行、加工成形性能優(yōu)異（如焊、加工要求：熱工藝簡單易行、加工成形性能優(yōu)異（如焊接性能、超塑成形性能等）接性能、超塑成形性能等）4 4、其它綜合性能：低的缺口、其它綜合性能：低的缺口(quku)(quku)敏感性、良好的耐環(huán)敏感性、良好的耐環(huán)境穩(wěn)定性、抗應(yīng)力腐蝕與抗氫脆能力、境穩(wěn)定性、抗應(yīng)力腐蝕與抗氫脆能力、綜合綜合(zngh)高性能高性能第27頁/共50頁第二十七頁，共50頁

12、。（一）對高強(qiáng)度鈦合金，采用鈦合金準(zhǔn)（一）對高強(qiáng)度鈦合金，采用鈦合金準(zhǔn)鍛造鍛造(dunzo)工藝，獲得高塑性網(wǎng)籃組工藝，獲得高塑性網(wǎng)籃組織，是實(shí)現(xiàn)綜合高性能目標(biāo)的有效途徑織，是實(shí)現(xiàn)綜合高性能目標(biāo)的有效途徑第28頁/共50頁第二十八頁，共50頁。例子例子(l zi)1：高強(qiáng)韌損傷容限型：高強(qiáng)韌損傷容限型TC21鈦鈦合金合金621所所第29頁/共50頁第二十九頁，共50頁。TC21鈦合金相比美鈦合金相比美Ti62222S鈦合金具有更加鈦合金具有更加(gnji)優(yōu)異的綜合性能優(yōu)異的綜合性能匹配匹配第30頁/共50頁第三十頁，共50頁。例子例子(l zi)2：高強(qiáng)韌：高強(qiáng)韌TC18(BT22)鈦合金鈦

13、合金取向取向 bMPa 0.2MPa 5 % %KIC MPam0.5L11201125 10751080 1413 4033 74.371.2 L11541176 11171138 14.212.4 40.849.1 76.176.8 指標(biāo)指標(biāo)1080 1010 8 20 60 第31頁/共50頁第三十一頁，共50頁。例子例子(l zi)3：中強(qiáng)度：中強(qiáng)度TC6(BT31)鈦合金鈦合金鍛鍛造造取取向向 bMPa 5% %KICMPam0.5da/dNx10-4 DMPa+L1080111014184549556311.2566T1105112012153437準(zhǔn)準(zhǔn)L1035109514173

14、54775957.4650T1075110016183842第32頁/共50頁第三十二頁，共50頁。（二）對中等（二）對中等(zhngdng)強(qiáng)度鈦合金，采用強(qiáng)度鈦合金，采用鈦合金準(zhǔn)鈦合金準(zhǔn)熱處理工藝，獲得高塑性片層組織熱處理工藝，獲得高塑性片層組織，也是實(shí)現(xiàn)綜合高性能目標(biāo)的有效途徑，也是實(shí)現(xiàn)綜合高性能目標(biāo)的有效途徑第33頁/共50頁第三十三頁，共50頁。例子例子(l zi)：中強(qiáng)高損傷容限型：中強(qiáng)高損傷容限型TC4-DT鈦合鈦合金金TC4-DT鈦合金大量鈦合金大量(dling)應(yīng)用于我國新一代飛機(jī)安全壽命級關(guān)鍵承力應(yīng)用于我國新一代飛機(jī)安全壽命級關(guān)鍵承力部件上部件上621所所第34頁/共50頁

15、第三十四頁，共50頁。與美國與美國Ti-6Al-4V ELI合金合金(hjn)對比對比第35頁/共50頁第三十五頁，共50頁。（三）對高溫鈦合金，采用鈦合金近（三）對高溫鈦合金，采用鈦合金近鍛造鍛造(dunzo)工藝，可獲得高溫綜合性能好的雙態(tài)工藝，可獲得高溫綜合性能好的雙態(tài)組織組織第36頁/共50頁第三十六頁，共50頁。近近鍛造鍛造+相轉(zhuǎn)變點(diǎn)相轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ti穩(wěn)定元素含量（穩(wěn)定元素含量（%）15鈦合金二元相圖鈦合金二元相圖(xin t)示意示意近近鍛造工藝即在相變點(diǎn)以下鍛造工藝即在相變點(diǎn)以下(yxi)15(yxi)15加熱鍛造，并控制鍛后加熱鍛造，并控制鍛后冷卻方式等得到的雙態(tài)組織（或三態(tài)組織）具

16、有良好的蠕變和持久冷卻方式等得到的雙態(tài)組織（或三態(tài)組織）具有良好的蠕變和持久性能的綜合匹配性能的綜合匹配例子例子(l zi)：發(fā)動機(jī)用：發(fā)動機(jī)用TC11和和TC17高溫鈦高溫鈦合金合金TC11TC17西北工業(yè)大學(xué)西北工業(yè)大學(xué)第37頁/共50頁第三十七頁，共50頁。（四）對鈦合金大規(guī)格（四）對鈦合金大規(guī)格(gug)棒材，采用鈦合金棒材，采用鈦合金鑄錠與坯料的鐓拔工藝，希望獲得力學(xué)性能與超鑄錠與坯料的鐓拔工藝，希望獲得力學(xué)性能與超聲波探傷缺陷可檢性等均好的等軸組織聲波探傷缺陷可檢性等均好的等軸組織第38頁/共50頁第三十八頁，共50頁。幾個研究幾個研究(ynji)熱點(diǎn)熱點(diǎn) 斑點(diǎn)冶金缺陷控制斑點(diǎn)冶金

17、缺陷控制織構(gòu)織構(gòu)新材料新材料(cilio)(cilio)組織性能組織性能新工藝組織性能新工藝組織性能第39頁/共50頁第三十九頁，共50頁。定義：定義：相（等軸或條狀）含量少于基體的相（等軸或條狀）含量少于基體的20%一種冶金缺陷一種冶金缺陷特征：低倍一般顯亮點(diǎn)，也有黑點(diǎn)，高倍顯黑斑，硬度稍高特征：低倍一般顯亮點(diǎn)，也有黑點(diǎn)，高倍顯黑斑，硬度稍高形成形成(xngchng)原因：原因：Fe偏析，其它含偏析，其它含Mo、Cr、Mn等等共析元素偏析共析元素偏析 斑冶金缺陷斑冶金缺陷(quxin)研究研究第40頁/共50頁第四十頁，共50頁。SP700棒材棒材TC18（BT22）鍛件）鍛件(dunjin

18、)Ti1023鍛件鍛件(dunjin) 斑可以斑可以(ky)在許多鈦合金中存在在許多鈦合金中存在第41頁/共50頁第四十一頁，共50頁。 斑對性能斑對性能(xngnng)的影響的影響斑對斑對Ti-10-2-3鈦合金塑性鈦合金塑性和低周疲勞和低周疲勞(plo)性能的影響性能的影響第42頁/共50頁第四十二頁，共50頁。如何如何(rh)控制控制 斑斑生產(chǎn)時控制：生產(chǎn)時控制： （1） 合金化控制：避免合金化控制：避免Fe等元素的添加等元素的添加 （2） 成分均勻性控制：布料均勻、熔化與凝固速率成分均勻性控制：布料均勻、熔化與凝固速率 （3） 加熱加熱(ji r)控制：鍛造或熱處理時在相變點(diǎn)上或下控制

19、：鍛造或熱處理時在相變點(diǎn)上或下 50C以上加熱以上加熱(ji r)變形變形應(yīng)用時控制：應(yīng)用時控制： 屬于冶金缺陷：屬于冶金缺陷：斑超標(biāo)時應(yīng)整爐報廢（依據(jù)斑超標(biāo)時應(yīng)整爐報廢（依據(jù)(yj)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)）第43頁/共50頁第四十三頁，共50頁。晶體學(xué)織構(gòu)：主要影響力學(xué)性能各向異性、疲勞與腐蝕行為等晶體學(xué)織構(gòu)：主要影響力學(xué)性能各向異性、疲勞與腐蝕行為等發(fā)展發(fā)展(fzhn)現(xiàn)狀：現(xiàn)狀：X-射線（極圖、射線（極圖、ODF），），SEM（EBSD），），TEM等等織構(gòu)控制織構(gòu)控制(kngzh)與性能與性能取向與疲勞裂紋取向與疲勞裂紋(li wn)形成形成關(guān)系（關(guān)系（F. Bridier，F(xiàn)rance） 相的相的ND取向圖（取向圖（621所、北工大）所、北工大） (鈦合金準(zhǔn)鈦合金準(zhǔn) 鍛造大塊鍛造大塊 相形成機(jī)理相形成機(jī)理)第44頁/共50頁第四十四頁，共50頁。Ti5553：代替：代替(dit)BT22與與Ti1023因有因有斑等而