Ti60钛合金大棒材的显微组织及力学性能

钛合金材料组织性能关系钛合金是一种重要的结构材料，具有良好的力学性能和抗腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、汽车、生物医学和化工等领域。

钛合金的结构和性能之间存在密切的关系，主要包括材料的组织和晶粒尺寸、晶界特征、残余应力和缺陷等因素。

以下将详细介绍钛合金的组织性能关系。

首先，钛合金的组织对其力学性能具有重要影响。

钛合金通常具有多相组织，包括α相、β相和ω相等。

β相是钛合金中最常见的相，对应于基体晶粒的组织。

在β相的基础上，通过合金化元素的添加和热处理等方法，可以形成强化相，例如α″相和ω相。

这些强化相可以显著提高钛合金的强度和硬度。

此外，晶粒尺寸也对钛合金的力学性能有影响。

通常情况下，细小的晶粒可以使钛合金具有更高的强度，而较大的晶粒则有助于提高韧性。

其次，晶界特征对钛合金的性能也具有重要影响。

晶界是晶体内部不同晶粒之间的界面。

钛合金中的晶界主要有高角度晶界和低角度晶界两种。

高角度晶界通常由晶粒迅速生长而形成，其存在可以阻止晶粒的继续长大，从而提高材料的强度。

低角度晶界则是晶粒的旋转变形所产生的，对材料的韧性和塑性起到了重要的作用。

晶界还可以吸收和储存应力，降低材料的蠕变变形和疲劳损伤。

此外，钛合金中的残余应力和缺陷也对其性能产生影响。

在加工和热处理过程中，由于塑性变形和相变等原因，钛合金中往往存在一定的残余应力。

这些应力可以导致材料的变形和失稳，进而对材料的力学性能和疲劳寿命产生影响。

同时，材料中的缺陷也会对其性能产生显著影响。

例如，气孔、夹杂物和裂纹等缺陷会导致应力集中和损伤扩展，影响钛合金的强度和韧性。

总结起来，钛合金的组织性能关系主要包括材料的组织和晶粒尺寸、晶界特征、残余应力和缺陷等因素。

了解和控制这些关系可以优化钛合金的力学性能和抗腐蚀性能，实现更广泛的应用。

在未来的研究中，还需要进一步深入研究不同因素之间的相互作用机制，以进一步提高钛合金的性能。

钛材料对外加应力或载荷所表现的力学响应。

加载温度、形变速率和环境介质都会影响力学性能。

主要的力学性能有：屈服强度和断裂强度、伸长率、面缩率和冲击功、疲劳强度和疲劳极限、断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率和抗蠕变性能等。

屈服强度(σ0.2)和断裂强度(σF) 工业纯钛、钛合金的强度和材料中占据间隙位置的元素[O]、[N]、[C]等的含量有关，通常将这些元素综合在一起规定为等效氧量[O]eq，其算式为：[O]eq＝[O]+2[N]+0.75[C](原子百分数)。

随[O]eq的增大，钛材料的屈服强度显著提高。

屈服强度与显微组织有密切关系，例如，α+β型钛合金(Ti-6Al-4V)细的等轴组织的屈服强度和断裂强度最高，分别可以达到1120MPa和1505MPa。

具有初生等轴α相和细针状(或片状)的混合组织称为双态组织，其断裂强度(1455MPa)比粗等轴组织的强度(1370MPa)高。

完全针状组织的σ0.2最低。

亚稳β钛合金，例如Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al，其断裂强度受冷轧变形量、固溶处理和冷却速度的影响。

伸长率、面缩率和冲击功[O]eq，增多使钛材料在室温的伸长率下降。

[N]的作用最大，其次是[O]，再次是[C]。

长时间(500h)退火，能使工业纯钛的面缩率和冲击功在500℃附近出现最低值。

其高温伸长率在500℃附近，也出现极小值。

拉伸速率ε为2.7×10-5/s时，工业纯钛表现尤为明显。

细晶(6μm)钛高温伸长率无下降现象。

α+β型钛合金细晶等轴组织的伸长率或断裂应4V经过1088K固溶后水淬，其中β相可在变形中诱导转变成马氏体，表现出在223K的夏比冲击功和动态断裂韧度均得到明显改善。

与此同时，伸长率和断裂应变也提高。

采用新型氢处理工艺，可使Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-4V合金的屈服强度、断裂强度和伸长率分别提高8%～15%，5%～13%和7%～14%。

疲劳强度和疲劳极限工业纯钛具有明确的疲劳极限，随等效氧量增多而提高，随晶粒粗化而降低。

高强钛合金的发展与应用王鼎春(宝钛集团有限公司，陕西宝鸡721014)摘要:高强钛合金已成为钛合金发展和应用的主要方向之一。

本文介绍了高强钛合金的发展与应用现状，着重分析了美国、俄罗斯高强钛合金的发展、现状及应用，探讨了高强钛合金的发展方向，最后对高强钛合金的发展趋势进行了展望。

关键词: 高强；钛合金；应用；发展中图法分类号：TG146.2+3 文献标识码：AThe development and application of high-strength titanium alloysWang Dingchun(Baoti Group Ltd., Baoji 721014, China)Abstract:The history of development and application of high-strength titanium alloys were reviewed.with the emphases on the cases of the United States and Russia. The development trends of those alloys were discussed. Finally the future trends in high-strength research are proposed.Keywords: high-strength, titanium alloys, development, application1 前言钛及钛合金由于比强度高、耐蚀性好等特点，在承力结构材料方面得到了越来越广泛的应用。

上世纪五十年代初，钛在飞机上获得成功地应用，虽然当时每架飞机的用钛量只占飞机结构重量1%，可是开拓了钛在宇航工业中应用的广阔前景。

现在世界上各种高速飞行器（飞机、火箭等）都广泛的采用高强钛合金作为结构材料，尤其是在宇航结构件中应用越来越多，如战斗机的用钛比例已从最初的1%提高到现在的41%。

钛及钛合金金相图谱（下）β型钛合金β型钛合金中又分为稳定β合金、亚稳定β合金、近β合金。

稳定β合金含有大量β稳定元素，退火后全部为β相。

其室温强度较低，冷成形性好，在还原性介质中耐蚀性较好；典型合金有Ti40。

亚稳定β合金含有临界浓度以上的β稳定元素，少量的Al（一般不大于3%）和中性元素，从β相区固溶处理(水淬或空冷)后，几乎全部为亚稳定β相，这类合金冷加工性好，时效强度高。

近β合金含有临界浓度左右的β稳定元素，和一定量的中性元素及铝，从β相区固溶处理后有大量亚稳定β相及其他亚稳定相(α或ω相)，时效后，主要是α相和β相，这类合金适合加工成锻件产品，具有优良的强韧性匹配。

1稳定β钛合金Ti40Ti40合金是90年代中期由西北有色金属院研制的一种Ti-Cr-V系阻燃钛合金，属于稳定β型钛合金，合金相变点约400℃。

应用于高性能航空发动机机匣等部位。

Ti40合金典型力学性能如表3-1表3-2所示。

图3-1~图3-9为Ti40合金常见的微观组织。

表3-1 Ti40合金室温力学性能表3-2 Ti40合金高温蠕变性能图3-1 Ti40合金热加工态组织：弯曲状β晶界图3-2 Ti40合金600℃退火组织：弯曲状β晶界少量加工流线图3-3 Ti40合金700℃退火组织：等轴β组织图3-4 Ti40合金800℃退火组织：等轴β组织（β晶界平直化）图3-5 Ti40合金固溶组织：等轴β组织图3-6 Ti40合金520℃/250MPa/100h蠕变后组织：等轴β组织图3-7 Ti40合金535℃/250MPa/100h蠕变后组织：等轴β组织及变形引起的孪晶图3-8 Ti40合金蠕变后形成的位错形貌(TEM)图3-9 Ti40合金蠕变后形成的位错形貌(TEM)2亚稳定β钛合金典型合金有TB2、TB3、Ti-15-3(TBS)、Ti26等。

2.1TB3合金TB3合金名义成分Ti3.5Al10Mo8V1Fe，是一种亚稳定β型钛合金，相变点730~750℃，该合金由西北有色金属研究院于20世纪80年代研制（原称Ti22合金），具有良好的冷加工性能（冷变形率大于90%），可加工制备成板、棒、管、丝、箔等多种类型半成品。

第16卷 第2期 精 密 成 形 工 程2024年2月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING87收稿日期：2023-09-24 Received ：2023-09-24引文格式：叶玉刚, 信灿尧. Ti60合金热变形行为与应变补偿型本构模型[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 87-95.YE Yugang, XIN Canyao. Deformation Behavior and Constitutive Model by Using Strain Compensation of Ti60 Alloy at Ele-vated Temperature[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 87-95. *通信作者（Corresponding author ） Ti60合金热变形行为与应变补偿型本构模型叶玉刚1，信灿尧2*（1.山西工程技术学院 机械工程系，山西 阳泉 045000；2.中北大学 材料科学与工程学院，太原 030051）摘要：目的 确定Ti60合金在高温下的应变行为，促进材料性能的优化和工程应用的发展。

方法 在变形温度为900、950、990、1 020、1 050 ℃，应变速率为0.001、0.01、0.1、1、5 s −1，最大变形量为60%条件下，利用Gleeble-3800热模拟实验机对Ti60试样进行不同应变速率的热压缩实验。

结果 Ti60合金的高温流变应力-应变规律如下：当温度一定时，随着应变速率的升高，峰值应力上升，当温度和应变速率一定时，随着应变的升高，应力表现为先上升后下降的趋势，而在1 020 ℃、0.01 s −1条件下，表现反常，这可能与第二相的动态析出有关。

不同真应变下的变形激活能Q =838.996 201 9 kJ/mol ，相应的本构方程相关系数n =2.889 582，α=0.013 182 009，A =1.335 7×1033，建立了Ti60合金热变形Arrhenius 本构关系模型3838.99610exp 8.314Z T ε⎛⎫⨯== ⎪⎝⎭2.889582332p 1.335710sinh(1.318210)σ-⎡⎤⨯⨯⎣⎦，用于预测和优化Ti60合金在高温条件下的峰值应力。

热处理制度对TA18钛合金棒材显微组织与力学性能的影响发表时间：2020-12-22T08:13:50.783Z 来源：《中国电业》（发电）》2020年第19期作者：张哲[导读] 本文以TA18钛合金棒材为研究对象，研究了不同热处理条件下对该合金显微组织与力学性能的影响。

西部钛业有限责任公司陕西西安 710201摘要：本文研究了几种不同热处理制度对TA18钛合金棒材显微组织和室温力学性能的影响。

结果表明：随着热处理温度的升高，由于再结晶因素，其组织由加工态变形组织向等轴组织转变，且棒材的强度逐渐降低，塑性逐渐提升。

关键词：TA18钛合金；热处理；显微组织；力学性能Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of TA18Titanium Alloy Bars ZHANG ZheWestern Titanium Technologies Co., Ltd., Xi’an 710201 Abstract： The effects of several different heat treatment systems on microstructure and mechanical properties of TA18 titanium alloy bars were studied in this paper. The results show thatwith the increase of heat treatment temperature, due to recrystallization, the structure changes from deformed structure to equiaxed structure, and its strength gradually decreases and the plasticity gradually increases.Key words：Ti80 titanium alloy; heat treatment; microstructure; mechanical properties 1 前言TA18钛合金是一种低铝当量近α型钛合金[1]，其名义成分为Ti-3Al-2.5V，具有良好的力学性能、耐腐蚀性能、焊接性能，可通过热处理实现良好的强度与塑性匹配。

典型钛合金的组织与性能文献查阅总结1.α型钛合金α型钛合金中又分为全α型钛合金和近α型钛合金，工业纯钛属于α型钛合金，此外一般α合金含有6%左右的Al和少量中性元素，退火后几乎全部是α相，典型合金包括TA1~TA7合金等；近α型钛合金中除了含有Al和少量中性元素外，还有少量（不超过4%）的稳定元素，如TA15、TA16、TA17等。

1.1工业纯钛工业纯钛按杂质元素含量分为TA1、TA1ELI、TA1-1、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI9个牌号，相变点大约为900℃。

工业纯钛具有高塑性、适当的强度、良好地耐蚀性以及优良的焊接性能等特点，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置、舰船零部件等，其冷热加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和丝材，一般在退火状态下交货使用。

典型的工业纯钛显微组织如图1-3所示：图1 TA1板材650℃/1h退火态组织：等轴α+少量晶间β图2 TA2大规格棒材600℃/1h退火态组织：等轴α图3 TA3板材800℃/1h退火态组织：等轴α+含有针状α转变的β1.1.1 TA1钛管的组织与性能[][]庞继明，李明利，李明强等. 退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展. 2011, 28(2): 26-28研究方法：TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压，最终获得φ45×7mm的管坯。

管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12×1.25mm的管材。

将管材置于真空热处理炉中，分别加热至450，475，490，500，550，600，650，700℃，保温90min，随炉冷却。

a）TA1钛管的显微组织图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。

可以看出，冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全；700℃下的组织已完全再结晶、等轴化，与650℃的相比晶粒已明显长大。

钛合金的四种基本显微组织钛合金是一种具有优异性能的金属材料，广泛应用于航空航天、医疗器械、化工等领域。

其性能的突出之处在于其独特的显微组织。

钛合金的显微组织可以分为四种基本类型：α相、β相、α + β相和ω相。

下面将详细介绍这四种显微组织的特点。

第一种是α相。

α相是指纯钛晶体结构，在显微镜下呈现出银白色的球状晶粒。

它具有高度的塑性和可锻性，是钛合金中最主要的相态组织。

在低合金度的钛合金中，α相可以占据相当比例的晶粒。

此外，α相的存在可以提高合金的耐腐蚀性和延展性。

第二种是β相。

β相具有典型的钛合金晶体结构，在显微镜下呈现出具有棱柱形状的晶粒。

与α相相比，β相的硬度和强度较高，而韧性和延展性较差。

β相在高合金度的钛合金中常常占据主导地位，可以显著提高合金的强度和硬度。

第三种是α + β相。

α + β相是指同时存在α相和β相的显微组织。

在合金经过适当的加热处理后，α相和β相可以共存于同一块材料中。

α + β相的钛合金具有较好的综合性能，既具备了α相的优异可锻性和延展性，又保留了β相的高强度和硬度。

第四种是ω相。

ω相是钛合金中一种特殊的显微组织，主要存在于高应力和高温条件下。

它具有一种典型的双层锯齿形结构，呈现出黑色或深灰色的颜色。

ω相通常会降低钛合金的机械性能和耐蚀性能，因此应尽量避免其生成。

综上所述，钛合金的四种基本显微组织分别是α相、β相、α+ β相和ω相。

每种组织都具有独特的特点和应用领域。

了解和控制这些显微组织，可以根据具体的工程要求调整钛合金的性能，以提高其应用效果。

第一种显微组织是α相。

α相能够提供钛合金良好的塑性和可锻性。

在纯钛中，α相是唯一的组织形态。

在α相中，晶体结构是六方最紧密堆积，呈球状晶粒分布。

这种结构的特点决定了α相的优异性能。

α相的存在可以提高钛合金的延展性，使其具有出色的弯曲和拉伸性能。

同时，α相还能够提高钛合金的耐腐蚀性能，使其在各种恶劣环境下具有良好的耐候性。

第二种显微组织是β相。