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钛及钛合金金基本知识一.钛的应用我们现在在这工作的每一个人对钛都有一个初步的认识，都知道钛是一种比重轻，耐腐蚀，耐热性好等许多优良性能，被誉为“未来金属”“二十一世纪金属”是具有发展前途的新型结构材料。
它有类是铝材的金属色泽，大家也解了一些钛材的有关知识。
咱们先从海绵钛谈起，我国的钛矿储量是世界已探明储量的64%左右，从矿石工业类型上看，我国钛资源主要是原生钒钛磁铁矿岩矿，其次是外生钛铁矿沙矿，第三是金红石岩矿，第四是金红石沙矿，我国钛精矿产能只要分布在四川攀枝花，海南，广西，攀枝花是我国最大的钛精矿供应基地，占中国市场的90%以上。
钛资源主要用来生产钛白，金属钛（海绵钛），含钛钢以及钛焊丝和涂料。
海绵钛主要是通过镁还原和钠还原（蒸馏法）二种方法，其它方法还没有工业化生产。
2008年底，中国海绵钛产量达到6万吨，居世界第一。
钛加工材2.7万吨左右，宝钛2008年钛加工材1.1万吨。
钛锭生产约5万吨。
宝钛只占1/5多。
在中国化工用钛是第一大户，占全国用钛量的44%左右，航空航天占17%左右，体育休闲领域的用钛量为16%，排行第三。
（据2007年统计）。
在美国欧洲，钛材主要用于航空航天领域，约占60%，在日本，钛材主要用于化工.电力等领域，约占50%。
而在中国，主要应用于化工.体有休闲等领域，约占70%。
国外主要钛材生产企业有美国钛金属，Timet,RTI国际金属公司，Allegheny，日本的神户制铁.住友钛和新日铁。
俄罗斯的VSMPO-AVISMA。
钛棒是怎样加工出来的，以前我们没有接触钛的时候，对钛都有一种神秘的感觉。
的确，钛是一种新兴的金属，在20世纪如果说到钛，我们无论老少很多人会感到很陌生，不要说全国，就是咱们宝鸡号称是中国钛城，知道钛的人也不是很多。
所以把钛称作稀有金属，曾经成立的中国稀有稀土集团中就有宝钛集团和遵义钛业的身影，其实钛元素在地球上并不是一个稀缺元素，在所有元素中排行老十，之所以把它排入稀有金属，主要是冶炼困难，工艺复杂，造成生产成本高，所以市场售价就高。
1所示。
图1不同元素对相变温度的影响[3]钛密度为4.5g/cm3，属于轻金属，熔点为1669℃，化学活性大，容易与空气中的氧发生反应生成致密的氧化膜，阻止进一步氧化，高温时，反应剧烈，氧化膜脱落会加速反应速度，所以，在钛合金的制备过程中，真空或气体保护是非常必要的。
钛合金作为应用广泛的结构材料，比铝、钢强度高，而且在海水中有较好的抗腐蚀和耐低温的性能。
目前，飞图2α-Ti和β-Ti晶胞结构（a）α-Ti（b）β-Ti钛合金组织有α型、α+β型、β型三种结构，对应的符号为TA、TC、TB。
2.1α型钛合金α钛合金是单相合金，其组织是α相固溶体，符号用表示。
合金的主要元素为中性元素或α稳定元素，Al、Sn、Zr等，基本不含β稳定元素。
工业纯钛，组织均α相，属于典型的α型钛合金。
α型钛合金的抗氧化能力和切削加工性能良好，其强度和蠕变抗力在500~600℃范围内仍可维持，缺点是无法实行热处理工艺进行强化，室温的强度相对较低，退火后的强度变化量很小或基本无变化。
———————————————————————作者简介:黄文君（1990-），女，河南许昌人，助教，硕士，研究方向为机械工程材料。
抗缺口敏感性，缺点是断裂韧性，蠕变性能相对较差。
图3钛合金典型的显微组织[9]（b ）双态组织（d ）等轴组织（a ）魏氏组织（b ）网篮组织4展望随着科技的进步和现代工业的发展，钛合金在军工和民用领域的应用也越来越广泛，在汽车行业，钛合金的应用不仅能减重，更能满足环保的要求，未来航空航天和推力系统需要钛合金材料具有更小的密度，更高的强度、工作温度和弹性模量，对材料性能的要求也逐渐提高，高强度、高硬度、高耐热性的材料越来越受各领域的青睐，优质轻型金属材料的钛合金必将代替部分传统的材料，既减轻质量，又降低成本，达到降低能源消耗的目的，因此高性能钛合金的研究已成为重要的发展方向，相信随着发展的需要，钛合金在我国的市场前景会越来越好。
金属材料学复习思考题（2016.05）第一章钢的合金化原理1-1名词解释（1）合金元素；（2）微合金化元素；（3）奥氏体稳定化元素；（4）铁素体稳定化元素；（5）杂质元素；（6）原位析出；（7）异位析出；（8）晶界偏聚（内吸附）；（9）二次硬化；（10）二次淬火；（11）回火脆性；（12）回火稳定性1-2 合金元素中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？1-3简述合金元素对Fe-Fe31-4 为何需要提高钢的淬透性？哪些元素能显著提高钢的淬透性？（作业）1-5 能明显提高钢回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？（作业）1-6合金钢中V，Cr，Mo，Mn等所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。
1-7试解释含Mn和碳稍高的钢容易过热，而含Si的钢淬火温度应稍高，且冷作硬化率较高，不利于冷加工变形加工？（作业）1-8 V/Nb/Ti、Mo/W、Cr、Ni、Mn、Si、B等对过冷奥氏体P转变影响的作用机制。
1-9合金元素对马氏体转变有何影响？1-10如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？1-11如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的异同之处？1-12钢有哪些强化机制？如何提高钢的韧性？（作业）1-13 为什么合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明复合加入的作用机理？（作业）1-14 合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？（作业）1-15 40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透性直径分别为25~30 mm、40~60mm和60~100mm，试解释淬透性成倍增大的现象。
（作业）1-16在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？（作业）第二章工程结构钢2-1为什么普通低合金钢中基本上都含有不大于1.8%~2.0%的Mn？（作业）2-2试述碳及合金元素在低合金高强度工程结构钢中的作用，为什么考虑采用低碳？提高低合金高强度结构钢强韧性的途径是什么？2-3什么是微合金化钢？微合金化元素在微合金钢中的主要作用有哪些？2-4 V、Nb、Ti这三种微合金元素在低碳（微）合金工程结构钢中，作用有何不同？（作业）2-5针状铁素体钢的合金化、组织和性能特点？2-6低碳贝氏体钢的合金化有何特点？2-7汽车工业用的高强度低合金双相钢，其成分、组织和性能特点是什么？（作业）第三章机械制造结构钢3-1名词解释：1）液析碳化物；2）网状碳化物；3）水韧处理3-2 调质钢和非调质钢在成分、生产工艺、组织和性能方面的异同何在？3-3弹簧钢为什么要求较高的冶金质量和表面质量？为什么弹簧钢中碳含量一般在0.5%~0.75%之间？3-4GCr15钢用作滚动轴承钢时，其中的碳和铬的含量约为多少？碳和铬的主要作用分别是什么？对该钢的基本要求如何？该钢的碳化物不均匀性体现在哪几方面？有何危害，如何这种不均匀性？其预备热处理和最终热处理分别是什么？作用何在？（作业）3-5说明20Mn2钢渗碳后无法直接淬火的原因？高淬透性渗碳钢18Cr2Ni4W的常用热处理工艺（渗碳加淬火回火）有何特点？如何理解？（作业）3-6合金元素对渗碳钢和氮化钢的作用主要体现在哪几方面？Al对氮化钢的作用何在？3-7 钢的切削加工性与材料的组织和硬度之间有什么关系？为获得良好的切削性，中碳钢和高碳钢各自应经过怎样的热处理，得到什么样的金相组织？为什么直径25mm的40CrNiMo钢棒料，经过正火后难以切削？如何经济有效地改善其切削加工性能？3-8 高锰钢在平衡态、铸态、热处理态、使用态四种状态下各是什么组织？在何种情况下具有高耐磨性能？为什么ZGMn13型高锰钢在淬火时能得到全部的奥氏体组织，而缓冷却得到了大量的马氏体？（作业）3-9为什么说淬透性是评定结构钢性能的重要指标？（作业）3-10 用低淬透性钢制作中、小模数的中、高频感应加热淬火齿轮有什么优点？（作业）3-11 某精密镗床主轴采用38CrMoAl钢制造，某重型齿轮镗床主轴采用20CrMnTi钢制造，某普通车床主轴选用40Cr钢。
备课笔记绪论一、本课程主要内容金属材料可分为五类，即钢铁材料、非铁金属材料、金属功能材料、金属间化合物材料和金属基复合材料，本课程学习前两类金属材料，其余的金属材料在别的课程中学习。
1、钢铁材料(1)合金化原理①合金元素在钢中与Fe，C的相互作用。
②合金元素在相变中的作用。
(2)各类钢铁材料2、非铁金属材料介绍铜合金、铝合金、镁合金、钛合金的特点及应用。
二、研究思路使用条件→性能要求→组织结构→化学成分↑生产工艺1、化学成分：碳含量；合金元素种类及含量。
2、生产工艺：(1) 材料生产的全过程。
(2) 不同钢种生产过程中的特殊问题。
如工程结构钢的带状组织，轴承钢的夹杂物，高碳钢的碳化物不均匀性等。
(3) 不同钢种的热处理特点。
不同的合金元素，对淬火加热温度、冷却方式、回火温度、回火冷却方式等热处理工艺制度的不同影响。
3、金属材料的性能金属材料，尤其是钢铁材料，之所以对人类文明发挥那样重要的作用，一方面是由于它本身具有比其它材料远为优越的性能；另一方面是由于它那始终孕育着在性能方面以及数量、质量方面的巨大潜在能力，能随着日益增长的要求，不断更新、发展。
(1) 使用性能：金属材料在使用时抵抗外界作用的能力。
①力学性能：如强度、塑性、韧性等。
②化学性能：如抗腐蚀、抗氧化等。
③物理性能：如电磁性能等。
(2) 工艺性能：金属材料适应实际生产工艺要求的能力。
主要包括：铸造性；锻造性；深冲性；冷弯性；切削性；淬透性；焊接性等。
如建造九江长江大桥15MnVN钢的焊接性。
使用性能是保证能不能使用，而工艺性能是保证能不能生产和制造的问题。
两者既有联系又有不同，有时是一致的，有时互相矛盾。
例如，一些要求高强度、高硬度、耐高温的材料，常给铸造、压力加工、机械加工带来困难，有时甚至否定材料。
因此，一方面需要改进加工工具或加工制作方法，另一方面要改善材料的工艺性能。
如含铜时效钢06MnNiCuNb，用于制造大型舰船，采用厚板焊接，要求淬透性好，强韧性好，可焊性好，采用低碳加铜时效。
第一章金属材料基础知识1、什么是强度？材料强度设计的两个重要指标分别是什么？2、什么是塑性？塑性对材料的使用有何实际意义？3、绘出简化后的Fe-Fe3C相图。
4、根据Fe-Fe3C相图，说明下列现象的原因。
（1）含碳量1%的铁碳合金比含碳量0.5%的铁碳合金的硬度高。
（2）一般要把钢材加热到1000~1250℃高温下进行锻轧加工。
（3）靠近共晶成分的铁碳合金的铸造性能好。
5、随着含碳量的增加，钢的组织性能如何变化？6、铁碳相图中的几个单相分别是什么？其本质及性能如何？第二章钢的热处理原理1、何谓奥氏体？简述奥氏体转变的形成过程及影响奥氏体晶粒长大的因素。
奥氏体晶粒的大小对钢热处理后的性能有何影响？2、什么是过冷奥氏体与残余奥氏体。
3、为什么相同含碳量的合金钢比碳素钢热处理的加热温度要高、保温时间要长？4、画出共析钢过冷奥氏体等温转变动力学图。
并标出：（1）各区的组织和临界点（线）代表的意义；（2）临界冷却曲线；，S，T＋M组织的冷却曲线。
（3）分别获得M、P、B下5、什么是第一类回火脆性和第二类回火脆性？如何消除？6、说明45钢试样（Φ10mm）经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：700℃，780℃，860℃，1100℃。
7、马氏体的本质是什么？它的硬度为什么很高？是什么因素决定了它的脆性？8、简述随回火温度升高，淬火钢在回火过程中的组织转变过程与性能的变化趋势。
第三章钢的热处理工艺1、简述退火的种类、目的、用途。
2、什么是正火？正火有哪些应用？3、什么是淬火，淬火的主要目的是什么？4、什么是临界冷却速度？它与钢的淬透性有何关系？5、什么是表面淬火？表面淬火的方法有哪几种？表面淬火适应于什么钢？简述钢的表面淬火的目的及应用。
6、有一具有网状渗碳体的T12钢坯，应进行哪些热处理才能达到改善切削加工性能的目的？试说明热处理后的组织状态。
7、简述化学热处理的几个基本过程。
渗碳缓冷后和再经淬火回火后由表面到心部是由什么组织组成？8、什么是钢的淬透性和淬硬性？影响钢的淬透性的因素有哪些？如何影响？9、过共析钢一般在什么温度下淬火？为什么？10、将共析钢加热至780℃，经保温后，请回答：（1）若以图示的V1、V2、V3、V4、V5和V6的速度进行冷却，各得到什么组织？（2）如将V1冷却后的钢重新加热至530℃，经保温后冷却又将得到什么组织？力学性能有何变化？11、甲、乙两厂生产同一种零件，均选用 45 钢，硬度要求 220 ～ 250HBS 。
第2章2．1 钛的基本性质C1～8]工业纯钛钛的矿物在自然界中分布很广，处于分散状态，主要形成矿物钛铁矿Fe—TiO3、金红石TiO2及钒钛铁矿等，约占地壳重的0．6％，在金属世界里排行第7，含钛的矿物多达70多种，在海水中含量是1Ug／L，在海底结核中也含有大量的钛。
钛的基本性质主要包括以下几个方面。
2．1．1 物理性质纯净的钛是银白色金属，具有银灰色光泽。
钛属难熔金属，原子序数为22，。
相对原子质量为47．90，位于周期表ⅣB族。
钛有两种同素异构体，。
—Ti在882'C以下稳定，为密排六方晶格(hcp)结构；p—Ti在882~C与熔点1678~C之间稳定存在，具有体心立方晶格(bbc) 结构。
在882~C发生。
一p转变。
—Ti的点阵常数(20'C)为a＝0．2950nm，‘＝0．4683nm，‘／o/=1.587；p—Ti的点阵常数为o=0.3282nm(20℃)或o= 0.3306nm(900~C)。
钛的密度为4．51g／cm3，只相当于钢的57％，属轻金属。
钛的熔点较高，导电性差，热导率和线膨胀系数均较低，钛的热导率只有铁的1／4，是铜的1／7。
钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体内不会受雷雨天气的影响。
当温度低于0.49K时，钛呈现超导电性，经合金化后，超导温度可提高到9～10K，钛的基本物理性能数据列于表2—1。
┌───────────────┬────────┐│名称│数值│├───────────────┼────────┤│相对原子质量│47．9 │├───────────────┼────────┤│原子半径／nm │0．145 │├───────────────┼────────┤│e—Ti-~-Ti相变潜热／(kJ／mo1) │3．47 │└───────────────┴────────┘比密度续表2．1，2 力学性能室温下纯钛的晶体结构为密排六方结构，其点阵长短轴比c／aGl．633，室温变形时主要以<1010}<1210>柱面滑移为主，并常诱发孪生[9]；钛同时兼有钢(强度高)和铝(质地轻)的优点。
