钛和钛合金的化学成分及性能分析

部分钛及钛合金的主要牌号和化学成分见表5-1。钛及钛合金的比强度很高，是很好的热强合金材料。钛的线胀系数很小，在加热和冷却时产生的热应力较小。钛的导热性差，摩擦因数大，切削、磨削加工性能和耐磨性较差。钛的弹性模量较低，不利于钛及钛合金的成形和校直。钛的主要物理性能见表5-2。

钛是一种轻型金属，钛的性能与所含C、N、H、O等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。99.5%工业纯钛的性能为：密度ρ＝4.5g/cm³，熔点为1725℃，抗拉强度σ_b＝539MPa，伸长率δ＝25%，断面收缩率ψ＝25%，弹性模量E＝1.078×10⁵MPa，硬度195HBW。

钛及钛合金的性能特点如下：

1）强度高。钛合金的密度（4.5g/cm³左右）仅为钢的60%，纯钛的强度接近普通碳素钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此，钛合金的比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料，可制作出强度高、刚性好、质轻的零部件。目前飞机发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件等都使用钛合金。

2）热强度高。钛合金的使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450～500℃的温度下长期工作。钛合金在150～500℃温度下仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则只能工作在200℃以下。

3）耐蚀性好。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其耐蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物、硝酸、硫酸等有优良的耐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的耐蚀性差。

4）低温性能好。钛合金在低温和超低温下仍能保持其良好的力学性能。低温性能好，间隙元素极低的钛合金（如TA7）在-253℃还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。

5）化学活性大。钛的化学活性强，可与大气中的O、N、H、CO、CO₂、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%（质量分数）时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20%～30%。

6）热导率低、弹性模量小。钛的热导率λ＝15.24W/（m·K），约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而钛合金的热导率比钛的还低约50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差，易变形，不宜制作细长杆和薄壁件；钛合金切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦，易与摩擦表面产生粘着磨损。

表5-1 部分钛及钛合金的主要牌号和化学成分

表5-2　钛的主要物理性能（20℃）

工业纯钛容易加工成形，但在加工后会产生加工硬化。为恢复塑性，可采用真空退火处理，退火温度为700℃，保温1h。工业纯钛具有很高的化学活性。钛与氧的亲和力很强，在室温条件下就能在表面生成一层致密而稳定的氧化膜。由于氧化膜的保护作用，使钛在大气、高温气体（550℃以下）、中性及氧化性介质、不同浓度的硝酸、稀硫酸、氯盐溶液以及碱溶液中有良好的耐蚀性，但氢氟酸对钛有腐蚀作用。工业纯钛的化学活性随着加热温度的升高而迅速增大，并在固态下具有很强的吸收各种气体的能力。

部分钛及钛合金的力学性能见表5-3。工业纯钛具有良好的耐腐蚀性、塑性、韧性和焊接性。其板材和棒材可以用于制造350℃以下工作的零件，如飞机蒙皮、隔热板、热交换器、化学工业的耐蚀结构等。

表5-3　部分钛及钛合金的力学性能

（续）

注：高温持久强度是持续100h条件下测得的。

杂质元素对钛合金性能的影响很大，杂质含量高则强度提高，但塑性急剧降低。生产中常以硬度判定工业纯钛的纯度，钛的纯度与硬度的关系见表5-4。

表5-4　钛的纯度与硬度的关系(www.xing528.com)

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，可与许多元素和化合物反应。钛与C、H、N、O发生反应，使其脆化。了解钛的吸气性能，对钛及其合金的热加工成形、焊接和应用具有重要意义。

钛与O的亲和力极强，加热初期O进入钛表面晶格中，形成一层致密的氧化膜，这层氧化膜可阻止O进一步向基体扩散。当加热到500℃以上时，钛的氧化膜成为多孔状、变厚并容易剥脱，O通过膜中的小孔不断地向基体扩散，在钛的内部形成一硬脆层，使钛的塑性降低。因此，钛的热加工要在保护性气氛中进行。钛在400℃以上大量吸H，会引起氢脆。

钛及钛合金中常见的杂质有O、N、C、H、Fe和Si等。前四种杂质元素与钛形成间隙固溶体，后两种元素与钛形成置换固溶体，过量时形成脆性化合物。钛的性能与杂质含量有密切的关系。O、N、C提高α→β转变温度，扩大α相区，是稳定α相的元素，使钛的强度升高，塑性下降。图5-1所示为O-Ti二元相图，图5-2所示为杂质元素（O、N、C）对纯钛力学性能的影响。

图5-1 O-Ti二元相图

图5-2 杂质元素（O、N、C）对纯钛力学性能的影响

O在α相中的溶解度高达14.5%，占据八面体间隙位置，产生点阵畸变，起强化作用，但降低塑性。一般O含量为0.1%～0.2%（质量分数）。N与O类似，也是强稳定α相的元素，溶解度达6.5%～7.4%（质量分数），存在于晶格中的间隙位置，形成间隙固溶体，明显提高强度，但使塑性降低。当N含量为0.2%（质量分数）时已发生脆性断裂。因此N含量不能太高，实际钛合金中的N含量为0.03%～0.06%（质量分数）。C在α-Ti包析温度的溶解度为0.48%（质量分数），溶解度随温度降低而下降。当C含量小于0.1%（质量分数）时，形成间隙固溶体，当C含量大于0.1%（质量分数）时析出碳化物。C在钛合金中的作用因合金种类不同而异。

O、N、C这些间隙元素与钛形成固溶体后，使钛的晶格发生畸变，阻碍位错运动；同时使钛晶格的c轴增加多，a轴增加少，致使长短轴比c/a增大。当长短轴比增大到接近理论值（1.633）时，钛的滑移系减少，从而失去良好的塑性。为了保证材料的塑性和韧性，在工业纯钛及钛合金中一般限制的O、N、C含量。

氢是稳定β相的元素，Ti-H二元相图如图5-3所示。氢在β钛中的溶解度比在α钛中的溶解度大很多，且在α钛中的溶解度随温度的降低而剧烈减小，如图5-4所示。

图5-3 Ti-H二元相图

图5-4 H在α钛中的溶解度曲线

根据对钛吸氢和放氢的动力学研究，纯钛定容变压条件下的吸氢和放氢曲线如图5-5所示（图中F为定容变压条件下反应的摩尔分数）。α相钛合金很容易发生氢脆。当含氢的β钛共析分解以及含氢的α钛冷却时，析出氢化物TiH，使钛合金脆化。因此，α及α+β组织的钛合金要求氢含量很低，一般采用真空冶炼工艺使氢含量保持很低。氢在β钛中溶解度较高。且β钛容易吸氢，所以β钛合金中的氢含量较高（0.01%～0.02%）（质量分数）。氢含量低时TiH呈点状，高时呈针状。钛合金中的氢含量高时，可采用真空退火去氢。

图5-5 纯钛定容变压条件下的吸、放氢曲线

a）吸氢曲线 b）放氢曲线

由于钛合金断裂时有大量的气体逸出，可以推断出氢与断裂过程有关。断口检查发现微裂纹是沿着氢化物与基体的界面发展的。这是因为氢化物与基体之间的结合力较弱，它们的弹性和塑性不同，受力后引起应力集中产生微裂纹；然后微裂纹迅速扩展，发生断裂。温度下降时，氢的溶解度下降，氢以过饱和态存在，在应力作用下将产生时效型氢脆。因为位于晶格间隙内的氢原子，在应力作用下经过一定的时间扩散并密集在缺陷引起的应力集中处，氢原子与位错交互作用，位错被钉扎不能自由运动，从而使基体脆化。