杂质元素对钛性能的影响

杂质对工业纯钛的性能影响很大，杂质含量高则强度提高，塑性急剧降低，故生产上常以硬度作为测定工业纯钛的纯度的标准，钛的纯度与硬度的关系见表4-4。钛是一种化学性质非常活泼的金属，化合价是可变的。在较高的温度下，可与许多元素和化合物反应。钛吸气主要与C、H、N、O发生反应，使其脆化。掌握钛的吸气特性，对钛的热加工、机械加工、加工成形、铸造、焊接和使用，具有重要意义。

表4-4 钛的纯度与硬度的关系

钛中常见的杂质有氧、氮、碳、氢、铁及硅等。前四种杂质元素与钛形成间隙固溶体，后两种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。氧、氮、碳是α相稳定元素，使钛的强度升高，塑性下降。氧在α相中的溶解度（质量分数）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。一般氧的含量为0.1％～0.2％（质量分数）。氮与氧类似，是强稳定α相元素，溶解度达6.5％～7.4％（质量分数），存在于钛原子的间隙位置，形成间隙固溶体，明显提高强度，使塑性降低。当氮的质量分数为0.2％时已发生脆性断裂。所以氮含量不能太高，实际合金中氮的含量为0.03％～0.06％（质量分数）。碳在α-Ti包析温度时的溶解度为0.48％（质量分数），溶解度随温度降低而下降。当碳的含量小于0.1％（质量分数）时，形成间隙固溶体，当碳的含量大于0.1％（质量分数）时，析出碳化物。碳在钛合金中的作用因合金种类不同而不同。(www.xing528.com)

氢是稳定β相的元素，在β相钛中溶解度比在α相钛中的溶解度大得多，且在α相钛中的溶解度随温度的降低而急剧减少。在对钛吸氢和放氢动力学问题的研究中发现，α相钛合金很容易发生氢脆。一般α相钛的冲击韧性ak大约为180J／cm²，当w（H）＝0.015％时，ak降至30J／cm²。当含氢的β相钛共析分解以及含氢的α相钛冷却时析出氢化物TiH，使钛合金脆化。因此，具有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的含量保持很低。氢在β相钛中溶解度较高，且β相容易吸氢，所以，β相钛合金中氢的含量较高，w（H）＝0.01％～0.02％。氢含量低时TiH呈点状，高时呈针状。氢含量高时，可采用真空退火去氢。

一般认为，钛基体中的氢含量超过90～150mg／kg时，就会沿着晶界或由晶界向晶内方向析出针状、片状或块状等氢化物的沉淀相（TiH₂）。这种沉淀相类似微裂纹，在应力作用下扩展，直至破裂。氢化物的晶体结构和析出方式随着氢／钛原子比的变化而改变。360℃和0.1～0.2MPa环境下对高纯钛板进行氢化试验，使氢／钛原子比（x＝H Ti）在0.1～2.0间变动时，发现当x≥0.1时，基体中开始析出体心四方结构的亚稳相γ（TiH），其晶格参数a＝0.312nm、c＝0.418nm，这时的组织结构为γ相与α（hcp）相的混合亚稳结构；当x达到0.6左右时，亚稳γ相开始转变为面心立方的δ相结构（TiH₂），其点阵常数在0.4417～0.4453nm范围内；当x达到1.9～2.0时，γ相几乎全部转变为δ相。

总的来说，间隙杂质可使合金的强度升高，但严重降低合金塑性和断裂韧度，并使热稳定性、蠕变抗力、缺口敏感性等性能降低。所以提高钛的纯度是发挥现有钛合金的潜力及制造新的高强度高塑性钛合金的必要条件。