钛和钛合金在低温下的力学性能
第22卷第3期2002年9月
矿 冶 工 程
MININGANDMETALLURGICALENGINEERING
Vol.22№3
September2002
①
钛和钛合金在低温下的力学性能
陈 鼎,黄培云
(中南大学材料科学与工程系,湖南长沙410083)
摘 要:从材料的拉伸强度、疲劳强度、断裂韧性、夏氏冲击吸收能等方面详细地介绍了钛和钛合金低温下的一些主要性能指标以及其随温度和材质的变化情况,实验结果表明,随着钛和钛合金的使用,温度降低,拉伸强度和疲劳强度升高,延伸率、断裂韧性、夏氏冲击吸收有降低;减少材料的杂质含量能够改善材质的低温性能。关键词:钛合金;低温;力学性能;锯齿变形
MechanicalPropertiesofPureTitaniumandTitanium
AlloysatCryogenicTemperatures
CHENDing,H2(DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,,Hunan,China)Abstract:Asakindofimportantthe,iandTialloyshaveexcellentmechanicalpropertiesatcrytemastensilestrength,fatiguestrength,fracturetoughness,charpyimpactabsperatureforTiandTialloys,andtheirresponsetotemperatureandmaterialcom2positionwereinpaper.Inaddition,someadviceabouttheuseofTiandTialloysatcryogenictemperaturewasgiven.Keywords:titaniumalloys;cryogenictemperature;mechanicalproperties;serrateddeformation
钛及钛合金具有密度小、比强度高,耐高温和耐腐蚀等特点,是20世纪中叶发展起来的一类新型结构材料。此外,钛和某些钛合金还是一种理想的低温结构材料。纯钛在4.2K时抗拉强度达1100MPa,延伸率为40%。随着温度降低,钛合金屈服强度大幅上升,约为奥氏体不锈钢的3~6倍;但断裂韧性随温度降低
而降低,约为奥氏体不锈钢的~。由于钛合金比
42
奥氏体不锈钢轻得多,密度约为其56%,并且在低温下热传导率低、膨胀系数小、无磁性,所以在宇航、超导等领域作为一种重要的低温工程材料来使用。如1981年美国宇航局发射的阿波罗宇宙火箭,使用了钛和钛合金做液氦和液氢容器和结构管道。80年代初,日本采用了Ti26Al24VELI和Ti25Al22.5SnELI制作了
[1,2]
30MVA超导发电机转子,磁浮列车的低温部件。
本文介绍低温用钛材种类,钛合金在低温下力学性能随温度降低的变化,杂质含量对低温下钛合金力学性能的影响,以及钛合金在低温下变形和断裂特性。
α+β合金和β合化合物外)在低温下可分为α合金、
[3]
α合金具有α相结构,组成α合金一般为二类,金。
一类为含间隙原子(C、N、O)的钛,另一类为含Al、Sn
β合金具有β相结构,主要含有拓宽β相的钛合金。
结构的V,Mo,Sn,Cr,Fe,Mn等元素,当这些合金元素的含量足够时,具有β相的β合金在室温下可以存在。α+β合金为在室温下具有α相和β相混合结构的合
[4]
金。钛合金的种类和相结构图如图1所示。
1 低温用钛合金种类
纯钛在室温下为具有密排六方的α相,在855℃以上转变成体心立方的β相结构。钛合金(除金属间
①收稿日期:2002203208 第一作者 男 博士研究生
图1 钛合金的种类及其相结构
112
矿 冶 工 程第22卷
[7]
在低温下具有bcc结构的β钛合金和其他体心立
方金属一样,随着温度降低,塑性和韧性降低,因此,低温用钛材多为纯钛和α钛合金;在α+β钛合金中,含β相较少的钛合金,如Ti26Al24VELI,在液氢温度(20K)中也能够很好使用。纯钛和Ti25Al22.5SnELI等α钛合金在液氦温度(4.2K)中是一种理想的低温结构材料,但必须控制合金成分以外的杂质,特别是氧和铁的含量。铁、氧成分的增加使得钛材低温脆性增加。另外铁、锰等β相稳定元素的增加,易使材料产生缺口脆化。日本、美国和前苏联对低温钛合金成分都有不同的规定。如日本工业标准(JIS)用的工业纯钛(CPTi)允许使用温度都比较低(77K)。在美国仅有钛合金标准,含极低间隙原子(ELI)的Ti25Al22.5Sn使用温度为18K,Ti26Al24VELI使用温度为78K。在前苏联,
工业纯钛
钛合金在20K以下进行拉伸时产生锯齿变形,而且纯度不一样,产生的锯齿变形的负荷和位移也不一样。锯齿变形的主要原因可以用热机理和位错机理来解释,这种机理认为,在低温下金属的比热容和热导率都很小,塑性形变时功转化为热,致使局部区域温度升高,并引起这个局域的软化,瞬间使得加载的负荷降低。另外增殖位错的相互作用,位错和溶质原子、析出粒子的相互作用以及发热区域的冷却,软化区域又产生了加工硬化。发热软化与加工硬化不断地交替构成了锯齿变形。
表1 钛及其典型合金在不同温度下的拉伸性能
合金温度Ti275ATi25Al22.5Sn
[***********][1**********]0Ti26Al24V2971957720Ti26Al24V(ELI)
2901957720Ti213V211Cr23Al
2901957720
拉伸强度屈服强度延伸率断面收缺口强度
缩率Π%薄板,1280
允许在4K使用,Ti25Al22.5SnELI允许在20K使用。
9401190
[***********][***********]13111126.516.76.70.4
————————————
36313032
785
2 2.1 拉伸性能
—
[***********][***********]670
薄板,退火
[***********][***********]2601420
纵向
[**************]
一般来说,加,而塑性降低。(O、C、N均为α相稳定元素)和替代固溶元素(Al为α相稳定元素,Fe、Cr、Mo、V、Nb等为β相稳定元素,Sn、Zr为中性元
,合金的顺素)。钛合金强度按纯钛α,合金α,+β合金β序增加。随着温度降低,纯钛和钛合金的强度加强,延
伸率降低,图2为钛和钛合金的拉伸性能和温度的关系。表1列出了钛和几种典型钛合金在不同温度下
[6]
的拉伸性能。从表1的结果可以看出,钛合金的延伸率在77K以下时下降幅度较大,特别是含有普通纯度的α钛合金只能用到77K,而含有极低间隙元素的α钛合金即使在20K左右时其延伸率下降幅度也不大。
[5]
Ti25Al22.5Sn(ELI)薄板,退火纵向
[***********]0511001280
Ti25Al22.5Sn(ELI)锻件,切向
————
[***********][1**********]820
薄板,退火
[**************]
纵向
[***********][***********]11885
————
[**************].4
锻件,切向
[**************]
固溶处理
[**************]
————
图2 钛和钛合金的拉伸性能和温度的关系
注:D:dimpal(等轴凹坑断面);C:cleavage(解理断面);M:microdimpal(微细等轴凹坑断面);DG:dimpal+groove(等轴凹坑断面+沟形断口);
DC:dimpal+cleavag(等轴凹坑+解理断面)
1———1号Ti;2———Ti25Ta;3———Ti26Al24V;4———Ti25Al22.5Sn;5———Ti215V23Al23Cr23Sn;6———3号纯钛
—
2.2 冲击特性
纯钛的冲击特性受杂质含量影响较大。随着温度
降低,纯钛冲击值变低,但氧含量和铁的浓度减少,会
第3期陈 鼎等:钛和钛合金在低温下的力学性能
113
[12]
使得低温冲击值降低得到减缓,并且当氧含量和铁的
浓度较低时,氢的浓度降低对低温冲击值有较大的影
[8]
响。Rüdinger等人认为,氢浓度控制在0.03%以下,
[9]
能抑制氢化物的脆性。长井寿等人认为含氧量在0.203%的钛材在常温以下冲击断口为解理性(劈开性)断面,含氧量为0.143%,0.088%的钛材在各个温度区域断裂时,断口为凹坑面。由于凹坑断口为塑性断口,所以低氧量可以抑制解理开裂面引起的脆性化问题。
钛合金的杂质浓度降低也能够改善冲击值,合金种类不同,产生的断面形貌不一,其断裂机理不一样。图3为纯Ti,Ti25Ta,Ti26Al24V,Ti25Al22.5Sn和Ti215V23Al23Cr23Sn合金的摆锤式冲击吸收能随着温度的变化关系,Ti25Ta断口在室温下为等轴凹坑面,在77K以下为凹坑+解理性断口,所以随温度降低,冲击吸收能降低。Ti25Al22.5Sn断口在室温下为等轴凹坑断面,
[10]
77K出现了沟状断口,低,,+[11]
中也已发现滑移带参与下形成的,,但比具有凹面断口的钛材冲击值要低。Ti26Al24VSPELI合金为微细凹坑面,随温度降低,冲击吸收能降低,在77K左右,冲
β合金的Ti2击吸收能不但没有降低,而且略有上升。
15V23Al23Cr23Sn合金,在室温下断口为等轴凹面,在77K为解理断口,所以Ti215V23Al23Cr23Sn合金室温冲击值较高,在77K非常低。纯度高的纯钛(CPTi-1)自始自终一直为塑性的等轴凹面,纯度较低的CPTi23则一直为脆性解理断口
。
6Al24V的断裂韧性和温度的关系图
。钛合金的断
裂韧性值随着温度的降低而降低,但是对于Ti26Al24V合金来说,氧含量和铁含量较低的合金从室温到4K的KIC降低得到较大抑制,对α+β合金来说在β相域热处理不仅对室温断裂韧性有所改善,而且能够抑制合金在低温下断裂韧性的降低,图5中a合金含氧量和含铁量分别为0.108%和0.021%,b合金含氧量和含铁量为0.171%和0.07%,缓冷处理(FC)后,不仅室温断裂韧性有所改善,并且断裂韧性随温度降低程度得到抑制
。
图4 不同纯度Ti25Al22.5Sn
合金断裂韧性和温度的关系
图5 不同纯度Ti26Al24V合金断裂韧性和温度的关系
2.4 疲劳断裂
伴随温度降低,Ti26Al24V合金的高循环次数的疲劳寿命特性得到提高,没有出现低温脆化现象,在疲劳断面上没有观察到脆性特征。一般来说伴随着氧、铁元素浓度降低,拉伸强度随之降低,但对拉伸强度进行规格化比较后,排除杂质因素的影响,确认了Ti26Al2
图3 几种钛合金摆锤式冲击吸收能随温度变化图
4V合金在长寿命侧的疲劳寿命得到提高
[14]
。在低温
下关于低循环次数的钛合金疲劳特性的研究较少,而
2.3 断裂韧性
对Ti25Al22.5Sn和Ti26Al24V在4K温度时疲劳裂纹扩
[11]
图4、图5分别为不同纯度的Ti25Al22.5Sn和Ti2展速度的研究较多。研究报告表明,试验温度从室温
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矿 冶 工 程第22卷
到4K,疲劳裂纹的扩展速度没有明显差别,而其他大
多数金属和合金,随着温度降低,裂纹扩展速度降低。研究结果表明:化学成分、氧的浓度对钛合金裂纹扩展速度有较大影响。
参考文献
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3 焊接材的低温力学性能
一般来说,钛和钛合金材料的焊接性能,只要不在焊接过程被C,N,O污染,则不会产生低温下强度上升过高,延伸率和断裂韧性急剧下降的现象。未被气体污染的焊接材在低温下强度和延伸率与母材的性能相当,但在4.2K时,冲击特性和断裂韧性往往比母材高。另外采用保护气体进行电弧焊的钛材,其疲劳寿命特性与母材相差不多,但被气体污染后,其焊接中的缺陷成为疲劳裂纹源,影响了材料的疲劳寿命特性。
[14]
4 结 语
钛和钛合金随着温度降低,,但延伸率、低,,因此钛和钛合金作为低温工程材料来应用,应该注意如下几点:①尽量使用高纯度α合金。②开发低温下无脆性
,合金。③使用低温下强度与断转移的高韧性α+ββ
裂韧性的组合性能较好的合金。随着空间技术和超导技术的迅速发展,钛和钛合金在低温和极低温环境的应用增多,新的低温钛合金材料的开发研究显得尤为重要。
《矿业研究与开发》2003年征订启事
《矿业研究与开发》杂志(大16开)系中国有色金属学会和长沙矿山研究院联合主办,向国内外公开发行的科技类刊物。主要刊载采矿方法、地压支护、治水及岩土加固、爆破技术与器材、选矿技术与药剂、矿山机械、矿山自动化、矿山环保、计算机应用、经营与管理,以及溶浸采矿、海洋采矿、砂矿开采技术等。
近年来《矿业研究与开发》,杂志的内蕴、品质不断充实提高。其间报道了科技前沿动态,交流了科技成果、技术经验,传递了科技信息,为科研成果转化为生产力发挥了桥梁和纽带作用。在为有色矿业服务的同时,对冶金、化工、建材、核工业及煤炭等行业的论文兼容并蓄。是一份受人欢迎、独具特色的科技期刊。该刊连续被评为中国有色金属工业优秀科技期刊,曾被评为跨“矿业”和“煤炭开采”两类中文核心期刊,湖南省一级期刊;是中国科学引文数据库来源期刊、中国学术期刊综合评价数据库来源期刊;被《中国期刊网》《、中国学术期刊光盘版》全文收录并上网,被美国Ei数据库、英国的《采矿与冶金通报》、日本的《采矿技术速报》、俄罗斯的《矿业文摘》所收录。
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