Ti课件-热处理

钛及钛合金的热处理钛及钛合金的热处理20102010--0606--2222热处理特点及主要类型热处理特点及主要类型退火退火强化热处理强化热处理形变热处理形变热处理化学热处理化学热处理热处理缺陷及防治热处理缺陷及防治主要内容主要内容钛合金热处理的特点钛合金热处理的特点马氏体相变不会引起合金的显著强化马氏体相变不会引起合金的显著强化钛合金中的马氏体不能像钢的马氏体那样显著提高合金的钛合金中的马氏体不能像钢的马氏体那样显著提高合金的强度和硬度。钛合金中的马氏体强度和硬度。钛合金中的马氏体α′α′的硬度只略高于的硬度只略高于αα固溶固溶体，对合金的强化作用较小；当合金中出现斜方马氏体体，对合金的强化作用较小；当合金中出现斜方马氏体α′′α′′时，合金的强度、硬度，特别是屈服强度明显下降。时，合金的强度、硬度，特别是屈服强度明显下降。钛合金的热处理强化只能依赖淬火形成亚稳定相（包括马钛合金的热处理强化只能依赖淬火形成亚稳定相（包括马氏体相）的时效分解。氏体相）的时效分解。在时效分解过程的一定阶段，可在时效分解过程的一定阶段，可以获得弥散的以获得弥散的αα++ββ相，使合金产相，使合金产生弥散强化，这就是钛合金淬火生弥散强化，这就是钛合金淬火时效强化的基本原理。时效强化的基本原理。应避免形成应避免形成ωω相相钛合金热处理的特点钛合金热处理的特点ωω相是一种硬而脆的相（相是一种硬而脆的相（HBHB≈≈500500，，δδ=0=0），位错不能在其中移动，），位错不能在其中移动，能显著提高合金的强度、硬度、弹性模量，但使塑性急剧下降。能显著提高合金的强度、硬度、弹性模量，但使塑性急剧下降。ωω相对合金力学性能的影响程度决定于合金中相对合金力学性能的影响程度决定于合金中ωω相的体积分数：相的体积分数：99当当ωω相体积分数达到相体积分数达到80%80%以上，合金无宏观塑性；以上，合金无宏观塑性；99如果如果ωω相体积分数控制适当（相体积分数控制适当（50%50%左右），合金具有较好的强左右），合金具有较好的强度和塑性匹配。度和塑性匹配。正确选择时效工艺（如采用高一些的时效温度），即可使正确选择时效工艺（如采用高一些的时效温度），即可使ωω相相分解为平衡的分解为平衡的αα++ββ。。同素异构转变难于细化晶粒同素异构转变难于细化晶粒导热性差导热性差钛合金热处理的特点钛合金热处理的特点这是因为钛的两个同素异晶体的比容差小，仅为这是因为钛的两个同素异晶体的比容差小，仅为0.17%0.17%；同时钛；同时钛的弹性模量小，在相变过程中不能产生足够的形变硬化，不能使的弹性模量小，在相变过程中不能产生足够的形变硬化，不能使基体相发生再结晶。另外，钛进行同素异构转变时，各相之间具基体相发生再结晶。另外，钛进行同素异构转变时，各相之间具有严格的晶体学取向关系和强烈的组织遗传性。有严格的晶体学取向关系和强烈的组织遗传性。钛及钛合金只有经过适当的再结晶消除粗晶魏氏组织。钛及钛合金只有经过适当的再结晶消除粗晶魏氏组织。（（11）可导致钛合金尤其是）可导致钛合金尤其是αα++ββ钛合金的淬透性差，淬火热应力钛合金的淬透性差，淬火热应力大，淬火时零件易翘曲大，淬火时零件易翘曲。（。（22）变形时易引起局部温度过高，使局）变形时易引起局部温度过高，使局部温度有可能超过部温度有可能超过ββ相变点而形成魏氏组织。相变点而形成魏氏组织。化学性质活泼化学性质活泼ββ相变点差异大相变点差异大钛合金热处理的特点钛合金热处理的特点热处理时，钛合金易与氧和水蒸气反应，在工件表面形成具有一热处理时，钛合金易与氧和水蒸气反应，在工件表面形成具有一定深度的富氧层或氧化皮，使合金性能变坏。定深度的富氧层或氧化皮，使合金性能变坏。钛合金热处理时容易吸氢，引起氢脆。钛合金热处理时容易吸氢，引起氢脆。即使是同一成分的合金，因各炉次所含成分的波动也会使即使是同一成分的合金，因各炉次所含成分的波动也会使ββ转变温转变温度可能相差度可能相差5~705~70℃℃。。制定工件加热温度时要特别注意。制定工件加热温度时要特别注意。在在ββ相区加热时相区加热时ββ晶粒长大倾向大晶粒长大倾向大钛合金热处理的特点钛合金热处理的特点ββ晶粒粗化可使塑性急剧下降。晶粒粗化可使塑性急剧下降。严格控制加热温度和时间，并慎用在严格控制加热温度和时间，并慎用在ββ相区温度加热的热处理。相区温度加热的热处理。钛合金热处理的主要类型钛合金热处理的主要类型退火消除内应力，提高塑性并保证一定的力学性能、稳定组织。去应力退火去应力退火简单退火简单退火等温退火等温退火双重退火双重退火再结晶退火再结晶退火真空退火真空退火消除应力退火消除应力退火完全退火完全退火双重退火双重退火等温退火等温退火真空退火真空退火钛合金的退火钛合金的退火钛合金的退火钛合金的退火αα和和αα++ββ型钛合金各种方式的退火温度范围型钛合金各种方式的退火温度范围αα型钛合金的普通型钛合金的普通退火、消除应力退火、消除应力退火都在退火都在αα相区的相区的温度下进行，称温度下进行，称为为αα退火。退火。αα++ββ型钛合金的各种方式退火一般都型钛合金的各种方式退火一般都在在αα++ββ相区进行，称为相区进行，称为αα++ββ退火。退火。αα++ββ型钛合金等温退火和双重退型钛合金等温退火和双重退火的第一阶段都在比普通退火更火的第一阶段都在比普通退火更高的温度下进行，同时相应地发高的温度下进行，同时相应地发展再结晶的条件。展再结晶的条件。第二阶段与消除应力退第二阶段与消除应力退火的温度规范相重合。火的温度规范相重合。各种方式退火的温度范围随各种方式退火的温度范围随ββ稳稳定元素含量的增加而降低。定元素含量的增加而降低。ββ稳定元素含量相同的合金，退稳定元素含量相同的合金，退火温度随火温度随αα稳定元素含量（主要稳定元素含量（主要是是AlAl）的增加而提高。）的增加而提高。去应力退火去应力退火消除在冷加工、冷成形及焊接等工艺过程中消除在冷加工、冷成形及焊接等工艺过程中产生的内应力。产生的内应力。目的属于未再结晶的退火，在这一过程中主要发生回复。退火温度低于再结晶温度由于退火温度较低，组织中空位浓度下降，发生部分多边化，形成亚结构。退火时间取决于工件的厚度、残余应力大小、所用退火温度以及希望消除应力的程度，其冷却的方式一般采用空冷，对于大尺寸和形状复杂的零件也可以采用炉冷。去应力退火一般在比再结晶温度低去应力退火一般在比再结晶温度低150~250150~250℃℃的温度下的温度下进行，其目的是部分或全部消除在机加工、板材冲压、进行，其目的是部分或全部消除在机加工、板材冲压、弯边、焊接和其他工艺过程中出现的内应力。弯边、焊接和其他工艺过程中出现的内应力。实质是减少点阵的缺陷数量，不发生可见的变形晶粒尺寸和形状的变化，只能观察到一些物理和力学性能变化去应力退火去应力退火去应力退火去应力退火消除应力退火时只发生回复和多边形化。消除应力退火时只发生回复和多边形化。在回复阶段没有亚晶界的形成和迁移，只发生晶体内空位向晶粒边在回复阶段没有亚晶界的形成和迁移，只发生晶体内空位向晶粒边界的移动和聚集；空位与位错的交互作用，导致空位的消失和位错界的移动和聚集；空位与位错的交互作用，导致空位的消失和位错的移动，此阶段位错密度的降低不明显。的移动，此阶段位错密度的降低不明显。多边形化阶段的特点是形成亚晶界和亚晶界的迁移，金属在变形后多边形化阶段的特点是形成亚晶界和亚晶界的迁移，金属在变形后位错密度增大，在加热过程中，部分位错排列成为整齐的小角度晶位错密度增大，在加热过程中，部分位错排列成为整齐的小角度晶界，从而形成完整的亚结构。界，从而形成完整的亚结构。钛合金的多边形化过程对获得理想的合金组织和性能有较大作用。钛合金的多边形化过程对获得理想的合金组织和性能有较大作用。进行多边形化退火时，在高位错密度的晶粒中发生位错的再分布和进行多边形化退火时，在高位错密度的晶粒中发生位错的再分布和位错的局部抵消，获得特殊的位错亚晶组织。位错的局部抵消，获得特殊的位错亚晶组织。位错组织理想的模锻位错组织理想的模锻件，具有最好的强度件，具有最好的强度和断面收缩率匹配和断面收缩率匹配普通退火普通退火冶金产品出厂时常用的一种工艺——工厂退火。建立在回复或再结晶的基础上，其目的是消除残余应力，并使合金的组织和性能均匀化。退火温度一般与再结晶开始温度相当或略低。α型钛合金退火时只发生与再结晶过程有关的组织性能变化；而在α+β和亚稳定β型钛合金退火时除再结晶过程外还可能发生与相变有关的组织性能变化。如在β稳定元素含量较高的钛合金中，多边形化和亚稳定β相的分解在大致相同的温度下发生，经过热变形的半成品在500~700℃加热时，不仅发生回复和多边形化过程，而且发生亚稳定β相的分解。普通退火普通退火退火合金的性能在很大程度取决于多边形化和β相分解哪一个先发生，如果多边形化先发生，则亚稳定β相的分解能更均匀地进行，从而得到更好的综合机械性能。钛合金退火时强度变化和加热温度的关系钛合金退火时强度变化和加热温度的关系回复阶段回复阶段再结晶再结晶阶段阶段晶粒长大晶粒长大阶段阶段软化主要发生在再结晶阶段软化主要发生在再结晶阶段软化在回复阶段已经开始软化在回复阶段已经开始回复阶段全部软化回复阶段全部软化α+β钛合金的普通退火制度：将合金加热到能满足完全软化的尽可能低的温度，此后进行空冷或按规程要求冷却。属于再结晶前退火，其退火温度低于再结晶温度再结晶退火再结晶退火退火温度一般高于或接近再结晶终了温度，介于再结晶温度和相变温度之间，超过相变点温度形成粗大的魏氏组织使合金性能恶化。为了消除加工硬化、稳定组织和提高塑性，可选用完全退火，这一过程主要发生再结晶，故也称再结晶退火。退火保温时间与工件厚度有关。小于5mm的工件，保温时间少于0.5h；厚度大于5mm，随厚度的增加，保温时间延长，但一般不超过2h。保温后炉冷至一定温度后出炉空冷。钛的再结晶开始温度与合金元素含量的关系能使钛的再结晶温度显著提高的合金元素：氮、碳、氧、硼、能使钛的再结晶温度显著提高的合金元素：氮、碳、氧、硼、铝铝、、铍、铼；钴和铌对钛的再结晶温度实际上没有影响；锡、钒、铁、铍、铼；钴和铌对钛的再结晶温度实际上没有影响；锡、钒、铁、锰在含量超过锰在含量超过3%3%时才有影响。时才有影响。当铝含量提高时，增加了点阵的歪扭当铝含量提高时，增加了点阵的歪扭程度，能阻止原子在结晶过程中的定程度，能阻止原子在结晶过程中的定向移动并延迟晶粒的长大。向移动并延迟晶粒的长大。CCOOBBAlAlBeBeMoMoReRe碘化法钛的再结晶图碘化法钛的再结晶图在在ββ//αα转变温度以下，只转变温度以下，只有当变形量小于临界变有当变形量小于临界变形程度时晶粒才有可能形程度时晶粒才有可能长大；而当加热温度高长大；而当加热温度高于于900900℃℃时，始终得到时，始终得到粗大晶粒。在粗大晶粒。在ββ区加热区加热后的晶粒平均尺寸达到后的晶粒平均尺寸达到~400~400μμmm，比在，比在αα相区加相区加热时大得多。热时大得多。退火温度和变形程度对碘化法钛变形带材晶粒尺寸的影响退火温度和变形程度对碘化法钛变形带材晶粒尺寸的影响再结晶退火温度再结晶退火温度随着钛的合金化程度增加，再结晶温度急剧提高。α合金α+β型合金β钛合金再结晶温度再结晶温度相转变温度相转变温度0.5~0.70.85~0.980.8产生反常的晶粒长大的临界变形程度为为2~10%如，工业纯钛的临界变形程度为2~4%Ti-5Al-2.5Sn合金的临界变形程度为8~10%常用钛合金的普通退火和再结晶温度常用钛合金的普通退火和再结晶温度大部分钛合金的板材件在较低的温度下退火，而大部分钛合金的板材件在较低的温度下退火，而棒材和锻件则在较高的温度下退火。这是由于表棒材和锻件则在较高的温度下退火。这是由于表面积大的板材及其零件对氧化更为敏感。板材在面积大的板材及其零件对氧化更为敏感。板材在保护气氛或真空中退火时，应提高到棒材和锻件保护气氛或真空中退火时，