（材料学专业论文）tib19合金固态相变动力学及其组织演变规律.pdf

摘要 摘要 - f i b 1 9 合金是我国为某项重点工程自主开发成功的一种亚稳d 型钛合金， 可以通过热处理使强度一塑性一韧性得到较好的匹配。由于合金在加工工艺一 定的情况下，其组织结构的演变主要取决于热处理过程中的相变过程，并强烈 地影响合金性能。因此，对t i - b 1 9 合金相变过程的研究在理论和工程应用上均 具有重要的意义。 本文以t i - b 1 9 合金为研究对象，在分析钛合金相转变过程及相变动力学影 响因素的基础上，采用原位电阻法和同步x 射线衍射技术等手段，在国内首次 系统地研究了亚稳b 钛合金等温相变和连续冷却过程中非等温相变的动力学机 制，探讨了固态相转变过程中相形核与长大机理及其组织演化规律，建立了 - f i b 1 9 合金等温相变的t t t 图和连续冷却相变的c c t 图。主要研究内容包括： 对t i b 1 9 合金在3 0 0 7 0 0 。c 温区等温时效的动力学机制进行了系统的研 究，结果表明，t i b 1 9 合金在3 0 0 时效时为单一的相转变动力学过程，在 3 5 0 等温相变为相和& 相混合相变过程，4 0 0 以上等温相变为单一的0 相转 变动力学过程。其中，5 0 0 5 5 0 等温时合金的相转变速度最快，相变驱动力 和溶质原子扩散速度对相变过程的作用达到最佳配合。在此基础上，获得了 t i b 1 9 合金3 0 0 7 0 0 等温相变的j m a 动力学方程。求得了a v r a m i 指数村、 温度常数k 及相转变激活能e 值，并对5 0 0 5 5 0 温区等温相变动力学进了预 测，其结果与实际的c t 相转变规律吻合。据此，建立了t i b 1 9 合金等温相变r r r 图，确定其“鼻温”在5 2 0 左右。 系统研究了t i b 1 9 合金等温相变过程中的组织演变规律及相形核和长大机 制，结果表明，在3 0 0 3 5 0 等温时效时，中间过渡相仿均匀形核并弥散分布 于d 晶内，亚稳p 相的分解方式为p 一+ p 一叶咿叶p 。4 0 0 1 2 以上等温时效 后，合金显微组织由稳定的位相和p 相组成，亚稳p 相的分解方式为9 一叶p ；随 时效温度升高。旺相由p 晶内优先形核逐渐向p 晶界优先形核过渡，其尺寸逐渐 增大，在5 0 0 时o 【相析出数量达到最大值5 7 7 ，其与温度之间的关系为 西北工业大学工学博士学位论文 五锣) = - 1 1 7 0 6 + 0 7 1 3 t - 7 2 5 5 7 x 1 0 。t 2 采用t h e r m o c a l c o 热力学软件计算了t i b 1 9 合金相平衡态时a 相和b 相化学 成分随温度的变化，结果表明，t i b 1 9 合金中固态相交由溶质原子，特别是 m o 、v 、c r 等元素的长程扩散控制，a 相可以看作为具有化学计量比的“化合 物”，而d 相则富含溶质原子，进而得到该合金相转变温度为7 6 04 c 左右，与金 相法和差热分析法所测褥的相变温度点一致。在此基础上，用z e n e r 长大方程 获得了4 0 0 7 0 0 。c 各等温温度下a 相的长大速率n 其与温度r 之间的关系为 v = 3 7 9 9 x 1 0 - 6 2 x t r i m 。 系统研究了加热速率对t i - b 1 9 合金等温相变动力学和组织结构的影响，结 果表明，加热速率对相转变完成时间无明显影响，但对等温相变动力学影响显 著，表现为：低速加热时，t , o 相的均匀形核析出，为t j , 相形核提供了有利位置， 从而导致初始阶段相转变速率较快，且析出的伍相为纳米尺度，呈细小针状或 颗粒状；当加热速率较快时，a 相直接形核长大。 研究和分析了t i b 1 9 合金从b 相区以不同冷却速率连续冷却过程中的组织 演变规律和相变动力学，结果表明，a 相优先在p 晶界处形核并呈针状向d 晶内 生长，随冷却速率降低，6 晶界0 l 相长大，晶内a 相开始形核，生成a 相的数量增 加。采用s c h e i l 叠加性原理和j m a 方程，得到了连续冷却过程中相转变量与温 度( 时间) 及冷却速率的相变动力学方程为 俐小e 十( 1 d 一赢川 其中，当冷却速率小于o 0 8 c s 时，m = 1 3 ，当冷却速率大于0 0 8 ( 2 s 对， m = 一1 3 2 5 8 1 + 0 0 0 7 0 7 c 。由此得出低速连续冷却过程中的a 相转变动力学, t 曲线与试验结果基本吻合，并进而建立了t i - b 1 9 会金的c c t 图，结合试验观 察，得到该合金a 相析出的临界冷却速率为0 3 c s 。 关键词：亚稳p 钛合金，固态相变，相变动力学，组织 a b s t r a c t - i i _ t i - b 1 9a l l o yi sak i n do f m c t a s t a b l epf i t a 叮i u ma l l o yw h i c hh a sb e e nd e v e l o p e db yc h i n a f o rac e r t a i nk e yp r o j e c ti n d e p e n d e n t l y , a n di t 锄b e 鼬唰蚜m e nt h r o u g hh e a tt r e a l m e n tt og e ta g o o dm a t c ho fs u e n g 吐l ，p l a s t i d t ya r mt o u g h n e s s n 蛤m i e r o 蝴e v o l u t i o n so fa l l o y 撕 m a i n l yd e p e n d e do nt i l ep h a s et r a n s f o r m a t i o nd u r i n gt h e h e a tm m m l c n tp r o c e s s i n gw i t hac e r t a i n h o td e f o r m a t i o np r o c e s s i n g , a n dm c e n w h i l e , i ti n f l u e n c e sl l l ca l l o ym e c h a n i c a lp r o p 幽 蚰嘞，i t i sv e r yi m p o r t a n ta n dv a l u a b l et os m d yt h ep h a s eu m 】s f o r m a t i o np e r f o r m m c eo f t i - b 1 9 n o t o n l y i n t h e o r y b u t a l s o i n e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s o nt h eb a s eo fa i 】a l y 五i 唱t h ef a c t o r sw h i c hi n f l m m et h ep h a s el r a n s f o r m a l i o n p e r f o r t r m c eo f t i t a n i u ma l l o y s ，t h e 燃w a n s f o r m a f i o nl d n e d c sa n d m e c h a n i s m so f t i - b 1 9 a l l o yd u r i n gt h el s o t h e n l l a lt l e a m l e ma n de o n l j n u o t l sc o o l i n gc o m l i f i o n sh a v eb e e ns t u d i e di n t h ep r e s e n tw o r kb yt h em e t h o d so fi n - s i t ue l e c t r i cr e s i s t i v i t ym e a b x l t e m e n 招a n ds y n c h r o t r o n x - m y d i f f r a c t i o nt c c l m o l o g ye t c s y s t e m a t i c a l l y t h en u c l e a t i o na n dg r o w t hm e c h a n i s mo f n e w f o r m e d p h a s e a sw e l la st h em i e r o s m a e t m ee v o l u t i o n sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d , a n dt h et t ta n d c c td i a g r a mo ft h et i - b 1 9a l l o yh a v ea l s ob e e ne s t a b l i s h e d t h eg h n a r yc o v e r a g eo ft h i s r e s e a x c h w o r k s m a i n l y i n v o l v e s t h e f o l l o w i n g i t e m s ： t h ei s o t h e r m a lp h a s el r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c sm a dm e c b a m m a so fm _ b 1 9a l l o yd u r i n g i s o t h e r m a lt r e a t e da t3 0 0 t o7 0 0 h a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m i c a l l y , a n dt h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h e r ei so n l ym p h a s ei r a r k s f o r m a f i o no c c 憾a t 3 0 0 c m a dam i x e dp h a s em m s f o r m a f i o n p r o c e s so f a n dap h a s e 咖b eo b s e r v e dd m i n gt r e a t e da t3 5 0 。v c h a qt i 砖i s o t h e r m a l n e 咖l 崩1 tt e m p e r a a 雠i sa b o v e4 0 0 。c t h e mm - eo n l yap h a s et r & n s f o r n m f i o no c c u r s t i m h i g h e s ti s o t h e r m a lw a n s f o m m t i o nr a t ea p p e a r sa tr a i s eo f5 0 0 。ct o5 5 0 c ，w h e r et h ep h a s e l r a n s f o m m l i o nd r i v i n gf o r c ea n dt h es o l u t ec l e m e n td i f f u s i o nr a t ea c h i e v e st h eo p t i m u m m a t c 她1 h ej m a “珊舡e q u a t i o no fi s o t h e r m a lp h a s ei r a n s f o r m a f i o ni nt i - b 1 9a l l o y b e t w i x t l3 0 0 a n d7 0 0 h a sb e e no b t a i n e db a s eo nt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t s n 蝣v a l u e so f a v r a m ie x p o n e n tn t e m p e r a t t n ec o n s t a n tka n dl l l ep h a s et r a n s f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g ye o ft i - b 1 9a l l o yh a v ea l s ob e e ng o tb a s e do i lt h ea b o v e 趣谢咖t h ei s o t h e r m a lp h a s e t r a n s f o r m a t i o nk i n 甜c sb e t w e e n5 0 0 ca n d5 5 0 ch a sb e e np r e d i c t e dd e p e n d e do nt h e c a l c u l a t e dj m a e q u a t i o na n dt h er e s u l tq u i e ta g r e ew i t ht h e 麟p c r i m c n t a io n e 1 1 m d i ；l 蚪no f 啊一b 1 9h a sb e e ne s t a b l i s h e d r d i i 】gt h e 麟p e r i n l 印试a n d l c u i 劬e dr e s u l t s , a n d i a b s i k c l t h e n o t e m p e r a t u r e ”i sd e t e r m i n e dt ob ea b o u t5 2 0 c n 硷m i c m s m l c t t n - ee v o l u t i o n s 幽w e l la st h en u c l e a t i o na r i dg r o w i l im e c h a n i s mo f f o r m e dp h a s ei nt m l 9 a l l o yd u r i n gt h ei s o t h e r m a ll r e a l r r l e n tp 1 1 0 。e s s i i l gh a v eb e e nr e s e a r c h e d s y s t e m a t i c a l l y , a n dt h er e s u l t sr e v e a l st h e ( o 唧h a s en u c l e a t e sh o m o g e n e o u s l ya n d d i s t r i b u t e su n i f o r m l yi nt h e1 3g r a i 璐w h e nt h ea l l o yw e r ei s o t h e r m a la g i n gt r e a t e da t3 0 0 a n d3 5 0 c ，a n dt h ed e c o m p o s i n go r d e ro fm e t a s t a b l e1 3p h a s ei s9 _ + 0 - + 0 + 氆_ c 件8 h o w e v e r ，w h e nt h ea 西l 唱i r e a l m e n tt e m p e r a t l 聪i sa b o v e4 0 0 c ，t h em i e r o s t r u e t u r eo f r e s e a r c h e da l l o yi sc o n s t i t u t e db yt h es t a b l eaa n di ；p h a s ea t ha g i n gt r e a t e da tt h i s 娜 r a n g e ，a n d t h e d e c o m p o s i n gr o u l e o f m e t a s t a b l e l 3 p h a s e i s 户堋堆w i t h l h e i n e r 啦i n g o f t h e 啦t e m p e r a t u r ea tt h i sm g e ，t h ep r i o r i t yn u c l e a t i o ns i t eo fo r - p h a s es h i l bf r o mt h e i n l r a g r a n u l a rt ot h e1 3g r a i nb o u n d a l y 掣- , k i u a n y , a n dt h es i z eo f c cp h a s ei i l c 嘲s e sa c c o r d i n g l y , a n d t l a e h i g h e s t v o l u m e f r a c t i o n ( 5 7 7 ) o f p r e e i p i t a t e dc t p h a s e i s r e a c h e d a t t e r a g i n g t r e a t e d a t 5 0 0 ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef o r m e d0 lp h a s ev o l t w a ef l 撇 l j o l l sa n dt h ea g 吨 t r e a m a e n tt e m p e r a t u r ei sc a nb ee x p r e s s e da st h ef o l l o w i n ge q u a t i o n ： 。 l a l = - 1 1 7 0 6 + o 7 1 3 t 一7 2 8 5 7 x 1 0 1 t 2 。 1 1 v m f i a t i o n so f c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f 0 缸l dbp h a s ew i n lt h el l l 捌i m e n tt e m p e r a t u r e i nt i - b 1 9a l l o ya tp h a s ee q u i f i b r i u mc o n d i t i o n sh a sb e e nc a l c u l a t e du 血1 9t h et h e r m o l e 。 s o r w l t r e , t h er e s u l t ss h l y 0 v st h a tt h ep h a s e 位m 娟漩m 撕。璐i nt o b l 9a l l o y 躺c 0 玎扛o l l e db yt h e d i f f u s i o no f t h ea l l o y i n ge l e m e n t s , a n de s p yb yt h ee l e m e n t so f m o , v ，c re t c ，m l dl l 硷 甜p l a 辩c 眦b ed e s c r i b e d 私as t o i c h i o m e t r i ec o m m u n a l , a n d m i l l et h epp h a s ei sr i c h e n e dv v i n l t h ee l e m e n t s t l 硷p h a s et r a n s f o r m a t i o nt e m 钟栩嘶o ft h es t u d i e da l l o yi sd e t e r m i n e d 幻b e a b o u t7 6 0 删i l gt ot h e l a l l 删r e s u l t s a n di ti si nc o m p l e t ea c c o r d a n c e 晰l l lt h e 懿p e 血删r e s u l t sw h i c hi sm 翰s 吲b ym e t a l l 镏m p h i ca n dd i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s 1 1 1 cg r o w t hv e k 时( o fo l - p h a s ea td i f f e r e n ta g i n gt r e a m l e n tt e m p e r a t u r e sb e t w e e n4 0 0a n d 7 0 0 ch a sb e e nc a l c u l a t e d 璐i l 增z e n e r se q u 出i o nw i t ht h ec a l e d a t e 【ld 越a ，叫1t h er e l a t i o n s h i p b 0 2 w c c nt h eap h a s eg r o w t hv e l o c i t ya n dt h ea 画，g 雠矧m e n tt e 】 n i x 掰n c a nb c 舒p 删 w i t h t h ee q u a t i o n o fv = 3 7 9 9 x 1 0 - “t “9 2 i n t t u e n c eo f h e a t i n gr a t eo nt l l ep h a s e 缸雹塔白n n 毗i m 垴n 酬i c sa n dt 1 1 el i l i a 碰出u c t i 聆 e v o l m i o mo ft i - b 1 9a l l o yd t i n gt h ei s o t h e r m a l 缸舄| t f n e i i 【e 灯n d i t i o mh a v ea l s ob e e ns t u d i e d s y s t e m i c a l l ya n d i ti si n d i c a t e d 恤h 蒯l 玛r a t e sh a v el i t t l ee f f e c to nt h e 劬el h 舡i sn e e d e dt 0 f i n i s h l ep h a s e 缸：a n s f o r m e a i o nd u r i n ga g i n g , b m i th a se f f e c t so nt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o n k i l l e i i 龉o b v i o u s l y , t h es p e c i f i c 蹦p s s i i s ：t l wh o m o g e n e o u sp r e c i p i t a t i o no f p h a s ed u r i n g h e a t i n gp e r j o da tal o w e rh e a t i n gr a t ep r o v i d e sf a v o r a b l en u c l e a t i o ns i t e sf o r 旺p h , a s e p r i p i t a t i o n , a n di n d u c et oah i 班v e l o e i t yo fp h a s ei r a n s f o r m a f i o na tt h ej 1 1 i 阔s t a g eo f i s o t h e r m a lk i n e t i c sa 正v 皂a n dt h e1 , r e e l p i t a t e da p h a s ei si na e i e u l a ro rs p h e r i c a ls h a lew i t h n 觚o m e t e rs i z e t h ep h a s en u c l e a t e sa n dg r o w sf r o mt h em e t a s t a b l edp h a s ed i r e c t l yw h e n l a e a t i n gr a t ei sh i g h e r t h em i c a - o s t r u e t 脯e v o l u t i o n sa n dp h a s et r a m f o m l a f i o nk i l 倒c so f t i - b 1 9a l l o yc h 正_ n g c o n l i n u o u s c o o l i n g a t d i f f e t 伽c o o l i n g r a t e s h a v e b e e n r e s e a r c h e d a r i d a n a l y z e d , a n d t h e r e s u l t s t - v e a lt h a tn e e d l el i k e da p h a s e n u c l e a t e so nt h e1 3g r a i nb o u n d a r i e s 越t dg r o w si n t ot h ep 随 枷w i t ht h ec o o l i n gr a t ed o a _ e 鼬et h eg r a i nb o u n d a r yap h a s eg r o w i n gu pa n d1 h e i n l r a g 啪u l a ro 【p h a s eb 唱龇t on u c l e a t e ，m e a n w h i l et h ev o l u m e 盘a c t r o no ff o r m e d 旺p h a s e i n c r e a s e sa c e o r d i n e ；l y t h er e l a t i o n s h i po ft h ep h a s ei r a n s f o m l a f i o nd e g r e e ，t e ：m p c 翰n ea n d c o o l i n gr a t ed u r i n gt h ec o n l i n l 1 i o u sc o o l i n gp r o c e s sh a sb e e nf o u n db yu s i n gt h es c h e i l sl a w a n d j m a e q u a t i o n , a n d i t e 锄a b e d e s c r i b e d a s l h e f o l l o w i n g e q u a t i o n ： f ( t ) = t - e x p - ( f e x - 丽川 w t 婿e ，mi se q u a lt o1 3w h e nt h ec 0 0 l i n gr a t ei sl e s s 重h a n0 0 8 c s ，a 1 1 di f t l 尬c o o “d gr a t ei s a b o v e0 0 8 c ，s ，m = 一1 3 2 5 8 1 + 0 0 0 7 0 7 c ，t i ti sv e r yw e l l 衄吐碡c a l c u l a t e dr e s u l t s u s i l 唱t i l i s 钱i i l 商i s 鲫a 掣谢l l l n ”a 【pe r ：h 删彻ea t t l l _ e c o m 邶町嘴c o o l i l l g c o n _ t t i t i o n 趣l dt h ec c t d i 孵锄o f t i - b 1 9a l l o yi se s t a b l i s h e d 粼t i n g l y ，a n dt h cc r i i i c a lc 0 0 1 i 1 1 9 协eo f t h e p h a s e p r e c i p i t a n td u r i n gc 0 0 i i i l g i n l l l ea u o y i sd c t e 戚n e d t ob e0 3 s 胁蛐 糖l a l y 五n g 锄d n l ce x l 瑚- i m e n t o b s e s s i o n k e y w o r d s ：m e t a s t a b l edf i t a n i na l l o y , s o l i dp h a s e 协m 对0 i m 抵p h a s e 位m s f b f m 面s k i n e t i c , m i c r o v 西北工业大学工学博士学位论文 本文主要创新与贡献 在国内首次采用原位电阻法系统研究了亚稳p 钛合金t i b 1 9 等温相变的动 力学机制，获得了相应的j m a 等温动力学方程，并在此基础上，通过试 验和计算方法建立了t i - b 1 9 合金等温相变的r r r 图，具有一定的应用价 值。 在国内首次采用同步x 射线衍射技术与组织观察相结合的方法系统研究 了t i - b 1 9 合金等温时效相转变过程中的组织演变规律及相形核与长大机 理，测得了相关实验条件下生成相的体积分数及晶格参数，建立了e 1 相体 积分数与等温温度的关系方程。 采用t h e r m o c a l e 啻软件计算了t i b 1 9 合金等温时效后相平衡态时0 【相和b 相 的平衡化学成分，并采用z c n e r ? _ 长大方程计算了硼长大的动力学，建立 了a 相长大速率与等温温度的关系方程。 4 系统研究了t i - b 1 9 自d 相区连续冷却过程的非等温相变动力学机制，并利 用s c h e i l 叠加性原理和j m a 方程建立了相应的动力学方程。进而通过计 算获得了t i b 1 9 合金连续冷却相交的c c t 图。 v i 第1 章绪论 1 1 钛合金概述 第1 章绪论 钛，位于元素周期表中的第族，原子序数为2 2 ，原子量为4 7 9 。钛合金 具有密度低、强度高、耐腐蚀、高温性能好等优点，在航空、航天、舰船、石 化等领域得到了越来越广泛的应用，已成为一种重要的结构材料和功能材料 ”“l 。一般来讲，根据亚稳状态下合金中所含的相组织，可以将钛合金分为a 、 1 3 、和a + b 等三大类。随着钛合金的发展，根据钛合金的平衡相图，如图1 1 所示，人们对这三类钛合金又进行了细分，从而形成a 、近a 、a + p 、近1 3 ( 或 亚稳p ) 以及p 等5 类1 2 弘4 1 图l 一1 钛合金的分类及其与b 稳定元素之间的关系示意图 f i g 1 1t h e c h e m i c a l d i a g r a m o f d i f f e r e n t t y p e0 f 啊a l l o y s a n d t h er e l a t i o n s h i p w i t h t h e b e t as t a b l ee l e m e n t s 根据其对合金相的作用，钛合金中的合金元素也常常被分为三种类型，即 a 稳定元素、p 稳定元素以及中性元素。a 稳定元素的加入，可以稳定0 相，提高 西北工业大学工学博士学位论文 合金的“p 转变温度；而p 稳定元素的加入，则可以稳定p 相，降低合金的耐p 转 变温度b 。5 “。表1 1 给出了钛合金中合金元素的作用及其类型。 表1 - 1 合金元素的分类及其在钛合金中的作用f 4 】 t a b l e l 一1c l a s s i f ya n de f f e c to f e l e m e n t si nt i t a n i u ma l l o y 合金元素类型平衡相图间隙元素主元素 i o r 稳定元素i 厉 o , n , 1 3 ，c a l 共析 除 m o , 、n b ，t a 元素 b 稳定元素 m i l ，f e ，c r c o , 共晶 降 h w ：n l c u , a u , 元素 a g ，s i 队一 中性元勇争、 l 二 s n , z r 为了较为方便地比较各种钛合金在化学成分、相组成及性能之间的差异， 人们经常用合金的铝当量【舢】e q 和铝当量 m o 】e q 来表征合金相的稳定性和热处 理强化的能力i 卜4 ，6 i ，【a j l e q 和【m o 】e q 的计算通常采用以下公式来进行计算 【4 ，】。= a i + 1 3 s n + l 6 z r + 1 0 0 2 【m o 自= 胁+ 1 1 5 v + 1 o 6 c r + i 0 3 5 乃+ 班3 c u + 1 1 3 6 n b 到目前为止，商业化钛合金、半商业化钛合金以及一些新型的钛合金已有 数十种之多13 5 6 1 引。对于不同类型的钛合金而言，由于其具有各自不同的性能 而在各方面取得了应用。对于a 及近0 型合金来讲，它们只含有i f , 稳定元素或非 常少量的b 稳定元素，在室温下只含有仪相或少量的p 相( 一般不超过1 5 ) ，因 此进行热处理强化的效果不明显。这类合金一般具有适中的强度，良好的可焊 性。较高的蠕变强度和高的热稳定性( b l ，可以作为高温钛合金使用，如i m l 8 3 4 2 第1 章绪论 合金1 3 j 。另外，该类合金由于不会发生塑脆转变，使其具有良好的低温性能， 可以在极低温度下使用，如t i - 5 a i - 2 5 s n 合金1 6 j 。a + b 两相钛合金在室温下由a 相和b 楣组成，硼含量一般大于5 0 ，具有良好豹综合性能，可通过热处理对 性能进行调节，热加工性能较好，室温强度高，是一种性能优良的结构材料， 其典型代表为t i 6 a 1 4 v 合金【6 1 5 啪l ，是目前使用最为广泛的一种结构钛合金。 亚稳p 钛合金及稳定p 钛合金中，含有较多的p 稳定元素或全部为p 稳定元素。对 于亚稳d 钛合金，其所含的b 稳定元素的量使马氏体开始转变温度降低到室温以 下，在不太高的冷却速度下，就可以将高温p 相保留至室温而成为亚稳p 相。这 类合金具有非常良好的冷加工性能，同时，通过固溶时效处理，使a 相从亚稳b 相中析出后，可以大幅度地提高合金的室温强度，同时获得良好的断裂韧性， 因此具有很好的热处理强化效果，可以作为高强结构件使用，如t i 1 0 2 3 合金f 1 0 1 2 ，1 3 2 7 2 9 1 。 1 2 钛合金中的相变 1 2 1 钛合金中的主要相变 钛合金固态相变的特点是具有多样性和复杂性，金属中所发生的各类相交， 在钛合金中都可能出现1 3 0 - 3 4 1 。作为控制和影响组织、性能的重要环节。钛合金 在热处理过程中所发生的固态相变一直是材料科学工作者研究的热点之_ _ 1 2 9 3 4 , 3 椰。钛合金中最基本的相变是o r 相和p 相之间的相互转变，即o f 付。相和p 相的晶体结构如图1 2 所示。其中，o 【孝日为密排六方结构( h c p ) ，每个晶胞有两 个原子，每个原子周围有1 2 个的近邻原子，晶格常数a = b - - 2 9 5 a ，c = 4 6 8 a ， c a = 1 5 8 7 a ，较理想晶体的c a 略小。b 相为体心立方结构( b c c ) ，每个晶胞也 有两个原子，每个原子周围有8 个近邻原予，晶格常数a = l f c - = - 3 2 0 6 a 。 钛合金中的固态相变有很多类型，主要包括同素异构转变、共析分解转变 和有序化转变。日本的村上对钛合金中的相关相变进行了较为完整的总裂3 4 1 ， 概括了钛合金中的主要相变，如表1 2 所示( 考虑到亚稳d 相和残余p 相有所不 同，本文作者对其有所改动) 。 3 西北工业大学工学博士学位论文 ( & ) 嘲的晶体结构( h c p ) ( b ) b 相的晶体结构( b ) 图1 - 2c x - t i 和8 用晶体结构示意图 f i g 1 - 2c r y s t a ls t r u c t u r eo f c z - t i ( a ) a n d b - t i ( b ) 表1 - 2 钛合金中的主要相转变 t a b l e1 - 2 t h em a i n l yp h a s et r a n s f o r m a t i o ni nt i t a n i u ma l l o y s 相变名称 转变过程 1 ) 寸口+ 玩 淬火过程中b 相的分 l 2 ) 马氏体转变： + 盯 解 3 ) 无热相：斗f , o 无热+ 翰 1 ) 风稳寸口+ 如，岛专口+ 氏( 含魏氏体a 等) 2 ) 够+ 口) 口( 口：，口刍) ，p ，p 富，b 贫，l a ，2 a 等温转变中b 相的分 3 ) 等相：一脚荨量+ 氏 2解( 包括亚稳d 楣和残 余p 相)4 ) 相分离：如如+ 氏 5 ) 化合物析出：& 寸有序口2 + 芦 6 ) 等温马氏体相析出 3通过中阃相形成口相 氏耘戚残_ 国j 口+ 段，魄话或觋_ 斗口+ 氏 4马氏体相分解 1 ) 伍7 ( 麸晶p ) _ 口+ 氏，a ( 共析p ) 哼口+ 化合物 4 第1 章绪论 2 ) 扩( m 妒室温) 斗口+ 瓜，扩( m s 室温) 哼瓜 1 ) 活性共析体：珠光体组织 5共析分解 2 ) 非活性共析体：块状组织 6a 固溶体脱溶 析出化合物：析出有序毗相 7界面相 冷却速度较慢时形成，b 界面相 1 2 2 马氏体相及其转变 马氏体相变是一种无扩散型相变，是晶体通过切变方式由一种结构转变为 另外一种结构，是由界面迁移控制的固态相变。钛合金中的马氏体相变是钛合 金固态相变的重要部分之一。由于马氏体相变引起的结构和组织形态的多样性， 对于钛合金的加工性能和使用性能具有很重要的影响，已成为国内外的研究者 重要课题【2 ，5 ，6 。3 0 3 4 , 3 6 - 4 8 1 。 钛合金中的马氏体相按其形成过程可以分为淬火马氏体、等温马氏体及应 力诱发马氏体等三种类型弘4 引。淬火马氏体相是合金冷却过程中，当冷却速 率达到足够高时所形成的。等温马氏体则是马氏体开始转变温度( m s ) - 较低的 合金，当在该温度等温处理时所形成的马氏体。应力诱发马氏体，则是在应力 ( 包括内应力和外加应力) 的作用下形成的。淬火时形成的马氏体有时也是由 于内应力作用的结果。 按照晶体结构分，钛合金中的马氏体一般分为四种类型，分别为 3 3 4 型六 方马氏体、 3 4 4 型六方马氏体、斜方马氏体和面心立方马氏体渊。而在工业钛 合金中，最常见的是六方马氏体( 相) 和斜方马氏体( o r , t 相) ，a 马氏体相为 密排六方结构，呈片状，其内部没有孪晶，多出现在含合金元素较少的钛合金 中，其惯习面接近于 3 3 4 。，与基体p 相之间保持柏格斯位向关系： r1 ( 1 1 1 l ( 1 1 0 k ，1 1 1 2 0 i 1 1 1 1 , 。而”马氏体相则为斜方结构，呈针状，内部 lj m 可能存在孪晶，一般出现在含合金元素较多的钛合金中，其与基体p 相之间保持 如下的位向关系：( 1 1 1 ) u 0 1 0 k ，0 1 0 1 , , 1 1 1 , 。由于马氏体相是亚稳定相， 5 西北工业大学工学博士学位论文 因此在随后的热处理过程中可分解而形成稳定的a 相。相一般可直接分解为稳 定的a 相，而a ”相分解相对较为复杂，一般要经历q 相的中间过渡阶段。 马氏体的形成条件与合金的化学成分( 所含元素的种类和量) 和热处理条 件，特别是与高温冷却时的冷却速率都有密切关系。a v d o b r o m y s l o v 等h o 谰 1 5 0 多种不同含量的v 、c r 、m n 、f e 、c o 、n i 、c u 、n b 、m o 、r u 、r h 、p d 、 t a 、w 、r e 、o s 、i r 、p t 等二元钛合金，详细研究了元素在周期表中的位置对 马氏体开始转变点( m s ) 的影响。结果表明，为了使淬火时高温亚稳相能够保 留至室温，上述合金元素有一个最低加入量，对于添加体心立方结构合金元素 的二元钛合金，m s 点将随添加元素在周期表中族数的升高而得到强烈地提高， 但当添加的合金元素为面心立方结构时，情况则相反，m s 点随添加元素在周期 表中族数的降低而提高。j i q a z i 等人对t i 3 5 n b - 7 z r - 5 t a 的研究表明1 4 “，相 的形成与合金成分和淬火速度密切相关，在水淬条件下，合金中可以形成a ”相， 但空冷时则不能形成。同时彬相的数量随n b + t a 含量的增加而降低，当添加 4 1 4 6 的z r 时可以完全抑制0 【”相的形成，而增加间隙元素的含量又可以抵 消添加z r 的这种作用，同时对含氢n 6 a l - 4 v 合金中马氏体分解动力学的研究 结果表明1 4 l l ，氢元素的加入可以降低合金的