2025年钛合金测试试题及答案

2025年钛合金测试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.以下钛合金中，属于α+β型钛合金的是（）A.TA2（工业纯钛）B.TC4（Ti-6Al-4V）C.TB5（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）D.TA7（Ti-5Al-2.5Sn）2.钛合金的β转变温度是指（）A.α相完全转变为β相的温度B.β相开始析出α相的温度C.合金由密排六方结构转变为体心立方结构的温度D.热加工过程中发生动态再结晶的临界温度3.钛合金的主要强化机制不包括（）A.固溶强化B.析出强化（β相分解析出α相）C.细晶强化D.弥散强化（第二相颗粒阻碍位错运动）4.钛合金在海水环境中耐蚀性优异的主要原因是（）A.表面形成稳定的TiO₂钝化膜B.合金中含有高含量的Cr、Mo等耐蚀元素C.密度低，减少电偶腐蚀倾向D.弹性模量低，应力腐蚀敏感性低5.钛合金热加工时易出现的问题不包括（）A.与工具模具发生黏着磨损（因化学活性高）B.导热性差导致局部温度过高（室温导热系数约15W/(m·K)，仅为钢的1/5）C.变形抗力随应变速率增加显著升高（应变速率敏感指数m≈0.1-0.2）D.高温下氧化增重速率低于不锈钢（800℃时氧化速率约0.05g/(m²·h)）6.航空发动机压气机叶片常用的钛合金是（）A.高温钛合金（如Ti-6242S，使用温度500-600℃）B.高强β钛合金（如Ti-10V-2Fe-3Al，抗拉强度≥1200MPa）C.近α钛合金（如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，中温强度优异）D.工业纯钛（TA1，塑性好但强度低）7.钛合金熔炼最常用的方法是（）A.真空感应熔炼（VIM）B.真空自耗电弧熔炼（VAR）C.电子束熔炼（EBM）D.等离子弧熔炼（PAM）8.钛合金表面微弧氧化处理的主要目的是（）A.提高表面硬度（膜层硬度HV800-1500）B.改善导电性（膜层电阻率降低）C.增加表面粗糙度（Ra5-10μm）D.促进涂层结合（替代阳极氧化）9.钛合金疲劳失效的典型断口特征是（）A.沿晶断裂（晶界存在脆性相）B.解理断裂（穿晶断裂，解理台阶）C.韧性断裂（韧窝形貌）D.疲劳条带（平行于裂纹扩展方向的条纹）10.钛合金与铝合金焊接时的主要问题是（）A.线膨胀系数差异大（钛：8.6×10⁻⁶/℃，铝：23.6×10⁻⁶/℃），导致残余应力B.钛的熔点（1668℃）远高于铝（660℃），熔池难以稳定C.易形成TiAl、TiAl₃等脆性金属间化合物D.钛的化学活性高，焊接时易吸氢导致氢脆11.以下钛合金中，可通过固溶+时效处理显著强化的是（）A.工业纯钛（TA1）B.α钛合金（TA7）C.α+β钛合金（TC4）D.亚稳β钛合金（TB8）12.钛合金超塑性成型的最佳温度范围是（）A.室温-400℃（塑性低）B.500-700℃（α相区，应变速率敏感）C.850-950℃（β转变温度附近，应变速率10⁻⁴-10⁻²s⁻¹）D.1000-1200℃（β相区，易氧化）13.钛合金氢脆的临界氢含量通常为（）A.<50ppm（安全范围）B.50-150ppm（敏感阈值）C.150-200ppm（显著脆化）D.>300ppm（完全失效）14.钛合金电子束焊的真空度要求一般为（）A.10⁰Pa（低真空）B.10⁻¹-10⁻²Pa（中真空）C.10⁻³-10⁻⁴Pa（高真空）D.10⁻⁵Pa（超高真空）15.钛合金在500℃长期使用时，主要失效机制是（）A.疲劳断裂（循环载荷）B.高温氧化（TiO₂膜生长速率加快）C.蠕变变形（位错攀移主导）D.氢脆（环境氢渗透）二、填空题（每空1分，共20分）1.钛的密度约为______g/cm³（钢的60%），弹性模量约为______GPa（钢的55%）。2.TC4钛合金的名义成分是______（质量分数），属于______型钛合金。3.钛合金的β相为______晶体结构（填“密排六方”或“体心立方”），稳定β相的元素包括______（至少列举2种）。4.钛合金热加工时，β相区变形的优点是______（至少2点）。5.钛合金氢脆的本质是______（填“氢原子聚集导致晶格畸变”或“氢化物沿晶界析出”）。6.钛合金微弧氧化膜的典型结构分为______层（内层）和______层（外层）。7.高温钛合金（如Ti-6242S）的使用温度上限约为______℃，其强化机制主要依赖______（填“α相固溶强化”或“β相分解析出α₂相”）。8.钛合金激光增材制造（SLM）的典型组织特征是______（填“等轴晶”或“柱状晶”），主要因______（填“冷却速率快”或“热输入集中”）。9.钛合金与钢焊接时，需采用______（填“直接熔焊”或“中间层扩散焊”）以避免______（填“金属间化合物”或“气孔”）形成。10.钛合金的超塑性成型需满足三个条件：______、______、______（任填3点）。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述α+β型钛合金（如TC4）的强韧化机制。2.解释钛合金热加工时为何通常选择在β转变温度以下（α+β两相区）进行变形。3.分析氢在钛合金中的危害及控制措施。4.说明钛合金微弧氧化膜的结构与性能特点。5.对比激光增材制造与传统锻造钛合金的组织差异及其对性能的影响。四、计算题（每题10分，共40分）1.已知某α+β钛合金成分为Ti-5Al-3V-2Mo-1Zr（质量分数），计算其铝当量（Al_eq）和钒当量（V_eq）。（公式：Al_eq=Al%+1/3Sn%+1/6Zr%；V_eq=V%+1/2Mo%+1/3Nb%+1/4Ta%）2.对某TC4钛合金试样进行拉伸试验，试样标距50mm，直径10mm，屈服载荷为25kN，断裂载荷为32kN，断裂时标距伸长至62mm。计算其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率。3.某钛合金零件在20℃时长度为200mm，工作温度升至400℃，已知其热膨胀系数α=8.6×10⁻⁶/℃，计算温度变化引起的长度变化量。4.某钛合金疲劳试验数据如下：应力幅σa（MPa）分别为500、450、400、350，对应的循环次数N（次）为1×10⁶、2×10⁶、5×10⁶、1×10⁷。绘制S-N曲线（σa-N），并确定其疲劳极限（通常取N=1×10⁷对应的应力幅）。五、综合分析题（每题15分，共30分）1.某航空发动机压气机叶片（材料为TC4）在服役3000小时后出现叶尖断裂，断口分析显示有疲劳条带和氧化产物。试分析可能的失效原因及预防措施。2.设计一种用于航天承力结构的钛合金焊接工艺方案（需明确材料类型、焊接方法、关键参数及焊后处理）。参考答案一、单项选择题1.B2.C3.D4.A5.D6.A7.B8.A9.D10.C11.D12.C13.C14.C15.B二、填空题1.4.5；1102.Ti-6Al-4V；α+β3.体心立方；V、Nb（或Mo、Ta）4.塑性好、变形抗力低、动态再结晶易发生（任填2点）5.氢化物沿晶界析出6.致密；多孔7.600；β相分解析出α₂相8.柱状晶；冷却速率快9.中间层扩散焊；金属间化合物10.细晶组织（晶粒<10μm）、特定温度（0.5-0.7Tm）、低应变速率（10⁻⁴-10⁻²s⁻¹）（任填3点）三、简答题1.α+β型钛合金的强韧化机制包括：①固溶强化：Al、V等元素溶入α或β基体，阻碍位错运动；②析出强化：β相在时效过程中分解为细小α相（αs），形成弥散强化；③组织控制：通过热加工和热处理调整α相（片状或等轴）与β相比例及分布，优化强韧性匹配（如等轴α相提高塑性，片状α相提高强度）。2.选择β转变温度以下（α+β两相区）变形的原因：①保留部分α相（硬脆相），提高强度；②α相作为第二相阻碍β相晶粒长大，细化组织（细晶强化）；③两相区变形时，α相和β相协调变形，避免单一β相区变形导致的塑性过剩但强度不足问题；④降低β相区变形的氧化风险（β相区温度更高，氧化更严重）。3.氢的危害：①氢脆：氢原子扩散至晶界，与钛形成TiH₂脆性相，沿晶断裂；②塑性下降：氢化物降低材料延性；③疲劳性能恶化：氢促进裂纹萌生与扩展。控制措施：①熔炼时严格控制原料氢含量（<50ppm）；②热处理脱氢（真空退火，600-700℃保温2-4小时）；③表面防护（如微弧氧化膜阻挡氢渗透）；④避免潮湿环境加工（如焊接时使用干燥保护气体）。4.微弧氧化膜结构：内层为致密的TiO₂+Al₂O₃（若含Al）混合层（厚度5-10μm），与基体结合紧密；外层为多孔层（厚度20-50μm），含微裂纹和气孔。性能特点：①高硬度（HV800-1500），耐磨性能优于阳极氧化膜；②优异耐蚀性（致密层阻挡腐蚀介质）；③绝缘性好（电阻率>10¹⁰Ω·cm）；④与有机涂层结合力强（多孔层提供机械锁合）。5.组织差异：激光增材制造（SLM）钛合金为快速冷却（10⁶-10⁸℃/s）形成的柱状β晶粒（沿热流方向生长），内部可能存在未熔合孔、微裂纹；传统锻造钛合金为等轴α+β组织（通过多向锻造破碎铸态组织），晶粒细小均匀。性能影响：SLM钛合金强度高（细晶+位错密度高）但塑性较低（柱状晶各向异性），疲劳性能受内部缺陷影响；锻造钛合金强韧性匹配更优（等轴组织减少应力集中），疲劳性能稳定。四、计算题1.Al_eq=5%+(1/6)×1%≈5.17%；V_eq=3%+(1/2)×2%=4%（注：Zr不计入V_eq，Mo按1/2计算）。2.屈服强度σs=25×10³N/[π×(5mm)²]≈318MPa；抗拉强度σb=32×10³N/[π×(5mm)²]≈407MPa；断后伸长率δ=(62-50)/50×100%=24%。3.ΔL=αL0ΔT=8.6×10⁻⁶×200mm×(400-20)=8.6×10⁻⁶×200×380≈0.65mm（伸长量）。4.S-N曲线：横轴为lgN（6-7），纵轴为σa（350-500MPa），数据点连接成下降曲线；疲劳极限为350MPa（N=1×10⁷时的应力幅）。五、综合分析题1.失效原因分析：①疲劳断裂：叶片受周期性气动力载荷，叶尖应力集中（如几何突变）导致裂纹萌生，疲劳条带为典型特征；②高温氧化：400-500℃服役环境中，TiO₂膜生长速率加快，氧化层脆化促进裂纹扩展；③组织缺陷：可能存在原始β晶粒粗大（锻造工艺不当）或α相分布不均（热处理不足），降低抗疲劳性能。预防措施：①优化叶尖设计（倒圆或修型减少应力集中）；②表面强化（喷丸处理引入压应力）；③严格控制锻造/热处理工艺（细化晶粒，均匀α+β组织）；④涂覆抗氧化涂层（如Al₂O₃或MCrAlY）。2.焊接工艺方案（以航天承力结构用TC4钛合金为例）：材料类型：TC4（α+β型，强度高、韧性好）；焊接方法：真空电子束焊（E