钛金属的主要物理性能.docx
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钛金属的主要物理性能
第2章
2．1钛的基本性质C1～8]
工业纯钛
钛的矿物在自然界中分布很广，处于分散状态，主要形成矿物钛铁矿Fe—
TiO3、金红石TiO2及钒钛铁矿等，约占地壳重的0．6％，在金属世界里排行
第7，含钛的矿物多达70多种，在海水中含量是1Ug／L，在海底结核中也含
有大量的钛。
钛的基本性质主要包括以下几个方面。
2．1．1物理性质
纯净的钛是银白色金属，具有银灰色光泽。
钛属难熔金属，原子序数为
22，。
相对原子质量为47．90，位于周期表ⅣB族。
钛有两种同素异构体，。
—Ti在882'C以下稳定，为密排六方晶格（hcp）
结构；p—Ti在882~C与熔点1678~C之间稳定存在，具有体心立方晶格（bbc）
结构。
在882~C发生。
一p转变。
。
—Ti的点阵常数（20'C）为a＝0．2950nm，
‘＝0．4683nm，‘／o/=1.587；p—Ti的点阵常数为o=0.3282nm（20℃）或o=
0.3306nm（900~C）。
钛的密度为4．51g／cm3，只相当于钢的57％，属轻金属。
钛的熔点较高，
导电性差，热导率和线膨胀系数均较低，钛的热导率只有铁的1／4，是铜的
1／7。
钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体
内不会受雷雨天气的影响。
当温度低于0.49K时，钛呈现超导电性，经合金
化后，超导温度可提高到9～10K，钛的基本物理性能数据列于表2—1。
┌───────────────┬────────┐
│名称│数值│
├───────────────┼────────┤
│相对原子质量│47．9│
├───────────────┼────────┤
│原子半径／nm│0．145│
├───────────────┼────────┤
│e—Ti-~-Ti相变潜热／（kJ／mo1）│3．47│
└───────────────┴────────┘
比密度
续表
2．1，2力学性能
室温下纯钛的晶体结构为密排六方结构，其点阵长短轴比c／aGl．633，
室温变形时主要以<1010}<1210>柱面滑移为主，并常诱发孪生[9]；钛同时
兼有钢（强度高）和铝（质地轻）的优点。
高纯钛具有良好的塑性，但杂质含
量超过一定时，变得硬而脆Ilo]。
工业纯钛在冷变形过程中，没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接
近，在冷变形加工过程中有产生裂纹的倾向，工业纯钛具有极高的冷加工硬化
效应，因此可利用冷加工变形工艺进行强化。
当变形度大于20％～30％时，
强度增加速度减慢，塑性几乎不降低。
；钛的屈服强度与抗拉强度接近，屈强比（do．2／db）较高，而且钛的弹性模
量小，约为铁的54％，成形加工时回弹量大，冷成形困难。
有时利用这一特
性，将钛合金作为弹性材料使用[11’12]，但是，高弹钛合金多属。
+p（或近a）
合金，具有六方晶系结构，其物理性能呈强的各向异性，如弹性模量绕c轴呈对
称分布，c轴方向弹性模量为14313GPa，底面各取向的弹性模量为10414GPa，
因此需要仔细考虑合金板材的各向异性、弹性模量以及合金织构与弹性各向异
性之间的关系，通过合金化与工艺的调整，有目的地控制织构与弹性各向异性
以满足设计和使用要求。
图2—1所示为钛单晶弹性模量取向分布[13]。
图2·1钛单晶弹性模量取向分布（单位：
GPa）
工业纯钛与高纯钛（99．9％）相比强度明显提高，而塑性显著降低，二者
的力学性能数据列于表2—2。
衰2-2纯钛的力学性能
┌─────────┬─────┬─────┬──────────┬─────┬──────┐
│性能│高纯钛│工业纯钛│性能│高纯钛│工业纯钛│
├─────────┼─────┼─────┼──────────┼─────┼──────┤
│抗拉强度o~／MPa│250│300~600│正弹性模量E／MPa│108X103│112X103│
├─────────┼─────┼─────┼──────────┼─────┼──────┤
│屈服强度fo．2／MPa│190│250~500│切变弹性模量G／MPa│40X103│41X103│
├─────────┼─────┼─────┼──────────┼─────┼──────┤
│伸长率a／％│40│20~30│泊松比f│0．34│0．32│
├─────────┼─────┼─────┼──────────┼─────┼──────┤
│断面收缩率％│60│45││││
││││冲击韧性oh／MJ·m—2│≥2．5│0．5—1．5│
├─────────┼─────┼─────┤│││
│体弹性模量K／MPa│126X109│104X103││││
└─────────┴─────┴─────┴──────────┴─────┴──────┘
钛的另一特点是在高温能保持比较高的比强度。
作为难熔金属，钛熔点
高，随着温度的升高，其强度逐渐下降，但是，其高的比强度可保持到550～
600℃。
同时，在低温下，钛仍具有良好的力学性能：
强度高，保持良好的塑
性和韧性。
曾经对工业纯钛在一196℃下进行拉伸和低周循环疲劳实验L1‘]，结
果表明，变形后的强度较之室温拉伸变形有了明显提高，同时塑性也有明显增
加。
但其循环变形具有明显的循环硬化特性并伴随有大量的孪晶生成，从而
显示出低温循环疲劳在微观结构演化上可能与室温的情况不同[1s]，室温循
环疲劳中位错的行为起了关键性的影响[“]。
表2—3列出了工业纯钛的低温
力学性能。
表2-3工业纯钛的低温力学性能
┌──────┬──────┬───────┬─────┬────┐
│温度／℃│fb／MPa│Oo．2／MPa│f／％│矽％│
├──────┼──────┼───────┼─────┼────┤
│20│520│400│24│59│
├──────┼──────┼───────┼─────┼────┤
│—196│990│750│44│68│
├──────┼──────┼───────┼─────┼────┤
│—253│1280│900│29│64│
├──────┼──────┼───────┼─────┼────┤
│—269│1210│870│35│58│
└──────┴──────┴───────┴─────┴────┘
2．1．3化学性能
工业上大量应用的工业纯钛纯度约为99．5％，钛在淡水和海水中有极高
的抗蚀性，在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都好。
钛与氧形成
高化学稳定性的致密的氧化物保护膜，因而在低温和高温气体中具有极高的抗
蚀性。
在室温条件下，钛不与氯气、稀硫酸、稀盐酸、硝酸和铬酸作用，在碱
溶液和大多数的有机酸和化合物中抗蚀性也很高，但能被氢氟酸、磷酸、熔融
辕侵蚀。
钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向
大。
但实际上钛在许多介质中很稳定。
如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质
中是耐腐蚀的，这是因为钛和氧的亲和力大，在空气中或含氧介质中，钛表面
生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使受
到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有强烈钝化倾向的金属，介
质温度在315℃以下，钛的氧化膜始终保持这一特性，完全满足钛在一般环境
中的耐蚀性。
钛最突出的性能是对海水的抗腐蚀性很强。
工业纯钛的耐蚀性与高纯钛相似，但低温性能则差得多。
张树霞c1，]等通
过实验发现，工业纯钛在稀盐酸溶液中存在一个腐蚀临界浓度（0．74％），当
盐酸浓度低于该值时，在任何情况下钛都不会发生腐蚀，同时工业纯钛还在一
定浓度的盐酸中有一个临界腐蚀温度，当溶液温度高于此临界温度，钛表面的
保护膜很快就被破坏，而低于此临界温度时，钛处于钝化状态。
图2—2所示为
工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系。
50
0．000．400．801．201．602．002．40
盐酸浓度
工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系
2．2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，生产上常以硬度作为测定工业纯钛的纯度标准[1～3），钛的纯度与硬度的
关系见表2—4。
钛是一种化学性质非常活泼的金属，原子价是可变的。
在较高的温度下，
衰2-4钛的纯度与硬度的关系
┌──────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐
│纯度／％│99．95│99．8│99．6│99．5│99．4│
├──────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
││_│││││
│硬度（HV）│90│145│165│195│225│
└──────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘
钛金属的主要物理性能
名 称
单 位
数 据
名 称
单 位
数 据
原子序数
22
比 热
卡/克.度
0.138
原子量
47.9
热膨胀系数
×10-6/℃（0-100℃）
8.2
克原子体积
厘米3/克原子
10.7
弹性模量
拉伸
压缩
剪切
公斤/毫米2
10850
密度20
克/厘米3
4.505
公斤/毫米2
10340
熔点
℃
1668±4
公斤/毫米2
10550
沸点
℃
3535
公斤/毫米2
4500
熔化潜热
千卡/克分子
5
导热系数
卡/厘米.秒.℃
0.036
汽化潜热
千卡/克分子
112.5±0.3%
电阻系数
×10-6欧母.厘米
47.8
同素异晶转变温度
℃
882
转变时体积的变化
%
5.5
转变时熵的变化
℃
0.587
磁化率
×10-6厘米3/克
3.2
转变潜热
千卡/克分子
678±10%
泊桑比
0.41
钛的性质
◇原子结构
钛位于元素周期表中ⅣB族，原子序数为22，原子核由22个质子和20-32个中子组成，核外电子
结构排列为1S22S22P63S23D24S2。
原子核半径5x10-13厘米。
◇物理性质
钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20℃），熔点1668±4℃，熔化潜热3.7-5.0千卡/克
原子，沸点3260±20℃，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350℃，临界压力
1130大气压。
◇钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为
0.38-0.4K。
在25℃时，钛的热容为0.126卡/克原子·度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡
/克原子·度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。
钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结
构材料。
钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提
高钛的强度，显著降低其塑性。
钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其
中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。
化学性质
钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。
各种元素，按其与钛发生不同反应可
分为四类：
第一类：
卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物；
第二类：
过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体；
第三类：
锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体；
第四类：
惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或基
本上不发生反应。
*与化合物的反应：
◇HF和氟化物
氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4，反应式为
（1）；不含水的氟化氢液体可在钛
表面上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF浸入钛的内部。
氢氟酸是钛的最强熔剂。
即使
是浓度为1%的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应，见式
（2）；无水的氟化物及其水溶液在低温
下不与钛发生反应，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显著反应。
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0千卡
（1）2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2
（2）
◇HCl和氯化物
氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在>300℃时与钛反应生成TiCl4，见式（3）;浓度
<5%的盐酸在室温下不与钛反应，20%的盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的TiCl3，见式
（4）;当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。
各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、
锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4离子及其水溶液，都不与钛发生反应，钛在这些氯化物中具有
很好的稳定性。
Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2＋94.75千卡（3）2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2（4）
◇硫酸和硫化氢
钛与<5%的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸继续腐蚀。
但>5%
的硫酸与钛有明显的反应，在常温下，约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快，当浓度大于40%，达
到60%时腐蚀速度反而变慢，80%又达到最快。
加热的稀酸或50%的浓硫酸可与钛反应生成硫酸
钛，见式（5）,（6），加热的浓硫酸可被钛还原，生成SO2，见式（7）。
常温下钛与硫化氢
反应，在其表面生成一层保护膜，可阻止硫化氢与钛的进一步反应。
但在高温下，硫化氢与钛
反应析出氢，见式（8），粉末钛在600℃开始与硫化氢反应生成钛的硫化物，在900℃时反应产物主要为TiS，1200℃时为Ti2S3。
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2（5）2Ti＋3H2SO4＝Ti2（SO4）3＋H2（6）
2Ti＋6H2SO4＝Ti2（SO4）3＋3SO2＋6H2O＋202千卡（7）Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70千卡（8）
◇硝酸和王水
致密的表面光滑的钛对硝酸具有很好的稳定性，这是由于硝酸能快速在钛表面生成一层牢固的
氧化膜，但是表面粗糙，特别是海绵钛或粉末钛，可与次、热稀硝酸发生反应，见式（9）、
（10），高于70℃的浓硝酸也可与钛发生反应，见式（11）；常温下，钛不与王水反应。
温度
高时，钛可与王水反应生成TiCl2。
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO（9）3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO（10）
Ti＋8HNO3＝Ti（NO3）4＋4NO2＋4H2O（11）
综上所述，钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。
致密的金属钛在自然界
中是相当稳定的，但是，粉末钛在空气中可引起自燃。
钛中杂质的存在，显著的影响钛的物理、
化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。
特别是一些间隙杂质，它们可以使钛晶格发生畸变，而影
响钛的的各种性能。
常温下钛的化学活性很小，能与氢氟酸等少数几种物质发生反应，但温
度增加时钛的活性迅速增加，特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。
钛的冶炼过程一
般都在800℃以上的高温下进行，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。
中国
美国
俄罗斯
TAD
碘化钛
Grade1
1号纯钛
BT1-00
工业纯钛
TA1
工业纯钛
Grade2
2号纯钛
BT1-0
工业纯钛
TA2
工业纯钛
Grade3
3号纯钛
0T4-0
Ti-0.8A1-0.7Sn
TA3
工业纯钛
Grade4
4号纯钛
0T4-1
Ti-2a1-1.5MN
TA4
Ti-3Al
Grade5
Ti-6a1-4v
0T4
Ti-3A1-1.5Mn
TA5
Ti-4Al-0.005B
Grade6
Ti-5A1-2.5V
BT5
Ti-5A1
TA6
Ti-5Al
Grade7
Ti-0.2pd
BT5-1
Ti-5A1-2.5Sn
TA7
Ti-5Al-2.5Sn
Grade9
Ti-3A1-2.5v
BT6
Ti-6A1-4v
TA8
Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5Zr
Grade10
Ti-11.5Mo-4.5Sn-6Zr
BT6c
Ti-6A1-4v
TC1
Ti-2A1-1.5Mn
Grade11
Ti-0.2pd
BT3-1
Ti-6A1-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si
TC2
Ti-3A1-1.5Mn
Grade12
Ti-0.3Mo-0.75Ni
BT9
Ti-6.5A1-3.Mo-0.3Si
TC3
Ti-4A1-4v
A-1
Ti-5A1-2.5Sn
BT/4
Ti-5A1-3Mo-0.3Si
TC4
Ti-6A1-4v
A-3
Ti-6A1-2Nb-1Ta
BT16
Ti-8A1-5Mo-5V
TC6
Ti-6A1-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si
A-4
Ti-8A1-1Mo-1V
BT18
Ti-8a1-0.6Mo-11Zr-1nB
TC7
Ti-6A1-0.6Cr-0.4Fe-0.4Si-0.01B
AB-1
Ti-6a1-4v
BT19
Ti-6A1-5.5Mo-3.5-5.5Cr-1Zr
TC9
Ti-6A1-3.5Mo-2.5Sn-0.3Si
AB-3
Ti-6A1-6V-2Sn
BT20
Ti-6A1-1.5Mo-1.5V
TC10
Ti-6A1-6V-2Sn-0.5CXu-0.5Fe
AB-4
Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo
BT22
Ti-5.5A1-5V-5Mo-1.5Cr-1.0oFe
TC11
Ti-6A1-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si
AB-5
Ti-3A1-2.5V
BT-3B
Ti-4A1-2V
钛合金的具体分类
按照合金在平衡和亚稳定状态的相组成，钛合金可分为α、近α、α+ß、近ß、ß等五类；但习惯上将钛合金分为α、α+ß和ß三大类。
钛合金分类如图所示。
若按照使用性能特点，则可分为结构钛合金、耐热（热强）钛合金和抗钛合金等类。
我国钛合金国标牌号中，TA系列代表α型钛合金；TB系列代表ß型钛合金；TC系列代表α+ß型钛合金。
中国钛合金的牌号及其名义成分
牌号
名义成分
合金类型
工作温度（C）
TA7
Ti-5A-2.5Sn
α
500
TC1
Ti-2Al-1.5Mn
近α
350
TC3
Ti-5Al-4V
α+ß
400
TC4
Ti-6Al-4V
α+ß
400
TC6
Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si
α+ß
450
TC11
Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si
α+ß
500
TB2
Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al
ß
300
Ti-22
Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al
ß
300
47121
Ti-7Mo-10V-2Fe-1Zr-4Al
ß
300
ZTC4
Ti-6Al-4V
α+ß
350
ZT3
Ti-5Al-5Mo-2Sn-0.3Si-0.02Ce
α+ß
500
世界各国钛合金的特性及应用
合金牌号
特性及应用
Ti-5Al-2.5Sn
锻造时抗裂纹的能力较好，成型性尚可，焊接性良好，热处理不能强化。
用于传动齿轮箱外壳，喷气发动机外壳装置及导向叶片罩，管道结构等
Ti-8Al-1Mo-1V
成型性及锻造时抗裂纹的能力尚可，焊接性好，但不可热处理强化。
用地制作喷气发动机叶片，叶轮和外壳，陀螺仪万向导向叶片罩，喷管装置的内蒙皮和框架等
Ti-6Al-4V
属于热处理强化的钛合金，它具有较好的焊接性薄板成型性和锻造性能。
用于制造喷气发动机压缩机叶片，叶轮等。
其他如起落架轮和结构件，紧固件，支架，飞机附件，框架、桁条结构、管道，应用非常广泛
Ti-6Al-6V-2Sn
属于可热处理强化的钛合金，锻造时抗裂纹的能力好，但焊接性差，用于制造紧固件，入风口控制导向装置，试验结构件
Ti-13V-11Cr-3Al
属于可热处理强化的钛合金，成型性良好，锻造时有一定抗裂纹能力，焊接性尚可，用作结构锻件，板状桁条结构，蒙皮，框架、支架、飞机附件，紧固件
Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2Si
属于可热处理强化的钛合金，锻造时抗裂纹的能力好，用于制造喷气发动机叶片，叶轮，起落架滚轮，飞机骨架、紧固件等
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
成型性焊接性好，锻造时有良好的抗裂纹能力，但不热处理强化。
用于制造压缩机叶片，叶轮，起落架滚轮，隔圈压气机箱组合件，飞机骨架，蒙皮构件等
Ti-4Al-3Mo-1V
属于可热处理强化的钛合金，锻造性、成型性好。
用于制造飞机骨架构件
IMI125
IMI130
IMI160
工业纯钛，抗蚀性优异，比强度较高，疲劳极限较好，锻造性好，可用普通方法锻造、成形和焊接。
可制成板、棒、丝材。
应用于航空、医疗、化工等方面，如排气管，防火墙、受热蒙皮以及要求塑性好、能抗蚀的零件
IMI317
属于α型钛合金，可焊接，在315~593ºC具有良好的抗氧化性、强度和高温稳定性，可制造锻件及板材零件，如航空发动机压气机叶片、壳体、支架
IMI315
属于α+ß型钛合金，可热处理强化，用于航空发动机压气机盘和叶片、导弹部件等
IMI318
α+ß型合金，锻造性及综合性能良好，是各国普遍使用的钛合金，用于航空发动机压气机盘和叶片等部件
IMI550
α+ß型钛合金，易锻造，室温强度好，蠕变抗力较高（400ºC以下），持久强度高，广泛用于制造发动机及机翼滑轨，动力控制装置外壳等。
IMI551
属于α+ß型钛合金高强度钛合金，它具有强度高、蠕变极限高（400ºC以下），锻造性良好等特性，用于制造飞机构件如起落架、安装座、燃气涡轮部件，亦可用于一般工程和化工、汽轮机叶片，压气机零件及其他高速旋转的部件
IMI685
是一种属于α+ß型钛合金，在室温及中温的比强度高，在高温（520ºC）抗蠕变性能良好，高温稳定性好，可焊接，容易加工，其使用温度较高。
用于制作航空发动机零部件
IMI684
属于α+ß型钛合金，可焊接、抗蠕变性能（535ºC以下）好，热稳定性优良。
该合金与IMI685性能相近，用途相同。
用于制作高压压气机盘及叶片等
IMI679
是一种复杂的α型钛合金，在450~500ºC具有较好的强度、高的蠕变极限以及高温稳定性和良好的抗氧化性，它的缸口疲劳强度高。
用于制造航空发动机压气机盘、叶片，飞机骨架等
IMI230
α型钛合金，中等强度，塑性好，可焊接，能时效强化，易成形，合金在退火
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