钛及钛合金力学性能

钛作者：商占法介绍钛是一种金属元素，灰色，原子序数22，相对原子质量47.87。

能在氮气中燃烧，熔点高。

钛的密度为4.54g／cm3，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。

机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。

钛耐高温，比黄金和钢都高的多。

钝钛和以钛为主的合金是新型的结构材料，主要用于航天工作和航海工业，在石油化工行业也有较多的应用。

钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半，钛虽然稍稍比铝重一点，它的硬度却比铝大2倍。

现在，在宇宙火箭和导弹中，就大量用钛代替钢铁。

据统计，目前世界上每年用于宇宙航行的钛，已达一千吨以上。

极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。

钛的耐热性很好，熔点高达1660℃℃。

在常温下，钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中。

就连最凶猛的酸——王水，也不能腐蚀它。

钛不怕海水，有人曾把一块钛沉到海底，五年以后取上来一看，上面粘了许多小动物与海底植物，却一点也没有生锈，依旧亮闪闪的。

现在，人们开始用钛来制造潜艇——钛潜艇。

由于钛非常结实，能承受很高的压力，这种潜艇可以在深达4500米的深海中航行在常温下，钛不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀；只有氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸等才可对它作用。

钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性，故多用作飞机发动机零件和火箭、导弹结构件。

钛合金还可作燃料和氧化剂的储箱以及高压容器。

现在已有用钛合金制造自动步枪，迫击炮座板及无后座力炮的发射管。

在石油工业上主要作各种容器、反应器、热交换器、蒸馏塔、管道、泵和阀等。

钛可用作电极和发电站的冷凝器以及环境污染控制装置。

钛镍形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。

在医疗中，钛与人体有很好的相容性,可作人造骨头和各种器具。

钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及合金钢的组元。

钛白粉是颜料和油漆的良好原料。

碳化钛，碳（氢）化钛是新型硬质合金材料。

氮化钛颜色近于黄金，在装饰方面应用广泛。

国内外医用钛及钛合金标准及性能发布时间：2010-4-17 10:20:42 中国废旧物资网一、钛在医学中的应用1、钛作为一种新兴的材料在我国及世界制药工业、手术器械、人体植入物等领域使用已有几十年的历史，并已取得了极大地成功。

2、人体内应外伤、肿瘤造成的骨、关节损伤，采用钛及钛合金可制造人工关节、接骨板和螺钉现已广泛用于临床。

还用于髋关节（包括股骨头）、膝关节、肘关节、掌指关节、指间关节、下頜骨、人造椎体（脊柱矫形器）、心脏起搏器外壳、人工心脏（心脏瓣膜）、人工种植牙、以及钛网在头盖骨整形等方面。

3、对于植入物材料的要求可以归为三个方面：材料与人体的生物相容性、材料在人体环境中的耐腐蚀性和材料的力学性能，作为长期植入材料有下列七项具体要求：①、耐蚀性;②、生物相容性；③、优越的力学性能和疲劳性能；④、韧性；⑤、低的弹性模量；⑥、在组合体中有好的耐磨性；⑦、令人满意的价格；4、外科植入物材料主要有：金属、聚合物、陶瓷等，金属材料又包括不锈钢、鈷基合金和钛基合金。

材料性能与骨性能的比较和植入物材料的特性比较见表一和表二。

从表二可以看出，不锈钢价格低廉，易于加工，但耐蚀性和生物相容性不如钛合金；鈷鉻合金的耐磨性比钛合金好，但密度较大，太重；钛及钛合金由于比强度高，生物相容性好及耐体液腐蚀性好等特点正日益受到重视。

钛合金的不足之处识是耐磨性差、难于铸造，加工性能也差。

二、国内外外科植入物用钛及钛合金加工材标准情况1、国外外科植入物用加工材标准纯钛：国际标准化组织 ISO 5832/2 1999E《外科植入物－纯钛加工材》美国标准：ASTM F67 2006a 《外科植入物用纯钛》TC4: 国际标准化组织 ISO 5832/3 1996Z 《外科植入物－金属材料－Ti-6Al-4V加工材》ASTM F1472 2002 《外科植入物用Ti-6Al-4V合金加工材》TC4ELI: ASTM F136 2002a 《外科植入物用Ti-6Al-4VELI（超低间隙）加工材规范》TC20: ISO 5832/11 I994(E) 《外科植入物－金属材料－Ti-6Al-7Nb合金加工材》ASTM F1295:2005《外科植入物用Ti-6Al-7Nb合金加工材》2、中国国家标准①、《外科植入物用钛及钛合金加工材》中国国家标准为GB／Ｔ13810-2007，牌号有：TA 1ELI、TA1、TA2、TA3、TA4、TC4、TC4ELI、TC20.品种有：板材0.8～25mm；棒材7.0～90mm；丝材1.0～7.0mm；GB\T13810-2007标准中规定的各项性能指标：②、GB／Ｔ13810-2007标准中，为了保证外科植入物用钛及钛合金加工材的综合性能（强度、塑性、韧性、硬度、抗疲劳等性能的合理匹配），对两相钛合金的高倍金相组织和氢含量及其它间隙元素含量都有非常严格的要求和控制。

钛合金的组织结构与力学性能研究钛合金是一种广泛应用于航空、航天、军事和医疗等领域的重要材料，其独特的物理和化学性质使其成为极为理想的工程材料。

在钛合金中，微观组织结构和力学性能之间有着密不可分的联系，因此对其组织结构和力学性能的研究具有极为重要的科学意义和实用价值。

一、钛合金的组织结构钛合金的组织结构是指其在微观层面的材料组成和排列方式。

一般来说，钛合金的组织结构可以分为晶粒结构和相结构两种。

晶粒结构是指钛合金中的晶粒大小和晶界的性质，其中晶粒是由单一晶体或多晶体组成的。

晶界是晶体晶粒之间的交界面，其结构对于钛合金的力学性能有着重要的影响。

通常情况下，晶界数量较多的钛合金具有更高的强度和韧性。

相结构是指钛合金中不同的组分相互作用的结构，包括固溶体、间质体和复合体。

固溶体是由两种或以上的金属在一定温度和压力下混合形成的固体溶液，其可以提高钛合金的强度和韧性。

间质体是一种非金属元素在金属晶格中的固溶体，是一种非常重要的合金强化剂。

复合体是由两种或以上的相构成的，其具有独特的力学性能。

二、钛合金的力学性能钛合金具有优异的力学性能，包括高强度、高韧性、良好的耐腐蚀性和低密度等优点。

钛合金的力学性能受到其组织结构的影响，而晶粒尺寸、晶界的数量和类型、相结构等都对其力学性能有着直接的影响。

晶界是钛合金强韧性的重要因素之一。

由于晶界在晶体内是能量高处，大多数原子都倾向于排列在晶粒内部，这使得晶界区域的密度较低，从而使其容易受到外部应力的引起。

随着晶界数量的增加，晶界的强化效果也越来越明显，但同时也会对晶体的成形性产生影响。

间质体是钛合金中最常见的合金强化剂。

由于间质体可以占据金属晶格中的空位，从而阻碍行动的晶体，使晶格的形变更加复杂，因此可以提高钛合金的强度和硬度。

然而，间质体的增多也会降低其成形性和可加工性。

复合体则是两种及以上相的结合体，其强度、硬度和韧性则受到不同组分相的贡献。

复合体具有比固溶体和间质体更高的力学性能，因此被广泛应用于高强度和高韧性的钛合金中。

典型钛合金的组织与性能文献查阅总结1.α型钛合金α型钛合金中又分为全α型钛合金和近α型钛合金，工业纯钛属于α型钛合金，此外一般α合金含有6%左右的Al和少量中性元素，退火后几乎全部是α相，典型合金包括TA1~TA7合金等；近α型钛合金中除了含有Al和少量中性元素外，还有少量（不超过4%）的稳定元素，如TA15、TA16、TA17等。

1.1工业纯钛工业纯钛按杂质元素含量分为TA1、TA1ELI、TA1-1、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI9个牌号，相变点大约为900℃。

工业纯钛具有高塑性、适当的强度、良好地耐蚀性以及优良的焊接性能等特点，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置、舰船零部件等，其冷热加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和丝材，一般在退火状态下交货使用。

典型的工业纯钛显微组织如图1-3所示：图1 TA1板材650℃/1h退火态组织：等轴α+少量晶间β图2 TA2大规格棒材600℃/1h退火态组织：等轴α图3 TA3板材800℃/1h退火态组织：等轴α+含有针状α转变的β1.1.1 TA1钛管的组织与性能[][]庞继明，李明利，李明强等. 退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展. 2011, 28(2): 26-28研究方法：TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压，最终获得φ45×7mm的管坯。

管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12×1.25mm的管材。

将管材置于真空热处理炉中，分别加热至450，475，490，500，550，600，650，700℃，保温90min，随炉冷却。

a）TA1钛管的显微组织图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。

可以看出，冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全；700℃下的组织已完全再结晶、等轴化，与650℃的相比晶粒已明显长大。

《钛及钛合金产品力学性能取样方法》（GB/T XXXX-200X）征求意见稿编制说明一、任务来源及计划要求；根据全国有色金属标准化技术委员会《关于下达2008年有色金属国家标准修订计划的通知》的精神，由宝钛集团有限公司起草《钛及钛合金产品力学性能取样方法》国家标准，本标准是新制订的国家标准。

二、编制过程，包括编制原则、工作分工、征求意见单位、各阶段工作过程等；本标准以实际生产经验为基础，并参考GB/T2975-98和上海科学普及出版社出版的《力学性能试验》制订。

•标准编制原则：本标准根据钛及钛合金的性能特点和产品的形状，对主要技术内容，如试样切取方法和试样类型等进行了较为详细的规定，术语等规定与GB/T 2975相同。

——规定了钛及钛合金棒材、管材、板材和饼环材锻件的拉伸、冲击和弯曲等力学性能的代表性取样位置；——断裂韧度试样尺寸较大，几乎能覆盖多数产品的整个截面，所以未规定具体的取样位置。

但由于开口方向不同时，断裂韧度测试值差异很大，所以，规定该测试项目指标时，首先必须规定方向。

本标准参照GB/4161，用图示法规定了不同的开口方向，以方便产品标准使用；•本标准由宝钛集团有限公司、宝鸡钛业股份有限公司负责起草。

本标准初稿于2007年12月完成，在网上和单位内部广泛征求了意见。

编制组将对厂内外返回的意见进行研究处理，形成标准预审稿。

本标准计划2008年1月预审。

三、调研和分析工作的情况我国钛及钛合金的生产起步于20世纪50年代，1964年实现了钛加工材的工业化生产。

现年产钛材已过万吨，其中棒材、管材、板材和饼环材锻件是钛及钛合金产品的主要生产品种。

经过40余年的发展，国内钛材的国家标准均已经根据发展需求，进行了修订和不断完善。

但到目前为止，国内还没有钛及钛合金加工材的统一的取样方法标准，产品标准或者只能参照钢材取样方法标准执行，或者同一类产品的不同标准均对此进行了不同的规定，很不利于产品供需方法检验产品的质量一致性。

钛及钛合金的应用分析第一部分概述1.1金属钛的物理性质金属钛，原子序数为22，相对原子质量47.87，常温下不稳定，在自然界中只以化合态存在。

钛的密度小，4.51g/cm3 ，是最重的轻金属。

钛的延展性能好，热稳定性很好，熔点为1668±4℃，沸点为3260±20℃，临界温度4350℃，临界压力1130大气压。

钛具有较好导热性，导电性能较差，近似或略低于不锈钢，具有超导性，纯钛的超导临界温度0.38-0.4K。

钛的硬度跟钢铁差不多，但是它的重量几乎只有同体积钢铁的一半，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，钛中杂志的存在对其机械性能影响极大，特别是间隙杂志（氧、氮、碳）可大大提高钛的强度，显着降低其塑性。

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志含量和添加合金元素而达到的。

1.2金属钛的化学性质金属钛在高温环境中的还原能力极强，能与氧、碳、氮以及其他许多元素化合，还能从部分金属氧化物中夺取氧。

常温下钛与氧气化合生成一层极薄致密的氧化膜，这层氧化膜常温下不予绝大多数强酸、强碱反应，包括王水。

它至于氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸反应，因此钛具有相当的抗腐蚀性。

1.3钛合金的分类及用途通常将钛合金划分为α型、α+β型和β型合金。

钛合金的力学性能主要取决于化学成分和相应的显微组织。

α合金主要应用于化工和加工工业，这些工业中首先要考虑的是合金必须具有优异的抗腐蚀性能和变形能力，而对高比强度性能的要求次之。

含氧量是各种级别商业纯钛的主要差别。

作为间隙型合金化元素，氧可以显着地提高合金的强度，同时降低塑性。

商业纯钛为了达到要求的强度水平，只有氧是有意加入的合金化元素，而C和Fe等元素则是被看成制备过程进入合金的杂质元素。

近α合金是典型的高温合金，由于它兼具α合金优异的蠕变性能和（α+β）合金的高强度，高温应用选择这类合金很理想。

典型钛及钛合金的组织与性能综述Newly compiled on November 23, 2020典型钛合金的组织与性能文献查阅总结1.α型钛合金α型钛合金中又分为全α型钛合金和近α型钛合金，工业纯钛属于α型钛合金，此外一般α合金含有6%左右的Al和少量中性元素，退火后几乎全部是α相，典型合金包括TA1~TA7合金等；近α型钛合金中除了含有Al 和少量中性元素外，还有少量（不超过4%）的稳定元素，如TA15、TA16、TA17等。

工业纯钛工业纯钛按杂质元素含量分为TA1、TA1ELI、TA1-1、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI9个牌号，相变点大约为900℃。

工业纯钛具有高塑性、适当的强度、良好地耐蚀性以及优良的焊接性能等特点，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置、舰船零部件等，其冷热加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和丝材，一般在退火状态下交货使用。

典型的工业纯钛显微组织如图1-3所示：图1 TA1板材650℃/1h退火态组织：等轴α+少量晶间β图2 TA2大规格棒材600℃/1h退火态组织：等轴α图3 TA3板材800℃/1h退火态组织：等轴α+含有针状α转变的βTA1钛管的组织与性能[][]庞继明，李明利，李明强等. 退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展. 2011, 28(2): 26-28研究方法：TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压，最终获得φ45×7mm的管坯。

管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12×的管材。

将管材置于真空热处理炉中，分别加热至450，475，490，500，550，600，650，700℃，保温90min，随炉冷却。

a）TA1钛管的显微组织图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。

可以看出，冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全；700℃下的组织已完全再结晶、等轴化，与650℃的相比晶粒已明显长大。

钛材料的力学性能文件管理序列号：[K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688]钛材料对外加应力或载荷所表现的力学响应。

加载温度、形变速率和环境介质都会影响力学性能。

主要的力学性能有：屈服强度和断裂强度、伸长率、面缩率和冲击功、疲劳强度和疲劳极限、断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率和抗蠕变性能等。

屈服强度(σ0.2)和断裂强度(σF) 工业纯钛、钛合金的强度和材料中占据间隙位置的元素[O]、[N]、[C]等的含量有关，通常将这些元素综合在一起规定为等效氧量[O]eq，其算式为：[O]eq＝[O]+2[N]+0.75[C](原子百分数)。

随[O]eq的增大，钛材料的屈服强度显着提高。

屈服强度与显微组织有密切关系，例如，α+β型钛合金(Ti-6Al-4V)细的等轴组织的屈服强度和断裂强度最高，分别可以达到1120MPa和1505MPa。

具有初生等轴α相和细针状(或片状)的混合组织称为双态组织，其断裂强度(1455MPa)比粗等轴组织的强度(1370MPa)高。

完全针状组织的σ0.2最低。

亚稳β钛合金，例如Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al，其断裂强度受冷轧变形量、固溶处理和冷却速度的影响。

伸长率、面缩率和冲击功 [O]eq，增多使钛材料在室温的伸长率下降。

[N]的作用最大，其次是[O]，再次是[C]。

长时间(500h)退火，能使工业纯钛的面缩率和冲击功在500℃附近出现最低值。

其高温伸长率在500℃附近，也出现极小值。

拉伸速率ε为2.7×10-5/s时，工业纯钛表现尤为明显。

细晶(6μm)钛高温伸长率无下降现象。

α+β型钛合金细晶等轴组织的伸长率或断裂应4V经过1088K固溶后水淬，其中β相可在变形中诱导转变成马氏体，表现出在223K的夏比冲击功和动态断裂韧度均得到明显改善。

与此同时，伸长率和断裂应变也提高。

采用新型氢处理工艺，可使Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-4V合金的屈服强度、断裂强度和伸长率分别提高8%～15%，5%～13%和7%～14%。

钛及钛合金产品力学性能试验取样方法1范围本文件规定了钛及钛合金管、棒、板、线、饼、环、锻件、型材等的力学性能试样的取样位置和试样制备要求等。

本文件适用于钛及钛合金加工产品。

2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T34647钛及钛合金产品状态代号3术语和定义GB/T34647界定的以及下列术语和定义适用于本文件3.1抽样产品sample product检验、试验时，从试验单元中抽取的部分产品（如棒、板、管等）。

3.2试料sample为了制备一个或多个试样，从抽样产品中切取足够量的材料。

3.3样坯rough specimen为了制备试样，经过机械加工处理和其后在适当情况下热处理的试料。

3.4试样test piece经机加工或未经机加工后，具有合格尺寸且满足试验要求状态的样坯。

3.5标准状态reference condition试料、样坯或试样经热处理后的状态，代表产品预期的最终状态。

4一般要求4.1代表性试验4.1.1按照附录A选取的试料、样坯和试样应认为具有产品代表性。

4.1.2应在外观质量尺寸合格的产品上取样。

试料应有足够的尺寸以保证机加工出足够的试样进行规定的试验及复验。

4.1.3切取试样时，应防止过热、加工硬化。

火焰切割法、冷锯切和冷剪切法取样所留加工余量见附录B。

4.1.4取样方向应符合产品标准或供需双方协商规定。

4.2抽样产品、试料、样坯和试样的标识取样时，应对抽样产品、试料、样坯和试样作出标记，以保证始终能识别取样的位置及方向。

为此，如果在抽样过程中无法避免要将抽样产品、试料、样坯和试样（一个或多个）的标记去除，应在这些标记去除前或在试样从自动制样设备中取出前做好标记转移。

5试样类型5.1从原产品上取样5.1.1从产品的一定部位上切取一定尺寸的样坯，加工成所需的拉伸、弯曲、冲击、持久等试样。

钛合金tc11材料力学参数
钛合金TC11是一种α+β型钛合金，主要由α相（α相包含α'相和α''相）和β相组成。

该合金具有良好的力学性能，在航空航天、汽车制造、船舶制造等领域得到广泛应用。

以下是TC11钛合金的力学参数的详细介绍。

首先，TC11钛合金的屈服强度在600MPa左右。

屈服强度是指材料在受到外力作用下发生塑性变形的临界点，超过屈服强度的外力会导致材料发生塑性变形。

其次，TC11钛合金的抗拉强度约为950MPa。

抗拉强度是指材料在拉伸过程中抵抗拉伸力的能力。

TC11钛合金的抗拉强度高，表明其能够承受较大的拉伸力而不发生断裂。

此外，TC11钛合金的延伸率较好，通常在10%以上。

延伸率是指材料在受到拉伸力作用下发生塑性变形的程度，延伸率越大，材料的塑性变形能力越好。

另外，TC11钛合金的弹性模量约为110GPa。

弹性模量是指材料在受到外力作用下发生弹性变形的能力。

弹性模量越大，材料的刚性越高。

此外，TC11钛合金还具有较好的耐疲劳性能，可以在循环载荷下长时间工作而不发生疲劳断裂。

这使得它在航空航天领域得到广泛应用，例如制造飞机的机身构件、发动机零部件等。

综上所述，TC11钛合金具有较高的屈服强度、抗拉强度和较好的延伸率，同时还具有较高的弹性模量和耐疲劳性能。

这些力学参数使得
TC11钛合金成为一种理想的结构材料，适用于各种高强度和轻量化的应用领域。

在航空航天、汽车制造、船舶制造等领域的应用前景非常广阔。

钛合金材料的力学性能研究近年来，钛合金材料在航空航天、汽车制造等行业中得到了广泛的应用。

其轻量化、高强度、耐腐蚀等特点使得钛合金材料成为许多领域的热门研究方向。

然而，要想更好地发挥钛合金材料的性能，就需要对其力学性能进行深入的研究。

力学性能是指材料在受力下的变形、应力等性能。

在研究钛合金材料的力学性能时，需要考虑以下几个方面。

首先是拉伸性能。

拉伸性能是指材料在拉伸状态下的力学性能。

它可以通过实验测量其断裂强度和断裂伸长率来进行评价。

断裂强度是指材料在断裂前所能承受的最大拉应力；断裂伸长率是指在材料断裂前所发生的伸长量与初始长度之比。

拉伸性能的研究可以帮助人们更好地了解钛合金材料的强度、韧性等性能。

其次是屈服性能。

屈服性能是指材料在受外力作用下所出现的最初塑性变形，并且伴随着应力的线性增长过程。

屈服性能可以通过实验测量其屈服强度来进行评价。

屈服强度是指材料开始出现塑性变形时所能承受的最大应力。

屈服强度是衡量材料抗塑性变形能力的重要指标。

因为材料在受力后会出现塑性变形，这会使材料的形态发生改变，而屈服强度越高，材料的抗塑性变形能力就越强。

另外，还有硬度等指标。

硬度是指材料抵抗局部划痕、压痕等形式变形的能力。

硬度值的大小与材料的抗划伤能力以及磨损性能等密切相关。

硬度可以通过测量材料在一定负载条件下的表面变形来进行评价。

以上几个方面是研究钛合金材料力学性能时需要考虑的基本指标。

众所周知，钛合金材料本身就具备高强度、低密度、优良的耐腐蚀性，而研究其力学性能可以更好地发挥这些特点。

钛合金材料力学性能的研究对于推动钛合金材料在各个领域的应用具有十分重要的意义。

综上所述，钛合金材料力学性能的研究是针对该材料进行深入研究的一个重要方面。

在未来的研究中，应进一步加强对钛合金材料的力学性能研究，通过理论分析和实验验证相结合的方式，提高钛合金材料的强度、韧性、硬度等性能，以更好地满足不同领域对该材料的需求。