2.1.2 β相在冷却过程中的转变_钛及其合金的焊接-QQ阅读男生都市网

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2.1.2 β相在冷却过程中的转变

钛合金加热到β相区之后，自高温冷却时，根据合金成分和冷却条件不同，可以发生如下转变：β→α-β；β→α-Ti_xM_y；β→α′或者α″；β→ω。图2-2给出了冷却速度对Ti6242合金组织形态的影响。

1.β相在快冷（淬火）过程中的转变

钛合金从高温快速冷却（淬火）时，由于合金成分的不同，β相会转变成为马氏体α′相（或者α″相）、ω相或者过冷β等亚稳定相。

（1）马氏体相变图2-3给出了马氏体相变开始温度（Ms）和终了温度（Mf）与化学成分之间的关系。当含有β稳定元素的合金从高温的β相区缓慢冷却时，会从β相中析出α相，其化学成分沿图2-3中AC_α曲线变化，则β相的化学成分沿AB曲线变化。当冷却速度加大时，β相析出过程来不及进行，β相的化学成分不会发生变化，但是仍然发生β→α的晶体结构的转变，即发生体心立方晶格的β相向密排六方晶格的α相的转变。不过这时的α相是过饱和的α相，即马氏体，以α′表示。但是如果β相稳定性元素含量进一步增大，体心立方晶格的β相就不能向密排六方晶格的α相转变，而是转变为斜方晶格，这种斜方晶格的马氏体，用α″表示。钛及其合金的晶体结构如图2-4所示。

图2-2 冷却速度对Ti6242合金组织形态的影响

a）1℃/min b）100℃/min c）8000℃/min

图2-3 马氏体相变开始温度（Ms）和终了温度（Mf）与化学成分之间的关系

马氏体相变开始温度（Ms）和终了温度（Mf）与化学成分有关。在钛合金中经常加入的元素有铝、锡、锆、钒、钼、锰、铁、铬、铜、硅等，其中铝、锡和锆能够扩大α相区（缩小β相区），使得β相变点升高；其他元素加入后会缩小α相区（扩大β相区），使得β相变点降低。一般说来，β稳定元素含量越高，转变所需要的过冷度越大，马氏体相变开始温度（Ms）和终了温度（Mf）越低。

β相和α-β相合金都含有较多的β稳定元素，这些元素在β相中扩散系数很大，钛合金的加热温度一旦超过β相变点，β相会快速长大成为粗晶组织，产生“β脆化”，冷却时转变温度也越低。β稳定性元素含量越高，转变所需要的过冷度越大，马氏体相变开始温度（Ms）和终了温度（Mf）越低。

钛合金中的马氏体不像钢中的马氏体那样能够大幅度提高合金的硬度和强度，钛合金的α′相的硬度只是略高于α相，对合金的强化作用较小。但是，当产生α″时，合金的硬度、强度，特别是屈服强度明显下降，见表2-1。

图2-4 钛及其合金的晶体结构

a）体心立方晶格的β相 b）密排六方晶格的α（α′）相 c）斜方晶格的α（α″）相

表2-1 TC6钛合金的硬度与相组成的关系

六方马氏体有两种形态：合金元素较少时，相变终了温度（Mf）就高，形成块状，在电子显微镜下呈板条状，如图2-5a、b所示，内错密集，没有孪晶；合金元素较多时，相变终了温度（Mf）就低，形成针状，如图2-5c、d所示，有大量细孪晶；合金元素更高时，相变终了温度（Ms）就更低，形成更细的针状，如图2-5e所示，有大量密集的孪晶。

图2-5 钛合金的马氏体组织形态

a）、b）六方马氏体α′的透射电子显微镜（TEM）照片 c）、d）六方马氏体α′的TEM照片 e）斜方马氏体α″的TEM照片

在二元系钛合金中，斜方马氏体α″只有在钛的原子半径R_Ti与合金元素的原子半径R_X之比（R_Ti/R_X）小于1.07时才能形成，与钛形成共析反应的二元系中不形成α″。

（2）ω相变化学成分在临界浓度附近的合金（图2-3中的C_k），从高温淬火后，强度、硬度大幅度增加。经过电子显微镜和X射线结构分析之后发现，形成了ω相。这种新相总是与β相共生，并与之有共格关系。和其他共格相一样，ω相尺寸很小、高弥散度、密集，体积分数可达80%以上。在光学显微镜下看不到，在电子显微镜下的形貌如图2-6所示。