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摘 要

本文在课题组前期研究的低成本钛合金Ti-Fe-B的基础上进行β热处理（866℃ 30min 空冷），通过金相电子显微镜（OM）分析热处理前后组织变化，研究表明：Ti-Fe-B合金经过β热处理后，α相减少而β相增加，合金的晶粒变得更加细小。热处理后的微观组织为网篮组织。合金相组成由白色的初生α相以及α晶粒间的β相组成。同时，由于冷却过程中有一定过冷度，有少量针状马氏体生成。

试样的拉伸力学性能结果表明：初始样的屈服强度762MPa，延伸率20.40％。β退火后，试样的屈服强度581MPa，延伸率32.92％。退火前后延伸率提升了13.52％，塑性有了显著提升。断口形貌分析发现，β热处理前后都是韧性断裂，其中，热处理后韧窝更大，证明塑性更好，另一方面，硬度试验表明：热处理后的硬度从热处理前的294.89下降到294.85。

关键词：Ti-Fe-B合金 β退火 组织 力学性能

Effect of beta annealing on Microstructure and mechanical properties of Ti-Fe-B alloy

ABSTRACT

Heat treatment of titanium alloy based low cost Ti-Fe-B in previous research on the (866 DEG 30min air cooling), by means of electron microscope (OM) analysis of changes in tissue before and after heat treatment shows that Ti-Fe-B alloy after heat treatment, and reduce the alpha beta phase increase, the grain of the alloy becomes fine. After heat treatment for basket tissue, consisting of white alloy phase and grain between the primary alpha phase continuous beta phase, at the same time, because the cooling has a certain degree of supercooling, a small amount of acicular martensite formation.

The results of the tensile mechanical properties of samples indicated that the initial sample yield strength 762MPa, elongation of 20.40%. beta samples after annealing, the yield strength of 581MPa, elongation rate of 32.92%. before and after annealing elongation increased by 13.52%. The fracture morphology analysis showed that beta before and after heat treatment are ductile fracture, the heat after the treatment of dimple is bigger, better proof plastic, on the other hand, the hardness test showed that after heat treatment the hardness from 294.89 before heat treatment decreased to294.85.

Keywords: Ti-Fe-B alloy;β-Annealing; Microstructure; mechanical property

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2低成本钛合金概述 1

1.2.1钛合金的应用 1

1.2.2 钛合金成本分析 2

1.2.3 降低钛合金成本途径 2

1.3.合金元素对钛合金的影响 4

1.3.1 B元素对钛合金的影响 4

1.3.2 Fe元素对钛合金的影响 4

1.4.钛合金热处理工艺 5

1.4.1常见退火工艺 5

1.4.2其他热处理工艺 5

1.4.3 β退火工艺 6

第二章 实验方案 7

2.1实验过程方案 7

2.2 实验原料与仪器 7

2.2.1试样制备 7

2.2.2试样预处理 7

2.3 热处理制备工艺 9

2.4 DSC差热分析法 9

2.5组织观察和分析 10

2.5.1金相组织观察 10

2.5.2 XRD物相分析 11

2.6力学性能实验 11

2.6.1拉伸性能测试 11

2.6.2硬度性能测试 11

2.7.扫描电子显微观察 12

第三章 实验结果分析与讨论 13

3.1 试样的DSC曲线分析 13

3.2 试样热处理后的OM分析 14

3.3 试样热处理后的OM分析 15

3.4 XRD物相分析 17

3.5 拉伸性能测试 17

3.6 合金硬度测试 19

3.7 断口样貌分析 19

第四章 结论 20

参考文献 21

致谢 24

第一章 绪论

1.1引言

钛及钛合金具有很多优异的性能，比如强度高、抗腐蚀、无磁性、抗疲劳和生物相容性等。因此，钛及钛合金作为结构材料和功能材料已被广泛应用于国防军工、石油化工、海洋工程、医疗和建筑装饰等各领域^[1]。现在，钛合金的广泛应用对于社会的进步有巨大的作用^[2-4]。

虽然，钛材是性能非常好的材料，但是昂贵的成本限制了其进一步推广。因为在目前的技术下，钛本身的加工生产工艺较为复杂。钛在加工过程中如果析出较多的残余钛也会间接增加钛合金的成本，尤其对民用领域的影响。因此如果要拓增钛材的应用范围，降低成本是目前刻不容缓的准备工作^[5]。目前美国和日本就对于拓增钛材应用的工作已取得了巨大的成果。

1.2低成本钛合金概述

1.2.1钛合金的应用

钛本身在中性和氧化性气氛和许多恶劣的幻境中具有比很多传统的金属材料高得多的耐腐蚀性，尤其是对氯离子具有很强的抗腐蚀能力，所以钛本身在海洋中具有完全耐腐蚀的能力^[6]。因此钛合金在海洋环境下有着非常好的应用前景。美国Tmiet公司开发了一种高强度、高韧性、焊接性能好的钛合金（命名为Tmietal5111）^[7]。该合金可以进行大规格型材的焊接,主要应用于舰船制造和海洋工程^[8]。在该合金基础上添加0.05%的磷元素,创出了一种新合金(命名为Tmietal5111Pt)，是为了提高其对缝隙的抗腐蚀能力，增加该合金的用途。除此之外,该合金还在石油化工和氯碱工业有着良好的推广前景。

1.2.2 钛合金成本分析

与传统金属不锈钢、铜合金等合金比较，钛及钛合金一直由于成本因素限制了其广泛应用^[9]。由于钛元素本身价位活泼，极易与氧等发生反应，因而其提取和制备均在真空或惰性气体保护状态下进行，这是造成其成本高的主要原因，另外钛合金产品在生产的过程会产生大量的残钛以及后期工艺复杂，生产周期较长，也会导致加工成本的提高。因此这延缓了钛及钛合金材料推广应用的速度及范围 ^[10-11]。

钛及钛合金的原料比较传统金属如下：钛矿石的价格是铁矿石的15倍，是铝矿石的3倍^[12]；而海绵钛的价格则是钢的20多倍，是铝的3倍；钛铸锭的成本更是钢的30多倍，是铝的6.5倍；钛合金板材的价格是钢板材的45-83倍，是铝板材的10-15倍^[13]。

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