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钛及钛合金加工材料的力学性能

发布时间: 2017-08-23 06:38:23   来源: 利泰金属    浏览次数:

纯钛的抗拉强度为265-353MPa,一般钛合金为686-1176MPa,目前最高可达1764MPa。钛合金与许多钢的强度相当,但比强度钛合金要好很多,这里的比强度是指材料的强度除以其表观密度,又被称为强度-重量比。比强度的国际单位为(N/m2)/(kg/m3)或N·m/kg。材料的抗拉强度与材料表观密度之比叫做比强度。材料在断裂点的强度(拉伸)与密度之比。

钛及钛合金的压缩强度不低于其拉伸强度。工业纯钛的压缩屈服强度和拉伸屈服强度大致相等,而Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn合金压缩强度比抗拉强度稍高。剪切强度一般为抗拉强度的60%-70%.钛和钛合金薄板的承压屈服强度是抗拉强度的1.2-2.0倍。

在正常大气气氛下,经加工和退火的钛和钛合金的持久强度为(0.5-0.65)倍抗拉强度。在缺口状态(Kt=3.9)进行107次疲劳试验时,退火Ti-6Al-4V的持久强度为0.2倍抗拉强度。

最高纯度级的加工工业纯钛的硬度通常小于120HB,其他纯度的加工钛的硬度为200-295HB。纯钛铸件的硬度为200-220HB。钛合金在退火状态下的硬度值为32-38HRC,相当于298-349HB。铸态的Ti-5Al-2.5Sn和Ti-6Al-4V合金的硬度为320HB,低间隙杂质Ti-6Al-4V铸件的硬度为310HB。

工业纯钛的拉伸弹性模量为105-109GPa,大多数钛合金在退货状态下的拉伸弹性模量为110-120GPa。时效硬化的钛合金比在退火状态下具有稍高的拉伸弹性模量,抗压弹性模量等于或者大于拉伸弹性模量。虽然钛和钛合金的刚度比铝和铝合金的高很多,但仅为铁的55%。钛合金的比弹性模量与铝合金的相当,仅次于铍、钼和某些高温合金。

工业纯钛的扭转或剪切模量为46GPa,钛合金的剪切模量为43-51GPa。

为提高钛合金的强度,增加间隙元素含量,会给合金的抗冲击性能和断裂韧度带来有害的影响。根据钛合金的种类和状态的不同,加工工业纯钛的夏氏缺口冲击强度值为15-54J/cm2,铸造状态的为4-10J/cm2。钛合金在退火状态下的冲击强度为13-25.8J/cm2,时效状态的稍低。铸造状态的Ti-5Al-2.5Sn合金的夏氏V形缺口冲击强度为10J/cm2,Ti-6Al-4V合金的为20-23J/cm2。含氧量愈低的钛合金加工材,此值愈高。

许多钛合金具有很高的断裂韧度,或者说,钛合金抗裂纹扩展的能力很好。退火状态的Ti-6Al-4V合金就是一种韧性极好的材料。当缺口集中系数Kt=25.4mm时,缺口抗拉强度与非缺口抗拉强度之比大于1。

钛合金在高温下还能保持一定的性能。一般工业钛合金在540℃温度下能保持其有用的性能,但仅能供短时间应用,长时间使用的温度范围为450-480℃。目前已研制出600℃温度下使用的钛合金。钛合金作为导弹材料可在540℃温度下长期使用,还可在760℃温度下短时间使用。

钛及钛合金材料在低温和超低温下仍能保持其原有的一定的力学性能。随着温度的降低,钛和钛合金材料的强度不断增加,而延性逐渐变差。许多退火的钛合金材料在-195.5℃温度下还具有足使用的延性和断裂韧度。含间隙元素特少的Ti-5Al-2.5Sn合金可在-252.7℃温度下使用。它的缺口抗拉强度与非缺口抗拉强度之比,在-25.7℃温度下为0.95-1.15。

液氧、液氢和液氟是导弹和宇宙装置中的重要推进剂。用于制作低温气体容器和低温结构件的材料其所具有的低温性能是非常重要的。当显微结构呈等轴状和间隙元素(氧、氮、氢等)的含量很低时,钛合金的延性仍在5%以上。大多数钛合金在-252.7℃温度下具有较差的延性,而Ti-6Al-4V合金的伸长率还能达到12%。

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