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摘 要

Ti-35421（Ti-3Al-5Mo-4Cr-2Zr-1Fe）钛合金属于近β型钛合金，是在Ti-B19的基础上采用廉价的Fe元素替代昂贵的V元素改良出的钛合金，在保留有高强高韧的特点的同时，降低了钛合金的成本。本文以全β相Ti-35421钛合金为研究对象，通过连续升温热膨胀法研究了Ti-35421合金在以1、5、8K/min的升温速率升温过程中的α相回溶过程的热膨胀行为和显微组织演化，并采用金相组织观察进行了显微组织分析，结果表明：组织验证结果与升温速率为8K/min确定的α回溶的特征温度区间为488~804℃相吻合。通过对实验数据的处理研究Ti-35421钛合金升温过程相变动力学，获得了α相回溶的“S”型相转变曲线。利用KAS法得到了α回溶（α→β转变）相变的表观平均激活能E为108.35kJ/mol。同时使用KJMA模型计算出了不同相转变量f所对应的Avrami指数n，根据Avrami指数n分析出了相变初期（0lt;flt;0.03）和相变平衡期（0.03lt;flt;0.95）两个阶段相变机制不同。最终根据实验结果建立了Ti-35421合金在升温过程中的α相回溶过程的CHT图。

关键词：Ti-35421钛合金 连续升温热膨胀法 显微组织分析 相变动力学

Phase Transformation Kinetics of Ti-35421 Titanium Alloy During Continuous Heating Process

Abstract

Ti-35421 (Ti-3Al-5Mo-4Cr-2Zr-1Fe) alloy is a near-β titanium alloy, which is made by using the cheaper Fe to be substitute for V in Ti-B19. While retaining the characteristics of high strength and toughness, it reduces the cost of titanium alloy. The dilatation and microstructural evolution of all-β titanium alloy of α dissolution during continuous heating dilatometry at heating rates of 1, 5 and 8 were studied. And verification on microscopic structure were carried out by microstructure observation. The results of microstructure observation is coincided with 488~804℃ determined at heating rate of 8. Phase transition S-shaped curve is obtained in phase transformation kinetics of Ti-35421 alloy. Using Kissinger-Akahira-Sunose method, average activation energy E of α dissolution (α→β transition) is 108.35kJ/mol. At the same time, the Avrami exponent n of phase transition quantities f is calculated by using Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami model, helping to analyze the different phase transition mechanism of initial phase transition (0lt;flt;0.03) and phase equilibrium (0.03lt;flt;0.95). Based on the experimental results, the CHT diagram of α dissolution of Ti-35421 alloy during continuous heating dilatometry was established.

Key Words: Ti-35421 alloy; Continuous heating dilatometry; Microstructure observation; Phase transformation kinetics

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 钛合金概述与Ti-35421钛合金 1

1.2 钛合金的分类 2

1.2.1 α型钛合金和近α型钛合金 2

1.2.2 α β型两相钛合金 3

1.2.3 近β型钛合金和稳定β型钛合金 3

1.3 近β型钛合金的变温过程固态相变 3

1.3.1 ω相的产生与分解 4

1.3.2 α相的析出与回溶 5

1.3.3 β相的分离 6

1.3.4 马氏体相变 6

1.4 近β型钛合金的微观组织 7

1.5 钛合金的升温相变动力学公式推导 8

1.6 课题研究目的及意义 9

第二章 实验材料及方法 10

2.1 实验材料 10

2.1.1 原始材料 10

2.1.2 确定β转变温度 10

2.1.3 全β组织钛合金 11

2.2 试验方案 12

第三章 实验结果与讨论 13

3.1 Ti-35421合金连续升温过程的热膨胀行为 13

3.2 显微组织分析 14

3.3 α回溶过程的相变动力学曲线 15

3.4 α回溶过程的相变激活能 17

3.5 基于KJMA模型的α回溶（α→β转变）相变机制分析 18

3.6 连续升温过程α回溶（α→β转变）相变的CHT图 20

第四章 结论 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 绪论

1.1 钛合金概述与Ti-35421钛合金

钛的原子序数为22，原子量为47.9，在元素周期表中位于第四周期、第ⅣB族^[1]。纯钛的密度为4.51g/cm³，强度比常见的铝合金大了一倍。以纯钛为基础加入其它元素得到的合金称为钛合金，它的比强度（强度/密度）远超过高强度钢、铝合金和镁合金。另外钛合金易钝化，有很强的钝态稳定性，因而具有良好的耐蚀性，对氯化物的耐蚀性远超其他金属，对氧化性酸的耐蚀性较好，在稀碱液中也具有一定的耐蚀性。因为钛合金的良好的力学性能、耐腐蚀性、无毒性等优点，钛合金现已被广泛应用于各类工程领域^[1]，成为一种重要的结构材料，在应用中仅次于铁铜铝合金，成为“第三金属”。

在航空航天领域，钛合金的比强度高，材料较轻，能够承受高空或太空恶劣的环境且仍保持力学性能及疲劳寿命，主要用于制造飞机、火箭、人造卫星、导弹等部件。在汽车舰船领域，钛合金质轻强度高的特点能够满足汽车的轻量化的要求，成为汽车行业实现减排的期望材料；钛合金强度高，对海水的耐蚀性也优于大部分金属，主要用于制造汽车的排气和消音系统及承重系统、潜艇和船体的壳体及动力部件等。在石油化工领域，钛合金在复杂环境中腐蚀性较不锈钢低，大大延长设备的使用寿命，可以保障生产效率，在一定程度上降低了生产成本，主要用于制造在氯碱、纯碱、塑料、石油化工、冶金、制盐等工业使用的反应设备。在生物医药领域，钛及钛合金的有良好的生物相容性，对人体不产生生物毒性，非常适合制造医用外科用具和植入物，为身体受损的病人带来福音等。在海洋工程领域，钛合金有良好的耐蚀性，成为海水管道等海洋工程建设材料的选择。在民用领域，钛合金质轻强度高，也有其相对应的应用范围。

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