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mechanical property of titanium material
简介
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著提高。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%。
疲劳强度和疲劳极限 工业纯钛具有明确的疲劳极限，随等效氧量增多而提高，随晶粒粗化而降低。Ti-6Al-4V的疲劳强度(σN)(即寿命为107周的应力幅)，既决定于合金的组织，又受试验时环境介质的影响。粗大等轴组织的σN恒为最低，不到500MPa，在空气中和在3.5%NaCl溶液中，双态组织的σN较高，可达650～700MPa之间。在钛合金中，等轴α+β显微组织光滑试样的疲劳性能，比转变β组织的性能优越，前者萌生疲劳裂纹的寿命长。但是，转变β组织的疲劳裂纹扩展阻力则较大。
断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率 钛合金的平面应变断裂韧性和显微组织有密切关系。不论强度级别如何，β加工形成针状或片状组织的断裂韧性KIC要比同等强度的等轴组织高，但常规的伸长率要受到损害。α+β型钛合金虽然成分已定，由于热处理的经历不同，可以出现差别很大的显微组织。即使屈服强度几乎相同，不同取向材料的断裂韧性也有很大的差异。Ti-6Al-4V厚板T-L取向的试样，粗大组织的KIC比细小组织的可高22%。为了使断裂韧性和常规伸长率达到适当平衡，可采取获得双态组织的热处理。Ti-6Al-4V合金的显微组织对裂纹慢扩展的撕裂模量(TR)的影响，比对断裂韧性(JIC)的影响更大。合金中若有亚稳定β相，形变时感生α″马氏体有助于提高较低温度的断裂韧性。α型钛合金的断裂韧性受α2(Ti3Al)析出的影响，强度提高，KIC下降。
β型钛合金断裂韧性，主要决定于由β相中析出的α相的形态。Ti-15-3合金先高温后低温时效，组织中同时存在粗大α相和细小的α相，强度和断裂韧性得到满意平衡。铸造Ti-15-3钛合金的KIC和Ti-6Al-4V钛合金相当。改善钛合金断裂韧性的冶金因素，也是降低疲劳裂纹扩展速率(da/dN)的因素。
抗蠕变性能 近α钛合金是400～500℃高温使用的钛合金，其最高蠕变抗力是通过β相区热处理以后，冷却到室温获得的。在更高温度使用的钛合金，由于发生冶金不稳定性，有序相Ti3X析出，硅化物沉淀和富氧表面层形成等，而损害其力学性能。