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材料学概论结课论文

第一篇：材料学概论结课论文材料科学概论论题：钛合金的应用现状及发展趋势结课论文班级：材料学院13级1班姓名：范孝卫学号：139024178钛合金的应用现状及发展趋势范孝卫139024178料131班摘要：本文综述了钛合金材料的发展及应用现状，着重介绍了钛合金的主要性能及其在航空航天、汽车制造和生物医药等方面的应用，并对钛合金未来的发展进行了展望。关键字：钛合金，性能，应用，发展趋势引言金属元素钛在地壳中的分布范围比较广泛，据估计和推算，其含量是地壳质量的0.4%还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居第10位（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛）[1]。其丰富的储量，为金属钛及钛合金的生产和发展提供了主要的原料来源。自20世纪50年代以来，钛及钛合金的发展已经历了半个多世纪的历程，钛合金的种类已从1954年的Ti-6Al-4V合金[2]发展到数百种。因为具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，钛合金被广泛用于各个领域，包括航空航天、汽车制造、医药卫生以及其他日常生活领域。世界上的许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行了研究开发，得到了实际应用[2,3]。钛合金的性能2.1钛合金的高温性能在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽。高温钛合金不仅具有良好的室温性能和高温强度，并且在蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等方面具有良好的匹配。世界上第一个研制成功的高温钛合金使用温度仅为300~350℃，经历了40多年的发展，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600℃，而Ti-Al金属间化合物的崛起，打破了600℃的使用温度界限，将使用温度升至700℃以上。[4]2.2钛合金的腐蚀性能钛的抗腐蚀性强，在550℃以下的空气中，表面会迅速氧化形成薄而致密的TiO2钝化膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及碱性溶液中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。由于合金可以调整成分、改变组织，因而钛合金在多数情况下具有比纯钛更好的耐蚀性和其他性能，更能在某些苛刻的腐蚀环境中工作。2.3钛合金的加工性能2.3.1切削加工性能钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大，所以刀具切削刃承受的应力更大，刀尖或切削刃容易磨损。钛合金摩擦因数大，而热导率低，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加快并影响加工质量。钛合金在切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易产生扩散磨损和粘结磨损。2.3.2磨削加工性能钛合金化学性质活泼，在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮磨损加剧，磨削性能降低，磨削精度不易保证。砂轮磨损的同时也增大了砂轮与工件之间的接触面积，致使散热条件恶化，磨削区温度急剧升高，在磨削表面层形成较大的热应力，造成工件的局部烧伤，产生磨削裂纹。钛合金强度高、韧性大，使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。另外，钛合金热导率低、比热小，磨削时热传导慢，致使热量积聚在磨削弧区，造成磨削区温度急剧升高。2.3.3挤压加工性能对钛及钛合金进行挤压加工时，要求挤压温度高，挤压速度快，以防温降过快，同时应尽量缩短高温坯锭与模具的接触时间[4,5]。因此挤压模具应选用新型耐热模具材料，坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。鉴于在加热和挤压过程中金属易被气体污染，故还应采用适当的保护措施。挤压时应选择合适的润滑剂，以防粘结模具，如采用包套挤压和玻璃润滑挤压。因钛及钛合金的变形热效应较大，导热性较差，故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。钛合金的挤压过程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂，这是由钛合金特殊物理化学性能所决定的。钛合金的应用3.1在航空航天中的应用从20世纪50年代开始,钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。该应用主要是利用了钛合金优异的综合力学性能、低密度已及良好的耐蚀性，比如航空构架要求高抗拉强度并结合有良好的疲劳强度和断裂韧性。而钛合金的优异的高温抗拉强度、蠕变强度和高温稳定性也使之被应用于喷气式发动机上。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,应用它可以减轻飞机的重量,提高结构效率[6~8]。太空飞行器的有效载荷相对飞机较小，因此其结构的减重就显得更为重要。钛合金已在最早的阿波罗和水星计划中得到了应用，燃料箱和卫星舱体等都是钛合金的典型应用。钛合金质量轻、强度高、与燃料的长期化学稳定性好，因而比高强度钢更有优势。如Ti-3Al-2.5V合金[9]是作为低温应用而研制的，在太空的深冷条件下仍有良好的韧性和塑性。3.2在汽车制造中的应用汽