上海交通大学：《材料与文明》课程教学资源（课程资料）11.Ti and medical related

图 钛元素 ● 钛源于Titans,即希腊神话中地球上大力士。 ● 地壳中钛元素含量位列第四(0.86%) ,居铝、铁、 镁之后。 自然界中不存在纯钛，仅以氧化物存在，如FeTi03、 Ti02。 强度与钢相当，而密度几乎仅有钢的一半。 tlas.c.460BC Photo FSrlag-6ML Rutile (TiO2) llmenite(FeTiO3) Titans 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 钛元素 • 钛源于Titans，即希腊神话中地球上大力士。 • 地壳中钛元素含量位列第四 (0.86%) ，居铝、铁、 镁之后。 • 自然界中不存在纯钛，仅以氧化物存在，如FeTiO3、 TiO2。 • 强度与钢相当，而密度几乎仅有钢的一半。 Rutile (TiO2) Ilmenite (FeTiO3) Titans

钛的物理性质 250 钛的特性 CFRP 200 sigle crystal superaloys 晶体结构： HCP(<882.5C) 150 dtanlum alloys BcC(882.5C) 100 TIA aloys 原子半径： 0.320 50 Al alloys 密度： 4.54 steels and supemloys 熔点： 1667 500 750 1000 1250 1500 Tamperalure[K] 882.5度同素异构转 High corrosive 变（a-Ti←→B-Ti)。 resistance Low specifio gravity 与氧、氮、碳和氢剧 工轻金属重金属 M 烈反应。 TITANIUM 价格昂贵。主要用于 价格不是关键因素的 High speero 先进应用场合。 strength 6 0 密度Iao 高强度和韧性。 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 钛的物理性质 882.5度同素异构转 变 (α-Ti↔β-Ti)。 与氧、氮、碳和氢剧 烈反应。 价格昂贵。主要用于 价格不是关键因素的 先进应用场合。 高强度和韧性。 晶体结构： 原子半径： 密度： 熔点： 钛的特性

纯钛组织基本形态 形变再结晶退火后，α相呈等轴状，称等轴α； B相区缓慢冷却，α相以集束片状形式沿B晶界和晶 内有规则的析出，此类形态称魏氏α； B相区快冷，则发生马氏体转变，马氏体形态与纯度 有关：高纯钛中呈锯齿状，工业纯钛中呈片状，两者均属板 条状马氏体。 Annealed at700°C/1h. Quenched from B phase field. Air-cooled from B phase field. 等轴a 板条状马氏体 魏氏a 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 纯钛组织基本形态 形变再结晶退火后，α相呈等轴状，称等轴α； β相区缓慢冷却，α相以集束片状形式沿β晶界和晶 内有规则的析出，此类形态称魏氏α； β相区快冷，则发生马氏体转变，马氏体形态与纯度 有关：高纯钛中呈锯齿状，工业纯钛中呈片状，两者均属板 条状马氏体。 等轴α 板条状马氏体 魏氏α

图 冷却速度与结构 1C/min 100 C/min 8000C/min 50μm 50um 50um Effect of cooling rate from the B phaseon the lamellar structure,Ti-6242 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 冷却速度与结构

③ 冷却速度与结构 20μm 20μm 2μm Slow-cooled from B field Slow-cooled from a+B field Quenched from B field 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 冷却速度与结构

国 钛简史 1791年：英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现。 1795年：德国化学家克拉普罗特在匈牙利的金红石时也发现。 所发现的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金属钛。 1910年：美国化学家亨特首次制得纯度达99.9%金属钛。 1940年：卢森堡科学家W.J.Kro11用镁还原TiC14制得纯钛，成为 生产海绵钛的工业方法。 1948年：美国杜邦公司开始工业化生产，当年产量仅2吨 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 钛简史 1791年：英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现。 1795年：德国化学家克拉普罗特在匈牙利的金红石时也发现。 所发现的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金属钛。 1910年：美国化学家亨特首次制得纯度达99.9%金属钛。 1940年：卢森堡科学家W.J.Kroll用镁还原TiCl4制得纯钛，成为 生产海绵钛的工业方法。 1948年：美国杜邦公司开始工业化生产，当年产量仅2吨

图 钛资源 全球钛资源储量分布（折合Ti02,2011) 全球钛精矿产量分布（折合Ti02,2011) 马达加斯 加拿大 加，5% 其他.4% 5% 其他 挪成，5% 澳大利亚， 辉成 9% 乌克兰， 19% 5% 7% 马达如新加 29% 6% 越南8%， 已西 6% L南非17% 南年 奏大利至 中国，8% 109% 17% 印度 13% 莫桑比克， 加拿大， 8% 印度，9% 10% 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 钛资源

图 钛产业 世界总产量（吨）一 美国（吨） 一日本（吨） 哈萨克斯坦（吨）一 俄罗斯（吨） 乌克兰（吨） 200000 70000 一中国（吨） 60000 150000 50000 40000 100000 30000 50000 20000 10000 0 0 2001200220032004200520062007200820092010 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 钛产业

钛消费 A 中国钛材消费结构 世界钛材消费结构 0% 2% 6% 8% 6% 3% 43% 4% 50% 53% 6% 10% 69% 2% ■化工 ■航空航天■船舶 ■治金 ■电力 ■医药 ■制盐 ■海洋工程 ■商用飞机■军用飞机■工业■新兴产业 ■体育休闲■其它 量出口 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 钛消费

@ 军用飞机钛合金用量 机型 F-16 YF-17 F/A-18F/A-18F/A-18F/A-22 F-35 B-1 B-2 X-45AX-45B A/B C/D E/F 复合 材料 3 8 9.5 10 23 24 36 29 38 50 90 钛合金 2 7 12 13 15 41 27 21 26 铝合金 83 73 50 50 29 15 41 19 钢 5 10 15 16 14 9 6 马赫数M>5时，蒙皮温度高达数千华氏 度，高超音速轰炸机用材问题非常突出。 即使早期研制的SR-71高空高速侦察机 (M=3),蒙皮温度已相当高，故钛合 金用量高达93%。 Schoor or materas ocrence and gc

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 军用飞机钛合金用量 机型 F-16 YF-17 F/A-18 A/B F/A-18 C/D F/A-18 E/F F/A-22 F-35 B-1 B-2 X-45A X-45B 复合 材料 3 8 9.5 10 23 24 36 29 38 50 90 钛合金 2 7 12 13 15 41 27 21 26 铝合金 83 73 50 50 29 15 41 19 钢 5 10 15 16 14 5 9 6 马赫数M>5时，蒙皮温度高达数千华氏 度，高超音速轰炸机用材问题非常突出。 即使早期研制的SR-71高空高速侦察机 （M=3），蒙皮温度已相当高，故钛合 金用量高达93%