Titanium

Mục Lục

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Purpose of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 History of Titanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Emergence as Commercial Material . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Titanium Industry Status . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Traditional and Emerging Applications . . . . . . . . . . 8
1.6 Recent Developments since the First Edition –
Market Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Fundamental Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Basic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Elastic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Deformation Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.1 Slip Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.2 Deformation Twinning . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Phase Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Phase Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.1 Martensite Transformation . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2 Nucleation and Diffusional Growth . . . . . . . . . . 32
2.7 Alloy Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.8 Basic Hardening Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . 36
2.8.1 Hardening of the Alpha Phase . . . . . . . . . . . . 37
2.8.2 Hardening of the Beta Phase . . . . . . . . . . . . . 38
2.9 Basic Physical and Chemical Properties . . . . . . . . . . 42
2.9.1 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.9.2 Corrosion Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.9.3 Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Technological Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1 Sponge Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 Melting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.1 Vacuum Arc Remelting (VAR) . . . . . . . . . . . . 60
3.2.2 Cold Hearth Melting (CHM) . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.3 Melt Related Defects . . . . . . . . . . . . . . . . 68

X Contents
3.3 Primary Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4 Shaping into Components . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.1 Forging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.2 Ring Rolling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.3 Metal Removal (Machining) . . . . . . . . . . . . . 85
3.5 Near Net Shape Processes . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5.1 Casting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5.2 Powder Metallurgy . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.5.3 Laser Forming . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 95
3.5.4 Conventional Sheet Forming . . . . . . . . . . . . 97
3.5.5 Superplastic Forming and Diffusion Bonding . . . . . . 99
3.6 Conventional Joining Methods . . . . . . . . . . . . . . 104
3.6.1 Fusion Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.6.2 Friction Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.7 Surface Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.7.1 Shot Peening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.7.2 Laser Shock Processing . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.7.3 Chemical Milling . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.7.4 Electrochemical Machining . . . . . . . . . . . . . 125
3.8 Inspection Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.8.1 Ultrasonic Inspection . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.8.2 Radiographic Inspection . . . . . . . . . . . . . . 131
3.8.3 Surface Etching Inspection . . . . . . . . . . . . . 131
3.8.4 Eddy Current Inspection . . . . . . . . . . . . . . 134
3.8.5 Dye Penetrant Inspection . . . . . . . . . . . . . . 135
3.8.6 Surface Replication . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.9 Characterization Methods . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.9.1 Light Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.9.2 Electron Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.9.2.1 Transmission Electron Microscopy . . . . . . . 141
3.9.2.2 Scanning Electron Microscopy . . . . . . . . . 145
3.9.3 X-ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.9.4 Mechanical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.10 Recent Developments since the First Edition . . . . . . . . 150
3.10.1 New Titanium Production Methods . . . . . . . . . . 150
3.10.2 Friction Stir Processing . . . . . . . . . . . . . . 153
3.10.3 Low Plasticity Burnishing . . . . . . . . . . . . . 157
3.10.4 Focused Ion Beam Device Applications . . . . . . . . 161
3.10.5 Neural Networks for Structure/Property Correlations . . . 167

4 Commercially Pure (CP) Titanium and Alpha Alloys . . . . . 175
4.1 Processing and Microstructure . . . . . . . . . . . . . . 177
4.1.1 Material Processing . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.1.2 Processing into Components . . . . . . . . . . . . . 183
4.2 Microstructure, Composition, and Properties . . . . . . . . . 185

Contents XI
4.3 Properties and Applications . . . . . . . . . . . . . . . 198
5. Alpha + Beta Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.1 Processing and Microstructure . . . . . . . . . . . . . . 203
5.1.1 Fully Lamellar Microstructures . . . . . . . . . . . . 203
5.1.2 Bi-Modal Microstructures . . . . . . . . . . . . . . 208
5.1.3 Fully Equiaxed Microstructures . . . . . . . . . . . 212
5.2 Microstructure and Mechanical Properties . . . . . . . . . . 216
5.2.1 Fully Lamellar Microstructures . . . . . . . . . . . . 218
5.2.2 Bi-Modal Microstructures . . . . . . . . . . . . . . 227
5.2.3 Fully Equiaxed Microstructures . . . . . . . . . . . 234
5.2.4 Effect of Aging and Oxygen Content . . . . . . . . . 238
5.2.5 Effect of Secondary Alpha in Beta Phase . . . . . . . . 243
5.2.6 Effect of Crystallographic Texture . . . . . . . . . . 246
5.3 Properties and Applications . . . . . . . . . . . . . . . 250
6 High Temperature Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.1 Processing and Microstructure . . . . . . . . . . . . . . 260
6.2 Microstructure and Mechanical Properties . . . . . . . . . . 261
6.3 Properties and Applications . . . . . . . . . . . . . . . 270
6.4 Recent Developments since the First Edition . . . . . . . . . 272
6.4.1 Dwell Fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
6.4.2 Effect of Ni Impurities on Creep Strength . . . . . . . . 279
7 Beta Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
7.1 Processing and Microstructure . . . . . . . . . . . . . . 283
7.1.1 Beta Annealed Microstructures . . . . . . . . . . . . 284
7.1.2 Beta Processed Microstructures . . . . . . . . . . . . 290
7.1.3 Through-Transus Processed Microstructures . . . . . . 292
7.1.4 Bi-Modal Microstructures . . . . . . . . . . . . . . 295
7.2 Microstructure and Mechanical Properties . . . . . . . . . . 297
7.2.1 Effect of Processing Route . . . . . . . . . . . . . 299
7.2.1.1 Tensile Properties . . . . . . . . . . . . . . 299
7.2.1.2 Fatigue Properties . . . . . . . . . . . . . . 302
7.2.1.3 Fracture Toughness . . . . . . . . . . . . . 308
7.2.2 Effect of Age-Hardening . . . . . . . . . . . . . . 310
7.2.3 Effect of Beta Grain Size . . . . . . . . . . . . . . 315
7.3 Properties and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . 317
7.4 Recent Developments since the First Edition . . . . . . . . . 323
7.4.1 Effect of Yield Stress Level on Properties of Ti-6246 . . . 323
7.4.2 Optimization of Properties of Ti-5553 . . . . . . . . . 330
7.4.3 Distribution of Alpha Precipitates in Beta 21S . . . . . . 332

XII Contents
8 Titanium Based Intermetallics . . . . . . . . . . . . . . 337
8.1 Alloying and Microstructure . . . . . . . . . . . . . . . 338
8.2 Microstructure and Properties . . . . . . . . . . . . . . 348
8.2.1 Alpha 2 and Orthorhombic Alloys . . . . . . . . . . 349
8.2.2 Gamma Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
8.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
8.4. Recent Developments since the First Edition −
Gamma LPT Blades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

9 Titanium Matrix Composites . . . . . . . . . . . . . . . 367
9.1 Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
9.2 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
9.2.1 Tensile Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
9.2.2 Fatigue Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
9.2.3 Creep Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
9.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
10 Special Properties and Applications of Titanium . . . . . . 383
10.1 Superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
10.2 Burn Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
10.2.1 Phenomenology of Titanium Fires . . . . . . . . . . 389
10.2.2 Alloy Selection for Fire Risk Mitigation . . . . . . . 390
10.3 Hydrogen Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
10.4 Shape Memory Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
10.4.1 Phenomenology of the Shape Memory Effect . . . . . 393
10.4.2 Applications of Shape Memory Alloys . . . . . . . . 397
10.5 Biomedical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . 399
10.6 Automotive Applications . . . . . . . . . . . . . . . . 403
10.7 Sports Related Applications . . . . . . . . . . . . . . . 406
10.8 Appearance Related Applications . . . . . . . . . . . . . 408
10.9 Recent Developments since the First Edition . . . . . . . . . 410
10.9.1 Biomedical Materials . . . . . . . . . . . . . . . 410
10.9.2 Appearance Related Problems . . . . . . . . . . . . 413

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

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