Титан физические и механические свойства

Механические и технологические свойства титана и его сплавов

Механические свойства титана сильно зависят от примесей атмосферных газов – кислорода и азота, с которыми он образует сплавы типа твердых растворов внедрения. Наиболее важное практическое значение имеет примесь кислорода, по содержанию которого определяется сорт технического титана; поведение кислорода в титановых сплавах можно сравнить с поведением углерода в сталях.

Наиболее сильное упрочняющее действие на титан оказывают азот, затем кислород и углерод. В пределах, допускаемых техническими условиями на содержание этих примесей ( N 2, 2 и N 2 эквивалентно 0,02% 0 2 или 0,03% С.

Механические свойства титана

Предел прочности, МПа. 256

Относительное удлинение, %. . . . 72

Модуль нормальной упругости, ГПа. 106

С увеличением крупности зерна предел текучести ( σ 0,2 ) и временное сопротивление разрыву ( σ в) снижаются, причем это проявляется тем заметнее, чем выше содержание примесей кислорода и азота или их суммы. Характеристики пластичности мало зависят от величины зерна.

Высокочистый титан не имеет четко выраженного физического предела текучести, технический титан, содержащий 0,1-0,3% 02; 0,1-0,3% Fe , с мелкозернистой структурой ( 2 – 0,021; N 2 – 0,004%; С – 0,015; Fe Al δ — 55%.

Упрочняющее действие примеси кислорода проявляется примерно до температуры 350-400°С, а затем свойства нивелируются. Поэтому кислород не может считаться полезной добавкой для повышения жаропрочности.

Титан — нехладноломкий металл и это определяет перспективность его применения при низких температурах. В табл. 1 приведены механические свойства отожженного кованого титана с различной величиной кислородного эквивалента (К) при комнатной и низких температурах, а также склонность к хладноломкости К χ = σ в (°С) / σ в (20°С) и чувствительность к надрезу Кн = σ в (с надрезом)/ σ в (без надреза).

Табл. 1 . Механические свойства отожженного кованого титана при низких температурах (отжиг при температуре 650°С, охлаждение на воздухе)

Предел текучести σ0,2, Мпа

Временное сопротивление σb, МПа

Относительное удлинение δ, %

Относительное сужение ψ, %

480(474)

600(592)

600(628)

720(766)

820(956)

970(1070)

Значение в скобках – по данным Христиана, остальные – по данным Круппа.

При понижении температуры увеличиваются временное сопротивление разрыву и относительное удлинение, причем тем больше, чем меньше содержание примесей элементов внедрения, учитываемых кислородным эквивалентом. У наиболее чистого от примесей титана при температуре -196°С временное сопротивление разрыву вдвое выше, чем при 20°С, а относительное удлинение – в полтора раза. При величине кислородного эквивалента порядка 0,2 – 0,3% (технический титан) пластичность при температуре 20 и -196°С примерно одинакова. До температуры -196°С титан не чувствителен к надрезу. При температуре -268°С пластичность снижается, но остается достаточно высокой для использования титана в качестве конструкционного материала.

Неприятная особенность титана — ползучесть при комнатной температуре при длительном воздействии напряжений около 50% от предела текучести, а для титана повышенной чистоты — даже и при более низких напряжениях.

В зависимости от температуры сопротивление ползучести изменяется по-разному. В интервале температур 20-150°С наблюдается сильная зависимость предела текучести от продолжительности действия напряжения. При температуре 200-300°С эта зависимость почти исчезает, при дальнейшем повышении температуры появляется снова. При температуре 200-300°С отмечается пониженная скорость ползучести, особенно технического титана. В этом случае уже небольшое понижение напряжения очень сильно сокращает срок службы его. Например, технический титан σ в= 600 МПа разрушается через 10 ч при напряжении 225 МПа. При снижении напряжения до 210 МПа образцы после начальной вытяжки 10% не изменяют длины в течение 500 часов.

Сопротивление усталости может колебаться в довольно широких пределах (0,45-0,85 σ в) в зависимости от содержания примесей элементов внедрения, состояния поверхности образцов, режима термической обработки и др. Технический титан имеет более высокое сопротивление усталости, чем титан высокой степени чистоты. Оказывает влияние и метод испытания, например, при испытании методом растяжения-сжатия долговечность меньше, чем при методе изгиба-вращения. При высоких частотах может влиять нагрев образца, обусловленный низкой теплопроводностью титана.

Читайте также:  Инструмент для обжима сетевого кабеля

В периодической системе химический элемент титан обозначается, как Ti (Titanium) и располагается в побочной подгруппе IV группы, в 4 периоде под атомным номером 22. Это серебристо-белый твёрдый металл, который входит в состав большого количества минералов. Купить титан вы можете на нашем сайте.

Открыли титан в конце 18 века химики из Англии и Германии Ульям Грегор и Мартин Клапрот, причём независимо друг от друга с шестилетней разницей. Название элементу дал именно Мартин Клапрот в честь древнегреческих персонажей титанов (огромных, сильных, бессмертных существ). Как оказалось, название стало пророческим, но чтобы познакомиться со всеми свойствами титана, человечеству понадобилось ещё больше 150 лет. Только через три десятилетия удалось получить первый образец металла титана. На тот момент времени его практически не использовали из-за хрупкости. В 1925 году после ряда опытов, при помощи йодидного метода химики Ван Аркель и Де Бур добыли чистый титан.

Благодаря ценным свойствам металла, на него сразу же обратили внимание инженеры и конструкторы. Это был настоящий прорыв. В 1940 году Кролль разработал магниетермический способ получения титана из руды. Этот способ актуален и на сегодняшний день.

Физические и механические свойства

Титан является довольно тугоплавким металлом. Температура его плавления составляет 1668±3°С. По этому показателю он уступает таким металлам, как тантал, вольфрам, рений, ниобий, молибден, тантал, цирконий. Титан – это парамагнитный металл. В магнитном поле он не намагничивается, но не выталкивается из него. Изображение 2
Титан обладает низкой плотностью (4,5 г/см³) и высокой прочностью (до 140 кг/мм²). Эти свойства практически не меняются при высоких температурах. Он более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия (2,7 г/см³), зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см³). По механическим свойствам титан намного превосходит эти металлы. По прочности титан и его сплавы располагаются в одном ряду со многими марками легированных сталей.

По стойкости к коррозии титан не уступает платине. Металл обладает отличной устойчивостью в условиях кавитации. Пузырьки воздуха, образующиеся в жидкой среде при активном движении титановой детали, практически не разрушают её.

Это прочный металл, способный сопротивляться разрушению и пластической деформации. Он в 12 раз твёрже алюминия и в 4 раза – меди и железа. Ещё один важный показатель – это предел текучести. С увеличением этого показателя улучшается сопротивление деталей из титана эксплуатационным нагрузкам.

В сплавах с определёнными металлами (особенно с никелем и водородом) титан способен «запоминать» форму изделия, созданную при определённой температуре. Такое изделие потом можно деформировать и оно надолго сохранит это положение. Если же изделие нагреть до температуры, при которой оно было сделано, то изделие примет первоначальную форму. Называют это свойство «памятью».

Теплопроводность титана сравнительно низкая и коэффициент линейного расширения соответственно тоже. Из этого следует, что металл плохо проводит электричество и тепло. Зато при низких температурах он является сверхпроводником электричества, что позволяет ему передавать энергию на значительные расстояния. Также титан обладает высоким электросопротивлением.
Чистый металл титан подлежит различным видам обработки в холодном и горячем состоянии. Его можно вытягивать и делать проволоку, ковать, прокатывать в ленты, листы и фольгу с толщиной до 0,01 мм. Из титана изготавливают такие виды проката: титановая лента, титановая проволока, титановые трубы, титановые втулки, титановый круг, титановый пруток.

Химические свойства

Чистый титан – это химически активный элемент. Благодаря тому, что на его поверхности формируется плотная защитная плёнка, металл обладает высокой устойчивостью к коррозии. Он не подвергается окислению на воздухе, в соленой морской воде, не меняется во многих агрессивных химических средах (например: разбавленная и концентрированная азотная кислота, царская водка). При высоких температурах титан взаимодействует с реагентами намного активнее. На воздухе при температуре 1200°С происходит его воспламенение. Возгораясь, металл даёт яркое свечение. Активная реакция происходит и с азотом, с образованием нитридной плёнки желто-коричневого цвета на поверхности титана.

Читайте также:  Неисправности инверторных сварочных аппаратов

Реакции с соляной и серной кислотами при комнатной температуре слабые, но при нагреве металл усиленно растворяется. В результате реакции образуются низшие хлориды и моносульфат. Также происходят слабые взаимодействия с фосфорной и азотной кислотами. Металл реагирует с галогенами. Реакция с хлором происходит при 300°С.
Активная реакция с водородом протекает при температуре чуть выше комнатной. Титан активно поглощает водород. 1 г титана может поглотить до 400 см³ водорода. Нагретый металл разлагает двуокись углерода и пары воды. Взаимодействие с парами воды происходит при температуре более 800°С. В результате реакции образуется окисел металла и улетучивается водород. При более высокой температуре горячий титан поглощает углекислый газ и образует карбид и окисел.

Способы получения

Титан является одним из самых распространённых элементов на Земле. Содержание его в недрах планеты по массе составляет 0,57%. Самая большая концентрация металла наблюдается в «базальтовой оболочке» (0,9%), в гранитных породах (0,23%) и в ультраосновных породах (0,03%). Существует около 70 минералов титана, в которых он содержится в виде титановой кислоты или двуокиси. Главные минералы титановых руд это: ильменит, анатаз, рутил, брукит, лопарит, лейкоксен, перовскит и сфен. Основные мировые производители титана – это Великобритания, США, Франция, Япония, Канада, Италия, Испания и Бельгия.
Существует несколько способов получения титана. Все они применяются на практике и вполне эффективны.

1. Магниетермический процесс.

Добывают руду, содержащую титан и перерабатывают его в диоксид, который медленно и при очень высоких температурных значениях подвергают хлорированию. Хлорирование проводят в углеродной среде. Затем хлорид титана, образовавшийся в результате реакции, восстанавливают магнием. Полученный металл нагревают в вакуумном оборудовании при высокой температуре. В результате магний и хлорид магния испаряются, остаётся титан с множеством пор и пустот. Губчатый титан переплавляют для получения качественного металла.

2. Гидридно-кальциевый метод.

Сначала получают гидрид титана, а затем разделяют его на компоненты: титан и водород. Процесс происходит в безвоздушном пространстве при высокой температуре. Образуется оксид кальция, который проходит отмывку слабыми кислотами.
Гидридно-кальциевый и магниетермический методы обычно используются в промышленных масштабах. Эти методы позволяют получить значительное количество титана за небольшой промежуток времени, с минимальными денежными затратами.

3. Электролизный метод.

Хлорид или диоксид титана подвергается воздействию высокой силы тока. В результате происходит разложение соединений.

4. Йодидный метод.

Диоксид титана взаимодействует с парами йода. Далее на титановый йодид воздействуют высокой температурой, в результате чего получается титан. Этот метод является наиболее эффективным, но и самым дорогостоящим. Титан получается очень высокой чистоты без примесей и добавок.

Применение титана

Благодаря хорошим антикоррозионным свойствам титан используют для изготовления химической аппаратуры. Высокая жаростойкость металла и его сплавов способствует применению в современной технике. Сплавы титана – это прекрасный материал для самолётостроения, ракетостроения и судостроения.

Из титана создают памятники. А колокола из этого металла известны необычайным и очень красивым звучанием. Двуокись титана является компонентом некоторых лекарственных препаратов, например: мази против кожных заболеваний. Также большим спросом пользуются соединения металла с никелем, алюминием и углеродом.

Титан и его сплавы нашли применение в таких сферах, как химическая и пищевая промышленность, цветная металлургия, электроника, ядерная техника, энергомашиностроение, гальванотехника. Вооружение, броневые плиты, хирургические инструменты и имплантаты, оросительные установки, спортинвентарь и даже украшения делают из титана и его сплавов. В процессе азотирования на поверхности металла образуется золотистая плёнка, не уступающая по красоте даже настоящему золоту.

Титан (Titanium; обозначается символом Ti) – элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22.

Простое вещество титан – лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883°C. Температура плавления 1660±20°C. Титан имеет твёрдость по Бринеллю 175 МПа.

Читайте также:  Как проверить зарядку генератора мультиметром на автомобиле

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре – 0,57% по массе, в морской воде – 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных – 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим восстановлением из четырёххлористого титана металлическим магнием. Полученная при этом титановая губка маркируется по твердости специально выплавленных из неё образцов. Полученный в результате последовательного дробления губки, прессования, спекания и переплавки брикетов технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей. Поэтому содержание каждой из этих примесей ограничивается

0,02-0,06%. Аналогично, но в меньшей степени, на свойства влияют железо и кремний. Особо вредная примесь в титане и однофазных а-сплавах титана – водород. При наличии водорода по границам зерен выделяются тонкие хрупкие пластины гидридной фазы, вызывая значительную хрупкость. Водородная хрупкость наиболее опасна в сварных конструкциях из-за наличия в них внутренних напряжений. Допустимое содержание водорода в техническом титане и однофазных сплавах находится в пределах 0,008-0,012%.

Основные свойства титана

  • Цвет: серебристо-белый
  • Плотность: 4,54 г/см³
  • Температура плавления: 1668°С
  • Температура кипения: 3260°С
  • Теплопроводность: 21.9 Вт/(м·К)
  • Атомный номер: 22
  • Атомная масса: 47,9
  • Удельная теплота плавления: 358 кДж/кг
  • Удельная теплоемкость (при 20°С): 0,54 кДж/(кг.°С)
  • Модуль упругости: 112 ГПа

Механические свойства титана в большой степени зависят от содержания примесей, особенно Н, О, N и С, образующих с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Небольшое содержание кислорода, азота, углерода повышает твердость и прочность, но при этом значительно уменьшается пластичность, снижается коррозионная стойкость, ухудшается свариваемость, способность к пайке и штампуемость. Титан обладает высокими прочностью и удельной прочностью в условиях глубокого холода.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением при 20-25°С и повышенных температурах. Из него изготовляют все виды прессованного и катаного полуфабриката (листы, трубы, проволоку, поковки и др.). Ковку проводят при температуре 1000-750°С, горячую прокатку – на 100°С ниже температуры ковки. Горячей прокаткой получают листы толщиной более 6 мм, листы меньшей толщины изготовляют холодной прокаткой или с нагревом до 650-700°С. Температура прессования 950-1000°С. Титан хорошо сваривается аргонодуговой и всеми видами контактной сварки. Сварной шов обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Прочность шва составляет 90% прочности основного металла.

Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, что приводит к его быстрому износу. Для обработки титана требуется инструмент из быстрорежущей стали и твёрдых сплавов, малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение. Недостатком титана является также низкая антифрикционность.

Титановые сплавы

Достоинством титановых сплавов по сравнению с титаном являются более высокие прочность и жаропрочность при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности. Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении. Самым распространённым в мире титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V, который в российской классификации имеет обозначение ВТ6. Для изготовления деталей методами порошковой технологии используют сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТЗ-1 и другие.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые, литейные и порошковые. По механическим свойствам титановые сплавы подразделяются на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой; по структуре в отожженном состоянии они классифицируются на а-, псевдо-а, а + р, псевдо-р и р-сплавы.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector