главная страница    словари    ГОСТЫ И ТУ    свойства металлов    производители металлов    о проекте

медь  бронза  латунь  алюминий  титан  никель  кобальт  цинк  магний  олово  свинец  медно-никелевые сплавы  вольфрам   молибден   ниобий   тантал

Свойства титана

Титан — химический элемент IV группы Периодической системы Д.И. Менделеева с атомным номером 22 и атомной массой 47,9, относится к переходным металлам с недостроенной d-оболочкой. Электронная структура свободного атома титана 1s²2s²2р⁶3s ²Зр⁶Зd²4s². В конденсированном состоянии внешние валентные 3d и 4s электроны коллективизируются и образуют обоществленную (гибридизированную) 3d-4s электронную полосу.

Титан — легкий металл серебристо-белого цвета. Природный титан состоит из смеси 5 стабильных изотопов: ⁴⁶Ti (7,95%), ⁴⁷Ti (7,75%), ⁴⁸Ti (73,45%), ⁴⁹Ti (5,51%), ⁵⁰Ti (5,34%). Известны искусственные изотопы ⁴⁵Ti (Тi_1/2 = 3,09 ч), ⁵¹Ti (Ti_1/2 = 5,79 мин) и др. Наиболее распространен в природе изотоп с массовым числом 48. Наряду со стабильными изотопами могут быть различные нестабильные изотопы титана с периодами полураспада от ~0,5 с до ~1000 лет. При бомбардировке титана естественного изотопного состава тепловыми нейтронами после 6-7 мес. не обнаружено заметной активности, так как период полураспада образующихся при этом нестабильных изотопов составлял 0,5-5 с. Поэтому при применении титана в ядерных реакторах можно не опасаться высокой активности этого материала.

В зависимости от температуры и давления титан может иметь одну из трех кристаллических структур: гексагональную плотноупакованную (г.п. - α), объемно-центрированную кубическую (о.ц.к. - β) и гексагональную (г. - ω ). При атмосферном давлении и температуре ниже 882,5°С (1155,5К) стабильна α-модификация титана, при более высоких температурах вплоть до температуры плавления — β-модификация. В зависимости от скорости нагрева и охлаждения превращение а<->р может протекать с большим гистерезисом. При увеличении скорости нагрева до 107°С/с температура превращения α->β повышается до 972,5°С, а при увеличении скорости охлаждения до 86-10³ град/с температура превращения α->β снижается до 525°С. При всестороннем сжатии температура равновесия α->β понижается.

При повышении давления возможно превращение α->ω, которое имеет характер изотермического мартенситного превращения и скорость его протекания определяется скоростью изобаро-изотермического превращения. Так как скорость последнего зависит от многих факторов, связанных с исходной структурой α-титана и с условиями эксперимента, то имеются различные сведения о величине давления, вызывающего превращение α->ω.

Превращение α->ω протекает с большим гистерезисом, поэтому после снятия давления ω-фаза сохраняется в структуре. При понижении давления до 0,1 МПа ω-фаза сохраняется при температуре ниже 110°С. С увеличением давления температура превращения повышается. Точка, характеризующая трехфазное равновесие, лежит при температуре 667°С и давлении 9 ГПа. С увеличением давления температура превращения β->ω повышается незначительно.

Периоды (a и с) кристаллической решетки α-титана существенно зависят от чистоты материала и, особенно, от концентрации примесей внедрения. Анализ многочисленных экспериментальных результатов показал, что наиболее вероятные значения а и с при нормальной температуре составляют: а = 0,29503+0,00004 нм. Для β-титана период кристаллической решетки (а_β) при темпера­туре 900°С составляет 0,33065 нм. Экстраполяция значений а_β в сторону низких температур показывает, что если бы β-фаза могла существовать при нормальной температуре, а_β был равен 0,3282 нм.

Следует отметить, что ω-модификация высокого давления титана имеет гексагональную кристаллическую структуру. Однако в отличие от α-титана элементарная ячейка кристаллической решетки ω-титана содержит три атома, существенно сжата в направлении оси с и растянута в направлении оси а. Значения периодов кристаллической решетки титана, определенные при нормальной температуре, после снятия давления составляют: а = 0,4621 нм; с = 0,2806 нм, а отношение с/а = 0,607.

Процесс перестройки кристаллических решеток при полиморфном превращении в титане схематически можно представить как сложный сдвиг в нескольких направлениях.

Из ориентационных соотношений между кристаллическими решетками α- и β-фаз титана следует, что при превращении β—>α из кубического кристалла одной ориентировки возможно образование 12 различных ориентировок α-фазы, а при обратном превращении одной ориентировке α-кристалла должны соответствовать 6 ориентировок β-фазы. Экспериментально наблюдается образование α-фазы 12 кристаллографических ориентировок, однако при обратном превращении α—>β реализуется только одна, исходная ориентировка β-фазы.

Полиморфное превращение β—>α сопровождается небольшим по величине объемным эффектом, который, по оценкам различных авторов, составляет около 0,15%, причем превращение α—>ω сопровождается положительным, а ω—>α — отрицательным объемным эффектом.

Полиморфное превращение α—>ω в титане сопровождается объемным эффектом, величина которого, по оценкам различных авторов, — 1,5-2,5%, причем превращение α—>ω сопровождается отрицательным, а ω↔α — положительным объемными эффектами.                   

При превращении β—>ω имеет место отрицательный, а при ω—>β — положительный объемные эффекты порядка 0,9-1,2%. Сложный характер полиморфных превращений обусловливает физические, механические и технологические свойства титана и его сплавов.

Физические свойства титана

Хотя физические свойства титана изучены достаточно, противоречия в экспериментальных данных весьма значительны, что связано с чистотой металла, несовершенством методов исследования, недостаточно корректной обработкой экспериментальных данных.

Экспериментально определяемая температура полиморфного превращения титана зависит не только от чистоты металла, но и скорости нагрева и колеблется в пределах 1154-1168 К (881- 895°С). Наиболее вероятное значение этой температуры — 1156+0,5 К (883°С). Температура плавления титана 1944+4 К (1671°С).

Тепловое расширение твердых тел представляют истинным, средним интегральным и средним дифференцированным коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). Тепловое расширение поликристаллического титана описывается линейной функцией. Значения ТКЛР при температурах Т>300 К приведены в табл. 1.

 Удельное электросопротивление нелинейно возрастает с повышением температуры, причем отклонение в сторону меньших его значений становится особенно заметным при температуре выше 625 К. При полиморфном превращении α-->β электросопротивление скачкообразно уменьшается, причем р_α / р_β = 1,097. Для криогенных температур рекомендуются значения удельного электросопротивления, приведенные в табл. 3.

Абсолютная термоэлектродвижущая сила (т.э.д.с.) титана при температуре ниже 100 К отрицательна, в интервале 100-750 К положительна с максимумом при температуре, близкой к 330 К. При температуре 700-750 °С т.э.д.с. титана меняет знак и остается отрицательной вплоть до тем­пературы полиморфного превращения. Переход а—>р сопровождается резким увеличением т.э.д.с. Теплопроводность титана уменьшается с повышением температуры до 600 К, затем до 1000 К остается неизменной.

Физические свойства титана

 Плотность, г/см³:

α -формы при температуре, °С:

20 ...............................................................................................................4,505

870 ............................................................................................................. 4,35

β - формы при температуре 900 °С.................................................................. 4,32

Температура, °С:

плавления................................................................................................... 1668+/-5

кипения....................................................................................................... 3227

Теплопроводность при температуре 20-25 °С, Вт/(м.К)...................................... 22,065

Электропроводность при температуре ниже 0,38+/-0,01 К.......... Сверхпроводимость

Магнитность.............................................................................................. Парамагнитен

Удельная магнитная восприимчивость при температуре 20 °С, 10^-6 Г^-1 ........... 3,2+/-0,4

Удельная магнитная восприимчивость χ и упругие свойства α-титана обнаруживают сильную анизотропию. При среднем значении χ при комнатной температуре 3,165.10^-6 Г^-1 разность ее величин вдоль и перпендикулярно оси с составляет 0,52.0^-6 Г^-1. Парамагнитная восприимчивость титана с понижением температуры сначала уменьшается линейно, примерно при 50 К проходит через минимум, затем несколько увеличивается.

Упругие постоянные титана при комнатной температуре — 3,52-18,07 в зависимости от на­правления, фактор анизотропии — 1,33. Модуль нормальной упругости (Е) титана при комнатной температуре в зависимости от ориентировки кристаллитов и содержания примесей изменяется в широких пределах. В направлении оси с модуль Юнга Е = 146 ГПа, в перпендикулярном направлении — 106 ГПа; для нетекстурованного титана модуль Юнга Е ~ 112 ГПа, сдвига G - 41 ГПа и всестороннего сжатия К =126 ГПа, коэффициент Пуассона ν = 0,32. С повышением температуры модуль упругости титана и титановых сплавов снижается почти по линейному закону. Небольшое значение модуля упругости титана — существенный его недостаток.

Титан высокой степени чистоты ковок при обычной температуре. Применяемый в промыш­ленности технический титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале температур 865-920°С.

Химические свойства титана. Чистый титан — химически активный переходный металл, в соединениях степень окисления +4, реже +3 и +2. Титан бурно реагирует с сухими галогенами, при повышенных температурах — с атмосферными газами и водородом.

С кислородом воздуха взаимодействует при температуре выше 600°С с образованием диоксида титана. Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении оксидной пленки при ударе или трении возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках.

Оксидная пленка не защищает титан в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), поэтому его плавка и сварка должны проводить­ся в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Титан нельзя плавить в тиглях из его оксида (в отличие от алюминия). Расплавленный титан реагирует почти со всеми оксидными огнеупорами, поэтому его плавят в медных водоохлаждаемых тиглях. Он обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практического использования; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при температуре 400°С и выше. Растворимость водорода в титане обратима и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме. С азотом титан реагирует при температуре выше 700°С с получе­нием нитридов типа TiN. В виде тонкого порошка или проволоки титан горит в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в титане значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенной твердостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий травлением или механической обработкой. Титан энергично взаимодействует с сухими галогенами, по отношению к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора.

С углеродом, бором, селеном и кремнием титан образует металлоподобные соединения, отли­чающиеся тугоплавкостью и высокой твердостью. Карбид титана TiC (температура плавления 3140°С) получают нагреванием смеси диоксида титана с сажей при температуре 1900-2000°С в атмосфере водорода; нитрид титана TiN (температура плавления 2950°С) — нагреванием порошка титана в азоте при температуре выше 700°С. Известны силициды (TiSi₂, Ti₅Si₂, TiSi) и бориды титана (TiB, Ti₂B₅TiB₂). При температуре 400-600°С титан поглощает водород с образованием твердых растворов и гидридов (TiH, ТН₂). При сплавлении диоксида титана со щёлочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (Na₄Ti0₄), а также полититанаты (Na₂TiO₃ и Na₂Ti₃O₇). К титанатам относятся важнейшие минералы титана, например, ильменит FeTiO₃, перовскит СаTiO₃. Все титанаты малорастворимы в воде. Диоксид титана, титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат TiOSO₄. При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается Н₂ТiO₃, из которой получают диоксид титана. При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения Ti (1У), образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава Н₄ТiO₅ и Н₄ТiO₈ и соответствующие им соли. Эти соединения окрашены в желтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации титана), что используется для аналитического определения титана.

Коррозионные свойства титана

 В твердом состоянии и при умеренно высоких температурах (примерно до 100°С) благодаря наличию прочной оксидной пленки титан является коррозионностойким металлом во многих агрессивных средах. Особое значение для промышленного примене­ния титана имеет его высокая коррозионная стойкость в морской воде и атмосфере, а также во влажном хлоре и некоторых водных растворах кислот и солей. Менее стоек титан в бескислородных кислотах и щелочных средах (табл. 3).

Небольшие добавки металлов платиновой группы, а также легирование молибденом повышают коррозионную стойкость титана и расширяют возможности его использования как коррозионностойкого материала.                                                 

Титан устойчив в азотной кислоте любой концентрации (за исключением красной дымящейся, вызывающей коррозионное растрескивание его, причем реакция иногда идет со взрывом) и в слабых растворах серной кислоты (до 5% по массе). Соляная, плавиковая, концентрированная серная, а также горячие органические кислоты: щавелевая, муравьиная и трихлоруксусная реагируют с титаном.

Титан коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумажной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии.

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 (<0,05%N₂, <0,25% О₂ и <0,05% С), их действие можно считать аддитивным. Влияние 0,01% N₂ эквивалентно 0,02% 0₂ 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 (<20 мкм) напротив имеет четко выраженный физический предел текучести. При содержании в электролитическом металле, %: 0₂ - 0,021; N₂ - 0,004%; С - 0,015; Fe<0,005; Al<0,04 предел текучести — 105 МПа, временное сопротивление разрыву — 234 МПа, относительное удлинение 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. 4 приведены механические свойства отожженного кованого титана с различной величиной кислородного эквивалента (К) при комнатной и низких температурах, а также склонность к хладноломкости Кχ = σ_в (°С) /σ_в (20°С) и чувствительность к надрезу        К_н = σ_в (с надрезом)/σ_в (без надреза).

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.