Титан. Характеристики физико-механических свойств титана — «Тиком-М»

 +8-916-520-93-00

• Главная страница
• О титане и титановых сплавах
• Титан

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алю-миния, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (s _в/r  ×  g), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик.

Основные сведения о титане

Титан — химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см3, Tпл=1668+(-)5 °С, Tкип=3260 °С. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

История открытия титана

Оксид титана TiO2 впервые был обнаружен в 1789 году английским ученым, специалистом в области минералогии У. Грегором, который при исследовании магнитного железистого песка выделил окись неизвестного металла, назвав ее менакеновой. Первый образец металлического титана получил в 1825 году шведский химик и минераловед Й. Я. Берцелиус.

Свойства титана

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4 °С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа.

Известны две аллотропические модификации титана (две разновидности титана, имеющие одинаковый химический состав, но различное строение и свойства). Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 °С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С и до температуры плавления.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза — железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. Модули упругости характеризуют способность материала упруго деформироваться при приложении к нему силы. Анизотропия заключается в различии свойств упругости в зависимости от направления действия силы. С повышением температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана — существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.

Титан — парамагнитный металл. Обычно у парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании уменьшается. Магнитная восприимчивость характеризует связь между намагниченностью вещества и магнитным полем в этом веществе. Титан составляет исключение из этого правила — его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)

Плотность r , кг/м3	4,5 × 10–3
Температура плавления Тпл, ° С	1668± 4
Коэффициент линейного расширения a  ×  10–6, град–1	8,9
Теплопроводность l , Вт/(м × град)	16,76
Предел прочности при растяжении s в, МПа	300–450
Условный предел текучести s 0,2, МПа	250–380
Удельная прочность (s в/r × g)× 10–3, км	7–10
Относительное удлинение d , %	25–30
Относительное сужение Y , %	50–60
Модуль нормальной упругости Е´ 10–3, МПа	110,25
Модуль сдвига G´ 10–3, МПа	41
Коэффициент Пуассона m ,	0,32
Твердость НВ	103
Ударная вязкость KCU, Дж/см2	120

Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом 

а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.

Поэтому содержание примесей, особенно газов, в титане и титановых сплавах (табл. 17.1, 17.2) строго ограничено.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок: 
ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-Т_В (см. табл. 17.1). Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, Т_В — твердый.

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: s _в = 375–540 МПа, s _0,2 = 295–410 МПа, d ³ 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей.

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому сотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов (подробнее см. гл. 13).

При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) — почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO₂, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм.

Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой) (см. гл. 3).

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Таблица 17.1

Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)

Марка	Ti, не менее	Не более							Твердость НВ, 10/1500/30, не более
		Fe	Si	Ni	C	Cl	N	O
ТГ-90	99,74	0,05	0,01	0,04	0,02	0,08	0,02	0,04	90
ТГ-100	99,72	0,06	0,01	0,04	0,03	0,08	0,02	0,04	100
ТГ-110	99,67	0,09	0,02	0,04	0,03	0,08	0,02	0,05	110
ТГ-120	99,64	0,11	0,02	0,04	0,03	0,08	0,02	0,06	120
ТГ-130	99,56	0,13	0,03	0,04	0,03	0,10	0,03	0,08	130
ТГ-150	99,45	0,2	0,03	0,04	0,03	0,12	0,03	0,10	150
ТГ-Тв	99,75	1,9	–	–	0,10	0,15	0,10	–	–

Таблица 17. 2

Марки и химический состав (%) деформируемых титановых сплавов (ГОСТ 19807–91)

Обозначения марок	Ti	Al	V	Mo	Sn	Zr	Mn	Cr	Si	Fe	O	H	N	C
ВТ1-00	Основа	–	–	–	–	–	–	–	0,08	0,15	0,10	0,008	0,04	0,05
ВТ1-0	То же	–	–	–	–	–	–	–	0,10	0,25	0,20	0,010	0,04	0,07
ВТ1-2	То же	–	–	–	–	–	–	–	0,15	1,5	0,30	0,010	0,15	0,10
ОТ4-0	То же	0,4–1,4	–	–	–	0,30	0,5–1,3	–	0,12	0,30	0,15	0,012	0,05	0,10
ОТ4-1	То же	1,5–2,5	–	–	–	0,30	0,7–2,0	–	0,12	0,30	0,15	0,012	0,05	0,10
ОТ4	То же	3,5–5,0	–	–	–	0,30	0,8–2,0	–	0,12	0,30	0,15	0,012	0,05	0,10
ВТ5	То же	4,5–6,2	1,2	0,8	–	0,30	–	–	0,12	0,30	0,20	0,015	0,05	0,10
ВТ5-1	То же	4,3–6,0	1,0	–	2,0 –3,0	0,30	–	–	0,12	0,30	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ6	То же	5,3–6,8	3,5–5,3	–	–	0,30	–	–	0,10	0,60	0,20	0,015	0,05	0,10
ВТ6с	То же	5,3–6,5	3,5–4,5	–	–	0,30	–	–	0,15	0,25	0,15	0,015	0,04	0,10
ВТ3-1	То же	5,5–7,0	–	2,0–3,0	–	0,50	–	0,8–2,0	0,15–0,40	0,2–0,7	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ8	То же	5,8–7,0	–	2,8–3,8	–	0,50	–	–	0,20–0,40	0,30	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ9	То же	5,8–7,0	–	2,8–3,8	–	1,0–2,0	–	–	0,20–0,35	0,25	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ14	То же	3,5–6,3	0,9–1,9	2,5–3,8	–	0,30	–	–	0,15	0,25	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ20	То же	5,5–7,0	0,8–2,5	0,5–2,0	–	1,5–2,5	–	–	0,15	0,25	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ22	То же	4,4–5,7	4,0–5,5	4,0–5,5	–	0,30	–	0,5–1,5	0,15	0,5–1,5	0,18	0,015	0,05	0,10
ПТ-7М	То же	1,8–2,5	–	–	–	2,0–3,0	–	–	0,12	0,25	0,15	0,006	0,04	0,10
ПТ-3В	То же	3,5–5,0	1,2–2,5	–	–	0,30	–	–	0,12	0,25	0,15	0,006	0,04	0,10
АТ3	То же	2,0–3,5	–	–	–	–	–	0,2–0,5	0,20–0,40	0,2–0,5	0,15	0,008	0,05	0,10

Примечание. Сумма прочих примесей во всех сплавах составляет 0,30 %, в сплаве ВТ1-00 — 0,10 %.

Плотность титана (Ti), значение и примеры

Онлайн калькуляторы

На нашем сайте собрано более 100 бесплатных онлайн калькуляторов по математике, геометрии и физике.

Справочник

Основные формулы, таблицы и теоремы для учащихся. Все что нужно, чтобы сделать домашнее задание!

Заказать решение

Не можете решить контрольную?!
Мы поможем! Более 20 000 авторов выполнят вашу работу от 100 руб!

Плотность титана и другие его физические свойства

Рис. 1. Титан. Внешний вид.

Основные константы титана приведены в таблице ниже.

Таблица 1. Физические свойства и плотность титана.

Плотность, г/см3	4,54
Температура плавления, oС	1667
Температура кипения, oС	3385
Тип кристаллической решетки	гексагональная

Титан имеет гексагональную плотноупакованную структуру, которая при высоких температурах трансформируется в кубическую объемно-центрированную.

Распространенность титана в природе

По распространенности в земной коре титан занимает девятое место среди всех химических элементов. Его содержание в ней составляет 0,63% (масс.). Титан встречается в природе исключительно в виде соединений. Из минералов титана наибольшее значение имеют рутил TiO₂, ильменит FeTiO₃, перовскит CaTiO₃.

Краткая характеристика химических свойств и плотность титана

При обычной температуре титан в компактном виде (т.е. в форме слитков, толстой проволоки и т.д.) на воздухе коррозионно устойчив. Например, он в противоположность сплавам на основе железа не ржавеет даже в морской воде. Это объясняется образованием на поверхности тонкой, но сплошной и плотной защитной пленки оксида. При нагревании пленка разрушается, и активность титана заметно возрастает. Так, в атмосфере кислорода компактный титан загорается лишь при температуре белого каления (1000^oС), превращаясь в порошок оксида TiO₂. Реакции с азотом и водородом протекают примерно при тех же температурах, но гораздо медленнее, при этом образуются нитрид TiN и гидрид TiH₄ титана.

Ti + O₂ = TiO₂;

2Ti + N₂ = 2TiN;

Ti + 2H₂ = TiH₄.

Площадь поверхности титана существенно влияет на скорость реакций окисления: тонкие стружки титана вспыхивают при внесении в пламя, а очень мелкие порошки пирофорны – на воздухе самовоспламеняются.

Реакция с галогенами начинается при слабом нагревании и, как правило, сопровождается выделением значительного количества теплоты, при этом всегда образуются тетрагалогенидытитна. Лишь в взаимодействие с йодом требует более высоких (200^oС) температур.

Ti + 2Cl₂ = TiCl₄;

Ti + 2Br₂ = TiBr₄.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Плотность, другие характеристики и применение

Титан, также обозначаемый аббревиатурой Ti, известен своей низкой плотностью и высокой прочностью, а также имеет самое высокое отношение веса к прочности среди всех конструкционных металлов. В природе титан является широко встречающимся минералом, встречающимся практически во всех земных горных породах и водоемах. Его наиболее распространенное соединение, диоксид титана, используется в производстве белых пигментов, а другие соединения могут использоваться в качестве химических катализаторов.

Для чего используется титан?

В промышленных целях титан часто сплавляют с другими металлами, чтобы улучшить его врожденные свойства, при этом металлы, такие как железо, алюминий и молибден, составляют распространенный выбор сплавов для аэрокосмических применений. В своей нелегированной форме титан обладает такой же прочностью, как некоторые виды стали, но на 45 процентов легче. Титан также устойчив к коррозии, что делает его ключевым выбором для высокопроизводительных приложений — медицинских устройств, реактивных двигателей, военного применения и электронных товаров — это лишь некоторые из предметов, которые выигрывают от свойств титана.

История титана

Титан

получил свое название от немецкого химика М. Х. Клапротом после того, как он успешно отделил диоксид титана (TiO2) от рутила (минерала, обычно встречающегося в магматических и метаморфических породах) в конце 1700-х годов. Произошло разделение в будущем, но чистый титан не был выделен до 1910 года американским химиком М. А. Хантером. Уроженец Люксембурга Уильям Кролл позже запатентовал процесс производства титана в 1938 году, и вскоре после этого последовало крупное производство титана, титановых сплавов и диоксида титана.

Диоксид титана является наиболее распространенной формой и до сих пор широко используется для пигментов и красок, ткани и тканей.

Чистый титан

в основном используется в виде сплава с другими металлами, поскольку он обеспечивает чрезвычайно высокую температуру плавления, очень легкий вес и устойчивость к коррозии. Такое использование делает его идеальным для аэрокосмической, морской и медицинской промышленности.

Физические и химические свойства титана

Физически титан отличается прочностью, низкой плотностью и пластичностью. Кроме того, он отличается низкой электро- и теплопроводностью. Насколько плотен титан? Плотность титана на 60 процентов больше, чем у алюминия, но он в два раза прочнее и способен сохранять свою прочность при высоких температурах из-за чрезвычайно высокой температуры плавления: около 1650 градусов Цельсия (C). Хотя титан твердый, он не такой твердый, как некоторые марки стали, особенно те, которые прошли термическую обработку.

В химическом отношении наиболее заметной характеристикой титана является его коррозионная стойкость — титан может противостоять соляной кислоте, хлору и большинству органических кислот, но растворяется при воздействии высококонцентрированных кислот. В чистом газообразном азоте горит титан. При контакте с водой и воздухом титан образует оксидное покрытие, которое еще больше замедляет реакцию. Однако при более высоких температурах титан быстро реагирует с воздухом или кислородом (1200°С для воздуха, 1130°С для чистого кислорода).

Полезные ресурсы титана:

• Международная титановая ассоциация
• Титановая страница Лос-Аламосской национальной лаборатории
• Информация о титане Геологической службы США 
• Энциклопедия ресурсов титана Земли
• Пигменты на протяжении веков: диоксид титана

Изделия из других металлов

• Ведущие производители и поставщики вольфрама и карбида вольфрама в США
• Типы бронзы
• О проволочных формах — краткое руководство
• О проволочных изделиях — Краткое руководство
• О нержавеющей стали – краткое руководство
• Типы алюминиевых и никелевых сплавов
• Стандартные размеры листового металла
• Ведущие поставщики металлов

Больше из Металлы и изделия из металла

Титан против нержавеющей стали и ссылки на новости

6 мая 2020 г. | Новости металлургии

Как титан, так и нержавеющая сталь широко используются в самых разных сферах бытового и промышленного применения. В этой статье рассматриваются основные различия в дополнение к обзору различных областей применения нержавеющей стали. 93. Низкая плотность титана делает его идеальным выбором для приложений, зависящих от веса.

Эластичность

Эластичность — это мера гибкости материала. Другими словами, он измеряет, насколько легко согнуть/деформировать материал без деформации. Типичная эластичность нержавеющей стали составляет ~ 200 ГПа по сравнению с ~ 115 ГПа титана. Низкая эластичность титана затрудняет его обработку по сравнению с нержавеющей сталью.

Прочность на растяжение 

Прочность на растяжение измеряет максимальное напряжение, которое может выдержать конструкция. Прочность на растяжение нержавеющей стали составляет 485 МПа против 480 МПа титана. Для некоторой дополнительной перспективы, алюминий имеет МПа только 90, а у меди всего 200 МПа.

Здесь важно отметить, что в то время как нержавеющая сталь имеет большую общую прочность, титан имеет большую прочность на единицу массы. В результате, если общая прочность является основным фактором, определяющим решение о применении, нержавеющая сталь, как правило, является лучшим выбором. Если вес является основным фактором, титан может быть лучшим выбором.

Предел текучести

Предел текучести или предел текучести материала — это напряжение, при котором материал начинает деформироваться. Предел текучести нержавеющей стали 304L составляет 170 МПа по сравнению с пределом текучести Ti-6AI-4V (марка титана) 1100 МПа. Как показывает разница в эластичности, титан труднее поддается механической обработке, но имеет большую прочность на единицу массы.

Также стоит отметить, что титан биосовместим, в то время как нержавеющая сталь не делает титан идеальным выбором для многих медицинских применений.

Общие области применения

Нержавеющая сталь широко используется во многих отраслях промышленности. В частности, нержавеющая сталь широко используется в строительстве. Эта тенденция может сохраниться, поскольку нержавеющая сталь часто состоит из большого количества переработанного металла.

Использование нержавеющей стали в автомобильной промышленности восходит к 1930-х годов, и эта тенденция сохраняется и по сей день. Примеры автомобильных применений включают автомобильные выхлопные системы и решетки.

Кроме того, из-за устойчивости металла к коррозии в медицинском оборудовании часто используется нержавеющая сталь. Примеры включают сканеры МРТ и различные стоматологические инструменты.

Наконец, нефтегазовая промышленность выигрывает от высокого уровня прочности нержавеющей стали. Были даже разработаны специальные марки для повышения коррозионной стойкости в более широком диапазоне температур.

Пожалуйста, обратитесь к этому сообщению, чтобы узнать больше о распространенных применениях титана.

Кроме того, посмотрите видео ниже, чтобы узнать больше о различных сортах нержавеющей стали: