Твердость считается относительной величиной, которая относится к тому, как материал реагирует на царапины, вмятины, травления и другие удары, наносимые на его поверхность. Твердость металла измеряется с помощью индентора. Титан тверд, но не достигает уровня стали. Это не означает, что титан легко деформируется. Напротив, титан образует твердый слой диоксида, который защищает металл от царапин. Сталь твердая и не царапается. Это делает его подходящим для применений, требующих воздействия суровых условий.

Сравнение стали с титаном — лучший способ определить лучший материал для проекта. Однако важно понимать, что выбор материала между сталью и титаном зависит от конкретной области применения.

Различия между титаном и сталью можно объяснить различными аспектами, такими как механические свойства. Эти различия позволяют лучше понять каждый металл.

Ссылки на связанные источники:

Нержавеющая сталь 18/10 VS Нержавеющая сталь 18/8: в чем различия

Алюминий против нержавеющей стали: в чем разница?

Углеродистая сталь и нержавеющая сталь: в чем разница?

Нержавеющая сталь 304 и 316: в чем разница?

Нержавеющая сталь 420 и нержавеющая сталь 430: в чем разница?

Хирургическая сталь и нержавеющая сталь: в чем разница?

Рошиндустри специализируется на высоком качестве Быстрое прототипирование, быстрый мелкосерийное производство и крупносерийное производство. Услуги быстрого прототипа, которые мы предоставляем, — это профессиональный инжиниринг, Обработка CNC включая фрезерные и токарные станки с ЧПУ, Изготовление листового металла или прототипирование листового металла, Умрите литье, металлическое тиснение, Вакуумное литье, 3D печать, SLA, Изготовление прототипов методом экструзии пластика и алюминия, Быстрая оснастка, Быстрое литье под давлением, Обработка поверхности закончить услуги и другие услуги быстрого прототипирования Китая, пожалуйста свяжитесь с нами прямо сейчас.

Рейтинг самых твердых металлов на планете

Оглавление

Просмотров: 172

В мире существует большое разнообразие металлов, которые обладают своими отличительными особенностями и уникальными характеристиками. Некоторые из них отличаются низким или высоким коэффициентом сопротивления, другие являются ковкими, третьи – пластичными.

Существуют металлы, которые отличаются своей невероятной твердостью. Самым известным из них является титан. Однако и у него есть достойные конкуренты.

Характеристика титана

Данный химический элемент в чистом виде был выделен в 1825 году. Удалось это шведскому химику Берцелиусу. Титан – это металл, который имеет серебристо-белый цвет и отличается небольшим весом. Элемент имеет малую молекулярную массу, которая составляет всего 22. Для титана характерны следующие свойства:

1. Плотность твердого титана составляет 4,51 грамм на кубический сантиметр. В жидком состоянии плотность металла снижается до 4,12 грамм на сантиметр кубический.

2. Температура плавления – 1668 градусов Цельсия.

3. Температура закипания – 3227 градусов Цельсия.

4. Твердость НВ – 103. Данный показатель может изменяться в зависимости от наличия и количества примесей.

5. Упругость у титана не самая высокая, что является весомым недостатком материала.

6. При обычных условиях металл не корродирует.

7. Титан – это инертный материал, благодаря этому его широко используют в медицинских целях. Однако инертность снижается под влиянием высоких температур. Таким образом, при ее повышении до 200 градусов, титан начинает активно поглощать водород, меняя свои характеристики.

8. Плохо проводит электрический ток.

По шкале МООСА твердость титана составляет 4,5. Из этого можно сделать вывод, что он не является самым твердым металлом. Тем не менее, из других твердых он получил наибольшее распространение.

Использование титана

Титан применяется практически в каждой области промышленности, притом довольно широко его распространение.

Сегодня материал используется в таких сферах человеческой деятельности:

• Авиастроение. Некоторые элементы самолетов испытывают воздействие высоких температур, а также подвергаются действию деформационных сил. Поэтому в воздушном судне многие детали (элементы шасси, заклепки, некоторые части корпуса) сделаны из титана.

• Космические аппараты. Данная техника испытывает еще большие нагрузки чем самолеты, поэтому здесь также используется титан. В больших количествах материал применяется для обшивки.

• Судостроение.

• Добыча нефти и газа. Титановые компоненты в основном встречаются в бурящих трубах и насосах, работающих под большим давлением.

• Строительство. Титан, который обладает высокой твердостью, необходим для создания особенно важных элементов конструкций.

• Медицинская промышленность. Многие протезы и инструменты изготавливаются из данного металла.

• Спорт. Из титана делаются некоторые велосипедные детали, турники и другой спортивный инвентарь.

• Химическая промышленность. Титан является незаменимым, когда необходимо получить твердое вещество устойчивое к кислотам. В химической промышленности без данного металла невозможно обойтись при изготовлении различных обменников, труб и других различных конструкций.

Несмотря на свою высокую твердость, титан достаточно легкий металл. Данный факт также влияет на широкое распространение использование титана в разных сферах промышленности. Изделия из него отличаются долговечностью.

Особенности титана и его примесей

Данный металл обладает еще одним примечательным свойством – парамагнитность. Это означает, что титан не притягивается под действием магнитного поля, вместе с тем он и не может выталкиваться магнитного поля. В процессе производства пытаются получить максимально чистый металл, где будет минимальное количество примесей. Это необходимо, чтоб получить максимальную твердость вещества.

Если в титане присутствуют неметаллические примеси, то такое вещество получается не таким твердым и более ломким. При этом примеси других металлов сделают материал менее жаропрочным. Если в титане присутствует какая-либо примесь (даже в минимальном количестве), то металл считается техническим. Зачастую данная разновидность проявляет наибольшую противокоррозионную стойкость.

Важно! Необычным свойствам титана является тот факт, что даже минимальное попадание в него другого вещества, в значительной степени влияет на первоначальные характеристики металла.

В сравнении с другими металлами, которые часто используются в хозяйственной деятельности человечества, то титан вдвое прочнее железа и в шесть раз крепче алюминия. Данный материал практически не подвержен коррозии. По данной характеристике он ушел далеко вперед от нержавеющей стали и алюминия.

Получение материала

По распространенности титан занимает 10 место на планете. Зачастую рассматриваемое вещество в природе встречается в виде титановой кислоты, находящейся в минералах. В частности бывают такие титановые руды:

• Анатаз;
• Брукит;
• Первоксит;
• Рутил.

Запасы данных веществ в большом количестве присутствуют в Бельгии, Великобритании, Испании, РФ, США, Франции и Японии.

На данный момент используется несколько вариантов получения титана:

1. Электролиз. Через титановую руду пропускают сильный ток, в результате материал распадается на компоненты.
2. Магниетермия. В первую очередь добывают диоксид титана. Далее вещество хлорируют с добавлением специального катализатора, ведь в естественных условиях процесс будет протекать очень медленно и долго. Вырабатывается газ, который восстанавливается при помощи натрия и магния. Далее смесь нагревается и из нее выплавляется титан.
3. Рафинирование. В данном случае диоксид титана обрабатывают при помощи паров йода. Таким образом получают йодид титана. Полученное вещество нагревается до высоких температур, а также подвергается воздействию тока. На выходе получается йод и титан.
4. Гидридно-кальциевый метод. Для начала добывают гидрид натрия. Далее происходит разделение смеси на составляющие.

На масштабных производствах зачастую используется два метода: магниетермический и гидридно-кальциевый. Это связано с тем, что данные способы позволяют получить чистый титан при самых низких затратах.

Иные металлы с высокой твердостью

Как уже было сказано, титан – это не самый твердый металл на Земле. Он имеет достаточно много конкурентов (если в расчет брать исключительно прочностные характеристики). Кроме титана в мире существуют такие твердые металлы:

• Иридий. На самом деле именно этот материал занимает первое место по твердости. Однако это является также и его минусом: его очень трудно обрабатывать, поэтому его используют крайне редко. Его применяют для изготовления некоторых компонентов в ракетостроении, кроме того, он используется в машиностроении и в производстве шариков для ручек. Иридий плавиться при температуре 2466 градусов Цельсия, имеет светло-серебристый цвет. В природе встречается очень редко, зачастую имеет метеоритное происхождение.

• Рутений. Также очень редкий металл, по подсчетам его на Земле всего около 5 000 тонн. Добыча рутения составляет порядка 18 тонн в год. В связи с тем, что вещества крайне мало, оно используется только как катализатор химически процессов. Кроме того, рутений добавляют к титану, чтоб получить более устойчивый к ржавчине материал.

• Хром. Материал был открыт в середине 18 века. Он имеет голубовато-белый цвет. Нашел применение в металлургии, машиностроении и в науке. В природе имеется достаточно ограниченное количество вещества.

• Бериллий. Данный материал получил распространение в атомной энергетике, кроме того, его используют в производстве рентгеновских аппаратов, громкоговорителей высоких частот, огнеупорных материалов. Бериллий очень сложно обрабатывать, ведь он не только твердый, но еще и очень хрупкий.

• Осмий. По характеристикам очень похож на иридий. Данный материал является тугоплавким, невероятно твердым и сложным в обработке. Зачастую встречается в медицинской промышленности. В частности, его используют практически во всех кардиостимуляторах.

• Вольфрам. Самый тугоплавкий металл на планете, он имеет серебристо-серый оттенок. Благодаря своему свойству используется в элементах накаливания. Довольно часто из него делают тару для хранения радиоактивных веществ. Также из вольфрама делают хирургический инструмент, используется в военной промышленности.

• Уран. Достаточно распространенный твердый металл. Характерной особенностью являются радиоактивные свойства.

Заключение

Твердые материалы нужны во многих областях промышленности. В частности для производства продукции, которая в последствие будет подвергаться сильному силовому влиянию. Такие металлы нужны для постройки космических кораблей, морских и воздушных судов – для всего этого требуется твердый и тугоплавкий материал, который не подвержен коррозии.

В природе существует несколько твердых металлов, однако большинство из них достаточно редкие. Самым популярным стал титан. Для его получения используют несколько методов. В природе он встречается в виде нескольких минералов.

Также в промышленности используют и сплавы титана, ведь примеси в значительной степени могут изменить свойства металла.

Система комментирования SigComments

Titanium Product Guide — Alcobra Metals

Как и другие металлы, используемые в промышленности, титан имеет множество различных марок. Класс 2 чаще всего используется для чистого титана, а класс 5 (6AL-4V) чаще всего используется для сплава титана, оба считаются «рабочими лошадками» в мире титана. Титан широко используется из-за его высокой коррозионной стойкости и высокого отношения прочности к весу. Типичные приложения: аэрокосмическая, автомобильная, медицинская, промышленная, химическая, нефтяная и другие отрасли промышленности.

Покупка изделий из титана

Класс 1

Титан класса 1 представляет собой относительно низкую прочность с высокой пластичностью. Это самый мягкий и пластичный из различных сортов титана. Из-за этих качеств класс 1 обычно используется из-за его формуемости.

Общие области применения:

• Химическая промышленность
• Архитектура
• Медицина
• Судостроение
• Автомобилестроение
• Воздушное судно

Титан класса 1
Минимальные свойства	Предел прочности при растяжении, psi	34800
	Предел текучести, psi	24700-45000
	Твердость по Бринеллю	120
	Твердость по Роквеллу B	70
Химия	C	Макс. 1
	Fe	Макс. 2
	В	Макс. 0,015
	N	Макс. 0,03
	O	Макс. 18
	Ти	99,5

Класс 2

Класс 2 Титан имеет наилучшее сочетание прочности, пластичности и свариваемости. Широко известный как «рабочая лошадка» в титановой промышленности, класс 2 более удобен и доступен.

Common Applications:

• Architecture
• Medical
• Marine
• Exhaust
• Air Craft
• Chemical
• Automotive

Grade 2 Titanium
Минимальные свойства	Предел прочности при растяжении, psi	62400
	Предел текучести, psi	24700-45000
	Твердость по Бринеллю	200
	Твердость по Роквеллу B	98
Химия	C	Макс. 1
	Fe	Макс.3
	В	Макс. 0,015
	N	Макс. 0,03
	O	Макс. 25
	Ти	99,2

Grade 3

Титан Grade 3 является одним из наименее используемых сортов технически чистого титана. Класс 3 прочнее, чем класс 1 и 2, но похож по пластичности и меньшей формуемости. Марка 3 имеет более высокие механические свойства, что позволяет использовать ее в приложениях, требующих умеренной прочности и более высокой коррозионной стойкости.

Общие области применения:

• Аэрокосмическая промышленность
• Химическая промышленность
• Медицина
• Морской

Титан класса 3
Минимальные свойства	Предел прочности при растяжении, psi	75400
	Предел текучести, psi	65300
	Твердость по Бринеллю	266
	Твердость по Роквеллу B	26
Химия	С	Макс. 1
	Fe	Макс.3
	В	Макс. 0,015
	N	Макс. 0,05
	O	Макс. 35
	Ти	99,1

Класс 4

Класс 4 Титан хорошо известен своей высокой прочностью, коррозионной стойкостью и хорошей формуемостью. Класс 4 также наиболее широко используется в медицинской промышленности.

Общие применения:

• Medical
• Криогенный
• Хирургическое оборудование
• Теплообмен

4 класс.
Минимальные свойства	Предел прочности при растяжении, psi	95700
	Предел текучести, psi	85600
	Твердость по Бринеллю	265
	Твердость по Роквеллу B	23
Химия	C	Макс. 1
	Fe	Макс. 5
	В	Макс. 0,015
	N	Макс. 0,05
	O	Макс. 4
	Ти	99

Класс 5 (6АЛ-4В)

Марка 5, также известная как 6АЛ-4В, считается «рабочей лошадкой» для титанового сплава. Чаще всего используется из-за высокого отношения прочности к весу и коррозионной стойкости. Марка 5 также может подвергаться термообработке для повышения прочности.

Общие применения:

• Aerospace
• Automotive
• Высокоэффективность
• Marine
• Спортивное оборудование

Стал 5 TITAT0032
Минимальные свойства	Предел прочности при растяжении, psi	138000
	Предел текучести, psi	128000
	Твердость по Бринеллю	334
	Твердость по Роквеллу B	36
Химия	Ал	6
	Fe	Макс. .25
	О	Макс. .25
	Ти	90
	В	4

Alcobra Metals заявляет, что все технические данные предназначены только для целей сравнения и НЕ ПРЕДНАЗНАЧЕНЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. Он был составлен из источников, которые мы считаем точными, но не можем гарантировать. Пожалуйста, проконсультируйтесь с инженером.

Сталь и титан: прочность, свойства и применение

Когда дизайнерам требуются прочные и прочные материалы для своих проектов, первыми на ум приходят сталь и титан. Эти металлы входят в широкий ассортимент сплавов — неблагородные металлы, пропитанные другими металлическими элементами, которые в сумме производят больше, чем его части. Существуют десятки титановых сплавов и еще сотни стальных сплавов, поэтому часто бывает сложно решить, с чего начать при рассмотрении этих двух металлов. Эта статья, посредством изучения физических, механических и рабочих свойств стали и титана, может помочь разработчикам выбрать, какой материал подходит для их работы. Каждый металл будет кратко изучен, а затем последует сравнение их различий, чтобы показать, когда лучше выбрать один, а не другой.

Сталь

Усовершенствованная в начале 20-го века сталь быстро стала самым полезным и разнообразным металлом на Земле. Он создается путем обогащения элементарного железа углеродом, что увеличивает его твердость, прочность и сопротивление. Во многих так называемых легированных сталях также используются такие элементы, как цинк, хром, марганец, молибден, кремний и даже титан, для повышения их устойчивости к коррозии, деформации, высоким температурам и многому другому. Например, сталь с высоким содержанием хрома относится к нержавеющим сталям или тем, которые менее подвержены коррозии, чем другие сплавы. Поскольку существует много видов стали, трудно обобщить ее конкретные свойства, но наша статья о типах стали дает хорошее представление о различных классах.

Вообще говоря, сталь — это плотный, твердый, но пригодный для обработки металл. Он реагирует на процесс упрочнения термической обработкой, который позволяет даже самым простым сталям иметь переменные свойства в зависимости от того, как они были нагреты/охлаждены. Он магнитен и может легко проводить как тепло, так и электричество. Большинство сталей подвержены коррозии из-за своего состава железа, хотя нержавеющие стали в некоторой степени успешно устраняют эту слабость. Сталь имеет высокий уровень прочности, но эта прочность обратно пропорциональна ее ударной вязкости, или мере устойчивости к деформации без разрушения. Несмотря на то, что доступны стали для механической обработки, есть и другие стали, которые трудно, если вообще возможно, обрабатывать из-за их рабочих свойств.

Должно быть ясно, что сталь может выполнять множество различных задач: она может быть твердой, жесткой, прочной, термостойкой или коррозионностойкой; беда в том, что это не может быть все это сразу, без жертвы одним свойством над другим. Однако это не является большой проблемой, так как большинство марок стали недороги и позволяют разработчикам комбинировать различные стали в своих проектах, чтобы получить преимущества смешивания. В результате сталь находит применение практически во всех отраслях промышленности: в автомобильной, аэрокосмической, конструкционной, архитектурной, производственной, электронной, инфраструктурной и десятках других применений.

Титан

Титан был впервые очищен до металлической формы в начале 1900-х годов и не так редок, как думает большинство людей. На самом деле это четвертый по распространенности металл на Земле, но его трудно найти в высоких концентрациях или в элементарной форме. Его также трудно очистить, что делает его более дорогим в производстве, чем в источнике.

Элементарный титан представляет собой серебристо-серый немагнитный металл с плотностью 4,51 г/см ³ , что делает его почти вдвое менее плотным, чем сталь, и относит его к категории «легкий металл». Современный титан выпускается либо в виде элементарного титана, либо в виде различных титановых сплавов, и все они сделаны для повышения как прочности, так и коррозионной стойкости базового титана. Эти сплавы обладают необходимой прочностью для использования в качестве аэрокосмических, конструкционных, биомедицинских и высокотемпературных материалов, в то время как элементарный титан обычно используется в качестве легирующего агента для других металлов.

Титан трудно сваривать, обрабатывать или формовать, но его можно подвергнуть термической обработке для повышения прочности. Его уникальное преимущество заключается в том, что он биосовместим, то есть титан внутри тела остается инертным, что делает его незаменимым для технологии медицинских имплантатов. Он имеет отличное соотношение прочности к весу, обеспечивая такую ​​же прочность, как сталь при 40% его веса, и устойчив к коррозии благодаря тонкому оксидному слою, образующемуся на его поверхности в присутствии воздуха или воды. Он также устойчив к кавитации и эрозии, что предрасполагает его к применению в условиях высоких нагрузок, таких как авиация и военные технологии. Титан жизненно важен для проектов, где вес минимален, а прочность максимальна, а его отличная коррозионная стойкость и биосовместимость позволяют использовать его в некоторых уникальных отраслях, не охватываемых более традиционными металлами.

Сравнение стали и титана

Выбор одного из этих металлов над другим зависит от конкретного применения. В этом разделе сравниваются некоторые механические свойства, общие для стали и титана, чтобы показать, где следует указать каждый металл (представлены в таблице 1 ниже). Обратите внимание, что значения как для стали, так и для титана в таблице 1 взяты из обобщенных таблиц, поскольку каждый металл сильно различается по характеристикам в зависимости от типа сплава, процесса термообработки и состава.

Таблица 1: Сравнение свойств материалов стали и титана

Первое бросающееся в глаза различие между титаном и сталью заключается в их плотности; как обсуждалось ранее, плотность титана примерно вдвое меньше плотности стали, что делает его значительно легче. Это подходит для применения титана в приложениях, где требуется прочность стали в более легком корпусе, и позволяет использовать титан в деталях самолетов и других приложениях, зависящих от веса. Плотность стали может быть преимуществом в определенных приложениях, например, в шасси автомобиля, но в большинстве случаев снижение веса часто вызывает беспокойство.

Модуль упругости, иногда называемый модулем Юнга, является мерой гибкости материала. Он описывает, насколько легко согнуть или деформировать материал без пластической деформации, и часто является хорошей мерой общей упругой реакции материала. Модуль упругости титана довольно низкий, что говорит о том, что он легко изгибается и деформируется. Отчасти поэтому титан трудно поддается механической обработке, так как он склеивает фрезы и предпочитает возвращаться к своей первоначальной форме. С другой стороны, сталь имеет гораздо более высокий модуль упругости, что позволяет легко обрабатывать ее и использовать в таких приложениях, как лезвия ножей, поскольку она ломается и не изгибается под нагрузкой.

При сравнении пределов текучести при растяжении титана и стали обнаруживается интересный факт; сталь в целом прочнее титана. Это противоречит распространенному заблуждению о том, что титан прочнее большинства других металлов, и показывает преимущество стали перед титаном. В то время как титан только на одном уровне со сталью с точки зрения прочности, он весит вдвое меньше, что делает его одним из самых прочных металлов на единицу массы. Тем не менее, сталь является предпочтительным материалом, когда речь идет об общей прочности, поскольку некоторые из ее сплавов превосходят все другие металлы с точки зрения пределов текучести. Конструкторы, стремящиеся исключительно к прочности, должны выбирать сталь, а дизайнеры, заинтересованные в прочности на единицу массы, должны выбирать титан.

Удлинение при разрыве — это мера начальной длины образца для испытаний, деленная на его длину непосредственно перед разрушением при испытании на растяжение, умноженная на 100 для получения процента. Большое удлинение при разрыве говорит о том, что материал больше «растягивается»; другими словами, он более склонен к повышенной пластичности перед разрушением. Титан — это такой материал, что он растягивается почти на половину своей длины, прежде чем сломаться. Это еще одна причина, по которой титан так трудно обрабатывать, поскольку он растягивается и деформируется, а не откалывается. Сталь бывает разных видов, но, как правило, имеет низкое удлинение при разрыве, что делает ее более твердой и более склонной к хрупкому разрушению при растяжении.

Твердость — это сравнительная величина, которая описывает реакцию материала на царапание, травление, вдавливание или деформацию его поверхности. Он измеряется с помощью инденторных машин, которые бывают разных видов в зависимости от материала. Для высокопрочных металлов часто указывается критерий твердости по Бринеллю, который приведен в таблице 1. Несмотря на то, что твердость стали по Бринеллю сильно различается в зависимости от термической обработки и состава сплава, в большинстве случаев она всегда тверже титана. Это не означает, что титан легко деформируется при царапинах или вмятинах; напротив, слой диоксида титана, образующийся на поверхности, исключительно твердый и противостоит большинству проникающих сил. Они оба являются стойкими материалами, которые отлично работают в суровых условиях, исключая любые дополнительные химические воздействия.

Резюме

В этой статье представлено краткое сравнение свойств, прочности и областей применения стали и титана. Для получения информации о других продуктах обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть подробную информацию о конкретных продуктах.

Источники: 

1. https://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=68mQLz7yJ8UC&oi=fnd&pg=PR5&dq=introduction+to+titanium+alloys&ots=lhsHnla-iW&sig=iwc5SZXiHIpScg7X5sjjHGOFi5E#v=onepage&q=introduction0%ti%20tiumto2tanium 20 сплавов&f=ложь
2. https://crosstraxx.com/pages/a-look-at-the-differences-between-titanium-and-stainless-steel
3. http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?bassnum=MS0001&ckck=1
4. http://www.matweb.com/search/DataSheet. aspx?MatGUID=66a15d609a3f4c829cb6ad08f0dafc01
5. http://web.mit.edu/ruddman/www/iap/materialsselection.pdf

Прочие стальные изделия

• Типы профилей из конструкционной стали
• Ведущие производители и поставщики арматуры
• Типы арматуры
• Типы стали
• Типы нержавеющей стали
• Ведущие сталелитейные компании США и производители стали в мире
• Все о стали 5160 (свойства, прочность, применение)
• Все о стали 440 (свойства, прочность, применение)
• Все о стали 430 (свойства, прочность, применение)
• Все о стали 304 (свойства, прочность, применение)
• Все о 52100 Сталь
• Свойства, составы и применение стандартных сталей
• Поверхностная закалка стали (цементация)
• Все о стали 9260 (свойства, прочность, применение)
• Все о стали 4130 (свойства, прочность, применение)

Больше из Металлы и изделия из металла

Титан — Прочность — Твердость — Эластичность

О Титане

Титан — блестящий переходный металл серебристого цвета, низкой плотности и высокой прочности. Титан устойчив к коррозии в морской воде, царской водке и хлоре. Титан можно использовать в поверхностных конденсаторах. В этих конденсаторах используются трубки, которые обычно изготавливаются из нержавеющей стали, медных сплавов или титана в зависимости от нескольких критериев выбора (таких как теплопроводность или коррозионная стойкость). Титановые трубки конденсатора обычно являются лучшим техническим выбором, однако титан является очень дорогим материалом, и использование титановых трубок конденсатора связано с очень высокими первоначальными затратами.

Прочность титана

В механике материалов прочность материала — это его способность выдерживать приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации. Прочность материалов в основном рассматривает взаимосвязь между внешними нагрузками , приложенными к материалу, и результирующей деформацией или изменением размеров материала. При проектировании конструкций и машин важно учитывать эти факторы, чтобы выбранный материал имел достаточную прочность, чтобы противостоять приложенным нагрузкам или силам и сохранять свою первоначальную форму. Прочность материала — это его способность выдерживать приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации.

При растяжении способность материала или конструкции выдерживать нагрузки, имеющие тенденцию к удлинению, известна как предел прочности при растяжении (UTS). Предел текучести или предел текучести — это свойство материала, определяемое как напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться, тогда как предел текучести — это точка, в которой начинается нелинейная (упругая + пластическая) деформация.

Предел прочности при растяжении титана

Предел прочности при растяжении титана составляет 434 МПа, 293 МПа (чистый).

Предел текучести титана

Предел текучести титана   составляет 380 МПа.

Модуль упругости титана

Модуль упругости Юнга титана 380 МПа.

Модуль упругости при сдвиге титана 44 ГПа.

Объемный модуль упругости титана составляет 110 ГПа.

Твердость титана

В материаловедении  твердость  – это способность выдерживать  вдавливание поверхности ( локализованная пластическая деформация ) и  царапание . Испытание на твердость по Бринеллю В испытаниях по Бринеллю твердый сферический индентор вдавливается под определенной нагрузкой в ​​поверхность испытуемого металла.

Твердость титана по Бринеллю составляет приблизительно 700 – 2700 МПа.

Метод измерения твердости по Виккерсу был разработан Робертом Л. Смитом и Джорджем Э. Сандландом из Vickers Ltd в качестве альтернативы методу Бринелля для измерения твердости материалов. Метод определения твердости по Виккерсу можно также использовать в качестве метода определения микротвердости , который в основном используется для небольших деталей, тонких срезов или обработки глубины корпуса.

Твердость титана по Виккерсу составляет приблизительно 800 – 3400 МПа.

Твердость к царапанью является мерой устойчивости образца к остаточной пластической деформации из-за трения об острый предмет. Наиболее распространенная шкала для этого качественного теста — 9.Шкала Мооса 0580 , которая используется в минералогии. Шкала твердости минералов Мооса основана на способности одного природного образца минерала заметно царапать другой минерал.

Титан имеет твердость приблизительно 6.

Титан – кристаллическая структура

Возможная кристаллическая структура титана представляет собой гексагональную плотноупакованную структуру .

В металлах и во многих других твердых телах атомы расположены в виде правильных рядов, называемых кристаллами. Кристаллическая решетка — это повторяющийся узор из математических точек, простирающийся по всему пространству. Силы химической связи вызывают это повторение. Именно этот повторяющийся узор определяет такие свойства, как прочность, пластичность, плотность, проводимость (свойство проводить или передавать тепло, электричество и т. д.) и форму. Существует 14 основных типов таких паттернов, известных как решетки Браве.

Кристаллическая структура титана

Прочность элементов

Эластичность элементов

Т. способность выдерживать приложенную нагрузку без разрушения или пластической деформации.

Схематическая диаграмма кривой напряжения-деформации из низкоуглеродистой стали при комнатной температуре показан на рисунке. Есть несколько стадий, демонстрирующих различное поведение, что предполагает разные механические свойства. Чтобы уточнить, материалы могут пропускать одну или несколько стадий, показанных на рисунке, или иметь совершенно разные стадии. В этом случае приходится различать напряженно-деформированные характеристики пластичных и хрупких материалов. Следующие пункты описывают различные области кривой напряжения-деформации и важность нескольких конкретных мест.

• Предел пропорциональности . Пропорциональный предел соответствует расположению напряжения в конце линейной области , поэтому график напряжения-деформации представляет собой прямую линию, а градиент будет равен модулю упругости материала. Для напряжения растяжения и сжатия наклон участка кривой, на котором напряжение пропорционально деформации, называется модулем Юнга , а применяется закон Гука . Между пределом пропорциональности и пределом текучести закон Гука становится сомнительным, и деформация возрастает быстрее.
• Предел текучести . Предел текучести — это точка на кривой напряжения-деформации, которая указывает предел упругого поведения и начало пластического поведения. Предел текучести или предел текучести — это свойство материала, определяемое как напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться, тогда как предел текучести — это точка, в которой начинается нелинейная (упругая + пластическая) деформация. До предела текучести материал будет упруго деформироваться и вернется к своей первоначальной форме, когда приложенное напряжение будет снято. Как только предел текучести пройден, некоторая часть деформации будет постоянной и необратимой. Некоторые стали и другие материалы демонстрируют явление, называемое явлением предела текучести. Пределы текучести варьируются от 35 МПа для низкопрочного алюминия до более 1400 МПа для очень высокопрочных сталей.
• Предел прочности при растяжении . Предел прочности при растяжении является максимальным на инженерной кривой напряжения-деформации. Это соответствует максимальному напряжению , которое может выдержать конструкция при растяжении. Предельная прочность на растяжение часто сокращается до «предельной прочности» или даже до «предельной». Если это напряжение применяется и поддерживается, произойдет разрушение. Часто это значение значительно превышает предел текучести (на 50–60 % превышает предел текучести для некоторых типов металлов). Когда пластичный материал достигает предела прочности, он испытывает сужение, когда площадь поперечного сечения локально уменьшается. Кривая напряжение-деформация не содержит более высокого напряжения, чем предел прочности. Несмотря на то, что деформации могут продолжать увеличиваться, напряжение обычно уменьшается после достижения предела прочности. Это интенсивное свойство; поэтому его значение не зависит от размера испытуемого образца. Однако это зависит от других факторов, таких как подготовка образца, наличие или отсутствие поверхностных дефектов, температура тестовой среды и материала. Предел прочности при растяжении варьируется от 50 МПа для алюминия до 3000 МПа для очень высокопрочных сталей.
• Точка разрушения : Точка разрушения — это точка деформации, в которой материал физически разделяется. В этот момент деформация достигает своего максимального значения, и материал фактически разрушается, хотя соответствующее напряжение может быть меньше предела прочности в этот момент. Пластичные материалы имеют предел прочности при разрушении ниже, чем предел прочности при растяжении (UTS), тогда как в хрупких материалах предел прочности эквивалентен пределу прочности при растяжении (UTS). Если пластичный материал достигает своего предела прочности при растяжении в ситуации с регулируемой нагрузкой, он будет продолжать деформироваться без приложения дополнительной нагрузки, пока не разорвется. Однако, если нагрузка контролируется по смещению, деформация материала может уменьшить нагрузку, предотвращая разрыв.

О модуле упругости

При растяжении однородного стержня (кривая напряжения-деформации) Закон Гука описывает поведение стержня в упругой области. В этой области удлинение стержня прямо пропорционально силе растяжения и длине стержня и обратно пропорционально площади поперечного сечения и модулю упругости . Вплоть до предельного напряжения тело сможет восстановить свои размеры при снятии нагрузки. Приложенные напряжения заставляют атомы в кристалле перемещаться из своего положения равновесия. Все атомы смещены на одинаковую величину и сохраняют свою относительную геометрию. Когда напряжения снимаются, все атомы возвращаются в исходное положение, и остаточная деформация не возникает. Согласно Закон Гука,  напряжение пропорционально деформации (в области упругости), а наклон равен модулю Юнга .

Мы можем расширить ту же идею связи напряжения с деформацией с приложениями сдвига в линейной области, связав напряжение сдвига с деформацией сдвига, чтобы создать Закон Гука для напряжения сдвига :

Для изотропных материалов в области упругости вы можно связать коэффициент Пуассона (ν), модуль упругости Юнга (E) и модуль упругости сдвига (G):

Модули упругости, относящиеся к поликристаллическим материалам:

• Модуль упругости Юнга. Модуль упругости Юнга представляет собой модуль упругости при растяжении и сжатии в режиме линейной упругости при одноосной деформации и обычно оценивается испытаниями на растяжение.
• Модуль упругости при сдвиге. Модуль сдвига или модуль жесткости получают при кручении цилиндрического образца. Он описывает реакцию материала на напряжение сдвига. Его символ — G. Модуль сдвига — одна из нескольких величин для измерения жесткости материалов, возникающая в обобщенном законе Гука.
• Объемный модуль упругости. Объемный модуль упругости описывает объемную упругость или тенденцию объекта деформироваться во всех направлениях при равномерной нагрузке во всех направлениях. Например, он описывает упругую реакцию на гидростатическое давление и равностороннее растяжение (как давление на дне океана или в глубоком бассейне). Это также свойство материала, определяющее упругую реакцию на приложение напряжения. Для жидкости имеет значение только объемный модуль.

О твердости

В материаловедении твердость — это способность выдерживать вдавливание поверхности ( локализованная пластическая деформация ) и царапание . Твердость , вероятно, является наиболее плохо определенным свойством материала, поскольку она может указывать на стойкость к царапанию, стойкость к истиранию, стойкость к вдавливанию или даже стойкость к формованию или локализованной пластической деформации. Твердость важна с инженерной точки зрения, потому что сопротивление износу при трении или эрозии паром, маслом и водой обычно увеличивается с увеличением твердости.

Существует три основных типа измерений твердости :

• Твердость при царапании . Твердость к царапанию — это мера устойчивости образца к остаточной пластической деформации из-за трения об острый предмет. Наиболее распространенной шкалой для этого качественного теста является шкала Мооса , которая используется в минералогии. Шкала твердости минералов Мооса основана на способности одного природного образца минерала заметно царапать другой минерал. Твердость материала измеряется по шкале путем нахождения самого твердого материала, который данный материал может поцарапать, или самого мягкого материала, который может поцарапать данный материал. Например, если какой-то материал царапается топазом, а не кварцем, его твердость по шкале Мооса будет находиться между 7 и 8.
• Твердость при вдавливании . Твердость при вдавливании измеряет способность выдерживать поверхностное вдавливание (локальная пластическая деформация) и сопротивление образца деформации материала из-за постоянной сжимающей нагрузки от острого предмета. Испытания на твердость при вдавливании в основном используются в машиностроении и металлургии. Традиционные методы основаны на четко определенных испытаниях на физическую твердость при вдавливании. Очень твердые инденторы определенной геометрии и размеров непрерывно вдавливаются в материал с определенной силой. Параметры деформации, такие как глубина вдавливания по методу Роквелла, записываются для измерения твердости. Общая шкала твердости при вдавливании равна 9.0580 Бринелль , Роквелл и Виккерс .
• Твердость по отскоку . Твердость отскока, также известная как динамическая твердость, измеряет высоту «отскока» молотка с алмазным наконечником, падающего с фиксированной высоты на материал. Одно из устройств, используемых для этого измерения, известно как склероскоп . Он состоит из стального шара, сброшенного с фиксированной высоты. Этот тип твердости связан с эластичностью.

О кристаллической структуре

Три наиболее распространенных основных кристаллических узора:

• bcc. В ОЦК (ОЦК) расположении атомов элементарная ячейка состоит из восьми атомов в углах куба и одного атома в центре тела куба. В ОЦК элементарная ячейка содержит (8 угловых атомов × ⅛) + (1 центральный атом × 1) = 2 атома. Упаковка более эффективна (68%), чем простая кубическая, а структура обычная для щелочных металлов и ранних переходных металлов. Металлы, содержащие структуры ОЦК, включают феррит, хром, ванадий, молибден и вольфрам. Эти металлы обладают высокой прочностью и низкой пластичностью.
• ФЦК. В ГЦК (ГЦК) расположении атомов элементарная ячейка состоит из восьми атомов в углах куба и одного атома в центре каждой из граней куба. В ГЦК-системе элементарная ячейка содержит (8 угловых атомов × ⅛) + (6 атомов на гранях × ½) = 4 атома. Эта структура, наряду со своим гексагональным родственником (ГПУ), имеет наиболее эффективную упаковку (74%). Металлы, содержащие структуры FCC, включают аустенит, алюминий, медь, свинец, серебро, золото, никель, платину и торий. Эти металлы обладают низкой прочностью и высокой пластичностью.
• л.с. В ГПУ (ГПУ) расположении атомов элементарная ячейка состоит из трех слоев атомов. Верхний и нижний слои содержат по шесть атомов в углах шестиугольника и по одному атому в центре каждого шестиугольника. Средний слой содержит три атома, расположенные между атомами верхнего и нижнего слоев, отсюда и название плотная упаковка. Гексагональная плотная упаковка (ГПУ) — это один из двух простых типов атомной упаковки с самой высокой плотностью, второй — гранецентрированная кубическая (ГЦК). Однако, в отличие от ГЦК, это не решетка Браве, поскольку есть два неэквивалентных набора точек решетки. Металлы, содержащие структуры ГПУ, включают бериллий, магний, цинк, кадмий, кобальт, таллий и цирконий. Металлы HCP не такие пластичные, как металлы FCC.

Сводка

Источник: www. luciteria.com

Свойства других элементов

Другие свойства титана

Свойства титана класса 5 (Ti6Al4V или Ti 6-4)

от Alex Sparr | 11 декабря 2019 г. | Блог | 0 комментариев

Титан класса 5 является одним из самых популярных сплавов в титановой промышленности и составляет почти половину титана, используемого в мире. Обычно обозначаемый как Ti-6AL-4V (или Ti 6-4), это обозначение относится к его химическому составу, состоящему почти из 90% титана, 6% алюминия, 4% ванадия, 0,25% (макс.) железа и 0,2% (макс.) кислород. Обладает отличной прочностью, низким модулем упругости, высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и поддается термообработке. Добавление алюминия и ванадия повышает твердость материала в матрице сплава, улучшая его физико-механические свойства.

• Высокая прочность на растяжение — прочность Ti 6Al-4V приближается к
  прочности нержавеющей стали, что требует высокого усилия резания
  .
• Низкая теплопроводность — тепло
  не передается легко в стружку, а скорее поступает в режущий инструмент
  , что делает режущую
  кромку очень горячей во время процесса обработки.

• Высокий модуль упругости — титан очень
  «пружинист». При заданной силе он отклонится на
  больше, чем сталь, что приводит к более высокой вероятности
  вибрация, стук и плохое стружкообразование.
• Срезной механизм — для титана требуется острая режущая кромка
  , чтобы резать материал и избегать разрывов
  и размазывания, что быстро приведет к выходу из строя инструмента
  

Механические свойства	Метрическая система	Английский
Твердость по Бринеллю	379	379
Твердость по Кнупу	414	414
Твердость по Роквеллу C	41	41
Твердость по Виккерсу	396	396
Прочность на растяжение, максимальная	1170 МПа	170000 фунтов на квадратный дюйм
Прочность на растяжение, предел текучести	1100 МПа	160000 фунтов на квадратный дюйм
Удлинение при разрыве	10 %	10 %
Модуль упругости	114 ГПа	16500 тыс. фунтов/кв.дюйм
Предел текучести при сжатии	1070 МПа	155000 фунтов на квадратный дюйм
Прочность на растяжение с надрезом	1550 МПа	225000 фунтов на квадратный дюйм
Предельная несущая способность	2140 МПа	310000 фунтов на квадратный дюйм
Предел текучести подшипника	1790 МПа	260000 фунтов на квадратный дюйм
Коэффициент Пуассона	0,33	0,33
Удар по Шарпи	23 Дж	17 фут-фунт
Усталостная прочность мин	160 МПа	23200 фунтов на квадратный дюйм
Усталостная прочность макс.	700 МПа	102000 psi
Прочность на излом	43 МПа-м½	39,1 тыс.фунтов на кв. дюйм½
Модуль сдвига	44 ГПа	6380 тысяч фунтов на квадратный дюйм
Прочность на сдвиг	760 МПа	110000 фунтов на квадратный дюйм

Электрические свойства	Метрическая система	Английский
Удельное электрическое сопротивление	0,000178 Ом-см	0,000178 Ом-см
Магнитная проницаемость	1. 00005	1.00005
Магнитная восприимчивость	3.3e-006	3.3e-006
Тепловые свойства	Метрическая система	Английский
КТР, линейный, 20°C	8,6 мкм/м-°C	4,78 мкдюйм/дюйм-°F
КТР, линейный, 250°C	9,2 мкм/м-°C	5,11 мкдюйм/дюйм-°F
КТР, линейный, 500°C	90,7 мкм/м-°C	5,39 мкдюйм/дюйм-°F
Удельная теплоемкость	0,5263 Дж/г-°C	0,126 БТЕ/фунт-°F
Теплопроводность	6,7 Вт/м-К	46,5 БТЕ-дюйм/ч-фут²-°F
Точка плавления	1604 – 1660 °С	2920 – 3020 °F
Солидус	1604 °С	2920 °F
Ликвидус	1660 °С	3020 °F
Бета Трансус	980 °С	1800 °F

Титан или сталь: что лучше выбрать для вашего проекта

Подумайте о самых прочных и универсальных металлах, используемых сегодня в промышленности. Конечно, ваш выбор включает титан и сталь. Оба эти металла являются отличным выбором для различных применений из-за их превосходных химических и физических свойств.

Титан против стали, безусловно, важная дискуссия. Хотя оба металла предлагают широкий спектр сплавов и областей применения, они различаются многими ключевыми характеристиками, а также ценой, ударной вязкостью и прочностью.

Иногда даже самые опытные профессионалы не могут сделать правильный выбор. Для достижения наилучших результатов важно понимать основные различия между двумя металлами.

Титан и сталь: обзор

И титан, и сталь обладают различными преимуществами. Прежде чем углубляться в технические детали, давайте взглянем на краткий обзор обоих металлов, обсудив их основные свойства, доступность, цены и общие области применения.

Титан

Титан — это элемент земли. В основном вы найдете его в высокопроизводительных отраслях из-за его высокой стоимости. Из-за ценника многие люди считают титан редким металлом. На самом деле, его высокая цена на самом деле связана со сложными требованиями к обработке.

Естественно, титан имеет чрезвычайно высокую температуру плавления. Это делает его очень трудным для механической обработки или обработки титана по сравнению со сталью. Этот металл имеет несколько сплавов с железом, алюминием и другими металлами.

Сегодня титан является важным выбором для ряда высокопроизводительных приложений, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобильные двигатели, морское оборудование премиум-класса и промышленные машины. Кроме того, вы даже найдете титан в некоторых потребительских товарах. Однако такое использование встречается довольно редко и предназначено только для продуктов премиум-класса.

Превосходная коррозионная стойкость титана, способность поглощать удары, отношение прочности к весу и многие другие свойства делают его лучшим выбором, обеспечивающим превосходные характеристики практически в любых условиях.

Сталь

В отличие от титана, сталь не встречается в природе и требует определенных процессов, прежде чем она будет готова. Сталь – это прежде всего сплав железа и углерода. Он доступен в различных комбинациях с различными количествами других металлов, таких как титан, хром, цинк или другие металлы, для улучшения какого-либо конкретного свойства.

Как правило, сталь известна своей прочностью, термостойкостью, пределом прочности при растяжении, высокой обрабатываемостью и другими превосходными физическими свойствами. Более низкая стоимость и рабочие характеристики делают сталь популярным выбором во многих отраслях промышленности, включая строительство, автомобилестроение, инфраструктуру, промышленное оборудование и многое другое.

Сталь против титана: 8 основных различий между двумя популярными металлами

И сталь, и титан являются прочными материалами, широко используемыми в различных областях. Вопрос в том, что в матче между сталью и титаном что окажется лучше, сталь или титан?

Правильный ответ зависит от области применения и ограничений вашего проекта. Иногда сталь была бы лучшим выбором из-за функциональных требований или доступного бюджета. Тем не менее, превосходные физические свойства титана также могут быть тем, что вам нужно в различных приложениях.

Вот 8 наиболее важных различий, которые вы можете учитывать при сравнении титана и стали для вашего применения.

1 – Элементный состав

Элементный состав является первым важным отличием в сопоставлении титана со сталью. Как указывалось ранее, титан является природным элементом и доступен как в чистом виде, так и в виде сплава. В большинстве случаев Ti 6-4 — сплав, содержащий алюминий и ванадий — является наиболее распространенным титановым сплавом, который вы найдете.

Сталь, напротив, не встречается в природе. В первую очередь это комбинация железа и углерода с различным количеством других элементов, добавленных для настройки свойств в зависимости от применения. Вот почему вы нигде не найдете технических свойств стали. Для получения подробной информации вам нужно будет указать сплав, например нержавеющую сталь (даже у которой есть много типов), высокоуглеродистую сталь или определенные сплавы, такие как 4130, 4140 или A36.

2 – Вес

Определяющими характеристиками титана являются его низкая плотность и высокое отношение прочности к весу. Вот почему этот металл является предпочтительным материалом для станков с ЧПУ в аэрокосмической промышленности и других подобных областях, где вам необходимо уменьшить вес без ущерба для прочности.

Напротив, стальные сплавы, как правило, долговечны и обладают большой прочностью, но проигрывают в весе. Они являются идеальным выбором для приложений, где вес не является одним из основных конструктивных ограничений.

3 – Твердость

Твердость является одной из областей, в которых сталь превосходит титан. Низкое число Бринелля — одна из причин, почему титан так трудно поддается механической обработке. Титановые сплавы часто используются в промышленности, поскольку следовые количества других металлов компенсируют низкую твердость титана.

4 – Эластичность

Это еще одна область, в которой сталь превосходит титан, поскольку большинство его сплавов более эластичны. Опять же, большая эластичность облегчает обработку стали и создание нестандартных деталей, что является чрезвычайно важной характеристикой, поскольку напрямую влияет на стоимость обработки.

Споры о стали и титане никогда не дадут однозначного ответа. Во всех случаях ваш проект, условия и доступный бюджет определят, какой из них является лучшим выбором.

5 – Долговечность

Долговечность – это многогранный параметр с несколькими аспектами, зависящими от области применения. С точки зрения прочности и долговечности многие стальные сплавы имеют такие же (иногда даже лучшие) характеристики, как и титан. Однако титан выделяется своей предельной коррозионной стойкостью и способностью выдерживать экстремальные температуры.

В то время как стальные сплавы, как правило, работают достаточно хорошо во многих условиях, присутствие железа означает, что они со временем подвергаются коррозии. Титан, с другой стороны, работает значительно лучше и, следовательно, используется во многих суровых условиях, где ожидается постоянное воздействие влаги, химикатов и других элементов.

6 – Предел текучести при растяжении

При любом сравнении титана со сталью вы увидите, что титан обладает большей прочностью на единицу массы. Тем не менее, сталь по-прежнему является лучшим выбором, когда речь идет об общей прочности, и этот факт становится очевидным, когда вы сравниваете их предел текучести при растяжении.

Если прочность выбранного вами металла является единственной задачей, тогда сталь является естественным выбором. Титан идеально подходит для ситуаций, когда вас беспокоит прочность наряду с весом. Вот почему строительство и промышленность полагаются на сталь, а в автомобильной и аэрокосмической промышленности — на титан.

7 – Общие области применения

Титан обычно используется для высокопроизводительных применений, где требуются отличные тепловые свойства, коррозионная стойкость и высокое отношение прочности к весу. Некоторые из наиболее распространенных применений титана: 

• Хирургические инструменты и приложения
• Протезы
• Аэрокосмическая промышленность
• Теннисные ракетки 
• Автоспорт . От производства металлических деталей до простого строительства и разработки машин. Вы найдете его повсюду. Вот некоторые из его наиболее распространенных применений:
  • Строительство
  • Электроприборы
  • Производство труб
  • Поезда и автомобили
  • Различные типы обычных инструментов

  отделение. Как указывалось ранее, титан довольно распространен, но его высокая температура плавления и требования к обработке делают его очистку и обработку значительно дороже. Во многих случаях использование чего-то столь дорогого, как титан, просто не имеет смысла для бизнеса.

  В отличие от титана, сталь является чрезвычайно экономичным вариантом. Его легче производить, так как в мире нет недостатка в железе и углероде. Кроме того, сталь не имеет каких-либо сложных требований к обработке. Однако цены на сталь сильно различаются из-за огромного количества ее вариантов. Сплав, содержащий только углерод и железо, будет самым дешевым, в то время как сплав, обогащенный хромом, цинком или даже титаном, потребует больше капитала.

  Теперь вы можете лучше понять разницу между титаном и сталью, чтобы знать, как выбрать лучший материал для вашего проекта. Если вы проектируете металлическую деталь и ищете услуги по быстрому прототипированию, RapidDirect — ваш выбор. RapidDirect славится производством деталей и прототипов по конкурентоспособным ценам и в кратчайшие сроки. Начать сейчас!

  Хотите получить быстрый ответ? Вот краткая таблица, чтобы дать вам краткий обзор сравнения стали и титана.

  Characteristic	Titanium	Steel
  Elemental composition	It’s a naturally occurring element that you can find in its pure form and as an alloy as well.	Сталь в основном представляет собой сплав железа и углерода и должна подвергаться многочисленным процессам. Его свойства можно настроить с помощью других элементов, в зависимости от ваших требований.
  Вес	Титан намного легче по сравнению с некоторыми его альтернативами и предлагает лучшее соотношение веса и прочности.	Это потери в отделе веса. Сталь идеально подходит для приложений, где вес не имеет значения.
  Твердость	Титан плохо поддается механической обработке, так как имеет низкую твердость	Сталь намного лучше титана в этом отношении и обычно имеет высокое число Бринелля.
  Эластичность	Эластичность титана низкая, что затрудняет его обработку, так как он легко деформируется.	Имея гораздо более высокую эластичность, сталь легче поддается обработке.
  Долговечность	Как правило, титан обладает лучшей устойчивостью к коррозии и температуре.	Сталь в идеальных условиях может работать лучше, чем титан, но она подвержена коррозии.
  Предел текучести при растяжении	Несмотря на большую прочность на единицу, титан имеет более низкий предел текучести при растяжении по сравнению со сталью.	Сталь обладает высоким пределом текучести, что делает ее предпочтительным выбором для конструкторов, которые уделяют основное внимание только прочности.
  Применение	Высокопроизводительные изделия, такие как аэрокосмическая промышленность, автоспорт, судовые двигатели и т. д.
  Цена	Как правило, дороже из-за высоких требований к извлечению и обработке.	Более экономичный выбор из-за простых требований к производству и обработке.

  Титан по сравнению со сталью – плюсы и минусы каждого металла

  Оба эти материала обладают уникальным набором свойств, которые делают тот или иной материал более подходящим для ваших конкретных требований. Итак, титан для вас лучше нержавеющей стали? Следующий углубленный анализ их преимуществ и недостатков может помочь прояснить часть этой путаницы.

  Преимущества титана

  Коррозионная стойкость

  Самое лучшее в использовании титана — его невероятная коррозионная стойкость. Титан образует тонкий непроницаемый слой оксида на своей поверхности при контакте с воздухом. Кроме того, оксидный слой обладает естественной прочностью и устойчив почти ко всем распространенным источникам коррозии, что делает титан идеальным выбором для любого наружного применения.

  Необычно высокая температура плавления 

  Титан также демонстрирует высокую температуру плавления. Благодаря температуре плавления около 1668 °C титан идеально подходит для высокотемпературных применений, таких как газотурбинные реактивные двигатели и т. д. 

  Нетоксичный элемент 

  В отличие от большинства материалов титан не токсичен для людей и животных. Вот почему вы увидите широкое использование титана в медицинской промышленности. От укрепления костей до зубных брекетов титан является основным выбором для медицинских работников.

  Способность выдерживать экстремальные температуры

  Многие свойства титана позволяют ему демонстрировать высокую устойчивость к экстремальным температурам. Титан не сжимается и не расширяется, что делает его важным компонентом для поддержания структурной целостности.

  Высокая прочность

  Наконец, титан — один из самых прочных материалов, которые только можно найти. Несмотря на легкий вес, титан предлагает отличное соотношение прочности и веса.

  Преимущества стали

  Низкая стоимость

  Сталь является одним из наиболее часто используемых и широко доступных материалов в мире. Это также относительно недорого и дешево приобрести.

  Высокая прочность 

  Никогда еще сталь не славилась своей прочностью и долговечностью. Сталь также может выжить и сохранить структурную целостность в суровых условиях, таких как торнадо, ураганы и т. д.

  Экологичность

  Самое лучшее в стали то, что ее всегда можно использовать повторно с минимальной обработкой, не теряя своей первоначальной прочности или универсальности.

  Модифицируемый 

  Сталь как компонент обеспечивает дизайнерам большую гибкость и возможности настройки по сравнению с другими альтернативами. Используя различные другие элементы, свойства стали можно изменить в соответствии с вашими потребностями.

  Предсказуемые реакции

  Вы никогда не узнаете, как тот или иной материал поведет себя в неконтролируемых условиях, но обычно это не относится к стали, поскольку ее реакцию легко предсказать.

  Недостатки титана

  Высокая стоимость

  Многие преимущества титана могут быть компенсированы его высокой стоимостью. Без надлежащего рассмотрения вы можете легко исчерпать свой бюджет.

  Деформация

  Титан имеет низкий модуль упругости и легко деформируется. Низкое отношение напряжения к деформации титана затрудняет его обработку.

  Сложности с литьем

  Если вы планируете использовать титан для литья, вам следует остановиться и поискать другие альтернативы. Неотъемлемые свойства титана, такие как его высокая температура плавления и прочность, усложняют процесс литья.

  Сложная обработка

  Говоря простым языком, это свойство титана должно управляться по-разному на всех этапах производства, что делает его дорогим и сложным в обработке.

  Трудно извлечь

  Извлечь титан также сложно. Компоненты, необходимые для экстракции, не только дороги, но и опасны в обращении. Кроме того, процесс добычи также приводит к эрозии почвы и другим экологическим проблемам.

  Недостатки стали

  Высокий уровень обслуживания 

  Если за сталью не ухаживать должным образом, она может ежегодно терять до 1,5 мм своей толщины и, следовательно, своей прочности.

  Низкая прочность при высоких температурах 

  Сталь также требует надежной защиты от высоких температур. Хотя вам никогда не будет угрожать возгорание, сталь может деформироваться при высоких температурах и даже привести к обрушению всей конструкции.

  Потеря устойчивости

  Обычно стальные профили изготавливаются из тонких стальных листов. Если на эти пластины оказывается дополнительная нагрузка, это может привести к деформации стали.

  Эстетика

  Для большинства предметов сталь не считается приятной на вид. Вот почему стальные изделия обычно нуждаются в отделке поверхности или облицовке, чтобы сделать их более привлекательными с эстетической точки зрения.

  Коррозия 

  Сталь очень восприимчива к коррозии и требует регулярного обслуживания и защиты от ржавчины. Одним из наиболее распространенных способов защиты стальных конструкций является их покрытие краской и ограничение их контакта с воздухом.
  

  Выберите лучшего партнера

  Все еще не знаете, что лучше использовать: титан или сталь? Или вам нужен партнер, который поможет вам извлечь максимальную пользу из обоих этих материалов и поставлять продукцию высочайшего качества по самой низкой цене? Если это так, RapidDirect — это именно то, что вам нужно.

  Компания RapidDirect имеет опыт работы с титаном и сталью и может предоставить услуги по изготовлению и изготовлению на заказ. Мы также обеспечиваем конкурентоспособное прототипирование и производство для мелкосерийного производства. Вы можете связаться с нами как для руководства, так и для профессионального совета относительно изготовления вашего дизайна и использования материалов. Просто загрузите файл САПР и получите мгновенное предложение.

  Не стесняйтесь загружать файл дизайна здесь

  Титан против стали: Заключение

  Есть причина, по которой выбор между использованием стали и титана не так прост, как кажется. В зависимости от уникальных требований вашего дизайна вы предпочтете тот или иной вариант. Прежде чем сделать окончательный выбор, лучше всего понять основные свойства обоих материалов.

  Углерододефицитный карбид титана с повышенной твердостью

  Введение

  Разработка многофункциональных сверхтвердых материалов для замены существующих сверхтвердых материалов на основе B-C-N остается сложной задачей и требует учета научных, технологических и инфраструктурных аспектов [1–5]. ]. Карбиды, бориды и нитриды переходных металлов обладают высокой твердостью, что объясняется прочной ковалентной связью между углеродом и переходным металлом, а также связями легких элементов [1, 5–7]. Кроме того, соединения легких элементов переходных металлов (TMLE) обладают электропроводностью, сверхпроводимостью и ферромагнитными, а также каталитическими свойствами, которые полезны в областях, где очень желательны многофункциональные свойства. Согласно недавним сообщениям, существует много общих подходов к разработке материалов с более высокой твердостью, таких как (а) наличие высокой плотности валентных электронов, (б) использование высокого содержания легкого элемента и (в) использование изоляционных или полупроводниковых материалов. 8, 9]. Обычно считается, что более высокое содержание легких элементов приведет к получению сверхтвердых материалов из-за высокого процента ковалентных связей. Используя упомянутые выше подходы к проектированию, были разработаны и синтезированы многие ТМЛЭ высокой твердости, в том числе FeB ₄ , WB ₄ , MnB ₄ , MoB ₄ , ZrB ₁₂ [10–14]. Хотя эти синтезированные соединения обладают очень высокой твердостью, их значения твердости все же ниже порога сверхтвердости. Следовательно, есть некоторые сомнения в том, могут ли соединения переходных металлов с легкими элементами быть кандидатами на сверхтвердость, или имеет место гибридизация между ТМ и ЛЭ [15]. Однако недавнее исследование показывает, что некоторые аналоги, богатые переходными металлами, такие как W _0,5 Ta _0,5 B, обладают чрезвычайно высокой твердостью [16]. Это говорит о том, что между переходными металлами и легкими элементами p-блока может иметь место сильная гибридизация, и будут другие новые механизмы повышения твердости.

  В большинстве соединений переходных металлов с легкими элементами в кристаллической структуре сосуществуют связи TM-TM, TM-LE и LEs-LEs [9, 17]. Трудно определить влияние связей TM-LE на твердость. К счастью, структура каменной соли, характерная для монокарбидов, боридов и нитридов переходных металлов, содержит только связи TM-LE. Это идеальная система для исследования гибридизации связей TM-LE в TMLE. Если в этих структурах можно реализовать более высокую твердость, можно продемонстрировать существование сильной гибридизации. Бинарные карбиды переходных металлов склонны к кубической кристаллической структуре, если правило Хэгга (R _C /R _TM <0,59), где R _C относится к атомному радиусу углерода, а R _TM обозначает атомный радиус атома переходного металла. Отношение атомного радиуса углерода к атомному радиусу титана составляет 0,38. Согласно предыдущему отчету [18, 19], карбид титана обычно обладает превосходными механическими свойствами и широко используется для резки и защиты. Таким образом, структура каменной соли TiC является идеальной системой для исследования гибридизации между орбиталями переходного металла-d и C-2p-орбиталями. Кроме того, использование других внешних упрочняющих эффектов может дополнительно повысить твердость карбида титана.

  В данной работе синтез высококристаллического поликристаллического образца TiC проводился в условиях высокого давления и высокой температуры. Концентрация углерода в этой структуре исследована методами рентгеновской дифракции, энергодисперсионной спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Кристаллическая структура, твердость по Виккерсу и электронная структура были охарактеризованы для определения механических свойств. Чтобы определить причину его высокой твердости, особенности связей TiC были тщательно исследованы как экспериментально, так и расчетом из первых принципов. Высокая твердость образца TiC объясняется сильной орбитальной гибридизацией между орбиталями Ti-3d и C-2p, а также его углеродными вакансиями. Наши результаты показывают, что более высокое содержание легкого элемента не является критическим фактором для высокой твердости, а углеродные вакансии также являются эффективным способом повышения твердости.

  Эксперимент

  Кубический поликристаллический TiC _1-x был приготовлен из порошка металлического титана (чистота 99,9%) и порошка графита (чистота 99,99%). Порошки-сырцы смешивали в соотношении Ti:C = 1:1-x, где x = 0,5, 0,4, 0,3, 0,2, 0,1, 0. Для получения однородных смесей использовали агатовую ступку и пестик. Для каждой смеси сырье подвергали холодному прессованию в цилиндрические таблетки (4 мм в диаметре, 2,5 мм в высоту) и запечатывали в шестиугольную капсулу из BN, используемую для предотвращения реакции образца с графитовым нагревателем. Эксперименты по синтезу при высоких давлениях и температурах проводились на кубическом прессе с несколькими упорами SPD 6 × 600 Тл. Порошковую смесь нагревали до заданной температуры (1400–2300 К) и выдерживали в течение 15 мин при повышенном давлении 5,0 ГПа. Затем образец охлаждали до комнатной температуры (300 К), отключив электропитание перед декомпрессией.

  Поликристаллические образцы после синтеза были измельчены в порошок, и их структура была охарактеризована с помощью рентгеновской дифракции с монохроматическим излучением Cu K _α (длина волны 1,5418, напряжение и ток 40 кВ и 30 мА соответственно). Микроморфологию и элементный состав полученных поликристаллических образцов исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (Magellan 400 SEM) с энергодисперсионным спектром (ЭДС). Кристаллическая структура TiC _1-x исследовали с помощью дифракции электронов на выбранных участках (SAED) и переходной электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM) на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2200FS. Свежеприготовленные поликристаллические образцы сначала полировали карбидокремниевой бумагой, а затем алмазным порошком до получения зеркальной поверхности. Затем для получения средней твердости по Виккерсу на полированной поверхности образца делали не менее пяти отпечатков при различных приложенных нагрузках с выдержкой 15 с. Перед измерением энергии связи титана и углерода поверхности поликристаллических образцов бомбардировали Ar ⁺ ионов за 600 с. Измерения XPS проводились с источником рентгеновского излучения, оснащенным Mg-анодом (hν = 1253,6 эВ) при базовом давлении 10 ^-10 мбар, достигаемом с использованием камеры сверхвысокого вакуума (СВВ).

  Чтобы исследовать электронную структуру TiC, мы выполнили расчет из первых принципов с использованием пакета моделирования Vienna ab initio (VASP) [20]. Обменно-корреляционная зависимость Пердью-Берка-Эрнзергофа (PBE) использовалась в обобщенном градиентном приближении GGA [21]. Энергетическая отсечка 500,0 эВ и плотная сетка пакетов Монкхорста были выбраны, чтобы гарантировать, что разница энергий будет <1,0 мэВ/атом. Механические свойства были рассчитаны на основе кода CASTEP с суперячейкой 2 × 2 × 2, в которой 300,0 эВ и 2π × 0,03 ⁻¹ были выбраны в качестве значения энергии отсечки и значения k-сетки соответственно [20, 22, 23].

  Результаты и обсуждение

  Поликристаллические образцы TiC _1-x были синтезированы при высоком давлении 5,0 ГПа и температуре от 1900 до 2300 К с выдержкой 15 мин. Порошки металлического титана начинают реагировать с графитовым порошком при температуре выше 1600 К, а чистый кубический поликристаллический TiC _1−x был синтезирован при температуре выше 1,900 K. Профили дифракции рентгеновских лучей при комнатной температуре для различных закаленных поликристаллических образцов TiC _1-x показаны на рисунке 1a. Основные пики рентгеновской дифракции TiC _0,7 хорошо характеризуются кубической структурой каменной соли с параметрами a = b = c = 4,3254 , что достаточно хорошо согласуется с предыдущим сообщением [ 18]. Рентгеновская дифракция (XRD) показывает крошечный пик при 26,8°, который соответствует графитовой фазе, и это можно обнаружить на расширенных профилях XRD. Крошечный пик графита предполагает, что определенное количество графита исключено из решетки TiC. Поэтому вполне вероятно, что в TiC 9 присутствуют углеродные вакансии.1857 1−x структура. Поскольку крошечные пики графита не давали подробной структурной информации для TiC _1-x , мы не могли подтвердить относительное количество атомов углерода, которые были исключены из кубической структуры TiC. Чтобы исследовать исключение атомов углерода, мы сравнили образцы с различным соотношением исходных материалов Ti:C = 1:1-x. На рис. 1b показано изменение дифракционных пиков при увеличении разрешения x . Сначала они смещаются влево, что свидетельствует об уменьшении параметров решетки. Когда x достигает 0,3, трудно увидеть какие-либо графитовые дифракционные пики, и мы предварительно определяем количество углеродных вакансий как ~30%. Хотя смеси исходных материалов были стехиометрическими, а соединения были синтезированы при высоком давлении и высокой температуре, появление пиков дифракции графита указывает на то, что углеродные вакансии чрезвычайно устойчивы. Когда x больше 0,5, рентгеновская дифракция показывает дополнительные пики другой фазы. Появление других фаз, вероятно, свидетельствует о том, что предел x для синтеза TiC _1−x равно 0,5.

  Рис. 1. (a) Профили дифракции рентгеновских лучей образцов TiC _1−x ( x = 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5), синтезированных при 2000 K, 5,0 ГПа, 15 мин. . (b) Увеличенное положение пика рентгеновской дифракции плоскости (200) при уменьшении содержания углерода. (c, d) Типичные фотографии TiC _0,7 на сканирующем электронном микроскопе (SEM) в различных областях. (e) Светлопольные изображения синтезированного образца. На вставке приведены выбранные картины дифракции электронов. (f) ПЭМ-изображение полученного образца с высоким разрешением.

  Дальнейшие наблюдения с помощью СЭМ показали, что синтезированные образцы TiC _0,7 не имели видимых микротрещин и пор и имели высокую относительную плотность ~97%. На рисунках 1c, d показаны типичные изображения сканирующего электронного микроскопа в полевых условиях сечения трещины в различных произвольных местах. Из рисунка 1с видно, что образцы после синтеза имеют высококристаллические зерна. Размер зерна определен как 20–40 мкм. Кроме того, на рисунке 1d также можно увидеть ламинарную морфологию, которая возникает из-за трещины в образце. Элементный состав и соотношение в синтезированном образце, подтвержденные ЭДС, составляют около TiC _0,7 , что свидетельствует о нестехиометричности синтезированного образца. Это согласуется с ab initio составом этого образца. Картины SAED показали, что дифракционные пятна находятся в хорошем порядке и определяют, что это кубическая структура, как показано на рисунке 1e. Вокруг основных пятен трудно обнаружить сателлитные пятна, что исключает возможность образования углеродными вакансиями сверхструктуры в основной решетке [24]. Образец также был изучен с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (HRTEM). Как видно из рисунка 1f, межплоскостное расстояние оказалось равным 2,58, что соответствует грани (111) TiC. Несмотря на то, что углеродная вакансия составляет 30%, образец по-прежнему демонстрирует сильно кристаллическую природу, как видно из изображений HRTEM.

  Принимая во внимание, что количество углеродных вакансий существенно не изменяется при изменении исходного состава, когда x больше 0,3, мы пришли к выводу, что влияние остаточного предшественника графита на твердость для TiC _0,7 можно не учитывать. Если образец демонстрирует высокую твердость, будет иметь место сильная орбитальная гибридизация между орбиталью переходного металла-d и орбиталью C-2p, которая, как предполагается, полезна для высокой твердости. Измерение твердости TiC 9Образец 1857 0,7 проведен по полированной поверхности зеркала по шкале твердости по Виккерсу пирамидальным алмазным индентором. Сила нагрузки, действующая на образцы, варьировалась от 25 до 1000 г до достижения конвергентной твердости по Виккерсу. Значение микротвердости по Виккерсу было подтверждено в соответствии с уравнением (1):

  Hv=1,8544pd2    (1)

  , где d — длина двух диагоналей отпечатков, а P — приложенная сила с продолжительность 15 с. На поверхности образца было сделано не менее пяти отпечатков для получения точных данных о твердости. Среднее значение твердости по Виккерсу поликристаллического TiC 9Образец 1857 0,7 при различных усилиях нагружения приведен на вставке рисунка 2А. Твердость уменьшается с увеличением силы нагрузки. С увеличением силы нагрузки твердость по Виккерсу постепенно приближалась к асимптотическому значению твердости по Виккерсу 27,1 ГПа. По сравнению с предыдущими результатами 24,7 ГПа измеренная асимптотическая твердость по Виккерсу образцов, изготовленных в условиях HPHT, несколько выше. Образец с более высокой твердостью по Виккерсу, полученный синтезом HPHT, не является неожиданностью, поскольку измеренная твердость тесно связана с качеством образца. Поскольку эффект заполнения пор будет влиять на размер отпечатка твердости, более высокая относительная плотность образца предполагает, что полученное значение твердости будет ближе к значению определенного материала. Показано, что метод HPHT эффективен при подготовке образцов с высокой относительной плотностью.

  Рис. 2. (A) Значение твердости по Виккерсу, полученное как функция приложенной нагрузки TiC _0,7 . Соответствующие изображения вдавливания при различных приложенных нагрузках представлены над каждой точкой данных. (B) Значения твердости по Виккерсу боридов переходных металлов с высокой концентрацией бора и карбида титана.

  На рис. 2B показаны значения твердости по Виккерсу для различных боридов переходных металлов с высокой концентрацией бора, широко используемых карбидов переходных металлов и нашего образца карбида титана. Мы видим, что асимптотическая жесткость по Виккерсу даже больше, чем у ReB ₂ , WB ₃ , ReB ₂ , MnB ₄ , ZrB ₁₂ и даже FeB ₄ , который ранее считался сверхтвердым [2, 11, 1]. По сравнению с другими широко используемыми карбидами переходных металлов (WC, WC-8%Co, TaC и Mo ₃ C ₂ ), TiC _x демонстрирует более высокую твердость. Низкое содержание легких элементов также вызывает более высокую твердость TiC [26–29]. Этот факт указывает на то, что высокое содержание легких элементов или высокоразмерные каркасы из легких элементов не могут быть критическим критерием для создания сверхтвердых материалов.

  Объемный модуль (В) обозначает способность материала сопротивляться изменению объема под действием гидростатического давления. Сверхтвердые материалы обычно обладают высоким значением объемного модуля, хотя обратное не всегда верно [30]. Элементарная ячейка TiC кристаллизуется в кубическую структуру с параметром решетки a = 4,32 Å, что дает объем элементарной ячейки 80,62 Å ³ . Таким образом, молекулярный объем равен 20,16 Å ³ . Состав валентной электронной оболочки Ti: 3d ² 4s ² или Z = 4, а C равно 2s ² p ² с Z из 4. Таким образом, общее число валентных электронов в одной элементарной ячейке равно восьми, а плотность валентных электронов ( ВЭД) составляет 0,4 электрона/Å ³ . Сообщается, что алмаз имеет самый высокий объемный модуль 442,0 ГПа и ВЭД 0,7 электрон/Å ³ , а наиболее несжимаемый металл Os имеет объемный модуль 411,0 ГПа и ВЭД 0,57 электрон/Å ³ . [8]. Относительно низкий VED не может гарантировать структуру TiC с исключительно высоким объемным модулем. Следовательно, рассчитанный объемный модуль TiC на основе расчетов из первых принципов составляет всего 252,4 ГПа, что намного ниже, чем у алмаза, Os и диборидов осмия. Однако, согласно недавним сообщениям S.H. Jhi и YC Liang, число валентных электронов, равное восьми, приводит к наиболее приемлемой электронной структуре и, следовательно, к более высокой твердости [31–34]. Валентный электрон TiC составляет около восьми электронов, и это может быть одной из причин его исключительно высокой твердости.

  Недавние исследования на микроскопическом уровне показали, что твердость твердого тела зависит от плотности связи, длины связи, прочности связи и электроотрицательности связи. Согласно предыдущим результатам, преобладающей связью в структуре каменной соли монокарбидов переходных металлов являются связи TM-C, образованные гибридизацией между орбиталями переходного металла-d и C-2p-орбиталями. Необходимо изучить эту характеристику связи и электронные конфигурации TiC, потому что характеристика химических связей имеет решающее значение для механических свойств. Одним из наиболее многообещающих средств для этого было бы сочетание взаимосвязей между расчетом из первых принципов и измерениями энергии связи. На рисунке 3B показан XPS-спектр C-1 с энергией связи от 283,0 до 29.2,0 эВ. Как видно из спектра, имеются два пика при энергии связи 284,7 и 287,5 эВ. Энергия связи пика графита 1s обычно находится на уровне 284,5 эВ. Следовательно, пик при энергии связи 284,7 эВ принадлежит остаточному графиту, извлеченному из основной матрицы TiC. Появление графитового пика подтверждает наличие углеродных вакансий в синтезированных поликристаллических образцах. Другой пик с более высокой энергией связи 287,5 эВ можно отнести к TiC. Тот факт, что энергия связи выше, чем у графита, предполагает перенос электрона от титана к атомам углерода. На рис. 3А представлен Ti-2p 9.0560 3/2 и 2p ^1/2 спектры от энергии связи 455 до 468 эВ. В спектрах РФЭС Ti 2p присутствуют две пары пиков энергии связи. Два основных пика при 457,7 и 463,7 эВ относятся к высококристаллическому TiC, а пара небольших пиков при 458,7 и 464,6 эВ – к дефектной структуре. Сравнивая площадь пика двух парных пиков TiC, можно подтвердить, что углеродные вакансии x составляют примерно от 0,37 до 0,38, что примерно соответствует предыдущему результату EDS для TiC 9.1857 0,7 . Энергия связи C-1s у TiC выше, чем у графита, а это означает, что некоторые электроны трансформируются из атомов титана в атомы углерода. Преобразование заряда между углеродом и титаном предполагает, что в связи Ti-C есть некоторая ионная характеристика.

  Рисунок 3 . Получены XPS-спектры высокого разрешения карбида титана TiC _0,7 , синтезированного при высоком давлении и высокой температуре и предварительно подвергнутого бомбардировке распылением Ar ⁺ в течение 600 с. (A) Спектр Ti-2p ^3/2 и 2p ^1/2 и спектр (B) C-1s.

  Твердость TiC также была рассчитана с помощью модели Чена по следующему уравнению:

  Hv=2(k2G)0,585 -3    (2)

  [35]. Расчетные объемный модуль и модуль сдвига составляют 252,4 и 176,1 ГПа соответственно. Основываясь на приведенном выше теоретическом модуле, смоделированная твердость по Виккерсу составляет около 24,0 ГПа, что согласуется с экспериментальным значением асимптотической твердости. Для дальнейшего изучения электронных свойств и характеристик связи TiC были выполнены расчеты из первых принципов с использованием кода CASTEP. В соответствии с кристаллической структурой и функцией локации электронов (ELF) каменной соли TiC, как показано на рисунке 4A, B. , в структуре TiC существует только один тип связи Ti-C. На рисунке 4C представлена ​​полная и парциальная плотность состояний TiC. По плотности состояний можно наблюдать своеобразную конфигурацию связи, указывающую на высокую степень соответствия между орбиталями Ti-3d и орбиталями C-2p от -3 до -1 эВ. Совпадение парциальной плотности состояний (PDOS) предполагает, что связь Ti-C в кристаллической решетке также имеет некоторые сильные ковалентные свойства. Ненулевая плотность электронов на уровне Ферми указывает на металлическую особенность кристаллической структуры TiC, что согласуется с удельным электропроводным сопротивлением 3,56 × 10 ⁻⁷ Ом·м. Для дальнейшего количественного описания характера связывания TiC мы провели анализ популяции Малликена. Высокое перекрытие между электронной конфигурацией или более высокой заселенностью по Малликену соответствует сильной ковалентной связи, тогда как значение, близкое к нулю, указывает на слабое взаимодействие между двумя атомами. Результаты расчетов подтвердили наше предыдущее предположение о связи. По сравнению с заселенностью Малликена связями CC в алмазе Pv = 0,75, Re-B в ReB ₂ , Pv = 0,73 и B1-B1 в WB ₄ , можно сделать вывод, что связь Ti-C, Pv = 0,81, имеет характеристику ковалентной связи [36]. Более того, расчет населенности Малликена также показывает, что определенно происходит перенос заряда между атомами Ti и C в связи Ti-C. Средние атомные заряды Малликена составляют 0,84 и -0,84 для C и Ti. Перенос электрона от атомов титана к атомам углерода не согласуется с заключением РФЭС. Результаты анализа заселенности Малликена также подтвердили, что связь Ti-C одновременно обладает ионными характеристиками. Это согласуется с результатами XPS. Таким образом, связи TiC имеют сочетание ковалентных металлических и ионных характеристик. Однако, согласно предыдущим отчетам, ионные и металлические связи ухудшают твердость. Следовательно, при синтезе сверхтвердых материалов целесообразно избегать металлических и ионных связей в карбиде переходного металла. Однако по сравнению с образцами TiC, полученными другими методами, синтезированный TiC 9Образец 1857 1−x показал более высокое значение твердости. Предположительно это связано с внешним фактором. Поскольку дефекты действуют как центры закрепления, дефекты могут препятствовать движению дислокаций и тем самым повышать механическую прочность. Кроме того, появление углеродных вакансий изменяет электронный номер в кристаллической структуре и приводит к оптимизации электронной структуры [33, 34]. Следовательно, образцы TiC _1−x обладают чрезвычайно высокой твердостью по сравнению с другими методами изготовления.

  Рис. 4. (A,B) Срезы ELF и CDD плоскости (110) TiC. (C) Расчетная плотность состояний TiC. Энергетический уровень Ферми (E _F ) показан вертикальной пунктирной линией.

  Выводы

  Таким образом, образцы TiC _1−x с дефицитом углерода были синтезированы в условиях высокой температуры и высокого давления. Синтезированные образцы обладают относительно высокой твердостью, превышающей многие соединения с высоким содержанием бора. Основываясь на результатах расчета из первых принципов, мы пришли к выводу, что более высокая твердость TiC может быть связана с сильными связями Ti-C и оптимизированной электронной структурой. Кроме того, углеродные вакансии также играют важную роль в повышении твердости методом внешнего упрочнения. Хотя углеродная вакансия хороша для высокой твердости, углеродные вакансии в этих образцах имеют тенденцию быть устойчивыми даже в условиях синтеза HPHT. Может потребоваться дальнейшее исследование критических условий синтеза, чтобы решить проблему углеродных вакансий и добиться более высокой твердости, ожидаемой для стехиометрического TiC.

  Заявление о доступности данных

  Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без неоправданных оговорок.

  Вклад авторов

  LC и ZY внесли вклад в разработку концепции и дизайна исследования. З.Ы. организовал литературу. HL и SM выполнили дизайн рисунков и написали первый набросок рукописи. Все авторы внесли свой вклад в доработку рукописи, прочитали и одобрили представленную версию.

  Финансирование

  Это исследование было поддержано Фондом естественных наук Гуанси в рамках гранта № 2018GXNSFBA050034 и 2019GXNSFBA185001, проекта повышения базовых способностей учителей молодого и среднего возраста Департамента образования Гуанси, № 2020KY04022.

  Конфликт интересов

  Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

  Каталожные номера

  1. Кнаппшнайдер А., Литтершайд С., Курцман Дж., Сешадри Р., Альберт Б. Уточнение кристаллической структуры и схемы связывания crB ₄ : борид с высоким содержанием бора с каркасом из тетраэдрически координированных атомов B. Неорг. хим. (2011) 50:10540–2. doi: 10.1021/ic2018083

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

  2. Qin J, He D, Wang J, Fang L, Lei L, Li Y, et al. Является ли диборид рения сверхтвердым материалом? Adv Mater. (2008) 20:4780–3. doi: 10.1002/adma.200801471

  Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

  3. Канер Р.Б., Гилман Дж.Дж., Толберт С.Х. Создание сверхтвердых материалов. Наука . (2005) 308:1268–9. doi: 10. 1126/science.1109830

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

  4. Gu Q, Krauss G, Steurer W. Бориды переходных металлов: сверхтвердые и сверхнесжимаемые. Adv Mater. (2008) 20:3620–6. doi: 10.1002/adma.200703025

  Полный текст CrossRef | Академия Google

  5. Mohammadi R, Lech AT, Xie M, Weaver BE, Yeung MT, Tolbert SH, et al. Тетраборид вольфрама, недорогой сверхтвердый материал. ПНАС . (2011) 108:10958–62. doi: 10.1073/pnas.1102636108

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

  6. Ma S, Bao K, Tao Q, Zhu P, Ma T, Liu B, et al. Моноборид марганца, недорогой твердый ферромагнитный материал при комнатной температуре. Научный представитель (2017) 7:43759. doi: 10.1038/srep43759

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

  7. Li H, Wen P, Li Q, Dun C, Xing J, Lu C, et al. Земнообильные наночастицы диборида железа (FeB ₂ ) в качестве высокоактивных бифункциональных электрокатализаторов для общего расщепления воды. Adv Energy Mater. (2017) 7:1700513. doi: 10.1002/aenm.201700513

  Полный текст CrossRef | Google Scholar

  8. Gilman JJ, Cumberland RW, Kaner RB. Дизайн твердых кристаллов. Int J Refractory Metals Hard Mater. (2006) 24:1–5. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2005.05.015

  Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

  9. Guo X, Li L, Liu Z, Yu D, He J, Liu R, et al.-Wang T. Твердость ковалентных соединений: роль металлического компонента и D валентных электронов. J Appl Phys. (2008) 104:023503. doi: 10.1063/1.2956594

  Полный текст CrossRef | Google Scholar

  10. Wang Q, He J, Hu W, Zhao Z, Zhang C, Luo K, et al. Является ли орторомбический тетраборид железа сверхтвердым? J Материал. (2015) 1:45–51. doi: 10.1016/j.jmat.2015.03.004

  Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

  11. Tao Q, Zheng D, Zhao X, Chen Y, Zhu P. Изучение твердости и искаженной sp2-гибридизации связей b–B в wB ₃ . Хим. (2014) 26:5297–302. doi: 10.1021/cm5021806

  Полный текст CrossRef | Google Scholar

  12. Ma S, Bao K, Tao Q, Huang Y, Xu C, Li L, et al. Исследование происхождения и механических свойств необычных жестких алмазоподобных сетчатых аналогов в тетрабориде марганца. Int J Refractory Metals Hard Mater. (2019) 85:104845. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2018.12.010

  CrossRef Полный текст | Google Scholar

  13. Tang H, Gao X, Zhang J, Gao B, Gou H. Богатый бором борид молибдена с необычным ближним упорядочением вакансий, анизотропной твердостью и сверхпроводимостью. Хим. (2019) 32:459–67. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b04052

  Полный текст CrossRef | Google Scholar

  14. Ma T, Li H, Zheng X, Wang S, Wang X, Zhao H. Сверхпрочные каркасы бора в zrB ₁₂ : Шоссе для электронной проводимости. Adv Mater. (2016) 29:1604003. doi: 10.1002/adma.201604003

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

  15. Ван С., Тао К., Ма С., Цуй Т., Ван С., Донг С. и др. WB ₂ : не сверхтвердый материал для сильного поляризационного характера межслойной связи w-B. Phys Chem Chem Phys. (2017) 19:8919–24. doi: 10.1039/C6CP04287B

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

  16. Юнг М.Т., Акопов Г., С.-Лин В., Кинг Д.Дж., Ли Р.Л., Собелл З.К. и соавт. Сверхтвердые w _0,5 Ta _0,5 B нанопроволоки, приготовленные при атмосферном давлении. Appl Phys Lett. (2016) 109:203107. doi: 10.1063/1.4967447

  Полный текст CrossRef | Google Scholar

  17. Li Q, Zhou D, Zheng W, Ma Y, Chen C. Аномальная реакция сверхтвердых соединений wBn на стресс. Phys Rev Lett. (2015) 115:185502. doi: 10.1103/PhysRevLett.115.185502

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

  18. Рагурам Буншах КАРФ. Влияние температуры подложки на структуру карбида титана, осажденного методом активированного реактивного испарения. J Vacuum Sci Technol. (1972) 9:1389–94. doi: 10.1116/1.1317046

  Полный текст CrossRef | Google Scholar

  19. Kumashiro Y, Itoh A, Kinoshita T, Sobajima M. Микротвердость монокристаллов TiC по Виккерсу при температуре до 1500°C. J Mater. (1977) 12: 595–601. doi: 10.1007/BF00540285

  Полный текст CrossRef | Академия Google

  20. Кресс Г. Эффективные итерационные схемы для неэмпирических расчетов полной энергии с использованием базисного набора плоских волн. Phys Rev B. (1996) 54:11169–86. doi: 10.1103/PhysRevB.54.11169

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

  21. Пердью Дж. П., Берк К., Эрнцерхоф М. Упрощение обобщенной градиентной аппроксимации. Phys Rev Lett. (1996) 77:3865–8. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

  22. Segall MD, Lindan PJD, Probert MJ, Pickard CJ, Hasnip PJ, Clark SJ, et al. Моделирование первых принципов: идеи, иллюстрации и код CASTEP. J Phys Конденсирует Материю. (2002) 14:2717–44. doi: 10.1088/0953-8984/14/11/301

  CrossRef Full Text | Google Scholar

  23. Segall MD, Shah R, Pickard CJ, Payne MC. Популяционный анализ плосковолновых расчетов электронной структуры объемных материалов. Phys Rev B. (1996) 54:16317–20. doi: 10.1103/PhysRevB.54.16317

  Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

  24. Sathish CI, Guo Y, Wang X, Tsujimoto Y, Li J, Zhang S, et al. Сверхпроводящие и структурные свойства кубической фазы карбида молибдена d-MoC0,681. J Химия твердого тела. (2012) 196:579–85. doi: 10.1016/j.jssc.2012.07.037

  Полный текст CrossRef | Google Scholar

  25. Wang S, Yu X, Zhang J, Zhang Y, Wang L, Leinenweber K, et al. Кристаллическая структура, упругие свойства и твердость синтезированного под высоким давлением crB ₂ и crB ₄ . J Сверхтвердый материал. (2014) 36: 279–87. doi: 10.3103/S1063457614040066

  Полный текст CrossRef | Google Scholar

  26. Chen Y, He D, Qin J, Kou Z, Bi Y. Ультразвуковые измерения и измерения твердости для керамики wB, изготовленной сверхвысоким давлением. Int J Refractory Metals Hard Mater. (2011) 29:329–31. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2010.12.006

  CrossRef Полный текст | Google Scholar

  27. Sun W, Kuang X, Liang H, Xia X, Zhang Z, Lu C и другие. Механические свойства карбида тантала из синтеза при высоком давлении/высокой температуре и основные расчеты. г. Phys Chem Chem Phys. (2020) 22:1–6. doi: 10.1039/C9CP06819H

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

  28. Ge Y, Ma S, Kuo B, Tao Q, Zhao X, Feng X и др. Сверхпроводимость с высокой твердостью в Mo ₃ C ₂ . Неорган Хим Фронт. (2019) 6:1282–8. doi: 10.1039/C9QI00182D

  CrossRef Полный текст | Google Scholar

  29. Zou Y, Wang X, Chen T, Li X, Qi X, Welch D, et al. ε-NbN с гексагональной структурой: сверхнесжимаемость, высокая жесткость при сдвиге и, возможно, твердый сверхпроводящий материал. г. Научный представитель (2015) 5:10811. doi: 10.1038/srep10811

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

  30. Камберленд Р.В., Вайнбергер М.Б., Гилман Дж.Дж., Кларк С.М., Толберт С.Х., Канер Р.Б. Диборид осмия, сверхнесжимаемый, твердый материал. J Am Chem Soc. (2005) 127:7264–5. doi: 10.1021/ja043806y

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

  31. Liang Y, Gao Z, Qin P, Gao L, Tang C. Механизм аномального упрочнения моноборидов переходных металлов. Наношкала. (2017) 9:9112–8. doi: 10.1039/C7NR02377D

  PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

  32. Liang Y, Qin P, Jiang H, Zhang L, Zhang J, Tang C. Проектирование сверхтвердых металлов: случай низких боридов. AIP Adv. (2018) 8:045305. doi: 10.1063/1.5023830

  Полный текст CrossRef | Google Scholar

  33. Jhi SH, Ihm J, Louie SG, Cohen ML. Электронный механизм повышения твердости карбонитридов переходных металлов.