В разделе Книги приведен список книг в элетронном формате на различную тематику

Основные сведения о титане

Титан (Ti) (Titanium) - химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см³, t_пл.=1668+(-)5°С, t_кип.=3260°С. Для технического титана марок ВТ-00 и ВТ1-0 плотность приблизительно 4,32 г/см³. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапозоне температур (от -290°С до 600°С).

История открытия титана

Оксид титана TiO₂ впервые был обнаружен в 1789 году У. Грегором, который при исследовании магнитного железистого песка выделил окись неизвестного металла, назвав ее менакеновой. Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус.

Свойства титана

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

Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 ° С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С до температуры плавления.            

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

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

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышеиием температуры до 350°С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана - существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечення изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.  

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

Титан - парамагнитный металл. У парамагнитных веществ мапнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила - его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Достоинстава / недостатки титана

Достоинства:

1. малая плотность (4500 кг/м³) способствует уменьшению массы используемого материала;

2. высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;

3. необычайнао высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью титана образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO₂, прочно связанные с массой металла;

4. удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.

Недостатки:

1. высокая стоимость производства, титан значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;

2. активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего титан и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;

3. трудности вовлечения в производство титановых отходов;

4. плохие антифрикционные свойства, обусловлснные налипанием титана иа многие материалы, титан в паре с титаном не может работать на трение;

5. высокая склонность титана и миогих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;

6. плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса;

7. большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.

Применение титана

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техникии и морского судостроения. Титан (ферротитан) используют в качестве лигирующей добавки к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали элетктровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.          

По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.         

Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой мехнической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.          

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах (см. рис.2). Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.

Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.     

Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостоении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид титана обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид титана (TiO₂) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид титана — важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов.

Марки и химический состав титана и сплавов

ТИТАН ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ

ОСТ 1.90013-81

ТИТАН И ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ

СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА

ТИТАН ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ

ОСТ 1.90013-81

ТИТАН И ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ

ТИТАН И ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ

ГОСТ 19807-91 

ТИТАН И ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ 

ГОСТ 19807-91

Содержание в соединениях тугоплавких металлов в %

Образцы титана ВТ1-0, после предварительной деформационно-термической обработки, подвергали деформации на лабораторной установке для ВЭ по схеме гидромеханической экструзии. Матрица имела сечение 14×16 мм2 и угол наклона винтовой линии 60°. Деформация осуществлялась при комнатной температуре. Давление в контейнере равнялось 700 МПа. Структуру титана анализировали с помощью оптической микроскопии на приборе «Neophot-32» при увеличениях до 2000 крат (наблюдение структуры при больших увеличениях осуществляли с помощью иммерсионного объектива) и просвечивающей электронной микроскопии на приборе JEM-100C. Средний размер структурных элементов (зерен, рагментов) рассчитывали методом секущих.

Механические свойства титана при испытании на растяжение (табл. 3.1)1 проводили на стандартных образцах согласно ГОСТ 1497-84.

На рис. приведены структуры титана после одного и трех проходов ВЭ.

 Металлографический анализ показал, что как в поперечном, так и в продольном сечениях образца титана с ростом количества переходов при ВЭ и, следовательно, с увеличением степени накопленной деформации размер зерен d резко уменьшается. Если в структуре титана в исходном состоянии d ≈ 25 мкм, то после первого прохода d ≤ 10 мкм, а после трех проходов d≤ 1 мкм. При этом степень однородности размера кристаллитов возрастает с увеличением числа переходов. В продольном сечении заготовки после трех проходов наблюдается смешанная структура, состоящая из пластин и равноосных фрагментов (рис. 3.14, г).

Результаты испытаний на растяжение после ВЭ показывают, что, наряду со значительным изменением кристаллической структуры, происходит также существенное изменение уровня механических свойств титана (табл. 3.1).

Из табл. 3.1 видно, что после деформационной обработки наблюдается значительная анизотропия свойств. В продольном направлении прочностные характеристики заготовки выросли незначительно при снижении пластичности почти в два раза (образцы 5, 6). При этом последеформационный отжиг практиче-

ски не повлиял на механические свойства титана (образцы 7, 8). В направлении, перпендикулярном оси заготовки, предел текучести и предел прочности титана выросли почти в два раза (образцы 1, 2), при этом уровень пластических характеристик снизился с 30% до 15–19%. Последеформационный низкотемпературный отжиг (300°С, 1 ч.) привел к росту как прочностных, так и пластических характеристик (образцы 3, 4). Интересен тот факт, что уровень δ стал даже выше, чем в исходных образцах (увеличился от 30% до 37–38%).

У нас пока мало данных, чтобы делать окончательные выводы относительно причин, которые привели к такому изменению свойств титана. Может быть это обусловлено его специфической структурой. Однако несомненно то, что свой вклад в формирование свойств внесли знакопеременность деформации и простой сдвиг по плоскостям, ортогональным оси заготовки.

Из анализа, сделанного в гл. 1, следует, что свойства металла после ВЭ можно улучшить путем сравнительно небольшой дополнительной деформации заготовки, отличной от кручения вокруг ее оси. Во первых, это приведет к интенсивному упрочнению материала (см. в гл. 1 описание экспериментов П. Людвика по знакопеременному кручению образцов с их последующим растяжением). Во вторых − к частичному залечиванию зародышевых микропор и повышению пластичности (в особенности если дополнительная деформация будет происходит в условиях достаточно высокого давления).

http://artmetals.narod.ru

Artyomal@rambler.ru