Свойства титана. Фазовые превращения в титане

 Титан – металл серебристо-белого цвета, имеющий малую плотность (4,5 г/см3). Температура плавления титана в зависимости от степени его чистоты 1668±4 ° С.

 Титан имеет две полиморфные модификации: a-титан с ГПУ решеткой и высокотемпературную модификацию b-титан с кубической ОЦК решеткой. Температура полиморфного a«b превращения составляет 882 °С. Полиморфное превращение при медленном охлаждении происходит по нормальному механизму с образованием полиэдрической структуры (рис.5.1,а), а при быстром охлаждении – по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры (рис.5.1,б).

Рис.5.1. Микроструктуры технического титана, х340:

а – после отжига; б – после закалки

 Отличительными особенностями титана являются хорошие механические свойства, малая плотность, высокая удельная прочность и коррозионная стойкость. Низкий модуль упругости титана, почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, затрудняет изготовление жестких конструкций. Для повышения жесткости приходится увеличивать толщину деталей и их массу. Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью не только при температуре 20-25°С, но и в условиях глубокого холода. При температуре жидкого гелия временное сопротивление титана равно 1250 МПа.

  Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, которая ко­леблется от 22 Вт / (м °С) (для наиболее чистых от примесей марок) до 18.0 Вт/(м °С) (для титана технической чистоты).

 Соответственно коэффициент термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных мате­риалов (а =8,5 ^. 10^-6/С при 20°С; Fе - а =11,7 ^. 10^-6/°С; Си - а – 17^.10^-6/°С; А1 - 23,9 ^. 10^-6/°С).

 Электрическое сопротивление титана составляет р=42,1 ^. 10^-6Ом/см. С уве­личением температуры электросопротивление титана еще больше увеличивает­ся. а с уменьшением ее - резко падает, вблизи абсолютного нуля титан стано­вится сверхпроводимым. Титан - один из немногих металлов, который при низ­ких температурах является сверхпроводником электричества (-45К). Это открывает ему большие перспективы в электротехнике для передачи энергии на большие расстояния.

 Титан - типичный парамагнетик. Магнитная восприимчивость его, по данным различных авторов, при 20 °С составляет 3,2 ^. 10^-6 см³/г. Его слабую магнитную восприимчивость используют при строительстве, например, немаг­нитных кораблей, приборов, аппаратов.

 В минусовом интервале температур титану нет равных. Железо становит­ся хрупким уже при -40 ⁰С. Титан и его сплавы не разрушаются до -253 ^СС (в жидком водороде) и даже до -269 °С (в жидком гелии). Это очень важное свойство титана открывает большие перспективы его применения в криогенной технике и для работы в космическом пространстве.

  Титан обладает удивительным свойством - эффектом памяти формы. В сплаве с некоторыми металлами, например, никелем он «запоминает» форму изделия, которое из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той темпе­ратуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство широко используется в космической технике и в медицине для проведения операций на сосудах.

 Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет σ_в =375-540 МПа, σ _0,2 =295-410 МПа, δ >20%. Чистый титан даже при 20-25°С обладает повышенной склонностью к ползучести. Предел ползучести титана составляет около 60 % от предела прочности. Примеси О и N, а также пластическая деформация увеличивают сопротивление ползучести.

 С увеличением температуры примерно до 200 °С пластичность технического титана увеличивается в 1,5-2 раза. При дальнейшем увеличении температуры - снижается, достигая минимума при 400-500 °С, а затем снова резко уве­личивается. При температуре полиморфного превращения (882 °С) титан обладает сверхпластичностью.

 Высокие механические свойства титан сохраняет вплоть до нескольких сот градусов. По удельной прочности в интервале 300-600 °С титан не имеет себе равных. Ниже 300 °С - уступает алюминиевым сплавам; выше 600 °С - сплавам на основе железа и никеля.

  Хотя титан относится к числу химически активных металлов, он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO₂, прочно связанная с

основным металлом. Поэтому титан и его сплавы плохо травятся. Благодаря оксидной пленке титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения. IIо коррозионной стойкости титановые сплавы превосходят аустенитные стали.

 При повышении температуры титан активно поглощает газы: начиная с 50-70°С –водород, свыше 400-500°С – кислород и с 600-700°С – азот, окись углерода и углекислый газ. Высокая химическая активность расплавленного титана требует применения при плавке и дуговой сварке вакуума или атмосферы инертных газов. Возникают трудности при плавке и сварке титана и его сплавов. Вместе с тем благодаря способности к газопоглощению при повышении температуры титан нашел применение в качестве геттерного материала в радио- и электронной промышленности. Геттеры

 Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Как уже отмечалось, высокая химическая активность расплавленного титана требует применения при плавке и дуговой сварке вакуума или атмосферы инертных газов. Тем не менее, титан и его сплавы хорошо свариваются аргоно-дуговой сваркой в защитной атмосфере. Прочность шва 90%.

 Титан и титановые сплавы имеют низкие антифрикционные свойства, плохо работают в паре со сталями. Титан и титановые сплавы склонны к повышенному налипанию на инструмент, что в сочетании с их низкой теплопроводностью затрудняет процесс механической обработки. Для обработки титана требуется твердо-сплавной или из быстрореза инструмент, малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение.

 Из титана изготовляют все виды прессованного и катаного полуфабрикатов: листы, трубы, поковки, проволоки. Пластическая деформация значительно повышает прочность титана. При степени деформации 60-70% прочность увеличивается почти в 2 раза. Для снятия наклепа проводят рекристаллизационный отжиг при температуре 650-750°С.

 К отрицательным свойства титана и его сплавов можно отнести низкий модуль нормальной упругости (110 ГПа); склонность к ползучести при комнатной температуре, если напряжения в изделии превышают 50 – 60% от предела текучести; высокую стоимость титана.

 Недостатками титана являются его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости. Например, титан может самовозгораться, а в некоторых случаях и взрываться, что объясняется его высокой активностью. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его выплавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

предназначены для повышения вакуума электронных ламп.