ТИТАН ТА СПЛАВИ НА ЙОГО ОСНОВІ

Титан займає 4 місця після Al, Fe та Mg за вмістом в земляній корі. Має високу хімічну активність і тому довгий час неможливо було отримати в чистому вигляді.

Титан – метал сріблястого-білого кольору із температурою плавлення 1668°С. Має дві поліморфні модифікації: до 882,5°С – стійка модифікація a-Ті з ГЩП граткою, вище 882,5°С – модифікація b-Ті з ОЦК граткою. При повільному охолодженні внаслідок поліморфного перетворення утворюються поліедричні структури, при швидкому охолодженні перетворення b®a реалізується за мартенситним механізмом з утворенням голчастої структури. Густина титану 4,505 г/см3. Деякі фізичні властивості титану наведені в табл.3.1.

Таблиця 3.1 – Фізичні властивості титану [2]

Атомна маса 47,90
Атомний радіус, нм 0,149
Атомний об’єм, см3/г-атом 10,64
Кристалічна гратка: b-Ті (при t>882,5°C) a-Ті (при t<882,5°C)   ОЦК ГЩП
Період гратки, нм: b-Ті a-Ті а = 0,3282±0,0003 а = 0,29503±0,00004; с = 0,48631±0,00004; с/а = 1,5873
Густина, г/см3: b-Ті (при 900°С) a-Ті (при 20°С)   4,32 4,505
Температура кипіння, °С
Питома теплоємність, кал/(г×град): при 100°С при 500°С   0,130 0,141
Теплопровідність, кал/(см×сек×град): при 100°С при 500°С   0,0364 0,0329
Коефіцієнт лінійного розширення, 1/град: при 100°С при 500°С   8,3×10-6 9,75×10-6
Питомий електроопір, Ом×см 42×10-6 (йодідний титан); 55×10-6 (технічно чистий титан)
Модуль нормальної пружності, МПа
Модуль зсуву, МПа

Титан відноситься до корозійностійких металів, на його поверхні утворюється пасивна щільна оксидна плівка ТіО2. Титан має високу корозійну стійкістьу звичайній та в морській атмосфері, у воді, в більшості агресивних середовищах (лугах, кислотах, лужних та кислотних розчинах) та в інших активних середовищах. Титан інтенсивно реагує тільки з плавіковою, соляною, сірчаною та ортофосфорною кислотами.

При підвищенні температури Ті активно поглинає гази: починаючи з 50…70°С – водень, вище 400…500°С – кисень, вище 600…700°С – азот, оксид вуглецю та вуглекислий газ. При нагріванні на повітрі до 1200°С титан спалахує з утворенням оксидних фаз змінного складу ТіОх. Це явище отримало назву «титанова пожежа». Титан, як і магній, пірофорний метал, тобто здатен до самозаймання, тому титан та його сплави не використовують при температурах вище 500…600°С.

Титан в присутності хлористого натру схильний до корозії під навантаженням (сольова корозія). Під дією напружень в місці контакту титанового сплаву з повареною сіллю або іншим галоїдом виникають тріщини, котрі поступово розповсюджуються вглиб металу, що призводить до передчасного руйнування. Це розтріскування спостерігається при температурах приблизно від 215 до 550°С. В деяких сплавах сольова корозія розвивається при напруженнях, які в 3...4 рази менші за опір повзучості [10].

При температурі понад 500°С титан та його сплави легко окислюються та активно насичуються воднем з пари, що викликає явище водневої крихкості.Механізм водневої крихкості залежить від фазового складу титанови сплавів. У випадку нелегованого титану та однофазних a-титанових сплавів причиною явища підвищення крихкості є виділення крихкої гідридної фази, що різко зменшує опір відриву. В двофазних сплавах гідриди не утворюються через присутність b-фази, що добре розчиняє водень, проте виникають зони пересичених воднем твердих розчинів, що викликають крихке руйнування при низьких швидкостях деформації. Із збільшенням кількості b-фази чутливість сплавів до водневої крихкості зменшується [10].



Титан – парамагнітний матеріал. Має доволі високий питомий електроопір, який в залежності від вмісту домішок коливається від 42 × 10 6 Ом×см до 70 × 10-6 Ом×см. При температурах нижче 0,45 К титан стає надпровідником.

Титан має низьку теплопровідністю, якав 13 разів менша за теплопровідність алюмінію та в 4 рази менша за теплопровідність заліза. Коефіцієнт термічного розширення при кімнатній температурі незначний, але із зростанням температури підвищується. Механічні властивості титану залежать від вмісту домішок. Найбільш чистий йодідний титан (0,093% домішок) має наступні властивості: sв = 250…300 МПа, d = 50…60%, y = 70…80%, 1300 НВ.

Зазвичай метали з гексагональною щільнопакованою граткою мають обмежену кількість систем ковзання і тому вони малопластичні (табл.3.2). Це пояснюється співвідношенням с/а (табл.3.3).

Таблиця 3.2 – Механічні властивості титану порівняно з властивостями інших металів

Метал Технічно чистий титан (ВТ1-00) Армко-залізо Технічний алюміній Ni Mg Cu V a-Zr Zn
Гратка ГЩП ОЦК ГЦК ГЦК ГЩП ГЦК ОЦК ГЩП ГЩП
sв, МПа
d, % 44,7 60,0 35,0 43,8 11,5 46,0 32,0 29,0 20,0

Таблиця 3.3 – Значення співвідношення с/а для деяких металів з ГЩП граткою

Метал з ГЩП граткою Zn, Mg a-Zr a-Ті
Співвідношення с/а 1,855 1,624 1,593 1,587

В металах Zn, Mg, a-Zr щільнопакована площина базису (0001) – єдина площина, по якій може здійснюватися пластична деформація ковзанням.

Однак a-Ті за пластичністю не поступається іншим металам з іншими типами кристалічної гратки (див.табл.3.2).

Титан має співвідношення с/а 1,587 (на 2,9% менш ніж у ідеальній гратці із щільним розташуванням атомів у вигляді сфер – 1,633). Тому щільність пакування атомів в площині базису Ті менша за теоретичну і вона не є єдиною площиною ковзання. Ковзання в Ті відбувається переважно по площинам ,меншою мірою по площинам та площинам базису (0001) (рис.3.1). Ковзання у всіх випадках відбувається по найбільш щільнопакованим напрямкам типу . Крім цих систем ковзання пластична деформація в Ті відбувається двійникуванням по площинам ; ; ; та . На відміну від інших металів з ГЩП граткою в Ті може відбуватися поперечне ковзання по тим же самим площинам, що і первинне ковзання . В b-Ті механізм ковзання такий самий як і в інших металах з ОЦК граткою: по площинам , ; у напрямку [3].

1 – пірамідальна площина ; 2 – призматична площина ;

3 – базисна площина ; 4 – напрямок ковзання

Рисунок 3.1 – Основні площини та напрямки ковзання в металах з ГЩП граткою

До недоліків титану слід віднести: високу вартість виробництва; активну взаємодію Ті при високих температурах, особливо в рідкому стані, з газами атмосфери; труднощі, пов’язані з переробкою титанових відходів; низькі антифрикційні властивості, які обумовлені налипанням титану на більшість матеріалів; схильність до водневої та сольової корозії; низьку теплопровідність; погану обробку різанням.

При зварюванні виникають ускладнення, які обумовлені сильною хімічною активністю, схильністю до росту зерна при високих температурах та поліморфними перетвореннями при зварюванні титану.

Суттєва перевага титанових сплавів: поєднання високої питомої жорсткості (Е/rg, де Е – модуль нормальної пружності, r - густина, g – прискорення вільного падіння) та питомої міцності (sв/rg, де sв – границя міцності на розтяг). Це дозволяє зменшити масу конструкції при підвищенні міцності та жорсткості. Титанові сплави здатні працювати в широкому діапазоні температур, в тому числі при температурах від 250 до 500°С, коли сплави Mg та Al знеміцнюються, а сталі та нікелеві сплави поступаються за питомою міцністю (табл.3.4–3.6).

Таблиця 3.4 – Міцність та питома міцність Al, Mg, Ti

Метал r, кг/м3 sв, МПа Питома міцність (sв/rg), км
Al 1,88
Ti 250…300 5,66…6,79
Mg 10,56

Таблиця 3.5 – Міцність та питома міцність жароміцних сплавів на основі Al, Mg, Ti, Fe (при 200°С)

Марка сплава Основа r, кг/м3 sв, МПа Питома міцність (sв/rg), км
37Х12Н8ГМФБ Fe 10,01
АК4-1 Al 310…320 11,29…11,68
МА11 Mg 11,91
ВТ3-1 Ti 900…1100 20,39…24,92

Таблиця 3.6 – Міцність та питома міцність жароміцних сплавів на основі Ti, Fe, Ni (при 500°С)

Марка сплаву Основа r, кг/м3 sв, МПа Питома міцність (sв/rg), км
37Х12Н8ГМФБ Fe 7,79
ХН77ТЮР Ni 10,58
ВТ3-1 Ti 15,18

Тому основна галузь використання сплавів на основі Ті – авіа- та ракетобудування.









Последнее изменение этой страницы: 2016-04-18; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su не принадлежат авторские права, размещенных материалов. Все права принадлежать их авторам. Обратная связь