Сплавы на основе титана

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національна металургійна академія України

(НМетАУ)

Кафедра Матеріалознавства та обробки металів

Індивідуальне завдання

На тему:

«Сплавы на основе титана»

Выполнила:

ст. групи МВ-01 Белан Евгения

Проверила: доцент Носко О.А.

Дніпропетровськ

2013

Сплавы на основе титана

Титан - тугоплавкий металл с невысокой плотностью, полиморфный серебристо-белого цвета. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей, поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40 %. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно изготовить сложные отливки, но обработка резанием затруднительна. Для получения сплавов с улучшенными свойствами его легируют алюминием, хромом, молибденом.

Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Титан - металл IV группы периодической системы с атомным номером 22, атомной массой 47,3, относится к переходным элементам. Титан обладает удельным весом порядка 4500 кг/м³ и довольно высокой температурой плавления, ~1665 5^оС. Модуль упругости у титана низкий Е= 112 ГПа, почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля. Коэффициент теплопроводности составляет 18,85 Вт/(м·К), почти в 13 раз ниже, чем у алюминия и в 4 раза ниже, чем у железа. Имеет низкий коэффициент линейного термического расширения - 8,15 х 10⁶ К^-1 (50% от коэффициента расширения аустенитной нержавеющей стали). Титан обладает высоким удельным электросопротив-лением. Титан - парамагнитный металл.

Титан - твердый металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза - железа и меди. Титан химически стоек. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка TiO₂, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против коррозии под напряжением. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее. При температурах выше 500°С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).

Титан имеет две полиморфные модификации:

· низкотемпературную модификацию a -Ti, устойчивую до 882°С, (ГП - решетка а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)

· высокотемпературную b -Ti, устойчивую выше 882^оС (ОЦК решетка а= 0,332 нм).

На механические свойства титана значительно влияют приме-си кислорода, водорода, углерода и азота, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, гидриды, карбиды и нитриды, повышая его характеристики прочности при одновременном снижении пластичности. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми и даже тысячными долями процента. Опасность водородной хрупкости, особенно в напряженных сварных конструкциях ограничивает содержание водорода. В техническом титане оно находится в пределах 0,008 - 0,012%.

Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью и в условиях глубокого холода, сохраняя при этом достаточную пластичность.

Для получения сплавов титан легирует Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zr, Nb. Титан легируют для улучшения механических свойств, реже -- для повышения коррозионной стойкости. Удельная прочность (s_в/r)титановых сплавов выше, чем легированных сталей.

Все легирующие элементы по влиянию на полиморфизм титана подразделяются на три группы:

1. a -стабилизаторы -- элементы, повышающие температуру полиморфного превращения (ТПП) титана (Рис. 1.1). Из металлов к числу a - стабилизаторов относятся Al, Ga, In, из неметаллов -- C, N, O.

2. b -стабилизаторы -- элементы, понижающие ТПП титана. Их можно разбить на три подгруппы. В сплавах титана с элементами 1 подгруппы при достаточно низкой температуре происходит эвтектоидный распад b -фазы b а a +g (Рис. 1.2); к их числу относятся Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, называемые эвтектоидообразующими b -стабилизаторами.

Рисунок 1. Влияние легирующих элементов на температуру полиморфного превращения титана

В сплавах титана с элементами 2 подгруппы b -раствор сохраняется до комнатной температуры (Рис. 1.3). К числу этих элементов принадлежат V, Mo, Nb, Ta. Поскольку они образуют непрерывные твердые растворы с b -титаном, их назвали изоморфными b - стабилизаторами.

В сплавах 3 подгруппы равновесная b - фаза также стабилизируется при комнатной температуре, но непрерывных твердых b - растворов не образуется. К элементам этой подгруппы относятся Re, Ru, Rh, которые в области, богатой титаном, дают с ним такую же диаграмму состояния, как и изоморфные b - стабилизаторы. Их можно назвать квазиизоморфными b - стабилизаторами.

3. Третья группа представлена легирующими элементами, мало влияющими на ТПП титана. Это олово, цирконий, германий, гафний и торий, которые называют нейтральными упрочнителями. Почти все промышленные титановые сплавы содержат алюминий.

Классификация титана и его сплавов

Технический титан и его сплавы получают из титановой губки. Титановая губка -- это пористое серое вещество с насыпной массой 1,5--2,0 г/см³ и очень высокой вязкостью.

В зависимости от содержания примесей технический титан подразделяют на несколько сортов: ВТ1-00 (99,53% Ti), ВТ1-0 (99,48 % Ti) и ВТ1-1 (99,44 % Ti).

Принятая в настоящее время классификация титановых сплавов основана на структуре, которая формируется при отжиге по промышленным режимам. Она включает:

1. a -сплавы, структура которых представлена a -фазой.

2. Псевдо- a -сплавы, структура которых представлена a - фазой и небольшим количеством b -фазы (не более 5%) или интерметаллидов.

3. (a +b ) -сплавы, структура которых представлена a - и b -фазами; сплавы этого типа также могут содержать интерметаллиды.

4. Псевдо-b -сплавы со структурой в отожженном состоянии, представленной a -фазой и большим количеством b -фазы; в этих сплавах закалкой или нормализацией из b -области можно легко получить однофазную b -структуру.

5. b -сплавы, структура которых представлена термически стабильной b -фазой.

6. Сплавы на основе интерметаллидов.

Свойства титана

Сочетание небольшой плотности с достаточной прочностью и отличной коррозионной стойкостью, во многих агрессивных средах является важнейшим свойством титана как конструкционного материала.

Немаловажную роль играет и тот факт, что по распространенности в природе титан занимает среди конструкционных материалов четвертое место после алюминия, железа и магния. По плотности (4505 кг/м3) титан занимает промежуточное положение между сплавами алюминия и ста-лями-- двумя важнейшими конструкционными материалами.

Титан при комнатной температуре превосходит все металлы и даже многие легированные стали. Механические свойства титана зависят от содержания в нем примесей -- кислорода, азота, углерода. Они повышают прочность, но значительно снижают его пластичность. Вредной примесью для титана является и водород, снижающий ударную вязкость. Титан наибольшей чистоты получают ионным способом. Основную массу титана для производства полуфабрикатов и сплавов на его основе получают магнийтермическим способом.

Титан обладает высокой удельной прочностью не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого холода. Несмотря на высокую температуру плавления (1668±5°С), чистый титан не является жаропрочным материалом (при повышении температуры до 250 °С его временное сопротивление на разрыв снижается почти в 2 раза).

Титан технической чистоты обладает исключительно высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. По коррозионной стойкости он превосходит коррозионно-стойкую (нержавеющую) сталь и приближается к благородным металлам.

Титан практически не подвергается воздействию атмосферного воздуха (до 500 °С), пресной и морской воды. Он не растворяется во многих органических и минеральных кислотах, в том числе и в царской водке. В ряде производств, титан -- единственный стойкий против коррозии конструкционный материал (во влажном хлоре, в водных соединениях хлора и др.). Титан интенсивно взаимодействует лишь с четырьмя неорганическими кислотами: соляной, серной, плавиковой и ортофосфорной. Он нестоек во фтористых соединениях, в сухом хлоре и броме, перекиси водорода и других агрессивных средах. При температуре выше 500 °С титан легко окисляется, а при температурах свыше 600--700 °С поглощает азот, окись углерода и углекислый газ. При низких температурах он абсорбирует большие количества водорода. Чрезвычайно высокая химическая активность расплавленного титана требует при плавке или сварке плавлением применения вакуума или защитной атмосферы инертных газов.

Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)

Рисунок 2. Кристаллы титана

ТИТАН - искусственно выделенные кристаллы простого вещества, не встречающиеся в природе в самородном виде и образующие при разных условиях кристаллы гексагональной или тетрагональной структуры. Титан впервые выделен из рутила (rutile).

Английское название: Titanium.

Происхождение названия:

Название элементу было дано в честь мифологических существ - Титанов, сыновей богини Земли (Геи) и Неба (Урана) (древнегреческая мифология).

Впервые выделен:

В 1790 году Уильямом Грегори (William Gregor) впервые обнаружена окись неизвестного металла (TiO₂). Затем в 1795 году Мартином Генрихом Клапротом (Martin Heinrich Klaproth), независимо от Уильяма Грегори (William Gregor), в рутиле (rutile) был обнаружен новый элемент, названный впоследствии титаном. Выделить металлический титан в чистом виде впервые удалось в 1825 году, Берцелиусу Йонасу Якобу (Juns Jakob Berzelius).

Разновидности минерала: Различают титан с гексагональной и с тетрагональный структурой решётки.

титан сплав химический

Рисунок 3. Структурная решетка

Рисунок 4. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана

Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием b -стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис. 5).

Рисунок 5. Схема изменения фазового состава сплавов «Ti-b -стабилизатор» в зависимости от скорости охлаждения и закалки из b -области

При медленном охлаждении в титановых сплавах, в зависимости от концентрации b -стабилизаторов, могут быть получены структуры: a , a + b или b соответственно.

При закалке в результате мартенситного превращения в интервале температур М_н-М_к (на рис. 5 показаны пунктиром) следует различать четыре группы сплавов.

Виды термообработки

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг - проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Т_пп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение - (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b )-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b , a ў , a ўў и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a - и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a - и b -фаз.

Химико-термическая обработка - проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

Размещено на Allbest.ru