Титан. Титан и его сплавы
 Скачать 21.83 Kb.
|
|
Министерство общего и профессионального образования Ростовской области государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Ростовской области “Новочеркасский геологоразведочный колледж” РЕФЕРАТ Дисциплина: Материаловедение Тема: Титан и его сплавы Выполнил: Озеров М.Э. БН-2-1. Проверил: преподаватель М.Ю.Недельская Новочеркасск 2022 Содержание. 1.Титан и его свойства…………………………………………………………3-6 2.Классификация сплавов титана………………………………….……………6 3.Фазовые превращения в титановых сплавах……………………………….7-9 4.Термическая обработка титановых сплавов…………………………………10 5.Области применения…………………………………………………………..11 6.Литература…………………………………………………………………..…12 ТИТАН И ЕГО СВОЙСТВА. Титан – легкий серебристо-белый металл. Порядковый номер-22. Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана. Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (ϭ в/ρ × g), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже. Характеристики физико-механических свойств титана Плотность ρ , - 4,5 × 103 кг/м3 Температура плавления Тпл, - 1668± 4 ° С Коэффициент линейного расширения a - 8,9 × 10–6 град–1 Теплопроводность l - 16,76 Вт/(м × град) Предел прочности при растяжении ϭ в, 300–450 МПа Условный предел текучести ϭ 0,2 - 250–380 МПа Удельная прочность (ϭ в/r × g) - 7–10 × 10–3 км Относительное удлинение δ - 25–30 % Относительное сужение Y - 50–60 % Модуль нормальной упругости Е´ - 110,25 * 103, МПа Модуль сдвига G´ - 41*103, МПа Коэффициент Пуассона m - 0,32 Твердость НВ -103 Ударная вязкость KCU- 120 Дж/см2 Титан имеет две полиморфные модификации: α - титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию β - титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного превращения составляет 882 ° С. Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается. Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в α - титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение. Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов. Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: ϭ в = 375–540 МПа, ϭ 0,2 = 295–410 МПа, δ= 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей. Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому соотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов. При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля. Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) — почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций. Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO2, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм. Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения. Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов. При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 °С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой). Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств. КЛАССИФИКАЦИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ. Структура промышленных сплавов титана – твердые растворы легирующих элементов в α и β модификациях титана. В зависимости от их стабильной структуры (после отжига) при комнатной температуре делят на 3 группы: 1) α-сплавы; 2) (α+β)-сплавы (двухфазные); 3) β-сплавы. По технологии производства: 1)деформируемые; 2)литейные; 3)порошковые. По физико-химическим и механическим свойствам: 1)высокопрочные; 2)обычной прочности; 3)высокопластичные; 4)жаропрочные; 5)коррозионностойкие. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. Ниже представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на 4 группы. 1) α - Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного α-β превращения и расширяют область твердых растворов на основе α-титана (а). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой α-структурой термической обработкой не упрочняются. 2) Изоморфные β-стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру α-β-превращения и расширяют область твердых растворов на основе β -титана (б). 3)Эвтектоидообразующие β-стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении β -фаза претерпевает эвтектоидное превращение β→ α + TiХ (в). Большинство β - стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, сплавы с (α +β) и псевдо-β-структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение). 4)Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (г). Ниже приведена диаграмма, иллюстрирующая влияние легирующих элементов на прочность титановых сплавов. Полиморфное β→ α - превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого α - раствора. При быстром охлаждении — по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой α' или при большей степени легированности — α " . Кристаллическая структура α, α' и α "практически однотипная (ГПУ), однако решетка α' и α " более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения, что решетка α "- фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз α' и α "выделяется β - фаза или интерметаллидная фаза. В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит α " приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ. 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 рекристаллизации, но ниже температуры перехода в β - состояние (Тпп) во избежание роста зерна. Применяют: - Обычный (рекристаллизационный) отжиг холодно-деформируемых сплавов(650-850 °С). - Изотермический отжиг: нагрев до 780-980°С с последующим охлаждением в печи до 530-680° С, выдержка при этой температуре и охлаждение на воздухе. Обеспечивает высокую пластичность и термическую стабильность (α+β) – сплавов. - Двойной ступенчатый отжиг. Отличается от изотермического тем, что переход от 1 ступени ко 2 осуществляется охлаждением сплава на воздухе с последующим повторным нагревом до температуры 2 ступени. Приводит к упрочнению сплава и некоторому снижению пластичности за счет частичного протекания закалки и старения. -Неполный отжиг при 500-680 °С (для снятия внутренних напряжений). Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с α-β-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз , α', α "и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц α - и β-фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц α и β-фаз. Применение титановых сплавов. В авиастроении, ракетостроении — каркасные детали, обшивка, топливные баки, детали реактивных двигателей, диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборника, детали корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени и т. д. В судостроении — обшивка корпусов судов и подводных лодок, сварные трубы, гребные винты, детали насосов и др. В химической промышленности: реакторы для агрессивных сред, насосы, змеевики, центрифуги и др. В гальванотехнике: ванны для хромирования, анодные корзины, теплообменники, трубопроводы, подвески и др. В газовой и нефтяной промышленности: фильтры, седла клапанов, резервуары, отстойники и др. В криогенной технике: детали холодильников, насосов компрессоров, теплообменники и др. В пищевой промышленности: сепараторы, холодильники, емкости для продуктов, цистерны и др. В медицинской промышленности: инструмент, наружные и внутренние протезы, внутрикостные фиксаторы, зажимы и др, Литература. 1.http://www.1metal.com/info/directories/titanium/tisplav/ 2.http://www.housetop.ru/titan 3.http://www.diamantvl.ru/books/materialovedenie_shpargalka/47_titan_i_ego_splavy/2.html 4.Г.П.Фетисов, М.Г.Карпман «Материаловедение и технология материалов», 2001,стр.191-197. 5. http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/tit. |