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1、第 2 章 21 钛的基本性质C18 工业纯钛 钛的矿物在自然界中分布很广，处于分散状态，主要形成矿物钛铁矿Fe TiO3、金红石 TiO2 及钒钛铁矿等，约占地壳重的06，在金属世界里排行 第 7，含钛的矿物多达70多种，在海水中含量是1UgL，在海底结核中也含 有大量的钛。钛的基本性质主要包括以下几个方面。 211 物理性质 纯净的钛是银白色金属，具有银灰色光泽。钛属难熔金属，原子序数为 22， 。相对原子质量为4790，位于周期表 B 族。 钛有两种同素异构体， 。 Ti 在 882C 以下稳定，为密排六方晶格(hcp) 结构； pTi 在 882C与熔点 1678C之间稳定存在，具有体
2、心立方晶格(bbc) 结构。在 882C发生。一 p 转变。 。 Ti 的点阵常数 (20C)为 a02950nm ， 04683nm ， o/=1.587 ；pTi 的点阵常数为o=0.3282nm(20 )或 o= 0.3306nm(900C)。 钛的密度为 451g cm3 ，只相当于钢的57，属轻金属。钛的熔点较高， 导电性差，热导率和线膨胀系数均较低，钛的热导率只有铁的14，是铜的 17。钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体 内不会受雷雨天气的影响。当温度低于0.49K 时，钛呈现超导电性，经合金 化后，超导温度可提高到910K，钛的基本物理性能数据列于表2
3、1。 名称数值 相对原子质量479 原子半径 nm 0145 eTi-Ti 相变潜热 (kJmo1) 347 比密度 续表 21，2 力学性能 室温下纯钛的晶体结构为密排六方结构，其点阵长短轴比caGl633， 室温变形时主要以 柱面滑移为主，并常诱发孪生9；钛同时 兼有钢 (强度高 )和铝 (质地轻 )的优点。高纯钛具有良好的塑性，但杂质含 量超过一定时，变得硬而脆Ilo。 工业纯钛在冷变形过程中，没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接 近，在冷变形加工过程中有产生裂纹的倾向，工业纯钛具有极高的冷加工硬化 效应，因此可利用冷加工变形工艺进行强化。当变形度大于20 30时， 强度增加速度减慢
4、，塑性几乎不降低。 ；钛的屈服强度与抗拉强度接近，屈强比(do2db)较高，而且钛的弹性 模量小，约为铁的54，成形加工时回弹量大，冷成形困难。有时利用这一特 性，将钛合金作为弹性材料使用1112，但是，高弹钛合金多属。+p(或近 a) 合金，具有六方晶系结构， 其物理性能呈强的各向异性，如弹性模量绕 c轴呈对 称分布， c轴方向弹性模量为14313GPa，底面各取向的弹性模量为10414GPa， 因此需要仔细考虑合金板材的各向异性、弹性模量以及合金织构与弹性各向异 性之间的关系，通过合金化与工艺的调整，有目的地控制织构与弹性各向异性 以满足设计和使用要求。图21所示为钛单晶弹性模量取向分布1
5、3。 图 21 钛单晶弹性模量取向分布(单位： GPa) 工业纯钛与高纯钛 (999)相比强度明显提高，而塑性显著降低，二者 的力学性能数据列于表22。 衰 2-2 纯钛的力学性能 性能高纯钛工业纯钛性能 高纯钛工业纯钛 抗拉强度oMPa 250 300600 正弹性模量EMPa 108X10 3 112X10 3 屈服强度fo2MPa190 250500 切变弹性模量GMPa 40X10 3 41X10 3 伸长率 a40 2030 泊松比 f 034 032 断面收缩率60 45 冲击韧性ohMJm2 25 0515 体 弹 性 模 量K MPa 126X109 104X103 钛的另一特
6、点是在高温能保持比较高的比强度。作为难熔金属，钛熔点 高，随着温度的升高，其强度逐渐下降，但是，其高的比强度可保持到550 600。同时，在低温下，钛仍具有良好的力学性能：强度高，保持良好的塑 性和韧性。曾经对工业纯钛在一196下进行拉伸和低周循环疲劳实验L1， 结果表明，变形后的强度较之室温拉伸变形有了明显提高，同时塑性也有明显增 加。但其循环变形具有明显的循环硬化特性并伴随有大量的孪晶生成，从而 显示出低温循环疲劳在微观结构演化上可能与室温的情况不同1s，室温循 环疲劳中位错的行为起了关键性的影响“。表 23 列出了工业纯钛的低温 力学性能。 表 2-3 工业纯钛的低温力学性能 温度fbM
7、Pa Oo2MPaf 矽 20 520 400 24 59 196 990 750 44 68 253 1280 900 29 64 269 1210 870 35 58 213 化学性能 工业上大量应用的工业纯钛纯度约为995，钛在淡水和海水中有极高 的抗蚀性，在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都好。钛与氧形成 高化学稳定性的致密的氧化物保护膜，因而在低温和高温气体中具有极高的抗 蚀性。在室温条件下，钛不与氯气、稀硫酸、稀盐酸、硝酸和铬酸作用，在碱 溶液和大多数的有机酸和化合物中抗蚀性也很高，但能被氢氟酸、磷酸、熔融 辕侵蚀。 钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学
8、腐蚀倾向 大。但实际上钛在许多介质中很稳定。如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质 中是耐腐蚀的，这是因为钛和氧的亲和力大，在空气中或含氧介质中，钛表面 生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使受 到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有强烈钝化倾向的金属，介 质温度在 315以下，钛的氧化膜始终保持这一特性，完全满足钛在一般环境 中的耐蚀性。钛最突出的性能是对海水的抗腐蚀性很强。 工业纯钛的耐蚀性与高纯钛相似，但低温性能则差得多。张树霞c1，等通 过实验发现，工业纯钛在稀盐酸溶液中存在一个腐蚀临界浓度(074)，当 盐酸浓度低于该值时，在任何情况下钛都不会发生腐蚀
9、，同时工业纯钛还在一 定浓度的盐酸中有一个临界腐蚀温度，当溶液温度高于此临界温度，钛表面的 保护膜很快就被破坏，而低于此临界温度时，钛处于钝化状态。图22 所示为 工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系。 50 000 040 080 120 160 200 240 盐酸浓度 工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系 22 杂质元素对钛性能的影响 杂质对工业纯钛的性能影响很大，杂质含量高则强度提高，塑性急剧降低，生产上常以硬度作为测定工业纯钛的纯度标准13)，钛的纯度与硬度的 关系见表 24。 钛是一种化学性质非常活泼的金属，原子价是可变的。在较高的温度下， 衰 2-4
10、钛的纯度与硬度的关系 纯度99 9599 8 99 6 99 5 99 4 _ 硬度 (HV)90 145 165 195 225 钛金属的主要物理性能 名称单位数据名称单位数据 原子序数22比热卡/克.度0.138原子量47.9热膨胀系数 10-6/(0-100)8.2克原子体积厘米3/ 克原子10.7弹性模量拉伸压缩剪切公斤 /毫米210850密度 20 克/ 厘米34.505 公斤 /毫米210340熔点16684公斤 /毫米210550沸点3535 公斤 /毫米24500熔化潜热千卡/ 克 分子5 导热系数卡/ 厘米. 秒. 0.036汽化潜热千卡/ 克 分子112.50.3%电阻系数
11、10-6欧母. 厘 米47.8同素异晶转 变温度882 转变时体积的 变化% 5.5转变时熵的 变化0.587磁化率10-6厘米3/ 克3.2转变潜热千卡/克 分子678 10%泊桑比0.41钛的性质原子结构 钛位于元素周期表中B族，原子序数为22，原子核由 22 个质子和 20-32 个中 子组成，核外电子 结构排列为 1S22S22P63S23D24S2。原子核半径 5x10-13 厘米。 物理性质 钛的密度为 4.506-4.516克/ 立方厘米 （20） ， 熔点 16684， 熔化潜热 3.7-5.0 千卡/ 克 原子，沸点 326020，汽化潜热 102.5-112.5 千卡/ 克
12、原子，临界温度 4350， 临界压力 1130大气压。 钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢， 钛具有超导性， 纯钛的超 导临界温度为 0.38-0.4K 。在 25时，钛的热容为0.126 卡/ 克原子度，热焓1149 卡/ 克原 子，熵为 7.33 卡 / 克原子度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。 钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60% ，断面收缩率可达70-80% ，但强度 低，不宜作结 构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、 碳）可大大提 高钛的强度， 显著降低其塑性。 钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通 过严格控制其
13、 中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。 化学性质 钛在较高的温度下， 可与许多元素和化合物发生反应。各种元素， 按其与钛发生 不同反应可 分为四类： 第一类：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物； 第二类：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限 固溶体； 第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体； 第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛 发生反应或基 本上不发生反应。 * 与化合物的反应： HF 和氟化物 氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4， 反应式为（ 1）；不含水的氟化 氢液体可在钛 表面上生成一层致密的四
