2010年秋-轻合金-14-工业纯钛

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1、工业纯钛1钛的基本性质钛的基本性质主要包括以下几个方面。1.1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47.90，位于周期表ⅣB族。钛有两种同素异构体，-Ti在882℃以下稳定，为密排六方晶格(hcp)结构；-Ti在882℃与熔点1678℃之间稳定存在，具有体心立方晶格(bbc)结构。在882℃发生←→转变。-Ti的点阵常数(20℃)为a=0.2950nm，c=0.4683nm，c／a=1.587；-Ti的点阵常数为a=0.3282nm(20℃)或a=0.3306nm(

2、900℃)。钛的密度为4.519／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1／4，是铜的1／7。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9～10K。钛的基本物理性能数据列于表1。表1钛的基本物理性能数据1.2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c／a<1.633，室温变形时主要以{1010}<1210>柱面滑移为主，并常诱发孪生；钛

3、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。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，塑性几乎不降低。工业纯钛与高纯钛(99.9％)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2。表2纯钛的力学性能钛的另一特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

4、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-196℃下进行拉伸和低周循环疲劳实验，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。表3列出了工业纯钛的低温力学性能。表3工业纯钛的低温力学性能1.3化学性能工业上大量应用的工业纯钛纯度约为99.5％，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

5、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、熔融碱侵蚀。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

6、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。2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。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，可与许多元素和化合物反应。钛吸气主要与C、H、N、O发生反应，使其脆化。掌握钛的吸气性能，对钛的热加工、机械加工、加工成形、铸造、焊接和使用，具有重要意义。钛与氧的亲和力极强，加热初期，氧进入钛表面晶格中，形成一层致密的氧化膜，这层氧化膜可以阻止氧进一步向基体扩散；当加热到500℃以

7、上时，钛的氧化膜成为多孔状、变厚并容易剥脱，氧通过膜中的小孔不断地向基体扩散，在钛的内部形成一硬脆层，使钛的塑性变低。因此，钛在热加工中，要在保护性气氛中进行。钛在400℃以上大量吸氢，会引起氢脆。钛中常见的杂质有氧、氮、碳、氢、铁及硅等。前四种杂质元素与钛形成间隙固溶体，后两种与钛形成置换固溶体，过量时形成脆性化合物。钛的性能与杂质含量有密切关系。氧、氮、碳提高转变温度，扩大相区，是稳定的元素(图3为氧与钛形成的相图)，使钛的强度升高，塑性下降。图3钛－氧相图氧在相中的溶解度ω(O)高达14.5％，占据八面体间隙位置

8、，产生点阵畸变，起强化作用，但塑性降低。一般氧的含量为0.1％～0.2％。氮与氧类似，是强稳定相元素，溶解度达6.5％～7.4％(质量分数)，存在于钛原子的间隙位置，形成间隙固溶体，明显提高强度，使塑性降低，当ω(N)为0.2％时已发生脆性断裂。