Физические и механические свойства титана

Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: высокая прочность, твердость, низкая плотность и др., которые существенно не меняются при высоких температурах.

Прочность металла - способность сопротивляться разрушению и необратимому изменению формы (пластические деформации). Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5–2 раза.

Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза – железа и меди.

Предел текучести - важная характеристика металла, чем он выше, тем лучше детали сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия.

Титан является пограничным между лёгкими и тяжёлыми металлами, границей является плотность 5 г/см³. Плотность титана при 0 °С составляет 4,517 г/см³, а при 100 °С – 4,506 г/см³.

Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия (2,7 г/см³), в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см³). Но, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан во много раз их превосходит по механическим свойствам, которые хорошо сохраняются до температуры 500–700 °С.

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800 °С, однако в середине 1950-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана 1668±3 °С. По тугоплавкости титан уступает лишь вольфраму, танталу, ниобию, рению, молибдену, цирконию, платиноидам, а среди конструкционных металлов он стоит на первом месте.

Титан существует в двух полиморфных модификациях, a–до 882 ºС, b – выше 882 ºС. При превращении a в b-титан, увеличение объема составляет 5,5%, а плотность уменьшается до 4,32 г/см³.

Титан долгие годы, вплоть до получения чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было с наличием в титане примесей, особенно водорода, азота, кислорода, углерода и др. Если увеличение содержания кислорода и азота сразу сказывается на механических свойствах, то влияние водорода более сложное и может проявляться не сразу, а в процессе эксплуатации изделия. Недооценка этого влияния в начале применения титана приводила к серьезным авариям. Многочисленные случаи неожиданных хрупких разрушений готовых титановых конструкций в авиации США даже стали причиной некоторого кризиса в производстве титана в 1945–1955 гг. Сегодня же водород специально вводят в титановые сплавы, как временный или постоянный легирующий элемент. Это позволяет сильно упростить многие технологические операции при изготовлении титановых изделий (горячую обработку давлением, резание, сварку, формовку) и улучшить их свойства. При необходимости водород удаляют отжигом в вакууме.

Титан имеет еще одно замечательное свойство – исключительную стойкость в условиях кавитации, т. е. при усиленной «бомбардировке» металла в жидкой или воздушной среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в данной среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы и металлы, а вот титан прекрасно противостоит кавитации. Испытания в морской воде быстро вращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения и кавитация максимальны, не изменились. Другие диски не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежденными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан обладает еще одним удивительным свойством – «памятью». В сплаве с никелем и водородом он «запоминает» форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. При нагревании до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство титана широко используется в космической технике: разворачиваются вынесенные в космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные на корабле. Также это свойство используют в медицине для бескровных операций на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из титанового сплава, и разогреваясь до температуры тела, она скручивается в первоначальную пружинку и расширяет сосуд.

Температурные, электрические и магнитные свойства титана

Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(м*К), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз – магния, в 17 – 20 раз – алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других металлов: при 20 ºС он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 – чем у меди и почти в 3 - чем у алюминия.

В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электросопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия – 60, железа и платины –15, а титана – всего 3,8. Это свойство, как и немагнитность, используют в радиоэлектронике и электротехнике. Таким образом, титан – плохой проводник электричества и тепла, проводов из него не сделаешь. Но он один из очень немногих металлов является сверхпроводником электричества при очень низких температурах, что открывает ему большие перспективы в электрической технике, передаче энергии на большие расстояния.

Титан – парамагнитный металл: он не намагничивается как железо в магнитном поле, но и не выталкивается из него как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство титана используют при строительстве немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.