Основными преимуществами титановых сплавов являются

Титан — серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см 3 . Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680 o С.

Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет модуль упругости 112 000 МПа, предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, предел прочности составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %.

При температуре 882 o С титан претерпевает полиморфное превращение, α–титан с гексагональной решеткой переходит в β–титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.

Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах (нестоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500 o С становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими:

· сочетание высокой прочности (800…1000 МПа) с хорошей пластичностью (δ=12…25%);

· малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность;

· хорошая жаропрочность, до 600…700 o С;

· высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.

В результате легирования титановых сплавов можно получить нужный комплекс свойств. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана показано на рис. 1.28.

Рис.1.28. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана

Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации α-твердого раствора и называются α–стабилизаторами, это – алюминий, кислород, азот, углерод.

Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации β– твердого раствора и называются β– стабилизаторами, это – молибден, ванадий, хром, железо.

Кроме α– и β–стабилизаторов различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий, гафний.

В соответствии с влиянием легирующих элементов титановые сплавы при нормальной температуре могут иметь структуру α или α+β.

Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или азотированию.

Основным недостатком титановых сплавов является плохая обрабатываемость режущим инструментом.

По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ 9, ВТ 18) и литейные (ВТ 21Л, ВТ 31Л) сплавы.

Титановые сплавы применяются в различных областях:

· авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);

· химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);

· оборудование для обработки ядерного топлива;

· морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);

· криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до –253 o С).

Титан и его сплавы

Титан — серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см 3 . Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660-1680 °С.

Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляет 0,05- ОД %, имеет предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение 65 %. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ 1-0 с суммарным содержанием примесей 0,3 % предел прочности составляет 600 МПа, а относительное удлинение — 25 %.

При температуре 882 °С титан претерпевает полиморфное превращение, а-титан с гексагональной решеткой переходит в р-титан с объемно- центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.

Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах (не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500 °С становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими:

— сочетание высокой прочности с хорошей пластичностью;
— малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность;
— высокая жаропрочность, до 600-700 °С;
— высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической обработки, химико-термической и термомеханической обработке. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом, термической обработкой. Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или азотированию.

Основным недостатком титановых сплавов является плохая обрабатываемость режущим инструментом. По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ 9, ВТ 18) и литейные (ВТ 21 Л, ВТ 31 Л) сплавы.

Читать еще: На что влияет техпроцесс

Области применения титановых сплавов: авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа); химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей); оборудование для обработки ядерного топлива; морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок); криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до -253 °С).

Композиционные материалы по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом материалу придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые друг в друге компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

Принцип создания композиционных материалов заимствован у природы. Примером естественных композиционных материалов могут служить стволы и стебли растений, кости человека и животных. В дереве волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином, в костях тонкие прочные нити фосфатных солей — пластичным коллагеном.

Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью композиционных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

Основой композиционных материалов (матриц) служат металлы или сплавы (композиционные материалы на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (композиционные материалы на неметаллической основе).

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. Созданы композиционные материалы с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух или более) различного химического состава.

Композиционные материалы с комбинированными матрицами называют полиматричными. Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность материала в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении композиционных материалов играют наполнители, их часто называют упрочнителями. Упрочните- ли должны обладать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства композиционного материала, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. Наполнители называют еще армирующими компонентами. Это более широкое понятие, чем упрочнитель. Оно не конкретизирует роль наполнителя и поэтому показывает, что наполнитель вводится в матрицу для изменения не только прочности, но и других свойств.

Свойства композиционного материала зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы: нульмерные (1), одномерные (2), двумерные (3).

Нуль-мерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). Двумерные наполнители имеют два размера, соизмеримые с размером композиционного материала, значительно превосходящие третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя композиционные материалы разделяют на дисперсно-упрочненные и волокнистые. Дисперсно-упрочненными называют композиционные материалы, упрочненные нуль-мерными наполнителями. К волокнистым относят композиционные материалы, упрочненные одномерными или одномерными и двумерными наполнителями.

По схеме армирования композиционные материалы подразделяют на три группы: с одноосным, двухосным и трехосным армированием.

Для одноосного (линейного) армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители. Нуль-мерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси (например, по оси х) значительно меньше, чем по двум другим. В этом случае объемное содержание наполнителя составляет 1-5 %. Одномерные наполнители располагаются параллельно друг другу.

При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль-, одно- и двухмерные наполнители. Нуль-мерные и одномерные наполнители располагаются в плоскостях, параллельных друг другу. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нуль-мерного наполнителя его содержание доходит до 15-16 %. Одномерные наполнители расположены также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям — под разными углами. Двумерные наполнители расположены параллельно друг другу.

При трехосном (объемном) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Для армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители. Расстояние между нульмерными наполнителями одного порядка. В этом случае их объемное содержание может превышать 15-16 %. Одномерные наполнители помещают в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства при армировании композиционных материалов одновременно используют наполнители различной формы.

Магний, титан и их сплавы;

Сайт СТУДОПЕДИЯ проводит ОПРОС! Прими участие 🙂 — нам важно ваше мнение.

Магний — самый легкий металл серебристо-белого цвета с блеском, на воздухе покрывается пленкой оксида; плотность его 1,75 г/см 3 , температура плавления

Читать еще: Преимущества плазменной резки металла

650 °С. Это пластичный и малопрочный металл. Твердость магния после прокатки и отжига 25—30 НВ, относительное удлинение 6—10%, предел прочности на растяжение 150—200 МПа. Магний обладает высокой химической активностью, на воздухе воспламеняется и горит ослепительно белым пламенем.

Сплавы магния применяются в качестве конструкционного материала. Они хорошо свариваются и обрабатываются режущим инструментом, но имеют низкую коррозионную стойкость. Сплавы магния легируются алюминием, цинком и марганцем, которые повышают их прочность и стойкость к коррозии. Магниевые сплавы делятся на деформируемые и литейные и маркируются буквами МА и МЛ, за которыми следуют их условные номера. Деформируемые сплавы магния поставляются в виде прутков, полос, лент, листов и других изделий, а литейные — в виде чушек и отливок. Промышленность выпускает сплавы магния с алюминием, цинком и марганцем марок МА2, МА5 и др., содержащие 3,0—9,2% алюминия, 0,2—0,8% цинка, 0,15— 0,57о марганца, а также сплавы марок — МЛЗ, МЛ4, МЛ5 и др., содержащие 2,5—9,0% алюминия, 0,5—0,8% цинка и 0,15—0,5% марганца.

Основное преимущество сплавов магния — легкость, обусловливающая целесообразность их использования в тех случаях, когда детали и изделия не требуют высокой прочности, но должны обладать малой массой. Сплавы магния применяются для изготовления мало- нагруженных деталей в авиационном и транспортном машиностроении, сварных баков, радиоаппаратуры, счетных машин, приборов и подшипников.

Титан— легкий и пластичный металл блестящего серебристо-белого цвета; на воздухе покрывается прочной пленкой оксида, защищающей от коррозии. Плотность титана 4,5 г/см 3 , температура плавления 1665 °С. Он обладает низкой теплопроводностью и электропроводностью (электропроводность титана в 300 раз меньше, чем у серебра) и не намагничивается. Твердость титана около 100 НВ, относительное удлинение 60— 70%, предел прочности на растяжение 250—300 МПа.

Титан поставляют в виде губки и в переплавленном виде. Промышленность выпускает пять марок титановой губки: ТГОО, ТГО, ТГ1, ТГ2, ТГЗ, отличающихся содержанием примесей, и три марки переплавленного титана: особо чистый, йодидный титан и нелегированный технический титан марок ВТ1-1 и ВТ1-2. Титан различных марок отличается механическими свойствами: чем больше примесей, тем выше прочность и ниже пластичность металла.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением и частично используется для изготовления листов, полос, труб, проволоки, поковок и других изделий. Недостатками титана являются плохая обрабатываемость резанием и низкие антифрикционные свойства, а высокая стоимость металла ограничивает его применение как конструкционного материала. Титан — перспективный материал для авиационной, химической, судостроительной промышленности.

В качестве конструкционного материала используются сплавы титана, которые по характеру обработки делятся на деформируемые и литейные, а по механическим свойствам — на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, высокой пластичности, жаропрочные и др.

Титановые сплавы легируются алюминием, марганцем, молибденом, оловом, ванадием, хромом и другими элементами. Наиболее характерные деформируемые сплавы средней прочности ВТ5 и ВТ5-1 содержат около 5% алюминия и 3% олова, а высокопрочные сплавы ВТ6 и ВТ16—соответственно около 6% алюминия, 4% ванадия, около 2,5% алюминия и 7,5% молибдена. Эти сплавы обладают наилучшим сочетанием механических и технологических свойств. Жаропрочные сплавы титана легируются также хромом, железом и кремнием. Например, распространенный жаропрочный сплав ВТЗ-1 содержит около 5,5% алюминия, 2% молибдена, 2% хрома и 1% железа, а сплав ВТ8—около 6,5% алюминия, 3,5% молибдена и 0,2% кремния.

Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают закалке, цементации и азотированию.

Сплавы на основе титана выгодно отличаются от других конструкционных материалов малой плотностью и высокой удельной прочностью. Благодаря сочетанию этих свойств с немагнитностью, высокой коррозионной стойкостью, жаростойкостью и хорошей технологичностью область применения сплавов на основе титана расширяется. Титановые сплавы получили широкое распространение в авиационной промышленности, ракетостроении, судостроении и химическом машиностроении. Они применяются также в энергетическом машиностроении для изготовления деталей турбин, компрессоров, в медицине — для изготовления хирургических инструментов и медицинской аппаратуры и в других отраслях промышленности.

Литейные титановые сплавы обладают высокой жид- котекучестью и малой усадкой, обеспечивают хорошую плотность и пластичность выплавляемых отливок. Недостатками литейных сплавов титана являются склонность к значительному поглощению газов и более низкие механические свойства сравнительно с деформируемыми сплавами титана.

Наибольшее применение получили литейные сплавы титана ВТ5Л, ВТ31Л и др., имеющие одинаковый химический состав с деформируемыми сплавами, и специальные литейные сплавы ВТЛ1 и ВТ21Л и др., которые используются для изготовления труб и различных фасонных отливок.

Мифы о титане

Несколько мифов о титане

Отвечаю на самые распространённные высказывания-заблуждения относительно титата и изделий из него.

1. Титан — самый прочный и твердый материал.
Ничего подобного, самый прочный и твердый материал в мире — алмаз. Из распространенных жёстких материалов — очень твёрд карбид вольфрама и многие вольфрамо-молибдено-содержащие сплавы. Это — холодные и тяжелые материалы, практически не поддаются мехобработке точением и фрезерованием и для них применяются ещё более сложные и современные технологии обработки. Собственно говоря, подавляющее большинство самого крепкого металлорежущего инструмента изготавливается из разновидностей комбинаций вольфрама с другими твёрдыми элементами, в том числе инструмента для обработки титана. Вольфрамосодержащие сплавы относятся к твердосплавным материалам. Для изготовления ювелирки практически не применяются, лишь изредка, т.к. для изготовления сложных изделий из вольфрамосодержащих материалов требуются слишком огромные производственные мощности, оправданные только в машиностроении и металлопроизводстве, где такая ювелирка считается не слишком крутым бонусом к основному виду деятельности. Ниже — схема замера твёрдости интендером твердомера, в различных единицах.

Читать еще: Как правильно подключить автоматы в частном доме

2. Титан не царапается.
Царапается, еще как. Правда, различия в царапучести марок — достаточно выраженные и заметны даже простым глазом. На этот параметр влияет химический состав сплава и тип пост-обработки заготовки. Титаны топовых марок, изделия из которых служат во всей своей красе долго, стоят дорого и достать их чрезвычайно трудно. А дешевые марки лежат в продаже на любом складе металлобазы и стоят копейки, но изделия из них выходят и дешевые, но качеством блистать не будут. Однако, стоит отметить, что драгоценные металлы царапаются сильнее минимум вдвое, чем самая дешманская марка титана. Какой-то тип титанового сплава поцарапать легко, какой-то сложнее, какой-то ещё сложнее. В любом случае те, кто утверждают, что титан не царапается — врут. Однако, для улучшения твёрдости поверхности можно наносить на изделия спецпокрытия, которые значительно повысят износостойкость. Картинка «зацарапанной поверхности» прилагается.

3. Титан абсолютно биосовместим.
Почти правда. Однако, всего лишь почти. Существует несколько био-несовместимых (точнее, аллергенных) марок, содержащие вредные примеси (но эти марки достаточно редки и врядли мастеру попадутся именно они, но чем чёрт не шутит), также подобные примеси, вызывающие аллергию, некрозы или как минимум, неприятные ощущения могут встречаться и в дешевых марках из-за заниженного контроля качества состава на производстве («Зачем ведь, спрашивается, проверять эти образцы на биосовместимость, заморачиваться с идеальной очисткой, когда мы собираемся делать из них корпус для термостата космической станции, который к тому же будет находиться снаружи корабля?»). Поэтому перед изготовлением ювелирки и бижутерии порядочный мастер-ювелир всегда отнесёт образец материала на хим.анализ, и только потом предложит клиенту. Ниже- красивая картинка зубного импланта.

4. Изделия из титана должны стоить дешево, ведь титан — очень дешевый материал.
Самое распространённое заблуждение! Титан по сравннию с драгоценными металлами, конечно, стоит недорого, однако:

а) Есть очень большие проблемы в приобретении хороших марок в небольшом количестве, т.к. такой титан продаётся только большими промышленными партиями, а то и вообще не продаётся — дай-то Бог, чтобы вы смогли купить какой-нибудь обрезок из остатков «с барского стола» космической и военной промышленности, авось и повезёт. Самый дорогой титан в мире стоит около 1500 долларов за килограмм, самый дешёвый — около 1500 рублей за килограмм (по данным на 2019 год)

б) Самую большую часть стоимости изделий составляет именно обработка титана, так как она требует наличия уникального дорогостоящего инструмента и большого количества времени, а время — ресурс невосполняемый. Тем более, чем лучше титан, тем дороже инструмент и больше времени уходит на изготовление при соблюдении технологии изготовления изделий. Чтобы сделать качественно, с соблюдением всех допусков и параметров, технологию нарушать нельзя, иначе — брак и впустую потраченный материал. Ведь можно сделать хорошо, и тогда, изделие никак не будет дешёвым, а можно сделать как попало, без претензий на точность, ну или чтобы только создать иллюзию качества. А закрепка камней в титан — отдельная статья геморроя мастера, как выяснилось, разные марки титана требуют разного подхода к закрепке различных вставок, всё не так просто с ним — капризен, пружинит, и требует не совсем ювелирного (а более крутого) и дорогого инструмента при вставке и закрепке. Ниже — видео захватывающей работы пятикоординатного токарно-фрезерного станка — это одна из топовых технологий обработки металла, в том числе и титана. Использование подобных технологий для изготовления ювелирных изделий ну никак не может стоить дёшево. Смотрите.

Запомните, в производстве есть три волшебных слова, три составляющие, позволяющие комбинировать друг друга в различных позициях, однако всегда, всегда одно из слов будет лишним. Это «быстро», «качественно» и «недорого».

5. Чистый титан лучше всего.
Смотря для каких целей и задач. Относительно чистый титан российского и зарубежного реестра стоит дёшево, однако обладает прочностью и твердостью немногим выше золота и серебра, а низкий уровень этих параметров даст зацарапать идеально выведенную поверхность в течении первого дня эксплуатации. Если уж сильные претензии к чистоте материала и предъявляются, то существуют иодидный и аффинированные титаны, однако вы не обрадуетесь цене на них. Ну, а самый распространённый относительно чистый и «простенький» титан применяется, в основном для удешевления бижутерной продукциии, не претендующей на качество поверхности, при создании очень сложных геометрических форм, или в случае использования его в технологии литья или какой-либо другой, не слишком дорогостоящей технологии обработки.

Касательно преимуществ и уникальности титановых сплавов, то стоит однозначно отметить их стойкость к коррозии (какие-то больше, какие-то меньше, но в бьтовых средах титан, как правило, не корродирует), при их лёгкости, высокой прочности, относительно высокой, а иногда и очень высокой твердости и практически абсолютной биосовместимости (см. выше). Титан не темнеет, не тускнеет со временем, не окисляется в агрессивных моющих химикалиях, а хорошо изготовленные изделия из качественного титана выглядят великолепно, некоторые из них — действительно плохо царапаются и долго служат своим превосходным внешним видом.