Диаграммы состояния систем

Работа 10. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Цель работы: Научиться пользоваться стандартными шкалами для определения пластинчатой структуры титановых сплавов.

 

Оборудование: Микроскоп и шлиф и (или) микрофотография известного сплава, набор изображений эталонных структур титановых сплавов.

 

 

ФИ3ИЧСКИЕ СВОЙСГВА

 

Атомный номер титана 22, атомная масса 47,9. Титан существует в виде пяти стабильных изотопов с массовыми числами 46, 47, 48, 49 и 50. Наиболее распространен в природе изотоп с массовым числом 48. Наряду со стабильными изотопами могут быть различные нестабильные изотопы титана с периодами полураспада от 0,5 с до - 1000 лет.

Плотность титана при комнатной температуре принята равной 4,51 г/см³ и понижается от 4,51 г/см³ при 300К до 4,26 г/см³ при 1940К, причем при полиморфном превращения плотность возрастает на 0,15%. Усредненное значение плотности жидкого титана при температуре плавления составляет 4,12 г/см³.

Среднее значение теплоты сублимации титана при стандартных условиях равно = 473416 Дж/моль.

 

 

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

По своей природе титан является химически активным элементом, так как бурно реагирует с сухими галогенами, а при повышенных температурах - с атмосферными газами, а также с водородом. В виде тонкой проволоки и стружки титан горит в атмосфере сухого азота и хлора, а также в атмосфере воздуха. В средах, богатых кислородом, титан при наличия локального перегрева (например, вследствие сухого трения) может загораться даже в довольно массивных сечениях. Реакция горения титана является спонтанной и продолжается и после удаления источника нагрева до полного сгорания металла или прекращения доступа кислорода. Это объясняется способностью титана в расплавленном состоянии реагировать со своим оксидом, причем реакция является экзотермической. В результате реакции образуются низшие оксиды титана, а освобождаю-щийся кислород вновь вступает в реакцию с жидким металлом.

В твердом состоянии и при умеренно высоких температурах (примерно до 100^ОС) титан является коррозионностойким металлом во многих агрессивных средах благодаря наличию прочной оксидной пленки. Особое значение для промышленного применения титана имеет его высокая коррозионная стойкость в морской воде и атмосфере, а также во влажном хлоре и некоторых водных растворах кислот и солей. Менее стоек титан в бескислородных кислотах и щелочных средах.

Небольшие добавки металлов платиновой группы, а также легирование молибденом повышают коррозионную стойкость титана и расширяют возможности его использования как коррозионностойкого материала.

 

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

 

Титан располагается в IVА подгруппе периодической системы Д.И. Менделеева и относится к переходным металлам с недостроенной d-подоболочкой. Электронная структура свободного атома титана 1s² 2s² 2р⁶ 3s² 3р⁶ 3d² 4s². В конденсированном состоянии внешние валентные 3d и 4s. электроны коллективизируются и образуют обобществленную (гибридизированную) 3d-4s электронную полосу.

В зависимости от температуры и давления титан может иметь одну из трех кристаллических структур: гексагональную плотноупакованную (ГП - б), объемноцентрированную кубическую (ОЦК -в) и гексагональную (Г - щ) (рис. 1). При атмосферном давлении и температурах ниже 882,5^оС (1155,5К) стабильна б-модификация титана, а при более высоких температурах вплоть до температуры плавления - в-модификация. В зависимости от скорости нагрева и охлаждения превращение может протекать с большим гистерезисом. Так, при увеличении скорости нагрева до 107⁰С/с температура превращения повышается до 972,5°С, а при увеличении скорости охлаждения до 86∙10³ град/с температура превращения снижается до 525°С. При всестороннем сжатии температура равновесия понижается.

При повышении давления возможно превращение, которое имеет характер изотермического мартенситного превращения и скорость его протекания определяется скоростью изобаро-изотермического превращения. Так как скорость последнего зависит от многих факторов, связанных с исходной структурой б-титана и с условиями эксперимента, то имеются различные сведения о величине давления, вызывающего превращение (см. рис. 1).

Превращение протекает с большим гистерезисом, поэтому после снятия давления щ-фаза сохраняется в структуре. При понижении давления 0,1 МПа щ-фаза сохраняется при температурах ниже 110^оС. С увеличением давления температура превращения повышается. Точка, характеризующая трехфазное равновесие, лежит при температуре 667⁰С и давлении 9,0 ГПа. С увеличением давления температура превращение незначительно повышается.

Периоды (а и с) кристаллической решетки б-титана существенно зависит от чистоты материала и, особенно, от концентрации примесей внедрения. Наиболее вероятные значения а и с при нормальной температуре составляют: а = 0,295030 нм, с = 0,46831 нм, а отношение с/а = 1,58730. Для в-титана период кристаллической решетки при 900^оС составляет 0,33065 нм.

 

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства титана очень сильно зависят от примесей атмосферных газов - кислорода и азота, с которыми титан образует сплавы типа твердых растворов внедрения. Наиболее важное практическое значение имеет примесь кислорода, по содержанию которого определяются сорта технического титана; поведение кислорода в титановых сплавах можно сравнить с поведением углерода в сталях.

Наиболее сильное упрочняющее действие на титан оказывают азот, затем кислород и углерод (рис. 2, 3). В пределах, допускаемых техническими условиями на содержание этих примесей (0,05 % 1’4, 0,25 % и 0,05 % С), их действие можно считать аддитивным. Влияние 0,01 % эквивалентно 0,02 % 0₂ или 0,03 % С.

С увеличением величины зерна предел текучести и временное сопротивление разрыву снижаются, причем это проявляется тем заметнее, чем выше содержание примесей кислорода и азота, или их сумма. Характеристики пластичности мало зависят от величины зерна.

На диаграмме растяжения высокочистого титана не наблюдается четко выраженного физического предела текучести. В техническом титане при содержании 0,1-0,3% 0₂, 0,1-0,3% Fе и наличии мелкозернистой структуры (размера зерна < 20 мкм) отмечается четко выраженный физический предел текучести.

материала.

Неприятной особенностью титана является ползучесть при комнатной температуре при длительном воздействии напряжений около 50 % от предела текучести, а для титана повышенной чистоты от примесей даже и при более низких напряжениях.

 

 

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ

НА ОСНОВЕ ТИТАНА

 

Двойные диаграммы состояния по характеру линий ликвидуса вблизи ординаты титана (до первой эвтектики или перитектики) подразделяются на три большие группы:

группа 1 - системы с непрерывным рядом в-твердых растворов, сюда же отнесены системы с ограниченным рядом в-твердых растворов, которые стабилизируются при комнатной температуре при достаточно большом содержании легирующего элемента;

группа II - системы, в которых введение второго компонента понижает температуру плавления титана и двухфазное равновесие завершается нонвариантным превращением эвтектического или перитектического типа;

группа III - перитектические системы, образованные титаном и компонентами, повышающими точку плавления титана (см. рис. 4).

СистемаTi-Мо. Растворимость молибдена в б-титане не превышает 1%, а стабилизирующий эффект является максимальным. Для фиксации сплошной в-структуры закалкой достаточно иметь 11 % Мо. Добавка молибдена эффективно повышает прочность сплавов при комнатной и высоких температурах, а, кроме того, повышает термическую стабильность сплавов, содержащих хром и железо. Прочность сплавов титана с молибденом может быть значительно повышена закалкой и старением.

Молибден - один из основных компонентов большинства титановых сплавов. Недостаток молибдена - его высокая температура плавления, затрудняющая получение гомогенных сплавов с титаном, а также высокая плотность. Однако в промышленных титановых сплавах присутствует легкоплавкий алюминий, поэтому возможно вводить молибден через лигатуру с алюминием, получаемую алюмотермией.