Понятие о металлах и сплавах

Титан в природе. 
 

   Титан входит в первую десятку самых  распространенных элементов нашей планеты.

  В пятнадцатикилометровой толще земной коры его более половины процента: почти все кристаллические горные породы, пески, глины и прочие составляющие поверхности нашей планеты содержат титан. Содержание титана в почвах (а речь может идти только о его соединениях, так как в свободном виде титана в природе нет) в различных районах земного шара колеблется  от половины до полутора процентов. В землях Европы, к примеру, полпроцента титана, в землях Азии — вдвое больше. В основных почвенных зонах Европейской части России содержание титана колеблется от одной до трех четвертей процента Больше всего титана в глинах, в суглинках его меньше и сов сем немного в известковых почвах. Меньше всего титана в пахотных землях и в пустынях. Высокий процент титана обнаружили в глинистых грунтах Средиземноморских Альп, в окрестностях Дели, в почвах Бразилии. На острове Святой Елены, где провел свои последние годы Наполеон Бонапарт, количество титана в земле доходит до двух с половиной процента. Но никакие другие земли не могут соперничать с красноземами Западного Самоа, содержание титана в которых колеблется от восьми до двенадцати процентов.

  Титан находят в вулканической пыли, в газах, выделяющихся из кратеров вулканов, в каменных материалах. В 1866 году с помощью метода спектрального анализа наличие титана обнаружено в атмосфере Солнца. Элемент этот находится на ближайшей к нам звезде в ионизированной форме. Линии, соответствующие титану, открыты в спектрах большинства звезд.

  Но  вернемся на Землю. Теми же методами спектрального  анализа титан обнаружен в  морской воде, в водах Дуная, в  горячих ключах Японии и минеральных водах Испании, в каменном угле и в торфе, в сырой нефти и других веществах.

  В различных лабораториях мира подвергают исследованиям сотни видов зерен, плодов, стеблей, деревьев, кустарников, определяя содержание в них микроэлементов. Во многих растениях есть титан, правда, его меньше, чем в почвах, на которых они растут. Титан в растениях исчисляется сотыми и тысячными долями процента. Впервые он был там обнаружен немецким химиком Адергольдом в 1852 году.

  Довольно  высокое содержание этого элемента характерно для листьев табака, для водорослей, сахарного тростника, лука. Из других культур наиболее богаты им бобовые и гречиха. А вот плоды какао совсем не имеют титана. Бедны титаном морковь, люцерна, картофель, земляной и лесной орехи. Но о кокосовом и грецком орехах этого сказать нельзя. Наличие титана отмечено в семенах хлопка, подсолнечника, в красном клевере, каштане, тыкве, кукурузе, а также в различных деревьях.

  Титан в живых организмах впервые обнаружил  английский химик Риз в 1835 году. Растения, как правило, концентрируют титан в больших количествах, чем животные, но многие организмы тоже содержат немало этого элемента. К ним в первую очередь необходимо отнести крабов, устриц, ракушек, целый ряд рыб и других обитателей морей.

  Титан найден в тканях лошадей, овец, собак, кроликов, телят, причем больше всего титана содержится в легких, печени, волосяном покрове и в почках животных.

  В организме взрослого человека находится  около 20 миллиграммов титана. Особенно богаты этим элементом селезенка, надпочечники и щитовидная железа. Так как титана сравнительно много в почвах, то мы постоянно вдыхаем его вместе с обычной пылью и, по-видимому, именно этим обстоятельством объясняется тот факт, что у пожилых людей в легких чуть ли не в сто раз больше титана, чем у новорожденных, тогда как в других органах количество элемента постоянно и с возрастом не меняется.

  До  сих пор неизвестно, какую роль выполняет титан в человеческом организме, но степень его концентрации позволила советскому академику  В. И. Вернадскому высказать предположение о том, что титан нужен для организма и выполняет какие-то определенные жизненно важные функции. Во всяком случае, на сегодняшний день точно установлено, что титан безвреден для людей и животных.

  В медицинской литературе описан случай, когда один человек, очевидно, желая покончить с собой и не найдя под рукой ничего более существенного, принял внутрь почти полкилограмма диоксида титана. Никаких серьезных последствий для организма эта лошадиная доза не вызвала.

  Небольшое количество титана есть в костях и зубах человека, в материнском молоке. Японские ученые установили, что титан находится и в волосах, но только в светлых, так что, выходит, шатены, брюнеты и рыжие этим элементом «обделены».

  Обнаружено  также, что титан — составная часть коровьего молока, куриных яиц и многих других пищевых продуктов.

Таким образом, по распространенности в природе  титан занимает среди металлов четвертое место (после алюминия, железа и магния). В земной коре он составляет        0,6 %, то есть втрое больше, чем медь, цинк, никель, ванадий, хром и марганец вместе взятые.

  Титан в настоящее время стал широко известным конструкционным металлом. Трудно представить какую-либо отрасль техники, где применение титана было бы невозможно. Мы являемся свидетелями того, как с каждым днем сбываются слова одного из основателей производства титана в нашей стране — академика И. П. Бардина: «Металл сегодня — это не только чугун и сталь..., это и титан — юный соперник железа...»

  Однако  ограниченное его использование вызвано дороговизной первичного титана (губки титана) и особенно полуфабрикатов из основного металла и сплавов на его основе. Поэтому важной задачей исследователей, инженеров и техников является отыскание путей удешевления производства титана и его полуфабрикатов на всех этапах получения металла: электротермического процесса разделения железа и титана, хлорирования шлаков, магниетермнческого восстановления четыреххлористого титана, вакуумно-термической обработки реакционной массы, а также использования металлических и неметаллических отходов титана. 
 
 

Характеристика  титана. 
 

  Атомный номер титана в периодической  системе — 22. Атомная масса – 47,9. Он относится к ΙV группе, его соседи – кремний и германий. В горизонтальном ряду титан находится между скандием (Sc) и ванадием (V) и возглавляет подгруппу титана, куда входят и его ближайшие родственники – цирконий (Zr) и гафний (Hf). Все они в чистом виде – не слишком твердые, серебристо-серого цвета металлы, обладающие очень похожими свойствами.

  Элементарный титан – очень активный химический элемент, его химическая активность еще более возрастает при высоких температурах. По своей способности вступать в реакции с другими элементами титан превосходит многие металлы. Но исследователи гораздо больше интересовал титан в качестве материала для технического использования. Свойства чистого металлического титана оказались настолько уникальными, что встал вопрос о немедленном использовании его для нужд специальной техники. Но способа промышленного получения достаточно чистого титана еще не существовало.

  Титан почти вдвое легче железа и  всего лишь в 1,5 раза тяжелее алюминия. Самый тяжелый среди легких металлов, он в 1,5 раза прочнее стали! Имея хорошую  пластичность – способность изменять форму, не разрушаясь, он обладает хорошей вязкостью. Титан – более упругий металл, чем магний и алюминий, но менее упругий, чем сталь. Он гораздо тверже алюминия, магния, меди, железа и почти не уступает особо обработанным легированным сталям. Титан характеризуется еще и таким ценным свойством, как отличная выносливость. Предел текучести титана в 2,5 раза выше, чем у железа, в три с лишним раза выше, чем у железа, в три с лишним раза выше, чем у меди, и почти в 18 раз превосходит этот же показатель для алюминия.

  Титановые сплавы – это, быть может, самые совершенные материалы, которыми располагает современная техника. Прочность некоторых титановых сплавов в 2 – 3 раза больше прочности чистого титана. Они превосходят все другие распространенные металлы по такому важному показателю, как удельная прочность.

  Если  бы все достоинства титана заключались  только в его легкости и прочности, то и этого было бы уже достаточно для развития титановой промышленности. Но и помимо этого он отличается замечательной коррозионной и радиационной стойкостью, немагнитностью, хорошей биосовместимостью, обладает высоким уровнем механических характеристик.

  Этот  комплекс свойств и предопределил  судьбу металла.    
 
 
 
 
 
 
 
 

Физические  свойства титана. 

  Плотность титана значительно ниже, чем у железа, а температура и теплота плавления и кипения – выше. Он обладает и более высокой, чем  железо, удельной теплоемкостью. Отсюда и высокие затраты энергии для расплавления титана, во много раз превосходящие затраты энергии на расплавление железа.

  Коэффициент теплопроводности титана почти в 4 раза меньше, чем у железа, поэтому в условиях сварки эффективность проплавления титана выше.

  Важным  показателем для ряда технологических  процессов и особенно для сварки, является то, что удельное электросопротивление титана превосходит этот показатель для железа в 6 раз, а для алюминия – более чем в 20 раз. Электросопротивление титана зависит от его чистоты и температуры. При температуре около 273 К титана становится сверхпроводником.

  Отличной  особенностью титана является увеличение магнитной восприимчивости с повышением температуры, вплоть до 1373°С.

  Титан обладает высоким  коэффициентом поверхностного натяжения : σ_нат. при 1600°С  σ_нат.= 1,7 Дж/м². В области точки плавления σ_нат. у титана в 1,5 раза выше, чем у алюминия.

  Титан обладает несколькими плоскостями скольжения и двойникования, что обеспечивает его высокую пластичность и поэтому к ним применимы все способы обработки металлов давлением. Несмотря на хорошую пластичность, титан и его сплавы относятся к труднодеформируемым материалам. Из-за высокой прочности пластичность сплавов при деформировании определяется в основном содержанием в них таких легирующих элементов, как алюминий, хром, ванадий, молибден, марганец и некоторые другие.

  Особенно  заметно понижение пластичности у сплавов, содержащих более 7—8 % Al, вследствие образования хрупкого соединения титан — алюминий. Ванадий и хром повышают прочность, но снижают пластичность при обработке давлением. Легирование молибденом (до 5 % Мо) значительно увеличивает прочность сплавов и снижает пластичность. Содержание до 1 % Mn практически мало влияет на пластичность титановых сплавов, а дальнейшее увеличение концентрации марганца сопровождается значительным снижением пластических свойств. Рациональным легированием можно получить сплавы высокой прочности и удовлетворительной пластичности.

  В значительной степени на механические свойства титана и его сплавов  влияет содержание в них газов  — кислорода, азота, углерода и водорода, который образуют твердые растворы. При малых концентрациях кислорода и азота временное сопротивление повышается, а пластичность снижается. Сплавы на основе титана сохраняют прочностные характеристики до 600-700 °С и при этом незначительно окисляются на воздухе.

  Физические свойства титана и его сплавов изменяются с параметрами кристаллической решетки. При 882,5°С  из стабильной при комнатной температуре гексагональной α-модификации титан превращается в кубическую объемноцентрированную высокотемпературную β-модификацию. Эта температура превращения определена с помощью измерений парциального давления водорода. Переход из α- в β-фазу вызывает уменьшение объема и особенно сильно изменяет физические свойства вследствие различия кристаллической структуры обеих фаз.

  Выделение α-фазы при переходе из гомогенной β-области в α+β – область в титановых сплавах при возрастании содержания легирующего элемента тем инертнее, чем ниже температура этого перехода. Поэтому при достаточно высоком содержании легирующего элемента превращение происходит настолько медленно, что при закалке из β-области могут образовываться нестабильные промежуточные состояния. Возникают промежуточные фазы в зависимости от содержания легирующего элемента как при закалке из β-области до комнатной температуры, так и при изотермическом превращении при соответствующей температуре или при отпуске или деформировании закаленных образцов. Образование промежуточных фаз может быть обусловлено такими примесями, как, например, кислород.