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材料科普:钛的十大特性和三种特殊功能

时间: 2024-03-08 07:24:51来源: 常州佳成干燥设备有限公司
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钛是元素周期表中原子序数为22的元素,第四周期的副族元素,即ⅣB族,这族元素除钛以外,还有锆、铪,其共同特点是熔点高,常温下在其表面形成稳定的氧化膜。

钛的十大特性

1、密度小、强度高、比强度

钛的密度是4.51g/cm3,为钢的57%,钛比铝重不到两倍,强度比铝大三倍。钛合金的比强度(强度/密度之比值)是常用工业合金中最大的(见表1),钛合金的比强度是不锈钢的3.5倍,铝合金的1.3倍,镁合金的1.7倍,所以是宇航工业必不可少的结构材料。

表1 钛与其他金属密度和比强度的比较

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2、耐蚀性能优异

钛的钝性取决于氧化膜的存在,它在氧化性介质中的耐蚀性比在还原介质中要好得多。在还原性介质中会发生高速率腐蚀。钛在一些腐蚀性介质中不被腐蚀,如海水、湿氯气、亚氯酸盐及次氯酸盐溶液、硝酸、铬酸、金属氯化物、硫化物以及有机酸等。可是在与钛反应产生氢的介质(例如盐酸和硫酸)中,钛通常具有较大的腐蚀率。但如果在酸中加入少量的氧化剂会使钛表面形成一层钝化膜。所以在强硫酸-硝酸或盐酸-硝酸的混合液里,甚至在含游离氯的盐酸中,钛都是耐腐蚀的。钛的保护性氧化膜经常是当金属碰到水时形成的,即使少量的水或水蒸气中也能形成。如果把钛暴露于完全没有水的强氧化性环境里,就会发生快速氧化并产生剧烈反应,甚至常出现自燃。钛与含过量氧化氮的发烟硝酸以及钛与干氯气的反应就发生过这类现象。所以要预防发生这类反应,必须有一定量的水分。3、耐热性能好

通常铝在150℃,不锈钢在310℃即失去了原有性能,而钛合金在 500℃左右仍保持良好的力学性能。当飞机速度达到音速的2.7倍时,飞机结构表面温度达到230℃,铝合金和镁合金已不能使用,而钛合金则能满足要求。钛的耐热性能好,它用于航空发动机压气机的盘和叶片以及飞机后机身的蒙皮。

4、低温性能好

某些钛合金(如Ti-5AI-2.5SnELI)的强度随温度的降低而提高,但塑性降低得不多,在低温下仍有较好的延展性及韧性,适宜在超低温下使用。可以用干液氢液氧火箭发动机上,或在载人飞船上作超低温容器和贮箱使用。

5、无磁

钛无磁性,它用于潜艇壳体,不会引起水雷的爆炸。

6、热导率小

钛与其他的金属热导率比较见表2。

表2 钛与其他金属的热导率比较

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钛的热导率小,仅为钢的1/5,铝的1/13,铜的1/25。导热性不好是钛的一个缺点,但在某些场合下可以利用钛的这一特征。

7、弹性模量低

钛与其他金属的弹性模量比较见表3。

表3 钛与其他金属的弹性模量比较

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钛的弹性模量仅为钢的55%,作为结构材料使用时,弹性模量低是个缺点。

8、抗拉强度与屈服强度很接近

    Ti-6AI-4V钛合金抗拉强度为 960MPa,屈服强度为892MPa,两者之间差只有58MPa,见表4。

表4 钛与其他金属抗拉强度与屈服强度的比较

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9、钛在高温下容易被氧化

     钛同氢氧的结合力强,要注意防止氧化和吸氢。钛材焊接要在氩气保护下进行,防止污染。钛管与薄板要在真空下热处理,钛锻件的热处理时要控制微氧化性气氛。

10、抗阻尼性能低

     用钛及其他金属材料(铜,钢)制成形状和大小完全一样的钟,用同等的力把每个钟敲一下就会发现,用钛做的钟振荡起来声音持续的时间长,即通过敲击给予钟的能量不容易消失,所以,我们说钛的阻尼性能低。

钛的三种特殊功能

01形状记忆功能

指的是Ti-50%Ni(原子)合金,在一定的温度条件下,能够恢复它原来形状的本领,称这种材料为形状记忆合金。

02超导功能

指的是Nb-Ti合金,当温度下降到接近绝对零度时,Nb-Ti合金制成的导线,会失去电阻,任意大的电流通过,导线都不会发热,没有能耗,Nb-Ti被称为超导材料。

03贮氢功能

指的是Ti-50%Fe(原子)合金,具有大量吸收氢气的本领。利用Ti-Fe的这一特征,可把氢安全的贮存起来,即贮存氢不一定使用钢制高压气瓶。在一定条件下还可以让Ti-Fe把氢放出来,Ti-Fe被称为贮能材料。