Титан прочность на растяжение

Титан прочность на растяжение thumbnail

«Тиком-М» - титановый круг,титановый лист,титановый пруток,титановая проволока

Продажа проката титана
и титановых сплавов

Титан

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алю-миния, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (s в/r  ×  g), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик.

Основные сведения о титане

Титан — химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см3, Tпл=1668+(-)5 °С, Tкип=3260 °С. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

История открытия титана

Оксид титана TiO2 впервые был обнаружен в 1789 году английским ученым, специалистом в области минералогии У. Грегором, который при исследовании магнитного железистого песка выделил окись неизвестного металла, назвав ее менакеновой. Первый образец металлического титана получил в 1825 году шведский химик и минераловед Й. Я. Берцелиус.

Свойства титана

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4 °С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа.

Известны две аллотропические модификации титана (две разновидности титана, имеющие одинаковый химический состав, но различное строение и свойства). Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 °С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С и до температуры плавления.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза — железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. Модули упругости характеризуют способность материала упруго деформироваться при приложении к нему силы. Анизотропия заключается в различии свойств упругости в зависимости от направления действия силы. С повышением температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана — существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.

Титан — парамагнитный металл. Обычно у парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании уменьшается. Магнитная восприимчивость характеризует связь между намагниченностью вещества и магнитным полем в этом веществе. Титан составляет исключение из этого правила — его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)

Плотность r , кг/м3 4,5 × 10–3
Температура плавления Тпл, ° С 1668± 4
Коэффициент линейного расширения a  ×  10–6, град–1 8,9
Теплопроводность l , Вт/(м × град) 16,76
Предел прочности при растяжении s в, МПа 300–450
Условный предел текучести s 0,2, МПа 250–380
Удельная прочность (s в/r × g)× 10–3, км 7–10
Относительное удлинение d , % 25–30
Относительное сужение Y , % 50–60
Модуль нормальной упругости Е´ 10–3, МПа 110,25
Модуль сдвига G´ 10–3, МПа 41
Коэффициент Пуассона m , 0,32
Твердость НВ 103
Ударная вязкость KCU, Дж/см2 120
Читайте также:  Расчет балки при изгибе и растяжении

Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.

Поэтому содержание примесей, особенно газов, в титане и титановых сплавах (табл. 17.1, 17.2) строго ограничено.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок: 
ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-ТВ (см. табл. 17.1). Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, ТВ — твердый.

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: s в = 375–540 МПа, s 0,2 = 295–410 МПа, d ³ 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей.

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому сотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов (подробнее см. гл. 13).

При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) — почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO2, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм.

Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой) (см. гл. 3).

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Читайте также:  Расчетное сопротивление стали на растяжение сжатие изгиб

Таблица 17.1

Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)

Марка Ti, не менее Не более

Твердость НВ,

10/1500/30, не более

Fe Si Ni C Cl N O
ТГ-90 99,74 0,05 0,01 0,04 0,02 0,08 0,02 0,04 90
ТГ-100 99,72 0,06 0,01 0,04 0,03 0,08 0,02 0,04 100
ТГ-110 99,67 0,09 0,02 0,04 0,03 0,08 0,02 0,05 110
ТГ-120 99,64 0,11 0,02 0,04 0,03 0,08 0,02 0,06 120
ТГ-130 99,56 0,13 0,03 0,04 0,03 0,10 0,03 0,08 130
ТГ-150 99,45 0,2 0,03 0,04 0,03 0,12 0,03 0,10 150
ТГ-Тв 99,75 1,9 0,10 0,15 0,10

Таблица 17.2

Марки и химический состав (%) деформируемых титановых сплавов (ГОСТ 19807–91)

Обозначения
марок
Ti Al V Mo Sn Zr Mn Cr Si Fe O H N C
ВТ1-00 Основа 0,08 0,15 0,10 0,008 0,04 0,05
ВТ1-0 То же 0,10 0,25 0,20 0,010 0,04 0,07
ВТ1-2 То же 0,15 1,5 0,30 0,010 0,15 0,10
ОТ4-0 То же 0,4–1,4 0,30 0,5–1,3 0,12 0,30 0,15 0,012 0,05 0,10
ОТ4-1 То же 1,5–2,5 0,30 0,7–2,0 0,12 0,30 0,15 0,012 0,05 0,10
ОТ4 То же 3,5–5,0 0,30 0,8–2,0 0,12 0,30 0,15 0,012 0,05 0,10
ВТ5 То же 4,5–6,2 1,2 0,8 0,30 0,12 0,30 0,20 0,015 0,05 0,10
ВТ5-1 То же 4,3–6,0 1,0 2,0 –3,0 0,30 0,12 0,30 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ6 То же 5,3–6,8 3,5–5,3 0,30 0,10 0,60 0,20 0,015 0,05 0,10
ВТ6с То же 5,3–6,5 3,5–4,5 0,30 0,15 0,25 0,15 0,015 0,04 0,10
ВТ3-1 То же 5,5–7,0 2,0–3,0 0,50 0,8–2,0 0,15–0,40 0,2–0,7 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ8 То же 5,8–7,0 2,8–3,8 0,50 0,20–0,40 0,30 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ9 То же 5,8–7,0 2,8–3,8 1,0–2,0 0,20–0,35 0,25 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ14 То же 3,5–6,3 0,9–1,9 2,5–3,8 0,30 0,15 0,25 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ20 То же 5,5–7,0 0,8–2,5 0,5–2,0 1,5–2,5 0,15 0,25 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ22 То же 4,4–5,7 4,0–5,5 4,0–5,5 0,30 0,5–1,5 0,15 0,5–1,5 0,18 0,015 0,05 0,10
ПТ-7М То же 1,8–2,5 2,0–3,0 0,12 0,25 0,15 0,006 0,04 0,10
ПТ-3В То же 3,5–5,0 1,2–2,5 0,30 0,12 0,25 0,15 0,006 0,04 0,10
АТ3 То же 2,0–3,5 0,2–0,5 0,20–0,40 0,2–0,5 0,15 0,008 0,05 0,10

Примечание. Сумма прочих примесей во всех сплавах составляет 0,30 %, в сплаве ВТ1-00 — 0,10 %.

Источник

Механические и технологические свойства титана и его сплавов

Механические свойства титана сильно зависят от примесей атмосферных
газов — кислорода и азота, с которыми он образует сплавы типа твердых
растворов внедрения. Наиболее важное практическое значение имеет примесь
кислорода, по содержанию которого определяется сорт 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. В пределах, допускаемых техническими условиями на
содержание этих примесей (<0,05%

N2,
<0,25% О2 и
<0,05% С), их действие можно считать аддитивным. Влияние 0,01% N2 эквивалентно
0,02% 02 или
0,03% С.

Механические свойства титана

Предел прочности,
МПа……………………………………………………………………………..
 256

Относительное удлинение, %………………………………………………
……………………..  72

Модуль
нормальной упругости,
ГПа…………………………………………………………..
      106

 С
увеличением крупности зерна предел текучести (σ0,2)
и временное сопротивление разрыву (σв)
снижаются, причем это проявляется тем заметнее, чем выше содержание
примесей кислорода и азота или их суммы. Характеристики пластичности
мало зависят от величины зерна.

Читайте также:  Растяжение шеи какую мазь

Высокочистый титан не имеет четко выраженного физического предела
текучести, технический титан, содержащий 0,1-0,3% 02;
0,1-0,3% Fe,
с мелкозернистой структурой (<20 мкм) напротив имеет четко выраженный
физический предел текучести. При содержании в электролитическом металле,
%: 02 —
0,021; N2 —
0,004%; С — 0,015; Fe<0,005; Al<0,04
предел текучести — 105 МПа, временное сопротивление разрыву — 234 МПа,
относительное удлинение δ —
55%.

Упрочняющее действие примеси кислорода проявляется примерно до
температуры 350-400°С, а затем свойства нивелируются. Поэтому кислород
не может считаться полезной добавкой для повышения жаропрочности.

Титан
— нехладноломкий металл и это определяет перспективность его применения
при низких температурах. В табл. 1 приведены механические свойства
отожженного кованого титана с различной величиной кислородного
эквивалента (К) при комнатной и низких температурах, а также склонность
к хладноломкости Кχ = σв (°С)
/σв (20°С)
и чувствительность к надрезу Кн = σв (с
надрезом)/σв (без
надреза).

Табл.1.
Механические свойства
отожженного кованого титана при низких температурах (отжиг при
температуре
650°С, охлаждение на
воздухе)

К,%

Т, °С

Предел текучести σ0,2,
Мпа

Временное сопротивление σb,
МПа

Относительное удлинение δ, %

Относительное сужение ψ, %

Кх

Кн

0,05

20

250

320

41

82

-80

360

460

58

84

1,4

-196

430

720

68

75

2,2

0,10

20

290

380

36

75

-80

400

560

46

77

1,5

-196

5303

830

48

66

2,2

0,18

20

400

530

27

59

-80

50

680

30

68

1,3

 —

-196

770

1030

46

62

1,9

0,23

20

480(474)

600(592)

26(26)

61

(0,35)

-80

600(628)

720(766)

18(25)

53

1,2

 (1,19)

-196

820(956)

970(1070)

19

20

1,6

(1,05)

(-268)

(1210)

(1310)

(7,9)

(0,68)

0,32

20

500

650

25

50

-80

770

840

20

54

1,3

-196

1070

1120

23

62

1,7

Значение в
скобках — по данным Христиана, остальные — по данным
Круппа.

При
понижении температуры увеличиваются временное сопротивление разрыву и
относительное удлинение, причем тем больше, чем меньше содержание
примесей элементов внедрения, учитываемых кислородным эквивалентом. У
наиболее чистого от примесей титана при температуре -196°С временное
сопротивление разрыву вдвое выше, чем при 20°С, а относительное
удлинение — в полтора раза. При величине кислородного эквивалента
порядка 0,2 —
0,3% (технический титан) пластичность при температуре 20 и -196°С
примерно одинакова. До температуры -196°С титан не чувствителен к
надрезу. При температуре -268°С пластичность снижается, но остается
достаточно высокой для использования титана в качестве конструкционного
материала.

Неприятная особенность титана — ползучесть при комнатной температуре при
длительном воздействии напряжений около 50% от предела текучести, а для
титана повышенной чистоты — даже и при более низких напряжениях.

В
зависимости от температуры сопротивление ползучести изменяется
по-разному. В интервале температур 20-150°С наблюдается сильная
зависимость предела текучести от продолжительности действия напряжения.
При температуре 200-300°С эта зависимость почти исчезает, при дальнейшем
повышении температуры появляется снова. При температуре 200-300°С
отмечается пониженная скорость ползучести, особенно технического титана.
В этом случае уже небольшое понижение напряжения очень сильно сокращает
срок службы его. Например, технический титан σв= 600
МПа разрушается через 10 ч при напряжении 225 МПа. При снижении
напряжения до 210 МПа образцы после начальной вытяжки 10% не изменяют
длины в течение 500 часов.

Сопротивление усталости может колебаться в довольно широких пределах
(0,45-0,85 σв)
в зависимости от содержания примесей элементов внедрения, состояния
поверхности образцов, режима термической обработки и др. Технический
титан имеет более высокое сопротивление усталости, чем титан высокой
степени чистоты. Оказывает влияние и метод испытания, например, при
испытании методом растяжения-сжатия долговечность меньше, чем при методе
изгиба-вращения. При высоких частотах может влиять нагрев образца,
обусловленный низкой теплопроводностью титана.

Источник