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第2章
2．1钛的基本性质C1～8] 工业纯钛
钛的矿物在自然界中分布很广，处于分散状态，主要形成矿物钛铁矿Fe— TiO3、金红石TiO2及钒钛铁矿等，约占地壳重的0．6％，在金属世界里排行 第7，含钛的矿物多达70多种，在海水中含量是1Ug／L，在海底结核中也含 有大量的钛。钛的基本性质主要包括以下几个方面。 2．1．1物理性质
纯净的钛是银白色金属，具有银灰色光泽。钛属难熔金属，原子序数为 22，。相对原子质量为47．90，位于周期表ⅣB族。
钛有两种同素异构体，。—Ti在882'C以下稳定，为密排六方晶格(hcp)
结构；p—Ti在882~C与熔点1678~C之间稳定存在，具有体心立方晶格(bbc) 结构。在882~C发生。一p转变。。—Ti的点阵常数(20'C)为a＝0．2950nm， ‘＝0．4683nm，‘／o/=1.587；p—Ti的点阵常数为o=0.3282nm(20℃)或o= 0.3306nm(900~C)。 钛的密度为4．51g／cm3，只相当于钢的57％，属轻金属。钛的熔点较高， 导电性差，热导率和线膨胀系数均较低，钛的热导率只有铁的1／4，是铜的 1／7。钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体 内不会受雷雨天气的影响。当温度低于0.49K时，钛呈现超导电性，经合金 化后，超导温度可提高到9～10K，钛的基本物理性能数据列于表2—1。 ┌───────────────┬────────┐ │名称│数值│ ├───────────────┼────────┤ │相对原子质量│47．9│ ├───────────────┼────────┤ │原子半径／nm│0．145│ ├───────────────┼────────┤ │e—Ti-~-Ti相变潜热／(kJ／mo1)│3．47│ └───────────────┴────────┘ 比密度 续表
2．1，2力学性能 室温下纯钛的晶体结构为密排六方结构，其点阵长短轴比c／aGl．633， 室温变形时主要以<1010}<1210>柱面滑移为主，并常诱发孪生[9]；钛同时 兼有钢(强度高)和铝(质地轻)的优点。高纯钛具有良好的塑性，但杂质含 量超过一定时，变得硬而脆Ilo]。 工业纯钛在冷变形过程中，没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接
近，在冷变形加工过程中有产生裂纹的倾向，工业纯钛具有极高的冷加工硬化 效应，因此可利用冷加工变形工艺进行强化。当变形度大于20％～30％时， 强度增加速度减慢，塑性几乎不降低。
；钛的屈服强度与抗拉强度接近，屈强比(do．2／db)较高，而且钛的弹性模 量小，约为铁的54％，成形加工时回弹量大，冷成形困难。有时利用这一特 性，将钛合金作为弹性材料使用[11’12]，但是，高弹钛合金多属。+p(或近a) 合金，具有六方晶系结构，其物理性能呈强的各向异性，如弹性模量绕c轴呈对 称分布，c轴方向弹性模量为14313GPa，底面各取向的弹性模量为10414GPa， 因此需要仔细考虑合金板材的各向异性、弹性模量以及合金织构与弹性各向异
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性之间的关系，通过合金化与工艺的调整，有目的地控制织构与弹性各向异性 以满足设计和使用要求。图2—1所示为钛单晶弹性模量取向分布[13]。 图2·1钛单晶弹性模量取向分布(单位：GPa)
工业纯钛与高纯钛(99．9％)相比强度明显提高，而塑性显着降低，二者 的力学性能数据列于表2—2。 衰2-2纯钛的力学性能
┌─────────┬─────┬─────┬──────────┬─────┬──────┐
│性能│高纯钛│工业纯钛│性能│高纯钛│工业纯钛│
├─────────┼─────┼─────┼──────────┼─────┼──────┤
│抗拉强度o~／MPa│250│300~600│正弹性模量E／MPa│108X103│112X103│ ├─────────┼─────┼─────┼──────────┼─────┼──────┤ │屈服强度fo．2／MPa│190│250~500│切变弹性模量G／MPa│40X103│41X103│ ├─────────┼─────┼─────┼──────────┼─────┼──────┤ │伸长率a／％│40│20~30│泊松比f│0．34│0．32│ ├─────────┼─────┼─────┼──────────┼─────┼──────┤ │断面收缩率％│60│45││││ ││││冲击韧性oh／MJ·m—2│≥2．5│0．5—1．5│ ├─────────┼─────┼─────┤│││ │体弹性模量K／MPa│126X109│104X103││││ └─────────┴─────┴─────┴──────────┴─────┴──────┘ 钛的另一特点是在高温能保持比较高的比强度。作为难熔金属，钛熔点 高，随着温度的升高，其强度逐渐下降，但是，其高的比强度可保持到550～ 600℃。同时，在低温下，钛仍具有良好的力学性能：强度高，保持良好的塑 性和韧性。曾经对工业纯钛在一196℃下进行拉伸和低周循环疲劳实验L1‘]，结 果表明，变形后的强度较之室温拉伸变形有了明显提高，同时塑性也有明显增 加。但其循环变形具有明显的循环硬化特性并伴随有大量的孪晶生成，从而 显示出低温循环疲劳在微观结构演化上可能与室温的情况不同[1s]，室温循 环疲劳中位错的行为起了关键性的影响[“]。表2—3列出了工业纯钛的低温 力学性能。 表2-3工业纯钛的低温力学性能 ┌──────┬──────┬───────┬─────┬────┐ │温度／℃│fb／MPa│Oo．2／MPa│f／％│矽％│
├──────┼──────┼───────┼─────┼────┤ │20│520│400│24│59│
├──────┼──────┼───────┼─────┼────┤ │—196│990│750│44│68│
├──────┼──────┼───────┼─────┼────┤ │—253│1280│900│29│64│
├──────┼──────┼───────┼─────┼────┤ │—269│1210│870│35│58│
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└──────┴──────┴───────┴─────┴────┘ 2．1．3化学性能
工业上大量应用的工业纯钛纯度约为99．5％，钛在淡水和海水中有极高
的抗蚀性，在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都好。钛与氧形成 高化学稳定性的致密的氧化物保护膜，因而在低温和高温气体中具有极高的抗 蚀性。在室温条件下，钛不与氯气、稀硫酸、稀盐酸、硝酸和铬酸作用，在碱 溶液和大多数的有机酸和化合物中抗蚀性也很高，但能被氢氟酸、磷酸、熔融 辕侵蚀。
钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向
大。但实际上钛在许多介质中很稳定。如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质 中是耐腐蚀的，这是因为钛和氧的亲和力大，在空气中或含氧介质中，钛表面 生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使受 到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有强烈钝化倾向的金属，介 质温度在315℃以下，钛的氧化膜始终保持这一特性，完全满足钛在一般环境 中的耐蚀性。钛最突出的性能是对海水的抗腐蚀性很强。 工业纯钛的耐蚀性与高纯钛相似，但低温性能则差得多。张树霞c1，]等通 过实验发现，工业纯钛在稀盐酸溶液中存在一个腐蚀临界浓度(0．74％)，当 盐酸浓度低于该值时，在任何情况下钛都不会发生腐蚀，同时工业纯钛还在一 定浓度的盐酸中有一个临界腐蚀温度，当溶液温度高于此临界温度，钛表面的 保护膜很快就被破坏，而低于此临界温度时，钛处于钝化状态。图2—2所示为 工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系。 50
0．000．400．801．201．602．002．40 盐酸浓度 工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系 2．2杂质元素对钛性能的影响 杂质对工业纯钛的性能影响很大，杂质含量高则强度提高，塑性急剧降 低，生产上常以硬度作为测定工业纯钛的纯度标准[1～3)，钛的纯度与硬度的 关系见表2—4。 钛是一种化学性质非常活泼的金属，原子价是可变的。在较高的温度下， 衰2-4钛的纯度与硬度的关系 ┌──────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐ │纯度／％│99．95│99．8│99．6│99．5│99．4│ ├──────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤ ││_│││││ │硬度(HV)│90│145│165│195│225│ └──────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘ 钛金属的主要物理性能 名???称 单???位 数???据 名???称 单???位 数???据 原子序数 比???热 卡/克.度 22 0.138 原子量 47.9 10.7 4.505 热膨胀系数 弹性模量 ×10-6/℃(0-100℃) 公斤/毫米2 公斤/毫米2 8.2 10850 10340 厘米3/克原克原子体积 子 密度20
克/厘米3 精心整理 熔点 ℃ 1668±4 拉伸 压缩 剪切 导热系数 电阻系数 公斤/毫米2 10550 沸点 ℃ 3535 公斤/毫米2 4500 熔化潜热 千卡/克分子 5 卡/厘米.秒.℃ 汽化潜热 千卡/克分子 112.5±0.3% ×10-6欧母.厘米 同素异晶转变℃ 882 转变时体积的变化 % 温度 转变时熵的变磁化率 ×10-6厘米3/克 ℃ 0.587 化 转变潜热 千卡/克分子 678±泊桑比 10% 钛的性质 ◇原子结构 0.036 47.8 5.5 3.2 0.41 钛位于元素周期表中ⅣB族，原子序数为22，原子核由22个质子和20-32个中子组成，核外电子 结构排列为1S22S22P63S23D24S2。原子核半径5x10-13厘米。 ◇物理性质 钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20℃），熔点1668±4℃，熔化潜热3.7-5.0千卡/克 原子，沸点3260±20℃，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350℃，临界压力 1130大气压。 ◇钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。在25℃时，钛的热容为0.126卡/克原子·度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡 /克原子·度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。 钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结 构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提 高钛的强度，显着降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其 中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。 化学性质
钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。各种元素，按其与钛发生不同反应可
精心整理 分为四类：
第一类：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物；
第二类：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体； 第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体；
第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或基 本上不发生反应。 *与化合物的反应： ◇HF和氟化物 氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4，反应式为（1）；不含水的氟化氢液体可在钛 表面上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF浸入钛的内部。氢氟酸是钛的最强熔剂。即使 是浓度为1%的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应，见式（2）；无水的氟化物及其水溶液在低温 下不与钛发生反应，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显着反应。 Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0千卡（1）2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2（2） ◇HCl和氯化物 氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在>300℃时与钛反应生成TiCl4，见式(3);浓度 <5%的盐酸在室温下不与钛反应，20%的盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的TiCl3，见式 (4);当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、 锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4离子及其水溶液，都不与钛发生反应，钛在这些氯化物中具有 很好的稳定性。 Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2＋94.75千卡(3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2(4) ◇硫酸和硫化氢
钛与<5%的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸继续腐蚀。但>5% 的硫酸与钛有明显的反应，在常温下，约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快，当浓度大于40%，达 到60%时腐蚀速度反而变慢，80%又达到最快。加热的稀酸或50%的浓硫酸可与钛反应生成硫酸
钛金属的主要物理性能
