Физические и механические свойства титана

Физические и особенно механические свойства титана сильно зависят от чистоты металла. Примеси кислорода, водорода, азота и углерода растворяются в титане и делают его хрупким.

Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физические свойства: высокая прочность, твердость, низкая плотность и др., которые существенно не меняются при высоких температурах, что позволяет широко использовать титан как конструкционный материал.

Прочность металла - это его способность сопротивляться разрушению и необратимому изменению формы (пластические деформации). Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5–2 раза. Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза – железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше, тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия.

Титан является пограничным между лёгкими и тяжёлыми металлами, границей является плотность 5 г/см³. Титан относят к легким металлам, его плотность при 0 °С составляет 4,517 г/см³, а при 100 °С – 4,506 г/см³.

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800 °С, однако в середине 1950-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана 1668±3 °С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиды, цирконий, но среди конструкционных металлов он стоит на первом месте.

Титан существует в двух полиморфных модификациях, a–до 882 ºС, b – выше 882 ºС. При превращении a в b-титан, увеличение объема составляет 5,5%, а плотность уменьшается до 4,32 г/см³.

Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия (2,7 г/см³), но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см³). Занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан во много раз превосходит их по механическим свойствам, которые хорошо сохраняются до 500 – 700 °С.

Прочность титана в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5–2 раза.

Твердость титана в 12 раз больше, чем у алюминия, в 4 раза – железа и меди.

Титан долгие годы, вплоть до получения чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было с наличием в титане примесей, особенно водорода, азота, кислорода, углерода и др. Если увеличение содержания кислорода и азота сразу сказывается на механических свойствах, то влияние водорода более сложное и может проявляться не сразу, а в процессе эксплуатации изделия. Недооценка этого влияния при первых шагах применения титана приводила к серьезным авариям. Многочисленные случаи неожиданных хрупких разрушений готовых титановых конструкций в авиации США даже стали причиной некоторого кризиса в производстве титана в 1945–1955 гг. Сегодня же водород специально вводят в титановые сплавы, как легирующий элемент. Это позволяет сильно упростить многие технологические операции при изготовлении титановых изделий (горячую обработку давлением, резание, сварку, формовку) и улучшить их свойства. При необходимости водород удаляют отжигом в вакууме.

Титан имеет замечательное свойство – исключительную стойкость в условиях кавитации, т. е. при усиленной «бомбардировке» металла в жидкой или воздушной среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в данной среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы и металлы, а вот титан прекрасно противостоит кавитации. Испытания в морской воде быстро вращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения и кавитация максимальны, не изменились. Другие диски не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежденными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан обладает еще одним удивительным свойством – «памятью». В сплаве с некоторыми металлами (особенно с никелем и водородом), он «запоминает» форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство титана широко используется в космической технике: разворачиваются вынесенные в космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные на корабле. Также это свойство стали использовать медики для бескровных операций на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из титанового сплава, а потом она, разогреваясь до температуры тела, скручивается в первоначальную пружинку и расширяет сосуд.