Властивості та аналіз титану: термостійкість, магнетизм і міцність

Термостійкість і використання при високих{0}}температурах

Титан перш за все виділяється тим, скільки тепла він витримує, зберігаючи корисні механічні властивості. Алюміній втрачає свої первісні характеристики при температурі близько 150 градусів Цельсія, а звичайна нержавіюча сталь — приблизно при 310 градусах Цельсія, тоді як титанові сплави все ще зберігають хороші механічні властивості в діапазоні від 500 до 600 градусів Цельсія. Ця прогалина пояснює місце матеріалу в гарячих конструкціях планера та двигуна.

Практичною ілюстрацією є швидкість польоту. Коли літальний апарат досягає приблизно 2,7 Маха, поверхня конструкції піднімається приблизно до 230 градусів за Цельсієм, рівень, при якому алюмінієві та магнієві сплави більше не можуть використовуватися, тоді як титанові сплави все ще відповідають вимогам. Термостійкість такого порядку є причиною вибору титану для дисків і лопатей компресора авіаційного двигуна, а також для обшивки задньої частини фюзеляжу.

Витривалість-при низьких температурах

Титан також добре поводиться на іншому кінці температурної шкали. Деякі титанові сплави, включно з надзвичайно-низьким-інтерстиціальним варіантом Ti-5Al-2,5Sn, набувають міцності зі зниженням температури, водночас втрачаючи відносно невелику пластичність, тому вони зберігають хорошу пластичність і в’язкість при глибокому холоді. Такі сорти використовуються для апаратного забезпечення ракетних двигунів на рідкому водні та рідкому кисні, а також для наднизькотемпературних контейнерів і резервуарів для зберігання в пілотованих космічних кораблях, де матеріал не повинен стати крихким.

Магнетизм і не{0}}магнітні програми

Титан сам по собі немагнітний, а титанові сплави, які не містять заліза, також не-магнітні, тому цей матеріал уникає магнітних перешкод під час експлуатації. Напірний корпус підводного човна, виготовлений із не-магнітного титану, не запускає магнітні-міни, що є однією з причин, чому цей матеріал був прийнятий для морських конструкцій.

Окрім оборони, військово-повітряних сил і виробництва зброї, не-магнітний і корозійно-стійкий титан використовується в залізничному будівництві, зв’язку, аерокосмічній та авіаційній промисловості, високо-технологічних лабораторіях, лікарнях, медицині, ядерній промисловості, магнітно-резонансних системах, магнітних спектрометрах і-магнітах із сильним полем. Промислові користувачі включають зовнішні роботи, будівництво пристаней, водолазне обладнання, хімічні заводи, протипожежне обладнання, опріснення морської води, суднобудування, морські нафтогазові платформи та соляну промисловість.

Теплопровідність, модуль пружності та міцність

Титан повільно передає тепло. Його теплопровідність становить лише одну п’яту від сталі, тринадцяту від алюмінію та двадцять-п’яту від міді, тому матеріал швидко нагрівається на поверхні, але повільно відводить тепло. Погана електропровідність є недоліком при різанні та зварюванні, оскільки тепло концентрується локально, але це перевага там, де потрібен низький-бар’єр електропровідності.

Модуль пружності титану приблизно вдвічі менший, ніж у сталі. Як конструкційний матеріал, така низька жорсткість є обмеженням, оскільки титановий елемент того самого перерізу буде більше згинатися під навантаженням, тому жорсткість, а не міцність часто керує конструкцією.

При цьому міцність висока. Сплав Ti-6Al-4V досягає міцності на розрив близько 960 МПа з межею текучості близько 892 МПа, різниця між ними становить лише близько 58 МПа. Такий невеликий запас між текучістю та кінцевою міцністю означає, що матеріал має обмежену здатність перерозподіляти локальне перевантаження, а також є джерелом вираженої пружинної віддачі, яку потрібно подолати під час формування та механічної обробки.

Демпфування, захист від окислення та три спеціальні функції

Титан має низьку демпферну здатність. Вдаряйте з однаковою силою по дзвону, виготовленому з титану, і по дзвону такої ж форми й розміру, виготовленому з міді чи сталі, і титановий дзвін дзвонить помітно довше, оскільки енергія, що постачається від удару, не розсіюється легко. Низьке демпфування використовується в музичних інструментах і в додатках, де потрібно зберегти вібрацію, тоді як протилежні вимоги застосовуються до конструкцій, де вібрацію необхідно пригнічувати.

При високій температурі титан міцно зв'язується з воднем і киснем, тому необхідно контролювати окислення і поглинання водню. Зварювання титану проводиться під захистом аргону для запобігання забруднення; титанова труба і лист проходять термічну обробку під вакуумом; титанові поковки проходять термічну обробку в контрольованій злегка окислювальній атмосфері. Забруднення такого роду окрихчують метал і знижують міцність зварних з'єднань.

Три функції відрізняють титан і його сплави від звичайних конструкційних металів.

Пам'ять форми.Сплав Ti-Ni у відповідній пропорції повертається до початкової форми за певної температури, що є ефектом пам’яті форми. Такі сплави використовуються в аерокосмічній галузі, кораблях, зброї, медичних пристроях і промислових приводах.

Надпровідність.При охолодженні до абсолютного нуля дріт зі сплаву Nb-Ti втрачає свій електричний опір і стає надпровідним, тому великий струм проходить без нагрівання та споживання енергії.

Поглинання водню.Сплав Ti-Fe у відповідній пропорції поглинає велику кількість водню та може знову виділяти його в контрольованих умовах, що дозволяє безпечно зберігати водень і робить сплав потенційним матеріалом для зберігання енергії поряд із балонами високого{1}}тиску.

Часті запитання

З: До якої температури титанові сплави зберігають хороші механічні властивості?
Сплави, як правило, все ще задовільні в діапазоні від 500 до 600 градусів Цельсія, порівняно з приблизно 150 градусами Цельсія для алюмінію та приблизно 310 градусами Цельсія для звичайної нержавіючої сталі.

З: Титан є магнітним?
Ні. Титанові та титанові сплави без-заліза не є-магнітними, тому їх вибирають для корпусів підводних човнів і обладнання, яке має уникати магнітних перешкод.

З: Чому титан так сильно відпружується під час формування?
Його модуль пружності лише приблизно вдвічі менший, ніж у сталі, а розрив між межею текучості та міцністю на розтяг невеликий, тому матеріал пружно відновлюється, коли звільняється формувальне навантаження.

З: У чому недолік низької теплопровідності титану?
Тепло концентрується на ріжучій кромці або зварювальній ванні замість того, щоб відтікати, що підвищує знос інструменту та ускладнює контроль тепла під час зварювання, хоча ця ж властивість корисна як тепловий бар’єр.

З: Чому титан необхідно зварювати в інертному газі?
У гарячому стані титан легко поглинає кисень, азот і водень, і ці елементи роблять зварний шов крихким і знижують його пластичність і міцність, тому для підтримки гарячого металу в чистоті використовується аргоновий екран.

Питання: Які три спеціальні функції виконують титанові сплави?
Поведінка пам’яті форми, як у сплавів Ti-Ni, надпровідність, як у сплавів Nb-Ti, і поглинання водню, як у сплавів Ti-Fe.