第1章钛的基本性质及运用 1.1概述 1.2纯钛 1.3钛合金 1.4钛合金的应用
第1章 钛的基本性质及运用 1.1 概述 1.2 纯钛 1.3 钛合金 1.4 钛合金的应用
1.1概述 钛源于Titans,即希腊神话中地球上大力士。 地壳中钛元素含量位列第四(0.86%)，居铝、铁、镁之后。 自然界中不存在纯钛，仅以氧化物存在，如FeTi03、Ti02。 强度与钢相当，而密度几乎仅有钢的一半。 Rutile (Ti02) Ilmenite (FeTiO) Titans
钛源于Titans，即希腊神话中地球上大力士。 地壳中钛元素含量位列第四 (0.86%) ，居铝、铁、镁之后。 自然界中不存在纯钛，仅以氧化物存在，如FeTiO3、TiO2。 强度与钢相当，而密度几乎仅有钢的一半。 Rutile (TiO2) Titans Ilmenite (FeTiO3) 1.1 概述
1.1概述 1791年英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现了钛。 1795年，德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的金红石时也发现了 这种元素。格雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末状的二氧化 钛，而不是金属钛。到1910年美国化学家亨特第一次制得纯度达99.5% 的金属钛。 钛在地壳中的丰度占第七位，0.42%，金属占第四位（铝、铁、镁 钛) 以钛铁矿或金红石为原料生产出高纯度四氯化钛，再用镁作为还 原剂将四氯化钛中的钛还原出来，由于还原后得到钛类似海绵状所以 称为海绵钛，最后以海绵钛为原料生产出钛材和钛粉。 1947年才开始治炼，当年产量只有2吨。 1955年产量2万吨。 1975年产量7万吨。 2006年产量14万吨 钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积钢铁的一半， 钛虽然比铝重，它的硬度却比铝大2倍。在宇宙火箭和导弹中，已大量 用钛代替钢铁。极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙 金属，空间金属
1.1 概述 1791年英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现了钛。 1795年，德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的金红石时也发现了 这种元素。格雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末状的二氧化 钛，而不是金属钛。到1910年美国化学家亨特第一次制得纯度达99.5% 的金属钛。 钛在地壳中的丰度占第七位，0.42%，金属占第四位（铝、铁、镁、 钛）。 以钛铁矿或金红石为原料生产出高纯度四氯化钛，再用镁作为还 原剂将四氯化钛中的钛还原出来，由于还原后得到钛类似海绵状所以 称为海绵钛，最后以海绵钛为原料生产出钛材和钛粉。 1947年才开始冶炼，当年产量只有2吨。 1955年产量2万吨。 1975年产量7万吨。 2006年产量14万吨 钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积钢铁的一半， 钛虽然比铝重，它的硬度却比铝大2倍。在宇宙火箭和导弹中，已大量 用钛代替钢铁。极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙 金属，空间金属
50000 45000 40000 35000 号30000 响25000 母 20000 15000 10000 5000 0 1995年1997年1999年2001年2003年2005年2007年 年份
钛具有两种同素异构体及B。低温u-Ti在 882°C以下稳定，具有密排六方结构HCP) ,而高温B-T稳定于882°C≈熔点1678°C, 为体心立方结构bcc)。钛合金转变点随成 份而变
p 钛具有两种同素异构体α及β。低温α-Ti在 882℃以下稳定，具有密排六方结构(HCP) ，而高温β-Ti稳定于882℃～熔点1678℃， 为体心立方结构(bcc)。钛合金转变点随成 份而变
1.2纯钛 (1)密度小，比强度高：钛密度为4.51g/cm3,约为钢或镍合金的 半。比强度高于铝合金及高合金钢。 (2)导热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二 十五分之一。 (3)无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场中不被磁化， 无毒且与人体组织及血液有很好的相容性。 (4)抗阻尼性能强：钛受到机械振动及电振动后，与钢、铜相比， 其自身振动衰减时间最长。 (⑤)耐热性佳：因熔点高，使得钛被列为耐高温金属。 (6)耐低温：可在低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理 想材料。 (7)吸气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下容易与碳、氢、 氮及氧发生反应。 (8)耐蚀性佳：在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、 附著力强、惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀
⑴密度小，比强度高：钛密度为4.51g/cm3，约为钢或镍合金的一 半。比强度高于铝合金及高合金钢。 ⑵导热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二 十五分之一。 ⑶无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场中不被磁化， 无毒且与人体组织及血液有很好的相容性。 ⑷抗阻尼性能强：钛受到机械振动及电振动后，与钢、铜相比， 其自身振动衰减时间最长。 ⑸耐热性佳：因熔点高，使得钛被列为耐高温金属。 ⑹耐低温：可在低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理 想材料。 ⑺吸气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下容易与碳、氢、 氮及氧发生反应。 ⑻耐蚀性佳：在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、 附著力强、惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。 1.2 纯钛
1.2纯钛 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
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。 1.2 纯钛
12纯钛 耐蚀性能： 钛的标准电极电位很低(=-1.63V),但钛的致钝电位亦低， 故钛容易钝化。 常温下钛表面极易形成由氧化物和氮化物组成的钝化膜，它 在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定，具有很好的抗蚀性。 在大气、海水、氯化物水溶液及氧化性酸（硝酸、铬酸等）和 大多数有机酸中，其抗蚀性相当于或超过不锈钢，在海水中耐蚀 性极强，可与白金相比，是海洋开发工程理想的材料。 钛与生物体有很好相容性，而且无毒，适做生物工程材料。 钛在还原性酸（浓硫酸、盐酸、正磷酸）、氢氟酸、氯气、热 强碱、某些热浓有机酸及氧化铝溶液中不稳定，会发生强烈腐蚀。 另外，钛合金有热盐应力腐蚀倾向。 钛在550℃以下能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的 保护作用。在538C以下，钛的氧化符合抛物线规律。但在800℃ 以上，氧化膜会分解，氧原子以氧化膜为转换层进入金属晶格， 此时氧化膜已失去保护作用，使钛很快氧化
耐蚀性能： 钛的标准电极电位很低(E=－1.63V)，但钛的致钝电位亦低， 故钛容易钝化。 常温下钛表面极易形成由氧化物和氮化物组成的钝化膜，它 在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定，具有很好的抗蚀性。 在大气、海水、氯化物水溶液及氧化性酸(硝酸、铬酸等)和 大多数有机酸中，其抗蚀性相当于或超过不锈钢，在海水中耐蚀 性极强，可与白金相比，是海洋开发工程理想的材料。 钛与生物体有很好相容性，而且无毒，适做生物工程材料。 钛在还原性酸(浓硫酸、盐酸、正磷酸)、氢氟酸、氯气、热 强碱、某些热浓有机酸及氧化铝溶液中不稳定，会发生强烈腐蚀。 另外，钛合金有热盐应力腐蚀倾向。 钛在550℃以下能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的 保护作用。在538℃以下，钛的氧化符合抛物线规律。但在800℃ 以上，氧化膜会分解，氧原子以氧化膜为转换层进入金属晶格， 此时氧化膜已失去保护作用，使钛很快氧化。 1.2 纯钛
1.2纯钛 力学性能： 纯钛性能和纯铁相似，塑性好，延伸率可达50~60%，断面收缩率 可达70~80%，强度不太高(300MPa)。 纯钛力学性能与纯度有关：间隙杂质（氧、氮、碳）含量增加， 其强度升高，塑性陡降。 常温下钛为密排六方结构，与其他六方结构的金属（镉、锌、镁 相比，钛的塑性要高得多。原因是：滑移模型和晶体中各晶面的层 错能有关，如层错能低，则有利于全位错分解为不全位错，以促 进滑移的继续进行：钛的层错能比基面小，原来在基面上进行滑 移的位错容易通过交滑移而转移到棱柱面上，并可发生分解，这 样基面上的滑移很快终止，而棱柱面上的滑移则发挥着主导作用。 反之，对于基面层错能比较低的金属，如镉、锌、镁，则{0001} 是主要滑移面
力学性能： 纯钛性能和纯铁相似，塑性好，延伸率可达50～60%，断面收缩率 可达70～80%，强度不太高（300MPa）。 纯钛力学性能与纯度有关：间隙杂质（氧、氮、碳）含量增加， 其强度升高，塑性陡降。 常温下钛为密排六方结构，与其他六方结构的金属(镉、锌、镁) 相比，钛的塑性要高得多。原因是：滑移模型和晶体中各晶面的层 错能有关，如层错能低，则有利于全位错分解为不全位错，以促 进滑移的继续进行；钛的层错能比基面小，原来在基面上进行滑 移的位错容易通过交滑移而转移到棱柱面上，并可发生分解，这 样基面上的滑移很快终止，而棱柱面上的滑移则发挥着主导作用。 反之，对于基面层错能比较低的金属，如镉、锌、镁，则{0001} 是主要滑移面。 1.2 纯钛
1.2纯钛 纯钛的强度随温度的升高而降低，加热到250℃时抗拉强度 减小一半。500℃以下加热时断面收缩率变化很小，而伸长率却 连续下降；500C以上，w和δ随温度提高而增加，接近转变温度 时，出现超塑性(6>100%)。 纯钛有很好的低温塑性，特别是间隙元素含量很低的α型合 金适宜在低温下使用，如在火箭发动机或载人飞船上作超低温 容器。 钛的疲劳性能特点与钢类似，具有比较明显的物理疲劳极限， 纯钛的反复弯曲疲劳极限为0.6~0.80ō，钛的疲劳性能对金属表 面状态及应力集中系数比较敏感。 钛的耐热性比铁和镍低。这与钛原子自扩散系数大和存在 同素异晶转变有关。钛的耐磨性较差，通过渗氮、碳、硼可提 高其耐磨性
纯钛的强度随温度的升高而降低，加热到250℃时抗拉强度 减小一半。500℃以下加热时断面收缩率变化很小，而伸长率却 连续下降；500℃以上，ψ和δ随温度提高而增加，接近转变温度 时，出现超塑性(δ>100％)。 纯钛有很好的低温塑性，特别是间隙元素含量很低的α型合 金适宜在低温下使用，如在火箭发动机或载人飞船上作超低温 容器。 钛的疲劳性能特点与钢类似，具有比较明显的物理疲劳极限， 纯钛的反复弯曲疲劳极限为0.6～0.80σb，钛的疲劳性能对金属表 面状态及应力集中系数比较敏感。 钛的耐热性比铁和镍低。这与钛原子自扩散系数大和存在 同素异晶转变有关。钛的耐磨性较差，通过渗氮、碳、硼可提 高其耐磨性。 1.2 纯钛