- •1Воронеж 2014
- •Введение
- •Глава 1. Металлы Общие сведения о металлах
- •1.1. Классификация металлов
- •1.2. Физико-механические свойства металлов
- •1.3. Общие химические свойства металлов
- •1.4. Черные металлы
- •1.4.1. Железо, кобальт, никель
- •1.4.2. Хром, молибден, вольфрам
- •1.4.3. Марганец, технеций, рений
- •1.4.4. Ванадий, ниобий, тантал
- •1.5. Легкие металлы
- •1.5.1. Бериллий и магний
- •1.5.2. Алюминий
- •1.5.3. Титан
- •1.6. Цветные металлы
- •1.6.1. Медь, серебро, золото
- •1.6.2. Цинк и кадмий
- •1.6.3. Олово и свинец
- •1.7. Особенности эксплуатации металлов и сплавов в нефтегазовом комплексе
- •Глава 2. Полимерные материалы и пластмассы Общие сведения о полимерах и пластмассах
- •2.1. Классификация полимеров
- •2.2. Способы получения полимеров
- •2.3. Свойства полимеров
- •2.4. Применение полимеров
- •2.5. Полимеры и пластмассы в нефтегазовом комплексе и промышленной теплоэнергетике
- •2.5.1. Трубы из высокопрочных пластмасс
- •2.5.2. Металлические и пластмассовые покрытия для труб
- •2.6. Трубопроводы из резиновых технических материалов
- •2.7. Неметаллические трубы в нефтегазовом комп-лексе и промышленной теплоэнергетике
- •Глава 3. Композиционные материалы Определение композиционных материалов
- •3.1. Классификация композиционных материалов
- •3.2. Матричные материалы
- •3.3. Армирующие элементы
- •3.3.1. Металлические волокна
- •3.3.2. Стеклянные, кварцевые волокна
- •3.3.3. Углеродные волокна
- •3.3.4. Органические волокна
- •3.3.5. Керамические волокна
- •3.3.6. Нитевидные кристаллы (усы)
- •3.4. Углерод-углеродные, керамические и гибридные композиционные материалы
- •Углерод-углеродные композиционные материалы
- •3.4.2. Керамические композиционные материалы
- •3.4.3. Гибридные композиционные материалы
- •3.5. Применение композиционных материалов
- •3.5.1. Применение композитов в авиа- и ракетостроении
- •3.5.2. Применение композитов при изготовлении товаров массового потребления
- •3.5.3. Перспективы применения композиционных материалов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Глава 1. Металлы
- •Глава 2. Полимерные материалы
- •Глава 3. Композиционные материалы……………129
- •Конструкционные материалы в авторской редакции
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
1.5.3. Титан
Титан относится к d -элементам IV В группы. Электронная формула валентных электронов 3d24s2. При возбуждении атома внешние электроны распариваются, поэтому титан может проявлять валентность равную двум. Но более характерно для него четырехвалентное состояние, отвечающее максимальному числу неспаренных электронов на валентных энергетических подуровнях.
Металлы подгруппы титана являются важными конструкционными материалами новой техники, особенно титан.
Внешне технические сплавы титана похожи на сталь, имеют крупнозернистую кристаллическую структуру и очень отражают свет (блестят). По удельной прочности титан превосходит все остальные металлы, так как обладает прочностью легированной стали при значительно меньшей плотности. Однако присутствие в титане примесей кислорода, азота и водорода весьма отрицательно сказывается на его пластичности, ковкости, прочности на разрыв и других механических характеристиках.
Особенностью металлов этой группы является наличие аллотропического превращения α↔β(у титана при 882,6° С).Изменение кристаллической структуры сопровождается значительным изменением плотности и развитием внутренних напряжений, уменьшающих прочность изготавливаемых конструкций. Технические сплавы титана делятся на три группы:
а - сплавы:а предназначенные для работы в области температур ниже полиморфного превращения (ОТ-4 и др.), легированные А1 и Сг. Температура превращения повышается.
β - сплавы используются для работы в области высоких температур, легированные элементами, стабилизирующими структуру р, снижая температуру превращения (Мо, V, Nb). К подобным сплавам относятся ВТ-1, ВТ-15.
α+β - ставы содержат обе формы кристаллических структур.
Сплавы титана находят широкое применение при создании летательных аппаратов, в судостроении и других отраслях техники. Сплавы на основе титана устойчивы против коррозионных воздействий в результате пассивирования поверхности оксидными и нитридными пленками.
Химические свойства. Титан и его аналоги покрываются на воздухе прочной защитной пленкой соответствующего оксида. Но при высоких температурах защитное действие оксидных пленок ослабевает, и металлы проявляют заметную химическую активность.
Отношение к элементарным окислителям. Гидриды очень легко образуются в среде, содержащей водород.
Ti + H2 = TiH2
3Ti + 2Н2O = TiO2 + 2TiH2
Гидриды титана - кристаллические вещества с большой областью гомогенности, обладающие металлической проводимостью. Насыщение титана и циркония водородом приводит к потере пластических свойств и сопровождается образованием трещин.
Галиды образуются при непосредственном взаимодействии с большим выделением энергии.
Ti + 2С12 = TiCl4
Это соединение с ковалентными полярными связями, солями не являются. Гидролиз идет до конца:
TiCl4 + ЗН2O = Н2ТiO3 + 4НС1
Восстановлением галидов высших степеней окисления получаются солеобразные галиды титана со степенями окисления +3 и +2.
2TiCl4 + Н2 = 2TiCl3 + 2НС1
TiCl4 + Н2 = TiCl2 + 2НС1
Солеобразные галиды являются восстановителями и легко переходят в высшую степень окисления +4.
Оксиды. Поглощение кислорода титаном идет почти непрерывно, так как оксиды обладают значительной областью гомогенности. Кроме того, кислород может находиться в твердом растворе а - титана или образует субоксиды. Известны следующие соединения титана с кислородом:
а тв. р-р, Ti6O, Ti3O, TiO, Ti2O3, Ti3Os, ТiO2.
ТiO2 - представляет собой оксид со слабо выраженными кислотными свойствами. Соли титановой кислоты, получаемые сплавлением, устойчивы. Например, FeTiO3 и ВаТiOз обладают значительным пьезоэффектом и употребляются для генераторов ультразвуковых колебаний.
Низшие оксиды имеют основный характер.
2ТiO + 3H2SO4 = Ti2(SO4)3 + Н2 + 2Н2O
Сульфиды, нитриды, карбиды образуются непосредственным взаимодействием, устойчивы. Нитриды и карбиды - тугоплавки, обладают большой твердостью. Карбиды имеют твердость, близкую к твердости алмаза. TiC применяется в машиностроении для изготовления режущего и абразивного инструмента. Нитриды титана нашли применение в машиностроении благодаря их высокой температуре плавления и твердости, а также коррозионной стойкости.
Взаимодействие титана с водой, кислотами и щелочами.
Титан разлагает воду при высоких температурах, образуя оксиды и гидриды:
3Ti + 2Н2O = ТiO2 + 2TiH2
Титан вытесняет водород из растворов кислот неокисляющего типа:
2Ti + 3H2SO4 - Ti2(SO4)3 + 3H2↑
Наличие оксидных и нитридных слоев на поверхности этих металлов пассивирует их, и реакции с кислотами замедляются. Они легче происходят в смеси кислот HF+HNO3 и HCI+HNO3.
В результате получаются комплексные соединения:
3Ti + 4HN03 + 18HF = 3H2[TiF6] + 4NO + 8Н20
3Zr + 4HN03 + 18НС1 = 3H2[ZrCl6] + 4NO + 8H20
По своей пассивности в кислотах и других средах сплавы титана ОТ-4, ВТ-15 превосходят даже нержавеющие стали (Х18Н10Т). Это качество делает сплавы титана еще более ценными материалами в машино- и судостроении.
Применение титана. Титан имеет большое значение для металлургии. Главные свойства титана, способствующие широкому его применению, - это высокая жаростойкость и жаропрочность. Благодаря этому титан и его сплавы используются в самолето- и ракетостроении. Титан почти вдвое тяжелее алюминия, но зато в три раза прочнее его. Это позволяет применять титан в машиностроении. Детали из титана и его сплавов в двигателях внутреннего сгорания снижают массу этих двигателей примерно на 30%. Присадки титана придают стали твердость и пластичность.