1、密度小、強度高、比強度大
鈦的密度是4.51g/cm3,為鋼的57%,只是鋼的一半多一點,不到鋁的兩倍,強度比鋁大三倍。鈦合金的比強度是常用工業(yè)合金中最大的,鈦合金的比強度是不銹鋼的3.5倍,是鋁合金的1.3倍,是鎂合金的1.7倍,所以是宇航工業(yè)必不可少的結構材料。
鈦與其它金屬密度和比強度的比較見表1-1。
表1-1 鈦與其他金屬密度和比強度的比較
金屬 | 鈦(合金) | 鐵 | 鋁(合金) | 鎂(合金) | 高強度鋼 |
密度/(g·cm-3) 比強度 | 4.5 (29) | 7.87 -- | 2.7 (21) | 1.74 (16) | -- 23 |
2、耐腐蝕性能優(yōu)異
鈦的鈍性取決于氧化膜的存在,它在氧化性介質中的耐蝕性比在還原性介質中要好的多,在還原性介質中能發(fā)生高速率腐蝕。鈦在一些腐蝕性介質中不被腐蝕,如海水、濕氯氣、亞氯酸鹽及次氯酸鹽溶液、硝酸、鉻酸、金屬氯化物、硫化物以及有機酸等??墒牵谂c鈦反應產生氫的介質(例如鹽酸和硫酸) 中,鈦通常具有較大的腐蝕率。但如果在酸中加入少量的氧化劑會使鈦形成一層鈍化膜。所以在硫酸-硝酸或鹽酸-硝酸的混合液里,甚至在含游離氯的鹽酸中,鈦都是耐腐蝕的。鈦的保護性氧化膜經常是當金屬碰到水時形成的,即使少量的水或以水蒸氣存在也能形成。如果把鈦暴露于完全沒有水的強氧化性環(huán)境里,就能發(fā)生快速氧化并產生劇烈的、常常出現(xiàn)自燃反應。鈦與含過量氧化氮的發(fā)煙硝酸以及鈦與干氯氣的反應就發(fā)生過這類行為。然而要預防發(fā)生這類狀態(tài)下的反應,必須要有一定量的水分。
3、耐熱性能好
通常鋁在150℃,不銹鋼在310℃即失去了原有較高的力學性能,而鈦合金在500℃左右仍保持良好的力學性能。當飛機速度達到音速的2.7倍時,飛機機構表面溫度達到230℃,鋁合金和鎂合金已不能使用,而鈦合金則能滿足要求。鈦的耐熱性能好,它適用于航空發(fā)動機壓氣機的渦輪盤和葉片以及飛機后機身的蒙皮。
4、低溫性能好
某些鈦合金(如Ti-5Al-2.5SnELI)的強度隨溫度的降低而提高,但塑性降低的不多,在低溫下仍有較好的延性及韌性,適宜在超低溫下使用??梢杂糜谝簹洹⒁貉趸鸺l(fā)動機上,或在載人飛船上做超低溫容器和貯箱等。
5、無磁
鈦無磁性,它用于潛艇殼體,不會引起水雷的爆炸。
6、導熱系數小
鈦與其它金屬的熱導率比較見下表:
金屬 | Ti | Al | Fe | Cu |
熱導率/W·(m·K) | 17 | 212 | 85 | 255 |
鈦的熱導率小,僅為鋼的1/5,鋁的1/13,銅的1/25。導熱性不好是鈦的一個缺點,但在某些場合下可以利用鈦的這一特征。
7、彈性模量小
金屬 | Ti | Al | Fe |
彈性模量/GPa | 108 | 72 | 196 |
鈦的彈性模量約為鐵的55%,作為結構材料使用時,彈性模量低是個缺點。
8、抗拉強度與屈服強度接近
Ti-6Al-4V鈦合金抗拉強度為960Mpa,屈服強度為892MPa,兩者之間差只有58Mpa。
鈦與其它金屬在抗拉強度與屈服強度之間的比較見下表:
強度 | 鈦合金(Ti-6Al-4V) | 18-8不銹鋼 | 鋁合金 |
抗拉強度 | 960 | 608 | 470 |
屈服強度 | 892 | 255 | 294 |
9、鈦在高溫下容易被氧化
鈦同氫、氧的結合力強,要注意防止氧化和吸氫。鈦材焊接要在氬氣保護下進行,防止污染。鈦管與薄板要在真空下熱處理,鈦鍛件在熱處理時要控制微氧化性氣氛。
10、抗阻尼性能低
用鈦及其他金屬材料(銅、鋼)制成形狀和大小完全一樣的鐘,用同等的力把每個鐘敲一下就會發(fā)現(xiàn),用鈦做的鐘震蕩起來聲音持續(xù)的時間長,即通過敲擊給予鐘的能量不容易消失。
鈦及鈦合金加工材的特殊功能:
11、形狀記憶功能
Ti-50%Ni(原子分數)合金,在一定的溫度條件下,它有能夠恢復它的原來形狀的本領,故稱它為鈦形狀記憶合金。
12、超導功能
NbTi合金,當溫度下降到接近絕對零度時,NbTi合金制成的導線,會失去電阻,可以使任意大的電流通過,導線不會發(fā)熱,沒有能耗,故NbTi合金被稱為超導材料。
13、吸氫功能
Ti-50%Fe(原子分數)合金,具有大量吸收氫氣的本領。利用Ti-Fe合金的這一特征,可把氫安全地貯存起來,即貯存氫不一定使用鋼制高壓氣瓶。在一定條件下還可以讓貯氫Ti-Fe合金把氫放出來,故它被稱為貯氫材料。
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