Свойства титана

Титан — химический элемент IV группы Периодической системы Д.И. Менделеева с атомным номером 22 и атомной массой 47,9, относится к переходным металлам с недостроенной d-оболочкой. Электронная структура свободного атома титана 1s²2s²2р⁶3s ²Зр⁶Зd²4s². В конденсированном состоянии внешние валентные 3d и 4s электроны коллективизируются и обра­зуют обоществленную (гибридизированную) 3d-4s электронную полосу.

Титан — легкий металл серебристо-белого цвета. Природный титан состоит из смеси 5 стабильных изотопов: ⁴⁶Ti (7,95%), ⁴⁷Ti (7,75%), ⁴⁸Ti (73,45%), ⁴⁹Ti (5,51%), ⁵⁰Ti (5,34%). Известны искусственные изотопы ⁴⁵Ti (Тi_1/2 = 3,09 ч), ⁵¹Ti (Ti_1/2 = 5,79 мин) и др. Наиболее распространен в природе изотоп с массовым числом 48. Наряду со стабильными изотопами могут быть различные нестабильные изотопы титана с периодами полураспада от ~0,5 с до ~1000 лет. При бомбардиров­ке титана естественного изотопного состава тепловыми нейтронами после 6-7 мес. не обнаружено заметной активности, так как период полураспада образующихся при этом нестабильных изотопов составлял 0,5-5 с. Поэтому при применении титана в ядерных реакторах можно не опасаться высокой активности этого материала.

В зависимости от температуры и давления титан может иметь одну из трех кристаллических структур: гексагональную плотноупакованную (г.п. - α), объемно-центрированную кубическую (о.ц.к. - β) и гексагональную (г. - ω ). При атмосферном давлении и температуре ниже 882,5°С (1155,5 К) стабильна α-модификация титана, при более высоких температурах вплоть до температуры плавления — β-модификация. В зависимости от скорости нагрева и охлаждения превращение α<-> β может протекать с большим гистерезисом. При увеличении скорости нагрева до 107°С/с температура превращения α—>β повышается до 972,5°С, а при увеличении скорости охлаждения до 86-10³ град/с температура превращения α—>β снижается до 525°С. При всестороннем сжатии температура равновесия α—>β понижается.

При повышении давления возможно превращение α—>ω, которое имеет характер изотермического мартенситного превращения и скорость его протекания определяется скоростью изобаро-изотермического превращения. Так как скорость последнего зависит от многих факторов, связанных с исходной структурой α-титана и с условиями эксперимента, то имеются различные сведения о величине давления, вызывающего превращение α—>ω.

Превращение α—>ω протекает с большим гистерезисом, поэтому после снятия давления ω-фаза сохраняется в структуре. При понижении давления до 0,1 МПа ω-фаза сохраняется при температуре ниже 110°С. С увеличением давления температура превращения повышается. Точка, характеризующая трехфазное равновесие, лежит при температуре 667°С и давлении 9 ГПа. С увеличением давления температура превращения β—>ω повышается незначительно.

Периоды (а и с) кристаллической решетки α-титана существенно зависят от чистоты материала и, особенно, от концентрации примесей внедрения. Анализ многочисленных экспериментальных результатов показал, что наиболее вероятные значения а и с при нормальной температуре составляют: а = 0,29503+0,00004 нм. Для β-титана период кристаллической решетки (а_β) при темпера­туре 900°С составляет 0,33065 нм. Экстраполяция значений а_β в сторону низких температур показывает, что если бы β-фаза могла существовать при нормальной температуре, а_β был равен 0,3282 нм.

Следует отметить, что ω-модификация высокого давления титана имеет гексагональную кристаллическую структуру. Однако в отличие от α-титана элементарная ячейка кристаллической решетки ω-титана содержит три атома, существенно сжата в направлении оси с и растянута в направлении оси а. Значения периодов кристаллической решетки «-титана, определенные при норальной температуре, после снятия давления составляют: а = 0,4621 нм; с = 0,2806 нм, а отношение с/а = 0,607.

Процесс перестройки кристаллических решеток при полиморфном превращении в титане схематически можно представить как сложный сдвиг в нескольких направлениях.

Из ориентационных соотношений между кристаллическими решетками α- и β-фаз титана следует, что при превращении β—>α из кубического кристалла одной ориентировки возможно образование 12 различных ориентировок α-фазы, а при обратном превращении одной ориентировке α-кристалла должны соответствовать 6 ориентировок β-фазы. Экспериментально наблюдается образование а-фазы 12 кристаллографических ориентировок, однако при обратном превращении α—>β реализуется только одна, исходная ориентировка β-фазы.

Полиморфное превращение β—>α сопровождается небольшим по величине объемным эффектом, который, по оценкам различных авторов, составляет около 0,15%, причем превращение α—>ω сопровождается положительным, а ω—>α — отрицательным объемным эффектом.

Полиморфное превращение α—>ω в титане сопровождается объемным эффектом, величина которого, по оценкам различных авторов, — 1,5-2,5%, причем превращение α—>ω сопровождается отрицательным, а ω—>α — положительным объемными эффектами.                      .       ..

При превращении β—>ω имеет место отрицательный, а при ω—>β — положительный объемные эффекты порядка 0,9-1,2%. Сложный характер полиморфных превращений обусловливает физические, механические и технологические свойства титана и его сплавов.