钛在钢中的物理冶金学基础.doc

钛在钢中的物理冶金学基础 1．引言 钛（Titanium）是位于元素周期表第四周期(第一长周期)第IV副族的过渡族金属元素，原子序数为22，其外层电子结构为3d2 4s2 ，原子量47.。钛是英国化学家Gregor R W 1762-1817)在1791年研究钛铁矿和金红石时发现的。四年后1795年，德国化学家Klaproth M H 1743-1817)在分析匈牙利产的红色金红石时也发现了这种元素，他主张采为铀命名的方法，引用希腊神话中泰坦神族“Titanic”的名字给这种新元素起名Titanium[1]。中文按其音定名为钛。Gregor和Klaproth当时所的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金属钛。因为钛的氧化物极其稳定，而且金属钛能与氧、氮、氢、碳等化合，所以单质钛很难制取。直到1910年美国化学家Hunter M A 第一次制得纯度达99.9%的金属钛钛是具有固态多型性相变的元素，相变点882℃，该温度之上为体心立方结构的(钛，900℃点阵常数为0.332nm而该温度之下为密排六方结构的(钛，室温(20℃)下的点阵常数为a=0.2950nm，c=0.4nm，c/a=1.58，接近于密排六方结构的理想值(8/3)1/2即1.633最近邻原子间距为0.28nm，配位数为12时的原子半径为0.146nm，比铁的原子半径大1%左右；其理论摩尔体积为1.0×10-5 m3/mol，理论密度为4. g/cm3，4.506-4.516g/cm3，显著小于铁（理论密度7.875 g/cm3，实际密度7.870 g/cm3），故通常将钛归类为轻金属。(钛(钛 图1 hcp的(钛和bcc的(钛的晶体结构 (钛Cp＝22.133＋10.251×10-3T（298-1155K）J/(K?mol)，(钛Cp＝19.832＋7.908×10-3T（1155-1933K）J/(K?mol)，(→(相变潜热为4142J/mol。 钛是原子结合力相当强的过渡族金属元素，其升华热为4.693×105J/mol(25℃)[3], 低于钨、锇、钽、铼、铌、碳、铱、钼、锆、铪、钌、钍、硼、铑、铂、钒、铀而高于其他所有元素；其熔点为1660℃，低于钨、铼、锇、钽、钼、铌、铱、钌、铪、铑、钒、铬、锆、铂、钍而高于其他所有金属元素；其沸点约为3302℃，低于铼、钨、钽、锇、铌、钼、铪、锆、铀、铱、钍、钌、铂、铑、钒、镥、钇，略高于钴、镍、铁及其他常见金属元素。钛的线胀系数(0-100℃温度范围)为8.9×10-6 /K[4] 或8.36×10-6 /K[1],在过渡族金属元素中是较低的，略高于钒，远低于铁的12.1×10-6 /K；其平均比热（0-100℃温度范围）为0.528J/(g?K)[3] ，大于钒的0.498J/(g?K)和铁的456J/(kg?K)，远大于铌的0.268J/(g?K)。 (钛在室温(20℃)下的正弹性模量E为120.2GPa[3]（115GPa[1]），切变弹性模量G为45.6GPa[3]（44GPa[1]）,体积压缩模量K为1.084×105MPa[3]，泊松比 ( 为0.361[3]（0.33[1]）。其弹性模量值与钒、铌接近，低于铪、钽，明显低于铬、锰、铁，显著低于钼、钨、铼；另一方面，其泊松比值在过渡族金属元素中是相对较高的，仅低于金、铌、铂、镤、锆、钒。(钛单晶在室温下的各弹性刚度分别为：C11 1.60×105MPa，C33 1.81×105MPa，C44 4.65×104MPa，C12 9.00×104MPa，C13 6.60×104MPa；其各弹性柔度分别为：S11 9.69×10-12Pa-1，S33 6.86×10-12Pa-1，S44 21.5×10-12Pa-1，S12 -4.71×10-12Pa-1 ， S13 -1.82×10-12Pa-1 [4]。 钛在地壳中的丰度占第位。用于钛的主要有钛铁矿（FeTiO3）金红石（TiO2）等钛铁矿。钛铁矿金红石纯净的二氧化钛是优良的白色颜料，商品名称“钛白”，它兼有铅白(PbCO3)的遮盖性能和锌白（ZnO）的持久性能。因此，钛白加在油漆中制成高级白色油漆；在造纸工业中作为填充剂加在纸桨中；纺织工业中作为人造纤维的消光剂；在玻璃、陶瓷、搪瓷工业上作为添加剂，改善其性能；在许多化学反应中用作催化剂。中涂料行业占58%、塑料行业占23%、造纸10%、其他9%。在化学工业日益发展的今天，二氧化钛及钛系化合物作为精细化工产品，有着很高的附加价值。改善电弧稳定性及再引弧性能、改善熔渣流动性及焊缝成形减小飞溅的作用钛固态多型性相变?%，与钢铁差不多而只有钢铁的， g/cm3，但铝合金的强度一般仅为钛宇宙火箭导弹。钛被誉为宇宙金属空间金属[1]。 由于钛的化学性质较为活泼，钢中主要以钛铁