2. Свойства титана

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4 °С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа.

Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 °С и высокотемпературная бета-модификация, устойчивая от 882,5 °С до температуры плавления.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышением температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана - существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8 до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.

Титан - парамагнитный металл. У парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила - его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Титан сразу после открытия стал активно изучаться, ученые изучали его свойства и характеристики. Чем больше металл был изучен, тем больше заставлял удивляться. Его свойства оказались незаменимыми и редкими для металлов его группы.

Особенно часто применяются на практике физические и механические свойства титана. Долгое время ученые не могли определить температуру плавления титана, не было соответствующего оборудования и было принято считать, что его температура плавления составляет 1800 градусов. В середине двадцатого века была выявлена реальная температура плавления титана, она составляет 1668±3 °С, выявили это ученые Диардорф и Хейс из Англии.

Основные характеристики, позволяющие использовать титан, это: пониженная плотность, уникальная прочность, твердость, легкость. Большим плюсом является то, что если повышать температуру, металл не меняет своих свойств.

Титан намного легче железа и немного тяжелее алюминия, но если сравнивать прочность этих металлов, то титан превосходит алюминий и железо во много раз, например, он прочнее алюминия в 12 раз, а железа - в 4 раза. Металл сложно разрушается и долго сопротивляется внешним воздействиям.

Титан достаточно легко обрабатывается как в горячем, так и в холодном виде: он легко куется, вытягивается в проволоку, расплющивается в листы и даже в тончайшую фольгу.

Много лет после открытия титана никто не мог выявить его реальные свойства, высокие прочностные показатели. Это связано с тем, что сначала в титане были многочисленные примеси, в основном водород, азот, кислород, углерод и ряд других, которые и делали его хрупким и не пригодным для промышленного использования. В результате первых опытов смогли выделить из титана углерод и кислород, в результате чего титан стал более прочным, но не учли один важный и тогда не выявленный факт: водород снижает прочность титана, но не сразу, а в период эксплуатации изделий из него. Первое использование титана для изготовления крупных конструкций привело к авариям, это было результатом воздействия на металл водорода, который сделал титан хрупким и ломким со временем.

Сейчас взаимодействие водорода и титана изучены до мелочей и из этого непростого союза человечество выделило значительные плюсы. Например, добавление водорода в титан позволяет упростить его обработку, облегчает формовку изделий, сварку конструкций, резку и т.д.

Еще одно уникальное свойство титана, о котором стоит упомянуть - это память, которая позволяет запомнить первоначальный вид. Например, если из пластины сделать скрутку при высокой температуре, а потом охладить, то элемент будет иметь созданную форму, но если деталь нагреть, то она примет форму пластины, то есть первоначальное положение.

Физические и механические свойства титана используются с максимальной выгодой в различных областях промышленности.