خواص تیتانیوم

خواص تیتانیوم

تعداد بازدید: 15031
کد مطلب: 2264
تاریخ انتشار: 11:03 07 اسفند 1390

خواص تیتانیوم

 
 

تیتانیوم خالص در دمای محیط ساختار کریستالی  هگزاگونال (شش وجهی) آلفا α فشرده داشته که در دمای تقریبا 885ºC  (1625 ºF تبدیل به ساختار BCCبتا  می شود. این دمای انتقال به عنوان تبدیل β شناخته می شود که بسته به نوع و مقادیر ناخالصی یا افزودنی های آلیاژی میتواند کاهش یا افزایش یابد. در دمای محیط تیتانیوم خالص تجاری به شکل فاز آلفا می باشد. با افزودن عناصر آلیاژی به تیتانیوم، مقادیر هر فاز و دمای تبدیل بتا تغییر میکند.

 

            

 

       

 

 

 

 

 

 

 

      

دیاگرام فازی آلیاژ تیتانیوم

 

 

 

 
 

پس از کشف تیتانیوم در ایلمنیت در سال 1791، توسط  شیمی دان انگلیسی William Gregor ، شیمی دان آلمانی M.H.Klaproth در سال 1793 تیتانیوم رو به عنوان یک فلز مستقل کشف کرد. اون کلمه تیتانیوم را از نام Titan از اساطیر یونانی اقتباس کرد که به معنای " تجسم استحکام طبیعت" می باشد. در سال 1797 او دریافت  که تیتانیوم اکتشافی او مشابه همان فلزی ست که Gregor یافته بود.

 
 

 

 

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی تیتانیوم

عدد اتمی

22

جرم اتمی

47.90

نقطه ذوب

1660 ºC

نقطه جوش

3287 ºC

شعاع اتمی

147 pm

ظرفیت

2،3،4

رنگ

نقره ای

حالت استاندارد

جامد

گروه

4B

انرژی یونیزاسیون

658 Kj/mol

شعاع یونی

0.09 nm (+2) ; 0.068 nm (+4)

شکل الکترونی

[Ar] 3d1 4s2

الکترونگاتیوی

1.5

حالت اکسیداسیون

4

چگالی

4.51 g/cm3

دوره تناوبی

 4

شماره سطح انرژی یونیزاسیون

4

شعاع کووالانسی

136 pm

شعاع واندروالس

0.147 nm

گرمای تبخیر

425 Kj/mol

 

 
 

 

نیمه عمر

ایزوتوپ

52.0 سال

Ti-44

 3.07 ساعت

Ti-45

پایدار

Ti-46

پایدار

Ti-47

پایدار

Ti-48

پایدار

Ti-49

پایدار

Ti-50

5.76 دقیقه

Ti-51

 

 
 

تیتانیوم و آلیاژهای آن هدایت حرارتی بسیار پایین و مقاومت الکتریکی بالایی دارند. تیتانیوم خالص استحکام تسلیمی برابر با فولادهای کم آلیاژ داشته با این تفاوت که به میزان 45% سبک تر از آنها ست. گرچه تیتانیوم تقریبا 60% چگال تر از آلومینیوم می باشد استحکام آن دو برابر آلیاژهای آلومینیوم ساختاری می باشد.

 

خواص  مکانیکی و حرارتی تیتانیوم

استحکام تسلیم

تیتانیوم خالص- درجه 1

تیتانیوم خالص- درجه 2

تیتانیوم خالص- درجه 3

تیتانیوم خالص- درجه 4

 

170 MPa

275 MPa

380 MPa

485 MPa

استحکام تسلیم

تیتانیوم خالص- درجه 1

تیتانیوم خالص- درجه 2

تیتانیوم خالص- درجه 3

تیتانیوم خالص- درجه 4

 

102/7 GPa

102/7 GPa

103/7 GPa

104/1 GPa

سختی

برینل

ویکرز

 

716 MPa

970 MPa

چگالی

4.5 g/cm3

گرمای تبخیر

425 KJ/mol

 
 
 

در حال حاضر بیش از 70 نوع کانی تیتانیوم شناخته شده است که تیتانیوم را به صورت ترکیب در خود جای داده اند. تولید تجاری تیتانیوم عمدتاً از کانی های ایلمنیت (FeTiO2) و روتیل (TiO2) صورت می گیرد این دو کانی همچنین دارای وانادیم،اسکاندیم، ناتالیوم و نیوبیوم می باشند. از دیگر کانی های تیتانیوم لوکوکسن می باشد. تیتانیوم را از آناتاز و لوپاریت نیز می توان بدست آورد.

 

  • ایلمنیت Ilmenite

این کانی با فرمول FeTiO3 و وزن مخصوص g/cm3  5-5/4  بوده و دارای خاصیت مغناطیسی ضعیف می باشد. این کانی دارای وانادیم،اسکاندیم، تانتالیم و نیوبیوم می باشد.

 

  • روتیل Rutile

نام روتیل از کلمه لاتین روتیلوس Rutilos به معنی سرخی گرفته شده است. این کانی با فرمول TiO2 و وزن مخصوص g/cm3 3/4-2/4 ، جلای الماسی یا فلزی، سختی 6 داشته و شکننده و غیر مغناطیسی می باشد.

60% ترکیب شیمیایی این کانی تیتانیوم بوده و دارای ناخالصی می باشد. این کانی در سیستم تبلور کوبیک متبلور شده است و به رنگ زرد تیره، قهوه ای ، سرخ یا سیاه است و دارای وانادیم، اسکاندیم، تانتالیم و نیوبیوم می باشد.

پودر روتیل به رنگ سفید یا تقریباً سفید و بدون بو بوده و در آب و اسیدهای معدنی رقیق نامحلول است ولیکن در اسید سولفوریک گرم به آرامی حل می شود و در اسید فلوئوریدریک نیز محلول است.

 

  • تیتانیت (اسفن)  Sphene & Titanite

کانی اسفن یک سیلیکات کلسیم و تیتانیم دارای چگالی g/cm3 55/3 - 45/3 می باشد .این کانی عمدتاً بیرنگ و در برخی مواقع دارای چندرنگی زرد تا قهوه ای و قرمز است. این کانی دارای شکل تا بی شکل و شکننده بوده و در مقاطع عرضی لوزی شکل می باشد. برجستگی آن زیاد و انیزوتروپ می باشد. این کانی در سیستم تبلور منوکلینیک متبلور می شود.

سایر کانی های غیر اقتصادی تیتانیوم عبارتند از :

  • آناتاس یا آناتاز (TiO2)
  • بروکیت
  • پروفسکیت CaTiO2
  • مگنتیت یا هماتیت تیتانیم دار
  • لوپاریت
  • اولواسپینل
  • لوکوکسن
 
 

به علت داشتن استحکام به چگالی بالا، مقاومت به خوردگی خوب، مقاومت به خستگی و رشد ترک، مقاومت دما بالا بدون خزش، از آلیاژهای تیتانیوم به طور وسیعی در صنایع هوافضا، هم در هواپیما هم قطعات موتوری استفاده می شود. در هواپیماهای مسافربری تجاری، فن، کمپرسورهای فشار پایین و تقریبا کمپرسورهای فشار بالا از آلیاژهای تیتانیوم ساخته می شود. به علت هزینه بالای تولید، آلیاژهای تیتانیوم بیشتر در هواپیماهای نظامی به کار می رود تا هواپیماهای تجاری. به عنوان مثال تقریبا 42% وزن ساختاری جنگنده F-22 از تیتانیوم بوده در حالی که بوئینگ 757 تنها حاوی 5% تیتانیوم می باشد.

مقاومت به خوردگی عالی تیتانیوم آن را به عنوان فلزی با ارزش در صنایع شیمیایی و پتروشیمی مانند تولید لوله، مبدل های حرارتی، فیلترها و ... مطرح کرده است. همچنین در صنایع کاغذ سازی و تهیه خمیر کاغذ که در معرض هیدروکلرایت سدیم خورنده و گازهای مرطوب کلراین قرار دارد نیز از آن استفاده می شود. به علت مقاومت عالی در برابر آب شور، تیتانیوم در شفت پروانه ای کشتی به کار برده می شود.

به علت آن که این فلز با بدن انسان زیست سازگار است، رشد قابل توجهی در کاربردهای پزشکی تیتانیوم رخ داده است مانند ساخت ایمپلنت های بدنی و دندانی و دریچه قلب. مدول الاستیک پایین تیتانیوم نسبت به فولاد زنگ نزن با استخوان های بدن انسازی بیشتر تطبیق داشته  که موجب می شود در دوره های زمانی طولانی کمترین اعوجاج ایجاد شود.

همچنین در صنایع ورزشی هم مثل راکت تنیس، چارچوب دوچرخه، اسکی و... نیز استفاده می شود.

تقریبا 95% کانی تیتانیوم به دی اکسید تیتانیوم تصفیه شده و به عنوان رنگدانه در صنایع رنگ، کاغذ، خمیردندان و پلاستیک استفاده می شود.

 

 
 

 مزایای تیتانیوم و آلیاژهای آن عبارتند از:

  • نسبت استحکام به وزن بالا آلیاژهای تیتانیوم به آنها اجازه میدهد در بسیاری از کاربردهایی که نیاز به استحکام و چقرمگی شکست بالا می باشد جایگزین فولاد شوند.
  • با چگالی حدود g/cm3 5/4 (lb/in3 16/0)، آلیاژهای تیتانیوم تنها حدود نصف سنگینی فولاد و سوپر آلیاژهای پایه نیکلی را داشته که نتیجه آن حصول نسبت های استحکام به وزن بالا ست.
  • آلیاژهای تیتانیوم استحکام خستگی بهتری نسبت به سایر آلیاژهای سبک ، مانند آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم، دارا هستند.
  • آلیاژهای تیتانیوم بسته به مشخصات آلیاژ می توانند در دماهای بالا، C º 590-370 (F º 1100-700) کار کنند.
  • مقاومت به خوردگی آلیاژهای تیتانیوم در مقایسه با فولاد و آلیاژهای آلومینیوم چشم گیر است.
 
 

1- پایدارکننده آلفا (α)
 

پایدار کننده های آلفا عناصری هستند که دمای تبدیل بتا را با پایدار کردن فاز آلفا افزایش میدهند و شامل آلومینیوم، اکسیژن، نیتروژن و کربن میباشند. آلومینیوم پایدارساز اصلی آلفا بوده و استحکام تسلیم، استحکام خزش و مدول الاستیک را افزایش میدهد.

 

2- پایدارکننده بتا (β)

پایدار کننده های بتا عناصری هستند که دمای تبدیل بتا را کاهش میدهند. این پایدار کننده ها به دو گروه تقسیم میشوند: ایزومرف های بتا و یوتکتوئید بتا.

گروه ایزومرف شامل عناصری هستند که به طور کامل در در فاز بتا محلول هستند مانند مولیبدن، وانادیم، تانتالم و و نیوبیوم.

گرو  یوتکتوئید شامل منگنز، آهن، کروم، کبالت، نیکل، مس و سیلیسیوم می باشد.

 

  • به نظر میرسد زیرکونیوم و قلع خنثی باشند چرا که دمای تبدیل بتا را نه بالا میبرند نه پایین. قلع قابلیت انحلال در جامد زیادی هم در هر دو فاز آلفا و بتا داشته و اغلب به عنوان استحکام بخش محلول جامد در آلیاژهای همراه با آلومینیوم جهت رسیدن به استحکام بالاتر (بدون ایجاد تردی) استفاده می شود. زیرکونیوم با تیتانیوم محلول جامد پیوسته تشکیل داده و استحکام را در دماهای پایین و میانی افزایش میدهد.
  • تیتانیوم تمایل زیادی به ترکیب با اکسیژن و نیتروژن داشته و به راحتی در دماهای بالا آنها را جذب میکند  که موجب افزایش استحکام و کاهش داکتیلیته می شود. هیدروژن می بایست همواره در آلیاژهای تیتانیوم حداقل باشد زیرا با رسوب هیدریدها موجب تردی هیدروژنی می شود.

 
 

 

 

1A

2A

 

 

3A

4A 5A 6A 7A

8A

1

H

 

 

 

 

He

2

3

Li

Na

Be

Mg

 

 

3B

 

4B

 

5B

 

6B

 

7B

 

8B 

 

8B

 

8B

 

1B

 

2B

B

C

N

O

F

Al

Si

P

S

Cl

Ne

Ar

4

5

K

Rb

Ca

Sr

 

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

Ga

Ge

As

Se

Br

In

Sn

Sb

Te

I

Kr

Xe

6

7

Cs

Fr

Ba

Ra

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

*

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Tl

Pb

Bi

Po

At

Uut

Uuq

Uup

Uuh

Uus

Rn

Uuo

 

 
 
نظرات درباره این مطلب
 
 
نام
پست الکترونیک
نظر
 
CAPTCHA Image
Reload Image
 
مطالب مرتبط