Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Физические свойства всех ^-металлов рассмотрены во введении к данной главе, но на специфические свойства титана, циркония и гафния следует обратить особое внимание, так как они являются важными конструкционными материалами новой техники, особенно титан (табл. 12.11).
Таблица 12.11. Физические и механические свойства гі-металлов IV группы
Металл Плотность, г/ем3 Кристаллическая структура* і-
Томпер.чту ра, К Твердость, МН/м2 Предел прочности, МН/м2 Модуль упругости, ГН/м2
превращения п.п а в ле-иня кипения
Ті 4,515 и^Р 1155,5 1941 3483 716 316 115,0
2г 6,505 1138 2125 3873 660 275 68,4
Ш 13,10 2033 2493 5673 1740 407 78,3
ти 11,66 ц^р 1673 1968 4500 461 255 79,2
* а-Модификация для всех этих металлов имеет гексагональную решетку плотной упакопкн, я р-моди-фикацня — объемно-центрированную кубическую решетку.
Внешне технические сплавы титана похожи на сталь. «Иодид-ные» титан и цирконий имеют крупнозернистую кристаллическую структуру и очень сильно отражают свет (блестящие).
По удельной прочности титан превосходит все остальные металлы, так как обладает прочностью легированной стали при очень небольшой плотности (~4,5 г/см3).
326
^-Металлы IV B-группы различно относятся к радиационным процессам. Поперечные сечения поглощения тепловых нейтронов для них следующие (10~28м2): Ti 5,6; Zr 0,18; Hf 115. Следовательно, только цирконий целесообразно использовать в условиях высокой радиации.
Пластические свойства титана (удлинение б, ударная вязкость а/г) чрезвычайно сильно зависят от степени чистоты металла и, учитывая его химическую активность, технологические процессы надо вести в инертных средах, особенно горячую обработку (Ar, Не, вакуум). Другим недостатком всех ^-металлов IV группы является аллотропическое превращение а+± ?. Изменение кристаллической структуры сопровождается значительным изменением плотности и развитием внутренних напряжений, уменьшающих прочность изготовляемых конструкций. Поэтому технические сплавы титана делят на три группы:
а - с п л а в ы, предназначенные для работы в области температур ниже .температуры полиморфного превращения (ОТ4 и др.). Системой легирования (AI, Cr) температура превращения повышается;
?- с п л а в ы, предназначенные для работы в области высоких температур, легируются элементами, стабилизирующими структуру ?, снижая температуру превращения (Mo, V, Nb). Примером такого сплава являются ВТ-1, ВТ-15;
a+?-сплавы содержат обе формы кристаллических структур.
В настоящее время получают очень много разных сплавов титана и циркония, и они находят широкое применение при создании летательных аппаратов, в судостроении и в других отраслях техники. Сплавы на основе титана устойчивы против коррозионных воздействий в результате пассивирования поверхности оксидными и нитридными пленками.
Химические свойства rf-металлов IV группы, d-Металлы IV группы обладают высокой химической активностью, переменными степенями окисления и реагируют весьма интенсивно с окружающей средой. Некоторые физико-химические характеристики этих элементов приведены в табл. 12.12.
Таблица 12.12. Некоторые физико-химические свойства ^-металлов IV группы
Металл 7. Электронная формула Радиусы, им Потен - ; пиал ионизации, В Элскт-роотри-
UilTWIli-
ность Электродный потенциал, В
/1" Л-
Ti 22 3rfa4s2 0,146 0,078 0,069 0,064 6,83 1,5 — 1,75
Zr 40 4d24/"6s2 0,160 — 0,082 6,835 1,4 -1,53*
Hf 72 5d25/"6g"6s2 0,159 0,082 5,50 1,3 -.....1,70*'
* Zr02-MH+ ** [НЮ]2'1 +2H+
327
При изменении степени окисления происходит и изменение характера химической связи, как это было показано в табл. 12.4. Схемы строения молекул TiCl4, Н2ТЮ3, соответствующих высшей степени окисления Ti, см. рис. 169 и 170.
Соединения элементов в степени окисления +3 имеют характер связи ионно-ковалентный, у соединений элементов в степени окисления +2
_____ ионная связь. Последние могут пе-
600 800 юоо 1200 woo Т;к реходить в металлообразные соеди-
п <7о Q „ПЛ,ПГ,П111Ш нения при наличии неметаллических
Рис. 172. Зависимость растворимо- ^
сти водорода в Ti и Zr от темпера- вакансии.
туры(рц5 = 1.013 • Ю5 Па) Отношение к элементарным окис-
лителям. Гидриды d-металлов IV группы при низких температурах устойчивы, но при 700—800°С разлагаются. При этом существенно изменяется растворимость водорода в этих металлах: если при низких температурах она не подчиняется закону Сивертса (с. 279), так как водород связывается в устойчивые гидриды, то при температурах выше 1703К растворимость следует закону Сивертса, но с повышением температуры для твердых Ti и Zr уменьшается, так как процесс растворения протекает с выделением энергии.
Зависимость растворимости водорода в Ti и Zr от температуры при рн,, = const показана на рис. 172. Насыщение металла водородом идет в любой среде, содержащей водород, так как титан и цирконий активно с ним соединяются:
Ti + H,,->TiH2; 3Ti + 2H20->TiO, + 2TiH2
Образующиеся гидриды титана TiH, TiH2 представляют собой кристаллические вещества с большой широтой области гомогенности и обладают металлической проводимостью.
