钛在钢中的物理冶金学基础

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1、第一章钛在钢中的物理冶金学基础1．引言钛[1]（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3d24s2，原子量47.867(1)[2]。钛是英国化学家GregorRW(1762-1817)在1791年研究钛铁矿和金红石时发现的。四年后的1795年，德国化学家KlaprothMH(1743-1817)在分析匈牙利产的红色金红石时也发现了这种元素，他主张采用为铀命名的方法，引用希腊神话中泰坦神族“Titanic”的名字给这种新元素起名为Titanium[1]。中文按其译音定名为钛。

2、Gregor和Klaproth当时所研究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、碳等非金属元素强烈化合，所以单质钛很难制取。直到1910年美国化学家HunterMA才第一次用钠还原法（亨特法）制得纯度达99.9%的金属钛[1]。钛是具有固态多型性相变的元素，相变点882.5℃，该温度之上为体心立方结构的b钛，900℃时的点阵常数为0.332nm，而该温度之下为密排六方结构的a钛，室温(20℃)下的点阵常数为a=0.29506nm，c=0.46788nm，c/a=1.5857，接近于密排六方结构的理想值(

3、8/3)1/2即1.633。由此可计算得到其最近邻原子间距为0.28939nm，配位数为12时的原子半径为0.14609nm，比铁的原子半径大14.4%左右；其理论摩尔体积为1.0622×10-5m3/mol，理论密度为4.506g/cm3，实际密度为4.506-4.516g/cm3，显著小于铁（理论密度7.875g/cm3，实际密度7.870g/cm3），故通常将钛归类为轻金属。a钛和b钛的晶体结构见图1-1。图1-1hcp的a钛和bcc的b钛的晶体结构a钛的定压比热Cp＝22.133＋10.251×10-3T（298-1155K）J/(K∙mol

4、)，b钛的定压比热Cp＝19.832＋7.908×10-3T（1155-1933K）J/(K∙mol)，b→a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

5、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)。a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n为0.361[3]（

6、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。a钛单晶在室温下的各弹性刚度分别为：C111.60×105MPa，C331.81×105MPa，C444.65×104MPa，C129.00×104MPa，C136.60×104MPa；其各弹性柔度分别为：S119.69×10-12Pa-1，S336.86×10-12Pa-1，S4421.5×10-12Pa-1，S12-4.71×10-12Pa-1，S13-1.82×10-1

7、2Pa-1[4]。钛在地壳中的丰度约为0.63%，占第9位（前面是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁）。但由于其作为结构材料使用的研究深度及应用普及程度明显高于钙、钠、钾、镁等元素，故被称为继铁、铝之后的第三金属。用于生产钛的原料主要有钛铁矿（FeTiO3）、金红石（TiO2）、钛渣等，具有工业开采价值的钛资源大约为19.7亿吨，其中钛铁矿（包括钛磁铁矿）占95%以上。钛铁矿砂矿主要分布在南非、印度、澳大利亚、美国等，岩矿主要分布在我国的攀西地区和承德大庙、俄罗斯、挪威、加拿大、美国等，金红石矿则主要分布在巴西、澳大利亚等。我国是世界上钛铁矿资源最为丰富

8、的国家，已探明的钛资源表内储量为9.7亿吨。钛的最大用途是纯净的二氧化钛，它是优良的白色颜料，商品名称“钛白