Mechaninės titano savybės: kietas nuorašas nuo 280 MPa iki 1500 MPa
Šiandien kalbame apie sudėtingesnę{0}}pagrindinę temą: mechanines titano savybes. Paprastai tariant, titanas rodo įvairius rodiklius, kai jis yra įtemptas-ar jį galima traukti? Ar gali sutraiškyti? Atsparus smūgiams? Kiek laiko gali trukti, jei yra įtrūkimas? Ar bus aukštoje temperatūroje? Ar žemoje temperatūroje jis taps trapus?
Šie skaičiai nėra tik bandymų laboratorijoje ataskaitos, jie tiesiogiai nustato, ar iš titano galima statyti orlaivių važiuoklę, raketų kriogeninį rezervuarą ir ar jis gali atlaikyti 600 laipsnių Celsijaus variklyje.
1. Tempimo stipris: nuo gryno titano 280 MPa iki titano lydinio 1500 MPa
Gryno titano tempiamasis stipris yra 265–353 MPa, panašus į įprasto aliuminio lydinio. Tačiau pridėjus lydinio elementus, tokius kaip aliuminis, vanadis, molibdenas ir alavas, stiprumas didėja. Bendrųjų titano lydinių tempiamasis stipris yra 686-1176 MPa, o tirpalo ir senėjimo sutvirtintų titano lydinių atsparumas tempimui šiuo metu gali siekti 1760 MPa.
Kaip pavyzdį paėmus plokštę (GB/T 3621): pramoninio gryno titano TA0 tempiamasis stipris yra 280-420 MPa, TA1 yra 370-530 MPa, TA2 yra 440-620 MPa, o TA3 yra 540-720 MPa. Pridėjus legiravimo elementų, TA5 (Ti-4Al-0,005B) pasiekė 685 MPa, TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn) pasiekė 735-930 MPa, o klasikiniausias TC4 (Ti-6Al-4V) lakštas buvo atkaitintas 895 MPa.
Legiravimo galia geriau matyti iš strypo standarto (GB/T 2965-1996) duomenų: TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) tempiamasis stipris gesinimo ir senėjimo būsenoje siekia net 1370MPa, o nurodytas liekamasis pailgėjimo įtempis – 1100MPa. TC11 strypo tempiamasis stipris yra 1030 MPa, o TC12 siekia 1150 MPa.
Didelis stiprumas nėra vienintelis siekis, specifinis stiprumas (stiprumas padalintas iš tankio) yra žudikiška titano savybė. Konkretus titano lydinio stiprumas yra daug geresnis nei plieno ir aliuminio lydinio,{1}}tai taip pat yra pagrindinė titano pasirinkimo priežastis. Pavyzdžiui, TC4 tankis yra 4,43 g/cm³, atsparumas tempimui yra apie 900 MPa, o savitasis stipris yra apie 203 MPa m³/kg, o didelio stiprumo plieno savitasis stipris yra apie 50, o aliuminio lydinio - apie 150.
2025 m. atlikti tyrimai ir toliau atnaujina titano lydinių stiprumo lubas. Remiantis 2025 m. „Journal of Sichuan University“ ataskaita, TC11 titano lydinio, pagaminto lazeriniu saugikliu, vidutinė takumo riba nusodinimo būsenoje yra 1415 MPa, o tempiamasis stipris yra 1527 MPa. Nors pailgėjimo greitis yra tik 6,95%, stiprumas gerokai viršijo suklastotą standartinę vertę.
2. Suspaudimo, šlyties ir slėgio guolis: titano „visapusė apkrova“{1}}
Titano mechaninės savybės turi įdomią savybę: veikiant skirtingoms jėgoms jis elgiasi labai tolygiai.
Stipris gniuždymui: stipris gniuždymuititanas ir titano lydiniaiyra ne mažesnis už jo atsparumą tempimui. Pramoninio gryno titano takumo riba gniuždant ir tempimo takumo riba yra maždaug vienodi. TC4 ir TA7 stipris gniuždant yra net šiek tiek didesnis nei tempiamasis stipris. Tai reiškia, kad titano komponentai yra vienodai patikimi esant slėgio sąlygoms ir yra tinkami atraminėms kolonoms, guolių korpusams ir važiuoklės amortizatoriniams stulpams. Šlyties stipris: paprastai 60% ~ 70% tempimo stiprio. TC4 atveju apie 540 ~ 630 MPa. Titano lydinio šlyties modulis yra 43–51 GPa, o pramoninio gryno titano – 46 GPa. Varžtai, kniedės ir transmisijos jungtys daugiausia yra šlyties, ir šis parametras yra pagrindinis projektavimo pagrindas.
Takumo stipris esant slėgiui: titano ir titano lydinio lakštų takumo riba, esant slėgiui, gali siekti 1,2–2,0 kartų didesnį už tempimo stiprumą. Taip yra todėl, kad esant gniuždomajam įtempiui, medžiagai taikomi šoniniai suvaržymai, o plastinis nestabilumas nėra lengvas. Tai reiškia, kad titano lydinio plokštės gali atlaikyti daug didesnį vietinį gniuždymo įtempį nei tiesiog tempiamos.
3. Ištvermės jėga ir nuovargis: ilgalaikio-streso išbandymas
Statinis stiprumas atsako tik „ar jį galima nuimti“, o inžinerinei praktikai labiau rūpi „kiek ilgai jį galima naudoti“.
Patvarumas: Esant normaliai atmosferai, titano ir titano lydinių atsparumas po apdorojimo ir atkaitinimo yra apie 0,5–0,65 karto didesnis už tempimo stiprumą. Aukštos temperatūros charakteristikų lentelė rodo, kad TC4 strypo tempiamasis stipris esant 400 laipsnių yra 620 MPa, o 100 valandų patvarumas yra 570 MPa; TC6 atsparumas tempimui yra 735 MPa, o ilgaamžiškumas – 665 MPa esant 400 laipsnių kampui. Temperatūra yra didžiausias ištvermės žudikas{13}}TC4 ištvermės stiprumas 500 laipsnių kampu nukrenta iki 195 MPa.
Nuovargio stipris: atkaitinto TC4 nuovargio stipris yra apie 0,2 karto didesnis už tempimo stiprumą, ty apie 180 MPa, kai nuovargio bandymas atliekamas 10 kartų esant įpjovoms (K=3.9). Šis skaičius gali neatrodyti didelis, tačiau jis labai svarbus kuriant komponentus (variklio mentes, važiuoklę, fiuzeliažo rėmus), kurie atlaiko kintamas apkrovas.
Verta paminėti, kad titano lydiniai pasižymi geromis išpjovomis. Atkaitintos būsenos TC4 yra tam tikra medžiaga, turinti puikų kietumą. Kai įpjovos koncentracijos koeficientas K=25.4 mm, įpjovos tempimo stiprio ir ne-įpjovos tempimo stiprio santykis yra didesnis nei 1. Tai reiškia, kad esant įtempių koncentracijai TC4 rodo didesnį tempimo stiprumą nei lygių bandinių, o tai rodo, kad jis nėra tinkamas įpjovoms ir turi stiprią savybę atsispirti įtrūkimų atsiradimui.
Remiantis 2026 m. „Journal of Welding“ tyrimu, 30 mm storio TC4 jungties, suvirintos vakuuminiu elektronų pluoštu, didelio ciklo nuovargio stipris gali siekti daugiau nei 90 % netauriojo metalo, o tai labai svarbu didelėms vientisoms suvirintoms titano lydinio konstrukcijoms (pvz., giliai panardinamoms pilotuojamoms kabinoms, orlaiviams).
4. Kietumas: grynas titanas yra labai minkštas, titano lydinys yra labai kietas
Kietumas yra medžiagos atsparumo vietiniam įspaudimui ir nusidėvėjimui rodiklis, o titanas turi didelį tarpatramį šiame matmenyje.
Apdoroto pramoninio gryno grynumo titano kietumas paprastai yra mažesnis nei 120 HB (Brinelio kietumas), o kito pramoninio gryno perdirbto titano kietumas yra 200–295 HB. Gryno titano liejinių kietumas yra 200–220 HB.
Atkaitinto titano lydinio kietumas yra 32–38 HRC (Rockwell C skalė), o tai atitinka 298–349 HB. As{5}}lietų TA7 ir TC4 kietumas yra apie 320 HB, o mažo tarpo priemaišų TC4 liejinių – apie 310 HB.
Įvairūs procesai turi didelį poveikį kietumui. Remiantis 2026 m. „Journal of Materials Heat Treatment“ tyrimu, lazerinio miltelių sluoksnio lydymosi (LPBF) TC4 nusėdimo būsenos kietumas gali siekti 379{11}}417HV (Vickerso kietumas), o po terminio apdorojimo 800 laipsnių temperatūroje ir po 90 laipsnių temperatūros nukris iki 318{12}}334 HV. atsparumas plyšimui padidinamas nuo 42,5 MPa · m1/² iki 83,9 MPa · m1/² – kietumo ir atsparumo kompromisas ypač akivaizdus gaminant priedus.
5. Tamprumo modulis: standumas yra tik 55% geležies, bet jis yra geresnis nei elastingumo modulis
Pramoninio gryno titano tempimo tamprumo modulis yra 105–109 GPa, o daugumos atkaitinto titano lydinių – 110–120 GPa. Sutvirtinto titano lydinio tamprumo modulis yra šiek tiek didesnis nei atkaitinto titano lydinio, o tamprumo modulis gniuždymui yra lygus arba didesnis už tempimo tamprumo modulį.
Šis standumas yra apie 55% geležies ir nuo 50% iki 55% plieno. Nors ir daug aukštesnis už aliuminį ir aliuminio lydinius, titano lydiniai nedominuoja tais atvejais, kai reikalaujama itin didelio standumo (tikslių staklių verpstės, guoliai). Tačiau titano lydinių specifinis tamprumo modulis (E/ρ) yra panašus į aliuminio lydinių, o po berilio, molibdeno ir kai kurių superlydinių -atsižvelgiant į tai, kad titano tankis yra tik 57 % plieno tankio, titano komponentų standumas yra neblogas tokio pat svorio.
Inžinerijos srityje titano standumo trūkumą kompensuoja{0}}skerspjūvio dydis ir optimizuotas konstrukcijos dizainas. Lauke, keičiant plieną, titano lydiniams paprastai reikia 10–20 % skerspjūvio storio, tačiau bendrą svorį vis tiek galima sumažinti daugiau nei 30 %.
6. Atsparumas smūgiams ir atsparumas lūžiams: paskutinė apsaugos nuo lūžių linija
Tiesiausias būdas pagerinti titano lydinių stiprumą yra intersticinių elementų (deguonies, azoto, anglies) kiekis, tačiau tai labai pakenks smūgio savybėms ir atsparumui lūžiams. Stiprumo ir tvirtumo balansas yra amžinas titano lydinio dizaino pasiūlymas.
Remiantis patikimais duomenimis, gryno titano Xia įpjovos smūgio stiprumas perdirbimo pramonėje yra 15-54 J/cm², o gryno titano – 4-10 J/cm². Atkaitinto titano lydinio atsparumas smūgiams yra 13–25,8 J/cm², o senėjimo būsena yra šiek tiek mažesnė. Liejamų TA7 ir TC4 poveikis yra atitinkamai 10 J/cm ² ir 20 ~ 23 J/cm ². Kuo mažesnis deguonies kiekis, tuo didesnė smūgio vertė – štai kodėl titano lydiniai yra itin atšiaurūs tarpinių elementų kiekiui.
Atsparumas lūžiams yra išskirtinis privalumastitano lydiniai. Daugelis titano lydinių turi didelį atsparumą lūžiams arba gerą atsparumą įtrūkimų augimui. Atkaitinto TC4 atsparumas plyšimui KIC gali siekti 67,7 ~ 87,0 MPa · m1/² (pagal 2026 m. „Medžiagų ir pritaikymų“ kalimo proceso tyrimą). LPBF TC4 2026 metų „Suvirinimo“ tyrimų duomenimis, po karšto izostatinio presavimo 940 laipsnių kampu, atsparumas plyšimui gali siekti 80,3-83,9 MPa · m1/², o tai yra visiškai reikalinga komponentų aptarnavimui.
Palyginimui, didelio -stiprumo plieno, kurio stiprumas yra vienodas, atsparumas plyšimui paprastai yra 50–80 MPa · m1/², o titano lydiniai paprastai veikia geriau esant tokio pat stiprumo, todėl titano lydiniai plačiai naudojami orlaiviuose pagal atsparumo pažeidimams dizaino koncepciją. Viena iš raktų struktūros priežasčių.
7. Aukštos temperatūros veikimas: 450 laipsnių yra įprasto titano "lubos".
Popierius pateikia aiškią temperatūros ribą: bendrieji pramoniniai titano lydiniai gali turėti naudingų savybių esant 540 laipsnių, tačiau jie gali būti naudojami tik trumpą laiką; Eksploatacinės temperatūros diapazonas yra 450–480 laipsnių. Titano lydiniai raketoms gali būti naudojami 540 laipsnių kampu ir trumpą laiką 760 laipsnių kampu. Tuo metu buvo sukurti titano lydiniai, skirti naudoti 600 laipsnių.
TA7 atsparumas tempimui yra 440 MPa, o ilgaamžiškumas yra 195 MPa 500 laipsnių kampu; TC3/TC4 atsparumas tempimui yra 440 MPa, o ilgaamžiškumas – 195 MPa esant 500 laipsnių kampui. TC6 atsparumas tempimui yra 735 MPa ir patvarumas 665 MPa esant 400 laipsnių kampui; TC11 atsparumas tempimui yra 685 MPa ir 590 MPa patvarumas 500 laipsnių kampu; TC9 atsparumas tempimui yra 785 MPa ir 590 MPa patvarumas 500 laipsnių kampu. Šiandien aukštos temperatūros{23}}titano lydiniai padarė didelę pažangą. Remiantis vieša pramonės informacija, Ti60 (Ti-5. 8Al-4,8 Sn-2,0 Zr-1,0 Mo-0,35Si-0,85 Nd), kurį sukūrė mano šalis, eksploatavimo temperatūra yra 600 laipsnių, o tempiamasis stipris - 500 laipsnių, didesnis nei arba lygus 735 MPa; Ti65 eksploatacinė temperatūra gali siekti 650 laipsnių, jis buvo naudojamas aukšto slėgio kompresoriaus diske ir integruotame naujos kartos variklių blykste. 2025 m. Ti180 (Ti-6Al-3Sn-4Zr-2Mo-0,5 Si) tempiamasis stipris tirpalo senėjimo būsenoje pasieks 1100-1250 MPa, atsparumo aukštai temperatūrai koeficientas 550 laipsnių bus didesnis arba lygus 70%, o nuovargio riba bus padidinta 15% -30%.
TiAl intermetalinis junginys reiškia aukštesnę temperatūros kryptį: Ti-48Al-2Cr-2Nb tankis yra tik 3,9 g/cm³, o atsparumas temperatūrai – 750–900 laipsnių. Jis buvo naudojamas GEGENx ir CFM LEAP variklių žemo slėgio turbinų mentėse, siekiant pakeisti nikelio lydinius Svorio sumažinimas 50%.
8. Veikimas žemoje temperatūroje: Titanas vis dar yra kietas esant -253 laipsnių
Vienas iš labiausiai neįvertintų titano savybių yra jo veikimas esant itin žemai temperatūrai.
Esant temperatūrai, titanas ir titano lydiniai tampa stipresni ir mažiau lankstūs,{0}}kaip ir dauguma metalų. Tačiau titanas yra unikalus tuo, kad daugelis atkaitintų titano lydinių vis dar yra pakankamai lankstūs ir atsparūs lūžiams esant-195,5 laipsnio (skysto azoto temperatūra). TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn ELI) su mažu tarpinio elemento kiekiu gali būti naudojamas esant -252,7. d egree. C. (skysto vandenilio temperatūra), o tempiamojo stiprio su įpjovomis ir neįpjovos tempimo stiprio santykis šioje temperatūroje yra 0,95-1,15.
TC4 pailgėjimas vis tiek gali siekti 12 %, kai-252,7 laipsnio. Remiantis 2026 m. „China Materials Progress“ žemos temperatūros titano lydinio apžvalga, lygiaašės struktūros TC4 takumo riba yra apie 1500 MPa, o pailgėjimas yra apie 18 % esant -253 laipsniams ; TC4 tempiamasis stipris buvo 1544,5 MPa esant-253 laipsniams, o pailgėjimas buvo 5,85 %. CT20 žemos temperatūros titano lydinys (Ti-Al-Zr-Mo sistema), kurį savarankiškai sukūrė mano šalis, išplėtė savo eksploatavimo temperatūrą iki skysto vandenilio temperatūros diapazono (-253 laipsniai) ir pasižymi geru veikimu ir apdorojamumu žemoje temperatūroje.
Tai labai daug reiškia aviacijos pramonei. Skystas deguonis (-183 laipsniai ), skystas vandenilis (-253 laipsniai ) ir skystas fluoras yra pagrindiniai raketų ir kosminių įrenginių raketiniai varikliai, o kriogeninės talpyklos medžiagos negali būti trapios esant itin žemai temperatūrai. Plienas taps plastiškas-trapus 253 laipsnių temperatūroje, aliuminio lydiniai bus nepakankamai tvirti, o titano lydiniai, ypač TC4 ELI ir TA7 ELI, išliks plastiški esant skysto vandenilio temperatūrai. Remiantis pramonės ataskaitomis 2026 m., Kinijoje esančios 3,8 metro skersmens integruotos besisukančios titano lydinio dėžės dugnas buvo sukurtas, o Pietų Korėjos UNIST 3D spausdintas titano bakas išlaikė 253 laipsnių 0,8 MPa patikrinimą. Titanas tampa kandidate į naujos kartos sunkiųjų raketų kriogeninių bakų medžiagą.
Esant-196 laipsnių skysto azoto temperatūrai, TC4 ELI stiprumas padidėja nuo 848 MPa iki 1319 MPa kambario temperatūroje, o pailgėjimas vis dar yra 24,9 %, tuo pačiu pagerinamas stiprumas ir plastiškumas. Šis nenormalus elgesys atsiranda dėl deformacinių dvynių sujungimo efekto ir kelių sistemų slydimo žemoje temperatūroje.
Išvada
Dėl mechaninių titano savybių vaizdas yra turtingas: grynas titanas yra minkštas ir kietas, titano lydiniai yra tvirti ir kieti; Aukštoje temperatūroje jis vis tiek laikysis iki 600 laipsnių, o žemoje temperatūroje jis taps stipresnis ir vis tiek tęsis; Tamprumo modulis nėra didelis, tačiau specifinis tamprumo modulis yra puikus, kietumo intervalas yra didelis, bet atsparumas lūžiams yra puikus.
Suprasdami šiuos skaičius, galite suprasti, kodėl C919 naudojamas 9,3 % titano lydinys, kodėl Struggle ball kabinoje pasirenkamas TC4 ELI, kodėl raketos bakas pradeda keisti plieną ir aliuminį titanu ir kodėl variklio mentėms reikia naujo aukštos -temperatūros titano lydinio.
Titanas nėra pats kiečiausias metalas, jis nėra pats stipriausias metalas ir nėra atspariausias temperatūrai-. Tačiau „lengvas, stiprus, tvirtas, atsparus temperatūrai-, atsparus korozijai- ir be magnetinio-“ mechaninės ataskaitos kortelės kol kas nėra konkurentų.
