Titaani mehaanilised omadused: kõvatuumaline transkriptsioon vahemikus 280 MPa kuni 1500 MPa
Täna räägime raskemal{0}}põhiteemal: titaani mehaanilistest omadustest. Tavapäraselt öeldes näitab titaan pinge all erinevaid indikaatoreid-kas seda saab tõmmata? Kas see võib purustada? Põrutuskindel? Kui kaua see võib kesta, kui on pragu? Kas see on kõrgel temperatuuril? Kas see muutub madalal temperatuuril rabedaks?
Need arvud ei ole ainult laboris tehtud katsearuanded, need määravad otseselt kindlaks, kas titaanist saab ehitada lennuki teliku, raketi krüogeense mahuti ja kas titaan talub mootoris 600 kraadi Celsiuse järgi.
1. Tõmbetugevus: puhtast titaanist 280 MPa kuni titaanisulamini 1500 MPa
Puhta titaani tõmbetugevus on 265 ~ 353 MPa, mis on sarnane tavalise alumiiniumisulami tõmbetugevusega. Kuid kui sulamielemendid, nagu alumiinium, vanaadium, molübdeen ja tina, on lisatud, tõuseb tugevus hüppeliselt. Üldiste titaanisulamite tõmbetugevus on 686{5}}1176 MPa, samas kui lahustamise ja vananemisega tugevdatud tüüpi titaanisulamite tõmbetugevus võib praegu ulatuda 1760 MPa-ni.
Võttes näiteks plaadi (GB/T 3621): tööstusliku puhta titaani TA0 tõmbetugevus on 280-420 MPa, TA1 on 370-530 MPa, TA2 on 440-620 MPa ja TA3 on 540-720 MPa. Pärast legeerivate elementide lisamist saavutas TA5 (Ti-4Al-0,005B) 685 MPa, TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn) 735-930 MPa ja kõige klassikalisem TC4 (Ti-6Al-4V) leht lõõmutati 895 MPa juures.
Legeerimise võimsus on paremini näha vardastandardi (GB/T 2965-1996) andmetest: TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) tõmbetugevus karastus- ja vananemisseisundis on koguni 1370 MPa ning määratud jääkpikenemispinge on 1100 MPa. TC11 baari tõmbetugevus on 1030 MPa ja TC12 ulatub 1150 MPa-ni.
Kõrge tugevus ei ole ainus eesmärk, eritugevus (tugevus jagatud tihedusega) on titaani hävitav omadus. Titaanisulami eritugevus on palju parem kui terase ja alumiiniumisulami oma.{1}}See on ka titaani valimise peamine põhjus. TC4 näitena on tihedus 4,43 g/cm³, lõõmutamise tõmbetakistus umbes 900 MPa ja eritugevus umbes 203 MPa m³/kg, kõrge -tugeva terase eritugevus on aga umbes 50 ja alumiiniumisulami oma umbes 150.
2025. aasta uuringud jätkavad titaanisulamite tugevuse ülemmäära värskendamist. Sichuani ülikooli ajakirja 2025. aasta aruande kohaselt on sadestamise olekus laserkaitsmega lisandina valmistatud TC11 titaanisulami keskmine voolavuspiir 1415 MPa ja tõmbetugevus 1527 MPa. Kuigi pikenemise määr on vaid 6,95%, on tugevus palju ületanud sepistatud standardväärtust.
2. Surve-, nihke- ja survelaager: titaanist "kõik-koormust kandvad"
Titaani mehaanilistel omadustel on huvitav omadus: see käitub erinevate jõudude mõjul väga ühtlaselt.
Survetugevus: survetugevustitaan ja titaanisulamidei ole madalam selle tõmbetugevusest. Tööstusliku puhta titaani surve voolavuspiir ja tõmbejõud on ligikaudu võrdsed. TC4 ja TA7 survetugevus on isegi veidi suurem kui tõmbetugevus. See tähendab, et titaanist komponendid on ühtviisi töökindlad ka survetingimustes ning sobivad nii sammaste, laagrikorpuste kui ka teliku amortisaatorite tugipostide toetamiseks. Nihketugevus: üldiselt 60% ~ 70% tõmbetugevusest. TC4 puhul umbes 540 ~ 630 MPa. Titaanisulami nihkemoodul on 43–51 GPa ja tööstusliku puhta titaani nihkemoodul on 46 GPa. Poldid, needid ja ülekandeliigendid on peamiselt nihkega ja see parameeter on disaini põhialus.
Saagistugevus rõhu all: titaani ja titaanisulami lehtede voolavuspiir rõhu all võib ulatuda tõmbetugevusest 1,2–2,0 korda. Selle põhjuseks on asjaolu, et survepinge olekus on materjalil külgmised piirangud ja plastiline ebastabiilsus ei ole lihtne. Lennuki naha neetimis- ja kinnitusühenduste puhul tähendab see, et titaanisulamist plaadid taluvad palju suuremaid kohalikke survepingeid kui lihtsalt tõmbetugevusena.
3. Vastupidavus ja väsimus: pikaajalise-stressi test
Staatiline tugevus vastab ainult sellele, "kas seda saab ära tõmmata" ja inseneripraktika on rohkem mures selle pärast, "kui kaua seda saab kasutada".
Vastupidavus: normaalses atmosfääris on titaani ja titaanisulamite vastupidavus pärast töötlemist ja lõõmutamist umbes 0,5–0,65 korda suurem kui tõmbetugevus. Kõrgtemperatuuri jõudluse tabel näitab, et TC4 baari tõmbetugevus 400 kraadi juures on 620 MPa ja 100 tunni vastupidavus on 570 MPa; TC6 tõmbetakistus on 735 MPa ja vastupidavus 665 MPa 400 kraadi juures. Temperatuur on vastupidavuse suurim tapja{13}}TC4 vastupidavus langeb 500 kraadi juures 195 MPa-ni.
Väsimustugevus: lõõmutatud TC4 väsimustugevus on umbes 0,2 korda suurem kui tõmbetugevus, st umbes 180 MPa, kui väsimuskatse tehakse 10 korda sälgutatud olekus (K=3.9). See arv ei pruugi tunduda suur, kuid see on kriitilise tähtsusega komponentide (mootori labad, telik, kereraamid) konstruktsiooni jaoks, mis taluvad vahelduvaid koormusi.
Väärib märkimist, et titaanisulamitel on hea sälk. Lõõmutatud olekus TC4 on omamoodi materjal, millel on suurepärane sitkus. Kui sälgu kontsentratsiooni tegur K=25.4 mm, on sälkulise tõmbetugevuse ja mittesälgitud tõmbetugevuse suhe -suurem kui 1. See tähendab, et pingekontsentratsiooni korral näitab TC4 suuremat tõmbetugevust kui siledad proovid, mis näitab, et see ei ole sälkude suhtes hea ja sellel on tugev vastupidavus pragude tekkele.
Ajakirja "Journal of Welding" 2026. aasta uurimistöö kohaselt võib vaakumelektronkiirega keevitatud 30 mm paksuse TC4 liite kõrge tsükli väsimustugevus ulatuda enam kui 90% -ni mitteväärismetallist, mis on väga oluline suurte integreeritud keevitatud titaanisulamist konstruktsioonide jaoks (nt sügav sukelatav mehitatud kabiin, õhusõiduki raam).
4. kõvadus: puhas titaan on väga pehme, titaanisulam on väga kõva
Kõvadus näitab materjali võimet seista vastu kohalikule süvendile ja kulumisele ning titaanil on selles mõõtmes suur ulatus.
Puhta puhtusastmega töödeldud tööstusliku titaani kõvadus on tavaliselt alla 120 HB (Brinelli kõvadus) ja muu tööstusliku puhta töödeldud titaani kõvadus on 200–295 HB. Puhta titaani valandite kõvadus on 200–220 HB.
Titaanisulami kõvadus lõõmutamisel on 32–38 HRC (Rockwell C skaala), mis on võrdne 298–349 HB-ga. Valatud TA7 ja TC4 kõvadus on umbes 320 HB ning madala vahelisandiga TC4 valandite kõvadus on umbes 310 HB.
Erinevatel protsessidel on kõvadusele oluline mõju. Ajakirja "Journal of Materials Heat Treatment" 2026. aasta uuringu kohaselt võib laserpulberkihi sulatamise (LPBF) TC4 sadestatud oleku kõvadus ulatuda 379-417 HV-ni (Vickersi kõvadus) ja see langeb pärast kuumtöötlust temperatuuril 800 kraadi, kuid pärast 90 kraadi temperatuuri tõusmist 318-334 HV-ni. purunemistugevust suurendatakse 42,5 MPa · m1/²-lt 83,9 MPa · m1/²-ni – kõvaduse ja sitkuse kompromiss on eriti ilmne lisandite valmistamisel.
5. Elastsusmoodul: jäikus on ainult 55% raua omast, kuid see on parem kui elastsusmoodul
Tööstusliku puhta titaani tõmbeelastsusmoodul on 105–109 GPa ja enamiku lõõmutatud titaanisulamite tõmbeelastsusmoodul on 110–120 GPa. Vana-karastatud titaanisulamil on pisut kõrgem elastsusmoodul kui lõõmutatud titaanisulamil ja surveelastsusmoodul on võrdne või suurem kui tõmbeelastsusmoodul.
See jäikus on umbes 55% rauast ja 50% kuni 55% terasest. Kuigi titaanisulamid on palju kõrgemad kui alumiiniumist ja alumiiniumisulamid, ei ole titaanisulamid domineerivad juhtudel, mis nõuavad eriti suurt jäikust (täppispinkide spindlid, laagrid). Titaanisulamite erielastsusmoodul (E/ρ) on aga võrreldav alumiiniumisulamitega, berülliumi, molübdeeni ja mõnede supersulamite järel teisel kohal,-arvestades, et titaani tihedus on vaid 57% terase omast, ei ole titaani sama kaaluga komponentide jäikus sugugi halb.
Inseneritöös kompenseeritakse titaani jäikuse puudumist{0}}ristlõike suurus ja optimeeritud konstruktsioon. Põllul vajavad titaanisulamid terase asendamisel tavaliselt 10–20% ristlõike paksusest, kuid kogumassi saab siiski vähendada rohkem kui 30%.
6. Löögitugevus ja purunemiskindlus: viimane kaitseliin murdumise vastu
Kõige otsesem viis titaanisulamite tugevuse parandamiseks on interstitsiaalsete elementide (hapnik, lämmastik, süsinik) sisaldus, kuid see kahjustab tõsiselt löögiomadust ja purunemiskindlust. Tugevuse ja sitkuse tasakaal on titaanisulamist disaini igavene ettepanek.
Autoriteetsetel andmetel on töötlevas tööstuses puhta titaani Xia sälklöögi löögitugevus 15-54 J/cm ² ja valatud puhta titaani löögitugevus 4-10 J/cm ². Lõõmutatud titaanisulami löögitugevus on 13–25,8 J/cm² ja vananemisaste on veidi madalam. Valatud TA7 ja TC4 mõju on vastavalt 10 J/cm² ja 20–23J/cm². Mida madalam on hapnikusisaldus, seda suurem on mõju väärtus – seepärast on titaanisulamid interstitsiaalsete elementide sisalduse suhtes äärmiselt karmid.
Murdetugevus on selle silmapaistev eelistitaanisulamid. Paljudel titaanisulamitel on suur purunemiskindlus või hea vastupidavus pragude tekkele. Lõõmutatud TC4 purunemistugevus KIC võib ulatuda 67,7 ~ 87,0 MPa · m1/² (vastavalt 2026. aasta sepistamisprotsessi uuringule "Materjalid ja rakendused"). LPBF TC4 2026. aasta "Keevitus" uuringute kohaselt võib purunemistugevus pärast kuumisostaatilist pressimist 940 kraadi juures ulatuda 80,3-83,9 MPa · m1/², mis on täielikult vajalik komponentide hooldamiseks.
Võrdluseks, sama tugevustasemega -tugevate teraste purunemistugevus on tavaliselt 50–80 MPa · m1/² ja titaanisulamid toimivad sama tugevusega paremini, mistõttu kasutatakse titaanisulameid õhusõidukites laialdaselt kahjustustaluvuse kontseptsiooni alusel. Üks võtmestruktuuri põhjusi.
7. Kõrge temperatuuri jõudlus: 450 kraadi on tavapärase titaani "lagi".
Paber annab selge temperatuuripiirangu: üldistel tööstuslikel titaanisulamitel võivad olla kasulikud omadused 540 kraadi juures, kuid neid saab kasutada vaid lühikest aega; Töötemperatuuri vahemik on 450-480 kraadi. Rakettide jaoks mõeldud titaanisulameid saab kasutada 540 kraadi juures ja lühikest aega 760 kraadi juures. Sel ajal olid välja töötatud titaanisulamid 600 kraadiseks kasutamiseks.
TA7 tõmbetakistus on 440 MPa ja vastupidavus 195 MPa 500 kraadi juures; TC3/TC4 tõmbetakistus on 440 MPa ja vastupidavus 195 MPa 500 kraadi juures. TC6 tõmbetakistus on 735 MPa ja vastupidavus 665 MPa 400 kraadi juures; TC11 tõmbetakistus on 685 MPa ja vastupidavus 590 MPa 500 kraadi juures; TC9 tõmbetakistus on 785 MPa ja vastupidavus 590 MPa 500 kraadi juures. Tänapäeval on kõrgel temperatuuril{23}}kasutatavad titaanisulamid teinud suuri edusamme. Tööstusharu avaliku teabe kohaselt on minu riigis iseseisvalt välja töötatud Ti60 (Ti-5. 8Al-4,8 Sn-2,0 Zr-1,0 Mo-0,35Si-0,85 Nd) kasutustemperatuur 600 kraadi ja tõmbetugevus 500 kraadi, mis on suurem kui 735 MPa või võrdne sellega; Ti65 töötemperatuur võib ulatuda 650 kraadini ja seda on kasutatud kõrgsurvekompressori kettas ja uue põlvkonna mootorite integreeritud bliskis. Aastal 2025 jõuab Ti180 (Ti-6Al-3Sn-4Zr-2Mo-0,5 Si) tõmbetugevus lahuses vananemise olekus 1100-1250 MPa-ni, kõrge temperatuuri tugevus 550 kraadi juures on suurem või võrdne 70% ja väsimuspiiri suurendatakse 15% võrra TC40% võrra.
TiAl intermetalliline ühend esindab kõrgemat temperatuurisuunda: Ti-48Al-2Cr-2Nb tihedus on vaid 3,9 g/cm³ ja temperatuuritaluvus 750–900 kraadi. Seda on kasutatud GEGENxi ja CFM LEAP mootorite madalrõhuturbiini labades niklipõhiste sulamite asendamiseks Kaalu vähendamine 50%.
8. Madala temperatuuri jõudlus: titaan on endiselt vastupidav -253 kraadi juures
Titaani üks alahinnatumaid omadusi on selle jõudlus äärmiselt madalatel temperatuuridel.
Temperatuuri tõustes muutuvad titaan ja titaanisulamid tugevamaks ja vähem plastiliseks{0}}nagu enamiku metallide puhul. Titaan on aga ainulaadne selle poolest, et paljudel lõõmutatud titaanisulamitel on 195,5 kraadi juures (vedela lämmastiku temperatuur) siiski piisav elastsus ja purunemiskindlus. Madala interstitsiaalsete elementide sisaldusega TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn ELI) saab kasutada temperatuuril -252,7. d egree. C. (vedela vesiniku temperatuur) ning sälkulise tõmbetugevuse ja mittesälgulise tõmbetugevuse suhe on sellel temperatuuril 0,95–1,15.
TC4 pikenemine võib -252,7 kraadi juures siiski ulatuda 12%-ni. 2026. aasta „China Materials Progressi” madala temperatuuriga titaanisulamite ülevaate kohaselt on võrdvärsliku struktuuriga TC4 voolavuspiir ligikaudu 1500 MPa ja pikenemine 253 kraadi juures ligikaudu 18%; TC4 tõmbetugevus oli 1544,5 MPa -253 kraadi juures ja pikenemine 5,85%. Minu riigis iseseisvalt välja töötatud madalatemperatuuriline titaanisulam CT20 CT20 (Ti-Al-Zr-Mo süsteem) on laiendanud oma töötemperatuuri vedela vesiniku temperatuurivahemikku (-253 kraadi) ning sellel on hea toimivus ja töödeldavus madalal temperatuuril.
See tähendab lennundustööstusele palju. Vedel hapnik (-183 kraadi), vedel vesinik (-253 kraadi) ja vedel fluor on rakettide ja kosmoseseadmete raketikütused ning krüogeensete paakide materjalid ei saa olla väga madalatel temperatuuridel rabedad. Teras läbib plastilise-hapra ülemineku 253 kraadi juures, alumiiniumisulamid ei ole piisavalt tugevad, samas kui titaanisulamid, eriti TC4 ELI ja TA7 ELI, jäävad vedela vesiniku temperatuuril plastiliseks. 2026. aasta tööstuse aruannete kohaselt on Hiinas 3,8-meetrise läbimõõduga keerleva titaanisulamist kasti põhi konstrueeritud ja Lõuna-Korea UNISTi 3D-prinditud titaanpaak on läbinud -253 kraadi 0,8 MPa. Titaanist on saamas uue põlvkonna raskete kanderakettide krüogeensete tankide kandidaatmaterjal.
Vedela lämmastiku temperatuuril-196 kraadi suureneb TC4 ELI tugevus toatemperatuuril 848 MPa-lt 1319 MPa-ni, samas kui pikenemine on endiselt 24,9%-, tugevus ja plastilisus paranevad samal ajal. See anomaalne käitumine on tingitud deformatsioonikaksikute ja mitme süsteemi libisemisest madalal temperatuuril.
Järeldus
Titaani mehaanilised omadused annavad rikkaliku pildi: puhas titaan on pehme ja sitke, titaanisulamid on tugevad ja sitked; Kõrgel temperatuuril püsib see siiski 600 kraadi ja madalal temperatuuril muutub see tugevamaks ja ulatub endiselt välja; Elastsusmoodul ei ole kõrge, kuid spetsiifiline elastsusmoodul on suurepärane, kõvadusvahemik on suur, kuid purunemistugevus on suurepärane.
Kui mõistate neid arve, saate aru, miks C919 kasutab 9,3% titaanisulamit, miks Struggle ball kabiin valib TC4 ELI, miks raketipaak hakkab terast ja alumiiniumi titaaniga asendama ning miks mootori labad vajavad uut kõrgel -temperatuuril titaanisulamit.
Titaan ei ole kõige kõvem metall, see pole ka kõige tugevam metall ega ka kõige temperatuuri{0}}kindlam metall. Kuid kombinatsioonis "kerge, tugev, sitke, temperatuuri-kindel, korrosiooni-kindel ja magnet-vaba" pole selle mehaanilisel aruandekaardil seni konkurente.
