Mehanička svojstva titana: Hardcore transkript od 280MPa do 1500MPa

Danas govorimo o teži-temi: mehaničkim svojstvima titana. Laički rečeno, različiti su pokazatelji koje titan pokazuje kada je pod stresom-može li se povući? Može li zgnječiti? Otporan na udarce? Koliko dugo može trajati ako dođe do pukotine? Hoće li biti na visokoj temperaturi? Hoće li postati krt na niskoj temperaturi?

Ove brojke nisu samo izvješća o ispitivanju u laboratoriju, one izravno određuju može li se titan koristiti za izradu stajnog trapa zrakoplova, raketnog kriogenog spremnika za pohranu i može li izdržati 600 stupnjeva Celzijevih u motoru.

1. Vlačna čvrstoća: od čistog titana 280MPa do legure titana 1500MPa

Vlačna čvrstoća čistog titana je 265 ~ 353 MPa, što je slično onoj obične aluminijske legure. Ali kada se dodaju elementi legure kao što su aluminij, vanadij, molibden i kositar, snaga raste. Vlačna čvrstoća općenitih legura titana iznosi 686-1176MPa, dok ona legura titana ojačanih otopinom i starenjem trenutno može doseći 1760MPa.

Uzimajući ploču kao primjer (GB/T 3621): vlačna čvrstoća industrijskog čistog titana TA0 je 280-420MPa, TA1 je 370-530MPa, TA2 je 440-620MPa, a TA3 je 540-720MPa. Nakon dodavanja legirajućih elemenata, TA5 (Ti-4Al-0.005B) dosegnuo je 685MPa, TA7 (Ti-5Al-2.5 Sn) dosegao je 735-930MPa, a najklasičniji TC4 (Ti-6Al-4V) lim je žaren na 895MPa.

Snaga legiranja može se bolje vidjeti iz podataka standarda za šipke (GB/T 2965-1996): vlačna čvrstoća TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) u stanju kaljenja i starenja iznosi čak 1370 MPa, a navedeno zaostalo naprezanje istezanja je 1100 MPa. Vlačna čvrstoća šipke TC11 je 1030MPa, a TC12 doseže 1150MPa.

Visoka čvrstoća nije jedina potraga, specifična čvrstoća (snaga podijeljena s gustoćom) ubojita je značajka titana. Specifična čvrstoća legure titana puno je bolja nego kod legure čelika i aluminija-to je također temeljni razlog za odabir titana. Uzimajući TC4 kao primjer, gustoća je 4,43 g/cm ³, vlačna otpornost žarenja je oko 900 MPa, a specifična čvrstoća je oko 203 MPa m ³/kg, dok je specifična čvrstoća čelika visoke-čvrstoće oko 50, a aluminijske legure oko 150.

Istraživanja u 2025. nastavljaju osvježavati gornju granicu čvrstoće legura titana. Prema izvješću iz 2025. "Journal of Sichuan University", prosječna granica razvlačenja legure titana TC11 aditivno proizvedene laserskim osiguračem u stanju taloženja je 1415MPa, a vlačna čvrstoća je 1527MPa. Iako je stopa istezanja samo 6,95%, čvrstoća je daleko premašila standardnu ​​vrijednost kovanog materijala.

2. Kompresija, smicanje i tlačni ležaj: "-svestrano opterećenje" od titana

Mehanička svojstva titana imaju zanimljivu značajku: ponaša se vrlo ravnomjerno pod različitim silama.

Tlačna čvrstoća: Tlačna čvrstoća odtitana i titanovih leguranije manja od njegove vlačne čvrstoće. Tlačna granica tečenja i vlačna granica tečenja industrijskog čistog titana približno su jednake. Tlačna čvrstoća TC4 i TA7 čak je nešto veća od vlačne čvrstoće. To znači da su komponente od titana jednako pouzdane u uvjetima pritiska i prikladne za potporne stupove, kućišta ležajeva i stupove za ublažavanje stajnog trapa. Smična čvrstoća: općenito 60% ~ 70% vlačne čvrstoće. Za TC4, oko 540 ~ 630 MPa. Modul smicanja legure titana je 43 ~ 51 GPa, a modul industrijskog čistog titana je 46 GPa. Vijci, zakovice i prijenosni spojevi uglavnom su posmični, a ovaj je parametar temeljna osnova za dizajn.

Granica tečenja pod pritiskom: Granica tečenja pod pritiskom titana i limova od titanovih legura može doseći 1,2 ~ 2,0 puta veću vlačnu čvrstoću. To je zato što je u stanju tlačnog naprezanja materijal podložan bočnim ograničenjima i nije lako doći do plastične nestabilnosti. Za spojeve za zakivanje i pričvršćivanje kože zrakoplova, to znači da ploče od legure titana mogu izdržati puno veća lokalna tlačna naprezanja nego kada su jednostavno vlačna.

3. Snaga izdržljivosti i umor: test dugotrajnog-stresa

Statička čvrstoća odgovara samo "može li se izvući", a inženjersku praksu više zanima "koliko dugo se može koristiti".

Čvrstoća izdržljivosti: U normalnoj atmosferi, čvrstoća izdržljivosti titana i titanovih legura nakon obrade i žarenja je oko 0,5 ~ 0,65 puta veća od vlačne čvrstoće. Tablica performansi na visokim temperaturama pokazuje da je vlačna čvrstoća TC4 šipke na 400 stupnjeva 620MPa, a izdržljivost od 100 sati 570MPa; TC6 ima vlačnu otpornost od 735 MPa i izdržljivost od 665 MPa na 400 stupnjeva. Temperatura je najveći ubojica izdržljivosti-izdržljivost TC4 pada na 195 MPa na 500 stupnjeva.

Čvrstoća na zamor: Čvrstoća na zamor žarenog TC4 je oko 0,2 puta veća od vlačne čvrstoće, tj. oko 180 MPa, kada se ispitivanje zamora provodi 10 puta u stanju s urezima (K=3.9). Ova se brojka možda ne čini velikom, ali ključna je za dizajn komponenti (lopatice motora, stajni trap, okviri trupa) koje podnose izmjenična opterećenja.

Vrijedno je napomenuti da legure titana imaju dobre performanse zareza. TC4 u žarenom stanju vrsta je materijala izvrsne žilavosti. Kada je faktor koncentracije zareza K=25.4 mm, omjer zarezne čvrstoće prema zareznoj čvrstoći bez-zareza veći je od 1. To znači da kada postoji koncentracija naprezanja, TC4 pokazuje veću zateznu čvrstoću od glatkih uzoraka, što ukazuje da nije dobar protiv zareza i ima snažnu sposobnost otpornosti na inicijaciju pukotine.

Prema istraživanju časopisa "Journal of Welding" iz 2026., otpornost na zamor u visokom ciklusu spoja TC4 debljine 30 mm zavarenog vakuumskim elektronskim snopom može doseći više od 90% osnovnog metala, što je vrlo važno za velike integralne zavarene konstrukcije od legure titana (kao što su duboko uronjiva kabina s posadom, okvir trupa zrakoplova) od velikog je značaja.

4. Tvrdoća: čisti titan je vrlo mekan, legura titana je vrlo tvrda

Tvrdoća je pokazatelj sposobnosti materijala da se odupre lokalnom udubljenju i habanju, a titan ima veliki raspon u ovoj dimenziji.

Tvrdoća prerađenog industrijskog čistog titana stupnja čistoće obično je manja od 120HB (tvrdoća po Brinellu), a tvrdoća drugog industrijskog čistog prerađenog titana je 200 ~ 295HB. Tvrdoća odljevaka od čistog titana je 200 ~ 220HB.

Tvrdoća legure titana pri žarenju je 32 ~ 38HRC (Rockwell C skala), što je ekvivalentno 298 ~ 349HB. Tvrdoća ne-lijevanog TA7 i TC4 je oko 320 HB, a tvrdoća odljevaka TC4 sa nečistoćama s malim zazorom je oko 310 HB.

Različiti postupci imaju značajan utjecaj na tvrdoću. Prema istraživanju iz 2026. "Journal of Materials Heat Treatment", tvrdoća taloženog TC4 sloja laserskog praha (LPBF) može doseći 379-417HV (tvrdoća po Vickersu), a pasti će na 318-334HV nakon toplinske obrade na 800 stupnjeva i nakon vrućeg izostatičkog prešanja na 940 stupnjeva Nadalje, ali otpornost na lom je povećana sa 42,5 MPa · m1/² na 83,9 MPa · m1/² - kompromis između tvrdoće i žilavosti posebno je očit u aditivnoj proizvodnji.

5. Modul elastičnosti: krutost je samo 55% krutosti željeza, ali je bolja od modula elastičnosti

Vlačni modul elastičnosti industrijskog čistog titana je 105 ~ 109 GPa, a kod većine žarenih legura titana je 110 ~ 120 GPa. Starenjem-kaljena legura titana ima nešto viši modul elastičnosti od žarene legure titana, a modul elastičnosti pri pritisku jednak je ili veći od modula elastičnosti pri rastezanju.

Ova krutost je oko 55% željeza i 50% do 55% čelika. Iako su znatno veće od aluminija i aluminijskih legura, legure titana nisu dominantne u prilikama koje zahtijevaju izuzetno visoku krutost (precizna vretena alatnih strojeva, ležajevi). Međutim, specifični modul elastičnosti (E/ρ) titanovih legura usporediv je s modulom aluminijskih legura, odmah iza berilija, molibdena i nekih superlegura-s obzirom da je gustoća titana samo 57% gustoće čelika, krutost titanskih komponenata iste težine nije loša.

U inženjerstvu se nedostatak krutosti titana nadoknađuje veličinom-presjeka i optimiziranim konstrukcijskim dizajnom. Na terenu, legure titana obično zahtijevaju 10% do 20% debljine poprečnog-presjeka prilikom zamjene čelika, ali ukupna se težina još uvijek može smanjiti za više od 30%.

6. Udarna žilavost i žilavost loma: zadnja linija obrane od loma

Najizravniji način poboljšanja čvrstoće titanskih legura je sadržaj intersticijskih elemenata (kisik, dušik, ugljik), ali to će ozbiljno oštetiti udarna svojstva i žilavost loma. Ravnoteža snage i žilavosti vječni je prijedlog u dizajnu legure titana.

Prema mjerodavnim podacima, udarna čvrstoća Xia čistog titana u prerađivačkoj industriji iznosi 15-54J/cm², a lijevanog čistog titana 4-10J/cm². Udarna čvrstoća žarene legure titana je 13 ~ 25,8 J/cm², a stupanj starenja je nešto niži. Utjecaj lijevanog TA7 i TC4 je 10J/cm² odnosno 20 ~ 23J/cm². Što je niži sadržaj kisika, to je veća vrijednost utjecaja - to je razlog zašto su legure titana izuzetno oštre prema sadržaju međuprostornih elemenata.

Žilavost na lom je izuzetna prednostlegure titana. Mnoge legure titana imaju visoku žilavost loma ili dobru otpornost na rast pukotina. Žilavost loma KIC žarenog TC4 može doseći 67,7 ~ 87,0 MPa · m1/² (prema istraživanju procesa kovanja iz 2026. "Materijali i primjena"). Prema istraživanju LPBF TC4 u "Zavarivanju" 2026. godine, žilavost loma može doseći 80,3-83,9 MPa · m1/² nakon vrućeg izostatičkog prešanja na 940 stupnjeva, što je u potpunosti potrebno za servis komponenti.

Za usporedbu, otpornost na lom čelika visoke-čvrstoće s istom razinom čvrstoće obično je 50-80 MPa · m1/², a legure titana imaju tendenciju da imaju bolju izvedbu pod istom čvrstoćom, zbog čega se legure titana naširoko koriste u zrakoplovima prema konceptu dizajna tolerancije oštećenja. Jedan od razloga strukture ključa.

7. Visokotemperaturne performanse: 450 stupnjeva je "plafon" konvencionalnog titana

Papir daje jasnu temperaturnu granicu: opće industrijske legure titana mogu imati korisna svojstva na 540 stupnjeva, ali se mogu koristiti samo kratko vrijeme; Raspon radne temperature je 450 ~ 480 stupnjeva. Legure titana za projektile mogu se koristiti na 540 stupnjeva i kratko vrijeme na 760 stupnjeva. U to su vrijeme bile razvijene legure titana za upotrebu od 600 stupnjeva.

Vlačna otpornost TA7 je 440MPa, a izdržljivost 195MPa na 500 stupnjeva; TC3/TC4 ima vlačnu otpornost od 440 MPa i izdržljivost od 195 MPa na 500 stupnjeva. TC6 ima vlačnu otpornost od 735 MPa i izdržljivost od 665 MPa na 400 stupnjeva; TC11 ima vlačnu otpornost od 685 MPa i izdržljivost od 590 MPa na 500 stupnjeva; TC9 ima vlačnu otpornost od 785 MPa i izdržljivost od 590 MPa na 500 stupnjeva. Danas su visokotemperaturne-legure titana napravile veliki napredak. Prema javnim informacijama u industriji, Ti60 (Ti-5. 8Al-4.8 Sn-2.0 Zr-1.0 Mo-0.35Si-0.85 Nd) neovisno razvijen u mojoj zemlji ima radnu temperaturu od 600 stupnjeva i vlačnu čvrstoću od 500 stupnjeva Veću ili jednaku 735MPa; Radna temperatura Ti65 može doseći 650 stupnjeva, a korišten je u visokotlačnom kompresorskom disku i integralnom blisku nove generacije motora. Godine 2025. vlačna čvrstoća Ti180 (Ti-6Al-3Sn-4Zr-2Mo-0,5 Si) u stanju starenja u otopini dosegnut će 1100-1250MPa, stopa čvrstoće pri visokoj temperaturi na 550 stupnjeva bit će veća ili jednaka 70%, a granica zamora će se povećati za 15%-30% u usporedbi s TC4.

Intermetalni spoj TiAl predstavlja smjer više temperature: Ti-48Al-2Cr-2Nb ima gustoću od samo 3,9 g/cm³ i otpornost na temperaturu od 750-900 stupnjeva. Korišten je u niskotlačnim turbinskim lopaticama GEGEnx i CFM LEAP motora za zamjenu legura na bazi nikla. Smanjenje težine za 50%.

8. Rad na niskim temperaturama: Titan je još uvijek otporan na -253 stupnja

Jedna od najpodcijenjenijih sposobnosti titana je njegova izvedba na ekstremno niskim temperaturama.

S temperaturom titan i legure titana postaju čvršći i manje rastegljivi-kao što je slučaj s većinom metala. Međutim, titan je jedinstven po tome što mnoge žarene legure titana još uvijek imaju dovoljnu duktilnost i otpornost na lom na-195,5 stupnjeva (temperatura tekućeg dušika). TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn ELI) s niskim sadržajem međuprostornog elementa može se koristiti na -252,7. d diploma. C. (temperatura tekućeg vodika), a omjer vlačne čvrstoće s urezima i vlačne čvrstoće bez ureza je 0,95-1,15 pri ovoj temperaturi.

Istezanje TC4 još uvijek može doseći 12% na-252,7 stupnjeva. Prema pregledu legura titana na niskim{16}}temperaturama iz 2026. "China Materials Progress", ravnoosna struktura TC4 ima granicu razvlačenja od oko 1500MPa i istezanje od oko 18% na-253 stupnja; Vlačna čvrstoća TC4 bila je 1544,5 MPa na-253 stupnja, a istezanje je bilo 5,85%. CT20 niskotemperaturna-legura titana (Ti-Al-Zr-Mo sustav) koju je neovisno razvila moja zemlja proširila je radnu temperaturu na temperaturni raspon tekućeg vodika (-253 stupnja) i ima dobre performanse na niskim temperaturama i mogućnost obrade.

To puno znači za zrakoplovnu industriju. Tekući kisik (-183 stupnja), tekući vodik (-253 stupnja) i tekući fluor temeljna su pogonska goriva raketa i svemirskih uređaja, a materijali kriogenih spremnika ne mogu biti krti na ekstremno niskim temperaturama. Čelik će proći duktilni-krti prijelaz na-253 stupnja, legure aluminija neće imati dovoljnu čvrstoću, dok će legure titana - posebno TC4 ELI i TA7 ELI - ostati duktilne na temperaturama tekućeg vodika. Prema industrijskim izvješćima iz 2026. godine, projektirano je dno integralne rotirajuće kutije od titanijske legure promjera 3,8 metara u Kini, a 3D tiskani spremnik od titana UNIST-a u Južnoj Koreji prošao je verifikaciju od -253 stupnja 0,8 MPa. Titan postaje materijal kandidat za kriogene spremnike nove generacije teških lansirnih vozila.

Na-temperaturi tekućeg dušika od 196 stupnjeva, čvrstoća TC4 ELI povećava se s 848MPa na 1319MPa na sobnoj temperaturi, dok je istezanje i dalje 24,9%-čvrstoća i plastičnost su poboljšane u isto vrijeme. Ovo nenormalno ponašanje posljedica je efekta sprege deformacijskih blizanaca i višesistemskog klizanja na niskoj temperaturi.

Zaključak

Mehanička svojstva titana predstavljaju bogatu sliku: čisti titan je mekan i žilav, legure titana su jake i žilave; Na visokoj temperaturi, i dalje će se držati do 600 stupnjeva, a na niskoj temperaturi, postat će jači i produžiti se; Modul elastičnosti nije visok, ali je specifični modul elastičnosti odličan, raspon tvrdoće je velik, ali je žilavost loma izvrsna.

Razumijevanjem ovih brojki možete shvatiti zašto C919 koristi 9,3% legure titana, zašto je kabina Struggle ball odabrala TC4 ELI, zašto spremnik rakete počinje zamjenjivati ​​čelik i aluminij titanijem i zašto lopatice motora trebaju novu leguru titana za visoke-temperature.

Titan nije najtvrđi metal, nije najjači metal i nije metal-najotporniji na temperaturu. Ali u kombinaciji "laganog, jakog, čvrstog, temperaturno-otpornog,-otpornog na koroziju-i magnetskog-bez magneta", njegova mehanička bilježnica do sada nema premca.