Titanio

Il titanio, che sembra acciaio e ha una lucentezza grigio-argento, è un metallo di transizione ed è stato considerato un metallo raro per un po' di tempo in passato. Il titanio non è un metallo raro, il titanio nella crosta terrestre rappresenta circa il 0.42% del peso totale, è rame, nichel, piombo, zinco combinati 16 volte. Al settimo posto nel mondo dei metalli, ci sono più di 70 minerali che contengono titanio. Il titanio ha elevata resistenza, bassa densità, elevata durezza, elevato punto di fusione e forte resistenza alla corrosione. Il titanio ad alta purezza ha una buona plasticità, ma diventa fragile e duro quando sono presenti impurità.

Le leghe di titanio possono essere suddivise secondo diversi metodi di classificazione, principalmente in base alla struttura organizzativa, alla temperatura di utilizzo, all'uso e alle caratteristiche e ad altri modi di classificazione. 12

In base alla classificazione della struttura: la lega di titanio può essere divisa in lega di titanio, + lega di titanio e lega di titanio. - La lega di titanio è una lega in soluzione solida monofase con microstruttura stabile, forte resistenza all'usura e all'ossidazione, ma non elevata resistenza a temperatura ambiente. - La lega di titanio è una lega in soluzione solida monofase, che ha elevata resistenza senza trattamento termico e può essere ulteriormente rinforzata dopo il trattamento termico, ma la stabilità termica è scarsa. + La lega di titanio è una lega bifase con buone proprietà complessive, come tenacità, plasticità e proprietà di deformazione ad alta temperatura, e può essere rinforzata mediante trattamento termico.

In base all'uso della classificazione della temperatura: la lega di titanio può essere suddivisa in lega di titanio per strutture aeronautiche e lega di titanio per strutture di motori, ecc., in base all'uso specifico della temperatura e ai requisiti prestazionali da scegliere.

Classificazione in base all'uso e alle caratteristiche: le leghe di titanio possono essere ulteriormente suddivise in leghe di titanio a bassa resistenza, leghe di titanio a media resistenza, leghe di titanio ad alta resistenza, leghe di titanio ad altissima resistenza, leghe di titanio con tolleranza ai danni, leghe di titanio a basso costo e ad alte prestazioni, ecc., per soddisfare le esigenze di diversi campi e applicazioni.

Classificazione in base al processo di produzione: le leghe di titanio possono essere suddivise in leghe di titanio fuse, leghe di titanio deformate e leghe di titanio in polvere, che sono classificate in base alla specifica tecnologia di produzione e lavorazione.

In base alla classificazione della struttura di ricottura: la lega di titanio può essere suddivisa in lega di titanio, lega di titanio + e lega di titanio ε, in tre categorie, in base alla struttura di ricottura della divisione.

Grazie alle sue eccellenti proprietà complete, come elevata resistenza, buona resistenza alla corrosione e resistenza al calore, la lega di titanio è ampiamente utilizzata nell'aviazione, nell'industria aerospaziale, chimica, nello sviluppo marino e in altri campi. Diversi tipi di leghe di titanio hanno le proprie caratteristiche e vantaggi per soddisfare le esigenze di diversi scenari applicativi.

Risposta meccanica del materiale in titanio allo stress o al carico applicato. La temperatura di carico, la velocità di deformazione e il mezzo ambientale influenzano tutti le proprietà meccaniche. Le principali proprietà (de)meccaniche sono: limite di snervamento e resistenza alla frattura, allungamento, restringimento superficiale e lavoro di impatto, resistenza alla fatica e limite di fatica, tenacità alla frattura e velocità di crescita delle cricche da fatica e resistenza allo scorrimento viscoelastico.

Resistenza allo snervamento (σ0.2) e resistenza alla frattura (σF) La resistenza del titanio puro industriale e della lega di titanio (de) è correlata al contenuto di elementi di posizione interstiziale (de) [O], [N], [C] e altri elementi (de) nel materiale, e questi elementi sono solitamente integrati insieme e specificati come ossigeno equivalente [O]eq, che viene calcolato come segue: [O]eq=[O]+2[N]+0.75[C](percentuale atomica). Con l'aumento di [O]eq(de), la resistenza allo snervamento del materiale in titanio (de) aumenta in modo significativo. La resistenza allo snervamento è strettamente correlata alla microstruttura, ad esempio, + lega di titanio (Ti-6Al-4V) struttura isometrica fine (de) (de) la più alta resistenza allo snervamento e resistenza alla frattura, può raggiungere rispettivamente 1120 MPa e 1505 MPa.

La miscela di fase isometrica primaria e aciculare fine (o foglio)(de) è chiamata struttura dimorfica e la sua resistenza alla frattura (1455 MPa) è maggiore di quella della fase isometrica grossolana (de) (0 MPa). La struttura aciculare completa (de)σ0.2 è la più bassa. La resistenza alla frattura delle leghe di titanio metastabili, come Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, è influenzata dalla deformazione per laminazione a freddo, dal trattamento di soluzione e dalla velocità di raffreddamento (de).

L'aumento di allungamento, restringimento ed energia d'impatto [O]eq diminuisce l'allungamento del titanio a temperatura ambiente (de). [N](de) ha l'effetto maggiore, seguito da [O] e poi [C]. La ricottura per un lungo periodo (500 ore) può far sì che il restringimento superficiale e il lavoro d'impatto del titanio puro industriale (de) appaiano al valore più basso vicino a 500 gradi. L'allungamento ad alta temperatura è di circa 500 gradi e appare anche il valore minimo. Quando la velocità di trazione ε è 2,7×10-5/s, le prestazioni del titanio puro industriale sono particolarmente evidenti. L'allungamento del titanio a cristalli fini (6μm) ad alta temperatura non è diminuito.

L'allungamento o la frattura della struttura isaassiale fine (de) della lega di titanio + viene raffreddata dall'acqua dopo una soluzione a 4 V a 1088 K. La fase può essere indotta in martensite durante la deformazione, dimostrando che l'energia d'impatto Charpy e la tenacità alla frattura dinamica sono significativamente migliorate a 223 K (de). Allo stesso tempo, anche l'allungamento e la deformazione alla frattura sono aumentati. La resistenza allo snervamento, la resistenza alla frattura e l'allungamento delle leghe Ti-5Al-2.5Fe e Ti-6Al-4V (de) possono essere aumentati rispettivamente dell'8% ~ 15%, del 5% ~ 13% e del 7% ~ 14% utilizzando il nuovo processo di trattamento all'idrogeno.

Resistenza alla fatica e limite di fatica Il titanio puro industriale ha un limite di fatica (de) definito, che aumenta con l'aumento dell'ossigeno equivalente e diminuisce con l'ingrossamento del grano. La resistenza alla fatica (σN) di Ti-6Al-4V(de) (vale a dire, la durata di vita di 107 settimane (de) di intervallo di stress) dipende sia dalla struttura della lega (de) sia dal mezzo ambientale (de) durante il test. La struttura equiassica grossolana (de) ha il σN più basso, inferiore a 500 MPa, e in aria e soluzione al 3,5% di NaCl, la struttura bidimensionale (de) ha un σN più alto, fino a 650 ~ 700 MPa. Nelle leghe di titanio, le proprietà di fatica dei campioni lisci (de) con equiassico + microstruttura sono migliori di quelle della microstruttura trasformata (de) e la vita di inizio della cricca di fatica (de) del primo è più lunga. Tuttavia, la resistenza alla propagazione della cricca di fatica della struttura trasformata (de) è maggiore.

La tenacità alla frattura per deformazione piana della lega di titanio (de) è strettamente correlata alla sua microstruttura. Indipendentemente dal livello di resistenza, la tenacità alla frattura KIC formata dalla lavorazione è superiore a quella della stessa struttura isemica di resistenza (de), ma l'allungamento convenzionale (de) è danneggiato. Sebbene la composizione della lega di titanio + sia determinata, a causa della diversa esperienza di trattamento termico (de), può apparire molto diversa (de) microstruttura. Sebbene la resistenza allo snervamento sia quasi la stessa, la tenacità alla frattura di materiali orientati in modo diverso (de) è molto diversa. La KIC della struttura grossolana (de) era superiore del 22% rispetto a quella della struttura fine (de) nell'orientamento TL (de) della piastra spessa Ti-6Al-4V. Per ottenere un corretto equilibrio tra tenacità alla frattura e allungamento convenzionale, è possibile eseguire un trattamento termico per ottenere una struttura a due stati (de). L'effetto della microstruttura della lega Ti-6Al-4V (de) sul modulo di lacerazione (TR)(de) a lenta crescita delle crepe (de) è più significativo di quello della tenacità alla frattura (JIC)(de). Se nella lega è presente una fase metastabile, la "martensite indotta durante la deformazione è utile per migliorare la tenacità alla frattura a temperature più basse (de). La tenacità alla frattura della lega di titanio di tipo (de) è influenzata dalla precipitazione di 2(Ti3Al) (de), la resistenza aumenta e il KIC diminuisce.

La tenacità alla frattura della lega di titanio è determinata principalmente dalla precipitazione (de)fase (de) dalla fase. La lega Ti-15-3 è invecchiata ad alta temperatura e poi a bassa temperatura, ci sono sia una fase grossolana che una fase fine (de) nella microstruttura e la resistenza e la tenacità alla frattura sono bilanciate in modo soddisfacente. Lega di titanio Ti-15-3 fusa (de)KIC e lega di titanio Ti-6Al-4V equivalente. Il miglioramento della tenacità alla frattura (de) della lega di titanio è un fattore metallurgico ed è anche un fattore per ridurre il tasso di crescita delle cricche da fatica (da/dN)(de).

La resistenza allo scorrimento della lega di titanio quasi è di 400 ~ 500 gradi ad alta temperatura (de) lega di titanio, e la sua massima resistenza allo scorrimento si ottiene raffreddando a temperatura ambiente dopo il trattamento termico nella zona di fase (de). L'uso di leghe di titanio (de) a temperature più elevate danneggia le loro proprietà meccaniche a causa del verificarsi di instabilità metallurgica, precipitazione di Ti3X in fase ordinata, precipitazione di silicati e formazione di strati superficiali ricchi di ossigeno.

A cosa serve il titanio?
Poiché la lega di titanio ha anche una buona compatibilità con il corpo umano, la lega di titanio può anche essere utilizzata come osso artificiale. Lo zirconio è un materiale chimico utilizzato nell'industria dell'energia atomica e come materiale resistente alla corrosione ad alta temperatura e pressione, ma la sua attività in soluzione è seconda solo al sodio.

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