A titán mechanikai tulajdonságai: keménymagos átirat 280 MPa-tól 1500 MPa-ig

Ma egy keményebb{0}}alaptémáról beszélünk: a titán mechanikai tulajdonságairól. Laikus kifejezéssel élve, a titán a különféle mutatókat mutatja, ha feszültség alatt van-lehet húzni? Összetörhet? Ütésálló? Meddig tarthat, ha repedés van? Magas hőmérsékleten lesz? Alacsony hőmérsékleten törékennyé válik?

Ezek a számok nem csak laboratóriumi tesztjelentések, hanem közvetlenül meghatározzák, hogy a titánból fel lehet-e építeni repülőgép futóművét, rakéta kriogén tárolótartályát, és kibírja-e a 600 Celsius-fokot a motorban.

1. Szakítószilárdság: 280 MPa tiszta titántól 1500 MPa titánötvözetig

A tiszta titán szakítószilárdsága 265 ~ 353 MPa, ami hasonló a közönséges alumíniumötvözetéhez. De ha ötvözetelemeket, például alumíniumot, vanádiumot, molibdént és ónt adnak hozzá, az erősség megnő. Az általános titánötvözetek szakítószilárdsága 686-1176 MPa, míg az oldással és öregítéssel megerősített titánötvözetek szakítószilárdsága jelenleg elérheti az 1760 MPa-t.

A lemezt példának vesszük (GB/T 3621): az ipari tisztaságú titán TA0 szakítószilárdsága 280-420 MPa, TA1 370-530 MPa, TA2 440-620 MPa és TA3 540-720 MPa. Az ötvözőelemek hozzáadása után a TA5 (Ti-4Al-0,005B) elérte a 685 MPa-t, a TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn) a 735-930 MPa-t, és a legklasszikusabb TC4-es (Ti-6Al-4V) lemezt 895 MPa-on izzították.

Az ötvözés ereje jobban kivehető a rúdszabvány (GB/T 2965-1996) adataiból: a TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) szakítószilárdsága oltási és öregedési állapotban eléri az 1370MPa-t, a megadott maradó nyúlási feszültség pedig 1100MPa. A TC11 bar szakítószilárdsága 1030 MPa, a TC12 pedig eléri az 1150 MPa-t.

A nagy szilárdság nem az egyetlen törekvés, a fajlagos szilárdság (az erő elosztva a sűrűséggel) a titán gyilkos tulajdonsága. A titánötvözet fajlagos szilárdsága sokkal jobb, mint az acélé és az alumíniumötvöté{1}}ez is a titán kiválasztásának alapvető oka. A TC4-et példának vesszük, a sűrűség 4,43 g/cm³, az izzítási szakítószilárdság körülbelül 900 MPa, a fajlagos szilárdság pedig körülbelül 203 MPa m³/kg, míg a nagyszilárdságú acél fajlagos szilárdsága körülbelül 50, az alumíniumötvözeté pedig körülbelül 150.

A 2025-ös kutatások továbbra is a titánötvözetek szilárdsági mennyezetének frissítését célozzák. A "Journal of Sichuan University" 2025-ös jelentése szerint a lézerbiztosítékkal adalékanyaggal gyártott TC11 titánötvözet átlagos folyáshatára lerakódási állapotban 1415 MPa, a szakítószilárdsága pedig 1527 MPa. Bár a nyúlás mértéke csak 6,95%, a szilárdság messze meghaladta a kovácsolt standard értéket.

2. Nyomó-, nyíró- és nyomócsapágy: titán „teljes{1}}teherviselése”

A titán mechanikai tulajdonságainak van egy érdekes tulajdonsága: nagyon egyenletesen viselkedik különböző erők hatására.

Nyomószilárdság: A nyomószilárdságtitán és titánötvözeteknem kisebb, mint a szakítószilárdsága. Az ipari tiszta titán nyomószilárdsága és szakítószilárdsága megközelítőleg egyenlő. A TC4 és TA7 nyomószilárdsága még valamivel nagyobb, mint a szakítószilárdság. Ez azt jelenti, hogy a titán alkatrészek egyformán megbízhatóak nyomási körülmények között, és alkalmasak oszlopok, csapágyházak és futómű-csillapítóoszlopok megtámasztására. Nyírószilárdság: általában a szakítószilárdság 60-70%-a. A TC4 esetében körülbelül 540 ~ 630 MPa. A titánötvözet nyírási modulusa 43–51 GPa, az ipari tiszta titáné pedig 46 GPa. A csavarok, szegecsek és erőátviteli kötések főként nyíró jellegűek, és ez a paraméter a tervezés alapja.

Nyomás alatti folyáshatár: A titán és titánötvözet lemezek nyomás alatti folyáshatára elérheti a szakítószilárdság 1,2-2,0-szeresét. Ennek az az oka, hogy nyomófeszültség állapotában az anyag oldalirányú kényszereknek van kitéve, és nem könnyű képlékeny instabilitás kialakulása. A repülőgépek bőrének szegecselő és rögzítő csatlakozásainál ez azt jelenti, hogy a titánötvözet lemezek sokkal nagyobb helyi nyomófeszültséget tudnak ellenállni, mint egyszerűen húzó állapotban.

3. Állóképesség és fáradtság: a hosszú távú stressz próbája-

A statikus szilárdság csak arra ad választ, hogy "le lehet-e húzni", a mérnöki gyakorlat pedig inkább azzal foglalkozik, hogy "meddig használható".

Tartósság: Normál atmoszférában a titán és a titánötvözetek tartósszilárdsága feldolgozás és izzítás után körülbelül 0,5-0,65-szerese a szakítószilárdságnak. A magas hőmérsékletű teljesítmény táblázat azt mutatja, hogy a TC4 bar szakítószilárdsága 400 fokon 620 MPa, és a 100 órás tartósság 570 MPa; A TC6 szakítószilárdsága 735 MPa, tartóssága pedig 665 MPa 400 fokos szögben. A hőmérséklet a tartós erő legnagyobb gyilkosa,{13}}a TC4 tartósereje 195 MPa-ra zuhan 500 fokos szögben.

Fáradási szilárdság: A lágyított TC4 kifáradási szilárdsága körülbelül 0,2-szerese a szakítószilárdságnak, azaz körülbelül 180 MPa, ha a kifáradási tesztet 10-szeres hornyolt állapotban (K=3.9) végezzük. Lehet, hogy ez a szám nem tűnik magasnak, de kritikus fontosságú a váltakozó terhelésnek ellenálló alkatrészek (motorlapátok, futómű, törzsváz) kialakítása szempontjából.

Érdemes megjegyezni, hogy a titánötvözetek jó bevágásokkal rendelkeznek. A TC4 izzított állapotban kiváló szívósságú anyag. Ha a bevágás koncentrációs tényezője K=25.4 mm, a bemetszett szakítószilárdság és a nem hornyolt szakítószilárdság aránya nagyobb, mint 1. Ez azt jelenti, hogy feszültségkoncentráció esetén a TC4 nagyobb szakítószilárdságot mutat, mint a sima minták, ami azt jelzi, hogy nem jó a bevágásokkal szemben, és erősen ellenáll a repedés kialakulásának.

A "Journal of Welding" 2026-os kutatása szerint a vákuumelektronsugárral hegesztett 30 mm vastag TC4 kötés nagy ciklusú kifáradási szilárdsága az alapfém több mint 90%-át is elérheti, ami nagyon fontos a nagyméretű, integrált hegesztett titánötvözet szerkezeteknél (például mélymeríthető, nagy légterű kabinos váznál).

4. Keménység: a tiszta titán nagyon puha, a titánötvözet nagyon kemény

A keménység az anyag azon képességének mutatója, hogy ellenáll-e a helyi benyomódásnak és kopásnak, és a titán nagy fesztávolságú ebben a méretben.

A tisztasági fokozatú feldolgozott ipari tiszta titán keménysége általában kevesebb, mint 120 HB (Brinell keménység), más ipari tisztaságú feldolgozott titán keménysége pedig 200 ~ 295 HB. A tiszta titán öntvények keménysége 200 ~ 220 HB.

A titánötvözet keménysége izzítás alatt 32 ~ 38 HRC (Rockwell C skála), ami 298 ~ 349 HB-nek felel meg. Az as{5}}öntött TA7 és TC4 keménysége körülbelül 320 HB, az alacsony hézagtartalmú TC4 öntvényeké pedig körülbelül 310 HB.

A különböző eljárások jelentős hatással vannak a keménységre. A "Journal of Materials Heat Treatment" 2026-os kutatása szerint a lézerporágy-olvadás (LPBF) TC4 lerakódott állapotának keménysége elérheti a 379-417HV-t (Vickers-keménység), és 800 fokos hőkezelés után 318{12}}334HV-ra csökken, de 90 fokos hőkezelés után. a törési szívósság 42,5 MPa · m1/²-ről 83,9 MPa · m1/²-re nő – a keménység és a szívósság kompromisszuma különösen nyilvánvaló az additív gyártás során.

5. Rugalmassági modulus: a merevség csak 55%-a a vasénak, de jobb, mint a rugalmassági modulus

Az ipari tiszta titán szakítószilárdsági modulusa 105–109 GPa, a legtöbb lágyított titánötvözeté pedig 110–120 GPa. Az edzett titánötvözet valamivel magasabb rugalmassági modulussal rendelkezik, mint az izzított titánötvözeté, és a nyomórugalmassági modulusa egyenlő vagy nagyobb, mint a húzórugalmassági modulus.

Ez a merevség körülbelül 55%-a a vasnak és 50-55%-a az acélnak. Bár jóval magasabbak, mint az alumínium és az alumíniumötvözetek, a titánötvözetek nem dominálnak a rendkívül nagy merevséget igénylő esetekben (precíziós szerszámgép-orsók, csapágyak). A titánötvözetek fajlagos rugalmassági modulusa (E/ρ) azonban összehasonlítható az alumíniumötvözetekével, csak a berillium, a molibdén és egyes szuperötvözetek után,{5}}ha figyelembe vesszük, hogy a titán sűrűsége mindössze 57%-a az acélénak, a titán merevsége nem olyan rossz, mint az azonos tömegű komponensek.

A mérnöki munkában a titán merevségének hiányát a keresztmetszet-mérete és az optimalizált szerkezeti kialakítás kompenzálja. A szántóföldön a titánötvözetek általában a keresztmetszeti vastagság 10-20%-át-alkalmazzák az acél cseréjekor, de a teljes tömeg így is több mint 30%-kal csökkenthető.

6. Ütőszilárdság és törésállóság: az utolsó védelmi vonal a törés ellen

A titánötvözetek szilárdságának javításának legközvetlenebb módja az intersticiális elemek (oxigén, nitrogén, szén) tartalma, ez azonban súlyosan károsítja az ütési tulajdonságokat és a törésállóságot. Az erő és a szívósság egyensúlya a titánötvözet tervezésének örök javaslata.

A mérvadó adatok szerint a tiszta titán Xia bevágásos ütőszilárdsága a feldolgozóiparban 15-54 J/cm ², az öntött tiszta titáné pedig 4-10 J/cm ². Az izzított titánötvözet ütőszilárdsága 13 ~ 25,8 J/cm², az öregedési állapot valamivel alacsonyabb. Az öntött TA7 és a TC4 hatása 10 J/cm ², illetve 20 ~ 23 J/cm ². Minél alacsonyabb az oxigéntartalom, annál nagyobb az ütési érték – ezért a minőségi titánötvözetek rendkívül durvák az intersticiális elemek tartalmát illetően.

A törési szívósság kiemelkedő előnyetitánötvözetek. Sok titánötvözetnek nagy a törésállósága, vagy jó a repedésnövekedéssel szembeni ellenállása. A lágyított TC4 törési szívóssága KIC elérheti a 67,7 ~ 87,0 MPa · m1/² értéket (az Anyagok és Alkalmazások 2026-os kovácsolási folyamat kutatása szerint). Az LPBF TC4 "Hegesztés" 2026-os kutatása szerint a törési szilárdság elérheti a 80,3-83,9 MPa · m1/²-t 940 fokos melegizosztatikus préselés után, amely teljes mértékben szükséges az alkatrészek szervizeléséhez.

Összehasonlításképpen, az azonos szilárdsági szinttel rendelkező, nagyszilárdságú acélok törési szívóssága általában 50-80 MPa · m1/², és a titánötvözetek általában jobban teljesítenek azonos szilárdság mellett, ezért a titánötvözetek széles körben használatosak a repülőgépekben a sérüléstűrő tervezési koncepció szerint. A kulcsszerkezet egyik oka.

7. Magas hőmérsékleti teljesítmény: 450 fok a hagyományos titán "plafonja".

A papír egyértelmű hőmérsékleti határt ad: az általános ipari titánötvözetek hasznos tulajdonságaik lehetnek 540 fokon, de csak rövid ideig használhatók; Az üzemi hőmérséklet tartománya 450-480 fok. A rakétákhoz készült titánötvözetek 540 fokban, rövid ideig pedig 760 fokban használhatók. Abban az időben 600 fokos felhasználásra alkalmas titánötvözeteket fejlesztettek ki.

A TA7 szakítószilárdsága 440 MPa, a tartóssága pedig 195 MPa 500 fokon; A TC3/TC4 szakítószilárdsága 440 MPa, tartóssága pedig 195 MPa 500 fokos szögben. A TC6 szakítószilárdsága 735 MPa, tartóssága pedig 665 MPa 400 fokos szögben; A TC11 szakítószilárdsága 685 MPa, tartóssága pedig 590 MPa 500 fokos szögben; A TC9 szakítószilárdsága 785 MPa, tartóssága pedig 590 MPa 500 fokos szögben. Napjainkban a magas hőmérsékletű titánötvözetek{23}} nagy előrelépést tettek. Iparági nyilvános információk szerint a hazám által önállóan kifejlesztett Ti60 (Ti-5. 8Al-4.8 Sn-2.0 Zr-1.0 Mo-0.35Si-0.85 Nd) üzemi hőmérséklete 600 fok, szakítószilárdsága pedig 500 fok, nagyobb vagy egyenlő, mint 735MPa; A Ti65 üzemi hőmérséklete elérheti a 650 fokot, és az új generációs motorok nagynyomású kompresszortárcsájában és integrált bliszkjában használták. 2025-ben a Ti180 (Ti-6Al-3Sn-4Zr-2Mo-0,5 Si) szakítószilárdsága oldatos öregedési állapotban eléri az 1100-1250 MPa-t, a magas hőmérsékleti szilárdsági ráta 550 fokon 70% vagy annál nagyobb, a kifáradási határ pedig 15%-30%-kal nő a TC40%-hoz képest.

A TiAl intermetallikus vegyület magasabb hőmérsékleti irányt képvisel: a Ti-48Al-2Cr-2Nb sűrűsége mindössze 3,9 g/cm³, hőmérsékletállósága pedig 750-900 fok. GEGENx és CFM LEAP motorok alacsony nyomású turbinalapátjaiban használták a nikkel alapú ötvözetek helyettesítésére Súlycsökkentés 50%-kal.

8. Alacsony hőmérsékletű teljesítmény: A titán még mindig kemény -253 fokon

A titán egyik leginkább alábecsült képessége rendkívül alacsony hőmérsékleten való teljesítménye.

A hőmérséklet emelkedésével a titán és a titánötvözetek erősebbé és kevésbé képlékenyekké válnak,{0}}mint a legtöbb fém esetében. A titán azonban egyedülálló abban a tekintetben, hogy sok lágyított titánötvözet 195,5 fokon (folyékony nitrogén hőmérsékletén) még mindig megfelelő hajlékonysággal és törési szilárdsággal rendelkezik. Az alacsony intersticiális elem tartalmú TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn ELI) -252,7-en használható. d egree. C-on (folyékony hidrogén hőmérséklete), és a bemetszett szakítószilárdság és a nem hornyolt szakítószilárdság aránya ezen a hőmérsékleten 0,95-1,15.

A TC4 nyúlása -252,7 fokon még elérheti a 12%-ot. A 2026-os "China Materials Progress" alacsony hőmérsékletű titánötvözet áttekintése szerint a TC4 egyentengelyű szerkezet folyáshatára körülbelül 1500 MPa, a nyúlása pedig körülbelül 18% 253 fokon; A TC4 szakítószilárdsága 1544,5 MPa volt-253 fokon, a nyúlása pedig 5,85%. A hazám által önállóan kifejlesztett CT20 alacsony hőmérsékletű titánötvözet (Ti-Al-Zr-Mo rendszer) a folyékony hidrogén hőmérsékleti tartományára (-253 fok) kiterjesztette üzemi hőmérsékletét, és alacsony hőmérsékleten is jó a teljesítménye és feldolgozhatósága.

Ez sokat jelent a repülési ipar számára. A folyékony oxigén (-183 fok), a folyékony hidrogén (-253 fok) és a folyékony fluor a rakéták és az űreszközök fő hajtóanyaga, és a kriogén tartályok anyagai nem lehetnek ridegek rendkívül alacsony hőmérsékleten. Az acél képlékeny-törékeny átalakuláson megy keresztül-253 fokon, az alumíniumötvözetek szilárdsága nem lesz megfelelő, míg a titánötvözetek – különösen a TC4 ELI és a TA7 ELI – képlékenyek maradnak folyékony hidrogén hőmérsékleten. A 2026-os iparági jelentések szerint a 3,8 méter átmérőjű, integrált forgó titánötvözet doboz alját Kínában megtervezték, a dél-koreai UNIST 3D-nyomtatott titántartálya pedig átment a -253 fokos 0,8 MPa ellenőrzésen. A titán a nehéz hordozórakéták új generációjának kriogén tartályainak jelölt anyagává válik.

-196 fokos folyékony nitrogén hőmérsékleten a TC4 ELI szilárdsága 848 MPa-ról 1319 MPa-ra nő szobahőmérsékleten, miközben a nyúlás továbbra is 24,9%-a szilárdság és a plaszticitás egyidejűleg javul. Ez az anomális viselkedés a deformációs ikerpárok és a többrendszerű alacsony hőmérsékleten történő megcsúszás összekapcsolódásának köszönhető.

Következtetés

A titán mechanikai tulajdonságai gazdag képet mutatnak: a tiszta titán puha és szívós, a titánötvözetek erősek és szívósak; Magas hőmérsékleten, de még mindig 600 fokon ragad, alacsony hőmérsékleten pedig megerősödik, és továbbra is megnyúlik; A rugalmassági modulus nem nagy, de a fajlagos rugalmassági modulus kiváló, a keménységi fesztáv nagy, de a törési szívósság kiváló.

Ha megérti ezeket a számokat, megértheti, hogy a C919 miért használ 9,3%-os titánötvözetet, miért választja a Struggle ball kabin a TC4 ELI-t, miért kezdi a rakétatartály az acélt és az alumíniumot titánra cserélni, és miért van szükség a motorlapátokhoz új, magas hőmérsékletű titánötvözetre.

A titán nem a legkeményebb fém, nem a legerősebb fém, és nem a leghőmérséklet--legállóbb fém. De a "könnyű, erős, szívós, hőmérséklet--álló, korrózióálló-és mágneses-mentes" kombinációban a mechanikus jelentéskártyájának egyelőre nincs vetélytársa.