1. استحکام خستگی آلیاژهای تیتانیوم
ویژگی های کلیدی قدرت خستگی آلیاژ تیتانیوم
برای Ti-6Al-4V آنیل شده (موجودترین آلیاژ تیتانیوم)، استحکام خستگی در دمای اتاق (در 107 سیکل، R=-1، که در آن R نسبت تنش حداقل به حداکثر تنش است) از300-400 مگاپاسکال، با برخی از انواع{0}}درمان حرارتی به 450-500 مگاپاسکال می رسد. این به طور قابل توجهی بالاتر از فولاد ضد زنگ 304 (≈170 مگاپاسکال) و آلومینیوم 6061-T6 (≈90 مگاپاسکال) در شرایط آزمایش یکسان است، و Ti-6Al-4V را برای کاربردهای خستگی چرخه بالا (HCF) ایده آل می کند.
برای آلیاژهای تیتانیوم با استحکام بالا (به عنوان مثال، Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo، Ti-5Al-2.5Sn)، استحکام خستگی می تواند از 500 مگاپاسکال در حالت تیمار شده با محلول و پیری (STA) تجاوز کند، زیرا فازهای ریز رسوبی در جابجایی ریزساختار و شکستگی آنها مانع ایجاد می شود.
آلیاژهای دوفاز- ( + ) (به عنوان مثال Ti-6Al-4V): ساختار متعادل / ریز ساختار آنها مقاومت بهینه در برابر خستگی را فراهم می کند. فاز -به استحکام و مقاومت در برابر انتشار ترک کمک می کند، در حالی که فاز - شکل پذیری را افزایش می دهد و از شروع ترک جلوگیری می کند. با این حال، پیری بیش از حد یا کار بیش از حد سرد، میتواند ذرات فاز را درشت کند یا تنشهای پسماند ایجاد کند و قدرت خستگی را 10 تا 20% کاهش دهد.
آلیاژها (به عنوان مثال Ti-5Al-2.5Sn): این آلیاژها به دلیل ریزساختار فاز HCP پایدار، با طول عمر LCF (در Δσ/2=500 مگاپاسکال) بیش از 104 سیکل، عملکرد بسیار خوبی در -خستگی چرخه (LCF) دارند. آنها به طور گسترده در اجزای هوافضا با دمای پایین-استفاده میشوند.
آلیاژها (به عنوان مثال Ti-10V-2Fe-3Al): با ساختار فازی کاملاً BCC -، این آلیاژها مقاومت بالایی در برابر رشد ترک در برابر خستگی دارند (da/dN ≈ 10-8 m/cycle در ΔK=20 MPa·m¹/²) و برای اجزای تحت شرایط بار{3} پویا و بالا (مانند شفت روتور هلیکوپتر) مناسب هستند.
خستگی محیط خورنده (CAF): آلیاژهای تیتانیوم در آب دریا یا محیطهای حاوی کلرید{0}}در مقایسه با فولاد یا آلومینیوم عملکرد خستگی بسیار بهتری دارند، زیرا لایه اکسید غیرفعال آنها از ایجاد ترک ناشی از خوردگی جلوگیری میکند. استحکام خستگی Ti-6Al-4V در آب دریا فقط 5-10٪ کاهش می یابد (به ≈350 MPa در 107 چرخه)، در حالی که فولاد ضد زنگ 304 به دلیل خوردگی حفره ای افت 50٪ را تجربه می کند.
حساسیت به شرایط سطحی: عیوب سطح (مانند علائم ماشینکاری، ریزترک ها) و آلودگی هیدروژنی از عوامل اصلی خرابی خستگی هستند. شات پینینگ یا آنودایز کردن می تواند با وارد کردن تنش های پسماند فشاری و افزایش غیرفعال شدن سطح، استحکام خستگی را 20 تا 30 درصد بهبود بخشد. برعکس، تردی هیدروژنی میتواند با افزایش رشد ترک بین دانهای در دماهای پایین، عمر خستگی را تا 50 درصد کاهش دهد.
در دماهای برودتی (مثلاً 196- درجه)، استحکام خستگی Ti-6Al-4V تا450-500 مگاپاسکالبه دلیل افزایش پیوند اتمی و کاهش تحرک نابجایی، بدون تغییر شکل پذیر-به-در رفتار خستگی.
در دماهای بالا (تا 300 درجه)، استحکام خستگی آن بالای 250 مگاپاسکال (107 سیکل) باقی می ماند، اما بالای 400 درجه، اکسیداسیون و نرم شدن مرز دانه باعث کاهش سریع می شود (از دست دادن 30 تا 40٪ از استحکام خستگی دمای اتاق در 50 درجه).
2. خواص خزشی آلیاژهای تیتانیوم
ویژگی های کلیدی عملکرد خزش آلیاژ تیتانیوم
+ آلیاژها (به عنوان مثال Ti-6Al-4V): حداکثر دمای-خزش طولانی مدت آنها است300-350 درجه. در تنش 300 درجه و 200 مگاپاسکال، نرخ خزش حالت ثابت کمتر یا مساوی 10-8 s-1 است، و تغییر شکل خزشی کمتر از 0.1٪ پس از 10000 ساعت قرار گرفتن در معرض قرار گرفتن-برای ساختار موتور هواپیما و اجزای هواپیما کافی است. در بالای 400 درجه، سرعت خزش به شدت شتاب میگیرد (بیش از 10-6 s-1 در 450 درجه /200 مگاپاسکال) به دلیل -درشت شدن فاز و لغزش مرز دانه.
آلیاژها (به عنوان مثال، Ti-5Al-2.5Sn، Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo): این آلیاژها دارای بالاترین مقاومت در برابر خزش در بین آلیاژهای تیتانیوم هستند، با دمای کارکرد طولانی مدت-400-500 درجه. به عنوان مثال، Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo در 450 درجه و 250 مگاپاسکال دارای نرخ خزش حالت پایدار کمتر یا مساوی 5×10-⁹s-1 و عمر پارگی موتور بیش از 100،000 ساعت برای سرعت بالا در موتور است.
آلیاژها: مقاومت خزشی آنها کمتر از آلیاژها + و با حداکثر دمای سرویس 300-350 درجه است، زیرا فاز -BCC تحرک اتمی بالاتری دارد و در معرض تغییر شکل خزشی تحت تنش طولانی مدت است.
در دمای پایین (<400°C) and high stresses, creep is dominated by دررفتگی صعود و سر خوردندر -فاز، با -فاز که به عنوان مانعی برای حرکت نابجایی عمل میکند (افزایش مقاومت خزشی در آلیاژهای دوفاز-).
At high temperatures (>450 درجه)لغزش مرز دانه و خزش انتشارمسلط شوند. آلیاژهایی با دانههای ریز و یکنواخت توزیع شده و عناصر جامد-محلول-تقویتشده (Al، Sn، Zr) به طور موثر در برابر لغزش مرز دانهها مقاومت میکنند، بنابراین عملکرد خزشی در دمای بالا-شان عالی است.
عملیات حرارتی نقش مهمی ایفا می کند: عملیات محلول و به دنبال آن پیری (STA) برای آلیاژها، ذرات فاز ریز - را در -ماتریس رسوب می دهد، که نابجایی را پین می کند و نرخ خزش را 50 تا 70 درصد در مقایسه با حالت آنیل شده کاهش می دهد.
در اتمسفرهای اکسید کننده، تشکیل یک فیلم غیرفعال TiO2-Al2O3 متراکم روی آلیاژهای تیتانیوم (به ویژه آنهایی که محتوای Al بالا دارند) از انتشار اکسیژن جلوگیری می کند و شکنندگی خزش را کاهش می دهد. با این حال، در دماهای بالاتر از 550 درجه، لایه اکسید متخلخل می شود و به اکسیژن اجازه می دهد تا به ماتریکس نفوذ کند و یک "مورد آلفا" شکننده را تشکیل دهد، که شکستگی خزش را تسریع می کند.
در محیطهای حاوی هیدروژن، جذب هیدروژن با افزایش تحرک نابجایی و ترکخوردگی بین دانهای، سرعت خزش را افزایش میدهد و عمر خزشی آلیاژهای تیتانیوم در چنین اتمسفرهایی را 20 تا 30 درصد محدود میکند.
