مقاومت در برابر ضربه و کاهش مقاومت طولانی مدت در دمای بالا آلیاژ تیتانیوم درجه 5 (Ti‑6Al‑4V)
آلیاژ تیتانیوم درجه 5 که معمولاً به عنوان Ti-6Al-4V شناخته می شود، پرمصرف ترین آلیاژ تیتانیوم آلفا-بتا در زمینه های هوافضا، دریایی، پزشکی و مهندسی عمومی است. عملکرد آن تحت بارگذاری ضربه ای و سرویس طولانی مدت در دمای بالا برای ایمنی سازه و عمر مفید بسیار مهم است. در زیر تجزیه و تحلیل دقیق مقاومت در برابر ضربه و حفظ مقاومت در دمای بالا آورده شده است.
اول، مقاومت در برابر ضربه به توانایی یک ماده برای جذب انرژی و مقاومت در برابر شکست تحت بارگذاری دینامیکی یا ضربه ای اشاره دارد که معمولاً با آزمایش ضربه Charpy V-notch (CVN) اندازه گیری می شود.
در شرایط آنیل شده، Ti-6Al-4V چقرمگی ضربه ای عالی در دمای اتاق را نشان می دهد، با مقادیر انرژی ضربه معمولی Charpy از 25 تا 40 J برای نمونه های استاندارد. این سطح از چقرمگی به آلیاژ اجازه می دهد تا بارهای ناگهانی، ارتعاشات و ضربه های جزئی را بدون شکستگی شکننده تحمل کند و آن را برای اجزای ساختاری پویا مانند قطعات ارابه فرود هواپیما، بست ها و تجهیزات دریایی مناسب می کند.
با این حال، رفتار ضربه ای به عملیات حرارتی و ریزساختار بسیار حساس است.
در شرایط محلول تیمار شده و پیر شده (STA)، اگرچه استحکام و سختی افزایش مییابد، چقرمگی ضربه اندکی کاهش مییابد که عموماً از 15 تا 25 ژول متغیر است. این کاهش به دلیل رسوب فاز آلفای ریز در ماتریس بتا است که استحکام را افزایش میدهد اما شکلپذیری را کاهش میدهد. بریدگی ها، عیوب سطح و ضخامت نیز بر عملکرد ضربه تأثیر می گذارد. بخش های ضخیم یا قطعات با بریدگی های تیز انرژی ضربه کمتری را نشان می دهند، در حالی که محصولات صاف و نازک چقرمگی بهتری را حفظ می کنند. به طور کلی، Ti-6Al-4V در مقایسه با بسیاری از فولادهای با مقاومت بالا و آلیاژهای آلومینیوم در سطوح چگالی مشابه، مقاومت خوبی در برابر شکست ضربه نشان می دهد.
دوم، با توجه به سرویس طولانی مدت در دمای بالا و کاهش استحکام، Ti-6Al-4V به طور کلی برای استفاده در دماهای تا 300 درجه تا 350 درجه برای دوره های طولانی توصیه می شود.
در دماهای کمتر از 200 درجه، آلیاژ کاهش مقاومت بسیار کمی را نشان می دهد حتی پس از هزاران ساعت قرار گرفتن در معرض. خواص کششی و خزشی، بدون درشت شدن یا نرم شدن ریزساختاری قابل توجه، پایدار می مانند.
هنگامی که در معرض دمای بین 200 تا 300 درجه قرار می گیرید، اثرات پایداری حرارتی خفیفی در طول زمان ظاهر می شود. این آلیاژ درشت شدن جزئی فاز آلفا و کاهش تنش پسماند را تجربه می کند که منجر به کاهش اندکی در استحکام کششی و تسلیم می شود{3}}به طور معمول کمتر از 10٪ پس از پیری طولانی مدت. این کاهش برای اکثر کاربردهای سازه ای غیرهوایی قابل قبول است.
بالاتر از 350 درجه تا 400 درجه، کاهش قابل توجه استحکام تحت سرویس طولانی مدت رخ می دهد.
تسریع تغییرات ریزساختاری، از جمله رشد دانه آلفا و تجزیه فاز بتا، مقاومت خزشی و استحکام کششی را کاهش میدهد. افت قدرت بسته به زمان قرار گرفتن در معرض و دما می تواند به 15 تا 30 درصد یا بیشتر برسد. بنابراین، Ti-6Al-4V برای کاربردهای طولانی مدت و با استرس بالا بالای 350 درجه توصیه نمی شود.
به طور خلاصه، آلیاژ تیتانیوم درجه 5، بسته به عملیات حرارتی و هندسه، مقاومت ضربه ای خوب تا عالی را در دمای اتاق نشان می دهد.خواص مکانیکی پایدار را با حداقل کاهش مقاومت در دماهای تا 200 درجه و تنها تلفات متوسط زیر 300 درجه حفظ می کند. بالاتر از 350 درجه، خدمات طولانی مدت منجر به نرم شدن قابل توجه و کاهش ظرفیت حمل بار می شود. این ترکیبی از چقرمگی ضربه و پایداری حرارتی متوسط، Ti-6Al-4V را به گزینه ای مطمئن برای اجزای ساختاری تحت بارهای دینامیکی و دماهای نسبتاً بالا تبدیل می کند.
