1. اکسیژن (O)
تاثیر بر خواص مکانیکی: تاثیرگذارترین ناخالصی برای CP Ti. اکسیژن به صورت بینابینی در شبکه تیتانیوم حل می شود و استحکام تسلیم (YS)، استحکام کششی (TS) و سختی را افزایش می دهد. به عنوان مثال:
درجه 1 (O کمتر یا مساوی 0.18%): YS ≈ 170-280 MPa، TS ≈ 240-370 MPa.
درجه 2 (O کمتر یا مساوی 0.25%): YS ≈ 275-485 MPa، TS ≈ 345-550 MPa.
محتوای اکسیژن بالاتر استحکام را افزایش میدهد اما شکلپذیری (ازدیاد طول و کاهش سطح) و چقرمگی را کاهش میدهد و باعث میشود که مواد در معرض شکستهای شکننده تحت بارگذاری دینامیکی بیشتر شوند.
مقاومت در برابر خوردگی: افزودن اندک اکسیژن باعث بهبود مقاومت در برابر خوردگی عمومی در محیط های ملایم (مانند هوا، آب) می شود، اما ممکن است مقاومت در برابر خوردگی حفره ای/شکافی در محیط های خشن (مثلا محلول های کلرید) در غلظت های بالا را کاهش دهد.
مفاهیم پردازش: مقاومت کار گرم/سرد را افزایش میدهد و برای حفظ شکلپذیری به نیروهای شکلدهی یا دمای بازپخت بالاتر نیاز دارد.
2. آهن (آهن)
خواص مکانیکی: Acts as a substitutional solid solution strengthener. Fe (max 0.2% for Grade 1, 0.3% for Grade 2) increases strength and hardness moderately without severe ductility loss (compared to oxygen). Excess Fe (>0.5٪ فازهای بین فلزی شکننده (مثلا TiFe) را تشکیل می دهد که چقرمگی و مقاومت در برابر خستگی را کاهش می دهد.
مقاومت در برابر خوردگی: غلظت کم آهن (کمتر یا مساوی 0.3٪) کمترین تأثیر را دارد، اما آهن اضافی با ایجاد سلول های میکروگالوانیکی بین رسوبات غنی از آهن و ماتریس Ti باعث خوردگی گالوانیکی در محیط های غنی از کلرید-(مثلاً آب دریا) می شود.
قابلیت جوشکاری: Trace Fe سیالیت حوضچه جوش را بهبود می بخشد، اما ممکن است خطر ترک خوردگی جوش را در صورت تجاوز به غلظت ها افزایش دهد، زیرا مواد بین فلزی در طول انجماد تشکیل می شوند.
3. کربن (C)
خواص مکانیکی: به صورت بینابینی حل می شود و استحکام و سختی را افزایش می دهد. کربن (حداکثر 0.08٪ برای هر دو گرید) دارای اثر تقویتی ضعیف تری نسبت به اکسیژن است، اما باعث کاهش شکل پذیری قابل توجهی در هنگام فراتر رفتن از حد می شود. C اضافی رسوبات TiC را تشکیل می دهد که به عنوان متمرکز کننده استرس عمل می کند و باعث کاهش سختی و عمر خستگی می شود.
مقاومت در برابر خوردگی: رسوبات TiC از نظر الکتروشیمیایی خنثی هستند اما می توانند مقاومت خوردگی شکاف را با به دام انداختن رسانه های خورنده در واسط ماتریس- رسوب کاهش دهند.
عملکرد دمای بالا-: مقاومت در برابر خزش را در دماهای متوسط (300-500 درجه) بهبود می بخشد، اما پایداری حرارتی بالای 500 درجه را کاهش می دهد، زیرا TiC با اکسیژن واکنش می دهد و TiO2 و CO2 را تشکیل می دهد.
4. نیتروژن (N)
خواص مکانیکی: A potent interstitial strengthener-even lower concentrations (max 0.03% for Grade 1, 0.05% for Grade 2) significantly increase strength and hardness. Excess N (>0.05٪ باعث از دست دادن انعطاف پذیری و شکنندگی شدید می شود، زیرا اتم های نیتروژن اعوجاج شبکه ایجاد می کنند و رسوبات TiN را تشکیل می دهند.
مقاومت در برابر خوردگی: Trace N مقاومت در برابر اکسیداسیون را در دماهای بالا افزایش می دهد، اما مقاومت در برابر خوردگی حفره ای را در محلول های کلرید اسیدی زمانی که غلظت ها از مشخصات بالاتر می رود، کاهش می دهد.
ساخت: شکنندگی را افزایش می دهد و در صورتی که به درستی آنیل نشده باشد، مواد در حین جوشکاری، خمش یا ماشینکاری مستعد ترک خوردن می شوند.
5. هیدروژن (H)
اثر بحرانی: شکنندگی هیدروژن: مضرترین نجاست برای Ti. هیدروژن (حداکثر 0.015٪ برای هر دو گرید) به صورت بینابینی در غلظتهای پایین حل میشود، اما فازهای هیدرید شکننده (TiH2) را هنگامی که بیش از 0.02٪ است تشکیل میدهد. هیدریدها باعث شکنندگی شدید، کاهش شکلپذیری، چقرمگی و مقاومت در برابر خستگی میشوند-حتی منجر به شکست فاجعهبار تحت تنش کششی میشوند.
پیامدهای خوردگی: هیدروژن اغلب در هنگام خوردگی در محیط های اسیدی یا جوشکاری با الکترودهای مرطوب جذب می شود. این ترک خوردگی تنشی (SCC) در محیطهای حاوی کلرید را تسریع میکند.
کاهش: کنترل دقیق محتوای H و بازپخت{0} پس از ساخت (500-600 درجه برای 1-2 ساعت) برای حذف هیدروژن جذب شده.
6. سایر ناخالصی ها (به عنوان مثال، سیلیکون، آلومینیوم، منگنز)
سیلیکون (Si، حداکثر 0.1٪ برای هر دو درجه): مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا را بهبود میبخشد، اما ممکن است سیلیسیدهای شکننده (Ti₅Si3) را در غلظتهای بیش از حد تشکیل دهد و چقرمگی را کاهش دهد.
آلومینیوم (Al، حداکثر 0.1٪): Minimal impact on mechanical properties but enhances oxidation resistance at temperatures >600 درجه
منگنز (Mn، حداکثر 0.05٪): اثر ناچیز بر خواص اگر در محدوده; بیش از حد ممکن است باعث تشکیل بین فلزی شود.
خلاصه ای از تاثیرات کلیدی بر اساس درجه
مفاهیم عملی برای استفاده صنعتی
درجه 1: برای کاربردهایی که به شکلپذیری، شکلپذیری یا عملکرد برودتی بالا نیاز دارند (مانند مخازن شیمیایی، مبدلهای حرارتی، ایمپلنتهای پزشکی) به دلیل محتوای ناخالصی کمتر (O، Fe، N) ترجیح داده میشود.
درجه 2: پرکاربردترین درجه CP Ti، استحکام متعادل کننده و شکلپذیری برای کاربردهای مهندسی عمومی، هوافضا و دریایی{0}}حدود ناخالصی کمی بالاتر آن (به عنوان مثال، O کمتر یا مساوی 0.25٪، Fe کمتر یا مساوی 0.3%) باعث میشود در عین حفظ عملکرد کافی، مقرون به صرفه باشد-.
کنترل کیفیت: پایبندی به ASTM B265 (استاندارد برای ورق/صفحه CP Ti) یا مشخصات AMS 4900/4901 برای محدود کردن ناخالصیها، حصول اطمینان از ویژگیها و قابلیت اطمینان در برنامههای کاربردی نهایی بسیار مهم است.
