1. Træthedsstyrke af titaniumlegeringer
Nøglekarakteristika af titaniumlegering træthedsstyrke
For udglødet Ti-6Al-4V (den mest allestedsnærværende titanlegering) varierer udmattelsesstyrken ved stuetemperatur (ved 10⁷ cyklusser, R=-1, hvor R er spændingsforholdet mellem minimum og maksimum spænding) fra300-400 MPa, med nogle varmebehandlede-varianter, der når 450-500 MPa. Dette er væsentligt højere end for 304 rustfrit stål (≈170 MPa) og 6061-T6 aluminium (≈90 MPa) under de samme testbetingelser, hvilket gør Ti-6Al-4V ideel til højcyklustræthedsapplikationer (HCF).
For titanlegeringer med høj-styrke (f.eks. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-2.5Sn), kan træthedsstyrken overstige 500 MPa i opløsningsbehandlet og ældet (STA) tilstand, da de fine udfældede faser i deres mikrostruktur hindrer dislokationsbevægelser og revnebevægelser.
Dobbelt-fase ( + ) legeringer (f.eks. Ti-6Al-4V): Deres afbalancerede/mikrostruktur giver optimal træthedsmodstand. -fasen bidrager til styrke og modstand mod revneudbredelse, mens -fasen øger duktiliteten og hæmmer revneinitiering. Over-ældning eller overdreven koldbearbejdning kan dog gøre -fasepartikler grovere eller introducere restspændinger, hvilket reducerer udmattelsesstyrken med 10-20 %.
legeringer (f.eks. Ti-5Al-2,5Sn): Disse legeringer har fremragende ydeevne med lav-cyklustræthed (LCF) på grund af deres stabile HCP--fasemikrostruktur, med LCF-levetid (ved Δσ/2=500 MPa) på mere end 10⁴ cyklusser. De er meget udbredt i lav-luft- og rumfartskomponenter.
legeringer (f.eks. Ti-10V-2Fe-3Al): Med en fuldt BCC -fasestruktur tilbyder disse legeringer høj modstandsdygtighed over for træthedsrevnevækst (da/dN ≈ 10⁻⁸ m/cyklus ved ΔK=20 MPa·m¹/²) og er velegnede til komponenter under dynamiske, høje-belastningsforhold (f.eks. helikopterrotoraksler).
Korrosiv miljøtræthed (CAF): I medier indeholdende havvand eller klorid- bibeholder titanlegeringer en langt bedre udmattelsesevne end stål eller aluminium, da deres passive oxidfilm forhindrer korrosion-induceret revneinitiering. Ti-6Al-4V's udmattelsesstyrke i havvand falder kun med 5-10 % (til ≈350 MPa ved 10⁷ cyklusser), hvorimod 304 rustfrit stål oplever et fald på 50 % på grund af grubetæring.
Overfladetilstandsfølsomhed: Overfladefejl (f.eks. bearbejdningsmærker, mikrorevner) og brintforurening er store udløsere af træthedsfejl. Skudblæsning eller anodisering kan forbedre udmattelsesstyrken med 20-30 % ved at indføre kompressive restspændinger og forbedre overfladepassivering. Omvendt kan brintskørhed reducere træthedslevetiden med op til 50 % ved at fremme intergranulær revnevækst ved lave temperaturer.
Ved kryogene temperaturer (f.eks. -196 grader) øges Ti-6Al-4V's træthedsstyrke til450-500 MPapå grund af forbedret atombinding og reduceret dislokationsmobilitet, uden duktil-til-skør overgang i træthedsadfærd.
Ved forhøjede temperaturer (op til 300 grader) forbliver dens træthedsstyrke over 250 MPa (10⁷ cyklusser), men over 400 grader forårsager oxidation og blødgøring af korngrænsen et hurtigt fald (taber 30-40 % af rum-træthedsstyrken ved 500 grader).
2. Krybeegenskaber af titanlegeringer
Nøglekarakteristika for titaniumlegering-krybeydelse
+ legeringer (f.eks. Ti-6Al-4V): Deres maksimale-langvarige krybeservicetemperatur er300-350 grader. Ved 300 grader og 200 MPa spænding er den stabile-krybehastighed Mindre end eller lig med 10⁻⁸ s⁻¹, og krybedeformationen er mindre end 0,1 % efter 10.000 timers eksponering-tilstrækkelig for flymotorkompressorblade og underbygningskomponenter. Over 400 grader accelererer krybehastigheden kraftigt (over 10⁻⁶ s⁻¹ ved 450 grader /200 MPa) på grund af -faseforstørrelse og korngrænseglidning.
legeringer (f.eks. Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo): Disse legeringer har den højeste krybemodstand blandt titanlegeringer med en lang-brugstemperatur på400-500 grader. For eksempel har Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo ved 450 grader og 250 MPa en steady-state krybehastighed på mindre end eller lig med 5×10⁻⁹ s⁻¹ og en brudlevetid på mere end 100.000 timer, hvilket gør den velegnet til aero-motordele med høj rumtemperatur.
legeringer: Deres krybemodstand er lavere end og + legeringer med en maksimal driftstemperatur på 300-350 grader, da BCC -fasen har højere atommobilitet og er tilbøjelig til krybedeformation under langvarig-belastning.
Ved lave temperaturer (<400°C) and high stresses, creep is dominated by dislokation klatre og glidei -fasen, hvor -fasen fungerer som en barriere for dislokationsbevægelse (forøger krybemodstanden i dobbeltfaselegeringer).
At high temperatures (>450 grader),korngrænseglidning og diffusionskrybblive dominerende. legeringer med fine, ensartet fordelte korn og solide-opløsnings-forstærkede elementer (Al, Sn, Zr) modstår effektivt at korngrænsen glider, og derfor deres overlegne krybeydelse ved høje-temperaturer.
Varmebehandling spiller en kritisk rolle: Opløsningsbehandling efterfulgt af ældning (STA) for + legeringer udfælder fine -fasepartikler i -matricen, som stifter dislokationer og reducerer krybehastigheden med 50-70 % sammenlignet med den udglødede tilstand.
I oxiderende atmosfærer hæmmer dannelsen af en tæt TiO₂-Al₂O₃ passiv film på titanlegeringer (især dem med højt Al-indhold) iltdiffusion og reducerer krybeskørhed. Men ved temperaturer over 550 grader bliver oxidfilmen porøs, hvilket tillader ilt at trænge ind i matrixen og danne et sprødt "alfa-hus", som fremskynder krybefraktur.
I brint-holdige miljøer øger brintabsorption krybehastigheden ved at fremme dislokationsmobilitet og intergranulær revnedannelse, hvilket begrænser krybelevetiden for titanlegeringer i sådanne atmosfærer med 20-30 %.
