Механичка својства титанијума: тврди транскрипт од 280МПа до 1500МПа
Данас говоримо о чвршћој{0}}теми: механичким својствима титанијума. Лаички речено, то су различити индикатори које титанијум показује када је под стресом-да ли се може повући? Може ли се сломити? Отпоран на ударце? Колико може трајати ако постоји пукотина? Хоће ли бити на високој температури? Да ли ће постати ломљив на ниској температури?
Ове бројке нису само извештаји о тестирању у лабораторији, они директно одређују да ли титанијум може да се користи за прављење стајног трапа авиона, ракетног криогеног резервоара за складиштење и може да издржи 600 степени Целзијуса у мотору.
1. Затезна чврстоћа: од чистог титанијума 280МПа до легуре титанијума 1500МПа
Затезна чврстоћа чистог титанијума је 265 ~ 353МПа, што је слично као код обичне легуре алуминијума. Али када се додају елементи од легуре као што су алуминијум, ванадијум, молибден и калај, снага расте. Затезна чврстоћа општих легура титанијума је 686-1176МПа, док она типа легура титанијума ојачаних раствором и старењем тренутно може да достигне 1760МПа.
Узимајући плочу као пример (ГБ/Т 3621): затезна чврстоћа индустријског чистог титанијума ТА0 је 280-420МПа, ТА1 је 370-530МПа, ТА2 је 440-620МПа, а ТА3 је 540-720МПа. Након додавања легирајућих елемената, ТА5 (Ти-4Ал-0,005Б) достигао је 685МПа, ТА7 (Ти-5Ал-2,5 Сн) је достигао 735-930МПа, а најкласичнији ТЦ4 (Ти-6Ал-4В) лим је жарен на 895МПа.
Снага легирања се може боље видети из података стандарда шипки (ГБ/Т 2965-1996): затезна чврстоћа ТБ2 (Ти-5Мо-5В-8Цр-3Ал) у стању гашења и старења је чак 1370МПа, а наведено заостало напрезање истезања је 1111. Затезна чврстоћа ТЦ11 бара је 1030МПа, а ТЦ12 достиже 1150МПа.
Висока снага није једина потрага, специфична снага (снага подељена са густином) је убилачка карактеристика титанијума. Специфична чврстоћа легуре титанијума је много боља од челика и легуре алуминијума-ово је такође основни разлог за одабир титанијума. Узимајући ТЦ4 као пример, густина је 4,43 г/цм³, отпорност на затезање жарења је око 900 МПа, а специфична чврстоћа је око 203 МПа м³/кг, док је специфична чврстоћа челика високе{7}}око 50, а легуре алуминијума око 150.
Истраживања 2025. настављају да освежавају плафон чврстоће легура титанијума. Према извештају „Јоурнал оф Сицхуан Университи” из 2025. године, просечна граница повлачења легуре титанијума ТЦ11 адитивно произведене ласерским осигурачем у стању таложења је 1415 МПа, а затезна чврстоћа је 1527 МПа. Иако је стопа издужења само 6,95%, снага је далеко премашила стандардну вредност кованог.
2. Компресија, смицање и лежиште под притиском: „све-носиво оптерећење“ од титанијума
Механичка својства титанијума имају занимљиву особину: он се понаша веома равномерно под различитим силама.
Чврстоћа на притисак: Чврстоћа на притисактитанијум и легуре титанијуманије нижа од његове затезне чврстоће. Граница течења при притиску и затезна граница течења индустријског чистог титанијума су приближно једнаке. Чврстоћа на притисак ТЦ4 и ТА7 је чак нешто већа од затезне чврстоће. То значи да су титанијумске компоненте подједнако поуздане у условима притиска и погодне су за носеће стубове, кућишта лежаја и јастуке стајног трапа. Чврстоћа на смицање: углавном 60% ~ 70% затезне чврстоће. За ТЦ4, око 540 ~ 630МПа. Модул смицања легуре титанијума је 43 ~ 51 ГПа, а индустријског чистог титанијума је 46 ГПа. Завртњи, заковице и спојеви преносника су углавном смицајни, а овај параметар је основна основа за дизајн.
Граница течења под притиском: Граница течења под притиском листова титанијума и легура титанијума може да достигне 1,2 ~ 2,0 пута затезне чврстоће. То је зато што је у стању тлачног напрезања материјал подложан бочним ограничењима и није лако доћи до пластичне нестабилности. За спојеве за закивање и причвршћивање коже авиона, то значи да плоче од легуре титанијума могу да издрже много већа локална тлачна напрезања него када су једноставно затезне.
3. Издржљивост снага и умор: тест дуготрајног-стреса
Статичка снага одговара само „да ли се може извући“, а инжењерска пракса више брине о томе „колико дуго се може користити“.
Снага издржљивости: У нормалној атмосфери, издржљивост титанијума и легура титанијума након обраде и жарења је око 0,5 ~ 0,65 пута затезне чврстоће. Табела перформанси високих температура показује да је затезна чврстоћа ТЦ4 бара на 400 степени 620МПа, а издржљивост од 100 сати је 570МПа; ТЦ6 има отпорност на затезање од 735МПа и издржљиво трајање од 665МПа на 400 степени. Температура је највећи убица снаге издржљивости-снага издржљивости ТЦ4 пада на 195 МПа на 500 степени.
Чврстоћа на замор: Чврстоћа на замор жареног ТЦ4 је око 0,2 пута затезне чврстоће, односно око 180 МПа, када се испитивање замора изврши 10 пута под зарезом (К=3.9). Овај број можда не изгледа висок, али је критичан за дизајн компоненти (лопатице мотора, стајни трап, оквири трупа) које издржавају наизменична оптерећења.
Вреди напоменути да легуре титанијума имају добре перформансе зареза. ТЦ4 у жареном стању је врста материјала одличне жилавости. Када је фактор концентрације зареза К=25.4 мм, однос затезне чврстоће са зарезима и затезне чврстоће без уреза је већи од 1. То значи да када постоји концентрација напона, ТЦ4 показује већу затезну чврстоћу од глатких узорака, што указује да није добар против зареза и да има јаку способност да се одупре настанку пукотина.
Према истраживању "Јоурнал оф Велдинг" из 2026. године, чврстоћа високог циклуса замора ТЦ4 споја дебљине 30 мм завареног вакуумским електронским снопом може да достигне више од 90% основног метала, што је веома важно за велике интегралне заварене структуре од легуре титанијума (као што је дубока потопљена летелица) велика кабина са посадом.
4. Тврдоћа: чисти титанијум је веома мекан, легура титанијума је веома тврда
Тврдоћа је индекс способности материјала да се одупре локалном удубљењу и хабању, а титанијум има велики распон у овој димензији.
Тврдоћа прерађеног индустријског чистог титанијума чистоће је обично мања од 120ХБ (тврдоћа по Бринелу), а тврдоћа другог индустријског чистог титанијума је 200 ~ 295ХБ. Тврдоћа одливака од чистог титанијума је 200 ~ 220ХБ.
Тврдоћа легуре титанијума под жарењем је 32 ~ 38ХРЦ (Роцквелл Ц скала), што је еквивалентно 298 ~ 349ХБ. Тврдоћа -ливених ТА7 и ТЦ4 је око 320 ХБ, а тврдоћа одливака ТЦ4 са малим зазором је око 310 ХБ.
Различити процеси имају значајан утицај на тврдоћу. Према истраживању „Јоурнал оф Материалс Хеат Треатмент“ из 2026. године, тврдоћа ласерског топљења слоја праха (ЛПБФ) ТЦ4 депонованог стања може да достигне 379-417ХВ (тврдоћа по Викерсу), а она ће пасти на 318-334ХВ након топлотног третмана, а након топлотног третмана на 40 степени и после 800 степени. али је жилавост лома повећана са 42,5 МПа · м1/² на 83,9 МПа · м1/² – компромис између тврдоће и жилавости је посебно очигледан у производњи адитива.
5. Модул еластичности: крутост је само 55% од гвожђа, али је боља од модула еластичности
Модул еластичности затезања индустријског чистог титанијума је 105 ~ 109 ГПа, а код већине жарених легура титанијума је 110 ~ 120 ГПа. Легура титанијума{5}}очврснула има нешто већи модул еластичности од жарене легуре титанијума, а модул еластичности при притиску је једнак или већи од затезног модула еластичности.
Ова крутост је око 55% гвожђа и 50% до 55% челика. Иако су много веће од алуминијума и легура алуминијума, легуре титанијума нису доминантне у приликама које захтевају изузетно велику крутост (прецизна вретена алатних машина, лежајеви). Међутим, специфични модул еластичности (Е/ρ) легура титанијума је упоредив са оним легура алуминијума, одмах иза берилијума, молибдена и неких суперлегура-с обзиром да је густина титанијума само 57% густине челика, крутост титанијумских компоненти није лоша, исте тежине.
У инжењерству, недостатак крутости титанијума се надокнађује-величином попречног пресека и оптимизованим конструкцијским дизајном. На терену, легуре титанијума обично захтевају 10% до 20% дебљине попречног пресека{4}}приликом замене челика, али укупна тежина се и даље може смањити за више од 30%.
6. Ударна жилавост и жилавост лома: последња линија одбране од лома
Најдиректнији начин за побољшање чврстоће легура титанијума је садржај интерстицијалних елемената (кисеоник, азот, угљеник), али то ће озбиљно оштетити својство ударца и жилавост лома. Равнотежа снаге и жилавости је вечни предлог у дизајну легуре титанијума.
Према ауторитативним подацима, ударна чврстоћа чистог титанијума у зарезу Ксиа у прерађивачкој индустрији износи 15-54Ј/цм², а ливеног чистог титанијума 4-10Ј/цм². Чврстоћа на удар жарене легуре титанијума је 13 ~ 25,8 Ј/цм², а стање старења је нешто ниже. Утицај ливеног ТА7 и ТЦ4 је 10Ј/цм² и 20 ~ 23Ј/цм², респективно. Што је нижи садржај кисеоника, то је већа ударна вредност - због тога су легуре титанијума изузетно оштре према садржају интерстицијалних елемената.
Чврстоћа на лом је изузетна предностлегуре титанијума. Многе легуре титанијума имају високу отпорност на лом или добру отпорност на раст пукотина. Жилавост лома КИЦ жареног ТЦ4 може да достигне 67,7 ~ 87,0 МПа · м1/² (према истраживању процеса ковања из 2026. године „Материјали и примене“). Према истраживању ЛПБФ ТЦ4 у „Заваривању“ 2026. године, жилавост лома може да достигне 80,3-83,9 МПа · м1/² након топлог изостатског пресовања на 940 степени, што је у потпуности потребно за сервис компоненти.
Поређења ради, отпорност на ломљење челика високе{0}}врсте са истим нивоом чврстоће је обично 50-80 МПа · м1/², а легуре титанијума имају тенденцију да имају боље перформансе под истом чврстоћом, због чега се легуре титанијума широко користе у авионима према концепту дизајна толеранције оштећења. Један од разлога за кључну структуру.
7. Високотемпературне перформансе: 450 степени је "плафон" конвенционалног титанијума
У раду је дата јасна температурна граница: опште индустријске легуре титанијума могу имати корисна својства на 540 степени, али се могу користити само кратко време; Опсег радне температуре је 450 ~ 480 степени. Легуре титанијума за ракете могу се користити на 540 степени и кратко време на 760 степени. У то време су развијене легуре титанијума за употребу од 600 степени.
Отпор на затезање ТА7 је 440МПа, а издржљивост је 195МПа на 500 степени; ТЦ3/ТЦ4 има отпорност на затезање од 440МПа и издржљиво трајање од 195МПа на 500 степени. ТЦ6 има отпорност на затезање од 735МПа и издржљивост од 665МПа на 400 степени; ТЦ11 има отпорност на затезање од 685МПа и издржљивост од 590МПа на 500 степени; ТЦ9 има отпорност на затезање од 785МПа и издржљивост од 590МПа на 500 степени. Данас су легуре титанијума{23}при високим температурама направиле велики напредак. Према индустријским јавним информацијама, Ти60 (Ти-5. 8Ал-4.8 Сн-2.0 Зр-1.0 Мо-0.35Си-0.85 Нд) који је независно развила моја земља има радну температуру од 600 степени и затезну чврстоћу од 500 степени735МПа већу или једнаку; Радна температура Ти65 може да достигне 650 степени, а коришћен је у диск компресора високог притиска и интегралном блиску нове генерације мотора. У 2025., затезна чврстоћа Ти180 (Ти-6Ал-3Сн-4Зр-2Мо-0.5 Си) у стању старења раствора ће достићи 1100-1250МПа, стопа чврстоће на високој температури на 550 степени ће бити већа или једнака 70%, а граница замора% ће се повећати за 3% у поређењу са 4% у поређењу са 15.
Интерметално једињење ТиАл представља виши температурни правац: Ти-48Ал-2Цр-2Нб има густину од само 3,9 г/цм³ и температурну отпорност од 750-900 степени. Коришћен је у лопатицама турбина ниског притиска ГЕГЕнк и ЦФМ ЛЕАП мотора за замену легура на бази никла Смањење тежине за 50%.
8. Перформансе на ниским температурама: Титанијум је и даље чврст на -253 степена
Једна од најпотцењенијих могућности титанијума су његове перформансе на екстремно ниским температурама.
Са температуром, титан и легуре титанијума постају јачи и мање дуктилни-као што је случај са већином метала. Међутим, титан је јединствен по томе што многе жарене легуре титанијума и даље имају довољну дуктилност и жилавост на лом на-195,5 степени (температура течног азота). ТА7 (Ти-5Ал-2.5 Сн ЕЛИ) са ниским садржајем интерстицијалних елемената може се користити на -252,7. д егрее. Ц. (температура течног водоника), а однос затезне чврстоће са зарезом и затезне чврстоће без зареза је 0,95-1,15 на овој температури.
Издужење ТЦ4 и даље може да достигне 12% на-252,7 степени. Према прегледу легуре титанијума на ниским температурама „Цхина Материалс Прогресс“ из 2026. године, равноосна структура ТЦ4 има границу течења од око 1500 МПа и издужење од око 18% на-253 степена; Затезна чврстоћа ТЦ4 је била 1544,5 МПа на-253 степена, а издужење је било 5,85%. ЦТ20 нискотемпературна-легура титанијума (Ти-Ал-Зр-Мо систем) коју је независно развила моја земља проширила је своју радну температуру на температурни опсег течног водоника (-253 степена), и има добре перформансе на ниским температурама и могућност обраде.
Ово много значи за ваздухопловну индустрију. Течни кисеоник (-183 степена), течни водоник (-253 степен) и течни флуор су основна погонска средства за ракете и свемирске уређаје, а криогени материјали резервоара не могу бити крти на екстремно ниским температурама. Челик ће проћи кроз дуктилну-крхку транзицију на-253 степена, легуре алуминијума ће имати недовољну чврстоћу, док ће легуре титанијума – посебно ТЦ4 ЕЛИ и ТА7 ЕЛИ – остати дуктилне на температурама течног водоника. Према индустријским извештајима из 2026. године, дно интегралне кутије од легуре титанијума пречника 3,8 метара је пројектовано, а 3Д штампани резервоар од титанијума УНИСТ-а у Јужној Кореји прошао је верификацију од -253 степена 0,8 МПа. Титанијум постаје кандидатски материјал за криогене резервоаре нове генерације тешких лансирних возила.
На-температури течног азота од 196 степени, јачина ТЦ4 ЕЛИ се повећава са 848МПа на 1319МПа на собној температури, док је издужење и даље 24,9%-снага и пластичност се истовремено побољшавају. Ово аномално понашање је због ефекта спајања близанаца деформације и клизања више система на ниској температури.
Закључак
Механичка својства титанијума представљају богату слику: чисти титанијум је мекан и жилав, легуре титанијума су јаке и чврсте; На високој температури, он ће се и даље држати на 600 степени, а на ниској температури ће постати јачи и даље се продужавати; Модул еластичности није висок, али специфични модул еластичности је одличан, распон тврдоће је велики, али је жилавост лома одлична.
Разумевањем ових цифара, можете разумети зашто Ц919 користи легуру титанијума од 9,3%, зашто кабина за борбу са лоптом бира ТЦ4 ЕЛИ, зашто ракетни резервоар почиње да замењује челик и алуминијум титанијумом и зашто је лопатицама мотора потребна нова легура титанијума на високим температурама.
Титанијум није најтврђи метал, није најјачи метал и није најотпорнији на температуру{0}. Али у комбинацији „лаког, снажног, издржљивог,-отпорног на температуру,-отпорног на корозију и без магнета-, његова механичка картица извештаја до сада нема ривала.
