1. Utmattningsstyrka hos titanlegeringar
Viktiga egenskaper hos titanlegering utmattningsstyrka
För glödgat Ti-6Al-4V (den mest allmänt förekommande titanlegeringen) sträcker sig utmattningshållfastheten vid rumstemperatur (vid 10⁷ cykler, R=-1, där R är spänningsförhållandet mellan minimal och maximal spänning) från300–400 MPa, med vissa värmebehandlade-varianter som når 450–500 MPa. Detta är betydligt högre än för 304 rostfritt stål (≈170 MPa) och 6061-T6 aluminium (≈90 MPa) under samma testförhållanden, vilket gör Ti-6Al-4V idealisk för högcykelutmattning (HCF).
För titanlegeringar med hög-hållfasthet (t.ex. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-2.5Sn) kan utmattningshållfastheten överstiga 500 MPa i det lösningsbehandlade och åldrade (STA) tillståndet, eftersom de fina utfällda faserna i deras mikrostruktur hindrar dislokationsrörelse och sprickbildning.
Dubbel-fas ( + ) legeringar (t.ex. Ti-6Al-4V): Deras balanserade/mikrostruktur ger optimal utmattningsmotstånd. -fasen bidrar till styrka och sprickutbredningsmotstånd, medan -fasen förbättrar duktiliteten och hämmar sprickinitiering. Över-åldring eller överdriven kallbearbetning kan dock förgrova -faspartiklar eller införa restspänningar, vilket minskar utmattningshållfastheten med 10–20 %.
legeringar (t.ex. Ti-5Al-2,5Sn): Dessa legeringar har utmärkt prestanda för låg-cykelutmattning (LCF) på grund av deras stabila HCP--fasmikrostruktur, med LCF-livslängd (vid Δσ/2=500 MPa) som överstiger 10⁴ cykler. De används ofta i flygkomponenter med låg-temperatur.
legeringar (t.ex. Ti-10V-2Fe-3Al): Med en helt BCC -fasstruktur erbjuder dessa legeringar hög motståndskraft mot utmattningsspricktillväxt (da/dN ≈ 10⁻⁸ m/cykel vid ΔK=20 MPa·m¹/²) och är lämpliga för komponenter under dynamiska,-högbelastningsförhållanden (t.ex. helikopterrotoraxlar).
Korrosiv miljötrötthet (CAF): I havsvatten eller klorid-innehållande media bibehåller titanlegeringar mycket bättre utmattningsprestanda än stål eller aluminium, eftersom deras passiva oxidfilm förhindrar korrosion-inducerad sprickbildning. Ti-6Al-4V:s utmattningshållfasthet i havsvatten minskar endast med 5–10 % (till ≈350 MPa vid 10⁷ cykler), medan 304 rostfritt stål upplever en minskning med 50 % på grund av gropkorrosion.
Yttillståndskänslighet: Ytdefekter (t.ex. bearbetningsmärken, mikrosprickor) och vätekontamination är stora utlösare av utmattningsfel. Kulblästring eller anodisering kan förbättra utmattningshållfastheten med 20–30 % genom att införa kvarvarande tryckspänningar och förbättra ytpassiveringen. Omvänt kan väteförsprödning minska utmattningslivslängden med upp till 50 % genom att främja intergranulär spricktillväxt vid låga temperaturer.
Vid kryogena temperaturer (t.ex. -196 grader) ökar Ti-6Al-4Vs utmattningsstyrka till450–500 MPapå grund av förbättrad atombindning och minskad dislokationsrörlighet, utan duktil-till-spröd övergång i utmattningsbeteende.
Vid förhöjda temperaturer (upp till 300 grader) förblir dess utmattningshållfasthet över 250 MPa (10⁷ cykler), men över 400 grader orsakar oxidation och korngränsuppmjukning en snabb minskning (förlorar 30–40 % av rumstemperaturen- vid 500 grader).
2. Krypegenskaper hos titanlegeringar
Nyckelegenskaper hos titanlegeringskrypprestanda
+ legeringar (t.ex. Ti-6Al-4V): Deras maximala-långtidstemperatur för krypning är300–350 grader. Vid 300 grader och 200 MPa stress är kryphastigheten i stadigt-tillstånd Mindre än eller lika med 10⁻⁸ s⁻¹, och krypdeformationen är mindre än 0,1 % efter 10 000 timmars exponering-tillräcklig för flygplansmotorer i luftfartygs kompressorblad och underkonstruktionskomponenter. Över 400 grader accelererar kryphastigheten kraftigt (över 10⁻⁶ s⁻¹ vid 450 grader /200 MPa) på grund av -fasförgrovning och korngränsens glidning.
legeringar (t.ex. Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo): Dessa legeringar har det högsta krypmotståndet bland titanlegeringar, med en lång-driftstemperatur på400–500 grader. Till exempel har Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo vid 450 grader och 250 MPa en steady-state kryphastighet på mindre än eller lika med 5×10⁻⁹ s⁻¹ och en brottlivslängd som överstiger 100 000 timmar, vilket gör den lämplig för motordelar med hög lufttemperatur.
legeringar: Deras krypmotstånd är lägre än och + legeringar, med en maximal servicetemperatur på 300–350 grader, eftersom BCC -fasen har högre atomrörlighet och är benägen att krypa deformation under långvarig-påkänning.
Vid låga temperaturer (<400°C) and high stresses, creep is dominated by dislokation klättra och glidai -fasen, där -fasen fungerar som en barriär mot dislokationsrörelse (förbättrar krypmotståndet i dubbel-faslegeringar).
At high temperatures (>450 grader),korngränsglidning och diffusionskrypningbli dominerande. legeringar med fina, jämnt fördelade korn och solida-lösnings-förstärkta element (Al, Sn, Zr) motstår effektivt korngränsglidning, därav deras överlägsna krypprestanda vid hög-temperatur.
Värmebehandling spelar en avgörande roll: Lösningsbehandling följt av åldrande (STA) för + legeringar fäller ut fina -faspartiklar i -matrisen, som stift dislokationer och minskar kryphastigheten med 50–70 % jämfört med det glödgade tillståndet.
I oxiderande atmosfärer hämmar bildningen av en tät TiO₂-Al₂O₃ passiv film på titanlegeringar (särskilt de med högt Al-innehåll) syrediffusion och minskar krypförsprödning. Men vid temperaturer över 550 grader blir oxidfilmen porös, vilket tillåter syre att penetrera matrisen och bilda ett skört "alfahölje", vilket påskyndar krypbrott.
I miljöer innehållande väte- ökar väteabsorptionen kryphastigheten genom att främja dislokationsrörlighet och intergranulär sprickbildning, vilket begränsar kryplivslängden för titanlegeringar i sådana atmosfärer med 20–30 %.
