1. ความต้านทานความล้าของโลหะผสมไทเทเนียม
ลักษณะสำคัญของความแข็งแรงความล้าของโลหะผสมไทเทเนียม
สำหรับ Ti-6Al-4V ที่ผ่านการอบอ่อน (โลหะผสมไททาเนียมที่แพร่หลายมากที่สุด) ความต้านทานความเหนื่อยล้าที่อุณหภูมิห้อง (ที่รอบ 107, R=-1 โดยที่ R คืออัตราส่วนความเครียดของความเครียดขั้นต่ำถึงสูงสุด) มีตั้งแต่300–400 เมกะปาสคาลโดยมีตัวแปรที่ได้รับความร้อน-บางตัวถึง 450–500 MPa ซึ่งสูงกว่าเหล็กกล้าไร้สนิม 304 (ประมาณ 170 MPa) และอะลูมิเนียม 6061-T6 (ประมาณ 90 MPa) อย่างมีนัยสำคัญภายใต้สภาวะการทดสอบเดียวกัน ทำให้ Ti-6Al-4V เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความล้าในรอบสูง (HCF)
สำหรับโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูง- (เช่น Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-2.5Sn) ความต้านทานความล้าอาจเกิน 500 MPa ในสถานะที่บำบัดด้วยสารละลายและมีอายุ (STA) เนื่องจากระยะตกตะกอนละเอียดในโครงสร้างจุลภาคขัดขวางการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่และการเริ่มร้าว
โลหะผสมเฟสคู่- ( + ) (เช่น Ti-6Al-4V): โครงสร้างที่สมดุล/จุลภาคให้การต้านทานความล้าที่เหมาะสมที่สุด ระยะ - ช่วยเพิ่มความแข็งแรงและต้านทานการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว ในขณะที่ระยะ - ช่วยเพิ่มความเหนียวและยับยั้งการเกิดรอยแตกร้าว อย่างไรก็ตาม การทำงานที่เกิน-หรือความเย็นมากเกินไปอาจทำให้ - อนุภาคเฟสหยาบขึ้นหรือทำให้เกิดความเค้นตกค้าง ซึ่งช่วยลดความเมื่อยล้าลงได้ 10–20%
โลหะผสม (เช่น Ti-5Al-2.5Sn): โลหะผสมเหล่านี้มีประสิทธิภาพความล้าของวงจร (LCF) ต่ำ-เป็นเลิศเนื่องจากมีโครงสร้างจุลภาคของเฟส - HCP ที่เสถียร โดยมีอายุการใช้งาน LCF (ที่ Δσ/2=500 MPa) เกิน 10⁴ รอบ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบการบินและอวกาศที่มีอุณหภูมิต่ำ-
โลหะผสม (เช่น Ti-10V-2Fe-3Al): ด้วยโครงสร้างเฟส BCC - เต็มรูปแบบ โลหะผสมเหล่านี้จึงมีความต้านทานการขยายตัวของรอยแตกร้าวเมื่อยล้าสูง (da/dN พรีเมี่ยม 10⁻⁸ m/รอบที่ ΔK=20 MPa·m¹/²) และเหมาะสำหรับส่วนประกอบภายใต้สภาวะโหลดไดนามิกสูง- (เช่น เพลาโรเตอร์ของเฮลิคอปเตอร์)
ความเหนื่อยล้าจากสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (CAF): ในน้ำทะเลหรือตัวกลางที่มีคลอไรด์- โลหะผสมไททาเนียมจะรักษาประสิทธิภาพความล้าได้ดีกว่าเหล็กหรืออะลูมิเนียมอย่างมาก เนื่องจากฟิล์มพาสซีฟออกไซด์ของพวกมันป้องกันการกัดกร่อน-การเริ่มเกิดรอยแตกร้าว ความแข็งแรงเมื่อยล้าของ Ti-6Al-4V ในน้ำทะเลลดลงเพียง 5–10% เท่านั้น (เป็น µ350 MPa ที่ 107 รอบ) ในขณะที่เหล็กกล้าไร้สนิม 304 จะลดลง 50% เนื่องจากการกัดกร่อนแบบรูพรุน
ความไวต่อสภาพพื้นผิว: ข้อบกพร่องที่พื้นผิว (เช่น เครื่องหมายการตัดเฉือน รอยแตกขนาดเล็ก) และการปนเปื้อนของไฮโดรเจนเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดปัญหาความเมื่อยล้า การขัดผิวด้วยการยิงหรืออโนไดซ์สามารถปรับปรุงความแข็งแรงเมื่อยล้าได้ 20–30% โดยการนำความเค้นตกค้างจากแรงอัดมาเสริมและเพิ่มการสร้างฟิล์มทู่ที่พื้นผิว ในทางกลับกัน การแตกตัวของไฮโดรเจนสามารถลดอายุความล้าได้มากถึง 50% โดยส่งเสริมการเติบโตของรอยแตกตามขอบเกรนที่อุณหภูมิต่ำ
ที่อุณหภูมิแช่แข็ง (เช่น -196 องศา ) ความแข็งแรงเมื่อยล้าของ Ti-6Al-4V จะเพิ่มขึ้นเป็น450–500 เมกะปาสคาลเนื่องจากพันธะอะตอมที่เพิ่มขึ้นและการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ลดลง โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงแบบยืดหยุ่น-ถึง-แบบเปราะในพฤติกรรมความเมื่อยล้า
ที่อุณหภูมิสูงขึ้น (สูงถึง 300 องศา) ความแข็งแรงของความล้ายังคงอยู่เหนือ 250 MPa (10รอบ) แต่ที่สูงกว่า 400 องศา การเกิดออกซิเดชันและขอบเขตของเกรนอ่อนตัวลงทำให้เกิดการลดลงอย่างรวดเร็ว (สูญเสีย 30–40% ของความแข็งแรงของความล้าของอุณหภูมิห้อง-ที่ 500 องศา )
2. คุณสมบัติการคืบของโลหะผสมไทเทเนียม
ลักษณะสำคัญของประสิทธิภาพการคืบของโลหะผสมไทเทเนียม
+ โลหะผสม (เช่น Ti-6Al-4V): อุณหภูมิบริการคืบระยะยาวสูงสุด-คือ300–350 องศา- ที่ความเครียด 300 องศาและ 200 MPa -อัตราการคืบในสถานะคงที่จะน้อยกว่าหรือเท่ากับ 10⁻⁸ s⁻¹ และการเปลี่ยนรูปของการคืบจะน้อยกว่า 0-1% หลังจากการสัมผัส 10,000 ชั่วโมง- ซึ่งเพียงพอสำหรับใบพัดคอมเพรสเซอร์ของเครื่องยนต์เครื่องบินและส่วนประกอบโครงสร้างในเครื่องบินที่มีความเร็วต่ำกว่าเสียง ที่สูงกว่า 400 องศา อัตราการคืบจะเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว (เกิน 10⁻⁶ s⁻¹ ที่ 450 องศา /200 MPa) เนื่องจาก -เฟสหยาบและการเลื่อนขอบเขตของเกรน
โลหะผสม (เช่น Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo): โลหะผสมเหล่านี้มีความต้านทานการคืบคลานสูงที่สุดในบรรดาโลหะผสมไทเทเนียม โดยมีอุณหภูมิการใช้งานระยะยาว-เท่ากับ400–500 องศา- ตัวอย่างเช่น Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo ที่ 450 องศาและ 250 MPa มีอัตราการคืบในสภาวะคงที่น้อยกว่าหรือเท่ากับ 5×10⁻⁹ s⁻¹ และอายุการใช้งานที่แตกร้าวเกิน 100,000 ชั่วโมง ทำให้เหมาะสำหรับชิ้นส่วนเครื่องยนต์การบินและอวกาศที่มีอุณหภูมิสูง
โลหะผสม: ความต้านทานการคืบของพวกมันต่ำกว่าและ + โลหะผสม โดยมีอุณหภูมิการใช้งานสูงสุด 300–350 องศา เนื่องจากเฟส BCC -มีความคล่องตัวของอะตอมสูงกว่า และมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนรูปการคืบภายใต้-ความเครียดในระยะยาว
ที่อุณหภูมิต่ำ (<400°C) and high stresses, creep is dominated by ความคลาดเคลื่อนปีนและเหินในระยะ - โดยมีระยะ - ทำหน้าที่เป็นอุปสรรคต่อการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ (เพิ่มความต้านทานการคืบในโลหะผสมเฟสคู่-)
At high temperatures (>450 องศา)ขอบเขตของเกรนเลื่อนและการคืบคลานการแพร่กระจายกลายเป็นที่โดดเด่น โลหะผสมที่มีเกรนละเอียดและกระจายสม่ำเสมอและ-สารละลายแข็ง-องค์ประกอบที่มีความแข็งแกร่ง (Al, Sn, Zr) ต้านทานการเลื่อนของขอบเขตเกรนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยเหตุนี้-ประสิทธิภาพการคืบที่อุณหภูมิสูงที่เหนือกว่า
การอบชุบด้วยความร้อนมีบทบาทสำคัญ: การบำบัดด้วยสารละลายตามด้วยการเสื่อมสภาพ (STA) สำหรับโลหะผสม + จะตกตะกอนอนุภาคเฟส - ละเอียดในเมทริกซ์ - ซึ่งจะปักหมุดการเคลื่อนที่และลดอัตราการคืบลง 50–70% เมื่อเทียบกับสถานะอบอ่อน
ในบรรยากาศออกซิไดซ์ การก่อตัวของฟิล์มพาสซีฟ TiO₂-Al₂O₃ ที่หนาแน่นบนโลหะผสมไทเทเนียม (โดยเฉพาะที่มีปริมาณ Al สูง) จะยับยั้งการแพร่กระจายของออกซิเจนและลดการเกิดการเปราะจากการคืบ อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิสูงกว่า 550 องศา ฟิล์มออกไซด์จะมีรูพรุน ทำให้ออกซิเจนทะลุเมทริกซ์และก่อตัวเป็น "กรณีอัลฟา" ที่เปราะ ซึ่งเร่งการแตกหักของครีพ
ในสภาพแวดล้อมที่มีไฮโดรเจน- การดูดซับไฮโดรเจนจะเพิ่มอัตราการคืบโดยส่งเสริมการเคลื่อนที่และการแตกร้าวตามขอบเกรน ซึ่งจำกัดอายุการใช้งานการคืบของโลหะผสมไทเทเนียมในบรรยากาศดังกล่าวได้ 20–30%
