Показатели прочности и твердости технически чистого титана и его пригодность для применения в конструкциях с тяжелыми-нагрузками
Коммерчески чистый титан (CP-Ti, который обычно классифицируется по маркам от 1 до 4 в зависимости от содержания примесей и уровня кислорода) демонстрирует отчетливый профиль прочности и твердости, который варьируется в зависимости от марки.
С точки зрениятвердость, поскольку -литой или отожженный CP-Ti обычно имеет твердость по Бринеллю (HB) в диапазоне от 80 до 150. Класс 1 (наиболее пластичный и самый низкий-прочный класс) имеет HB около 80–100, а класс 4 (самый-прочный среди коммерческих чистых марок) может достигать HB 130–150, что заметно ниже, чем у высокопрочной стали (например, закаленной и отпущенной легированной стали с HB, часто превышающей 300) или титановых сплавов (таких как Ti-6Al-4V с HB около 300).
Дляпредел прочности, марка 1 CP-Ti имеет предел текучести около 170–240 МПа и предел прочности при растяжении 240–300 МПа; CP-Ti марки 4 с более высоким содержанием кислорода (элемент, упрочняющий твердый раствор), достигает предела текучести 480–550 МПа и предела прочности на разрыв 550–620 МПа. Однако даже самый прочный коммерческий чистый титан не соответствует механическим требованиям конструкций, нагруженных тяжелыми-нагрузками. Компоненты, нагруженные тяжелыми-несущими нагрузками (например, балки мостов, рамы тяжелого машиностроения, несущие конструкции-основной нагрузки в аэрокосмической отрасли), как правило, требуют предела текучести выше 600 МПа и отличной усталостной прочности при циклических нагрузках. Относительно низкая абсолютная прочность CP-Ti в сочетании с более низким модулем упругости (около 110 ГПа, что примерно вдвое меньше, чем у стали) приводит к чрезмерной упругой деформации при больших нагрузках, что ставит под угрозу структурную стабильность и точность размеров. Таким образом,коммерчески чистый титан не может удовлетворить требования, предъявляемые к конструкциям с тяжелыми-нагрузками; вместо этого для таких сценариев предпочтительны титановые сплавы (например, Ti-6Al-4V с пределом текучести более 860 МПа) или высокопрочные стали.
Пластичность, вязкость технически чистого титана и поведение его хрупкости при низких температурах
Коммерчески чистый титан обладает превосходнымипластичность и прочностьв рабочем диапазоне-температуры окружающей среды. В отожженном состоянии CP{{3}Ti класса 1 может достигать удлинения при разрыве 20–30 % и уменьшения площади на 40–60 %, что позволяет выполнять глубокую вытяжку, ковку и другие сложные процессы формования без образования трещин. CP-Ti класса 4, несмотря на свою более высокую прочность, по-прежнему сохраняет приличное удлинение 10–15 %, обеспечивая баланс между прочностью и формуемостью. По вязкости CP-Ti имеет высокую вязкость разрушения (KIC) 50–80 МПа·м^(1/2) в отожженном состоянии, что значительно выше, чем у многих хрупких сплавов, и обеспечивает стойкость к внезапному хрупкому разрушению при ударных или динамических нагрузках.
Что касается производительности нанизкие температурыТехнически чистый титан не проявляет хладноломкости, что является решающим преимуществом перед углеродистыми сталями (которые имеют тенденцию становиться хрупкими ниже температуры пластичного-хрупкого перехода, обычно от -20 до -40 градусов. CP-Ti сохраняет хорошую пластичность и ударную вязкость даже при чрезвычайно низких температурах (например, при криогенных температурах -253 градуса, близких к температуре кипения жидкого водорода). Например, при -196 градусах (температура жидкого азота) CP-Ti класса 2 по-прежнему сохраняет удлинение более 15 % и не демонстрирует значительного снижения ударной вязкости. Это объясняется гексагональной плотноупакованной (HCP) кристаллической структурой титана, которая, хотя и имеет меньше систем скольжения, чем металлы с объемно-центрированной кубической структурой (BCC) при комнатной температуре, подвергается усиленному движению дислокаций и способности к деформации при низких температурах без механизма охрупчивания, наблюдаемого в сталях BCC (например, сегрегация по границам зерен или разрушение скола). Поэтому,технически чистый титан не станет хрупким в условиях низких-температури широко используется в криогенной технике, такой как оборудование для хранения и транспортировки сжиженного природного газа (СПГ), а также криогенные компоненты для аэрокосмической отрасли.
