1. Resistenza alla fatica delle leghe di titanio
Caratteristiche chiave della resistenza alla fatica delle leghe di titanio
Per il Ti-6Al-4V ricotto (la lega di titanio più diffusa), la resistenza alla fatica a temperatura ambiente (a 10⁷ cicli, R=-1, dove R è il rapporto di sollecitazione tra sollecitazione minima e massima) varia da300–400MPa, con alcune varianti-trattate termicamente che raggiungono i 450–500 MPa. Questo valore è significativamente superiore a quello dell'acciaio inossidabile 304 (≈170 MPa) e dell'alluminio 6061-T6 (≈90 MPa) nelle stesse condizioni di test, rendendo il Ti-6Al-4V ideale per le applicazioni di fatica ad alto numero di cicli (HCF).
Per le leghe di titanio ad alta-resistenza (ad es. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-2.5Sn), la resistenza alla fatica può superare 500 MPa nello stato trattato con soluzione e invecchiato (STA), poiché le fasi fini precipitate nella loro microstruttura impediscono il movimento delle lussazioni e l'inizio delle cricche.
Leghe a doppia-fase (+) (ad es. Ti-6Al-4V): La loro microstruttura bilanciata garantisce un'ottima resistenza alla fatica. La fase - contribuisce alla robustezza e alla resistenza alla propagazione delle cricche, mentre la fase - migliora la duttilità e inibisce l'innesco delle cricche. Il-invecchiamento eccessivo o l'eccessiva lavorazione a freddo, tuttavia, possono rendere grossolane le -particelle di fase o introdurre tensioni residue, riducendo la resistenza alla fatica del 10–20%.
leghe (ad esempio, Ti-5Al-2.5Sn): Queste leghe hanno eccellenti prestazioni di fatica a basso-ciclo (LCF) grazie alla loro stabile microstruttura di fase -HCP, con una durata LCF (a Δσ/2=500 MPa) superiore a 10⁴ cicli. Sono ampiamente utilizzati nei componenti aerospaziali-a bassa temperatura.
leghe (ad esempio Ti-10V-2Fe-3Al): Con una struttura di fase -completamente BCC, queste leghe offrono un'elevata resistenza alla formazione di cricche da fatica (da/dN ≈ 10⁻⁸ m/ciclo a ΔK=20 MPa·m¹/²) e sono adatte per componenti in condizioni dinamiche di carico elevato- (ad esempio, alberi dei rotori di elicotteri).
Fatica da ambiente corrosivo (CAF): In acqua di mare o mezzi contenenti cloruro-, le leghe di titanio mantengono prestazioni di fatica molto migliori rispetto all'acciaio o all'alluminio, poiché la loro pellicola passiva di ossido previene l'inizio di crepe indotte dalla corrosione. La resistenza alla fatica del Ti-6Al-4V nell'acqua di mare diminuisce solo del 5–10% (a ≈350 MPa a 10⁷ cicli), mentre l'acciaio inossidabile 304 subisce un calo del 50% a causa della corrosione per vaiolatura.
Sensibilità alle condizioni superficiali: Difetti superficiali (ad es. segni di lavorazione, microcricche) e contaminazione da idrogeno sono i principali fattori scatenanti della rottura per fatica. La pallinatura o l'anodizzazione possono migliorare la resistenza alla fatica del 20-30% introducendo tensioni residue di compressione e migliorando la passivazione superficiale. Al contrario, l’infragilimento da idrogeno può ridurre la durata a fatica fino al 50% favorendo la crescita di cricche intergranulari a basse temperature.
A temperature criogeniche (ad esempio, -196 gradi), la resistenza alla fatica di Ti-6Al-4V aumenta fino a450–500MPagrazie al potenziamento del legame atomico e alla ridotta mobilità delle lussazioni, senza alcuna transizione da duttile-a-fragile nel comportamento a fatica.
A temperature elevate (fino a 300 gradi), la sua resistenza alla fatica rimane superiore a 250 MPa (10⁷ cicli), ma sopra i 400 gradi, l'ossidazione e l'ammorbidimento dei bordi dei grani causano un rapido declino (perdendo il 30–40% della resistenza alla fatica a temperatura ambiente-a 500 gradi).
2. Proprietà di creep delle leghe di titanio
Caratteristiche chiave delle prestazioni di scorrimento della lega di titanio
+ leghe (ad esempio Ti-6Al-4V): La loro temperatura massima di servizio di scorrimento a lungo-termine è300–350 gradi. A una sollecitazione di 300 gradi e 200 MPa, la velocità di creep in stato stazionario- è inferiore o uguale a 10⁻⁸ s⁻¹ e la deformazione di creep è inferiore allo 0,1% dopo 10.000 ore di esposizione-sufficiente per le pale dei compressori dei motori degli aerei e i componenti strutturali degli aerei subsonici. Al di sopra di 400 gradi, la velocità di scorrimento accelera bruscamente (superando 10⁻⁶ s⁻¹ a 450 gradi/200 MPa) a causa dell'ingrossamento della fase -e dello scorrimento dei bordi del grano.
leghe (ad esempio Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo): Queste leghe hanno la più alta resistenza allo scorrimento viscoso tra le leghe di titanio, con una temperatura di servizio a lungo-termine di400-500 gradi. Ad esempio, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo a 450 gradi e 250 MPa ha una velocità di scorrimento in stato stazionario inferiore o uguale a 5×10⁻⁹ s⁻¹ e una durata alla rottura superiore a 100.000 ore, che lo rende adatto per parti di motori aerospaziali ad alta temperatura.
leghe: La loro resistenza al creep è inferiore rispetto alle leghe e +, con una temperatura di servizio massima di 300–350 gradi, poiché la fase BCC -ha una maggiore mobilità atomica ed è soggetta a deformazione da creep sotto stress a lungo-termine.
A basse temperature (<400°C) and high stresses, creep is dominated by dislocazione salire e planarenella fase -, con la fase - che funge da barriera al movimento delle lussazioni (migliorando la resistenza allo scorrimento nelle leghe a doppia fase-).
At high temperatures (>450 gradi),Scorrimento dei bordi dei grani e scorrimento per diffusionediventare dominante. le leghe con grani fini e distribuiti uniformemente ed elementi rinforzati con-soluzione-solida (Al, Sn, Zr) resistono efficacemente allo scorrimento dei bordi dei grani, da qui le loro prestazioni superiori allo scorrimento viscoso alle alte-temperature.
Il trattamento termico gioca un ruolo fondamentale: il trattamento della soluzione seguito dall'invecchiamento (STA) per le leghe + fa precipitare particelle fini di fase - nella matrice -, che determinano dislocazioni e riducono i tassi di scorrimento del 50–70% rispetto allo stato ricotto.
Nelle atmosfere ossidanti, la formazione di una densa pellicola passiva di TiO₂-Al₂O₃ sulle leghe di titanio (specialmente quelle ad alto contenuto di Al) inibisce la diffusione dell'ossigeno e riduce l'infragilimento da scorrimento viscoso. Tuttavia, a temperature superiori a 550 gradi, la pellicola di ossido diventa porosa, consentendo all'ossigeno di penetrare nella matrice e formare un fragile "caso alfa", che accelera la frattura da scorrimento.
Negli ambienti contenenti idrogeno-, l'assorbimento dell'idrogeno aumenta la velocità di creep promuovendo la mobilità delle dislocazioni e la fessurazione intergranulare, limitando la durata di servizio del creep delle leghe di titanio in tali atmosfere del 20–30%.
