1. Impatto sulla resistenza dei materiali in titanio
Meccanismo di rafforzamento
Il titanio ha due strutture cristalline tipiche: fase -esagonale chiusa-impacchettata (HCP) e fase -cubica a corpo centrato (BCC). Gli atomi di ossigeno, come piccoli atomi interstiziali, occupano preferenzialmente le posizioni interstiziali nel reticolo di titanio (i siti interstiziali ottaedrici nel reticolo di fase -e i siti tetraedrici o ottaedrici nel reticolo di fase -). Questa occupazione provoca una grave distorsione del reticolo, formando un "campo di stress" attorno agli atomi di ossigeno. Quando le dislocazioni nel materiale si muovono durante il carico, saranno ostacolate da questo campo di stress, richiedendo una forza esterna maggiore per continuare a muoversi, migliorando così la resistenza del materiale.
Legge sull'influenza quantitativa
Per il titanio commercialmente puro (ad esempio, Grado 1, Grado 2, Grado 3), l'aumento del contenuto di ossigeno ha una correlazione lineare con l'aumento della resistenza. Prendendo come esempio il -titanio non legato, quando il contenuto di ossigeno aumenta dallo 0,10% in peso allo 0,40% in peso, la sua resistenza alla trazione aumenta da circa 240 MPa a 480 MPa e la resistenza allo snervamento aumenta da circa 170 MPa a 370 MPa, con un aumento di quasi il 120%.
Per le leghe di titanio (ad esempio, Ti-6Al-4V di grado 5), l'ossigeno aumenta anche sinergicamente la resistenza con elementi di lega come alluminio e vanadio. Quando il contenuto di ossigeno in Ti-6Al-4V aumenta dallo standard 0,13% in peso (limite massimo in ASTM B348) allo 0,20% in peso, la sua resistenza alla trazione può aumentare di circa 50–80 MPa e la resistenza allo snervamento aumenta di 40–60 MPa. Tuttavia, un eccesso di ossigeno romperà l'equilibrio della composizione della fase della lega e influenzerà il ruolo degli altri elementi di lega.
2. Impatto sulla tenacità dei materiali in titanio
Meccanismo di riduzione della tenacità
Fragilità indotta dalla distorsione del reticolo: Una forte distorsione del reticolo causata da un numero eccessivo di atomi di ossigeno non solo ostacola il movimento delle dislocazioni (effetto rinforzante), ma riduce anche la plasticità del materiale. Le lussazioni sono difficili da scivolare e moltiplicare e quando il materiale è soggetto a impatti o sollecitazioni complesse, le cricche tendono a formarsi e a propagarsi rapidamente nelle regioni concentrate della distorsione-, portando a una diminuzione della resistenza alla frattura e all'impatto.
Cambiamento della struttura delle fasi: Nelle leghe di titanio di tipo -, l'ossigeno è uno stabilizzante -, che aumenterà la frazione di volume della fase fragile - a temperatura ambiente e ridurrà la deformabilità del materiale. Nelle leghe di tipo + -(ad es. Ti-6Al-4V), l'eccesso di ossigeno aumenterà la temperatura / transus, portando ad un aumento del contenuto della fase primaria nella microstruttura e ad una diminuzione della tenacità della fase trasformata, riducendo così la tenacità complessiva della lega.
Legge sull'influenza quantitativa
Per il titanio commercialmente puro, quando il contenuto di ossigeno supera lo 0,30 in peso, il suo allungamento diminuisce da oltre il 25% (contenuto di ossigeno 0,10 in peso%) a meno del 15% e la resilienza (intaglio Charpy a V-) scende da 60–80 J/cm² a 20–30 J/cm², mostrando evidenti caratteristiche di infragilimento.
Per la lega Ti-6Al-4V, quando il contenuto di ossigeno supera il limite standard (0,13 in peso), la sua tenacità alla frattura (KIC) diminuisce significativamente. Quando il contenuto di ossigeno raggiunge lo 0,20% in peso, il valore KIC scende dallo standard 55–60 MPa·m^(1/2) a 40–45 MPa·m^(1/2) e il materiale diventa più sensibile alla concentrazione di sollecitazioni, il che aumenta notevolmente il rischio di frattura fragile durante il servizio.
3. Soglia critica e controllo tecnico del contenuto di ossigeno
Limiti standard
Secondo gli standard ASTM, il contenuto massimo di ossigeno del titanio commercialmente puro di grado 1 è pari allo 0,18% in peso, il grado 2 è pari allo 0,25% in peso, il grado 3 è pari allo 0,35% in peso e il grado 5 Ti-6Al-4V è pari allo 0,13% in peso. Per le leghe di titanio di grado aerospaziale (ad esempio Ti-6Al-4V ELI, interstiziale extra bassa), il contenuto di ossigeno è ulteriormente ridotto a meno o uguale allo 0,10% in peso per garantire una tenacità ultraelevata per i componenti chiave (ad esempio, pale del motore dell'aereo, carrello di atterraggio).
Significato del controllo
Per i componenti strutturali che richiedono elevata tenacità (ad esempio, telai di fusoliera aerospaziale, parti strutturali di scafi marini), è preferibile un basso contenuto di ossigeno per evitare rotture fragili;
Per i componenti che richiedono elevata resistenza ma moderata tenacità (ad es. viti ossee mediche, dispositivi di fissaggio meccanici generali), è possibile selezionare un contenuto di ossigeno leggermente più elevato ma conforme agli standard-per soddisfare le esigenze di resistenza senza sacrificare la sicurezza del servizio.
