Prestazioni di resistenza e durezza del titanio commercialmente puro e sua idoneità per applicazioni strutturali con carichi pesanti
Il titanio commercialmente puro (CP-Ti, generalmente classificato in gradi da Grado 1 a Grado 4 in base al contenuto di impurità e al livello di ossigeno) mostra un profilo distinto di resistenza e durezza che varia a seconda del grado.
In termini didurezza, poiché-CP fuso o ricotto-Ti ha generalmente una durezza Brinell (HB) compresa tra 80 e 150. Il Grado 1 (il grado più duttile e con la resistenza più bassa-) ha un HB di circa 80–100, mentre il Grado 4 (il grado-più resistente tra i gradi puri commerciali) può raggiungere un HB di 130–150, che è notevolmente inferiore a quello dell'acciaio ad alta resistenza (ad esempio, acciaio legato bonificato con HB spesso superiore a 300) o leghe di titanio (come Ti-6Al-4V con HB intorno a 300).
Perresistenza alla trazione, CP-Ti di grado 1 ha un carico di snervamento di circa 170–240 MPa e un carico di rottura a trazione di 240–300 MPa; CP-Ti di grado 4, con un contenuto di ossigeno più elevato (un elemento rinforzante-in soluzione solida), raggiunge un carico di snervamento di 480–550 MPa e un carico di rottura a trazione di 550–620 MPa. Tuttavia, anche il titanio puro commerciale più resistente non è all'altezza dei requisiti meccanici delle strutture con carichi pesanti. I componenti per carichi pesanti (ad es. travi di ponti, telai di macchinari pesanti, strutture portanti principali del settore aerospaziale) richiedono in genere resistenze allo snervamento superiori a 600 MPa e un'eccellente resistenza alla fatica sotto carichi ciclici. La resistenza assoluta relativamente bassa del CP-Ti, unita al suo modulo elastico inferiore (circa 110 GPa, circa la metà di quello dell'acciaio), porta a un'eccessiva deformazione elastica sotto carichi pesanti, che compromette la stabilità strutturale e l'accuratezza dimensionale. Così,il titanio commercialmente puro non può soddisfare le esigenze delle applicazioni strutturali-con carichi pesanti; invece, per tali scenari sono preferibili le leghe di titanio (ad esempio Ti-6Al-4V con carico di snervamento superiore a 860 MPa) o gli acciai ad alta resistenza.
Plasticità, tenacità del titanio commercialmente puro e suo comportamento di fragilità alle basse temperature
Il titanio commercialmente puro vanta eccellenti qualitàplasticità e tenacitànell'intervallo di servizio della temperatura-ambiente. Allo stato ricotto, CP-Ti di grado 1 può raggiungere un allungamento a rottura del 20%–30% e una riduzione dell'area del 40%–60%, consentendo l'imbutitura profonda, la forgiatura e altri processi di formatura complessi senza fessurazioni. CP-Ti di grado 4, nonostante la sua maggiore resistenza, mantiene comunque un rispettabile allungamento del 10%–15%, bilanciando resistenza e formabilità. In termini di tenacità, CP-Ti ha un'elevata tenacità alla frattura (KIC) di 50–80 MPa·m^(1/2) allo stato ricotto, che è significativamente superiore a quella di molte leghe fragili e garantisce resistenza alla frattura fragile improvvisa sotto impatto o carichi dinamici.
Per quanto riguarda le prestazioni abasse temperature, il titanio commercialmente puro non mostra fragilità a freddo, un vantaggio fondamentale rispetto agli acciai al carbonio (che tendono a diventare fragili al di sotto della loro temperatura di transizione duttile-fragile, in genere tra i -20 gradi e i -40 gradi). CP-Ti mantiene una buona duttilità e tenacità anche a temperature estremamente basse (come temperature criogeniche di -253 gradi, vicino al punto di ebollizione dell'idrogeno liquido). Ad esempio, a -196 gradi (temperatura dell'azoto liquido), CP-Ti di grado 2 mantiene ancora un allungamento superiore al 15% e non mostra un calo significativo nella resistenza agli urti. Ciò è attribuito alla struttura cristallina esagonale compattata (HCP) del titanio, che, pur avendo meno sistemi di scorrimento rispetto ai metalli cubici a corpo centrato (BCC) a temperatura ambiente, subisce un maggiore movimento di dislocazione e capacità di deformazione a basse temperature senza il meccanismo di infragilimento osservato negli acciai BCC (ad esempio, segregazione dei bordi dei grani o frattura per scissione). Perciò,il titanio commercialmente puro non diventerà fragile in ambienti a bassa-temperaturaed è ampiamente utilizzato nell'ingegneria criogenica, come le apparecchiature per lo stoccaggio e il trasporto di gas naturale liquido (GNL) e i componenti criogenici aerospaziali.
