Mechanické vlastnosti titanu: Hardcore transkript od 280MPa do 1500MPa

Dnes mluvíme o tvrdším-zásadním tématu: o mechanických vlastnostech titanu. Laicky řečeno, jsou to různé indikátory, které titan ukazuje, když je namáhán-dá se vytáhnout? Může to rozdrtit? Odolné vůči nárazům? Jak dlouho to může vydržet, když dojde k prasknutí? Bude to ve vysoké teplotě? Zkřehne při nízké teplotě?

Tyto údaje nejsou jen zkušebními zprávami v laboratoři, přímo určují, zda lze titan použít ke konstrukci podvozku letadel, kryogenního zásobníku rakety a zda vydrží 600 stupňů Celsia v motoru.

1. Pevnost v tahu: od čistého titanu 280MPa po slitinu titanu 1500MPa

Pevnost v tahu čistého titanu je 265 ~ 353 MPa, což je podobné jako u běžné hliníkové slitiny. Ale jakmile jsou přidány slitinové prvky, jako je hliník, vanad, molybden a cín, pevnost stoupá. Pevnost v tahu obecných slitin titanu je 686-1176MPa, zatímco pevnost slitin titanu zpevněných roztokem a stárnutím může v současnosti dosáhnout 1760MPa.

Vezměme si jako příklad desku (GB/T 3621): pevnost v tahu průmyslového čistého titanu TA0 je 280-420MPa, TA1 je 370-530MPa, TA2 je 440-620MPa a TA3 je 540-720MPa. Po přidání legujících prvků dosáhl TA5 (Ti-4Al-0,005B) 685MPa, TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn) 735-930MPa a nejklasičtější plech TC4 (Ti-6Al-4V) byl žíhán na 895MPa.

Síla legování je lépe vidět z údajů normy pro tyče (GB/T 2965-1996): pevnost v tahu TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) ve stavu kalení a stárnutí je až 1370 MPa a specifikované zbytkové napětí při prodloužení je 1100 MPa. Pevnost v tahu tyče TC11 je 1030MPa a TC12 dosahuje 1150MPa.

Vysoká pevnost není jediným cílem, specifická pevnost (síla dělená hustotou) je zabijáckou vlastností titanu. Specifická pevnost titanové slitiny je mnohem lepší než u oceli a hliníkové slitiny-to je také základní důvod pro výběr titanu. Vezmeme-li jako příklad TC4, hustota je 4,43 g/cm³, pevnost v tahu při žíhání je asi 900 MPa a specifická pevnost je asi 203 MPa m³/kg, zatímco specifická pevnost vysokopevnostní oceli je asi 50 a slitiny hliníku asi 150.

Výzkum v roce 2025 pokračuje v obnovování stropu pevnosti titanových slitin. Podle zprávy „Journal of Sichuan University“ z roku 2025 je průměrná mez kluzu titanové slitiny TC11 aditivně vyráběné laserovou tavbou ve stavu nanášení 1415 MPa a pevnost v tahu je 1527 MPa. Přestože je poměr prodloužení pouze 6,95 %, pevnost daleko překročila kovanou standardní hodnotu.

2. Kompresní, smykové a tlakové ložisko: „vše-nosné ložisko“ z titanu

Mechanické vlastnosti titanu mají zajímavou vlastnost: při různých silách se chová velmi rovnoměrně.

Pevnost v tlaku: Pevnost v tlakutitan a slitiny titanunení nižší než jeho pevnost v tahu. Mez kluzu v tlaku a mez kluzu v tahu průmyslového čistého titanu jsou přibližně stejné. Pevnost v tlaku TC4 a TA7 je dokonce mírně vyšší než pevnost v tahu. To znamená, že titanové komponenty jsou stejně spolehlivé za tlakových podmínek a jsou vhodné pro nosné sloupy, ložisková pouzdra a tlumící pilíře podvozku. Pevnost ve smyku: obecně 60 % ~ 70 % pevnosti v tahu. Pro TC4 asi 540 ~ 630 MPa. Smykový modul slitiny titanu je 43 ~ 51 GPa a modul průmyslového čistého titanu je 46 GPa. Šrouby, nýty a převodové spoje jsou převážně smykové a tento parametr je základním základem pro návrh.

Mez kluzu pod tlakem: Mez kluzu pod tlakem titanu a plechů ze slitin titanu může dosáhnout 1,2 ~ 2,0 násobku pevnosti v tahu. Je to proto, že ve stavu tlakového napětí je materiál vystaven bočnímu omezení a není snadné nastat plastická nestabilita. Pro letecké nýtovací a upevňovací spoje to znamená, že desky z titanové slitiny vydrží mnohem větší místní tlakové namáhání než při pouhém tahu.

3. Vytrvalostní síla a únava: zkouška dlouhodobého stresu-

Statická pevnost odpovídá pouze „zda se dá stáhnout“ a inženýrská praxe se spíše zabývá tím, „jak dlouho se dá používat“.

Odolnost: Za normální atmosféry je pevnost titanu a titanových slitin po zpracování a žíhání asi 0,5 ~ 0,65 násobek pevnosti v tahu. Tabulka výkonu při vysokých teplotách ukazuje, že pevnost v tahu tyče TC4 při 400 stupních je 620 MPa a pevnost 100 hodin je 570 MPa; TC6 má pevnost v tahu 735MPa a trvanlivou výdrž 665MPa při 400 stupních. Teplota je největším zabijákem vytrvalostní síly-vytrvalostní síla TC4 klesá na 195 MPa při 500 stupních .

Únavová pevnost: Únavová pevnost žíhaného TC4 je asi 0,2 násobek pevnosti v tahu, tj. asi 180 MPa, když se únavová zkouška provádí 10x ve stavu vrubu (K=3.9). Toto číslo se nemusí zdát vysoké, ale je zásadní pro konstrukci komponentů (lopatky motoru, podvozky, rámy trupu), které odolávají střídavému zatížení.

Stojí za zmínku, že slitiny titanu mají dobrý vrubový výkon. TC4 v žíhaném stavu je druh materiálu s vynikající houževnatostí. Když je faktor koncentrace vrubu K=25.4 mm, je poměr pevnosti v tahu ve vrubu k pevnosti v tahu bez vrubu větší než 1. To znamená, že když je koncentrace napětí, TC4 vykazuje vyšší pevnost v tahu než hladké vzorky, což naznačuje, že není dobré proti vrubům a má silnou schopnost odolávat iniciaci trhlin.

Podle výzkumu „Journal of Welding“ z roku 2026 má vysoká cyklická únavová pevnost 30 mm tlustého spoje TC4 svařovaného vakuovým elektronovým paprskem dosáhnout více než 90 % základního kovu, což je velmi důležité pro velké integrální svařované konstrukce z titanové slitiny (jako je hluboká ponorná kabina s posádkou, rám trupu letadla).

4. Tvrdost: čistý titan je velmi měkký, slitina titanu je velmi tvrdá

Tvrdost je ukazatelem schopnosti materiálu odolávat místnímu promáčknutí a opotřebení a titan má v tomto rozměru velké rozpětí.

Tvrdost zpracovaného průmyslového čistého titanu stupně čistoty je obvykle menší než 120 HB (tvrdost podle Brinella) a tvrdost jiného průmyslově čistého zpracovaného titanu je 200 ~ 295 HB. Tvrdost odlitků z čistého titanu je 200 ~ 220 HB.

Tvrdost titanové slitiny při žíhání je 32 ~ 38HRC (stupnice Rockwell C), což odpovídá 298 ~ 349 HB. Tvrdost odlitků TA7 a TC4 jako-je asi 320 HB a odlitků TC4 s nízkou nečistotou mezery je asi 310 HB.

Různé procesy mají významný vliv na tvrdost. Podle výzkumu „Journal of Materials Heat Treatment“ z roku 2026 může tvrdost naneseného stavu TC4 tavením laserového práškového lože (LPBF) dosáhnout 379-417HV (tvrdost podle Vickerse) a po tepelném zpracování při 800 stupních je vyšší butostatická houževnatost a po tepelném zpracování při 800 stupních je vyšší butostatická houževnatost a po lomu klesne na 318-334HV od 42,5 MPa · m1/² do 83,9 MPa · m1/² – kompromis mezi tvrdostí a houževnatostí je zvláště zřejmý při aditivní výrobě.

5. Modul pružnosti: tuhost je pouze 55% tuhost železa, ale je lepší než modul pružnosti

Modul pružnosti v tahu průmyslového čistého titanu je 105 ~ 109 GPa a modul většiny žíhaných titanových slitin je 110 ~ 120 GPa. Stářením tvrzená titanová slitina má mírně vyšší modul pružnosti než žíhaná titanová slitina a modul pružnosti v tlaku je stejný nebo větší než modul pružnosti v tahu.

Tato tuhost je asi 55 % železa a 50 % až 55 % oceli. Přestože jsou titanové slitiny mnohem vyšší než hliník a hliníkové slitiny, nejsou dominantní v případech, které vyžadují extrémně vysokou tuhost (přesná vřetena obráběcích strojů, ložiska). Měrný modul pružnosti (E/ρ) slitin titanu je však srovnatelný se slitinami hliníku, na druhém místě za beryliem, molybdenem a některými superslitinami-vzhledem k tomu, že hustota titanu je pouze 57 % hustoty oceli, není tuhost titanových součástí o stejné hmotnosti špatná.

Ve strojírenství je nedostatečná tuhost titanu kompenzována velikostí průřezu-a optimalizovaným konstrukčním návrhem. V terénu vyžadují titanové slitiny při výměně oceli obvykle 10 % až 20 % tloušťky průřezu-, ale celkovou hmotnost lze přesto snížit o více než 30 %.

6. Rázová houževnatost a lomová houževnatost: poslední linie obrany proti lomu

Nejpřímější cestou ke zlepšení pevnosti titanových slitin je obsah intersticiálních prvků (kyslík, dusík, uhlík), ale to vážně poškodí rázovou vlastnost a lomovou houževnatost. Rovnováha pevnosti a houževnatosti je věčným návrhem v designu slitiny titanu.

Podle autoritativních údajů je vrubová rázová houževnatost Xia čistého titanu ve zpracovatelském průmyslu 15-54J/cm² a odlévaného čistého titanu je 4-10J/cm². Rázová houževnatost žíhané titanové slitiny je 13 ~ 25,8 J/cm² a stav stárnutí je o něco nižší. Účinek TA7 a TC4 v odlitém stavu je 10 J/cm² a 20 ~ 23 J/cm². Čím nižší je obsah kyslíku, tím vyšší je hodnota rázové houževnatosti – to je důvod, proč jsou slitiny titanu extrémně náročné na obsah intersticiálních prvků.

Lomová houževnatost je vynikající výhodouslitiny titanu. Mnoho slitin titanu má vysokou lomovou houževnatost nebo dobrou odolnost proti růstu trhlin. Lomová houževnatost KIC žíhaného TC4 může dosahovat 67,7 ~ 87,0 MPa · m1/² (podle výzkumu procesu kování z roku 2026 „Materiály a aplikace“). Podle výzkumu LPBF TC4 v oblasti "Svařování" v roce 2026 může lomová houževnatost dosáhnout 80,3-83,9 MPa · m1/² po izostatickém lisování za tepla při 940 stupních, což je plně vyžadováno pro servis součástí.

Pro srovnání, lomová houževnatost vysokopevnostních ocelí se stejnou úrovní pevnosti je obvykle 50–80 MPa · m1/² a slitiny titanu mají tendenci fungovat lépe při stejné pevnosti, a proto jsou slitiny titanu široce používány v letadlech v rámci koncepce odolnosti proti poškození. Jeden z důvodů klíčové struktury.

7. Výkon při vysoké teplotě: 450 stupňů je "strop" konvenčního titanu

Článek uvádí jasný teplotní limit: obecné průmyslové slitiny titanu mohou mít užitečné vlastnosti při 540 stupních, ale mohou být použity pouze po krátkou dobu; Rozsah provozních teplot je 450 ~ 480 stupňů. Titanové slitiny pro střely lze použít při 540 stupních a krátkodobě při 760 stupních. V té době byly vyvinuty slitiny titanu pro použití v úhlu 600 stupňů.

Odolnost v tahu TA7 je 440MPa a trvanlivost je 195MPa při 500 stupních; TC3/TC4 má pevnost v tahu 440MPa a trvanlivou výdrž 195MPa při 500 stupních. TC6 má pevnost v tahu 735MPa a trvanlivost 665MPa při 400 stupních; TC11 má pevnost v tahu 685MPa a trvanlivost 590MPa při 500 stupních; TC9 má pevnost v tahu 785MPa a trvanlivost 590MPa při 500 stupních. Vysokoteplotní-slitiny titanu dnes udělaly velký pokrok. Podle průmyslových veřejných informací má Ti60 (Ti-5. 8Al-4,8 Sn-2,0 Zr-1,0 Mo-0,35Si-0,85 Nd) nezávisle vyvinutý mou zemí provozní teplotu 600 stupňů a pevnost v tahu 500 stupňů větší nebo rovnou 7; Provozní teplota Ti65 může dosáhnout 650 stupňů a byla použita ve vysokotlakém kompresorovém disku a integrálním kompresoru nové generace motorů. V roce 2025 dosáhne pevnost v tahu Ti180 (Ti-6Al-3Sn-4Zr-2Mo-0,5 Si) ve stavu stárnutí v roztoku 1100-1250 MPa, rychlost pevnosti při vysoké teplotě při 550 stupních bude větší nebo rovna 70 % a mez únavy bude zvýšena o 15 % - TC4.

Intermetalická sloučenina TiAl představuje vyšší teplotní směr: Ti-48Al-2Cr-2Nb má hustotu pouze 3,9 g/cm³ a ​​teplotní odolnost 750-900 stupňů . Byl použit v nízkotlakých turbínových lopatkách motorů GEGENx a CFM LEAP jako náhrada slitin na bázi niklu Snížení hmotnosti o 50 %.

8. Výkon při nízkých teplotách: Titan je stále houževnatý při teplotě -253 stupňů

Jednou z nejvíce podceňovaných schopností titanu je jeho výkon při extrémně nízkých teplotách.

S teplotou se titan a slitiny titanu stávají pevnějšími a méně tažnými-jak je tomu u většiny kovů. Titan je však jedinečný v tom, že mnoho žíhaných titanových slitin má stále dostatečnou tažnost a lomovou houževnatost při -195,5 stupních (teplota kapalného dusíku). TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn ELI) s nízkým obsahem intersticiálních prvků lze použít při -252,7. d egree. C. (teplota kapalného vodíku) a poměr pevnosti v tahu vrubem k pevnosti v tahu bez vrubu je při této teplotě 0,95-1,15.

Prodloužení TC4 může stále dosáhnout 12 % při-252,7 stupni. Podle hodnocení nízkoteplotní titanové slitiny „China Materials Progress“ z roku 2026 má rovnoosá struktura TC4 mez kluzu asi 1500 MPa a prodloužení asi 18 % při-253 stupních; Pevnost v tahu TC4 byla 1544,5 MPa při-253 stupních a prodloužení bylo 5,85 %. Nízkoteplotní titanová slitina CT20 (systém Ti-Al-Zr-Mo) nezávisle vyvinutá mou zemí rozšířila svou provozní teplotu na teplotní rozsah kapalného vodíku (-253 stupňů) a má dobrý výkon při nízkých teplotách a zpracovatelnost.

Pro letecký průmysl to znamená hodně. Kapalný kyslík (-183 stupňů), kapalný vodík (-253 stupňů) a kapalný fluor jsou hlavními pohonnými látkami raket a vesmírných zařízení a materiály kryogenních nádrží nemohou být při extrémně nízkých teplotách křehké. Ocel podstoupí tvárný-křehký přechod při-253 stupních, hliníkové slitiny budou mít nedostatečnou pevnost, zatímco slitiny titanu – zejména TC4 ELI a TA7 ELI – zůstanou tvárné při teplotách kapalného vodíku. Podle průmyslových zpráv z roku 2026 bylo zkonstruováno dno integrální rotační titanové slitiny o průměru 3,8 metru v Číně a 3D tištěná titanová nádrž UNIST v Jižní Koreji prošla ověřením -253 stupňů 0,8 MPa. Titan se stává kandidátním materiálem pro kryogenní nádrže nové generace těžkých nosných raket.

Při teplotě -196 stupňů kapalného dusíku se pevnost TC4 ELI zvyšuje z 848 MPa na 1319 MPa při pokojové teplotě, přičemž prodloužení je stále 24,9 %-, současně se zlepšuje pevnost a plasticita. Toto anomální chování je způsobeno vazebným efektem deformačních dvojčat a multisystémovým prokluzem při nízké teplotě.

Závěr

Mechanické vlastnosti titanu představují bohatý obraz: čistý titan je měkký a houževnatý, slitiny titanu jsou pevné a houževnaté; Při vysoké teplotě bude, ale stále držet 600 stupňů, a při nízké teplotě zesílí a stále se prodlužuje; Modul pružnosti není vysoký, ale specifický modul pružnosti je vynikající, rozpětí tvrdosti je velké, ale lomová houževnatost je vynikající.

Když porozumíte těmto údajům, můžete pochopit, proč C919 používá 9,3% titanovou slitinu, proč si kabina Struggle zvolila TC4 ELI, proč raketová nádrž začíná nahrazovat ocel a hliník titanem a proč lopatky motoru potřebují novou vysokoteplotní titanovou slitinu.

Titan není nejtvrdší kov, není to nejsilnější kov a není to kov, který je nejvíce teplotně-odolný. Ale v kombinaci „lehký, pevný, houževnatý, teplotně-odolný, korozi-odolný a magnetický-neobsahuje jeho mechanické vysvědčení zatím žádné soupeře.