Titaanin mekaaniset ominaisuudet: Kovaydinkopio 280 MPa - 1500 MPa
Tänään puhumme vaikeammasta-ydinaiheesta: titaanin mekaanisista ominaisuuksista. Maallikon termein titaani näyttää eri indikaattoreilla, kun se on stressaantunut-voiko sitä vetää? Voiko se murskata? Iskunkestävä? Kuinka kauan se voi kestää, jos siinä on halkeama? Onko se korkeassa lämpötilassa? Tuleeko se hauraaksi alhaisessa lämpötilassa?
Nämä luvut eivät ole vain testiraportteja laboratoriossa, vaan ne määrittävät suoraan, voidaanko titaanista rakentaa lentokoneiden laskutelineitä, raketin kryogeenisiä varastosäiliöitä ja kestääkö 600 celsiusastetta moottorissa.
1. Vetolujuus: puhtaasta titaanista 280 MPa titaaniseokseen 1500 MPa
Puhtaan titaanin vetolujuus on 265 ~ 353 MPa, mikä on samanlainen kuin tavallisen alumiiniseoksen. Mutta kun seoselementtejä, kuten alumiinia, vanadiinia, molybdeeniä ja tinaa lisätään, lujuus nousee. Yleisten titaaniseosten vetolujuus on 686-1176 MPa, kun taas -tyyppisten titaaniseosten, jotka on vahvistettu liuottamalla ja vanhentamalla, voi tällä hetkellä olla 1760 MPa.
Esimerkkinä levystä (GB/T 3621): teollisen puhtaan titaanin TA0 vetolujuus on 280-420 MPa, TA1 on 370-530 MPa, TA2 on 440-620 MPa ja TA3 on 540-720 MPa. Seoselementtien lisäämisen jälkeen TA5 (Ti-4Al-0,005B) saavutti 685 MPa, TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn) saavutti 735-930 MPa, ja klassisin TC4 (Ti-6Al-4V) arkki hehkutettiin 895 MPa:lla.
Seoksen teho näkyy paremmin tankostandardin (GB/T 2965-1996) tiedoista: TB2:n (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) vetolujuus sammutus- ja vanhentamistilassa on jopa 1370 MPa ja määritetty jäännösvenymäjännitys on 1100 MPa. TC11 baarin vetolujuus on 1030 MPa ja TC12 saavuttaa 1150 MPa.
Suuri lujuus ei ole ainoa tavoite, vaan ominaislujuus (lujuus jaettuna tiheydellä) on titaanin tappava ominaisuus. Titaaniseoksen ominaislujuus on paljon parempi kuin teräksen ja alumiiniseoksen -tämä on myös perussyy titaanin valinnalle. Esimerkkinä TC4:n tiheys on 4,43 g/cm³, hehkutuksen vetolujuus noin 900 MPa ja ominaislujuus noin 203 MPa m³/kg, kun taas korkean -lujan teräksen ominaislujuus on noin 50 ja alumiiniseoksen ominaislujuus noin 150.
Tutkimus vuonna 2025 jatkaa titaaniseosten lujuuskaton päivittämistä. "Journal of Sichuan Universityn" vuoden 2025 raportin mukaan lasersulakkeella lisäaineena valmistetun TC11-titaaniseoksen keskimääräinen myötöraja on 1415MPa ja vetolujuus 1527MPa. Vaikka venymäaste on vain 6,95 %, lujuus on selvästi ylittänyt taotun standardiarvon.
2. Puristus-, leikkaus- ja painelaakeri: titaanin "kaikkien{1}}kuormituksen kantaminen"
Titaanin mekaanisilla ominaisuuksilla on mielenkiintoinen piirre: se käyttäytyy hyvin tasaisesti eri voimien alla.
Puristuslujuus: Puristuslujuustitaani ja titaaniseoksetei ole pienempi kuin sen vetolujuus. Teollisen puhtaan titaanin myötölujuus puristus- ja vetolujuus on suunnilleen sama. TC4:n ja TA7:n puristuslujuus on jopa hieman suurempi kuin vetolujuus. Tämä tarkoittaa, että titaanikomponentit ovat yhtä luotettavia paineolosuhteissa ja soveltuvat pylväiden, laakeripesien ja laskutelineiden vaimennuspilareiden tukemiseen. Leikkauslujuus: yleensä 60% ~ 70% vetolujuudesta. TC4:lle noin 540 ~ 630 MPa. Titaaniseoksen leikkausmoduuli on 43 ~ 51 GPa ja teollisen puhtaan titaanin leikkausmoduuli on 46 GPa. Pultit, niitit ja voimansiirtoliitokset ovat pääasiassa leikkausta, ja tämä parametri on suunnittelun ydin.
Myötölujuus paineen alaisena: Titaanin ja titaaniseoslevyjen myötölujuus paineessa voi olla 1,2-2,0 kertaa vetolujuus. Tämä johtuu siitä, että puristusjännityksen tilassa materiaali on alttiina sivuttaisille rajoituksille, eikä plastisen epävakauden esiintyminen ole helppoa. Lentokoneen pinnan niittaus- ja kiinnitysliitoksissa tämä tarkoittaa, että titaaniseoslevyt kestävät paljon suurempia paikallisia puristusrasituksia kuin yksinkertaisesti vetona.
3. Kestävyysvoima ja väsymys: pitkäaikaisen-stressin testi
Staattinen lujuus vastaa vain "voidaanko se irrottaa", ja insinöörikäytäntö on enemmän huolissaan "kuinka kauan sitä voidaan käyttää".
Kestävyyslujuus: Normaalissa ilmakehässä titaanin ja titaaniseosten kestolujuus käsittelyn ja hehkutuksen jälkeen on noin 0,5 - 0,65 kertaa vetolujuus. Korkean lämpötilan suorituskykytaulukko osoittaa, että TC4 baarin vetolujuus 400 asteessa on 620 MPa ja 100 tunnin kestävyys on 570 MPa; TC6:n vetolujuus on 735 MPa ja kestävä kesto 665 MPa 400 asteen kulmassa. Lämpötila on suurin kestävyysvoiman tappaja{13}}TC4:n kestävyys putoaa 195 MPa:iin 500 asteen kulmassa.
Väsymislujuus: Hehkutetun TC4:n väsymislujuus on noin 0,2 kertaa vetolujuus eli noin 180 MPa, kun väsymiskoe suoritetaan 10 kertaa lovetussa tilassa (K=3.9). Tämä luku ei ehkä vaikuta suurelta, mutta se on kriittinen komponenttien (moottorin siivet, laskutelineet, rungon rungot) suunnittelussa, jotka kestävät vaihtelevia kuormituksia.
On syytä huomata, että titaaniseosten suorituskyky on hyvä. Hehkutetussa tilassa oleva TC4 on eräänlainen materiaali, jolla on erinomainen sitkeys. Kun lovikonsentraatiokerroin K=25.4 mm, lovetun vetolujuuden suhde ei--lovitettuun vetolujuuteen on suurempi kuin 1. Tämä tarkoittaa, että jännityskeskittymän ollessa kyseessä TC4:n vetolujuus on suurempi kuin sileillä näytteillä, mikä osoittaa, että se ei ole hyvä lovia vastaan ja sillä on vahva kyky vastustaa halkeaman alkamista.
"Journal of Weldingin" vuonna 2026 tekemän tutkimuksen mukaan tyhjiöelektronisäteellä hitsatun 30 mm paksun TC4-liitoksen korkean syklin väsymislujuus voi saavuttaa yli 90 % perusmetallista, mikä on erittäin tärkeää suurille integroiduille hitsatuille titaaniseosrakenteille (kuten syvälle upotettavalle miehitetylle matkustamolle.)
4. Kovuus: puhdas titaani on erittäin pehmeää, titaaniseos on erittäin kovaa
Kovuus on indeksi materiaalin kyvystä vastustaa paikallista painaumaa ja kulumista, ja titaanilla on suuri jänneväli tässä mittasuhteessa.
Puhtausluokan käsitellyn teollisen puhtaan titaanin kovuus on yleensä alle 120HB (Brinell-kovuus), ja muun teollisesti puhtaan käsitellyn titaanin kovuus on 200 ~ 295HB. Puhtaan titaanivalujen kovuus on 200 ~ 220 HB.
Hehkutetun titaaniseoksen kovuus on 32–38 HRC (Rockwell C-asteikko), mikä vastaa 298–349 HB:tä. Valetun TA7:n ja TC4:n kovuus on noin 320 HB ja pienivälisten TC4-valujen kovuus on noin 310 HB.
Eri prosessit vaikuttavat merkittävästi kovuuteen. "Journal of Materials Heat Treatment" -lehden vuonna 2026 tekemän tutkimuksen mukaan laserjauhepetisulatuksen (LPBF) TC4-kerrostuneen tilan kovuus voi saavuttaa 379-417HV (Vickers-kovuus), ja se laskee 318-334HV lämpökäsittelyn jälkeen 800 asteen lämpötilassa ja 90 asteen paineen jälkeen, murtolujuus nostetaan arvosta 42,5 MPa · m1/² arvoon 83,9 MPa · m1/² - kovuuden ja sitkeyden kompromissi on erityisen ilmeinen lisäainevalmistuksessa.
5. Kimmomoduuli: jäykkyys on vain 55 % raudan jäykkyydestä, mutta se on parempi kuin kimmomoduuli
Teollisen puhtaan titaanin vetokimmomoduuli on 105 ~ 109 GPa ja useimpien hehkutettujen titaaniseosten vetokimmomoduuli on 110 ~ 120 GPa. Vanhentuneella-titaaniseoksella on hieman suurempi kimmokerroin kuin hehkutetulla titaaniseoksella, ja puristuskimmomoduuli on yhtä suuri tai suurempi kuin vetokimmomoduuli.
Tämä jäykkyys on noin 55 % rautaa ja 50 % - 55 % terästä. Vaikka titaaniseokset ovat paljon korkeampia kuin alumiini ja alumiiniseokset, ne eivät ole hallitsevia tilanteissa, joissa vaaditaan erittäin suurta jäykkyyttä (tarkkuustyöstökoneiden karat, laakerit). Titaaniseosten ominaiskimmokerroin (E/ρ) on kuitenkin verrattavissa alumiiniseosten omaan kimmokerrokseen, toiseksi vain berylliumin, molybdeenin ja joidenkin superseosten jälkeen, -ottaen huomioon, että titaanin tiheys on vain 57 % teräksen tiheydestä, titaanikomponenttien jäykkyys ei ole sama paino.
Tekniikan alalla titaanin jäykkyyden puute kompensoidaan poikkileikkauksen koolla ja optimoidulla rakennesuunnittelulla. Kentällä titaaniseokset vaativat yleensä 10–20 % poikkileikkauksen paksuudesta, kun terästä vaihdetaan, mutta kokonaispainoa voidaan silti vähentää yli 30 %.
6. Iskusitkeys ja murtolujuus: viimeinen puolustuslinja murtumista vastaan
Suorin tapa parantaa titaaniseosten lujuutta on interstitiaalisten elementtien (happi, typpi, hiili) pitoisuus, mutta tämä vahingoittaa vakavasti iskunkestävyyttä ja murtolujuutta. Lujuuden ja sitkeyden tasapaino on ikuinen ehdotus titaaniseossuunnittelussa.
Virallisten tietojen mukaan puhtaan titaanin Xia-iskulujuus jalostusteollisuudessa on 15-54 J/cm ² ja valetun puhtaan titaanin 4-10 J/cm ². Hehkutetun titaaniseoksen iskulujuus on 13 ~ 25,8 J/cm², ja vanhenemistila on hieman alhaisempi. Valettujen TA7:n ja TC4:n vaikutus on 10 J/cm ² ja 20 ~ 23 J/cm ². Mitä pienempi happipitoisuus on, sitä korkeampi vaikutusarvo - tästä syystä titaaniseokset ovat erittäin ankaria interstitiaalisen elementin sisällölle.
Murtolujuus on erinomainen etutitaaniseokset. Monilla titaaniseoksilla on korkea murtolujuus tai hyvä kestävyys halkeamien kasvua vastaan. Hehkutetun TC4:n murtolujuus KIC voi olla 67,7 ~ 87,0 MPa · m1/² ("Materiaalit ja sovellukset" -julkaisun 2026 taontaprosessitutkimuksen mukaan). LPBF TC4:n "hitsauksessa" vuonna 2026 tekemän tutkimuksen mukaan murtolujuus voi saavuttaa 80,3-83,9 MPa · m1/² kuumaisostaattisen 940 asteen puristuksen jälkeen, mikä on täysin välttämätöntä komponenttien huoltoon.
Vertailun vuoksi voidaan todeta, että samalla lujuustasolla olevien -lujien terästen murtolujuus on yleensä 50–80 MPa · m1/², ja titaaniseokset toimivat yleensä paremmin samalla lujuudella, minkä vuoksi titaaniseoksia käytetään laajalti lentokoneissa vauriotoleranssin suunnittelukonseptin mukaisesti. Yksi syy avaimen rakenteeseen.
7. Korkean lämpötilan suorituskyky: 450 astetta on tavanomaisen titaanin "katto".
Paperi antaa selkeän lämpötilarajan: yleisillä teollisilla titaaniseoksilla voi olla hyödyllisiä ominaisuuksia 540 asteessa, mutta niitä voidaan käyttää vain lyhyen aikaa; Käyttölämpötila-alue on 450 ~ 480 astetta. Ohjusten titaaniseoksia voidaan käyttää 540 asteessa ja lyhyen aikaa 760 asteessa. Tuolloin oli kehitetty titaaniseoksia 600 asteen käyttöön.
TA7:n vetolujuus on 440 MPa ja kestävyys 195 MPa 500 asteessa; TC3/TC4:n vetolujuus on 440 MPa ja kestävä kesto 195 MPa 500 asteen kulmassa. TC6:n vetolujuus on 735 MPa ja kestävyys 665 MPa 400 asteen kulmassa; TC11:n vetolujuus on 685 MPa ja kestävyys 590 MPa 500 asteen kulmassa; TC9:n vetolujuus on 785 MPa ja kestävyys 590 MPa 500 asteen kulmassa. Nykyään korkean lämpötilan{23}}titaaniseokset ovat edistyneet suuresti. Teollisuuden julkisten tietojen mukaan maani itsenäisesti kehittämän Ti60:n (Ti-5. 8Al-4.8 Sn-2.0 Zr-1.0 Mo-0.35Si-0.85 Nd) käyttölämpötila on 600 astetta ja vetolujuus 500 astetta Suurempi tai yhtä suuri kuin 735MPa; Ti65:n käyttölämpötila voi nousta 650 asteeseen, ja sitä on käytetty uuden sukupolven moottoreiden korkeapainekompressorilevyssä ja kiinteässä bliskissä. Vuonna 2025 Ti180:n (Ti-6Al-3Sn-4Zr-2Mo-0,5 Si) vetolujuus liuosvanhentamistilassa saavuttaa 1100-1250 MPa, korkean lämpötilan lujuusnopeus 550 asteessa on suurempi tai yhtä suuri kuin 70%, ja väsymisrajaa nostetaan 15%:lla TC40:lla.
Intermetallinen TiAl-yhdiste edustaa korkeampaa lämpötilasuuntaa: Ti-48Al-2Cr-2Nb:n tiheys on vain 3,9 g/cm³ ja lämpötilankesto 750-900 astetta. Sitä on käytetty GEGENx- ja CFM LEAP -moottoreiden matalapaineturbiinien siivissä nikkelipohjaisten metalliseosten korvaamiseen. Painoa on vähennetty 50 %.
8. Matalan lämpötilan suorituskyky: Titaani on edelleen kovaa -253 astetta
Yksi titaanin aliarvioiduimmista ominaisuuksista on sen suorituskyky erittäin alhaisissa lämpötiloissa.
Lämpötilan myötä titaanista ja titaaniseoksesta tulee vahvempia ja vähemmän sitkeitä-kuten useimpien metallien kohdalla. Titaani on kuitenkin ainutlaatuinen siinä mielessä, että monilla hehkutetuilla titaaniseoksilla on edelleen riittävä sitkeys ja murtolujuus -195,5 asteessa (nestemäisen typen lämpötila). TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn ELI), jolla on alhainen interstitiaalinen elementtipitoisuus, voidaan käyttää -252,7. d egree. C. (nestemäisen vedyn lämpötila), ja lovetun vetolujuuden suhde ei-lovilliseen vetolujuuteen on 0,95-1,15 tässä lämpötilassa.
TC4:n venymä voi silti saavuttaa 12 % -252,7 asteessa. Vuoden 2026 "China Materials Progress" matalan lämpötilan titaaniseoskatsauksen mukaan tasaakselisen rakenteen TC4 myötölujuus on noin 1500 MPa ja venymä noin 18 % 253 asteessa; TC4:n vetolujuus oli 1544,5 MPa -253 asteessa ja venymä 5,85 %. Matalissa lämpötiloissa toimiva CT20-titaaniseos (Ti-Al-Zr-Mo-järjestelmä), jonka kotimaani on kehittänyt itsenäisesti, on laajentanut käyttölämpötilansa nestemäisen vedyn lämpötila-alueelle (-253 astetta), ja sillä on hyvä suorituskyky ja prosessoitavuus matalissa lämpötiloissa.
Tämä merkitsee paljon ilmailuteollisuudelle. Nestemäinen happi (-183 astetta), nestemäinen vety (-253 astetta) ja nestemäinen fluori ovat rakettien ja avaruuslaitteiden ydinponneaineita, eivätkä kryogeeniset säiliömateriaalit voi olla hauraita erittäin matalissa lämpötiloissa. Teräs käy läpi sitkeän-hauraan siirtymän-253 asteessa, alumiiniseokset eivät ole riittävän lujia, kun taas titaaniseokset - erityisesti TC4 ELI ja TA7 ELI - pysyvät sitkeinä nestemäisissä vedyn lämpötiloissa. Vuoden 2026 teollisuuden raporttien mukaan 3,8 metriä halkaisijaltaan kiinteästi pyörivän titaaniseoslaatikon pohja Kiinassa on suunniteltu ja Etelä-Korean UNISTin 3D-tulostettu titaanisäiliö on läpäissyt -253 asteen 0,8 MPa:n tarkastuksen. Titaanista on tulossa ehdokasmateriaali uuden sukupolven raskaiden kantorakettien kryogeenisiin tankkeihin.
-196 asteen nestemäisen typen lämpötilassa TC4 ELI:n lujuus kasvaa 848 MPa:sta 1319 MPa:iin huoneenlämpötilassa, kun taas venymä on edelleen 24,9 %-lujuus ja plastisuus paranevat samalla. Tämä epänormaali käyttäytyminen johtuu muodonmuutoskaksosten kytkentävaikutuksesta ja useiden järjestelmien luistamisesta alhaisessa lämpötilassa.
Johtopäätös
Titaanin mekaaniset ominaisuudet antavat rikkaan kuvan: puhdas titaani on pehmeää ja sitkeää, titaaniseokset ovat vahvoja ja sitkeitä; Korkeassa lämpötilassa se pysyy silti 600 asteessa, ja alhaisessa lämpötilassa se vahvistuu ja jatkuu edelleen; Kimmokerroin ei ole korkea, mutta ominaiskimmokerroin on erinomainen, kovuusjänne on suuri, mutta murtolujuus on erinomainen.
Kun ymmärrät nämä luvut, ymmärrät, miksi C919 käyttää 9,3-prosenttista titaaniseosta, miksi Struggle ball -hytti valitsee TC4 ELI:n, miksi rakettisäiliö alkaa korvata terästä ja alumiinia titaanilla ja miksi moottorin siivet tarvitsevat uutta korkean -lämpötilan titaaniseosta.
Titaani ei ole kovin metalli, se ei ole vahvin metalli, eikä se ole kuumin-kestävä metalli. Mutta "kevyt, vahva, sitkeä, lämpötilan-kestävä, korroosionkestävä-ja magneetti-vapaa" yhdistelmässä sen mekaanisella raporttikortilla ei ole toistaiseksi kilpailijoita.
