Clasificarea metalelor ne-feroase și a aliajelor de titan

Ce sunt metalele ne-feroase?

Metalele ne-feroase sunt metale și aliaje care nu conțin fier ca constituent principal. Sunt grupate conventional in mai multe familii: metale usoare (aluminiu, magneziu, titan, beriliu), metale grele (cupru, nichel, plumb, zinc, staniu), metale refractare (wolfram, molibden, tantal, niobiu), metale pretioase (grupa aur, argint, platina), metale rare si metale radioactive. Deoarece oferă proprietăți pe care oțelul nu le poate egala - densitate scăzută, rezistență specifică ridicată, rezistență la coroziune, conductivitate electrică -, acestea sunt indispensabile în industria aerospațială, procesarea chimică, electronică, inginerie marină și tehnologia medicală. Titanul se află la granița dintre metalele ușoare și cele refractare: densitatea sa de 4,5 g/cm³ este de doar 60% din oțel, în timp ce punctul său de topire de 1668 de grade îl depășește pe cel al majorității metalelor structurale.

Alotropia titanului: Transformarea alfa-Beta

Titanul pur este alotrop: schimbă structura cristalului odată cu temperatura. Sub 882 de grade, există ca fază alfa, o rețea hexagonală -închisă (HCP). Peste 882 de grade se transformă în faza beta, o rețea-cubică centrată pe corp (BCC). Această temperatură de transformare, numită beta transus, este cel mai important punct de referință în metalurgia titanului. Transusul nu este fix - elemente de aliere, fie îl ridică, fie îl coboară -, iar modul în care un furnizor controlează încălzirea și răcirea în jurul acestei linii determină microstructura finală și, prin urmare, proprietățile mecanice ale produsului de moară.

Elemente de aliere și rolul lor

Elementele de aliere sunt clasificate după efectul lor asupra beta transusului și asupra stabilității fiecărei faze:

stabilizatori alfa- ridicați transusul și lărgiți câmpul alfa. Cele mai importante sunt aluminiul, oxigenul, azotul și carbonul. Aluminiul este principalul adaos de întărire în aproape toate aliajele comerciale de titan și, de asemenea, scade densitatea. Oxigenul și azotul se întăresc prin soluție interstițială, dar reduc drastic ductilitatea, astfel încât limitele lor sunt strict controlate în specificații.

stabilizatori beta- coboară transusul și stabilizează faza beta. Aceștia se împart în două sub-grupe: stabilizatori beta izomorfi, cum ar fi molibdenul, vanadiul, niobiul și tantalul, care sunt solubili în beta titan pe o gamă largă; și stabilizatori beta eutectoizi, cum ar fi crom, mangan, fier, cupru și siliciu, care formează reacții eutectoide și pot precipita compuși intermetalici.

Elemente neutre- zirconiul și staniul au doar un efect minor asupra transusului și sunt utilizate în principal pentru a întări faza alfa prin întărirea în soluție-solidă, fără a destabiliza structura.

Cele trei clase structurale ale aliajului de titan

Aliaje alfa

Aliajele alfa constau dintr-o soluție solidă alfa cu o singură fază-la temperatura de serviciu. Ele păstrează o structură stabilă până la aproximativ 500-600 de grade, cu o bună rezistență la fluaj și rezistență la oxidare și se sudează cu ușurință. Limitarea lor este că nu pot fi întărite prin tratament termic, astfel încât rezistența la temperatura camerei- rămâne moderată. Calitățile pure din punct de vedere comercial și aliajele aproape alfa, cum ar fi gradul 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) aparțin acestei familii, iar în sistemul de desemnare chinezesc poartă codul TA.

Aliaje beta

Aliajele beta sunt aliaje beta monofazice-care pot fi prelucrate-la rece în stare beta metastabilă și apoi îmbătrânite până la o rezistență foarte mare. Rezistența la temperatura camerei-după tratarea soluției și îmbătrânirea poate ajunge la 1370-1660 MPa, motiv pentru care aliajele beta sunt specificate pentru elemente de fixare și arcuri cu încărcare mare. Compensația este o stabilitate termică slabă peste aproximativ 300 de grade și o ductilitate mai mică în starea de îmbătrânire. Codul de desemnare chinezesc este TB.

Aliaje alfa-beta

Aliajele alfa-beta păstrează o structură duplex de alfa plus beta transformată. Acestea combină o bună rezistență, tenacitate, formabilitate și prelucrabilitate la cald și răspund la tratarea soluției și la îmbătrânire, ceea ce ridică rezistența cu 50-100% peste nivelul recoacet. Acestea funcționează fiabil la 400-500 de grade. Cel mai cunoscut exemplu este gradul 5, Ti-6Al-4V, iar codul chinezesc este TC.

Ca regulă generală, prelucrabilitatea este cea mai bună în aliajele alfa, intermediară în aliajele alfa-beta și cea mai proastă în aliajele beta-de înaltă rezistență.

Clasificare în funcție de serviciul prevăzut

Aliajele de titan sunt, de asemenea, clasificate în funcție de aplicare în aliaje rezistente la căldură, aliaje de înaltă rezistență, aliaje rezistente la coroziune (de exemplu titan, molibden și titan, paladiu, cum ar fi gradul 7 și gradul 11), aliaje criogenice speciale, cum ar fi aliajele speciale, precum aliaje cu memorie de titan-nichel-și materiale de depozitare-fier hidrogen-titan. Un singur aliaj apare adesea în mai multe categorii: Ti-6Al{-4V, de exemplu, este simultan un aliaj de înaltă rezistență, un aliaj rezistent la coroziune și, în forma sa ELI, o calitate criogenică și medicală.

Selectarea dintre clase

Pentru majoritatea achizițiilor de inginerie, îndrumările practice sunt scurte. Alegeți un aliaj alfa sau aproape-alfa atunci când piesa este sudată, formată adânc sau folosită peste 400 de grade . Alegeți un aliaj alfa-beta, cum ar fi gradul 5, atunci când aveți nevoie de cea mai bună combinație de rezistență, duritate și cost. Alegeți un aliaj beta numai atunci când rezistența foarte mare este esențială și temperatura de serviciu rămâne scăzută. Specificați întotdeauna gradul împreună cu standardul său de guvernare -, de exemplu, gradul 5 bar la ASTM B348 sau Ti-6Al-4V la GB/T 3620.1 -, astfel încât chimia, proprietățile mecanice și testarea să fie toate definite fără ambiguitate.

FAQ

De ce titanul schimbă structura cristalului la 882 de grade?

Schimbarea este o transformare alotropică naturală determinată de energia liberă: sub 882 de grade, rețeaua alfa hexagonală apropiată-este mai stabilă, iar deasupra acesteia rețeaua beta cubică centrată pe corp-devine mai stabilă. Elementele de aliere modifică această temperatură, astfel încât metalurgiștii proiectează aliaje cu echilibrul alfa-beta dorit.

Care este diferența dintre aliajele de titan alfa și beta?

Aliajele alfa sunt monofazate, stabile la temperaturi ridicate, sudabile și formabile, dar nu pot fi tratate termic-, cu rezistență moderată. Aliajele beta pot fi îmbătrânite până la o rezistență foarte mare, dar sunt mai puțin stabile termic și mai greu de format și prelucrat. Aliajele alfa-beta se află între cele două și oferă cea mai bună combinație generală.

Ce elemente sunt adăugate titanului pentru a crește rezistența?

Aluminiul este principalul adaos de întărire, urmat de beta stabilizatori precum vanadiu, molibden, niobiu și fier. Oxigenul și azotul se întăresc prin soluție interstițială, dar sunt menținute în limite stricte deoarece fragilizează aliajul.

Ce înseamnă codul TA, TB sau TC în specificațiile de titan?

Acestea sunt codurile standard chinezești din GB/T 3620.1: TA desemnează aliajele de titan alfa, TB desemnează aliajele de titan beta și TC desemnează aliajele de titan alfa-beta. Cumpărătorii internaționali vor vedea mai des denumiri ASTM, cum ar fi gradul 2, gradul 5 și gradul 12, care nu urmează acest sistem de litere.

Aliajele de titan pot fi întărite prin tratament termic?

Aliajele alfa nu pot fi întărite semnificativ prin tratament termic. Aliajele alfa-beta și beta pot: tratarea cu soluție urmată de îmbătrânire (STA) precipită faze secundare fine care cresc rezistența, de obicei cu 50-100% peste nivelul de recoacere pentru aliajele alfa-beta și mai mult pentru aliajele beta.

De ce este aluminiul cel mai comun element de aliere din titan?

Aluminiul este un stabilizator alfa abundent, cu-cost redus, care crește rezistența atât la temperatura camerei, cât și la temperaturi ridicate, îmbunătățește rezistența la fluaj și reduce densitatea. Este compatibil cu faza alfa într-o gamă largă de compoziții, motiv pentru care aproape fiecare aliaj comercial de titan îl conține.