Механічні властивості титану: жорстка транскрипція від 280 МПа до 1500 МПа
Сьогодні ми поговоримо про складнішу-тему: механічні властивості титану. Якщо говорити непрофесіоналом, то під час навантаження титан показує різні показники-чи можна його витягнути? Чи може це розчавити? Ударостійкий? Як довго це може тривати, якщо є тріщина? Це буде при високій температурі? Чи стане він крихким при низькій температурі?
Ці цифри є не просто звітами про випробування в лабораторії, вони безпосередньо визначають, чи можна використовувати титан для виготовлення шасі літаків, ракетного кріогенного резервуара для зберігання та чи зможе він витримувати 600 градусів за Цельсієм у двигуні.
1. Міцність на розрив: від чистого титану 280 МПа до титанового сплаву 1500 МПа
Міцність на розрив чистого титану становить 265 ~ 353 МПа, що подібно до міцності звичайного алюмінієвого сплаву. Але як тільки додаються елементи сплаву, такі як алюміній, ванадій, молібден і олово, міцність зростає. Міцність на розрив загальних титанових сплавів становить 686-1176 МПа, тоді як міцність титанових сплавів типу типу, зміцнених розчином і старінням, може досягати 1760 МПа в даний час.
Для прикладу пластини (GB/T 3621): міцність на розрив промислового чистого титану TA0 становить 280-420 МПа, TA1 — 370-530 МПа, TA2 — 440-620 МПа, а TA3 — 540-720 МПа. Після додавання легуючих елементів TA5 (Ti-4Al-0,005B) досяг 685 МПа, TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn) досяг 735-930 МПа, а найбільш класичний лист TC4 (Ti-6Al-4V) був відпалений при 895 МПа.
Потужність легування краще видно з даних стандарту на стрижні (GB/T 2965-1996): міцність на розрив TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) у стані загартування та старіння становить 1370 МПа, а вказане залишкове напруження подовження становить 1100 МПа. Міцність на розрив стрижня TC11 становить 1030 МПа, а TC12 досягає 1150 МПа.
Висока міцність — це не єдине прагнення, питома міцність (міцність, поділена на щільність) — головна властивість титану. Питома міцність титанового сплаву набагато краща, ніж у сталі й алюмінієвого сплаву-це також основна причина вибору титану. Для прикладу TC4 щільність становить 4,43 г/см ³, опір розтягу під час відпалу становить близько 900 МПа, а питома міцність становить близько 203 МПа м ³/кг, тоді як питома міцність високо-сталі становить близько 50, а алюмінієвого сплаву — близько 150.
Дослідження 2025 року продовжують оновлювати межі міцності титанових сплавів. Відповідно до звіту "Journal of Sichuan University" за 2025 рік, середня межа текучості титанового сплаву TC11, виготовленого за допомогою лазерного запобіжника в стані осадження, становить 1415 МПа, а міцність на розрив становить 1527 МПа. Незважаючи на те, що коефіцієнт подовження становить лише 6,95%, міцність значно перевищила стандартне значення для кування.
2. Підшипник стиску, зсуву та тиску: "-всестороння опора навантаження" з титану
Механічні властивості титану мають цікаву особливість: він поводиться дуже рівномірно під дією різних сил.
Міцність на стиск: міцність на стисктитан і титанові сплавине нижче його міцності на розрив. Межа текучості при стисненні та межа текучості при розтягуванні промислового чистого титану приблизно однакові. Міцність на стиск ТС4 і ТА7 навіть трохи вище, ніж міцність на розтяг. Це означає, що титанові компоненти однаково надійні в умовах тиску та підходять для опорних колон, корпусів підшипників і амортизаційних стійок шасі. Міцність на зсув: зазвичай 60% ~ 70% міцності на розрив. Для TC4 приблизно 540 ~ 630 МПа. Модуль зсуву титанового сплаву становить 43 ~ 51 ГПа, а промислового чистого титану — 46 ГПа. Болти, заклепки та трансмісійні з’єднання в основному мають зсув, і цей параметр є основною основою для проектування.
Межа текучості під тиском: межа текучості під тиском листів з титану та титанового сплаву може досягати 1,2 ~ 2,0 разів міцності на розрив. Це пояснюється тим, що в стані напруги стиснення матеріал піддається бічним обмеженням, і пластична нестабільність виникає нелегко. Для клепок і кріпильних з’єднань обшивки літака це означає, що пластини з титанового сплаву можуть витримувати набагато більші локальні напруги стиснення, ніж просто розтягування.
3. Сила витривалості та втома: тест на довготривалий-стрес
Статична міцність відповідає лише на те, «чи можна це зняти», а інженерна практика більше стурбована тим, «як довго це можна використовувати».
Міцність на витривалість: у нормальній атмосфері міцність на витривалість титану та титанових сплавів після обробки та відпалу приблизно в 0,5 ~ 0,65 раза перевищує міцність на розрив. Таблиця високотемпературних характеристик показує, що міцність на розрив стержня TC4 при 400 градусах становить 620 МПа, а міцність протягом 100 годин становить 570 МПа; TC6 має стійкість до розтягування 735 МПа і довговічність 665 МПа при 400 градусах. Температура найбільше вбиває витривалість-витривалість TC4 різко падає до 195 МПа при 500 градусах.
Міцність на втому: міцність на втому відпаленого TC4 приблизно в 0,2 раза перевищує міцність на розрив, тобто приблизно 180 МПа, коли випробування на втому проводять 10 разів у стані з надрізами (K=3.9). Це число може здатися невеликим, але воно має вирішальне значення для конструкції компонентів (лопаті двигуна, шасі, каркаси фюзеляжу), які витримують змінні навантаження.
Варто відзначити, що титанові сплави мають хороші характеристики надрізу. TC4 у відпаленому стані є різновидом матеріалу з чудовою міцністю. Коли коефіцієнт концентрації надрізів K=25.4 мм, відношення міцності на розрив із надрізами до міцності на розтяг без-без надрізів більше ніж 1. Це означає, що за наявності концентрації напруги TC4 показує вищу міцність на розрив, ніж гладкі зразки, що вказує на те, що він поганий проти надрізів і має сильну здатність протистояти виникненню тріщин.
Згідно з дослідженням «Journal of Welding» за 2026 рік, міцність на втому при високих циклах з’єднання TC4 товщиною 30 мм, звареного вакуумним електронним променем, може досягати понад 90% основного металу, що дуже важливо для великих цілісних зварних конструкцій із титанового сплаву (таких як кабіна глибокого занурення, каркас фюзеляжу літака).
4. Твердість: чистий титан дуже м'який, титановий сплав дуже твердий
Твердість є індексом здатності матеріалу протистояти локальним вдавленням і зносу, і титан має великий діапазон у цьому вимірі.
Твердість обробленого промислового чистого титану ступеня чистоти зазвичай менше 120HB (твердість за Брінеллем), а іншого промислово обробленого титану становить 200 ~ 295HB. Твердість виливків з чистого титану становить 200 ~ 220HB.
Твердість титанового сплаву під час відпалу становить 32 ~ 38HRC (шкала Роквелла C), що еквівалентно 298 ~ 349HB. Твердість литих ТА7 та ТС4 у литому стані становить приблизно 320 HB, а виливків TC4 з низьким зазором – приблизно 310 HB.
Різні процеси істотно впливають на твердість. Згідно з дослідженням "Journal of Materials Heat Treatment" за 2026 рік, твердість нанесеного TC4 у стані лазерного плавлення шару порошку (LPBF) може досягати 379-417HV (твердість за Віккерсом), і вона впаде до 318-334HV після термічної обробки при 800 градусах і після гарячого ізостатичного пресування при 940 градусах Крім того, але в’язкість до руйнування зросла з 42,5 МПа · м1/² до 83,9 МПа · м1/², компроміс між твердістю та в’язкістю особливо очевидний у адитивному виробництві.
5. Модуль пружності: жорсткість становить лише 55% від жорсткості заліза, але це краще, ніж модуль пружності
Модуль пружності при розтягуванні промислового чистого титану становить 105 ~ 109 ГПа, а для більшості відпалених титанових сплавів — 110 ~ 120 ГПа. Зміцнений віком титановий сплав має дещо вищий модуль пружності, ніж відпалений титановий сплав, а модуль пружності при стисненні дорівнює або перевищує модуль пружності при розтягуванні.
Ця жорсткість становить приблизно 55% заліза та 50-55% сталі. Хоча титанові сплави значно перевищують алюміній та алюмінієві сплави, вони не домінують у випадках, що вимагають надзвичайно високої жорсткості (шпинделі прецизійних верстатів, підшипники). Однак питомий модуль пружності (E/ρ) титанових сплавів можна порівняти з модулем алюмінієвих сплавів, поступаючись лише берилію, молібдену та деяким суперсплавам-враховуючи, що щільність титану становить лише 57% від щільності сталі, жорсткість титанових компонентів однакової ваги непогана.
У техніці недостатню жорсткість титану компенсують-розміром поперечного перерізу та оптимізованою конструкцією. У польових умовах титанові сплави зазвичай потребують від 10% до 20% товщини поперечного-перерізу при заміні сталі, але загальну вагу все одно можна зменшити більш ніж на 30%.
6. Ударна в'язкість і в'язкість до руйнування: остання лінія захисту від руйнування
Найбільш прямим способом підвищення міцності титанових сплавів є вміст елементів інтерстиціального типу (кисню, азоту, вуглецю), але це серйозно погіршить ударну властивість і в'язкість руйнування. Баланс між міцністю та міцністю є вічною пропозицією в дизайні титанового сплаву.
Згідно з офіційними даними, ударна в’язкість чистого титану Xia в обробній промисловості становить 15-54 Дж/см², а литого чистого титану – 4-10Дж/см². Ударна в'язкість відпаленого титанового сплаву становить 13 ~ 25,8 Дж/см², а ступінь старіння трохи нижчий. Вплив литих TA7 і TC4 становить 10 Дж/см² і 20 ~ 23 Дж/см² відповідно. Чим нижчий вміст кисню, тим вище значення удару, тому титанові сплави класу надзвичайно жорсткі щодо вмісту інтерстиціальних елементів.
Тривалість руйнування є видатною перевагоютитанові сплави. Багато титанових сплавів мають високу в'язкість до руйнування або хорошу стійкість до розвитку тріщин. В'язкість руйнування KIC відпаленого TC4 може досягати 67,7 ~ 87,0 МПа · м1/² (згідно з дослідженням процесу кування в 2026 році "Матеріали та застосування"). Згідно з дослідженнями LPBF TC4 в «Зварювання» в 2026 році, в'язкість руйнування може досягати 80,3-83,9 МПа·м1/² після гарячого ізостатичного пресування при 940 градусах, що цілком необхідно для служби компонентів.
Для порівняння, в’язкість до руйнування високо-сталей із однаковим рівнем міцності зазвичай становить 50–80 МПа · м1/², а титанові сплави, як правило, працюють краще за такої самої міцності, тому титанові сплави широко використовуються в літаках згідно з концепцією стійкості до пошкоджень. Одна з причин ключової структури.
7. Високотемпературні характеристики: 450 градусів - це «стеля» звичайного титану
Папір дає чітку межу температури: загальні промислові титанові сплави можуть мати корисні властивості при 540 градусах, але їх можна використовувати лише протягом короткого часу; Діапазон робочих температур становить 450 ~ 480 градусів. Титанові сплави для ракет можна використовувати при 540 градусах і на короткий час при 760 градусах. У той час були розроблені титанові сплави для 600-градусного використання.
Стійкість до розтягування TA7 становить 440 МПа, а довговічність - 195 МПа при 500 градусах; TC3/TC4 має стійкість до розтягування 440 МПа та довговічність 195 МПа при 500 градусах. TC6 має стійкість до розтягування 735 МПа та довговічність 665 МПа при 400 градусах; TC11 має стійкість до розтягування 685 МПа та довговічність 590 МПа при 500 градусах; TC9 має стійкість до розтягування 785 МПа та довговічність 590 МПа при 500 градусах. Сьогодні високотемпературні титанові сплави досягли великих успіхів. Згідно з галузевою загальнодоступною інформацією, Ti60 (Ti-5. 8Al-4.8 Sn-2.0 Zr-1.0 Mo-0.35Si-0.85 Nd), незалежно розроблений моєю країною, має робочу температуру 600 градусів і міцність на розрив 500 градусів Більше або дорівнює 735 МПа; Робоча температура Ti65 може досягати 650 градусів, і він використовується в диску компресора високого тиску та інтегральному блиску двигунів нового покоління. У 2025 році міцність на розрив Ti180 (Ti-6Al-3Sn-4Zr-2Mo-0,5 Si) у стані старіння в розчині сягне 1100-1250 МПа, міцність при високій температурі при 550 градусах буде більше або дорівнює 70%, а межа втоми буде збільшена на 15%-30% порівняно з TC4.
Інтерметалічна сполука TiAl представляє напрямок з вищою температурою: Ti-48Al-2Cr-2Nb має щільність лише 3,9 г/см³ і термостійкість 750-900 градусів. Його використовували в лопатках турбін низького тиску двигунів GEGEnx і CFM LEAP для заміни сплавів на основі нікелю. Зниження ваги на 50%.
8. Низькотемпературні характеристики: титан все ще міцний при -253 градусах
Однією з найбільш недооцінених властивостей титану є його продуктивність при надзвичайно низьких температурах.
Під впливом температури титан і титанові сплави стають міцнішими та менш пластичними-як у випадку з більшістю металів. Однак титан унікальний тим, що багато відпалених титанових сплавів все ще мають достатню пластичність і в’язкість до руйнування при -195,5 градусах (температура рідкого азоту). TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn ELI) з низьким вмістом інтерстиціального елемента можна використовувати при -252,7. д. ступінь. C (температура рідкого водню), а відношення межі міцності на розрив із надрізом до міцності на розрив без надрізу становить 0,95-1,15 при цій температурі.
Подовження TC4 все ще може досягати 12% при-252,7 градуса. Згідно з оглядом низькотемпературного титанового сплаву "China Materials Progress" за 2026 рік, рівновісна структура TC4 має межу текучості приблизно 1500 МПа та подовження приблизно 18% при-253 градусах; Міцність на розрив TC4 становила 1544,5 МПа при -253 градусах, а подовження становило 5,85%. Низькотемпературний титановий сплав CT20 (система Ti-Al-Zr-Mo), незалежно розроблений у моїй країні, розширив робочу температуру до діапазону температур рідкого водню (-253 градуси), і має хороші низькотемпературні характеристики та технологічність.
Це дуже важливо для авіаційної галузі. Рідкий кисень (-183 градуси), рідкий водень (-253 градуси) і рідкий фтор є основними паливами ракет і космічних пристроїв, а матеріали кріогенних резервуарів не можуть бути крихкими за надзвичайно низьких температур. Сталь зазнає пластичного-крихкого переходу при-253 градусах, алюмінієві сплави матимуть недостатню міцність, тоді як титанові сплави, особливо TC4 ELI і TA7 ELI, залишатимуться пластичними при температурах рідкого водню. Відповідно до галузевих звітів у 2026 році, дно інтегральної обертової коробки з титанового сплаву в Китаї діаметром 3,8 метра було сконструйовано, а титановий резервуар UNIST у Південній Кореї, надрукований на 3D-принтері, пройшов перевірку на -253 градуси 0,8 МПа. Титан стає кандидатом на виготовлення кріогенних баків нового покоління важких ракет-носіїв.
При-температурі рідкого азоту 196 градусів міцність TC4 ELI зростає з 848 МПа до 1319 МПа за кімнатної температури, тоді як подовження все ще становить 24,9%-міцність і пластичність покращуються одночасно. Ця аномальна поведінка зумовлена ефектом зв’язку деформаційних двійників і багатосистемного ковзання при низькій температурі.
Висновок
Механічні властивості титану представляють багату картину: чистий титан м'який і міцний, титанові сплави міцні і жорсткі; При високій температурі він все ще буде триматися до 600 градусів, а при низькій температурі він стане міцнішим і все одно розтягнеться; Модуль пружності невисокий, але питомий модуль пружності чудовий, діапазон твердості великий, але міцність на руйнування чудова.
Зрозумівши ці цифри, ви зможете зрозуміти, чому C919 використовує 9,3% титановий сплав, чому кабіна Struggle ball обирає TC4 ELI, чому сталь і алюміній у баку ракети починають замінюватися титаном і чому лопаті двигуна потребують нового високо{3}}температурного титанового сплаву.
Титан — не найтвердіший метал, не найміцніший метал і не найбільш стійкий до температур-. Але в поєднанні «легкого, міцного, міцного,-температурного-стійкого-корозійного-і магнітного-відсутності» його механічний табель наразі не має конкурентів.
