Mechanical Properties of Titanium: A Hardcore Transcript från 280MPa till 1500MPa
Idag pratar vi om ett svårare-kärnämne: titanets mekaniska egenskaper. I lekmannatermer är det de olika indikatorerna som titan visar när det är stressat-kan det dras? Kan den krossa? Stöttålig? Hur länge kan det hålla om det finns en spricka? Kommer det att vara i hög temperatur? Blir den skör vid låg temperatur?
Dessa siffror är inte bara testrapporter i laboratoriet, de avgör direkt om titan kan användas för att bygga flygplanslandningsställ, kryogen lagringstank för raketer och tål 600 grader Celsius i motorn.
1. Draghållfasthet: från ren titan 280MPa till titanlegering 1500MPa
Draghållfastheten för rent titan är 265 ~ 353 MPa, vilket liknar den för vanlig aluminiumlegering. Men när legeringselement som aluminium, vanadin, molybden och tenn tillsätts ökar styrkan. Draghållfastheten för generella titanlegeringar är 686 -1176 MPa, medan den för titanlegeringar av typ titanlegeringar stärkta av lösning och åldring kan nå 1760 MPa för närvarande.
Ta plattan som ett exempel (GB/T 3621): draghållfastheten för industriellt rent titan TA0 är 280-420MPa, TA1 är 370-530MPa, TA2 är 440-620MPa och TA3 är 540-720MPa. Efter tillsats av legeringselement nådde TA5 (Ti-4Al-0.005B) 685 MPa, TA7 (Ti-5Al-2.5 Sn) nådde 735-930 MPa och det mest klassiska TC4 (Ti-6Al-4V) arket glödgades vid 895 MPa.
Legeringskraften kan bättre ses från data från stångstandarden (GB/T 2965-1996): draghållfastheten för TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) i härdnings- och åldringstillståndet är så hög som 1370MPa, och den specificerade kvarvarande töjningsspänningen är 1100MPa. Draghållfastheten för TC11 bar är 1030MPa och TC12 når 1150MPa.
Hög hållfasthet är inte den enda strävan, specifik styrka (styrka dividerad med densitet) är den mördande egenskapen hos titan. Den specifika styrkan hos titanlegering är mycket bättre än hos stål och aluminiumlegering-detta är också det grundläggande skälet till att välja titan. Med TC4 som ett exempel är densiteten 4,43 g/cm³, glödgningsdraghållfastheten är cirka 900 MPa och den specifika hållfastheten är cirka 203 MPa m³/kg, medan den specifika hållfastheten för hög-hållfast stål är cirka 50, och den för aluminiumlegering är cirka 150.
Forskning under 2025 fortsätter att fräscha upp hållfasthetstaket för titanlegeringar. Enligt en rapport från 2025 av "Journal of Sichuan University" är den genomsnittliga sträckgränsen för TC11 titanlegering som additivt tillverkas av lasersäkring i avsättningstillstånd 1415MPa, och draghållfastheten är 1527MPa. Även om töjningsgraden endast är 6,95 %, har hållfastheten vida överskridit det smidda standardvärdet.
2. Kompressions-, skjuvnings- och trycklager: "all-lastbärande" av titan
De mekaniska egenskaperna hos titan har en intressant egenskap: den beter sig mycket jämnt under olika krafter.
Tryckhållfasthet: Tryckhållfastheten förtitan och titanlegeringarär inte lägre än dess draghållfasthet. Kompressionssträckgränsen och dragsträckgränsen för industriellt rent titan är ungefär lika. Tryckhållfastheten hos TC4 och TA7 är till och med något högre än draghållfastheten. Det betyder att titankomponenter är lika tillförlitliga under tryckförhållanden och är lämpliga för att stödja pelare, lagerhus och dämpningspelare för landställsställ. Skjuvhållfasthet: i allmänhet 60 % ~ 70 % av draghållfastheten. För TC4, cirka 540 ~ 630 MPa. Skjuvmodulen för titanlegering är 43 ~ 51GPa, och den för industriellt rent titan är 46GPa. Bultar, nitar och transmissionsleder är huvudsakligen skjuvning, och denna parameter är kärnan för design.
Sträckgräns under tryck: Sträckgränsen under tryck av titan- och titanlegeringsplåt kan nå 1,2 ~ 2,0 gånger draghållfastheten. Detta beror på att i tillståndet av tryckspänning är materialet föremål för laterala begränsningar, och plastisk instabilitet är inte lätt att uppstå. För nitning och fästning av flygplanshud betyder detta att titanlegeringsplåtar tål mycket större lokala tryckpåkänningar än när de bara är draghållna.
3. Uthållighetsstyrka och trötthet: testet av långvarig-stress
Statisk styrka svarar bara "om den kan dras av", och ingenjörspraktik är mer bekymrad över "hur länge den kan användas".
Uthållighetshållfasthet: Under normal atmosfär är uthållighetshållfastheten för titan och titanlegeringar efter bearbetning och glödgning cirka 0,5 ~ 0,65 gånger draghållfastheten. Prestandatabellen för hög temperatur visar att draghållfastheten för TC4 bar vid 400 grader är 620 MPa och uthållighetshållfastheten på 100 timmar är 570 MPa; TC6 har en draghållfasthet på 735 MPa och en hållbarhet på 665 MPa vid 400 grader. Temperaturen är den största mördaren av uthållighetsstyrkan-uthållighetsstyrkan hos TC4 sjunker till 195 MPa vid 500 grader.
Utmattningshållfasthet: Utmattningshållfastheten för glödgat TC4 är cirka 0,2 gånger draghållfastheten, dvs cirka 180 MPa, när utmattningstestet utförs 10 gånger under skårat tillstånd (K=3.9). Denna siffra kanske inte verkar hög, men den är avgörande för utformningen av komponenter (motorblad, landningsställ, flygkroppsramar) som tål alternerande belastningar.
Det är värt att notera att titanlegeringar har bra prestanda. TC4 i glödgat tillstånd är ett slags material med utmärkt seghet. När skårkoncentrationsfaktorn K=25.4 mm är förhållandet mellan skårad draghållfasthet och icke-skårad draghållfasthet större än 1. Detta betyder att när det finns spänningskoncentration visar TC4 högre draghållfasthet än släta prover, vilket indikerar att det inte är bra mot skåror och har en stark förmåga att motstå sprickinitiering.
Enligt 2026 års forskning av "Journal of Welding" kan den höga utmattningshållfastheten hos den 30 mm tjocka TC4-fogen svetsad med vakuumelektronstråle nå mer än 90 % av basmetallen, vilket är mycket viktigt för stora integrerade svetsade titanlegeringsstrukturer (såsom djupa nedsänkbara flygplanskroppar med stor bemannad kabinram).
4. Hårdhet: rent titan är mycket mjukt, titanlegering är mycket hårt
Hårdhet är ett index på materialets förmåga att motstå lokal inbuktning och slitage, och titan har en stor spännvidd i denna dimension.
Hårdheten för bearbetat industriellt rent titan av renhetsgrad är vanligtvis mindre än 120HB (Brinell-hårdhet), och det för annat industriellt rent bearbetat titan är 200 ~ 295HB. Hårdheten hos gjutgods av rent titan är 200 ~ 220HB.
Hårdheten hos titanlegering under glödgning är 32 ~ 38HRC (Rockwell C skala), vilket motsvarar 298 ~ 349HB. Hårdheten för -gjutna TA7 och TC4 är cirka 320 HB, och hårdheten för TC4-gjutgods med låg spalt är cirka 310 HB.
Olika processer har betydande effekter på hårdheten. Enligt 2026 års forskning av "Journal of Materials Heat Treatment" kan hårdheten hos laserpulverbäddssmältning (LPBF) TC4-avsatt tillstånd nå 379-417HV (Vickers hårdhet), och den kommer att sjunka till 318-334HV efter värmebehandling vid 800 grader 40, men efter pressning vid 800 grader, 40 grader brottsegheten ökas från 42,5 MPa · m1/² till 83,9 MPa · m1/² - avvägningen mellan hårdhet och seghet är särskilt uppenbar vid additiv tillverkning.
5. Elasticitetsmodul: styvheten är bara 55 % av järns, men den är bättre än elasticitetsmodulen
Draghållfasthetsmodulen för industriellt rent titan är 105 ~ 109GPa, och den för de flesta glödgade titanlegeringar är 110 ~ 120GPa. Den ålders-härdade titanlegeringen har en något högre elasticitetsmodul än den glödgade titanlegeringen, och tryckelasticitetsmodulen är lika med eller större än dragelasticitetsmodulen.
Denna styvhet är cirka 55 % av järn och 50 % till 55 % av stål. Även om de är mycket högre än aluminium och aluminiumlegeringar, är titanlegeringar inte dominerande i tillfällen som kräver extremt hög styvhet (precisionsmaskinspindlar, lager). Emellertid är den specifika elasticitetsmodulen (E/ρ) för titanlegeringar jämförbar med den för aluminiumlegeringar, näst efter beryllium, molybden och vissa superlegeringar-med tanke på att densiteten hos titan endast är 57 % av stålets, är styvheten hos titankomponenter med samma vikt inte dålig.
Inom teknik kompenseras bristen på styvhet hos titan av-sektionsstorlek och optimerad strukturell design. På fältet kräver titanlegeringar vanligtvis 10 % till 20 % av tvärsnittstjockleken vid utbyte av stål, men den totala vikten kan fortfarande minskas med mer än 30 %.
6. Slagseghet och brottseghet: den sista försvarslinjen mot fraktur
Det mest direkta sättet att förbättra styrkan hos titanlegeringar är innehållet av mellanliggande element (syre, kväve, kol), men detta kommer att allvarligt skada slagegenskapen och brottsegheten. Balansen mellan styrka och seghet är ett evigt förslag i titanlegeringsdesign.
Enligt auktoritativa uppgifter är Xia-hårslagshållfastheten för rent titan i bearbetningsindustrin 15-54J/cm², och den för gjutet rent titan är 4-10J/cm². Slaghållfastheten för glödgat titanlegering är 13 ~ 25,8 J/cm ², och åldrandet är något lägre. Påverkan av gjutna TA7 och TC4 är 10 J/cm ² respektive 20 ~ 23 J/cm ². Ju lägre syrehalt, desto högre slagvärde - det är därför titanlegeringar av kvalitet är extremt hårda mot innehållet av mellanliggande element.
Brottseghet är en enastående fördel medtitanlegeringar. Många titanlegeringar har hög brottseghet eller god motståndskraft mot spricktillväxt. Brottsegheten KIC för glödgat TC4 kan nå 67,7 ~ 87,0 MPa · m1/² (enligt 2026 års smidprocessforskning av "Materials and Applications"). Enligt forskning från LPBF TC4 i "Svetsning" 2026 kan brottsegheten nå 80,3-83,9 MPa · m1/² efter het isostatisk pressning vid 940 grader, vilket är fullt nödvändigt för service av komponenter.
I jämförelse är brottsegheten för hög-hållfast stål med samma hållfasthetsnivå vanligtvis 50-80 MPa · m1/², och titanlegeringar tenderar att prestera bättre under samma hållfasthet, vilket är anledningen till att titanlegeringar används i stor utsträckning i flygplan under designkonceptet för skadetolerans. En av anledningarna till nyckelstrukturen.
7. Högtemperaturprestanda: 450 grader är "taket" för konventionell titan
Papperet ger en tydlig temperaturgräns: allmänna industriella titanlegeringar kan ha användbara egenskaper vid 540 grader, men de kan bara användas under en kort tid; Servicetemperaturområdet är 450 ~ 480 grader. Titanlegeringar för missiler kan användas vid 540 grader och en kort tid vid 760 grader. Vid den tiden hade titanlegeringar för 600 graders användning utvecklats.
Draghållfastheten för TA7 är 440 MPa och hållbarheten är 195 MPa vid 500 grader; TC3/TC4 har en draghållfasthet på 440MPa och en hållbarhet på 195MPa vid 500 grader. TC6 har en draghållfasthet på 735 MPa och en hållbarhet på 665 MPa vid 400 grader; TC11 har en draghållfasthet på 685MPa och en hållbarhet på 590MPa vid 500 grader; TC9 har en draghållfasthet på 785MPa och en hållbarhet på 590MPa vid 500 grader. Idag har titanlegeringar med hög-temperatur gjort stora framsteg. Enligt offentlig information från branschen har Ti60 (Ti-5. 8Al-4.8 Sn-2.0 Zr-1.0 Mo-0.35Si-0.85 Nd) oberoende utvecklad av mitt land en drifttemperatur på 600 grader och en draghållfasthet på 500 grader Större än eller 735 MPa; Servicetemperaturen på Ti65 kan nå 650 grader, och den har använts i högtryckskompressorskivan och den integrerade blisken i den nya generationen av motorer. År 2025 kommer draghållfastheten för Ti180 (Ti-6Al-3Sn-4Zr-2Mo-0.5 Si) i lösningsåldrande tillstånd att nå 1100-1250MPa, den höga temperaturhållfastheten vid 550 grader kommer att vara större än eller lika med 70%, och utmattningsgränsen kommer att ökas med 30%-15% jämfört med TC.
Den intermetalliska TiAl-föreningen representerar en högre temperaturriktning: Ti-48Al-2Cr-2Nb har en densitet på endast 3,9 g/cm³ och en temperaturmotstånd på 750-900 grader. Den har använts i lågtrycksturbinbladen i GEGenx- och CFM LEAP-motorer för att ersätta nickelbaserade legeringar. Viktminskning med 50 %.
8. Prestanda vid låg temperatur: Titan är fortfarande seg vid -253 grader
En av titans mest underskattade egenskaper är dess prestanda vid extremt låga temperaturer.
Med temperaturen blir titan och titanlegeringar starkare och mindre sega-som är fallet med de flesta metaller. Titan är dock unikt genom att många glödgade titanlegeringar fortfarande har tillräcklig duktilitet och brottseghet vid -195,5 grader (temperatur för flytande kväve). TA7 (Ti-5Al-2.5 Sn ELI) med lågt innehåll av interstitiellt element kan användas vid -252,7. d egree. C. (temperatur för flytande väte), och förhållandet mellan skårad draghållfasthet och icke-skårad draghållfasthet är 0,95-1,15 vid denna temperatur.
Förlängningen av TC4 kan fortfarande nå 12 % vid -252,7 grader . Enligt 2026 års granskning av "China Materials Progress" av titanlegering med låg-temperatur har den likaxliga strukturen TC4 en sträckgräns på cirka 1500 MPa och en töjning på cirka 18 % vid-253 grader; Draghållfastheten för TC4 var 1544,5 MPa vid -253 grader och töjningen var 5,85 %. CT20-titanlegeringen med låg-temperatur (Ti-Al-Zr-Mo-systemet) som utvecklats oberoende av mitt land har utökat sin servicetemperatur till temperaturområdet för flytande väte (-253 grader), och har bra lågtemperaturprestanda och bearbetbarhet.
Detta betyder mycket för flygindustrin. Flytande syre (-183 grader), flytande väte (-253 grader) och flytande fluor är kärndrivmedlen i raketer och rymdenheter, och kryogena tankmaterial kan inte vara spröda vid extremt låga temperaturer. Stål kommer att genomgå en seg-spröd övergång vid-253 grader, aluminiumlegeringar kommer att ha otillräcklig hållfasthet, medan titanlegeringar - särskilt TC4 ELI och TA7 ELI - kommer att förbli seg vid temperaturer av flytande väte. Enligt industrirapporter 2026 har botten av den 3,8-meter-diameter inbyggda spinnande titanlegeringslådan i Kina konstruerats, och den 3D-tryckta titantanken från UNIST i Sydkorea har klarat verifieringen av -253 grader 0,8 MPa. Titan håller på att bli ett kandidatmaterial för kryogena tankar i en ny generation tunga bärraketer.
Vid -196 graders flytande kvävetemperatur ökar styrkan hos TC4 ELI från 848MPa till 1319MPa vid rumstemperatur, medan töjningen fortfarande är 24,9 %-hållfastheten och plasticiteten förbättras samtidigt. Detta onormala beteende beror på kopplingseffekten av deformationstvillingar och multisystemsglidning vid låg temperatur.
Slutsats
De mekaniska egenskaperna hos titan ger en rik bild: rent titan är mjukt och segt, titanlegeringar är starka och sega; Vid hög temperatur kommer den men fortfarande hålla sig till 600 grader, och vid låg temperatur kommer den att bli starkare och fortfarande sträcka sig; Elasticitetsmodulen är inte hög men den specifika elasticitetsmodulen är utmärkt, hårdhetsspannet är stort men brottsegheten är utmärkt.
Genom att förstå dessa siffror kan du förstå varför C919 använder 9,3 % titanlegering, varför Struggle-kulhytten väljer TC4 ELI, varför rakettanken börjar ersätta stål och aluminium med titan och varför motorbladen behöver ny högtemperaturs-titaniumlegering.
Titan är inte den hårdaste metallen, det är inte den starkaste metallen och det är inte den metall som är mest temperaturbeständigt.- Men i kombinationen av "lätt, stark, seg, temperatur-beständig, korrosions-beständig och magnetisk -fri" har dess mekaniska rapportkort inga konkurrenter än så länge.
