1. Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur (25 Grad)
Kommerziell reines (CP) Titan (z. B. GR.1/GR.2)
CP-Titan hat bei Raumtemperatur eine einphasige -Phasen-Mikrostruktur. Seine Zugfestigkeit reicht von 240–485 MPa (GR.1 bis GR.2), mit Dehnungswerten von 20–30 % und hoher Bruchzähigkeit (größer oder gleich 60 MPa·m¹/²). Die Eigenschaften werden von interstitiellen Elementen (O, N, C) dominiert: Ein höherer Sauerstoffgehalt erhöht die Festigkeit, verringert jedoch die Duktilität. Bei Raumtemperatur weist CP-Titan eine gute Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit auf und eignet sich daher für nicht -hohe-Anwendungen wie chemische Rohrleitungen und medizinische Implantate
.+ Titanlegierungen (z. B. GR.5/Ti-6Al-4V)
GR.5 hat bei Raumtemperatur eine Dual-Phasen-Struktur. Im geglühten Zustand erreicht seine Zugfestigkeit 860–900 MPa, die Streckgrenze ~800 MPa, die Dehnung ~10–15 % und die Ermüdungsfestigkeit (10⁷ Zyklen) ~400 MPa. Die ausgewogene + Mikrostruktur sorgt für einen Kompromiss zwischen Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit, während ihr niedriger Elastizitätsmodul (110 GPa, ~50 % des Stahls) die Stressabschirmung in biomedizinischen Implantaten reduziert und die Vibrationsdämpfung in Luft- und Raumfahrtstrukturen verbessert.
2. Mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen (200 Grad/300 Grad)
Festigkeits- und Steifigkeitsreduzierung
Bei 200 Grad nimmt die Zugfestigkeit von geglühtem GR.5 im Vergleich zur Raumtemperatur um ~10–15 % (auf 750–780 MPa) ab, und bei 300 Grad sinkt sie um ~20–25 % (auf 650–700 MPa). Auch die Streckgrenze sinkt (auf ~700 MPa bei 200 Grad und ~600 MPa bei 300 Grad), was auf eine erhöhte Versetzungsmobilität und verringerte interatomare Bindungskräfte zurückzuführen ist. Der Elastizitätsmodul von Titan nimmt linear mit der Temperatur ab (von 110 GPa bei Raumtemperatur auf ~105 GPa bei 200 Grad und ~100 GPa bei 300 Grad), wodurch die strukturelle Steifigkeit verringert wird.
Kriechwiderstand
Kriechen (zeitabhängige plastische Verformung unter konstanter Belastung) macht sich bei Titanwerkstoffen bei Temperaturen über 200 Grad bemerkbar. CP-Titan weist bei 300 Grad eine schlechte Kriechfestigkeit auf und kann langfristigen statischen Belastungen nicht standhalten, während +-Legierungen wie GR.5 ein besseres Kriechverhalten aufweisen: Unter einer Belastung von 200 MPa bei 300 Grad beträgt die Kriechdehnung nach 1000 Stunden weniger als 0,1 % und erfüllt damit die Anforderungen von Triebwerksgehäusen und Abgaskomponenten in der Luft- und Raumfahrt (die typischerweise bei unter 400 Grad betrieben werden). . -Geglüht hat GR.5 eine höhere Kriechfestigkeit als geglühte oder STA-Sorten bei 300 Grad aufgrund seiner lamellaren + Mikrostruktur, die die Versetzungsbewegung behindert.
Duktilitäts- und Zähigkeitsänderungen
Die Dehnung von GR.5 nimmt bei 200 Grad leicht zu (auf etwa 15–18 %) aufgrund der geringeren Kaltverfestigung, bei 300 Grad beginnt sie jedoch abzunehmen (auf etwa 10 bis 12 %), da Korngrenzengleiten und durch Oxidation hervorgerufene Versprödung in den Vordergrund treten. Auch die Bruchzähigkeit nimmt bei 300 Grad um etwa 10 % ab, da hohe Temperaturen die Bildung von Mikrohohlräumen an Phasengrenzen fördern.
3. Mechanische Eigenschaften bei kryogenen Temperaturen (-196 Grad)
KraftsteigerungBei -196 Grad steigt die Zugfestigkeit von geglühtem GR.5 auf ~1100–1200 MPa (ein Anstieg von 30–40 % gegenüber Raumtemperatur) und die Streckgrenze steigt auf ~950–1000 MPa. CP-Titan (GR.2) verzeichnet ebenfalls eine Festigkeitssteigerung (Zugfestigkeit von 485 MPa bei RT auf ~600 MPa bei -196 Grad). Dies liegt daran, dass kryogene Temperaturen die Versetzungsmobilität verringern, die Gitterreibungsspannung erhöhen und die Bildung verformungsbedingter Mikrorisse unterdrücken, was zu einer ausgeprägten Kaltverfestigung während der plastischen Verformung führt.
Verbesserung der Duktilität und Zähigkeit
Im Gegensatz zu Stahl oder Aluminium (die bei -196 Grad an Duktilität verlieren), behalten Titanmaterialien ihre Duktilität und Zähigkeit bei kryogenen Temperaturen bei oder verbessern sie sogar. Die Dehnung von GR.5 erhöht sich auf ~15–20 % bei -196 Grad (von 10–15 % bei RT) und die Bruchzähigkeit steigt um ~20–30 % (auf größer oder gleich 70 MPa·m¹/²). Die Dehnung von CP-Titan erreicht 25–30 % bei -196 Grad, ohne Anzeichen eines spröden Übergangs. Dies ist auf die Stabilität der -Phase bei kryogenen Temperaturen (keine durch Phasenumwandlung induzierte Versprödung) und die Unterdrückung der Wasserstoffversprödung (Wasserstoffdiffusion wird bei niedrigen Temperaturen gehemmt) zurückzuführen.
Ermüdungs- und Stoßleistung
Kryogene Temperaturen erhöhen auch die Ermüdungsfestigkeit von GR.5: Seine 10⁷--Zyklen-Ermüdungsfestigkeit steigt auf ~500–550 MPa bei -196 Grad (von 400 MPa bei RT). Die Schlagzähigkeit (Charpy-V-Kerbe) steigt von ~40 J bei RT auf ~60 J bei -196 Grad, wodurch es für kryogene Anwendungen wie Lagertanks für flüssiges Erdgas (LNG), Raketentreibstofftanks und supraleitende Geräteträger geeignet ist.
