Festigkeits- und Härteleistung von kommerziell reinem Titan und seine Eignung für strukturelle Anwendungen mit hoher -Belastung
Kommerziell reines Titan (CP-Ti, typischerweise basierend auf dem Verunreinigungsgehalt und dem Sauerstoffgehalt in Klassen wie Grad 1 bis Grad 4 eingeteilt) weist ein ausgeprägtes Festigkeits- und Härteprofil auf, das je nach Grad variiert.
BezüglichHärte, als -gegossenes oder geglühtes CP-Ti hat im Allgemeinen eine Brinell-Härte (HB) im Bereich von 80 bis 150. Grad 1 (der duktilste und niedrigste -Festigkeitsgrad) hat einen HB von etwa 80–100, während Grad 4 (die höchste -Festigkeit unter den kommerziell reinen Graden) einen HB von 130–150 erreichen kann, was deutlich niedriger ist als die von hochfestem Stahl (z. B. vergüteter legierter Stahl mit HB oft über 300) oder Titanlegierungen (wie Ti-6Al-4V mit HB um 300).
FürZugfestigkeit, CP-Ti der Güteklasse 1 hat eine Streckgrenze von etwa 170–240 MPa und eine maximale Zugfestigkeit von 240–300 MPa; CP-Ti der Güteklasse 4 mit höherem Sauerstoffgehalt (ein festes -lösungsverstärkendes Element) erreicht eine Streckgrenze von 480–550 MPa und eine Zugfestigkeit von 550–620 MPa. Allerdings genügt selbst die stärkste handelsübliche Reintitansorte nicht den mechanischen Anforderungen von Schwerlastkonstruktionen. Hochbelastete Komponenten (z. B. Brückenträger, schwere Maschinenrahmen, Hauptlasttragkonstruktionen für die Luft- und Raumfahrt) erfordern typischerweise Streckgrenzen über 600 MPa und eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit unter zyklischen Belastungen. Die relativ geringe absolute Festigkeit von CP-Ti führt in Verbindung mit seinem geringeren Elastizitätsmodul (etwa 110 GPa, etwa die Hälfte von Stahl) zu einer übermäßigen elastischen Verformung unter schweren Lasten, was die strukturelle Stabilität und Maßgenauigkeit beeinträchtigt. Daher,Kommerziell reines Titan kann die Anforderungen hochbelasteter Strukturanwendungen nicht erfüllen; Stattdessen werden für solche Szenarien Titanlegierungen (z. B. Ti-6Al-4V mit einer Streckgrenze über 860 MPa) oder hochfeste Stähle bevorzugt.
Plastizität, Zähigkeit von kommerziell reinem Titan und sein Sprödigkeitsverhalten bei niedrigen Temperaturen
Handelsüblich reines Titan zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften ausPlastizität und Zähigkeitin seinem Umgebungstemperaturbereich-. Im geglühten Zustand kann CP-Ti der Güteklasse 1 eine Bruchdehnung von 20–30 % und eine Flächenverringerung von 40–60 % erreichen, was Tiefziehen, Schmieden und andere komplexe Umformprozesse ohne Rissbildung ermöglicht. CP-Ti der Güteklasse 4 behält trotz seiner höheren Festigkeit immer noch eine respektable Dehnung von 10–15 % bei, wodurch Festigkeit und Formbarkeit ausgeglichen werden. Hinsichtlich der Zähigkeit weist CP-Ti eine hohe Bruchzähigkeit (KIC) von 50–80 MPa·m^(1/2) im geglühten Zustand auf, die deutlich höher ist als die vieler spröder Legierungen und einen Widerstand gegen plötzlichen Sprödbruch bei Schlag oder dynamischer Belastung gewährleistet.
Bezüglich der Leistung beiniedrige TemperaturenKommerziell reines Titan weist keine Kaltsprödigkeit auf, ein entscheidender Vorteil gegenüber Kohlenstoffstählen (die dazu neigen, unterhalb ihrer duktilen Sprödigkeitsübergangstemperatur spröde zu werden, typischerweise etwa -20 Grad bis -40 Grad). CP-Ti behält seine gute Duktilität und Zähigkeit auch bei extrem niedrigen Temperaturen (z. B. kryogenen Temperaturen von -253 Grad, nahe dem Siedepunkt von flüssigem Wasserstoff). Beispielsweise behält CP-Ti der Güteklasse 2 bei -196 Grad (Temperatur von flüssigem Stickstoff) immer noch eine Dehnung von über 15 % bei und zeigt keinen signifikanten Rückgang der Schlagzähigkeit. Dies wird auf die hexagonal dicht gepackte (HCP) Kristallstruktur von Titan zurückgeführt, die zwar bei Raumtemperatur weniger Gleitsysteme als kubisch-raumzentrierte (BCC) Metalle aufweist, bei niedrigen Temperaturen jedoch eine erhöhte Versetzungsbewegung und Verformungsfähigkeit erfährt, ohne den bei BCC-Stählen beobachteten Versprödungsmechanismus (z. B. Korngrenzensegregation oder Spaltbruch). Daher,Kommerziell reines Titan wird in Umgebungen mit niedrigen{0}}Temperaturen nicht sprödeund wird häufig in der Kryotechnik eingesetzt, beispielsweise bei der Lagerung und dem Transport von Flüssigerdgas (LNG) sowie bei kryogenen Komponenten für die Luft- und Raumfahrt.
