1. Επίδραση στην αντοχή των υλικών τιτανίου
Μηχανισμός ενίσχυσης
Το τιτάνιο έχει δύο τυπικές κρυσταλλικές δομές: εξαγωνική-κλειστή (HCP) -φάση και σώμα-κεντρική κυβική (BCC) -φάση. Τα άτομα οξυγόνου, ως μικρά ενδιάμεσα άτομα, καταλαμβάνουν κατά προτίμηση τις ενδιάμεσες θέσεις στο πλέγμα τιτανίου (οι οκταεδρικές ενδιάμεσες θέσεις στο -πλέγμα φάσης και οι τετραεδρικές ή οκταεδρικές θέσεις στο -πλέγμα φάσης). Αυτή η κατάληψη προκαλεί σοβαρή παραμόρφωση του πλέγματος, σχηματίζοντας ένα «πεδίο καταπόνησης» γύρω από τα άτομα οξυγόνου. Όταν οι εξαρθρώσεις στο υλικό μετακινούνται κατά τη φόρτωση, θα παρεμποδίζονται από αυτό το πεδίο τάσης, απαιτώντας μεγαλύτερη εξωτερική δύναμη για να συνεχιστεί η κίνηση, βελτιώνοντας έτσι την αντοχή του υλικού.
Νόμος ποσοτικής επιρροής
Για εμπορικά καθαρό τιτάνιο (π.χ. Βαθμός 1, Βαθμός 2, Βαθμός 3), η αύξηση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο έχει γραμμική συσχέτιση με την αύξηση της αντοχής. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το μη κράμα -τιτάνιο, όταν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο αυξάνεται από 0,10 wt% σε 0,40 wt%, η αντοχή του σε εφελκυσμό αυξάνεται από περίπου 240 MPa σε 480 MPa και η αντοχή διαρροής αυξάνεται από περίπου 170 MPa σε 370 MPa, μια αύξηση σχεδόν κατά 120%.
Για κράματα τιτανίου (π.χ. Grade 5 Ti-6Al-4V), το οξυγόνο ενισχύει επίσης συνεργικά την αντοχή με στοιχεία κράματος όπως το αλουμίνιο και το βανάδιο. Όταν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο στο Ti-6Al-4V αυξάνεται από το τυπικό 0,13 wt% (μέγιστο όριο στο ASTM B348) σε 0,20 wt%, η αντοχή του σε εφελκυσμό μπορεί να αυξηθεί κατά περίπου 50-80 MPa και η αντοχή διαρροής αυξάνεται κατά 40-60 MPa. Ωστόσο, το υπερβολικό οξυγόνο θα σπάσει την ισορροπία της σύνθεσης φάσης του κράματος και θα επηρεάσει τον ρόλο άλλων στοιχείων κράματος.
2. Επίδραση στη σκληρότητα των υλικών τιτανίου
Μηχανισμός μείωσης σκληρότητας
Ευθραυστότητα που προκαλείται από την παραμόρφωση του πλέγματος: Η σοβαρή παραμόρφωση του πλέγματος που προκαλείται από υπερβολικά άτομα οξυγόνου όχι μόνο εμποδίζει την κίνηση εξάρθρωσης (ενδυνάμωση) αλλά μειώνει επίσης την πλαστικότητα του υλικού. Οι εξαρθρώσεις είναι δύσκολο να γλιστρήσουν και να πολλαπλασιαστούν και όταν το υλικό υπόκειται σε κρούση ή πολύπλοκη καταπόνηση, οι ρωγμές είναι επιρρεπείς να ξεκινήσουν και να διαδοθούν γρήγορα στις συγκεντρωμένες περιοχές παραμόρφωσης-, οδηγώντας σε μείωση της αντοχής στη θραύση και της αντοχής στην κρούση.
Αλλαγή δομής φάσης: Στα κράματα τιτανίου -τύπου, το οξυγόνο είναι -σταθεροποιητής, ο οποίος θα αυξήσει το κλάσμα όγκου της εύθραυστης -φάσης σε θερμοκρασία δωματίου και θα μειώσει την παραμόρφωση του υλικού. Στα κράματα + -τύπου (π.χ. Ti-6Al-4V), το υπερβολικό οξυγόνο θα αυξήσει τη θερμοκρασία / transus, οδηγώντας σε αύξηση του περιεχομένου της κύριας φάσης στη μικροδομή και μείωση της σκληρότητας της μετασχηματισμένης φάσης, μειώνοντας έτσι τη συνολική σκληρότητα του όλου του κράματος.
Νόμος ποσοτικής επιρροής
Για εμπορικά καθαρό τιτάνιο, όταν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο υπερβαίνει το 0,30 wt%, η επιμήκυνσή του μειώνεται από περισσότερο από 25% (περιεκτικότητα σε οξυγόνο 0,10 wt%) σε λιγότερο από 15% και η αντοχή στην κρούση (Charpy V{4}}εγκοπή) πέφτει από 60–80 J/cm² σε εμφανή χαρακτηριστικά J/cm3, 20–3 cm2.
Για το κράμα Ti-6Al-4V, όταν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο υπερβαίνει το τυπικό όριο (0,13 wt%), η ανθεκτικότητά του σε θραύση (KIC) μειώνεται σημαντικά. Όταν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο φτάσει το 0,20 wt%, η τιμή KIC πέφτει από το τυπικό 55–60 MPa·m^(1/2) σε 40–45 MPa·m^(1/2) και το υλικό γίνεται πιο ευαίσθητο στη συγκέντρωση τάσεων, γεγονός που αυξάνει σημαντικά τον κίνδυνο εύθραυστου σπασίματος κατά τη λειτουργία.
3. Κρίσιμο κατώφλι και μηχανικός έλεγχος περιεκτικότητας σε οξυγόνο
Τυπικά όρια
Σύμφωνα με τα πρότυπα ASTM, η μέγιστη περιεκτικότητα σε οξυγόνο του βαθμού 1 εμπορικά καθαρού τιτανίου είναι 0,18 wt%, ο βαθμός 2 είναι 0,25 wt%, ο βαθμός 3 είναι 0,35 wt%, και ο βαθμός 5 Ti-6Al-4V είναι 0,13 wt%. Για κράματα τιτανίου αεροδιαστημικής ποιότητας (π.χ. Ti-6Al-4V ELI, εξαιρετικά χαμηλή διάμεση), η περιεκτικότητα σε οξυγόνο μειώνεται περαιτέρω σε Λιγότερο ή ίσο με 0,10% κ.β. για να διασφαλιστεί εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα για βασικά εξαρτήματα (π.χ. λεπίδες κινητήρα αεροσκαφών, εξοπλισμός προσγείωσης).
Σημασία ελέγχου
Για δομικά εξαρτήματα που απαιτούν υψηλή σκληρότητα (π.χ. πλαίσια ατράκτου αεροδιαστημικής, δομικά μέρη θαλάσσιου κύτους), προτιμάται η χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο για την αποφυγή εύθραυστης αστοχίας.
Για εξαρτήματα που απαιτούν υψηλή αντοχή αλλά μέτρια σκληρότητα (π.χ. ιατρικές βίδες οστών, γενικοί μηχανικοί συνδετήρες), μπορεί να επιλεγεί ένα ελαφρώς υψηλότερο, αλλά συμβατό με το πρότυπο-περιεκτικότητα σε οξυγόνο για να καλύψει τις ανάγκες αντοχής χωρίς να θυσιάζεται η ασφάλεια των σέρβις.
