Adakah titanium lebih kuat daripada keluli tegangan tinggi

1. Definisi utama: menjelaskan "kekuatan" dan gred bahan

Pertama, adalah penting untuk menentukan istilah teras untuk mengelakkan kekaburan:

Keluli tegangan tinggi: Kategori karbon atau keluli aloi yang direka untuk kekuatan mekanikal yang tinggi, biasanya dengan kekuatan tegangan minimum (UTS) minimum 600 MPa (87 ksi) atau lebih tinggi. Gred biasa termasuk A36 (garis dasar tegangan rendah, ~ 550 MPa UTs), S690QL (Tegangan Tinggi, ~ 770 MPa UTS), dan keluli ultra tinggi seperti HSLA-100 (~ 830 MPa UTS) UTS).

Titanium: Logam ringan yang terdapat dalam dua bentuk utama:

Titanium Tulen (CP) secara komersil(contohnya, gred 4): UTS ~ 550-700 MPa (80-102 ksi), digunakan untuk rintangan kakisan dan bukannya kekuatan maksimum.

Aloi titanium(contohnya, gred 5/Ti-6Al-4V, aloi struktur yang paling biasa): UT ~ 900-1,100 MPa (130-160 ksi); Aloi kekuatan tinggi seperti TI-10V-2FE-3AL boleh mencapai UT ~ 1,200-1,400 MPa (174-203 ksi).

2. Kekuatan mutlak: keluli tegangan tinggi sering mempunyai kekuatan mentah yang lebih tinggi

Apabila mengukurKekuatan Tegangan Terbaik (UTS)-Tekanan maksimum bahan dapat bertahan sebelum melanggar-banyak gred keluli tegangan tinggi mengatasi kebanyakan gred titanium, terutama varian keluli yang sangat tinggi.

Kategori bahan	Gred khusus	Kekuatan Tegangan Terbaik (UTS)	Kekuatan Hasil (YS)
Titanium	CP Titanium (Gred 4)	550-700 MPa (80-102 ksi)	480-620 MPa (70-90 ksi)
Aloi titanium	Ti-6al-4v (Gred 5)	900-1,100 MPa (130-160 ksi)	800-950 MPa (116-138 ksi)
Keluli tegangan tinggi	S690QL (keluli aloi)	770-940 MPa (112-136 ksi)	Lebih besar daripada atau sama dengan 690 MPa (100 ksi)
Keluli ultra tinggi	4140 (dirawat haba)	1,100-1,300 MPa (160-189 ksi)	950-1,100 MPa (138-159 ksi)
Keluli ultra tinggi	HSLA-100	~ 830 MPa (120 ksi)	~ 690 MPa (100 ksi)

Dari jadual ini:

Keluli tegangan rendah (contohnya, A36) lebih baik daripada CP Titanium (Gred 4) dalam UTS.

Keluli tegangan tinggi jarak jauh (contohnya, S690QL) bertindih dengan varian Ti-6AL-4V-SOSE S690QL yang sepadan atau sedikit melebihi julat UT yang lebih rendah Ti-6AL-4V, sementara yang lain jatuh pendek.

Keluli ultra-tinggi (contohnya, 4140 yang dirawat haba) secara konsisten melebihi UTS kebanyakan aloi titanium, termasuk Ti-6Al-4V.

3. Nisbah kekuatan-ke-berat: Titanium jauh lebih unggul

Kelebihan kritikal titanium terletak padanisbah kekuatan-ke-berat(juga dipanggil kekuatan khusus) -a ukuran kekuatan per unit jisim. Metrik ini jauh lebih relevan untuk aplikasi di mana pengurangan berat badan adalah kritikal (contohnya, aeroangkasa, automotif, peranti perubatan).

Mengapa Titanium cemerlang di sini:

Perbezaan kepadatan: Titanium mempunyai ketumpatan ~ 4.51 g/cm³, manakala keluli tegangan tinggi mempunyai ketumpatan ~ 7.85 g/cm³. Keluli adalah~ 74% lebih padatdaripada titanium-bermakna komponen titanium dengan saiz yang sama beratnya kurang daripada komponen keluli.

Pengiraan kekuatan khusus:

Untuk Ti-6Al-4V: Kekuatan Khusus=UTS (900 MPa)/Ketumpatan (4.51 g/cm³) ≈ 199 MPa · cm³/g.

Untuk keluli 4140 yang dirawat haba: Kekuatan khusus=UTS (1,200 MPa)/ketumpatan (7.85 g/cm³) ≈ 153 MPa · cm³/g.

Walaupun keluli 4140 mempunyai UTS mutlak yang lebih tinggi, Ti-6al-4v menyampaikan~ 30% lebih banyak kekuatan setiap gram-A kelebihan transformatif untuk reka bentuk sensitif berat badan. Sebagai contoh, bahagian pesawat yang diperbuat daripada Ti-6Al-4V boleh memadankan kekuatan bahagian keluli sambil mengurangkan berat badan sebanyak ~ 40%, meningkatkan kecekapan bahan api dan kapasiti muatan.

4. Faktor Kritikal Lain: Di Luar Kekuatan

Walaupun kekuatan adalah kunci, sifat-sifat lain sering memacu pemilihan bahan-dan di sini, titanium dan tegangan tinggi diverge dengan tajam:

A. rintangan kakisan

Titanium: Rintangan yang luar biasa terhadap kakisan dalam persekitaran yang keras (misalnya, air laut, penyelesaian klorida, asid, dan bahan kimia perindustrian). Ia membentuk lapisan oksida yang nipis, lengai (TiO₂) yang tidak berfungsi jika rosak, menjadikannya sesuai untuk aplikasi marin, kimia, dan perubatan (misalnya, implan ortopedik, komponen rig minyak luar pesisir).

Keluli tegangan tinggi: Miskin untuk sederhana rintangan kakisan. Tanpa lapisan pelindung (contohnya, galvanisasi, cat, atau penyaduran krom), karat keluli dengan cepat dalam kelembapan atau air masin. Malah keluli bersalut mungkin merosot dari masa ke masa, yang memerlukan penyelenggaraan-ini mengehadkan penggunaannya dalam persekitaran yang tidak dilindungi, menghakis.

B. Rintangan suhu

Aloi titanium: Ti-6AL-4V mengekalkan kekuatan sehingga ~ 400 darjah (750 darjah F), manakala aloi maju (misalnya, TI-6242) dapat menahan 500-600 darjah (930-1,110 darjah F). Walau bagaimanapun, titanium mengoksidakan dengan cepat melebihi 600 darjah, mengehadkan penggunaan suhu tinggi.

Keluli tegangan tinggi: Kebanyakan gred kehilangan kekuatan melebihi 300-400 darjah (570-750 darjah F), tetapi keluli aloi tahan panas (contohnya, keluli Chrome-Molybdenum seperti A387) boleh beroperasi pada 500-650 darjah (930-1,200 darjah F). Untuk suhu yang melampau (contohnya, enjin jet), superalloy khusus (bukan "keluli tegangan tinggi") digunakan, tetapi ini jauh lebih padat daripada titanium.

C. Kemuluran dan ketangguhan

Titanium: CP Titanium mempunyai kemuluran yang baik (pemanjangan ~ 15-25%), tetapi aloi kekuatan tinggi seperti Ti-6AL-4V mempunyai kemuluran yang lebih rendah (pemanjangan ~ 10-15%). Titanium boleh menjadi rapuh pada suhu kriogenik (di bawah -200 darjah) atau jika tercemar dengan oksigen/nitrogen semasa pemprosesan.

Keluli tegangan tinggi: Umumnya menawarkan kemuluran dan ketangguhan yang lebih baik daripada aloi titanium, terutamanya pada suhu rendah. Sebagai contoh, keluli HSLA mengekalkan ketangguhan ke -60 darjah (-76 darjah F), menjadikannya sesuai untuk aplikasi cuaca sejuk (contohnya, saluran paip Artik).

D. Kos dan ketersediaan

Titanium: Jauh lebih mahal daripada keluli tegangan yang tinggi. Titanium bijih (ilmenit) memerlukan pemprosesan kompleks untuk menghasilkan titanium tulen, dan mengutuk (contohnya, menambah aluminium dan vanadium) meningkatkan kos lagi. Ia juga kurang banyak terdapat dalam kuantiti yang banyak.

Keluli tegangan tinggi: Kos rendah, banyak, dan mudah dikeluarkan (contohnya, rolling, forging, kimpalan). Ia adalah pilihan lalai untuk aplikasi di mana berat badan tidak kritikal dan kos adalah keutamaan.

5. Aplikasi dunia nyata: Bagaimana ini diterjemahkan untuk menggunakan kes-kes

Perbezaan kekuatan secara langsung membentuk peranan perindustrian mereka:

Apabila keluli tegangan tinggi lebih disukai:

Aplikasi di manaBerat tidak relevanTetapi kos rendah dan kekuatan mutlak yang tinggi adalah kritikal:

Pembinaan: Jambatan, bingkai pencakar langit, dan rasuk struktur (A36, S690QL).

Jentera Berat: Bingkai Bulldozer, Kabel Kren (keluli HSLA).

Automotif: Komponen casis untuk kenderaan bukan mewah (keluli tegangan tinggi ringan).

Apabila Titanium lebih disukai:

Aplikasi di mananisbah kekuatan-ke-berat dan rintangan kakisantidak boleh dirunding:

Aeroangkasa: Bahagian pesawat pesawat, pemampat enjin jet (TI-6AL-4V).

Perubatan: Implan ortopedik (batang pinggul, penggantian lutut) dan abutment gigi (CP Titanium atau Ti-6AL-4V, disebabkan oleh biokompatibiliti).

Marin: aci kipas kapal, penukar haba air laut (rintangan kakisan Titanium mengelakkan berkarat).

Peralatan Sukan: Bingkai basikal mewah, kepala kelab golf (ringan namun kuat).

Titanium adalahtidak lebih kuat secara universal daripada keluli tegangan tinggiDari segi kekuatan tegangan mutlak-banyak gred keluli ultra tinggi-tinggi mengatasi aloi titanium dalam kekuatan mentah. Walau bagaimanapun, Titaniumnisbah kekuatan-ke-berat yang tidak dapat ditandingi, digabungkan dengan rintangan kakisan yang unggul, menjadikannya tidak boleh digantikan untuk aplikasi yang sensitif, berat-persekitaran yang sensitif. Sebaliknya, keluli tegangan tinggi tetap menjadi pilihan yang lebih kos efektif untuk senario di mana beratnya tidak menjadi kebimbangan dan kekuatan mutlak atau ketangguhan maksimum diperlukan. Bahan "lebih baik" bergantung sepenuhnya kepada keutamaan aplikasi: berat, kos, rintangan kakisan, atau kekuatan mentah.