1. Ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu Titan
Tăng cường cơ chế
Titan có hai cấu trúc tinh thể điển hình: pha lục giác đóng-đóng gói (HCP) -và pha khối{2}}trung tâm (BCC) -thân. Các nguyên tử oxy, với tư cách là các nguyên tử xen kẽ nhỏ, ưu tiên chiếm các vị trí xen kẽ trong mạng titan (các vị trí xen kẽ bát diện trong mạng pha - và các vị trí tứ diện hoặc bát diện trong mạng pha -). Sự chiếm giữ này gây ra sự biến dạng mạng tinh thể nghiêm trọng, tạo thành một "trường ứng suất" xung quanh các nguyên tử oxy. Khi các trật khớp trong vật liệu di chuyển trong quá trình tải, chúng sẽ bị cản trở bởi trường ứng suất này, đòi hỏi ngoại lực cao hơn để tiếp tục di chuyển, do đó cải thiện độ bền của vật liệu.
Luật ảnh hưởng định lượng
Đối với titan tinh khiết về mặt thương mại (ví dụ: Cấp 1, Cấp 2, Cấp 3), sự gia tăng hàm lượng oxy có mối tương quan tuyến tính với sự gia tăng cường độ. Lấy titan -không hợp kim làm ví dụ, khi hàm lượng oxy tăng từ 0,10 wt% lên 0,40 wt%, độ bền kéo của nó tăng từ khoảng 240 MPa lên 480 MPa và cường độ chảy tăng từ khoảng 170 MPa lên 370 MPa, tăng gần 120%.
Đối với hợp kim titan (ví dụ: Ti-6Al-4V loại 5), oxy cũng tăng cường sức mạnh tổng hợp với các nguyên tố hợp kim như nhôm và vanadi. Khi hàm lượng oxy trong Ti-6Al-4V tăng từ 0,13 wt% tiêu chuẩn (giới hạn tối đa trong ASTM B348) lên 0,20 wt%, độ bền kéo của nó có thể tăng khoảng 50–80 MPa và cường độ chảy tăng 40–60 MPa. Tuy nhiên, lượng oxy quá mức sẽ phá vỡ sự cân bằng thành phần pha của hợp kim và ảnh hưởng đến vai trò của các nguyên tố hợp kim khác.
2. Ảnh hưởng đến độ dẻo dai của vật liệu Titan
Cơ chế giảm độ dẻo dai
Độ giòn gây ra bởi sự biến dạng mạng: Sự biến dạng mạng nghiêm trọng do quá nhiều nguyên tử oxy gây ra không chỉ cản trở chuyển động trật khớp (tác dụng tăng cường) mà còn làm giảm độ dẻo của vật liệu. Các sai lệch khó trượt và nhân lên, đồng thời khi vật liệu chịu tác động hoặc ứng suất phức tạp, các vết nứt có xu hướng hình thành và lan truyền nhanh chóng tại các vùng tập trung{1}}biến dạng, dẫn đến giảm độ bền khi gãy và độ bền va đập.
Thay đổi cấu trúc pha: Trong hợp kim titan loại -, oxy là chất ổn định -, chất này sẽ làm tăng phần thể tích của pha -dễ gãy ở nhiệt độ phòng và giảm khả năng biến dạng của vật liệu. Trong các hợp kim loại + -(ví dụ: Ti-6Al-4V), lượng oxy dư thừa sẽ làm tăng nhiệt độ /transus, dẫn đến sự gia tăng hàm lượng pha -phase trong cấu trúc vi mô và giảm độ dẻo dai của pha biến đổi, do đó làm giảm độ dẻo dai tổng thể của hợp kim.
Luật ảnh hưởng định lượng
Đối với titan tinh khiết về mặt thương mại, khi hàm lượng oxy vượt quá 0,30% trọng lượng, độ giãn dài của nó giảm từ hơn 25% (hàm lượng oxy 0,10% trọng lượng) xuống dưới 15% và độ bền va đập (vết Charpy V{4}}) giảm từ 60–80 J/cm2 xuống 20–30 J/cm2, cho thấy đặc điểm giòn rõ ràng.
Đối với hợp kim Ti-6Al-4V, khi hàm lượng oxy vượt quá giới hạn tiêu chuẩn (0,13 wt), độ bền đứt gãy (KIC) của nó giảm đáng kể. Khi hàm lượng oxy đạt 0,20% khối lượng, giá trị KIC giảm từ mức tiêu chuẩn 55–60 MPa·m^(1/2) xuống 40–45 MPa·m^(1/2) và vật liệu trở nên nhạy cảm hơn với nồng độ ứng suất, điều này làm tăng đáng kể nguy cơ gãy giòn khi sử dụng.
3. Ngưỡng tới hạn và kiểm soát kỹ thuật hàm lượng oxy
Giới hạn tiêu chuẩn
Theo tiêu chuẩn ASTM, hàm lượng oxy tối đa của titan nguyên chất thương mại loại 1 là 0,18 wt%, Loại 2 là 0,25 wt%, Loại 3 là 0,35 wt% và Loại 5 Ti{11}}6Al-4V là 0,13 wt%. Đối với hợp kim titan cấp hàng không vũ trụ (ví dụ: Ti-6Al-4V ELI, kẽ cực thấp), hàm lượng oxy tiếp tục giảm xuống Nhỏ hơn hoặc bằng 0,10 wt% để đảm bảo độ bền cực cao cho các bộ phận chính (ví dụ: cánh động cơ máy bay, bộ phận hạ cánh).
Ý nghĩa kiểm soát
Đối với các bộ phận kết cấu đòi hỏi độ bền cao (ví dụ: khung thân máy bay hàng không vũ trụ, các bộ phận kết cấu thân tàu biển), hàm lượng oxy thấp được ưu tiên để tránh hư hỏng giòn;
Đối với các bộ phận yêu cầu độ bền cao nhưng độ dẻo dai vừa phải (ví dụ: vít xương y tế, ốc vít cơ khí thông thường), có thể chọn hàm lượng oxy cao hơn một chút nhưng tuân thủ tiêu chuẩn- để đáp ứng nhu cầu về độ bền mà không ảnh hưởng đến độ an toàn khi sử dụng.
