1. Mõju titaanmaterjalide tugevusele
Tugevdusmehhanism
Titaanil on kaks tüüpilist kristallstruktuuri: kuusnurkne suletud-pakendatud (HCP) -faas ja keha-keskse kuupmeetri (BCC) -faas. Hapnikuaatomid kui väikesed interstitsiaalsed aatomid hõivavad eelistatavalt titaanvõre interstitsiaalseid positsioone (oktaeedrilised interstitsiaalsed kohad -faasivõres ja tetraeedrilised või oktaeedrilised saidid -faasivõres). See tegevus põhjustab tugevaid võre moonutusi, moodustades hapnikuaatomite ümber "stressivälja". Kui nihestused materjalis liiguvad laadimise ajal, siis see pingeväli takistab neid, mis nõuab liikumise jätkamiseks suuremat välisjõudu, parandades seeläbi materjali tugevust.
Kvantitatiivse mõju seadus
Kaubanduslikult puhta titaani (nt 1. klass, 2. klass, 3. klass) puhul on hapnikusisalduse suurenemisel lineaarne korrelatsioon tugevuse suurenemisega. Võttes näiteks legeerimata -titaani, kui hapnikusisaldus suureneb 0,10 massiprotsendilt 0,40 massiprotsendile, suureneb selle tõmbetugevus ligikaudu 240 MPa-lt 480 MPa-le ja voolavuspiir tõuseb ligikaudu 170 MPa-lt 370 MPa-le, mis tähendab peaaegu 120% suurenemist.
Titaanisulamite (nt 5. klassi Ti-6Al-4V) puhul suurendab hapnik sünergistlikult tugevust ka legeerivate elementidega, nagu alumiinium ja vanaadium. Kui hapnikusisaldus Ti-6Al-4V-s suureneb standardselt 0,13 massiprotsendilt (maksimaalne piirmäär ASTM B348-s) 0,20 massiprotsendini, võib selle tõmbetugevus suureneda umbes 50–80 MPa ja voolavuspiir suureneb 40–60 MPa. Liigne hapnik rikub aga sulami faasikoostise tasakaalu ja mõjutab teiste legeerivate elementide rolli.
2. Mõju titaanmaterjalide vastupidavusele
Tugevuse vähendamise mehhanism
Võre moonutusest põhjustatud rabedus: Liiga hapnikuaatomitest põhjustatud tugev võre moonutus mitte ainult ei takista dislokatsiooni liikumist (tugevdavat toimet), vaid vähendab ka materjali plastilisust. Nihestused on raskesti libisevad ja paljunevad ning kui materjalile avaldatakse lööki või keerulist pinget, tekivad praod ja levivad kiiresti moonutus{1}}kontsentreeritud piirkondades, mis põhjustab murdumis- ja löögitugevuse vähenemist.
Faasistruktuuri muutus: --tüüpi titaanisulamites on hapnik -stabilisaator, mis suurendab rabeda -faasi mahuosa toatemperatuuril ja vähendab materjali deformeeritavust. + --tüüpi sulamites (nt Ti-6Al-4V) tõstab liigne hapnik / transuse temperatuuri, mille tulemuseks on primaarse faasi sisalduse suurenemine mikrostruktuuris ja muundatud faasi tugevuse vähenemine, vähendades seega sulami üldist sitkust.
Kvantitatiivse mõju seadus
Kaubanduslikult puhta titaani puhul, kui hapnikusisaldus ületab 0,30 massiprotsenti, väheneb selle pikenemine enam kui 25% (hapnikusisaldus 0,10 massi%) alla 15% ja löögitugevus (Charpy V{4}}sälk) langeb 60–80 J/cm² väärtusele 20–30 J.cm2.
Ti-6Al-4V sulami puhul, kui hapnikusisaldus ületab standardpiiri (0,13 massiprotsenti), väheneb selle murdumiskindlus (KIC) oluliselt. Kui hapnikusisaldus jõuab 0,20 massiprotsendini, langeb KIC väärtus standardselt 55–60 MPa·m^(1/2)-le 40–45 MPa·m^(1/2) ja materjal muutub pingekontsentratsiooni suhtes tundlikumaks, mis suurendab oluliselt hapra murdumise ohtu.
3. Kriitiline lävi ja hapnikusisalduse tehniline kontroll
Standardsed piirangud
Vastavalt ASTM-i standarditele on 1. klassi kaubanduslikult puhta titaani maksimaalne hapnikusisaldus 0,18 massiprotsenti, 2. klassi 0,25 massiprotsenti, 3. klassi 0,35 massiprotsenti ja 5. klassi Ti-6Al-4V 0,13 massiprotsenti. Lennunduses kasutatavate titaanisulamite (nt Ti-6Al-4V ELI, eriti madal vahekiht) hapnikusisaldust vähendatakse veelgi kuni 0,10 massiprotsendini, et tagada võtmekomponentide (nt lennukimootori labad, telik) ülikõrge vastupidavus.
Kontrolli tähtsus
Kõrget sitkust nõudvate konstruktsioonikomponentide (nt lennukikere raamid, laevakere konstruktsiooniosad) puhul on hapra purunemise vältimiseks eelistatud madal hapnikusisaldus;
Komponentide jaoks, mis nõuavad suurt tugevust, kuid mõõdukat sitkust (nt meditsiinilised luukruvid, üldised mehaanilised kinnitusdetailid), saab valida pisut kõrgema, kuid standardse -ühilduva hapnikusisalduse, et rahuldada tugevusvajadusi ilma teenindusohutust ohverdamata.
