1. التأثير على قوة مواد التيتانيوم
آلية التعزيز
يحتوي التيتانيوم على هيكلين بلوريين نموذجيين: الطور السداسي المغلق-المعبأ (HCP) -الطور والجسم-المكعب المركزي (BCC) -الطور. ذرات الأكسجين، كذرات خلالية صغيرة، تشغل بشكل تفضيلي المواقع الخلالية في شبكة التيتانيوم (المواقع الخلالية ثماني السطوح في شبكة الطور - ومواقع رباعي السطوح أو ثماني السطوح في شبكة الطور -). يسبب هذا الاحتلال تشويهًا شديدًا للشبكة، مما يشكل "مجال ضغط" حول ذرات الأكسجين. عندما تتحرك عمليات الخلع في المادة أثناء التحميل، سيتم إعاقتها بواسطة مجال الضغط هذا، مما يتطلب قوة خارجية أعلى لمواصلة الحركة، وبالتالي تحسين قوة المادة.
قانون التأثير الكمي
بالنسبة للتيتانيوم النقي تجاريًا (على سبيل المثال، الدرجة 1، الدرجة 2، الدرجة 3)، فإن الزيادة في محتوى الأكسجين لها علاقة خطية مع ارتفاع القوة. لنأخذ التيتانيوم غير المخلوط -على سبيل المثال، عندما يزيد محتوى الأكسجين من 0.10 بالوزن إلى 0.40 بالوزن%، تزداد قوة الشد من حوالي 240 ميجا باسكال إلى 480 ميجا باسكال، وترتفع مقاومة الخضوع من حوالي 170 ميجا باسكال إلى 370 ميجا باسكال، بزيادة قدرها 120% تقريبًا.
بالنسبة لسبائك التيتانيوم (على سبيل المثال، الدرجة 5 Ti-6Al-4V)، يعمل الأكسجين أيضًا على تعزيز القوة مع عناصر صناعة السبائك مثل الألومنيوم والفاناديوم. عندما يزيد محتوى الأكسجين في Ti-6Al-4V من المعيار 0.13% بالوزن (الحد الأقصى في ASTM B348) إلى 0.20% بالوزن، يمكن أن تزيد قوة الشد بنحو 50-80 ميجا باسكال، وتزداد قوة الخضوع بمقدار 40-60 ميجا باسكال. ومع ذلك، فإن الأكسجين الزائد سوف يكسر توازن تكوين طور السبيكة ويؤثر على دور عناصر صناعة السبائك الأخرى.
2. التأثير على صلابة مواد التيتانيوم
آلية الحد من المتانة
الهشاشة الناجمة عن تشويه شعرية: التشويه الشديد للشبكة الناتج عن زيادة ذرات الأكسجين لا يعيق حركة الخلع (تأثير التقوية) فحسب، بل يقلل أيضًا من مرونة المادة. من الصعب الانزلاق والتكاثر، وعندما تتعرض المادة لتأثير أو إجهاد معقد، تكون الشقوق عرضة للبدء والانتشار بسرعة في مناطق التشوه المركزة-، مما يؤدي إلى انخفاض في صلابة الكسر وصلابة التأثير.
تغيير هيكل المرحلة: في سبائك التيتانيوم من النوع -، يعتبر الأكسجين عامل استقرار -، مما يؤدي إلى زيادة الجزء الحجمي للطور - الهش في درجة حرارة الغرفة وتقليل قابلية تشوه المادة. في السبائك من النوع + - (على سبيل المثال، Ti-6Al-4V)، سيؤدي الأكسجين الزائد إلى رفع درجة حرارة / نقل، مما يؤدي إلى زيادة في محتوى الطور الأولي في البنية المجهرية وانخفاض في صلابة الطور المحول، وبالتالي تقليل المتانة الإجمالية للسبيكة.
قانون التأثير الكمي
بالنسبة للتيتانيوم النقي تجاريًا، عندما يتجاوز محتوى الأكسجين 0.30 بالوزن%، تنخفض استطالته من أكثر من 25% (محتوى الأكسجين 0.10 بالوزن%) إلى أقل من 15%، وتنخفض صلابة الصدم (شق Charpy V-) من 60-80 جول/سم² إلى 20-30 جول/سم²، مما يُظهر خصائص التقصف الواضحة.
بالنسبة لسبائك Ti-6Al-4V، عندما يتجاوز محتوى الأكسجين الحد القياسي (0.13٪ بالوزن)، تنخفض صلابة الكسر (KIC) بشكل ملحوظ. عندما يصل محتوى الأكسجين إلى 0.20% بالوزن، تنخفض قيمة KIC من المعيار 55-60 ميجا باسكال^(1/2) إلى 40-45 ميجاباسكال^(1/2)، وتصبح المادة أكثر حساسية لتركيز الإجهاد، مما يزيد بشكل كبير من خطر الكسر الهش أثناء الخدمة.
3. العتبة الحرجة والتحكم الهندسي لمحتوى الأكسجين
الحدود القياسية
وفقًا لمعايير الجمعية الأمريكية لاختبار المواد، الحد الأقصى لمحتوى الأكسجين من التيتانيوم النقي تجاريًا من الدرجة 1 هو 0.18% بالوزن، والصف 2 هو 0.25% بالوزن، والصف 3 هو 0.35% بالوزن، والصف 5 Ti-6Al-4V هو 0.13% بالوزن. بالنسبة لسبائك التيتانيوم المستخدمة في مجال الطيران والفضاء (على سبيل المثال، Ti-6Al-4V ELI، الخلالي المنخفض جدًا)، يتم تقليل محتوى الأكسجين أيضًا إلى أقل من أو يساوي 0.10% بالوزن لضمان صلابة عالية للغاية للمكونات الرئيسية (على سبيل المثال، شفرات محرك الطائرة، ومعدات الهبوط).
أهمية التحكم
بالنسبة للمكونات الهيكلية التي تتطلب صلابة عالية (على سبيل المثال، إطارات جسم الطائرة الفضائية، والأجزاء الهيكلية للبدن البحري)، يفضل محتوى منخفض من الأكسجين لتجنب الفشل الهش؛
بالنسبة للمكونات التي تتطلب قوة عالية ولكن صلابة متوسطة (على سبيل المثال، براغي العظام الطبية، والمثبتات الميكانيكية العامة)، يمكن تحديد محتوى أكسجين أعلى قليلاً ولكنه متوافق مع المعايير - لتلبية احتياجات القوة دون التضحية بسلامة الخدمة.
