Proprietà ingegneristiche del titanio e delle sue leghe.

 

 

Proprietà meccaniche.

 

Nei primi due decenni del loro sviluppo, le leghe di titanio mirano ad applicazioni in cui sia richiesta non solo alta resistenza a trazione ma anche alta resistenza al creep; le proprietà di alta resistenza a trazione sono importanti per applicazioni a basse temperature e la resistenza alla rottura per creep è importante alle alte temperature, circa sopra 260°C.

 

Nel 1960 e nei primi anni del 1970, la resistenza al creep delle leghe di titanio viene aumentata sostanzialmente con l’introduzione del silicio, come nella lega IMI-679 (Ti-2,25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0,25Si); la resistenza al creep è buona, in base ad una normalizzazione alla densità, fino a circa 540°C. Tuttavia, le proprietà a creep delle leghe alfa-beta non sono confrontabili con quelle di sistemi ad alta temperatura, come le superleghe a base nichel, in cui può essere mantenuta una buona resistenza al creep fino a 0,8 del punto di fusione; alcune leghe di titanio basate su fasi alfa intermetalliche (alfa due e gamma) possono mostrare buone proprietà a creep fino a 0,6 del punto di fusione, ma leghe alfa-beta, o solo alfa, o solo beta non hanno significative proprietà a creep, nemmeno a 0,5 del punto di fusione.

 

La resistenza a trazione delle leghe di titanio viene aumentata a livelli molto alti con l’introduzione di leghe come Ti-6Al-6V-2Sn (lega alfa-beta); quando la resistenza a trazione aumenta, tuttavia, ci sono significative riduzioni nella tenacità della lega. La resistenza a trazione, quindi, diviene un criterio necessario ma non sempre sufficiente per l’applicazione delle leghe di titanio e, di conseguenza, le proprietà di tenacità a frattura e di resistenza alla propagazione della cricca divengono importanti. Allo stesso modo, l’eccellente resistenza a fatica del titanio non è sempre un sufficiente indicatore per l’applicabilità della lega; infatti, tenacità a frattura e dati particolareggiati sulla dimensione della cricca in condizioni di carico ciclico vengono richieste come informazioni supplementari alla specifica sulla resistenza a fatica. Lavorazioni termo-meccaniche e progettazione della composizione della lega vengono regolate in modo da ottenere una morfologia caratterizzata da una miscela ottimale di fase equiassica ed aciculare; durante il 1970, infatti, sono state fatte importanti correlazioni tra le proprietà a frattura e la microstruttura delle leghe lavorate.

 

In aggiunta alle ovvie correlazioni con la microstruttura ottica, chimica e microstruttura del componente in lega sono state studiate per i loro effetti sulle proprietà meccaniche: talvolta, è stato introdotto uno strato interfacciale sottile per separare le fasi alfa e beta nelle leghe di titanio alfa-beta. Lo strato poteva essere di idruro di titanio o di strutture complesse del titanio; la reale influenza dello strato interfacciale sulle proprietà meccaniche non è ancora stata dimostrata.

 

 

Densità.

La densità di una lega dipende dalla quantità e dalla densità degli elementi in lega. Per esempio, una lega contenente alluminio come elemento in lega è probabile sia sostanzialmente più leggera di una che contiene un’apprezzabile quantità di stagno. Generalmente, le leghe beta sono pesanti perché contengono elementi in lega come il molibdeno che ha relativamente un’alta densità.

 

 

Resistenza a trazione.

La resistenza a trazione del titanio e delle sue leghe a temperatura ambiente varia da 240 MPa per il titanio CP più tenero a oltre 1400 MPa per le leghe ad alta resistenza. Le resistenze convenzionali variano dai 170 ai 1100 MPa, a seconda di qualità e condizioni della lega. A temperature elevate i diversi tipi di titanio CP presentano proprietà a trazione caratteristiche; tutte le leghe, specialmente quelle ad alta resistenza, mantengono valori convenzionali sia di resistenza a trazione che di resistenza fino a temperature molto alte.

 

Normalmente, la duttilità aumenta con l'aumento della temperatura; tuttavia, c’è una leggera irregolarità nel caso del titanio CP in quanto la sua duttilità aumenta coerentemente fino a temperature comprese tra 200°C e 300°C, ma da lì in poi diminuisce fino a 400 - 450°C, assumendo valori molto simili a quelli riscontrati a temperatura ambiente.

 

La resistenza a trazione a temperatura ambiente è riportata in Tabella 1 per il titanio CP, in Tabella 2 per le leghe alfa e quasi alfa, in Tabella 3 per le leghe alfa-beta ed in Tabella 4 per le leghe beta e quasi beta; un confronto tra le resistenze specifiche di alcune leghe di titanio e quelle di altri metalli strutturali è riportato in Tabella 5.

 

 Tabella 5: Confronto resistenze specifiche tra leghe di titanio e metalli strutturali.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Resistenza a compressione.

In generale, il titanio e le sue leghe sono tanto resistenti a compressione quanto lo sono a trazione. Per il titanio CP, la resistenza a snervamento in compressione è circa uguale a quella in trazione, mentre per le leghe Ti-6Al-4V e Ti-5Al-2,5Sn le resistenze a compressione sono leggermente maggiori di quelle a trazione.

 

 

Resistenza a taglio.

La resistenza a taglio del titanio e delle sue leghe è pari circa al 60 - 70% della loro resistenza ultima a trazione.

 

 

Resistenza a snervamento portante.

La resistenza a snervamento portante di fogli in titanio o in lega di titanio è all’incirca 1,2 - 1,6 volte la resistenza a snervamento in trazione per un valore E/D di 1,5 (rapporto tra la distanza d’angolo E dal centro del foro ed il diametro D del foro stesso); inoltre è circa 1,7 - 1,95 volte la resistenza a snervamento in trazione per un valore E/D pari a 2. La resistenza ultima portante è 1,4 - 1,65 volte la resistenza ultima a trazione per E/D di 1,5 ed è 1,8 - 2,1 volte la resistenza ultima a trazione per E/D pari a 2.

 

 

Resistenza a fatica.

In condizioni atmosferiche normali, il limite di tolleranza a fatica del titanio ricotto e lavorato e delle sue leghe varia da 0,5 a 0,65 volte la resistenza ultima a trazione, come determinato dai tests di fatica ad albero rotante su campioni (barre) non intagliati per 10 milioni di cicli. Il valore precedente non tiene conto della presenza di stress residui, dovuti ad angoli, intagli, fori, superfici ruvide ed altre discontinuità che riducono apprezzabilmente la resistenza a fatica; ad esempio, in condizioni di intaglio (Kt=3,9), la tolleranza a fatica della lega Ti-6Al-4V ricotta è ridotta fino a circa 0,2 volte la resistenza ultima a trazione per 10 milioni di cicli.

 

 

Durezza.

L'assorbimento di ossigeno sulla superficie del titanio quando il materiale è riscaldato causa un aumento di durezza nello strato superficiale; rettifica e lucidatura possono avere un effetto simile sui campioni metallurgici ed è per questo motivo che i valori di durezza possono essere ingannevoli. Tuttavia, la durezza del titanio, se interpretata correttamente, può essere una misura utile per i seguenti scopi:

· la durezza può essere usata per dare un'indicazione generale su una lega di titanio ignota;

· il confronto di durezza prima e dopo la ricottura può essere usato per valutare il grado di indurimento presente inizialmente o il completamento della ricottura stessa a seconda delle condizioni in cui è eseguita;

per determinate leghe il rapporto fra durezza e resistenza a trazione è noto; una misura di durezza può quindi essere usata per dare un'indicazione delle proprietà meccaniche locali o alternativamente per controllare il successo del trattamento termico.

 

La durezza del titanio CP lavorato normalmente è minore di 120 Bhn (Brinell) per la qualità di massima purezza (Grade 1); il range di durezza degli altri tipi di titanio CP varia da 200 a 295 Bhn per materiali lavorati e da 200 a 220 Bhn per materiali ottenuti per colata.

 

La durezza delle leghe di titanio ricotte è nel range da 32 a 38 Rc; le leghe Ti-5Al-2,5Sn e Ti-6Al-4V hanno una durezza di 320 Bhn in condizioni as-cast (colata grezza, senza ulteriori lavorazioni o trattamenti termici); la versione ELI di quest’ultima lega ha una durezza di 310 Bhn, sempre in condizioni as-cast.

 

 

Rigidezza.

I valori del modulo elastico (di Young) a trazione variano tipicamente da 80 a 125 GPa, ma questo dipende in parte dal processo di lavorazione usato per produrre il materiale ed in parte dalla direzionalità della prova sul materiale. C’è, tuttavia, una tendenza generale per i materiali contenenti molto alluminio ad avere un modulo abbastanza alto rispetto alle altre leghe.

 

Il modulo di elasticità a trazione per il titanio CP varia da 103 a 107 GPa. Molte leghe di titanio hanno un modulo a trazione da 110 a 117 GPa in condizioni di ricottura; eccezioni sono le leghe Ti-13V-11Cr-3Al (98 GPa) e Ti-8Al-1Mo-1V (127 GPa). Le leghe che induriscono per invecchiamento hanno un modulo a trazione un po’ più alto in condizioni invecchiate che in condizioni ricotte; il modulo a compressione è uguale o un pò più alto di quello a trazione.

 

Il titanio CP ha modulo torsionale o di taglio di circa 45 GPa; il modulo di taglio delle leghe di titanio è compreso tra 42 e 50 GPa.

 

È difficile dare un valore certo per il rapporto di Poisson delle leghe di titanio poiché l'anisotropia conduce a piccole differenze sia nel modulo di taglio che nel modulo elastico, i quali, una volta considerati insieme per calcolare il rapporto di Poisson, possono condurre a valori che variano da 0,29 a 0,39 per i fogli ricotti di ASTM Grade 5 (Ti-6Al-4V). Tuttavia, il valore generalmente accettato per il titanio CP è 0,36 e quello per ASTM Grade 5 è 0,31.

 

 

Resistenza ad alta temperatura.

Per lunghi tempi di servizio, il limite superiore di temperatura per il titanio in aria calda è circa 590°C; per applicazioni a breve termine, invece, come le pareti refrattarie che circondano i motori a propulsione di aeroplani ed elicotteri, il titanio è considerato utile fino a 1090°C. Per questo metallo, il limite di temperatura inferiore noto è -253°C, cioè la temperatura dell’idrogeno liquido; a questa temperatura, la qualità ELI e le leghe Ti-6Al-4V e Ti-5Al-2,5Sn forniscono massima tenacità.

 

L’effetto della temperatura sulle proprietà fisiche del titanio CP è dato in Tabella 6. Le leghe seguono un modello simile, anche se la loro conducibilità termica tende ad aumentare maggiormente a temperatura elevata; la maggior parte delle leghe mostra un incremento del 60 - 80% fra temperatura ambiente e 500°C. Altre proprietà seguono più da vicino le tendenze del titanio CP.

 

Le proprietà ad alte temperature di alcune leghe di titanio comunemente usate sono riportate in Tabella 7.

 

 Tabella 6: Effetto della temperatura sulle proprietà del titanio.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Tabella 7: Proprietà alle alte temperature.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Creep.

Esistono poche informazioni pubblicate sulle proprietà a creep del titanio CP, principalmente poiché le applicazioni correnti non richiedono la conoscenza dettagliata di queste proprietà. Generalmente, i valori di resistenza a creep per un materiale che mostra lo 0,1% di deformazione plastica in 100.000 ore di funzionamento sono circa il 50% della resistenza a trazione a temperature fino a 300°C.

 

Le normative di progetto per impianti chimici permettono l'uso di informazioni sulla resistenza a trazione per apparecchiature che funzionano fino a 150°C e questo copre la maggior parte degli usi correnti del titanio CP nell'industria chimica; a temperature superiori, il titanio è usato normalmente come rivestimento supportato da acciaio. Le normative di progetto per impianti chimici, inoltre, si riferiscono a valori dello sforzo a rottura.

 

Chiaramente, alcune applicazioni richiedono l'uso di materiali che abbiano una buona resistenza al creep e le leghe di titanio sono state sviluppate nel corso degli anni per soddisfare questa condizione. Generalmente, esse si dividono in tre categorie principali:

· leghe alfa-beta: contengono una quantità di elementi beta stabilizzanti sufficiente a fare in modo che un pò di fase beta sia mantenuta a temperatura ambiente; sono trattate termicamente nel campo di stabilità della fase alfa-beta e la loro struttura consiste in fase alfa primaria e fase beta trasformata; normalmente, la temperatura massima di funzionamento in condizioni di creep è attorno ai 300 - 450°C.

· leghe quasi alfa trattate termicamente nel campo di stabilità della fase alfa-beta: ottimizzando le quantità degli elementi di stabilizzazione alfa e beta, le leghe sviluppate hanno migliorato la resistenza al creep fino a temperature nel range 450 - 500°C.

leghe quasi alfa trattate termicamente nel campo di stabilità della fase beta: un ulteriore miglioramento significativo nelle proprietà a creep è ottenuto dal trattamento termico delle leghe quasi alfa nel campo della fase beta; sono adatte ad essere utilizzate fino a 600°C.

 

 

Fatica.

L'alta resistenza a fatica ciclica delle leghe di titanio è generalmente buona se confrontata con la resistenza a trazione; nonostante le curve di fatica non mostrino un ginocchio evidente, come accade nel caso di alcuni metalli, esse tendono ad appiattirsi circa oltre i 107 cicli ed il limite di fatica è, così, definito fra 40 e 60% della resistenza a trazione. L'effetto d’intaglio è minore di quello previsto dai fattori di concentrazione degli sforzi e dalla velocità di propagazione della cricca per fatica e la resistenza statica residua dei campioni criccati sembra favorevole rispetto a quella degli acciai e delle leghe di alluminio. Il confronto tra resistenze specifiche a fatica delle leghe di titanio e quelle di altri materiali ad alta resistenza è incluso in Tabella 5.

 

Come con altri materiali, la resistenza a fatica del titanio varia con finitura superficiale: tests su campioni intagliati danno valori sostanzialmente più bassi rispetti a quelli ottenuti per campioni non intagliati. Quindi, è richiesta cura nel progetto e nella fabbricazione per evitare concentrazioni di sforzi: finitura superficiale grossolana, brusche variazioni di sezione e spigoli vivi sono condizioni che dovrebbero essere evitate.

 

Le proprietà a fatica a basso numero di cicli per le leghe di titanio sono importanti per componenti rotanti nelle applicazioni aerospaziali. La maggior parte dei dati disponibili sono stati generati sotto carico costante ed in condizioni di stress minimo o nullo, in cui è stato stabilito che la resistenza a fatica delle leghe è collegata strettamente a resistenza e duttilità.

 

 

Tenacità a frattura e resistenza ad impatto.

La tenacità delle leghe di titanio dipende dalla resistenza, dalla composizione (quantità di elementi interstiziali presenti), dalla microstruttura e dalla tessitura, che sono proprietà correlate. In generale, la tenacità delle leghe di titanio varia inversamente con la resistenza, come quella degli acciai o delle leghe di alluminio; ad esempio, la tenacità a frattura delle leghe alfa-beta ha valori compresi tra 60 e 100 MPa*m1/2 a livelli di sforzo convenzionali di 800 MPa e compresi tra 20 e 60 MPa*m1/2 a livelli di sforzo convenzionali di 1200 MPa. In origine, i trattamenti termici convenzionali a cui viene sottoposto il titanio sono stati sviluppati per conferirgli proprietà a trazione ottimali, piuttosto che per migliorarne la tenacità a frattura; tuttavia, per determinate leghe alfa-beta è possibile aumentare significativamente la tenacità a frattura con semplici cambiamenti nella procedura di trattamento termico o tramite una variazione secondaria nella chimica della lega, per esempio, riducendo il livello di ossigeno nella lega Ti-6Al-4V per produrre la qualità ELI. Tali miglioramenti producono, di norma, soltanto piccole diminuzioni nella resistenza a fatica ed a trazione. Altri tipi di leghe, come le quasi alfa trattate termicamente in campo di stabilità della fase beta, hanno miglior tenacità a frattura rispetto alle leghe alfa-beta.

 

Come la tenacità a frattura, anche la resistenza a impatto del titanio e delle sue leghe è inversamente influenzata dall’aumento di resistenza e dall’incremento della quantità di elementi interstiziali. La resistenza a impatto Charpy con intaglio a V per titanio CP lavorato è nel range tra 15 e 54 J, mentre in condizioni as-cast (colata grezza), a seconda della qualità, sta circa tra 4 e 11 J; la resistenza a impatto varia da 14 a 27 J per leghe di titanio ricotte e per i materiali con invecchiamento più basso. La resistenza a impatto Charpy con intaglio a V per leghe ottenute per colata è 11 J per Ti-5Al-2,5Sn ed è compresa tra 20 e 23 J per Ti-6Al-4V (valori maggiori per la qualità ELI).

 

 

Proprietà elettriche.

 

La resistività elettrica del titanio CP varia nell’intervallo 48 - 60 x 10-6 ohm*cm a temperatura ambiente ed aumenta con l’incremento di temperatura, raggiungendo i 135 - 146 x 10-6 ohm*cm tra i 540 ed i 760°C. A temperatura ambiente, la resistività elettrica delle leghe di titanio è considerabilmente più alta e varia tra i 92 x 10-6 ohm*cm della lega Ti-8Mn ed i 199 x 10-6 ohm*cm della Ti-8Al-1Mo-1V, assumendo valori intermedi se sono presenti un maggior numero di elementi in lega. La resistività delle leghe di titanio aumenta all’aumentare della temperatura fino ad un certo punto, ma con velocità minori rispetto al titanio CP nell’intervallo tra 430 e 650°C; ad un ulteriore aumento di temperatura, la resistività rimane costante o decresce con velocità moderata.

 

 

Proprietà termiche.

 

La conduttività termica del titanio CP è compresa tra 15,6 e 17,3 W/m*K (anche se un recente lavoro ha indicato che il valore reale è pari a 21,6 W/m*K), che è simile a quella dell’acciaio inossidabile austenitico, ed è abbastanza indipendente dall’aumento di temperatura; la conduttività termica delle leghe di titanio è circa metà di quella del metallo non legato ed aumenta all’aumentare della temperatura.

 

L’espansione termica del titanio e delle sue leghe è abbastanza bassa, variando da 8,6 x 10-6 m/m/K a 9,5 x 10-6 m/m/K nell’intervallo di temperature da -210 a 110°C e da 9,5 x 10-6 m/m/K a 10,8 x 10-6 m/m/K nel range da 110 a 1530°C.

 

 

Proprietà magnetiche.

 

Il titanio CP e tutte le leghe di titanio sono non magnetici. La permeabilità del titanio CP è 1.00005-1.0001 a 955 H m-1.

 

 

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