Титан марки 3 (UNS R50550) представляет собой коммерчески чистый (CP) титан альфа-фазы, содержащий до 0,35 wt% кислорода — больше, чем любая другая марка CP, за исключением марки 4. Это дополнительное содержание кислорода обеспечивает ему минимальную предел прочности при растяжении 448 МПа (65 кси), что примерно на 30% выше, чем у марки 2 (345 МПа). Компромисс незначительный: относительное удлинение снижается с 20% до 18%, а формуемость незначительно уменьшается. Коррозионная стойкость практически идентична сорту 2. Марка 3 назначается, когда для проекта требуются коррозионные характеристики марки 2, но с существенным повышением прочности — чаще всего в сосудах под давлением для химической промышленности, судовом оборудовании и обшивке авиационных корпусов. Она используется реже, чем марка 2, и стоит дороже; в большинстве случаев, когда рассматривается возможность её применения, в итоге используется марка 2, если только расчёты нагрузок специально не требуют более высокого предела текучести.
Что такое титан 3-го класса?
Титан марки 3 — это третья из четырёх марок коммерчески чистого (CP) титана, определённых в стандартах ASTM B265 и AMS 4900. Термин “коммерчески чистый” означает, что металл по сути является нелегированным — содержание титана составляет примерно 99% по массе, а остальную часть составляют строго контролируемые примеси, а не целенаправленные легирующие добавки.
Отличие марки 3 от марок 1 и 2 заключается в предельном содержании кислорода: 0,35 wt% кислорода по сравнению с 0,25 wt% для марки 2. Именно это единственное различие обусловливает практически всю разницу в механических свойствах между ними.
Почему кислород повышает прочность титана марки CP: Кислород растворяется в междоузлиях гексагональной плотноупакованной кристаллической решетки титана. Каждый атом растворенного кислорода создает напряжение в решетке и препятствует движению дислокаций — механизму, лежащему в основе пластической деформации. Большее количество интерстициального кислорода означает более сильное сопротивление скольжению дислокаций, что напрямую приводит к более высоким пределам прочности на разрыв и пределу текучести. Тот же механизм незначительно снижает пластичность, но не существенно: минимальное удлинение марки 3 (18%) всего на два процентных пункта ниже, чем у марки 2 (20%).
3-й класс также характеризуется следующим:
- Обозначение UNS: R50550
- Распространенный псевдоним: CP-2 (в соответствии с классификацией AMS-T-9046)
- Ключевые стандарты: ASTM B265, ASTM F67, AMS 4900, AMS-T-9046 CP-2, ASME SB-265
Обозначение “CP-2” может ввести в заблуждение, поскольку в рамках различных систем классификации некоторые производители обозначают марку Grade 2 как CP-2. При заказе всегда указывайте номер марки по стандарту ASTM B265 и обозначение по системе UNS одновременно, чтобы исключить двусмысленность.
С точки зрения микроструктуры сплав марки 3 представляет собой однофазный альфа-сплав — при комнатной температуре он имеет полностью гексагональную плотноупакованную решетку без превращения в бета-фазу. Такая микроструктура обеспечивает ему превосходную коррозионную стойкость, хорошую свариваемость и предсказуемые механические свойства в широком диапазоне температур.
Химический состав титана марки 3 (ASTM B265)
Состав титана марки 3 определен в стандарте ASTM B265 (лента, лист и плита) и упомянут в стандартах AMS 4900, ASTM F67 и ASME SB-265. Применяются все максимальные пределы — фактическое содержание кислорода и железа в продукции, сертифицированной заводом, как правило, будет ниже указанных предельных значений.
| Элемент | Максимум (wt%) | Роль |
|---|---|---|
| Кислород (O) | 0.35 | Основной усилительный рычаг; интерстициальный упрочнитель |
| Железо (Fe) | 0.30 | Вторичный упрочняющий компонент в виде твердого раствора |
| Азот (N) | 0.050 | Интерстициальный усилитель (незначительный вклад) |
| Углерод © | 0.08 | Интерстициальный эффект, минимальное воздействие при таких концентрациях |
| Водород (H) | 0.015 | Подвергается строгому контролю для предотвращения охрупчивания |
| Прочее (каждый) | 0.10 | Остаточные микроэлементы |
| Прочее (всего) | 0.30 | |
| Титан (Ti) | Баланс | ~99% по массе |
Кислород — это ключевой элемент. Переход от класса 1 (0,18 wt% O max) к классу 4 (0,40 wt% O max) по сути представляет собой контролируемое увеличение содержания кислорода, причем на каждом этапе минимальный предел прочности на разрыв увеличивается примерно на 100 МПа, а относительное удлинение уменьшается на несколько процентов.
Водород заслуживает внимания не только из-за своего низкого предельного значения. При комнатной температуре растворимость водорода в титане очень низкая, и водород, поглощенный в процессе обработки или сварки, со временем может привести к отсроченному растрескиванию или охрупчиванию. Максимальное значение 0,015 % по массе служит стандартной мерой защиты от этого. При сварке марки 3 применяются те же меры предосторожности, что и для любого титана с коррозионной защитой: обязательна защита инертным газом как сварной ванны, так и обратной стороны зоны термического влияния.
Содержание железа до 0,30 % по массе также способствует повышению прочности за счет упрочнения в твердом растворе, хотя его влияние меньше, чем влияние кислорода при эквивалентных концентрациях. В отличие от некоторых нержавеющих сталей, в которых содержание железа вызывает опасения по поводу коррозионной стойкости, железо в таких следовых количествах в титане существенно не влияет на коррозионную стойкость.
Механические свойства титана марки 3
Приведенные ниже значения представляют собой минимальные требования стандарта ASTM B265 для листов, лент и пластин. Фактические характеристики сертифицированного материала, как правило, превышают эти минимальные значения — в протоколе заводских испытаний указаны измеренные значения для каждой партии.
| Недвижимость | 3 класс | Единицы измерения |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв (UTS) | 448 мин (65 кси) | МПа |
| Предел текучести (смещение 0,2%) | 379 мин (55 кси) | МПа |
| Удлинение (опорная длина 2 дюйма / 50 мм) | 18 мин | % |
| Модуль упругости | ~104,8 (15 200 кси) | ГПа |
| Плотность | 4.51 | г/см³ |
| Диапазон плавления | ~1649–1671 (3000–3040 °F) | °C |
| Твёрдость по Бринеллю | ~200–225 | HB |
Несколько цифр, которые стоит проанализировать при принятии инженерных решений:
Прочность на разрыв — 448 МПа Это позволяет классу 3 занять выгодное промежуточное положение. Он позволяет преодолеть пороговые требования для многих конструкций сосудов под давлением в соответствии с разделом VIII стандарта ASME, где класс 2 находится на грани допустимости, — без необходимости переходить на класс 4 или использовать сплав.
Модуль упругости 104,8 ГПа характерно для всех марок титана CP; оно практически не меняется между марками 1 и 4. Это означает, что марка 3 обладает такой же жесткостью, как и марка 2 — что является важным моментом для конструкций, в которых геометрия определяется прогибом, а не напряжением.
Относительное удлинение при 18% достаточно высока, что позволяет формовать листы марки 3 с помощью обычных операций на листогибочном прессе и профилировании. Практическая разница по сравнению с удлинением марки 2 (20%) существует, но она незначительна; возможно, потребуется немного увеличить радиусы инструментов, а пружинная деформация будет чуть больше.
Криогенные характеристики: Марки титана CP, в том числе марка 3, лучше сохраняют пластичность при температурах ниже нуля, чем большинство конструкционных сплавов. Металлы с гранецентрированной кубической решеткой (аустенитные нержавеющие стали) обычно являются предпочтительным выбором для криогенных условий эксплуатации, однако гексагональная структура титана CP не демонстрирует резкого перехода от пластичности к хрупкости при определённой температуре, как это характерно для ферритных сталей. Марка 3 применяется в оборудовании, работающем в условиях низких температур, а также в смежных с криогенной техникой областях, где также требуется её коррозионная стойкость.
Титан 2-го и 3-го классов: прямое сравнение
Краткий ответ: Марка 3 обладает прочностью на разрыв примерно на 30% выше, чем марка 2, при практически одинаковой коррозионной стойкости и лишь незначительно сниженной пластичности. Она стоит дороже и производится в меньших объемах, что сказывается на доступности и сроках поставки.
| Недвижимость | 2-й класс (R50400) | 3-й класс (R50550) | Разница |
|---|---|---|---|
| UTS мин. | 345 МПа (50 кси) | 448 МПа (65 кси) | +30% |
| Минимальная урожайность | 275 МПа (40 кси) | 379 МПа (55 кси) | +38% |
| Минимальное удлинение | 20% | 18% | −2 п.п. |
| O max (wt%) | 0.25% | 0.35% | +40% |
| Fe max (wt%) | 0.30% | 0.30% | Равный |
| Плотность | 4,51 г/см³ | 4,51 г/см³ | Равный |
| Модуль | ~103 ГПа | ~104,8 ГПа | Незначительный |
| Устойчивость к коррозии | Превосходно | Превосходно | Равный |
| Свариваемость | Превосходно | Хорошо | Незначительное снижение |
| Доступность | Широкий | Ограниченный | Победы во 2-м классе |
| Типичная стоимость | Нижний | 10–20% премиум-класса | Победы во 2-м классе |
В каких случаях целесообразно использовать 3-й класс вместо 2-го
Рейтинг «3» присваивается, если приложение соответствует одному из следующих условий:
- Уменьшение толщины стенок — это важно. Если в конструкции сосуда под давлением можно использовать более тонкий прокат класса 3 вместо более толстого класса 2, вес материала снижается, и затраты на изготовление могут компенсировать надбавку к цене за единицу — это особенно актуально для конструкций в аэрокосмической отрасли, где масса является жестким ограничением.
- Расчет основан на пределе текучести, а не на коррозионной стойкости. Если анализ напряжений показывает, что материал 2-го класса достигает предела текучести под нагрузкой, в то время как материал 3-го класса имеет запас прочности, а переход на титановый сплав, такой как Ti-6Al-4V, приведет к усложнению процесса термообработки сварных швов, то выбор материала 3-го класса является логичным шагом в сторону повышения прочности.
- Заявки на медицинские изделия в соответствии со стандартом ASTM F67. Марка 3 указана в стандарте ASTM F67 (титан имплантационного качества) наряду с марками 1, 2 и 4. Когда хирургическому компоненту требуется более высокая прочность, чем обеспечивает марка 2, без легирующих элементов (алюминия и ванадия, содержащихся в марке 5), которые затрудняют оценку биосовместимости, марка 3 является оптимальным выбором.
В каких случаях 2-й класс по-прежнему остается лучшим выбором
Уровень 2 является оптимальным выбором в подавляющем большинстве случаев:
- Когда основным фактором является коррозионная стойкость, а механическая нагрузка невысока
- Когда процесс формовки листового металла отличается высокой степенью сложности (более крутые изгибы, глубокая вытяжка)
- Когда сроки реализации проектов сжаты, а доступность поставок имеет большое значение
- Когда при расчете ограничивающим фактором является жесткость, а не прочность (оба сорта имеют одинаковый модуль упругости)
- Когда на стоимость оказывается давление, а запас прочности не имеет решающего значения
На практике инженеры по закупкам, занимающиеся оборудованием химических заводов и трубными донками теплообменников, обычно используют марку 2, которая без проблем выдерживает такие условия эксплуатации. Марка 3 применяется в тех случаях, когда в ходе анализа конструкции выявляется недостаточный запас прочности, а использование легированной марки усложнило бы технические условия изготовления.
Для чего используется титан 3-го класса?
Титан 3-го класса занимает особую нишу: он применяется в тех случаях, когда требуется коррозионная стойкость титана 2-го класса, но прочность последнего оказывается недостаточной. Наибольшее применение он находит в следующих отраслях.
Оборудование для химической переработки
Устойчивость титана к воздействию влажного хлора, растворов хлоридов, окисляющих кислот и морской воды делает его предпочтительным материалом для химических заводов. Большая часть такого оборудования — трубы теплообменников, корпуса реакторов, трубопроводы — изготавливается из титана марки 2. Марка 3 применяется в следующих случаях:
- При проектировании сосудов под давлением требуются более высокие значения допустимых напряжений, чтобы обеспечить требуемую толщину стенок в условиях ограниченного пространства
- Расчет в соответствии с разделом VIII кодекса ASME показывает, что для класса 2 требуется стенка большей толщины, чем предпочтительная, а для класса 3 конструкция соответствует стандартным размерам заготовок
Коррозионные среды, в которых может эксплуатироваться сталь класса 2 — разбавленная серная кислота, азотная кислота, растворы отбеливателя, фосфорная кислота, влажный газообразный хлор — в равной степени подходят и для стали класса 3. Переход с класса 2 на класс 3 в этих средах не сопряжен с риском коррозии.
Компоненты планера для аэрокосмической отрасли
Марка 3 указана в стандартах ASTM B265 и AMS 4900 именно потому, что для изготовления обшивки и конструкционных листов в аэрокосмической отрасли иногда требуется титан марки CP с более высоким допустимым напряжением, чем у марки 2. В авиастроении важен каждый килограмм веса конструкции, и возможность использовать более тонкий лист класса 3 для обеспечения требуемой прочности позволяет добиться ощутимой экономии веса при больших площадях панелей.
Хотя он и не так широко используется в конструкциях самолетов, как марка 2, — в аэрокосмической отрасли в качестве конструкционного материала преобладает Ti-6Al-4V (марка 5) — марка 3 занимает полезную нишу: для ненесущих конструкций, где требования к термообработке сплава усложнили бы технологический процесс, а запас прочности сплава марки 2 является недостаточным.
Судовые приспособления
Практически полная устойчивость титана к коррозии в морской воде, включая устойчивость к щелевой коррозии и точечной коррозии в соленой воде при повышенных температурах, делает его ценным материалом для применения в морской и военно-морской отраслях. Марка 2 подходит для большинства морских условий эксплуатации. Марка 3 используется в несущих морских крепежных элементах, кронштейнах и фитингах, где требуется более высокая испытательная нагрузка без перехода на другой сплав.
Сосуды под давлением и теплообменники
При изготовлении сосудов под давлением, эксплуатируемых при умеренных давлениях, в частности в условиях воздействия коррозионных химических веществ или морской среды, может быть указан класс 3, если технологические условия требуют как коррозионной стойкости, так и повышенного допустимого расчетного напряжения. Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением (ASME SB-265, содержащий перекрестные ссылки на стандарт ASTM B265 для титана) включает марку 3 в качестве признанного материала, что обеспечивает основу для расчета напряжений в оборудовании, маркированном в соответствии с Кодексом.
Применение в холодильной технике и смежных с криогеникой областях
Марки титана CP, в том числе марка 3, не демонстрируют перехода от пластичности к хрупкости, который делает ферритные и мартенситные стали опасными при температурах ниже нуля. Марка 3 сохраняет свою пластичность вплоть до криогенных температур, что позволяет использовать её в оборудовании для работы со сжиженным газом и в трубопроводах химического оборудования, эксплуатируемых в условиях низких температур, где требуется сочетание низкотемпературной вязкости и коррозионной стойкости.
Такое поведение при низких температурах — это свойство, которое во многих технических паспортах на материал класса 3 упоминается вскользь, но редко объясняется — оно напрямую обусловлено гексагональной плотноупакованной кристаллической структурой и отсутствием фазового перехода в кубическую систему с центром в объеме.
Коррозионная стойкость: соответствует ли марка 3 марке 2?
Да — марки Grade 3 и Grade 2 обладают одинаковой коррозионной стойкостью во всех реальных условиях эксплуатации.
Оба сорта образуют один и тот же пассивный поверхностный оксид: диоксид титана (TiO₂). Этот оксидный слой образуется самопроизвольно при контакте титана с кислородом или влагой и обладает способностью к самовосстановлению — если его поцарапать, он восстанавливается в течение миллисекунд на воздухе или в воде. Состав этого оксида определяется самим металлическим титаном, а не содержанием интерстициального кислорода внутри объёма сплава. Более высокое содержание объёмного кислорода (отличительная черта марки 3) не влияет на поверхностный слой TiO₂.
Практический результат: в коррозионных средах, для которых предусмотрен класс 2 — хлориды, окисляющие кислоты, морская вода, отбеливатель, влажные промышленные газы — класс 3 демонстрирует такие же характеристики. Инженерам-коррозионистам, сравнивающим предложение по классу 3 с техническим заданием на класс 2, не нужно заново проводить оценку коррозионной стойкости для данных сред; данные о коррозионной стойкости титана применяются напрямую.
Где это различие действительно имеет значение: снижение кислотности
Существенный недостаток титана — его нестойкость к воздействию восстанавливающих кислот, таких как горячая концентрированная соляная кислота или разбавленная серная кислота при повышенных температурах в отсутствие окислителя — в равной степени относится как к маркам 3, так и к маркам 2. Ни один из этих марок не подходит для использования в таких средах без специальных легирующих добавок (марки 7, 11, 12 или 16 с добавками палладия или рутения предназначены для эксплуатации в средах восстанавливающих кислот).
Если в результате анализа коррозионной среды титан признан пограничным материалом для среды с восстановительной кислотностью, то переход с марки 2 на марку 3 не решает проблему коррозии. Решением является использование совершенно другой марки.
Предельные значения температуры
Пассивный оксидный слой титана сохраняет стабильность при температурах до примерно 315 °C (600 °F) в большинстве водных сред. При температурах выше этого диапазона скорость окисления значительно возрастает, и оксидный слой может утратить свои защитные свойства. Это в равной степени относится к маркам 2 и 3. Для высокотемпературных окисляющих сред требуются титановые сплавы с повышенной стойкостью к окислению.
Изготовление, свариваемость и формовка
Титан марки 3 подходит для стандартных методов обработки титана, однако требует такого же тщательного обращения, как и любой чистый титан или титановый сплав. Несколько более высокая прочность по сравнению с маркой 2 имеет практическое значение при выполнении операций по формовке.
Свариваемость
Сварка титана марки 3 осуществляется по тем же процедурам, что и для марки 2 — стандартной практикой является сварка вольфрамовым электродом в защитной гази (GTAW/TIG). Ключевым требованием при сварке титана марки CP является контроль загрязнения:
- Защитный газ: Чистый аргон (99,999%) на горелке и защитный газ, следующий за сварным швом
- Обратная продувка: Обратная сторона сварного шва должна защищаться аргоном до тех пор, пока температура металла не опустится ниже примерно 315 °C (600 °F). Титан быстро окисляется при температурах сварки, и возникающее при этом изменение цвета (от золотистого через синий до белого) свидетельствует о загрязнении оксидами, что ухудшает механические свойства и коррозионную стойкость.
- Чистота: Перед сваркой необходимо механическим или химическим способом удалить окалину, смазочные материалы и поверхностные оксиды. Загрязнённые сварные швы на титане не подлежат восстановлению шлифованием — загрязнённую зону необходимо удалить и заварить заново.
Сварной металл марки 3 соответствует требованиям к прочности основного материала при условии, что режим сварки должным образом аттестован в соответствии с применимым стандартом. В отличие от некоторых титановых сплавов, для марок титана CP не требуется термообработка после сварки для восстановления коррозионной стойкости.
Операции по формовке листов и гибке на листогибочном прессе
Более высокий предел текучести марки 3 означает, что для её формовки требуется немного большее усилие, чем для марки 2, а величина пружинного отскока будет несколько больше. Оборудование, подходящее для марки 2, как правило, подходит и для марки 3 при незначительной корректировке параметров — увеличении радиусов изгиба (примерно на 10–15% больше минимальных значений для марки 2) и увеличении расчетного усилие.
Операции глубокой вытяжки более чувствительны. Снижение удлинения на 2 процентных пункта (18% по сравнению с 20%) невелико, но реально, и сложные геометрии вытяжки, которые находятся на пределе возможностей марки Grade 2, могут потребовать отжига заготовок марки Grade 3 между этапами вытяжки или перепроектирования инструмента.
Обработка
Титановые марки CP обрабатываются с использованием тех же материалов для инструментов и тех же требований к смазочно-охлаждающей жидкости, что и титановые сплавы, однако из-за более низкой прочности усилия резания, как правило, ниже. Марка 3 обрабатывается несколько сложнее, чем марка 2, но обе марки обрабатываются значительно легче, чем Ti-6Al-4V (марка 5). Основные рекомендации по обработке марки 3:
- Используйте острый инструмент; титан быстро упрочняется при обработке тупым инструментом
- Следует поддерживать постоянную нагрузку на режущую кромку; прерывистые резы приводят к упрочнению заготовки
- Используйте смазочно-охлаждающую жидкость в достаточном количестве, чтобы предотвратить нагрев и приваривание инструмента
- Используйте инструменты из твердого сплава или быстрорежущей стали с высоким содержанием кобальта; избегайте работы без смазки
Титан 3-го и 5-го сортов (Ti-6Al-4V): когда достаточно CP
Марка 5 — Ti-6Al-4V, наиболее широко используемый титановый сплав — относится к совершенно иному классу эксплуатационных характеристик, чем марка 3. Понимание этой границы помогает инженерам избежать как избыточного проектирования, так и недостаточного проектирования.
| Недвижимость | 3-й класс CP | Класс 5 (Ti-6Al-4V) |
|---|---|---|
| UTS мин. | 448 МПа (65 кси) | 895 МПа (130 кси) |
| Минимальная урожайность | 379 МПа (55 кси) | 828 МПа (120 кси) |
| Минимальное удлинение | 18% | 10% |
| Плотность | 4,51 г/см³ | 4,43 г/см³ |
| Устойчивость к коррозии | Отлично (пассивная обработка TiO₂ методом химического осаждения) | Хороший (сплав) |
| Свариваемость | Хорошо | Удовлетворительное (для достижения полных характеристик требуется термообработка после сварки) |
| Стоимость | Нижний | Значительно выше |
| Термическая обработка | Не применимо | Необходимо для обеспечения полной прочности конструкции |
Сорт 5 примерно в два раза прочнее сорта 3 по пределу прочности при растяжении и пределу текучести (минимум 895 МПа по пределу прочности при растяжении против 448 МПа). Это не просто небольшой разрыв — это принципиальное различие в характеристиках.
Выберите 3-й класс (или 2-й класс), если:
- Основной функцией является коррозионная стойкость, а механические нагрузки незначительны
- Объем сварочных работ значителен, а термообработка после сварки нецелесообразна
- Толщина стены соответствует допустимому напряжению для класса 3 при расчетном давлении
- Данный элемент не является несущим (воздуховоды, облицовка, трубопроводы, покрытие)
Выберите 5-й класс, если:
- Основную нагрузку принимают на себя несущие конструкции (элементы каркаса самолета, шасси, лопатки турбины)
- Стремление к снижению веса по сравнению со сталью определяет конструкцию, а соотношение прочности к весу имеет решающее значение
- При проектировании учитываются факторы усталостной прочности (марка 5 демонстрирует значительно более высокие показатели усталостной прочности по сравнению с марками CP)
- Рабочая температура под нагрузкой достигает 300–400 °C
Коэффициент сложности изготовления
Сварные швы из Ti-6Al-4V оцениваются как “удовлетворительные” — без послесварочной термообработки зона термического влияния теряет вязкость, а утверждение технологии сварки для конструкционных деталей 5-го класса в соответствии с нормами аэрокосмической отрасли или нормами на сосуды под давлением требует значительных усилий. Для сварных конструкций, в которых сварка проводится в больших объемах и проведение термообработки после сварки невозможно, титан марки CP, который сваривается без дефектов и не требует термообработки, остается оптимальным выбором.
Марки коммерчески чистого титана от 1 до 4: полное сравнение
Все четыре марки титана CP представляют собой сплавы с альфа-фазой, на которые распространяется стандарт ASTM B265. Они обладают одинаковой кристаллической структурой, одинаковым механизмом коррозионной стойкости и схожей свариваемостью. Различия между ними полностью обусловлены содержанием интерстициальных элементов — в первую очередь кислорода, — которое целенаправленно увеличивается от марки 1 до марки 4 с целью повышения прочности.
| Недвижимость | 1-й класс (R50250) | 2-й класс (R50400) | 3-й класс (R50550) | 4-й класс (R50700) |
|---|---|---|---|---|
| O max (wt%) | 0.18 | 0.25 | 0.35 | 0.40 |
| Fe max (wt%) | 0.20 | 0.30 | 0.30 | 0.50 |
| Минимальное значение UTS (МПа) | 240 | 345 | 448 | 550 |
| Предел текучести, мин. (МПа) | 138 | 275 | 379 | 483 |
| Минимальное удлинение (%) | 24 | 20 | 18 | 15 |
| Формуемость | Лучшее | Очень хорошо | Хорошо | Ярмарка |
| Относительная сила | Самый низкий | Умеренный | Высокий | Наивысший CP |
| Доступность | Высокий | Самый высокий | Ограниченный | Ограниченный |
1 класс является наиболее пластичным и наиболее коррозионно-стойким (с наименьшим содержанием интерстициальных элементов). Используется для облицовки химических установок, изготовления труб теплообменников, медицинского оборудования, а также в областях, требующих максимальной формуемости.
2 класс — это «рабочая лошадка» отрасли. Максимальная эксплуатационная готовность, самый широкий ассортимент стандартных форм и достаточная прочность для большинства областей применения, связанных с коррозией. Стандартный выбор для промышленного титана.
3 класс заполняет пробел между марками 2 и 4 — обладает большей прочностью, чем марка 2, и лучшей пластичностью, чем марка 4. Используется в тех случаях, когда запас до предела текучести марки 2 недостаточен, а сниженная формуемость марки 4 затрудняет изготовление.
4 класс обладает самой высокой прочностью среди марок титана CP — минимальное предельное сопротивление разрыву составляет 550 МПа. Используется в аэрокосмических крепежных изделиях, медицинских имплантатах (ASTM F67) и в тех случаях, когда титан CP должен выдерживать максимально возможную конструктивную нагрузку. Относительное удлинение снижается до минимум 15%, что ограничивает возможности формовки.
Часто задаваемые вопросы
В чём заключается разница между титаном 2-го и 3-го сорта?
Марка 3 отличается более высоким содержанием кислорода (макс. 0,35 wt% по сравнению с макс. 0,25 wt% у марки 2), что повышает её минимальный предел прочности при растяжении до 448 МПа по сравнению с 345 МПа — рост на 30%. Предел текучести увеличивается с 275 МПа до 379 МПа. Относительное удлинение незначительно снижается с 20% до 18%. Коррозионная стойкость остается неизменной. Марка 3 стоит дороже и менее широко доступна, чем марка 2.
Для чего используется титан 3-го класса?
Сталь марки 3 используется в химической промышленности для изготовления сосудов под давлением, теплообменников, судового оборудования, листового проката для авиакосмических корпусов, а также оборудования, работающего в условиях низких температур. Ее применяют в тех случаях, когда конструкция требует коррозионной стойкости, характерной для стали марки 2, при более высоком допустимом напряжении — как правило, для уменьшения толщины стенок или устранения недостаточного запаса прочности, выявленного при расчете напряжений.
Титан марки Grade 3 поддается сварке?
Да. Сталь марки 3 хорошо сваривается методом GTAW (TIG) с защитой чистым аргоном и обратной продувкой. Технологические процедуры такие же, как и для марки 2. Проварной металл соответствует требованиям к прочности основного металла при условии надлежащей аттестации технологических процедур. Термообработка после сварки для восстановления коррозионной стойкости не требуется.
Какой сорт титана используется в аэрокосмической отрасли?
Ti-6Al-4V (марка 5) широко используется в аэрокосмической отрасли для изготовления несущих конструкций благодаря высокому соотношению прочности к весу. Среди марок CP марка 2 наиболее часто применяется для изготовления ненесущих элементов планера, воздуховодов и гидравлических систем. Марка 3 применяется в конкретных случаях, когда требуется титан из серии CP с более высоким допустимым напряжением, в частности в соответствии со стандартом AMS 4900. Марка 4 используется в некоторых видах крепежа.
Титан 3-го класса прочнее, чем титан 2-го класса?
Да. Марка 3 обладает минимальной предельной прочностью на разрыв 448 МПа и минимальным пределом текучести 379 МПа, в то время как у марки 2 эти показатели составляют 345 МПа и 275 МПа соответственно. Разница в пределе текучести, составляющая примерно 38%, является более значимым показателем для большинства расчётов конструкций.
Чем отличается титан 3-го класса от титана 5-го класса (Ti-6Al-4V)?
Марка 5 обладает примерно вдвое большей прочностью: минимальное предельное сопротивление разрыву (UTS) составляет 897 МПа по сравнению с 448 МПа у марки 3. Марка 3 отличается лучшей свариваемостью (для достижения полных конструкционных характеристик марка 5 требует термообработки после сварки), несколько лучшей коррозионной стойкостью и более низкой стоимостью. Марку 5 выбирают в тех случаях, когда при проектировании решающую роль играют прочность конструкции, усталостные характеристики или способность выдерживать повышенные температуры.
Резюме
Титан марки 3 — это коммерчески чистый титан альфа-фазы, характеристики которого определены в стандартах ASTM B265, UNS R50550 и AMS 4900. Его определяющей характеристикой является предельное содержание кислорода 0,35 wt%, что обеспечивает минимальную прочность на разрыв 448 МПа и минимальный предел текучести 379 МПа — примерно на 30% и 38% выше, чем у марки 2, соответственно. Коррозионная стойкость, плотность и модуль упругости практически идентичны показателям марки 2; в качестве компромисса отмечается незначительное снижение формуемости и более высокая цена.
Класс 3 не заменяет класс 2. Он занимает особую нишу в инженерной сфере: это области применения, где требуются антикоррозионные характеристики класса 2, но его запас прочности до предела текучести недостаточен. На практике это чаще всего встречается при проектировании сосудов под давлением, изготовлении листов для авиационных корпусов и производстве несущих металлоконструкций для судостроения. Большинство покупателей, рассматривающих марку 3, в конечном итоге останавливаются на марке 2 — и это правильный выбор, если расчеты нагрузок не требуют дополнительной прочности.
Если в результате анализа нагрузки класс 2 признается предельно допустимым, то класс 3 позволяет полностью решить эту проблему: те же процедуры сварки TIG, отсутствие требований к термообработке, отсутствие проблем с легирующими элементами и прямая замена при оценке коррозионной стойкости.
