Вы не можете отличить Титан Grade 1 и Titanium Grade 2 просто взглянув на них. У них одинаковый серебристо-серый блеск, одинаковая плотность (4,51 г/см³), а также одинаковая устойчивость к коррозии в большинстве мест. Однако смешение этих двух “коммерчески чистых” (CP) марок на инженерном чертеже может привести к катастрофическому разрушению. Например, неправильное использование марки 2 может привести к образованию трещин при глубокой вытяжке, а излишнее использование марки 1 может вызвать структурную деформацию под давлением.
Когда инженеры и специалисты по закупкам выбирают между классом 1 (UNS R50250) и классом 2 (UNS R50400), они обычно не думают о “качестве” в обычном понимании. Вместо этого они делают стратегический выбор между наибольшая пластичность и умеренная прочность конструкции.
Это руководство выходит за рамки простых спецификаций и помогает вам принять реальное решение, раскрывая химические, механические и эксплуатационные различия между марками, чтобы вы могли выбрать подходящую для ваших нужд.
Критическое различие: Химический состав и чистота
Хотя оба сплава классифицируются как “нелегированный” титан, Grade 2 - это не просто “менее качественная” версия Grade 1. Он специально разработан с немного более высоким содержанием промежуточных элементов для достижения большей прочности.
Согласно ASTM B265 (Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip, Sheet, and Plate), пределы состава определены следующим образом:
| Элемент | Класс 1 (UNS R50250) | Класс 2 (UNS R50400) | Влияние |
|---|---|---|---|
| Азот (N) | Макс 0,03% | Макс 0,03% | Незначительный вклад в прочность. |
| Углерод (C) | Макс 0,08% | Макс 0,08% | Поддерживается на низком уровне для предотвращения образования карбидов. |
| Водород (H) | Макс 0,015% | Макс 0,015% | Строгий контроль для предотвращения водородного охрупчивания. |
| Железо (Fe) | Макс 0.20% | Макс 0.30% | Железо повышает прочность, но несколько снижает коррозионную стойкость. |
| Кислород (O) | Макс 0,18% | Макс 0,25% | Основное укрепляющее средство. |
| Титан (Ti) | Баланс | Баланс | Базовая матрица. |
Кислородная ручка“: Интерстициальное укрепление объясняется
Наиболее существенное различие заключается в содержании кислорода. Максимально допустимое содержание кислорода для сорта 2 (0.25%) это 0,07 процентных пункта выше, чем для 1 класса (0.18%).
Хотя эта разница кажется незначительной, в материаловедении кислород действует как интерстициальный легирующий элемент. Маленькие атомы кислорода вписываются в промежутки между крупными атомами титана в гексагональной кристаллической решетке с тесной упаковкой (HCP). Эти междоузельные атомы препятствуют движению дислокаций в кристаллической структуре.
- Степень 1 (низкий уровень кислорода): Меньше препятствий для движения дислокаций, высокая пластичность и низкая прочность.
- Класс 2 (повышенный уровень кислорода): Больше барьеров “прижимают” дислокации, , Высокая прочность, умеренная пластичность.
Поэтому Grade 2 приобретает статус “рабочей лошадки” не за счет добавления дорогих металлов, таких как ванадий, а благодаря тщательному контролю “примеси” кислорода, что позволяет увеличить прочность на разрыв без ущерба для пластичности.
Технический ресурс: Для более глубокого изучения стандартных спецификаций см. Официальная документация ASTM B265 в отношении требований к полосам, листам и плитам.
Механические свойства: Прочность в сравнении с формуемостью
При проектировании несущего оборудования этот компромисс имеет численное значение. Класс 2 обычно предлагает 30%-40% увеличение предела текучести старше 1 класса.
Типичные механические свойства (при комнатной температуре)
| Недвижимость | Класс 1 (самый мягкий) | 2 класс (стандарт) |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв (UTS) | 240 МПа (35 кси) мин | 345 МПа (50 кси) мин |
| Предел текучести (смещение 0,2%) | 170 МПа (25 кси) мин | 275 МПа (40 кси) мин |
| Удлинение | 24% мин (часто >30%) | 20% мин |
| Твердость (Виккерс) | ~120 HV | ~145 HV |
Перспектива проектирования по ASME (важно для сосудов под давлением)
Если вы проектируете теплообменники или сосуды под давлением под ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), Вы не просто смотрите на предел текучести, вы смотрите на максимально допустимое напряжение.
Именно в этом случае класс 2 является самым лучшим. Поскольку допустимые значения напряжений в нем значительно выше, инженеры могут указать меньшая толщина стенок для того же номинального давления.
- Сценарий: Химический реактор, работающий при температуре 150°C.
- 1 класс: Требуются толстые стенки, чтобы выдержать давление, что увеличивает вес и стоимость материала.
- 2 класс: Позволяет делать более тонкие стенки, уменьшая общий вес необходимого титана.
Вынос: Если вам не нужна экстремальная формуемость класса 1, класс 2 почти всегда является более экономичным выбором для изоляции под давлением из-за его лучшего соотношения прочности и веса при расчетах по нормам.
Руководство по изготовлению: Работа с материалом
Выбор между Grade 1 и Grade 2 часто сводится к тому, как будет изготавливаться деталь. Реальность цеха может сильно отличаться от теории конструкторского бюро.
1. Холодная штамповка и радиус изгиба
Это территория сорта 1. Благодаря высокому удлинению и низкому содержанию кислорода, сорт 1 обладает превосходной ’глубокой тянучестью“.”
- 1 класс: Часто может быть согнута до радиуса 1T - 1,5T (где T - толщина материала) без образования трещин. Это материал для пластинчато-рамных теплообменников, которые подвергаются сильной деформации.
- 2 класс: Обычно требуется большой радиус изгиба 2T - 2,5T. Если вы попытаетесь вытянуть Grade 2 в сложную форму, предназначенную для Grade 1, вы, скорее всего, столкнетесь с “апельсиновой коркой” (шероховатостью поверхности) или немедленным растрескиванием.
2. Обработка: Фактор “гумми”
Как ни странно, более “мягкий” Grade 1 может быть сложнее в обработке, чем Grade 2. Поскольку Grade 1 настолько вязкий, он имеет тенденцию быть “жевательная резинка”. Материал не скалывается начисто; вместо этого он размазывается и накапливается на режущей кромке (Built-Up Edge или BUE).
- Наконечник для обработки: При обработке Grade 1 используйте острые твердосплавные инструменты, высокие положительные углы наклона и обильное количество охлаждающей жидкости для предотвращения нагрева и заклинивания. Класс 2 ведет себя немного более похоже на нержавеющую сталь, обеспечивая лучший контроль стружки.
3. Свариваемость
Обе марки являются отличными кандидатами для сварки. Поскольку это однофазные альфа-сплавы, они не страдают от проблем термического растрескивания, характерных для некоторых стальных сплавов. Однако, газовая защита не подлежит обсуждению. Расплавленный титан мгновенно поглощает кислород и азот из воздуха. Без надлежащей аргоновой подложки (защиты) сварной шов класса 1 станет хрупким и потрескается - по сути, превратится в “класс 100” из-за загрязнения кислородом.
Критическая практика сварки: Для получения высокопрочного титанового шва требуется не только аргоновый защитный газ. Он требует:
-
Прицепные щиты и задний газ: Для защиты расплавленной сварочной ванны и критических Зона термического воздействия 400°C+ (750°F+) не допускайте загрязнения воздуха до достаточного остывания.
-
Тщательная чистота: Все поверхности, присадочные проволоки и инструменты должны быть очищены от масла, жира, влаги и отпечатков пальцев. Любые органические остатки будут разлагаться в дуге, выделяя водород (вызывая пористость) и углерод (вызывая охрупчивание).
-
Аргон высокой чистоты: Защитный газ должен быть высокой чистоты (обычно 99,998% или выше) с низкой точкой росы для предотвращения попадания влаги.
Сценарии применения: Когда использовать Which?
Выберите класс 1 Когда:
- Требуется глубокая прорисовка: Изготовление пластинчатых теплообменников, гофрированных листов или сложных архитектурных панелей.
- Взрывоопасная облицовка: Приклеивание титана к стальным пластинам (пластичность помогает поглотить взрывной удар).
- Максимальная коррозионная стойкость: В крайне неблагоприятных условиях несколько меньшее содержание железа (0,20% против 0,30%) теоретически может задержать щелевую коррозию, хотя это случается редко.
Выберите класс 2 Когда:
- Общее производство: Трубопроводы, фланцы, фитинги и клапаны.
- Сосуды под давлением: Резервуары и реакторы, в которых толщина стенки определяется требованиями кода ASME.
- Подкладка: Непрочная футеровка стальных резервуаров, где титан служит в основном барьером от коррозии, а не конструктивным элементом.
- Доступность имеет значение: Вам нужно доставить листы стандартного размера завтра.
Критическое предупреждение: Ловушка “5 класса”
Частая ошибка начинающих инженеров заключается в том, что они смотрят на прочность Grade 2 (345 МПа), считают ее слишком низкой и сразу же переходят к Класс 5 (Ti-6Al-4V), Прочность на разрыв составляет почти 900 МПа.
Не делайте этого, не проверив процесс формовки.
Grade 5 - это альфа-бета сплав. Он невероятно прочен, но обладает минимальная холодная формуемость. Холодная гибка труб или листов Grade 5 затруднена, а попытка сделать это приведет к их поломке. Если вам нужна более высокая прочность, чем у Grade 2, но при этом необходимо сохранить возможность холодной формовки, рассмотрите следующие варианты Класс 9 (Ti-3Al-2.5V) или просто увеличьте толщину стенки для класса 2.
Руководство по закупкам: Стоимость и наличие
Сайт ‘Ценообразование в зависимости от объема’ часто сбивает покупателей с толку. Логично предположить, что сорт 1 дороже, потому что он ‘чище’. Хотя сорт 1 действительно стоит дороже из-за более жесткого химического контроля, разница в цене часто обусловлена следующими факторами экономия на масштабе.
Класс 2 - это промышленная “рабочая лошадка”.” На него приходится подавляющее большинство рынка титана CP.
- Акции: В сервисных центрах хранятся тонны листов и плит класса 2. Листы и плиты Grade 1 часто поставляются по специальному заказу или в ограниченных количествах.
- Цена: Из-за большого объема оборота сорт 2 часто стоит дешевле за килограмм, чем сорт 1.
- Стратегия: Если ваш дизайн позволяет использовать класс 2, укажите его. Скорее всего, вы получите более выгодные цены и сократите сроки изготовления. Если вы укажете класс 1 для стандартного фланца, вы можете заплатить больше и ждать несколько недель производства.
Реферат: Матрица быстрого выбора
| Фактор решения | Выберите класс 1 (UNS R50250) | Выберите класс 2 (UNS R50400) |
|---|---|---|
| Процесс формовки | Глубокая вытяжка, сильный изгиб (растяжение >50%). | Вальцовка, простая гибка, стандартное изготовление. |
| Дизайн-драйвер | Формоустойчивость / пластичность. | Прочность / Номинальное давление ASME. |
| Радиус изгиба | Тугие изгибы (1T - 1,5T). | Широкие изгибы (2T - 2,5T). |
| Доступность | Умеренный / низкий (специализированные товары). | Высокий (отраслевой стандарт). |
| Коррозия | Превосходно. | Превосходно (практически идентично). |
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
В: Является ли титан класса 2 магнитным?
О: Нет. Титан 1 и 2 класса является немагнитным. Это делает их идеальными для использования в медицинском оборудовании для визуализации (МРТ) и корпусах чувствительной электроники.
В: Могу ли я сварить титан класса 1 с титаном класса 2?
О: Да, они совместимы. Вы можете сваривать Grade 1 с Grade 2, используя соответствующую присадочную проволоку (обычно ERTi-1 или ERTi-2). Полученная зона сварки будет иметь механические свойства, промежуточные между этими двумя классами.
Вопрос: Ржавеет ли титан Grade 2?
О: Нет. Титан не “ржавеет”, как железо. Он образует стабильную, пассивную оксидную пленку, которая делает его невосприимчивым к коррозии в морской воде, влажном хлоре и большинстве органических кислот.
В: Почему класс 2 более популярен, чем класс 1?
О: Он предлагает “золотой” баланс: достаточно прочный для использования в конструкциях (в отличие от Gr1), но достаточно пластичный для изготовления (в отличие от Gr5), в сочетании с высочайшей доступностью в цепочке поставок.