ניתוח של חוזק מתיחה וחוזק תפוקה בסגסוגות טיטניום - חדשות

בעת בחירהסגסוגות טיטניום, תחילה קבע את המתח המותר בהתבסס על חוזק תפוקה, ולאחר מכן וודא קשיחות שבר וסובלנות נזק באמצעות חוזק מתיחה והתארכות; שני השלבים חיוניים. חוזק המתיחה מייצג את העומס המקסימלי שחומר יכול לעמוד בו לפני קרע-משקף את יכולת נשיאת העומס-האולטימטיבית ופוטנציאל הספיגה האנרגיה- לפני הכשל.
חוזק התפוקה מייצג את הסף שמעבר לו העיוות הופך קבוע-שמשקף את יכולת החומר לשמור על צורתו ודיוק הממדים שלו, ומשמש כקו הבסיס האמיתי למתח מותר בתכנון מבני.

1. מהו חוזק מתיחה (Rm / σb)?
הגדרה: המתח המרבי שחומר יכול לעמוד בו לפני שבירה במהלך בדיקת מתיחה, נמדד ב-MPa. זה מייצג את היכולת האולטימטיבית של החומר לעמוד בפני עומס.
משמעות הנדסית:
חוזק המתיחה מתאים לנקודת השיא בעקומת המתח-. מעבר לנקודה זו, החומר מתחיל לעבור צוואר מקומי, ואזור נושא העומס האפקטיבי פוחת במהירות עד להתרחשות שבר.
היא קובעת את "מרווח הבטיחות האולטימטיבי" של הרכיב-גם אם עומס יתר מקומי גורם לחומר להכניע, כל עוד לא חורגים מחוזק המתיחה, החומר שומר על היכולת לספוג אנרגיה באמצעות דפורמציה פלסטית (גורם חיוני לתכנון סובלנות -לפגיעה ברכיבים מבניים תעופה וחלל).
בתעשיית סגסוגת הטיטניום, דרגות החוזק המצוינות בהצעות מחיר ובהסכמים טכניים-כגון Rm גדול מ- או שווה ל-400 MPa עבור דרגה 2 (GR2) ו-Rm גדול או שווה ל-895 MPa עבור דרגה 5 (GR5) (סרגל חישול)- מתייחסים ספציפית לפרמטר זה.

II. מהי חוזק תפוקה (Rp0.2 / σs או σ0.2)?
הגדרה: רמת הלחץ שבה חומר מתחיל לעבור דפורמציה פלסטית משמעותית (דפורמציה בלתי הפיכה, קבועה). מכיוון שרוב סגסוגות הטיטניום אינן מציגות רמת תפוקה מובהקת, שיטות הנדסה משתמשות בדרך כלל ב"חוזק ההוכחה של הרחבה פלסטית (Rp0.2)"- המוגדר כמתח היוצר 0.2% דפורמציה פלסטית קבועה-כחוזק התנובה.
משמעות הנדסית:
מתחת לחוזק התפוקה, חלק חוזר לצורתו המקורית לאחר הסרת העומס (טווח דפורמציה אלסטי); לאחר חריגה מחוזק התפוקה, החלק עובר דפורמציה קבועה ואינו חוזר למצבו המקורי.
עבור הרוב המכריע של הרכיבים המבניים, חוזק התפוקה משמש כמדד העיצוב האמיתי. בניתוח מתח, המתח המותר מחושב בדרך כלל על ידי חלוקת חוזק התפוקה במקדם בטיחות (בדרך כלל 1.15-1.5 עבור רכיבי תעופה וחלל ו-1.5 עבור מכלי לחץ אזרחיים).
דוגמה: חוזק התפוקה של טיטניום חישול דרגה 5 (Ti-6Al-4V) הוא כ-825 MPa, בעוד חוזק המתיחה שלו נע בין כ-895 ל-1030 MPa. אם אתה משתמש בנתון 895 MPa בחישובי התכנון שלך, אתה מתייחס לחוזק האולטימטיבי כמתח המותר - שגיאה קריטית.
נקודת בלבול נפוצה: סגסוגות טיטניום הן חומרים "חוזק ספציפי גבוה" בעת חישוב המשקל במהלך בחירת החומר, חוזק התפוקה הוא הערך שבו יש להשתמש במונה.

גורמים המשפיעים על חוזק המתיחה וחוזק התפוקה של סגסוגות טיטניום
בהתבסס על ניסיון של 15 שנים, ראיתי שהגורמים העיקריים המשפיעים על שני מדדים אלה הם:

הרכב סגסוגת

Al, O, N ו-C מגדילים את החוזק אך מפחיתים את המשיכות;

V, Mo, Nb, Cr ו-Fe מייצבים את השלב ומשפיעים על התחזקות באמצעות טיפול בחום;

H (מימן) נוטה לגרום להתפרקות מימן; למרות שאינו משתקף ישירות בערכי חוזק מתיחה, הוא מהווה סיכון חמור.

יסודות טומאה

חוזק רגיש מאוד לתכולת חמצן; רמות חמצן גבוהות מגבירות את החוזק אך מפחיתות את הגמישות והקשיחות;

חנקן ופחמן מספקים גם השפעות מחזקות, אך כמויות מוגזמות מובילות לשבירות.

מבנה מיקרו

מבנה מיקרו שווה-צירים: משיכות טובה וביצועי עייפות טובים יחסית;

מבנה מיקרו למלרי: קשיחות שבר טובה, אך משיכות מעט נמוכה יותר;

מבנה מיקרו בימודאלי (דופלקס): ביצועים כלליים טובים;