تیتانیم

تیتانیم

اسلاید 1: به نام خداموضوع تحقیق:تیتانیماستاد راهنما:آقای دکتر حدادگردآورندگان:سعید بلوچی- ایمان اسلامیآذر87

اسلاید 2: چگالي تيتانيم آلومينيم آهن چگالي ((gr/cm354/470/287/7مدول الاستيسيته lb/in2 1068/160/95/28نقطه ذوب، C ْ16686601536ساختار بلوري در دماي اتاق HCP FCC BCCجدول 1- خواص فيزيكي منتخب تيانيم در مقايسه با خواص آلومينيوم و آهنتيتانيم فلز نسبتاً سبكي است با چگالي gr/cm3 54/4 كه بين چگالي آلومينيم (gr/cm3 71/2) و آهن (gr/cm3 87/7) قرار مي گيرد. نقطه ذوب تيتانيم C ْ1668 است كه از نقطه ذوب آهن بيشتر است، (C ْ1536) و مدول كشسان آن 2Ib/in1068/16 که بین مقادیر مربوط به آهن و آلمینیوم قرار مي گيرد.جزء فلزات با نقطه ذوب بالا است به دلیل تشکیلTio2 برای مقاومت وخوردگی و زد زنگ استفاده می شود به دلیل سبکی وزن و وزن مخصوص کم در موتور جت و در پوسته وبدنه قطعات هواپیما استفاده می شود استفاده تیتانیم در قطعات باعث کاهش وزن ودر نتیجه باعث کاهش سوخت می شود ، از تنها فلزاتی که در آب نمک ودر آب دریا خواص خستگی و خوردگی مناسبی دارد غیر مغناطیسی و قابلیت تغییر فرم پذیری عالی و کشش عالی دارد و نسبت استحکام و وزن آن بهتر از فولاد است.چگالي، نقطه ذوب و مدول كشسان تيانيم با خواص آلومينيم و آهن را جدول 1 مقايسه شده است.

اسلاید 3: تیتانیم دو شکل بلوری آلوتروپیک دارد این اشکال عبارتنداز که ساختار شش وجهی فشرده دارد و که ساختار بلوری مکعب مرکز دار دارد در تیتانیم خالص فاز تا 883 درجه سانتیگراد پایدار است در بیشتر از883 درجه سانتیگراد این فاز به فاز تبدیل میشود

اسلاید 4: سيستمهاي آلياژي تيتانيم و نمودارهاي فازي براي توجيه ريزساختارهاي مختلفي كه در آلياژهاي تيتانيم مشاهده شده است، لازم است از سيستمهاي تثبيت شده مختلف و نمودارهاي فازي آلياژي دو تايي تيتانيم آگاهي داشته باشيم. با وجود اين، بايد يادآوري شود كه نمودارهاي فازي دوتايي را براي شرايط نزديك به تعادل درنظر مي گيرند. در صورتي كه اغلب الياژهاي تجاري با آهنگهاي سريعتري سرد مي شوند. آلياژهاي دوتايي تيتانيم به دو سيستم پايدار شده تقسيم مي شوند: و . در سيستم پايدار شده ، این منطقه با افزايش عناصر پايداركننده وسيعتر مي شود. در سيستم پايدار شده ، منطقه فاز ، با افزايش عناصر پايداركننده وسيعتر مي شود.سيستم پايدار شده در سيستم دوتايي پايدار شده برطبق شكل 1 عناصر آلياژي بيشتر در فاز محلول اند و خط دگرگوني به طرف بالا حركت مي كند.

اسلاید 5: برخي از عناصر جانشيني كه فاز تيتانيم را پايدار مي كنند، آلومينيم، گاليم و ژرمانيم مي باشند. از بين اين سه عنصر، آلومينيم مهمترين است. درحقيقت تقريباً همه آلياژهاي تيتانيم داراي آلومينيم مي باشند زيرا آلومينيم براي شكل پذيري و سبكي به تيتانيم افزوده مي شود. خط دگرگوني فاز در تيتانيم در در شکل(2 ) آمده است.Ti-Alنمودار فازي بعضي از عناصر آلياژي بين نشين نيز فاز را پايدار مي كنند. اكسيژن، نيتروژن، و كربن همه عناصر پايداركننده هستند. از آنجا كه اكسيژن ناخالصی است كه در تمام آلياژهاي تجارتي تيتانيم يافت مي شود، يك عنصر مهم پايداركننده مي باشد. گاهي با استفاده از مقدار اكسيژن مي توان استحكام را مشخص كرد البته میزان حلالیت هید روژن درتیتانیم از دمای (3300 درجه سانتیگراد به بالا) افزایش می می شود که باعث شکننده شدن آلیاژ می شود.Tih یابد و باعث تشکیل هیدرورتیتانیم

اسلاید 6:

اسلاید 7: سيستمهاي پايدار شده در این سیستم عناصری مانند وانادیم و مولیبدن باعث پایداری فاز میشوند به طور کلی به دو نوع تقسیم می شود : هم شکل و اوتکتویید.سيستم هم شكل ، در سيستم هم شكل عناصر آلياژي به طور كامل دراین فاز محلول اند وبه یا يك فاز ديگر يا تركيب تجزیه نمي شود. با افزايش مقدار عنصر آلياژي، دماي دگرگوني كاهش مي يابد (شكل 3).

اسلاید 8: عناصر آلياژي كه از نوع هم شكل اند عبارتند از: واناديم، موليبدن، تانتالم و كلومبيم. مهمترين اين عناصر واناديم و موليبدن مي باشند كه نمودارهاي فازي آنها در شكلهاي 4 و 5 آمده است.

اسلاید 9: سيستم اوتكتوييد ، در اين سيستم عناصر آلياژي مانند آهن –کرم و سیلیسیم این فاز را پايدار مي كنند، اما اگر سرد كردن خيلي آرام انجام شود فاز مي تواند به فاز به اضافه يك فاز يا يك تركيب ديگر تبديل شود (شكل 6).

اسلاید 10: عناصر آلياژي اوتكتوييد دو نوع اند. 1- تشكيل دهنده هاي سريع يا فعال اوتكتوييد و 2- تشكيل دهنده هاي آرام يا كند اوتكتوييد. در تيتانيم تشكيل دهنده هاي سريع اوتكتوييدعناصرسيليسيم و مس هستند. اين عناصر باعث مي شوند فاز خيلي سريع به يك تركيب و فاز تجزيه شود. تشكيل دهنده هاي آرام اوتكتوييد عناصري مثل كرم، منگنز، آهن، نيكل، و كبالت مي باشند. اين عناصر در آهنگ تجزيه اوتكتوييدي خيلي كند هستند. شكل 7 نمودار فازي نشان مي دهد. Ti-Cr

اسلاید 11: ساير عناصر آلياژي. قلع و زيركونيم به اغلب آلياژهاي تيتانيم اضافه مي شوند. اين عناصر حلاليت زيادي در هر دو فاز جامد و دارند ولي تأثير زيادي در پايدار كردن فاز ندارند. اين عناصر از اين جهت مفيدند كه در استحكام دهي محلول جامد شركت كرده و تشكيل فاز مضر در تيتانيم مثل فاز را كند مي كند. شكل 8 نمودار فازي سيستم را نشان ميدهد .Ti-sn و شكل 9 نمودار فازي Ti-zr.

اسلاید 12: طبقه بندي آلياژهاي تيتانيم آلياژهاي تيتانيم برحسب فازهاي موجود در ساختار آنها طبقه بندي مي شوند. آلياژهايي كه بيشتر از فاز تشكيل شده اند، آلياژهاي ناميده مي شوند، در حالي كه آلياژهايي كه اساساً داراي فاز با مقدار كمي عناصر پايداركننده باشند به نام آلياژهاي نزديك به تيتانيم - ناميده مي شوند. آلياژهايي كه شامل مخلوط فاز و مي باشند. به عنوان آلياژ + ناميده مي شوند. بالاخره آلياژهاي تيانيم كه فاز بعد از سركردن از دماي عمليات حل سازي در دماي اتاق پايدار شده است به عنوان آلياژ طبقه بندي مي شوند. آلياژهاي تيتانيم . به طور كلي بر روي آلياژهاي و نزديك نمي توان عمليات گرمايي وجوشكاري انجام داد، اين آلياژها داراي استحكام متوسط، چقرمگي خوب و مقاومت خزشي خوب در دماي بالا مي باشند. آلياژهاي تيتانيم + . با عمليات گرمايي مي توان استحكام اغلب آلياژهاي + را تا حد متوسطي افزايش داد. سطح استحكام آنها متوسط به بالاست، آنها خواص شكل پذيري خوبي نيز دارند ولي در دماهاي زياد مقاومت خزشي مطلوبي مثل مقاومت خزشي آلياژهاي و نزديك ندارند.آلياژهاي . با عمليات گرمايي مي توان استحكام آلياژهاي غني از را تا حد خيلي زيادي افزايش داد و نيزتا حدودی اين آلياژها راشكل پذيرکرد. اما، چگالي نسبتاً زيادي دارند و وقتي استحكام زيادي داشته باشند شكل پذيري آنها كم است. براثر اين معايب، در حال حاضر كاربرد زيادي ندارند.

اسلاید 13: آلياژهاي تيتانيم تركيب شيميايي و كاربردهاي خاص به دليل Ti-%5Al-%2/5Sn امروزه تنها يك آلياژ مهم تمام وجود دارد كه كاربرد تجارتي دارد، و تركيب اسمي آن آلومينيم و قلع هر دو پايداركننده در تيتانيم مي باشند، اين آلياژ تمام استآلومينيم يكي از مهمترين عناصر آلياژي براي تيتانيم به شمار مي رود زيرا استحكام آن را تشكيل محلول جامد افزايش داده Ti-%5Al-%2/5Sn و چگالي آن را نيز كاهش مي دهد. به آلياژقلع مي افزايند زيرا با ايجاد محلول جامد موجب افزايش استحكام مي شود. اكسيژن، كه تا حدودي در تمام آلياژهاي تيتانيم وجود دارد، نيز مثل آلومينيم پايداركننده قوي است و استحكام تيتانيم را افزايش مي دهد. با وجود اين، مثل تمام عناصر بين نشين در تيتانيم، اكسيژن شكل پذيري آن را كاهش مي دهد و بنابراين يك آلياژ مخصوص كم اكسيژن Ti%5Al-%2/5Sn براي كاربردهايي بوجود آمد كه نياز به شكل پذيري خوب در دماي پايين دارند. آلياژ قابل جوشكاري است و پايداري و مقاومت به اكسايش خوبي در دماي بالا دارد. با وجود اين، استحكام آن متوسط است.ريزساختار ، آلياژهاي تيتانيم تمام ساختار بلوري را دارند. ممكن است بر اثر حضور ناخالصيهاي پايداركننده مثل آهن، نيز وجود داشته باشد. ذرات ريز فاز رادرساختارتمامآلومينيم مهمترين عنصر آلياژي جانشيني در تيتانيم مي باشد زيرا به مقدار زيادي فاز را پايدار مي كند، در حالي كه استحكام تيتانيم را افزايش و چگالي آن را كاهش مي دهد. با وجود اين، مقدار آلومينيمي كه براي تيتانيم به كار مي رود به 5 تا 6% وزني محدود مي شود چون باعث شکنندگی آلیاژ می شود افزايش قلع، زيركونيم و اكسيژن (اغلب به صورت ناخالصي وجود دارند) نيز فاز را در تيتانيم پايدار مي كند و استحكام فلز را افزايش مي دهد. طبق نظريه روزنبرگ حداكثر آلومينيم معادل اين عناصر آلياژي كه بايد به تيتانيم اضافه شوند تا از تشكيل زياد فاز 2 جلوگيري كند برابر است با :

اسلاید 14: کاربرد خاصشرایطآلیاژهای تیتانیم فلز قابل جوشکاری برای آهنگری و قسمتهای صفحات فلزی مثل موتور هواپیما، تیغه های توربین بخار،مقاومت خوب در برابراکسایش واستحکام خوب در600تا1100 درجه فارنهایت،پایداری خوب در دمای بالاتابکاری شده5%Al2.5%Snدرجه مخصوص برای ظروف سرما زا با فشار بالا که تحت 423 درجه فارنهایت کار میکنند.تابکاری شده5%Al2.5%Sn(با اکسیژن کم)جد ول 2- ترکیب شیمیایی و کاربرد های خاص آلیاژهای تیتانیم

اسلاید 15: آلياژهاي تيتانيم +تركيب شيميايي و كاربرد خاص در اين طبقه از آلياژهاي تيتانيم، يك يا چند عنصر پايداركننده به مقدار كافي وجود دارد تا در دماي اتاق مقدار چشمگيري فاز نگه داشته شود، و درنتيجه ساختار + ايجاد شود. براي افزايش استحكام آلياژهاي تيتانيم + مي توان عمليات حل سازي، آب دادن و پيرسازي را انجام داد. این آلیاژ مهمترين و پركاربردترين آلياژ تيتانيم مي باشد كه در سال Ti-%6AL-%4V 1978، 55% بازار تيتانيم را به خود اختصاص داده بود. اين آلياژ را مي توان به آساني جوشكاري، آهنگري و ماشينكاري كرد و در انواع مختلف محصولات از قبيل ورق، اكستروژن، سيم و ميله موجود است. این آلياژ در صنايع نظامي نيز به كار مي رود. اين آلياژ قابليت عمليات گرمايي براي رسيدن به حداكثر استحكام را دارد (165) و از ديدگاه متالورژي تا ْ482 پايدار است. يكي از معايب اين آلياژ سختي پذيري كم است و فقط مقاطعي را كه تا يك اينچ ضخامت دارند مي توان كاملاً سخت كرد.

اسلاید 16:

اسلاید 17: آلياژهاي تيتانيم تركيب شيميايي و كاربردهاي خاص اگر مقدار كافي از عناصر پايداركننده به تيتانيم افزوده شود پس از آب دهي ساختاري كامل از از نيمه پايدار در دماي اتاق به دست مي آيد و حتي گاهي پس از سرد شدن در هوا. عناصر آلياژي اصلي براي تيتانيم عبارت است از واناديم، موليبدن، كرم و آهن. گاهي زيركوئيم افزوده مي شود، زيرا موجب افزايش استحكام در فاز و مي شود. همچنين به اغلب اين آلياژها آلومينوم نيز اضافه مي شود، زيرا آلومينيم وزن مخصوص را كم مي كند، مقداري سختي محلول جامد به وجود مي آورد و مقاومت با اكسايش را بهتر مي كند. تركيب شيميايي و كاربردهاي خاص آلياژهاي تيتانيم متداول در جدول( 5 ) آمده است. آلياژهاي تيتانيم ، به دليل داشتن ساختار بلوري مکعب مرکز دار، در شرايط حل سازي شده و آب دهي شده به آساني كار سرد مي شوند و مي توانند براي ايجاد استحكامهاي بيشتر بلافاصله پير شوند. اما چگالي آنها نسبتاً زياد است زيرا درصد فلزات سنگيني چون واناديم و موليبدن زياد است. وقتي استحكام زياد باشد اين آلياژها شكل پذيري كمي دارند. در مقاطع ضخيم، اندازه دانه بزرگ و جدايش شيميايي صورت مي گيرد، كه منجر به شكل پذيري كم در كشش و عمر كم در خستگي مي شود. درنتيجه، آلياژهاي تيتانيم نيمه پايدار در حال حاضر كاربرد زيادي ندارند.جدول 5 - تركيب شيميايي و كاربرد خاص آلياژهاي تركيب آلياژموارد استفاده %13V,%11Cr%3Alبستهاي پراستحكام، قطعات هوا و فضا، صفحات شبكه اي، (شكلپذيري خوب و قابليت عمليات گرمايي). %8Mo,%8V,%Fe,%3Alقطعات و صفحات با استحكام و چقرمگي زياد در هواپيما، بستها و قطعات آهنگري شده. %3Al,%8V,%6Cr,%4Mo,%4Zrبستهاي پراستحكام، ميله هاي پيچشي، قطعات هوا و فضا %11/5Mo,%6Zr,%4/5Snقسمتهايي كه مستلزم شكلپذيري و مقاومت در برابر خوردگي اند، بستهاي پراستحكام، قسمتهاي صفحه اي پراستحكام هواپيما.