Tính chất cơ học của Titan: Bản ghi lõi từ 280MPa đến 1500MPa

Hôm nay chúng ta nói về một chủ đề cốt lõi hơn: các tính chất cơ học của titan. Theo cách nói của người bình thường, đó là các chỉ báo khác nhau mà titan thể hiện khi nó bị căng thẳng-nó có thể kéo được không? Nó có thể nghiền nát được không? Chống sốc? Nó có thể tồn tại được bao lâu nếu có vết nứt? Nó sẽ ở nhiệt độ cao? Nó sẽ trở nên giòn ở nhiệt độ thấp?

Những con số này không chỉ là báo cáo thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chúng trực tiếp xác định liệu titan có thể được sử dụng để chế tạo bộ phận hạ cánh máy bay, bể chứa đông lạnh tên lửa và có thể chịu được nhiệt độ 600 độ C trong động cơ hay không.

1. Độ bền kéo: từ titan nguyên chất 280MPa đến hợp kim titan 1500MPa

Độ bền kéo của titan nguyên chất là 265 ~ 353MPa, tương tự như hợp kim nhôm thông thường. Nhưng một khi các nguyên tố hợp kim như nhôm, vanadi, molypden và thiếc được thêm vào, độ bền sẽ tăng vọt. Độ bền kéo của hợp kim titan thông thường là 686-1176MPa, trong khi độ bền kéo của hợp kim titan loại được tăng cường bằng dung dịch và lão hóa hiện có thể đạt tới 1760MPa.

Lấy tấm làm ví dụ (GB/T 3621): độ bền kéo của titan nguyên chất công nghiệp TA0 là 280-420MPa, TA1 là 370-530MPa, TA2 là 440-620MPa và TA3 là 540-720MPa. Sau khi thêm các nguyên tố hợp kim, TA5 (Ti-4Al-0,005B) đạt 685MPa, TA7 (Ti-5Al-2.5 Sn) đạt 735-930MPa, và tấm TC4 (Ti-6Al-4V) cổ điển nhất được ủ ở 895MPa.

Sức mạnh của hợp kim có thể được thấy rõ hơn từ dữ liệu của tiêu chuẩn thanh (GB / T 2965-1996): độ bền kéo của TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) ở trạng thái nguội và lão hóa cao tới 1370MPa và ứng suất giãn dài dư được chỉ định là 1100MPa. Độ bền kéo của thanh TC11 là 1030MPa và TC12 đạt 1150MPa.

Độ bền cao không phải là mục tiêu duy nhất, sức mạnh cụ thể (sức mạnh chia cho mật độ) là đặc tính sát thủ của titan. Độ bền riêng của hợp kim titan tốt hơn nhiều so với thép và hợp kim nhôm-đây cũng là lý do cơ bản để chọn titan. Lấy TC4 làm ví dụ, mật độ là 4,43 g/cm ³, độ bền kéo khi ủ khoảng 900 MPa và cường độ riêng khoảng 203 MPa m ³/kg, trong khi cường độ riêng của thép cường độ cao{{7}là khoảng 50 và cường độ riêng của hợp kim nhôm là khoảng 150.

Nghiên cứu vào năm 2025 tiếp tục làm mới trần sức mạnh của hợp kim titan. Theo báo cáo năm 2025 của "Tạp chí Đại học Tứ Xuyên", cường độ năng suất trung bình của hợp kim titan TC11 được sản xuất bổ sung bằng cầu chì laser ở trạng thái lắng đọng là 1415MPa và độ bền kéo là 1527MPa. Mặc dù tỷ lệ giãn dài chỉ là 6,95% nhưng độ bền đã vượt xa giá trị tiêu chuẩn giả mạo.

2. Chịu nén, cắt và chịu áp lực: "tất cả{1}}chịu tải tròn" bằng titan

Các tính chất cơ học của titan có một đặc điểm thú vị: nó hoạt động rất đồng đều dưới các lực khác nhau.

Cường độ nén: Cường độ nén củatitan và hợp kim titankhông thấp hơn độ bền kéo của nó. Cường độ năng suất nén và cường độ năng suất kéo của titan nguyên chất công nghiệp gần như bằng nhau. Cường độ nén của TC4 và TA7 thậm chí còn cao hơn cường độ kéo một chút. Điều này có nghĩa là các thành phần titan đều có độ tin cậy như nhau trong điều kiện áp suất và phù hợp để làm cột đỡ, vỏ ổ trục và trụ đệm thiết bị hạ cánh. Độ bền cắt: thường là 60% ~ 70% độ bền kéo. Đối với TC4 thì khoảng 540 ~ 630MPa. Mô đun cắt của hợp kim titan là 43 ~ 51GPa, và mô đun cắt của titan nguyên chất công nghiệp là 46GPa. Bu lông, đinh tán và khớp truyền động chủ yếu là lực cắt và thông số này là cơ sở cốt lõi cho thiết kế.

Cường độ năng suất dưới áp lực: Cường độ năng suất dưới áp suất của tấm hợp kim titan và titan có thể đạt tới 1,2 ~ 2,0 lần độ bền kéo. Điều này là do ở trạng thái ứng suất nén, vật liệu chịu các ràng buộc ngang và không dễ xảy ra hiện tượng mất ổn định dẻo. Đối với các kết nối đinh tán và buộc chặt của vỏ máy bay, điều này có nghĩa là các tấm hợp kim titan có thể chịu được ứng suất nén cục bộ lớn hơn nhiều so với khi chỉ kéo.

3. Sức bền và sự mệt mỏi: bài kiểm tra về sự-căng thẳng lâu dài

Độ bền tĩnh chỉ trả lời "liệu nó có thể được kéo ra hay không" và thực hành kỹ thuật quan tâm nhiều hơn đến "nó có thể được sử dụng trong bao lâu".

Độ bền bền: Trong môi trường khí quyển bình thường, độ bền của hợp kim titan và titan sau khi xử lý và ủ gấp khoảng 0,5 ~ 0,65 lần độ bền kéo. Bảng hiệu suất nhiệt độ cao cho thấy độ bền kéo của thanh TC4 ở 400 độ là 620MPa và độ bền 100 giờ là 570MPa; TC6 có độ bền kéo 735MPa và thời gian bền 665MPa ở 400 độ. Nhiệt độ là yếu tố tiêu diệt sức bền lớn nhất-sức bền của TC4 giảm mạnh xuống 195MPa ở 500 độ .

Độ bền mỏi: Độ bền mỏi của TC4 đã ủ khoảng 0,2 lần độ bền kéo, tức là khoảng 180MPa, khi thử độ mỏi được thực hiện 10 lần ở trạng thái khía (K=3.9). Con số này có vẻ không cao nhưng nó rất quan trọng đối với việc thiết kế các bộ phận (cánh động cơ, bộ phận hạ cánh, khung thân máy bay) chịu được tải trọng xen kẽ.

Điều đáng chú ý là hợp kim titan có hiệu suất tốt. TC4 ở trạng thái ủ là loại vật liệu có độ dẻo dai tuyệt vời. Khi hệ số tập trung rãnh khía K=25.4 mm, tỷ lệ độ bền kéo khía khía và cường độ kéo không khía khía lớn hơn 1. Điều này có nghĩa là khi có nồng độ ứng suất, TC4 thể hiện cường độ kéo cao hơn các mẫu trơn, cho thấy rằng nó không chống lại các vết khía tốt và có khả năng chống lại sự hình thành vết nứt mạnh mẽ.

Theo nghiên cứu năm 2026 của "Tạp chí hàn", độ bền mỏi chu kỳ cao của khớp TC4 dày 30mm được hàn bằng chùm tia điện tử chân không có thể đạt tới hơn 90% kim loại cơ bản, điều này rất quan trọng đối với các cấu trúc hợp kim titan hàn tích hợp lớn (chẳng hạn như cabin có người lái chìm sâu, khung thân máy bay) có ý nghĩa rất lớn.

4. Độ cứng: titan nguyên chất rất mềm, hợp kim titan rất cứng

Độ cứng là chỉ số về khả năng chống lại vết lõm và mài mòn cục bộ của vật liệu, và titan có khoảng cách lớn trong chiều này.

Độ cứng của titan nguyên chất công nghiệp đã qua xử lý thuộc loại tinh khiết thường nhỏ hơn 120HB (độ cứng Brinell), và độ cứng của titan nguyên chất công nghiệp khác là 200 ~ 295HB. Độ cứng của vật đúc titan nguyên chất là 200 ~ 220HB.

Độ cứng của hợp kim titan khi ủ là 32 ~ 38HRC (thang Rockwell C), tương đương với 298 ~ 349HB. Độ cứng của-vật đúc TA7 và TC4 là khoảng 320 HB và độ cứng của vật đúc TC4 có khe hở tạp chất thấp là khoảng 310 HB.

Các quá trình khác nhau có ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng. Theo nghiên cứu năm 2026 của "Tạp chí xử lý nhiệt vật liệu", độ cứng của trạng thái lắng đọng TC4 tan chảy bột laser (LPBF) có thể đạt tới 379-417HV (độ cứng Vickers) và nó sẽ giảm xuống 318-334HV sau khi xử lý nhiệt ở 800 độ và sau khi ép đẳng tĩnh nóng ở 940 độ hơn nữa, nhưng độ bền đứt gãy tăng từ 42,5 MPa · m1/² đến 83,9 MPa · m1/²-sự cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo dai đặc biệt rõ ràng trong sản xuất bồi đắp.

5. Mô đun đàn hồi: độ cứng chỉ bằng 55% so với sắt nhưng tốt hơn mô đun đàn hồi

Mô đun đàn hồi kéo của titan nguyên chất công nghiệp là 105 ~ 109GPa, và mô đun đàn hồi của hầu hết các hợp kim titan được ủ là 110 ~ 120GPa. Hợp kim titan cứng theo tuổi- có mô đun đàn hồi cao hơn một chút so với hợp kim titan đã ủ và mô đun đàn hồi nén bằng hoặc lớn hơn mô đun đàn hồi kéo.

Độ cứng này là khoảng 55% sắt và 50% đến 55% thép. Mặc dù cao hơn nhiều so với nhôm và hợp kim nhôm nhưng hợp kim titan không chiếm ưu thế trong những trường hợp đòi hỏi độ cứng cực cao (trục chính xác của máy công cụ, vòng bi). Tuy nhiên, mô đun đàn hồi riêng (E/ρ) của hợp kim titan tương đương với mô đun đàn hồi cụ thể của hợp kim nhôm, chỉ đứng sau berili, molypden và một số siêu hợp kim-vì mật độ của titan chỉ bằng 57% so với thép nên độ cứng của các thành phần titan có cùng trọng lượng không tệ.

Trong kỹ thuật, sự thiếu độ cứng của titan được bù đắp bằng kích thước mặt cắt ngang và thiết kế cấu trúc được tối ưu hóa. Trên thực tế, hợp kim titan thường yêu cầu độ dày mặt cắt ngang từ 10% đến 20%{4}}khi thay thế thép, nhưng tổng trọng lượng vẫn có thể giảm hơn 30%.

6. Độ bền va đập và độ bền gãy xương: tuyến phòng thủ cuối cùng chống gãy xương

Cách trực tiếp nhất để cải thiện độ bền của hợp kim titan là hàm lượng các nguyên tố xen kẽ (oxy, nitơ, carbon), nhưng điều này sẽ làm hỏng nghiêm trọng tính chất va đập và độ bền gãy. Sự cân bằng giữa sức mạnh và độ dẻo dai là một đề xuất vĩnh cửu trong thiết kế hợp kim titan.

Theo dữ liệu có thẩm quyền, cường độ va đập của titan nguyên chất trong ngành chế biến là 15-54J/cm ² và cường độ va đập của titan nguyên chất đúc là 4-10J/cm ². Độ bền va đập của hợp kim titan ủ là 13 ~ 25,8 J / cm 2 và trạng thái lão hóa thấp hơn một chút. Tác động của TA7 và TC4 đúc sẵn lần lượt là 10J/cm 2 và 20 ~ 23J/cm 2. Hàm lượng oxy càng thấp thì giá trị va đập càng cao - đây là lý do tại sao hợp kim titan loại cực kỳ khắc nghiệt đối với hàm lượng các nguyên tố xen kẽ.

Độ dẻo dai khi gãy xương là một ưu điểm vượt trội củahợp kim titan. Nhiều hợp kim titan có độ bền đứt gãy cao hoặc khả năng chống lại sự phát triển vết nứt tốt. Độ bền đứt gãy KIC của TC4 được ủ có thể đạt 67,7 ~ 87,0 MPa · m1/² (theo nghiên cứu quy trình rèn năm 2026 của "Vật liệu và Ứng dụng"). Theo nghiên cứu của LPBF TC4 trong "Hàn" vào năm 2026, độ bền đứt gãy có thể đạt 80,3-83,9 MPa · m1/² sau khi ép đẳng tĩnh nóng ở 940 độ, điều này hoàn toàn cần thiết cho hoạt động bảo dưỡng các bộ phận.

Để so sánh, độ bền khi gãy của các loại thép có độ bền-cao có cùng mức độ bền thường là 50-80 MPa · m1/² và hợp kim titan có xu hướng hoạt động tốt hơn trong cùng một độ bền, đó là lý do tại sao hợp kim titan được sử dụng rộng rãi trong máy bay theo khái niệm thiết kế có khả năng chịu hư hại. Một trong những lý do cho cấu trúc chính.

7. Hiệu suất nhiệt độ cao: 450 độ là "trần" của titan thông thường

Bài viết đưa ra giới hạn nhiệt độ rõ ràng: hợp kim titan công nghiệp nói chung có thể có các đặc tính hữu ích ở 540 độ, nhưng chúng chỉ có thể được sử dụng trong thời gian ngắn; Phạm vi nhiệt độ dịch vụ là 450 ~ 480 độ. Hợp kim titan cho tên lửa có thể được sử dụng ở nhiệt độ 540 độ và trong thời gian ngắn ở 760 độ. Vào thời điểm đó, hợp kim titan có thể sử dụng ở góc 600 độ đã được phát triển.

Độ bền kéo của TA7 là 440MPa và độ bền là 195MPa ở 500 độ; TC3/TC4 có độ bền kéo 440MPa và thời gian bền 195MPa ở 500 độ. TC6 có độ bền kéo 735MPa và độ bền 665MPa ở 400 độ; TC11 có độ bền kéo 685MPa và độ bền 590MPa ở 500 độ; TC9 có độ bền kéo 785MPa và độ bền 590MPa ở 500 độ. Ngày nay, hợp kim titan nhiệt độ cao đã có những bước tiến lớn. Theo thông tin công khai trong ngành, Ti60 (Ti-5. 8Al-4.8 Sn-2.0 Zr-1.0 Mo-0.35Si-0.85 Nd) do quốc gia của tôi phát triển độc lập có nhiệt độ sử dụng là 600 độ và độ bền kéo 500 độ Lớn hơn hoặc bằng 735MPa; Nhiệt độ sử dụng của Ti65 có thể đạt tới 650 độ và nó đã được sử dụng trong đĩa máy nén áp suất cao và bộ phận tích hợp của thế hệ động cơ mới. Vào năm 2025, độ bền kéo của Ti180 (Ti-6Al-3Sn-4Zr-2Mo-0,5 Si) ở trạng thái lão hóa dung dịch sẽ đạt 1100-1250MPa, tốc độ cường độ nhiệt độ cao ở 550 độ sẽ Lớn hơn hoặc bằng 70% và giới hạn mỏi sẽ tăng 15% -30% so với TC4.

Hợp chất liên kim TiAl đại diện cho hướng nhiệt độ cao hơn: Ti-48Al-2Cr-2Nb có mật độ chỉ 3,9 g/cm ³ và khả năng chịu nhiệt độ 750-900 độ. Nó đã được sử dụng trong các cánh tuabin áp suất thấp của động cơ GEGEnx và CFM LEAP để thay thế các hợp kim gốc niken. Giảm trọng lượng tới 50%.

8. Hiệu suất ở nhiệt độ thấp: Titanium vẫn bền ở nhiệt độ 253 độ

Một trong những khả năng bị đánh giá thấp nhất của titan là hiệu suất của nó ở nhiệt độ cực thấp.

Theo nhiệt độ, titan và hợp kim titan trở nên cứng hơn và kém dẻo hơn{0}}như trường hợp của hầu hết các kim loại. Tuy nhiên, titan độc đáo ở chỗ nhiều hợp kim titan được ủ vẫn có đủ độ dẻo và độ bền khi gãy ở-195,5 độ (nhiệt độ nitơ lỏng). TA7 (Ti-5Al-2.5 Sn ELI) có hàm lượng nguyên tố kẽ thấp có thể được sử dụng ở mức-252.7. bằng cấp. C. (nhiệt độ hydro lỏng) và tỷ lệ độ bền kéo có khía và độ bền kéo không có khía là 0,95-1,15 ở nhiệt độ này.

Độ giãn dài của TC4 vẫn có thể đạt 12% ở mức-252,7 độ . Theo đánh giá hợp kim titan nhiệt độ thấp{16}}của "Tiến trình Vật liệu Trung Quốc" năm 2026, cấu trúc cân bằng TC4 có giới hạn chảy khoảng 1500MPa và độ giãn dài khoảng 18% ở-253 độ ; Độ bền kéo của TC4 là 1544,5 MPa ở-253 độ và độ giãn dài là 5,85%. Hợp kim titan nhiệt độ thấp CT20-(hệ thống Ti{21}}Al-Zr-Mo) do nước tôi phát triển độc lập đã mở rộng nhiệt độ sử dụng đến phạm vi nhiệt độ hydro lỏng (-253 độ ) và có hiệu suất cũng như khả năng xử lý tốt ở nhiệt độ thấp.

Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với ngành Hàng không. Oxy lỏng (-183 độ ), hydro lỏng (-253 độ ) và flo lỏng là chất đẩy cốt lõi của tên lửa và thiết bị không gian, đồng thời vật liệu thùng đông lạnh không thể giòn ở nhiệt độ cực thấp. Thép sẽ trải qua quá trình chuyển đổi dễ gãy-dẻo ở-253 độ, hợp kim nhôm sẽ không đủ độ bền, trong khi hợp kim titan—đặc biệt là TC4 ELI và TA7 ELI-sẽ vẫn dẻo ở nhiệt độ hydro lỏng. Theo báo cáo của ngành vào năm 2026, đáy của hộp hợp kim titan quay tích hợp đường kính 3,8 mét ở Trung Quốc đã được thiết kế và thùng titan in 3D của UNIST ở Hàn Quốc đã vượt qua quá trình xác minh ở mức -253 độ 0,8 MPa. Titanium đang trở thành vật liệu ứng cử viên cho xe tăng đông lạnh của thế hệ phương tiện phóng hạng nặng mới.

Ở-nhiệt độ nitơ lỏng 196 độ, cường độ của TC4 ELI tăng từ 848MPa lên 1319MPa ở nhiệt độ phòng, trong khi độ giãn dài vẫn là 24,9%-độ bền và độ dẻo được cải thiện đồng thời. Hành vi bất thường này là do hiệu ứng ghép của cặp song sinh biến dạng và trượt đa hệ ở nhiệt độ thấp.

Phần kết luận

Các tính chất cơ học của titan thể hiện một bức tranh phong phú: titan nguyên chất mềm và dẻo dai, hợp kim titan bền và dẻo dai; Ở nhiệt độ cao, nó sẽ dính nhưng vẫn ở nhiệt độ 600 độ, và ở nhiệt độ thấp, nó sẽ trở nên mạnh hơn và vẫn kéo dài; Mô đun đàn hồi không cao nhưng mô đun đàn hồi riêng tuyệt vời, khoảng độ cứng lớn nhưng độ bền đứt gãy tuyệt vời.

Khi tìm hiểu những số liệu này, bạn có thể hiểu tại sao C919 sử dụng hợp kim titan 9,3%, tại sao cabin Struggle ball chọn TC4 ELI, tại sao xe tăng tên lửa bắt đầu thay thế thép và nhôm bằng titan và tại sao các cánh động cơ cần hợp kim titan nhiệt độ cao-mới.

Titan không phải là kim loại cứng nhất, không phải là kim loại mạnh nhất và cũng không phải là kim loại có khả năng chịu nhiệt-tốt nhất. Nhưng trong sự kết hợp của "nhẹ, bền, bền, chịu nhiệt độ-, chống ăn mòn-và không có từ tính-”, thẻ báo cáo cơ học của nó cho đến nay không có đối thủ.