1. Resistencia a la fatiga de las aleaciones de titanio
Características clave de la resistencia a la fatiga de la aleación de titanio
Para el Ti-6Al-4V recocido (la aleación de titanio más ubicua), la resistencia a la fatiga a temperatura ambiente (a 10⁷ ciclos, R=-1, donde R es la relación de tensión entre la tensión mínima y la máxima) oscila entre300–400 MPa, y algunas-variantes tratadas térmicamente alcanzan entre 450 y 500 MPa. Esto es significativamente mayor que el del acero inoxidable 304 (≈170 MPa) y el aluminio 6061-T6 (≈90 MPa) en las mismas condiciones de prueba, lo que hace que el Ti-6Al-4V sea ideal para aplicaciones de fatiga de ciclo alto (HCF).
Para las aleaciones de titanio de alta-resistencia (por ejemplo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-2,5Sn), la resistencia a la fatiga puede superar los 500 MPa en el estado tratado con solución y envejecido (STA), ya que las finas fases precipitadas en su microestructura impiden el movimiento de dislocación y la iniciación de grietas.
Aleaciones de fase dual-( + ) (p. ej., Ti-6Al-4V): Su microestructura equilibrada proporciona una óptima resistencia a la fatiga. La fase -contribuye a la resistencia y la resistencia a la propagación de grietas, mientras que la fase -mejora la ductilidad e inhibe la iniciación de grietas. Sin embargo, el envejecimiento excesivo o el trabajo en frío excesivo pueden hacer que las partículas de fase - sean más gruesas o introducir tensiones residuales, lo que reduce la resistencia a la fatiga entre un 10 % y un 20 %.
aleaciones (p. ej., Ti-5Al-2,5Sn): Estas aleaciones tienen un excelente rendimiento de fatiga de ciclos bajos (LCF) debido a su microestructura de fase HCP -estable, con una vida útil de LCF (a Δσ/2=500 MPa) que supera los 10⁴ ciclos. Se utilizan ampliamente en componentes aeroespaciales de baja-temperatura.
aleaciones (p. ej., Ti-10V-2Fe-3Al): Con una estructura de fase -completamente BCC, estas aleaciones ofrecen una alta resistencia al crecimiento de grietas por fatiga (da/dN ≈ 10⁻⁸ m/ciclo a ΔK=20 MPa·m¹/²) y son adecuadas para componentes en condiciones dinámicas de carga alta-(por ejemplo, ejes de rotor de helicópteros).
Fatiga por ambiente corrosivo (CAF): En agua de mar o medios que contienen cloruro-, las aleaciones de titanio mantienen un rendimiento de fatiga mucho mejor que el acero o el aluminio, ya que su película de óxido pasiva previene la corrosión-inducida por la iniciación de grietas. La resistencia a la fatiga del Ti-6Al-4V en agua de mar solo disminuye entre un 5% y un 10% (a ≈350 MPa en 10⁷ ciclos), mientras que el acero inoxidable 304 experimenta una caída del 50% debido a la corrosión por picaduras.
Sensibilidad a la condición de la superficie: Los defectos superficiales (p. ej., marcas de mecanizado, microfisuras) y la contaminación por hidrógeno son los principales desencadenantes de fallas por fatiga. El granallado o el anodizado pueden mejorar la resistencia a la fatiga entre un 20% y un 30% al introducir tensiones residuales de compresión y mejorar la pasivación de la superficie. Por el contrario, la fragilización por hidrógeno puede reducir la vida a fatiga hasta en un 50% al promover el crecimiento de grietas intergranulares a bajas temperaturas.
A temperaturas criogénicas (por ejemplo, -196 grados), la resistencia a la fatiga del Ti-6Al-4V aumenta a450–500 MPadebido a la mejora de los enlaces atómicos y la reducción de la movilidad de las dislocaciones, sin una transición dúctil-a-frágil en el comportamiento de fatiga.
A temperaturas elevadas (hasta 300 grados), su resistencia a la fatiga permanece por encima de 250 MPa (10⁷ ciclos), pero por encima de 400 grados, la oxidación y el ablandamiento de los límites del grano causan una rápida disminución (perdiendo entre un 30% y un 40% de la resistencia a la fatiga a temperatura ambiente a 500 grados).
2. Propiedades de fluencia de las aleaciones de titanio
Características clave del rendimiento de fluencia de la aleación de titanio
+ aleaciones (p. ej., Ti-6Al-4V): Su temperatura máxima de servicio de fluencia-a largo plazo es300–350 grados. A una tensión de 300 grados y 200 MPa, la tasa de fluencia en estado estacionario-es inferior o igual a 10⁻⁸ s⁻¹, y la deformación por fluencia es inferior al 0,1 % después de 10 000 horas de exposición-suficiente para las paletas de compresores de motores de aeronaves y los componentes estructurales de aeronaves subsónicas. Por encima de 400 grados, la velocidad de fluencia se acelera bruscamente (superando los 10⁻⁶ s⁻¹ a 450 grados/200 MPa) debido al -engrosamiento de fase y al deslizamiento de los límites de grano.
aleaciones (p. ej., Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo): Estas aleaciones tienen la mayor resistencia a la fluencia entre las aleaciones de titanio, con una temperatura de servicio a largo plazo-de400–500 grados. Por ejemplo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo a 450 grados y 250 MPa tiene una velocidad de fluencia en estado estacionario menor o igual a 5×10⁻⁹ s⁻¹ y una vida de ruptura superior a 100.000 horas, lo que lo hace adecuado para piezas de motores aeroespaciales de alta temperatura.
aleaciones: Su resistencia a la fluencia es menor que la de las aleaciones y +, con una temperatura de servicio máxima de 300 a 350 grados, ya que la fase BCC -tiene mayor movilidad atómica y es propensa a deformarse por fluencia bajo tensión a largo plazo-.
A bajas temperaturas (<400°C) and high stresses, creep is dominated by dislocación subir y deslizarseen la fase -, con la fase - actuando como una barrera al movimiento de dislocación (lo que mejora la resistencia a la fluencia en aleaciones de fase dual-.
At high temperatures (>450 grados),deslizamiento del límite de grano y fluencia por difusiónvolverse dominante. Las aleaciones con granos finos y uniformemente distribuidos y elementos reforzados con solución-sólida-(Al, Sn, Zr) resisten eficazmente el deslizamiento de los límites de los granos, de ahí su rendimiento superior de fluencia a altas-temperaturas.
El tratamiento térmico desempeña un papel fundamental: el tratamiento en solución seguido de envejecimiento (STA) para las aleaciones + precipita partículas finas de fase - en la matriz -, que fijan las dislocaciones y reducen las tasas de fluencia entre un 50 % y un 70 % en comparación con el estado recocido.
En atmósferas oxidantes, la formación de una película pasiva densa de TiO₂-Al₂O₃ sobre las aleaciones de titanio (especialmente aquellas con alto contenido de Al) inhibe la difusión de oxígeno y reduce la fragilidad por fluencia. Sin embargo, a temperaturas superiores a 550 grados, la película de óxido se vuelve porosa, lo que permite que el oxígeno penetre en la matriz y forme una frágil "caja alfa", que acelera la fractura por fluencia.
En entornos que contienen hidrógeno-, la absorción de hidrógeno aumenta la velocidad de fluencia al promover la movilidad de dislocación y el agrietamiento intergranular, lo que limita la vida útil de fluencia de las aleaciones de titanio en dichas atmósferas entre un 20 % y un 30 %.
