El titanio Grade 5 es Ti-6Al-4V, UNS R56400: una aleación alfa-beta de 5.50 a 6.75 % de aluminio y de 3.50 a 4.50 % de vanadio, con el resto de titanio. La resistencia mínima a la tracción es 895 MPa frente a 345 MPa para el Grade 2 comercialmente puro, con una densidad de 4.43 g/cm3. Es la calidad especificada cuando el titanio comercialmente puro no tiene resistencia suficiente.
Composición química del titanio Grade 5
Los límites siguientes son los requisitos de ASTM B348 (barra y tocho) y ASTM B265 (chapa gruesa, chapa fina y fleje). El aluminio estabiliza la fase alfa y el vanadio la fase beta, lo que permite el tratamiento térmico de la aleación; los elementos intersticiales están limitados porque cada uno aumenta la resistencia y reduce la ductilidad.
| Elemento | Mín., % en peso | Máx., % en peso | Función o motivo del límite |
|---|---|---|---|
| Aluminio (Al) | 5.50 | 6.75 | Estabilizador alfa |
| Vanadio (V) | 3.50 | 4.50 | Estabilizador beta, permite el tratamiento térmico |
| Hierro (Fe) | – | 0.40 | Estabilizador beta, residual controlado |
| Oxígeno (O) | – | 0.20 | Limitado para la ductilidad y la tenacidad |
| Carbono (C) | – | 0.08 | Intersticial |
| Nitrógeno (N) | – | 0.05 | Endurecedor intersticial más potente |
| Hidrógeno (H) | – | 0.015 | 150 ppm; controla la fragilización por hidruros |
| Residuales, cada uno | – | 0.10 | De esponja y material վերադարձido |
| Residuales, total | – | 0.40 | Suma de los anteriores |
| Titanio (Ti) | Resto | ||
Cuando AMS 4928 es más estricto que ASTM
Esto suele causar problemas en planos derivados del sector aeroespacial. AMS 4928 (barra, tocho y piezas forjadas) limita el hidrógeno a 0,0125 % y el hierro a 0,30 %, frente a los límites ASTM de 0,015 % y 0,40 %. Por lo tanto, el material que cumple ASTM B348 puede no superar una verificación AMS 4928 basándose únicamente en la composición química, por lo que barra de titanio AMS 4928 debe fundirse conforme a los límites AMS, no corregirse posteriormente. Algunos pedidos también incluyen un límite máximo de itrio de 0,005 %, que no es un requisito universal de ASTM B348 y debe figurar en el pedido para constar en el certificado.
Propiedades mecánicas del titanio Grade 5
Los mínimos de resistencia a la tracción y límite elástico son idénticos para ASTM B348 Grade 5, B265 Grade 5 y B381 Grade F-5 en condición recocida. Son umbrales de aceptación, no valores de diseño. Los requisitos de alargamiento y reducción de área no son idénticos: B348 y B381 miden el alargamiento en 4D y añaden un mínimo de reducción de área del 25 por ciento, mientras que B265 mide el alargamiento en 2 in. (50 mm) y no establece ningún requisito de reducción de área. Pedir chapa gruesa B265 y después ensayarla conforme a una cifra de reducción de área es una forma habitual de rechazar material conforme.
| Propiedad, recocido | Mínimo ASTM (métrico) | Mínimo ASTM (imperial) | Barra típica de fábrica |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción, última | 895 MPa | 130 ksi | 950 a 1070 MPa (138 a 155 ksi) |
| Límite elástico, desplazamiento de 0,2 % | 828 MPa | 120 ksi | 880 a 1015 MPa (128 a 147 ksi) |
| Alargamiento (4D según B348 y B381; 2 in. según B265) | 10 % | 10 % | 15 a 20 % |
| Reducción de área (solo B348 y B381; no requerida por B265) | 25 % | 25 % | 38 a 51 % |
| Dureza | no especificado | 30 a 36 HRC (aproximadamente 330 HV) | |
| Impacto Charpy con entalla en V | no especificado | 17 a 24 J | |
| Tenacidad a la fractura, KIc | no especificado | aproximadamente 75 a 107 MPa-m^0.5, según la condición | |
Los mínimos de chapa fina y chapa gruesa cambian con el espesor
El calibre fino es más resistente y menos dúctil que la chapa gruesa procedente de la misma colada, por lo que una única cifra para chapa fina resulta engañosa. Los mínimos publicados de AMS 4911 para chapa fina y chapa gruesa recocidas son los siguientes; compruebe la revisión vigente de AMS antes de utilizarlos.
| Espesor | Resistencia a la tracción, mín. | Límite elástico, mín. | Alargamiento en 2 in, mín. |
|---|---|---|---|
| Más de 0.025 a 0.063 in | 134 ksi (924 MPa) | 126 ksi (869 MPa) | 8 % |
| Más de 0.063 a 0.1874 in | 134 ksi (924 MPa) | 126 ksi (869 MPa) | 10 % |
| Más de 0.1874 a 4.000 in | 130 ksi (895 MPa) | 120 ksi (828 MPa) | 10 % |
Los requisitos también varían según la orientación de ensayo, el diámetro de barra y las condiciones de la autoridad de diseño. El detalle por forma se encuentra en nuestro guía de barras y tochos ASTM B348 y Guía de chapa fina y chapa gruesa ASTM B265.
Solubilizado y envejecido
Los valores típicos de barra en estado STA que constan en las fichas técnicas de fábrica son de 1034 a 1186 MPa (150 a 172 ksi) de tracción, de 945 a 1076 MPa (137 a 156 ksi) de límite elástico, de 15 a 17 % de alargamiento y de 41 a 46 % de estricción, con una dureza que sube hasta aproximadamente 35 a 39 HRC. La dureza de cada calidad, y por qué no es un requisito de la B348, está en dureza del titanio por calidad. Son valores de fábrica, no mínimos de especificación, y solo se mantienen en secciones que se enfrían con suficiente rapidez.
Propiedades físicas del titanio Grade 5
Las propiedades físicas son constantes de la aleación y no cambian con la norma conforme a la cual se compra. Cuando las fuentes no coinciden, se muestran ambas cifras.
| Propiedad | Valor (métrico) | Valor (imperial) | Nota |
|---|---|---|---|
| Densidad | 4,43 g/cm3 | 0.160 lb/in3 | Las fichas de fábrica indican 4.42 a 4.47 |
| Rango de fusión | 1604 a 1660 C | 2920 a 3020 F | De sólido a líquido; algunas fábricas indican 1538 C |
| Transición beta | aproximadamente 995 C | aproximadamente 1825 F | Tolerancia +/- 14 C. Las fichas ASM indican 980 C; confirmar por número de colada antes del procesamiento beta |
| Módulo de elasticidad, tracción | 113,8 GPa | 16500 ksi | Intervalo de 105 a 120 GPa |
| Módulo de cizallamiento | 44 GPa | 6380 ksi | Intervalo de 40 a 45 GPa |
| Relación de Poisson | 0.342 | 0.342 | Intervalo publicado de 0.31 a 0.37 |
| Conductividad térmica, 20 C | 6.7 a 7.1 W/m-K | 46.5 a 49.2 Btu-in/h-ft2-F | Baja; concentra el calor de corte en la herramienta |
| Capacidad calorífica específica | 526 a 570 J/kg-K | 0.126 Btu/lb-F | Algunas fuentes indican hasta 570 J/kg-K |
| Coeficiente de expansión térmica, 20 a 100 C | 8.6 µm/m-K | 4.78 µin/in-F | Aproximadamente 9.2 µm/m-K entre 20 y 315 C |
| Resistividad eléctrica | aproximadamente 1.7 µΩ-m | 170 µΩ-cm | Aproximadamente 100 veces la del cobre |
| Dureza, recocido | 30 a 36 HRC | Aproximadamente 330 HV, 334 HB | |
| Dureza, tratado en solución y envejecido | 35 a 39 HRC | Valor de fábrica | |
| Permeabilidad magnética | 1.00005 a 1.6 kA/m | No responde a un imán | |
Normas y formas de producto
Grade 5 se compra conforme a un número ASTM diferente para cada forma de producto. Citar el incorrecto es el error de pedido más común para esta aleación: una fábrica no puede certificar conforme a una norma que no cubre la forma.
| Forma del producto | Especificación ASTM | Equivalente ASME | Especificación AMS |
|---|---|---|---|
| Barra y tocho | B348 Grade 5 | SB-348 | AMS 4928 (recocido), 4965 (solubilizado y envejecido), 4967 (recocido, tratable térmicamente) |
| Chapa gruesa, chapa fina y fleje | B265 Grade 5 | SB-265 | AMS 4911 (recocido) |
| Piezas forjadas | B381 Grade F-5 | – | AMS 4928 (piezas forjadas y material para forja) |
| Alambre | B863 Grade 5 | – | AMS 4928 (alambre) |
| Tubo sin soldadura | B861 Grade 5 | SB-861 | – |
| Tubo soldado | B862 Grade 5 | – | – |
ASTM B381 exige que el propio material para forja cumpla ASTM B348, por lo que un pedido de piezas forjadas lleva implícita la norma de barra. Asimismo, ASTM B338 no cubre Grade 5: B338 es la especificación para tubos de condensador e intercambiador de calor, y su lista de calidades cubre las calidades comercialmente puras y las aleaciones resistentes a la corrosión, no Grade 5. Las solicitudes de “tubo ASTM B338 Grade 5” no pueden certificarse tal como están redactadas. Cuando el diseño acepta tubo en lugar de tubo de condensador, las opciones son ASTM B861 para tubo sin soldadura y ASTM B862 para tubo soldado; cuando el diseño requiere realmente tubo de intercambiador de calor B338, la calidad debe cambiar, porque no existe ninguna opción Grade 5 conforme a esa especificación.
En los planos europeos, Grade 5 aparece como número de material 3.7165 (TiAl6V4), y las hojas WL aeroespaciales indican 3.7164 para la misma aleación. Ambos corresponden a UNS R56400.
Grade 5 frente a Grade 23 y Grade 2
Tres calidades cubren la mayor parte de las compras industriales de titanio, equilibrando resistencia frente a ductilidad y conformabilidad.
| Grade 2 (titanio CP) | Grade 5 (Ti-6Al-4V) | Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) | |
|---|---|---|---|
| Número UNS conforme a ASTM B348 / B265 | R50400 | R56400 | R56407 |
| Resistencia a la tracción, mín. | 345 MPa (50 ksi) | 895 MPa (130 ksi) | 828 MPa (120 ksi) |
| Límite elástico, mín. | 275 MPa (40 ksi) | 828 MPa (120 ksi) | 759 MPa (110 ksi) |
| Alargamiento, mín. | 20 % | 10 % | 10 % |
| Oxígeno, máx. | 0.25 % | 0.20 % | 0.13 % |
| Hierro, máx. | 0.30 % | 0.40 % | 0.25 % |
| Seleccionado para | Conformado, soldadura, servicio corrosivo | Resistencia y capacidad de tratamiento térmico | Tenacidad a la fractura, trabajo criogénico e implantes |
Grade 23 es la misma aleación nominal con un menor contenido de intersticiales, obteniendo tenacidad a la fractura y ductilidad a baja temperatura a costa de aproximadamente 67 MPa de resistencia mínima a la tracción. Una dificultad de designación: Grade 23 es UNS R56407 cuando se pide conforme a ASTM B348, B265, B381 o B863. UNS R56401 corresponde a ASTM F136, la especificación para implantes quirúrgicos, y ambos no son intercambiables en un certificado. El detalle completo se encuentra en titanio Grade 5 vs Grade 23, y la comparación entre resistencia y conformabilidad frente al material comercialmente puro se trata en Titanio Grade 2 frente a Grade 5.
Tratamiento térmico: recocido frente a solubilizado y envejecido
La mayor parte de Grade 5 se suministra recocido, aproximadamente a 690 a 790 C (1275 a 1450 F) durante media hora a dos horas, y después se enfría al aire o en horno. El alivio de tensiones se realiza a menor temperatura, 540 a 650 C (1000 a 1200 F), y se utiliza después del mecanizado o la soldadura para eliminar tensiones residuales sin modificar las propiedades de tracción.
Para obtener mayor resistencia, se solubiliza a 913 a 954 C (1675 a 1750 F), se templa en agua y luego se envejece a 524 a 552 C (975 a 1025 F) durante tres a ocho horas y se enfría al aire. Cuando la tenacidad a la fractura es más importante que la resistencia a la tracción, se utiliza en su lugar un recocido beta cerca de 1065 C (1950 F) con envejecimiento a 620 a 705 C (1150 a 1300 F).
El límite es la templabilidad. Grade 5 no se endurece en toda la sección en secciones gruesas: las secciones muy superiores a aproximadamente 25 mm (1 in) no desarrollarán las propiedades STA completas, y cualquier retraso entre el horno y el tanque de temple reduce la resistencia. Especifique la condición en el pedido en lugar de asumir que una barra gruesa puede envejecerse conforme a una tabla de propiedades de sección delgada. También se aplican dos precauciones de proceso de las fábricas: el hidrógeno incorporado durante el decapado ácido o un tratamiento térmico inadecuado forma hidruros frágiles, razón por la que existe el límite de 0,015 %, y la incorporación de oxígeno, nitrógeno y carbono durante el trabajo en caliente deja una capa superficial dura y frágil que debe eliminarse.
Aplicaciones
Las fichas técnicas de fábrica sitúan Ti-6Al-4V en más de la mitad de todo el titanio consumido. Los usos recurrentes en las fichas técnicas de fábrica incluyen:
- Álabes, discos y anillos de compresores de motores aeronáuticos, y piezas estructurales de fuselaje
- Elementos de fijación y piezas forjadas críticas donde la resistencia por unidad de peso determina el diseño
- Herrajes offshore y marinos en servicio con agua de mar
- Equipos a presión y equipos de proceso químico fuera del servicio con ácidos reductores
- Dispositivos médicos y dentales, con los implantes destinados a la calidad ELI y a normas de implantes en lugar de Grade 5
- Componentes para automovilismo, artículos deportivos y herramientas manuales
La corrosión es donde Grade 5 se aplica incorrectamente. Se forma una película estable de dióxido de titanio en el momento en que la superficie entra en contacto con aire o agua, proporcionando una velocidad de corrosión nula en agua de mar a temperatura ambiente. Esa película se degrada en ácido fluorhídrico, y la aleación es atacada por ácidos clorhídrico, sulfúrico y fosfórico a concentraciones de trabajo. Grade 5 es susceptible al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruros y no debería utilizarse con ácido nítrico fumante rojo. El servicio continuo se limita aproximadamente a 350 a 400 C (660 a 750 F). La baja conductividad térmica también dirige el calor de corte hacia la herramienta en lugar de hacia la viruta, por lo que el mecanizado requiere velocidades bajas, avances elevados, montajes rígidos y refrigerante abundante.
Cómo especificar titanio Grade 5 en un pedido
Una partida completa de Grade 5 elimina una ronda de aclaraciones y permite que el certificado se redacte correctamente a la primera. Incluya:
- Calidad y designación: Grade 5, Ti-6Al-4V, UNS R56400. Añada 3.7165 si el plano es europeo.
- Norma y revisión: ASTM B348, B265, B381, B863, B861 o B862 según la forma, o el número AMS.
- Forma del producto: barra redonda, barra cuadrada, tocho, chapa gruesa, chapa fina, fleje, pieza forjada, alambre, tubo.
- Dimensiones y tolerancia: diámetro o espesor, anchura, longitud y la clase de tolerancia o los valores de más/menos.
- Condición: recocido, alivio de tensiones, o tratado en solución y envejecido. Si es STA, indique el tamaño de sección para que se pueda comprobar la templabilidad.
- Superficie: en estado de forja o negra, decapada, pelada, torneada, rectificada sin centros o pulida, con un valor de rugosidad si es funcional.
- Ensayos y certificado: certificado de inspección 3.1 según EN 10204, trazabilidad por número de colada, orientación del ensayo de tracción y ubicación de muestreo, además de clase ultrasónica si se necesita.
- Marcado y embalaje: método de marcado del número de colada y requisito de embalaje para exportación.
Beiyu Titanium suministra Grade 5 en forma de barra, tocho, chapa gruesa, chapa fina, pieza forjada y alambre conforme a las especificaciones ASTM y AMS, con certificados de inspección 3.1 según EN 10204 y trazabilidad por número de colada. Envíe un plano o una línea de especificación y confirmaremos por escrito qué norma, condición, tolerancia y superficie se pueden cumplir. Las dimensiones de las barras y los detalles de pedido se encuentran en la barra de titanio Ti-6Al-4V Grade 5 página.
¿Es Grade 5 titanium lo mismo que Ti-6Al-4V?
Sí. Grade 5 es la designación de calidad ASTM, Ti-6Al-4V es la abreviatura de la aleación, y ambos describen UNS R56400. El mismo material se escribe Ti64, TA6V en planos franceses, TC4 en la práctica china y 3.7165 en los números de material alemanes. Lo importante es la norma conforme a la que fue certificado y la condición en que se suministró, no el nombre.
¿Es magnético el titanio Grade 5?
No. Grade 5 no contiene fase ferromagnética y su permeabilidad magnética es 1.00005 a 1.6 kA/m, esencialmente la del espacio libre, por lo que no se adherirá a un imán. Esto permite utilizarlo cerca de instrumentación sensible y en entornos de resonancia magnética que excluyen el acero.
¿Se oxida el titanio Grade 5?
No. El óxido es óxido de hierro y necesita hierro como metal base. Grade 5 forma una fina película de dióxido de titanio que se vuelve a formar instantáneamente si se raya en aire o agua, y la velocidad de corrosión en agua de mar a temperatura ambiente es nula. Los límites son químicos, no atmosféricos: el ácido fluorhídrico elimina la película, los ácidos reductores atacan el metal y los cloruros pueden provocar agrietamiento por corrosión bajo tensión en una pieza sometida a carga.
¿Qué resistencia tiene el titanio Grade 5 en comparación con el acero?
Grade 5 tiene una resistencia mínima a la tracción de 895 MPa a 4,43 g/cm3. Los aceros estructurales y de medio carbono presentan menor resistencia a aproximadamente 7,85 g/cm3, por lo que Grade 5 tiene aproximadamente 56 por ciento de la densidad del acero. Que resulte ventajoso en resistencia por unidad de peso depende totalmente de la calidad de acero con la que se compare. Frente a aceros aleados endurecidos que alcanzan 1500 MPa, pierde en resistencia absoluta y solo resulta ventajoso cuando la masa, la resistencia a la corrosión o el comportamiento no magnético condicionan el diseño. El envejecimiento reduce esa diferencia sin eliminarla.
Detalles de especificación con fuentes
Grade 5 (Ti-6Al-4V, UNS R56400) se especifica con 5.50 a 6.75% de aluminio y 3.50 a 4.50% de vanadio, según ASTM B265, tabla 1. El material recocido debe alcanzar una resistencia a la tracción mínima de 895 MPa (130 ksi) y un límite elástico mínimo de 828 MPa, según ASTM B265, tabla 2.
La densidad es de 4.43 g/cm³ (ASM Handbook, vol. 2), ligeramente inferior a los 4.51 g/cm³ del titanio sin alear, por lo que la aleación ofrece aproximadamente 2.6 veces la resistencia a la tracción mínima de Grade 2 (345 MPa, ASTM B265, tabla 2) con un peso ligeramente menor. La barra y el tocho se suministran según ASTM B348, y la barra aeroespacial en estado recocido según AMS 4928.