Le titane Grade 5 est le Ti-6Al-4V, UNS R56400 : un alliage alpha-bêta contenant de 5.50 à 6.75 % d'aluminium et de 3.50 à 4.50 % de vanadium, le reste étant du titane. La résistance à la traction minimale est de 895 MPa contre 345 MPa pour le Grade 2 commercialement pur, à une densité de 4.43 g/cm3. C'est la nuance spécifiée lorsque le titane commercialement pur n'est pas suffisamment résistant.
Composition chimique du titane Grade 5
Les limites ci-dessous correspondent aux exigences d'ASTM B348 (barre et billette) et ASTM B265 (plaque, tôle et bande). L'aluminium stabilise la phase alpha et le vanadium la phase bêta, ce qui rend l'alliage traitable thermiquement ; les éléments interstitiels sont limités car chacun augmente la résistance et réduit la ductilité.
| Élément | Min, % massique | Max, % massique | Fonction ou raison de la limite |
|---|---|---|---|
| Aluminium (Al) | 5.50 | 6.75 | Stabilisateur alpha |
| Vanadium (V) | 3.50 | 4.50 | Stabilisateur bêta, confère la trempabilité |
| Fer (Fe) | – | 0.40 | Stabilisateur bêta, résiduel contrôlé |
| Oxygène (O) | – | 0.20 | Limité pour la ductilité et la ténacité |
| Carbone (C) | – | 0.08 | Élément interstitiel |
| Azote (N) | – | 0.05 | Durcisseur interstitiel le plus puissant |
| Hydrogène (H) | – | 0.015 | 150 ppm; contrôle la fragilisation par hydrures |
| Résidus, chacun | – | 0.10 | Provenant d'éponge et de retours |
| Résidus, total | – | 0.40 | Somme des éléments ci-dessus |
| Titane (Ti) | Solde | ||
Lorsque AMS 4928 est plus strict qu'ASTM
Ce point piège souvent sur les plans issus de l'aéronautique. AMS 4928 (barre, billette et pièces forgées) limite l'hydrogène à 0,0125 % et le fer à 0,30 %, contre les limites ASTM de 0,015 % et 0,40 %. Un matériau conforme à ASTM B348 peut donc échouer à un contrôle AMS 4928 sur la seule composition chimique, il Barre en titane AMS 4928 doit être fondu selon les limites AMS, et non corrigé ultérieurement. Certaines commandes imposent également une limite maximale de 0,005 % d'yttrium, qui n'est pas une exigence universelle d'ASTM B348 et doit figurer sur la commande pour apparaître sur le certificat.
Propriétés mécaniques du titane Grade 5
Les minimums de résistance à la traction et de limite d'élasticité sont identiques pour ASTM B348 Grade 5, B265 Grade 5 et B381 Grade F-5 à l'état recuit. Il s'agit de seuils d'acceptation, non de valeurs de conception. Les exigences d'allongement et de striction ne sont pas identiques : B348 et B381 mesurent l'allongement sur 4D et ajoutent un minimum de striction de 25 pour cent, tandis que B265 mesure l'allongement sur 2 in. (50 mm) et ne fixe aucune exigence de striction. Commander une plaque B265 puis la tester par rapport à une valeur de striction est une manière courante de rejeter un matériau conforme.
| Propriété, recuit | Minimum ASTM (métrique) | Minimum ASTM (impérial) | Barre type usine |
|---|---|---|---|
| Résistance à la traction, ultime | 895 MPa | 130 ksi | 950 à 1070 MPa (138 à 155 ksi) |
| Limite d'élasticité, décalage de 0,2 % | 828 MPa | 120 ksi | 880 à 1015 MPa (128 à 147 ksi) |
| Allongement (4D selon B348 et B381; 2 in. selon B265) | 10 % | 10 % | 15 à 20 % |
| Réduction de section (B348 et B381 uniquement; non exigée par B265) | 25 % | 25 % | 38 à 51 % |
| Dureté | non spécifié | 30 à 36 HRC (environ 330 HV) | |
| Impact Charpy à entaille en V | non spécifié | 17 à 24 J | |
| Ténacité à la rupture, KIc | non spécifié | environ 75 à 107 MPa-m^0.5, selon l'état | |
Les minimums pour les tôles et plaques varient selon l'épaisseur
Les faibles épaisseurs sont plus résistantes et moins ductiles que les plaques épaisses provenant de la même coulée, une seule valeur de tôle est donc trompeuse. Les minimums AMS 4911 publiés pour les tôles et plaques recuites sont les suivants; vérifiez la révision AMS en vigueur avant utilisation.
| Épaisseur | Résistance à la traction, min | Limite d'élasticité, min. | Allongement sur 2 in, min |
|---|---|---|---|
| Plus de 0.025 à 0.063 in | 134 ksi (924 MPa) | 126 ksi (869 MPa) | 8 % |
| Plus de 0.063 à 0.1874 in | 134 ksi (924 MPa) | 126 ksi (869 MPa) | 10 % |
| Plus de 0.1874 à 4.000 in | 130 ksi (895 MPa) | 120 ksi (828 MPa) | 10 % |
Les exigences varient également selon l'orientation d'essai, le diamètre de la barre et les conditions de l'autorité de conception. Le détail par forme figure dans notre Guide ASTM B348 sur les barres et billettes et Guide ASTM B265 sur les tôles et plaques.
Mis en solution et vieilli
Les valeurs typiques de barre à l'état STA relevées sur les fiches techniques d'usine sont de 1034 à 1186 MPa (150 à 172 ksi) en résistance à la traction, de 945 à 1076 MPa (137 à 156 ksi) en limite d'élasticité, de 15 à 17 % d'allongement et de 41 à 46 % de striction, la dureté montant à environ 35 à 39 HRC. La dureté de chaque grade, et la raison pour laquelle elle n'est pas une exigence de la B348, se trouve sur dureté du titane par grade. Ce sont des valeurs d'usine, non des minimums de spécification, et elles ne valent que dans les sections qui refroidissent assez vite.
Propriétés physiques du titane Grade 5
Les propriétés physiques sont des constantes de l'alliage et ne changent pas selon la norme achetée. Lorsque les sources divergent, les deux valeurs sont indiquées.
| Propriété | Valeur (métrique) | Valeur (impériale) | Remarque |
|---|---|---|---|
| Densité | 4,43 g/cm3 | 0.160 lb/in3 | Les fiches de l'usine indiquent 4.42 à 4.47 |
| Plage de fusion | 1604 à 1660 C | 2920 à 3020 F | Du solidus au liquidus; certaines usines indiquent 1538 C |
| Transus bêta | environ 995 C | environ 1825 F | Tolérance +/- 14 C. Les fiches ASM indiquent 980 C; confirmer par numéro de coulée avant le traitement en phase bêta |
| Module d'élasticité, traction | 113,8 GPa | 16500 ksi | Plage de 105 à 120 GPa |
| Module de cisaillement | 44 GPa | 6380 ksi | Plage de 40 à 45 GPa |
| Coefficient de Poisson | 0.342 | 0.342 | Plage publiée 0.31 à 0.37 |
| Conductivité thermique, 20 C | 6.7 à 7.1 W/m-K | 46.5 à 49.2 Btu-in/h-ft2-F | Faible, dirige la chaleur de coupe vers l'outil |
| Capacité thermique massique | 526 à 570 J/kg-K | 0.126 Btu/lb-F | Certaines sources indiquent jusqu'à 570 J/kg-K |
| Coefficient de dilatation thermique, 20 à 100 C | 8.6 µm/m-K | 4.78 µin/in-F | Environ 9.2 µm/m-K sur 20 à 315 C |
| Résistivité électrique | environ 1.7 µΩ-m | 170 µΩ-cm | Environ 100 fois celle du cuivre |
| Dureté, recuit | 30 à 36 HRC | Environ 330 HV, 334 HB | |
| Dureté, mis en solution et vieilli | 35 à 39 HRC | Valeur d'usine | |
| Perméabilité magnétique | 1.00005 à 1.6 kA/m | Ne réagit pas à un aimant | |
Normes et formes de produits
Grade 5 est acheté selon un numéro ASTM différent pour chaque forme de produit. Citer le mauvais numéro est l'erreur de commande la plus fréquente pour cet alliage : une usine ne peut pas certifier selon une norme qui ne couvre pas la forme.
| Forme de produit | Spécification ASTM | Équivalent ASME | Spécification AMS |
|---|---|---|---|
| Barre et billette | B348 Grade 5 | SB-348 | AMS 4928 (recuit), 4965 (mis en solution et vieilli), 4967 (recuit, pouvant subir un traitement thermique) |
| Plaque, tôle et bande | B265 Grade 5 | SB-265 | AMS 4911 (recuit) |
| Pièces forgées | B381 Grade F-5 | – | AMS 4928 (pièces forgées et matière pour forgeage) |
| Fil | B863 Grade 5 | – | AMS 4928 (fil) |
| Tube sans soudure | B861 Grade 5 | SB-861 | – |
| Tube soudé | B862 Grade 5 | – | – |
ASTM B381 exige que la matière de départ de la pièce forgée soit elle-même conforme à ASTM B348, de sorte qu'une commande de pièce forgée relève implicitement de la norme relative aux barres. Et ASTM B338 ne couvre pas Grade 5 : B338 est la spécification des tubes de condenseur et d'échangeur de chaleur, et sa liste de nuances couvre les nuances commercialement pures et les nuances d'alliages résistants à la corrosion, pas Grade 5. Les demandes de « tube ASTM B338 Grade 5 » ne peuvent pas être certifiées telles quelles. Lorsque la conception accepte un tube plutôt qu'un tube de condenseur, les options sont ASTM B861 pour les tubes sans soudure et ASTM B862 pour les tubes soudés ; lorsque la conception exige réellement un tube d'échangeur de chaleur B338, la nuance doit être modifiée, car aucune option Grade 5 n'existe sous cette spécification.
Sur les plans européens, Grade 5 apparaît sous le numéro de matériau 3.7165 (TiAl6V4), et les fiches aéronautiques WL utilisent 3.7164 pour le même alliage. Les deux correspondent à UNS R56400.
Grade 5 par rapport à Grade 23 et Grade 2
Trois nuances couvrent la majorité des achats industriels de titane, avec un compromis entre résistance, ductilité et aptitude au formage.
| Grade 2 (titane CP) | Grade 5 (Ti-6Al-4V) | Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) | |
|---|---|---|---|
| Numéro UNS selon ASTM B348 / B265 | R50400 | R56400 | R56407 |
| Résistance à la traction, min | 345 MPa (50 ksi) | 895 MPa (130 ksi) | 828 MPa (120 ksi) |
| Limite d'élasticité, min. | 275 MPa (40 ksi) | 828 MPa (120 ksi) | 759 MPa (110 ksi) |
| Allongement, min. | 20 % | 10 % | 10 % |
| Oxygène, max. | 0.25 % | 0.20 % | 0.13 % |
| Fer, max. | 0.30 % | 0.40 % | 0.25 % |
| Choisi pour | Formage, soudage, service en corrosion | Résistance et aptitude au traitement thermique | Ténacité à la rupture, applications cryogéniques et implants |
Grade 23 est le même alliage nominal avec une teneur réduite en éléments interstitiels, ce qui améliore la ténacité à la rupture et la ductilité à basse température au prix d'environ 67 MPa de résistance à la traction minimale. Attention à une désignation : Grade 23 est UNS R56407 lorsqu'il est commandé selon ASTM B348, B265, B381 ou B863. UNS R56401 relève d'ASTM F136, la spécification des implants chirurgicaux, et les deux ne sont pas interchangeables sur un certificat. Le détail complet figure dans Titane Grade 5 vs Grade 23, et la comparaison résistance-formabilité avec le matériau commercialement pur est traitée dans Titane Grade 2 vs Grade 5.
Traitement thermique : recuit par rapport à mis en solution et vieilli
La plupart des Grade 5 sont livrés recuits, à environ 690 à 790 C (1275 à 1450 F) pendant une demi-heure à deux heures, puis refroidis à l'air ou au four. La détente des contraintes s'effectue à une température inférieure, 540 à 650 C (1000 à 1200 F), après usinage ou soudage afin d'éliminer les contraintes résiduelles sans modifier les propriétés de traction.
Pour une résistance supérieure, il est mis en solution à 913 à 954 C (1675 à 1750 F), trempé à l'eau, puis vieilli à 524 à 552 C (975 à 1025 F) pendant trois à huit heures et refroidi à l'air. Lorsque la ténacité à la rupture est plus importante que la résistance à la traction, un recuit bêta proche de 1065 C (1950 F) avec vieillissement à 620 à 705 C (1150 à 1300 F) est utilisé à la place.
La limite est la trempabilité. Grade 5 ne se durcit pas à cœur dans les fortes sections : les sections dépassant nettement environ 25 mm (1 in) ne développeront pas les propriétés STA complètes, et tout délai entre le four et le bac de trempe réduit la résistance. Précisez l'état dans la commande plutôt que de supposer qu'une barre de forte section peut être vieillie selon un tableau de propriétés de faible section. Deux précautions de procédé provenant également des usines s'appliquent : l'hydrogène absorbé lors du décapage acide ou d'un traitement thermique incorrect forme des hydrures fragiles, d'où la limite de 0,015 %, et l'absorption d'oxygène, d'azote et de carbone pendant le travail à chaud laisse une couche superficielle dure et fragile qui doit être éliminée.
Applications
Les fiches techniques des usines indiquent que Ti-6Al-4V représente plus de la moitié de tout le titane consommé. Les utilisations récurrentes dans les fiches techniques des usines comprennent :
- Aubes, disques et anneaux de compresseurs de moteurs aéronautiques, et pièces structurelles de cellule
- Éléments de fixation et pièces forgées critiques lorsque la résistance par unité de masse détermine la conception
- Équipements offshore et marins en service dans l'eau de mer
- Appareils à pression et équipements de procédés chimiques hors service en acides réducteurs
- Dispositifs médicaux et dentaires, les implants étant réalisés en nuance ELI et selon les normes d'implants plutôt qu'en Grade 5
- Composants de sport automobile, articles de sport et outils à main
La corrosion est le domaine dans lequel Grade 5 est mal appliqué. Un film stable de dioxyde de titane se forme dès que la surface entre en contact avec l'air ou l'eau, assurant un vitesse de corrosion nul dans l'eau de mer à température ambiante. Ce film se dégrade dans l'acide fluorhydrique, et l'alliage est attaqué par les acides chlorhydrique, sulfurique et phosphorique aux concentrations de service. Grade 5 est sensible à la fissuration par corrosion sous contrainte induite par les chlorures et ne devrait pas être utilisé avec de l'acide nitrique fumant rouge. Le service continu est limité à environ 350 à 400 C (660 à 750 F). Sa faible conductivité thermique transmet également la chaleur de coupe à l'outil plutôt qu'au copeau, de sorte que l'usinage exige de faibles vitesses, des avances élevées, des montages rigides et un arrosage abondant.
Comment spécifier le titane Grade 5 dans une commande
Une ligne de commande complète pour Grade 5 évite un cycle de clarification et permet d'établir correctement le certificat dès la première fois. Inclure :
- Nuance et désignation : Grade 5, Ti-6Al-4V, UNS R56400. Ajouter 3.7165 si le plan est européen.
- Norme et révision : ASTM B348, B265, B381, B863, B861 ou B862 selon la forme, ou le numéro AMS.
- Forme du produit : barre ronde, barre carrée, billette, plaque, tôle, bande, pièce forgée, fil, tube.
- Dimensions et tolérance : diamètre ou épaisseur, largeur, longueur et classe de tolérance ou valeurs plus/moins.
- État : recuit, détente des contraintes, ou mis en solution et vieilli. En cas de STA, indiquer la taille de section afin que la trempabilité puisse être vérifiée.
- Surface : brut de forge ou noir, décapé, pelé, tourné, rectifié sans centre ou poli, avec une valeur de rugosité si elle est fonctionnelle.
- Essais et certificat : certificat de réception selon EN 10204 3.1, traçabilité par numéro de coulée, orientation de l'essai de traction et emplacement du prélèvement, ainsi que classe ultrasonore si nécessaire.
- Marquage et emballage : méthode de marquage du numéro de coulée et exigence d'emballage export.
Beiyu Titanium fournit Grade 5 sous forme de barre, billette, plaque, tôle, pièce forgée et fil selon les spécifications ASTM et AMS, avec des certificats de réception selon EN 10204 3.1 et une traçabilité par numéro de coulée. Envoyez un plan ou une ligne de spécification et nous confirmerons par écrit quelles norme, état, tolérance et surface peuvent être respectés. Les dimensions des barres et les détails de commande figurent sur la barre en titane Ti-6Al-4V Grade 5 page.
Le titane Grade 5 est-il identique au Ti-6Al-4V ?
Oui. Grade 5 est la désignation de nuance ASTM, Ti-6Al-4V est l'abréviation de l'alliage, et les deux décrivent UNS R56400. Le même matériau est désigné Ti64, TA6V sur les plans français, TC4 dans la pratique chinoise et 3.7165 dans les numéros de matériau allemands. Ce qui importe est la norme selon laquelle il a été certifié et l'état dans lequel il a été livré, et non son nom.
Le titane Grade 5 est-il magnétique ?
Non. Grade 5 ne contient aucune phase ferromagnétique, et sa perméabilité magnétique est de 1.00005 à 1.6 kA/m, soit pratiquement celle du vide, de sorte qu'il n'adhère pas à un aimant. Cela permet son utilisation à proximité d'instruments sensibles et dans des environnements de résonance magnétique excluant l'acier.
Le titane Grade 5 rouille-t-il ?
Non. La rouille est un oxyde de fer et nécessite le fer comme métal de base. Grade 5 forme un mince film de dioxyde de titane qui se reforme instantanément s'il est rayé dans l'air ou l'eau, et le vitesse de corrosion dans l'eau de mer à température ambiante est nul. Les limites sont chimiques, non atmosphériques : l'acide fluorhydrique élimine le film, les acides réducteurs attaquent le métal, et les chlorures peuvent provoquer une fissuration par corrosion sous contrainte dans une pièce sollicitée.
Quelle est la résistance du titane Grade 5 par rapport à l'acier ?
Grade 5 présente une résistance à la traction minimale de 895 MPa à 4,43 g/cm3. Les aciers de construction et les aciers à carbone moyen présentent une résistance inférieure à environ 7,85 g/cm3, de sorte que Grade 5 a environ 56 pour cent de la densité de l'acier. Son avantage en résistance par unité de masse dépend entièrement de la nuance d'acier à laquelle il est comparé. Face aux aciers alliés trempés atteignant 1500 MPa, il est inférieur en résistance absolue et ne l'emporte que lorsque la masse, la résistance à la corrosion ou le comportement non magnétique déterminent la conception. Le vieillissement réduit cet écart sans l'éliminer.
Détails des spécifications avec sources
Grade 5 (Ti-6Al-4V, UNS R56400) est spécifié avec 5,50 to 6,75% d'aluminium et 3,50 to 4,50% de vanadium, selon ASTM B265, Tableau 1. Le matériau recuit doit atteindre une résistance à la traction minimale de 895 MPa (130 ksi) et une limite d'élasticité minimale de 828 MPa, selon ASTM B265, Tableau 2.
La densité est de 4.43 g/cm³ (ASM Handbook, Vol. 2), légèrement inférieure aux 4.51 g/cm³ du titane non allié, de sorte que l'alliage présente environ 2.6 fois la résistance à la traction minimale de Grade 2 (345 MPa, ASTM B265, Tableau 2) pour un poids légèrement inférieur. La barre et la billette sont fournies selon ASTM B348, et la barre aéronautique à l'état recuit selon AMS 4928.