Il titanio Grade 5 è Ti-6Al-4V, UNS R56400: una lega alfa-beta con 5.50 a 6.75 % di alluminio e 3.50 a 4.50 % di vanadio, resto titanio. La resistenza a trazione minima è 895 MPa contro 345 MPa per Grade 2 commercialmente puro, con una densità di 4.43 g/cm3. È il grado specificato quando il titanio commercialmente puro non ha resistenza sufficiente.
Composizione chimica del titanio Grade 5
I limiti seguenti sono i requisiti ASTM B348 (barre e billette) e ASTM B265 (lamiere spesse, lamiere sottili e nastro). L'alluminio stabilizza la fase alfa e il vanadio la fase beta, rendendo la lega trattabile termicamente; gli elementi interstiziali sono limitati perché ciascuno aumenta la resistenza e riduce la duttilità.
| Elemento | Min, wt % | Max, wt % | Funzione o motivo del limite |
|---|---|---|---|
| Alluminio (Al) | 5.50 | 6.75 | Stabilizzante alfa |
| Vanadio (V) | 3.50 | 4.50 | Stabilizzante beta, conferisce trattabilità termica |
| Ferro (Fe) | – | 0.40 | Stabilizzante beta, residuo controllato |
| Ossigeno (O) | – | 0.20 | Limitato per duttilità e tenacità |
| Carbonio (C) | – | 0.08 | Elemento interstiziale |
| Azoto (N) | – | 0.05 | L'elemento interstiziale con il maggiore effetto indurente |
| Idrogeno (H) | – | 0.015 | 150 ppm; controlla l'infragilimento da idruri |
| Residui, ciascuno | – | 0.10 | Da spugna e materiale di riciclo |
| Residui, totale | – | 0.40 | Somma dei precedenti |
| Titanio (Ti) | Resto | ||
Dove AMS 4928 è più restrittiva di ASTM
Questo punto può creare problemi nei disegni di derivazione aerospaziale. AMS 4928 (barre, billette e pezzi forgiati) limita l'idrogeno a 0,0125 % e il ferro a 0,30 %, contro i limiti ASTM di 0,015 % e 0,40 %. Un materiale conforme ad ASTM B348 può quindi non superare una verifica AMS 4928 per la sola composizione chimica, quindi barra in titanio AMS 4928 deve essere fuso rispettando i limiti AMS, non corretto successivamente. Alcuni ordini richiamano anche un limite massimo di ittrio di 0,005 %, che non è un requisito universale ASTM B348 e deve comparire nell'ordine per essere riportato nel certificato.
Proprietà meccaniche del titanio Grade 5
I valori minimi di resistenza a trazione e carico di snervamento sono identici per ASTM B348 Grade 5, B265 Grade 5 e B381 Grade F-5 allo stato ricotto. Sono soglie di accettazione, non valori di progetto. I requisiti di allungamento e strizione non sono identici: B348 e B381 misurano l'allungamento su 4D e aggiungono una strizione minima del 25 per cento, mentre B265 misura l'allungamento su 2 in. (50 mm) e non stabilisce alcun requisito di strizione. Ordinare lamiera spessa B265 e poi verificarla rispetto a un valore di strizione è un modo comune di respingere materiale conforme.
| Proprietà, stato ricotto | Minimo ASTM (metrico) | Minimo ASTM (imperiale) | Barra tipica dello stabilimento produttore |
|---|---|---|---|
| Resistenza a trazione, massima | 895 MPa | 130 ksi | 950 a 1070 MPa (138 a 155 ksi) |
| Carico di snervamento, scostamento dello 0,2 % | 828 MPa | 120 ksi | 880 a 1015 MPa (128 a 147 ksi) |
| Allungamento (4D secondo B348 e B381; 2 in. secondo B265) | 10 % | 10 % | 15 a 20 % |
| Strizione (solo B348 e B381; non richiesta da B265) | 25 % | 25 % | 38 a 51 % |
| Durezza | non specificato | 30 a 36 HRC (circa 330 HV) | |
| Resilienza Charpy con intaglio a V | non specificato | 17 a 24 J | |
| Tenacità a frattura, KIc | non specificato | circa 75 a 107 MPa-m^0.5, dipendente dallo stato | |
I valori minimi per lamiere sottili e lamiere spesse cambiano con lo spessore
I piccoli spessori sono più resistenti e meno duttili delle lamiere spesse della stessa colata, quindi un unico valore per la lamiera sottile è fuorviante. I valori minimi pubblicati AMS 4911 per lamiere sottili e lamiere spesse ricotte sono i seguenti; verificare la revisione AMS vigente prima dell'uso.
| Spessore | Resistenza a trazione, min | Carico di snervamento, min | Allungamento su 2 in, min |
|---|---|---|---|
| Oltre 0.025 a 0.063 in | 134 ksi (924 MPa) | 126 ksi (869 MPa) | 8 % |
| Oltre 0.063 a 0.1874 in | 134 ksi (924 MPa) | 126 ksi (869 MPa) | 10 % |
| Oltre 0.1874 a 4.000 in | 130 ksi (895 MPa) | 120 ksi (828 MPa) | 10 % |
I requisiti cambiano anche con l'orientamento della prova, il diametro della barra e le condizioni dell'autorità di progettazione. I dettagli per forma si trovano nella nostra guida alle barre e billette ASTM B348 e Guida alle lamiere sottili e alle lamiere spesse ASTM B265.
Solubilizzato e invecchiato
I valori tipici per barra allo stato STA riportati dalle schede tecniche di fabbrica sono da 1034 a 1186 MPa (da 150 a 172 ksi) di resistenza alla trazione, da 945 a 1076 MPa (da 137 a 156 ksi) di carico di snervamento, dal 15 al 17 % di allungamento e dal 41 al 46 % di riduzione di sezione, con la durezza che sale a circa 35-39 HRC. La durezza per ogni qualità, e il motivo per cui non è un requisito della B348, si trova su durezza del titanio per qualità. Sono valori di fabbrica, non minimi di specifica, e valgono solo nelle sezioni che raffreddano abbastanza rapidamente.
Proprietà fisiche del titanio Grade 5
Le proprietà fisiche sono costanti della lega e non cambiano con la norma d'acquisto. Dove le fonti divergono, sono riportati entrambi i valori.
| Proprietà | Valore (metrico) | Valore (imperiale) | Nota |
|---|---|---|---|
| Densità | 4,43 g/cm3 | 0.160 lb/in3 | Le schede degli stabilimenti produttori riportano da 4.42 a 4.47 |
| Intervallo di fusione | da 1604 a 1660 C | da 2920 a 3020 F | Da solidus a liquidus; alcuni stabilimenti produttori indicano 1538 C |
| Transus beta | circa 995 C | circa 1825 F | Tolleranza +/- 14 C. Le schede ASM riportano 980 C; confermare per ogni colata prima della lavorazione in fase beta |
| Modulo di elasticità a trazione | 113,8 GPa | 16500 ksi | Intervallo da 105 a 120 GPa |
| Modulo di taglio | 44 GPa | 6380 ksi | Intervallo da 40 a 45 GPa |
| Coefficiente di Poisson | 0.342 | 0.342 | Intervallo pubblicato da 0.31 a 0.37 |
| Conducibilità termica, 20 C | da 6.7 a 7.1 W/m-K | da 46.5 a 49.2 Btu-in/h-ft2-F | Bassa; convoglia il calore di taglio nell'utensile |
| Capacità termica specifica | da 526 a 570 J/kg-K | 0.126 Btu/lb-F | Alcune fonti indicano fino a 570 J/kg-K |
| Coefficiente di dilatazione termica, da 20 a 100 C | 8.6 µm/m-K | 4.78 µin/in-F | Circa 9.2 µm/m-K nell'intervallo da 20 a 315 C |
| Resistività elettrica | circa 1.7 µΩ-m | 170 µΩ-cm | Circa 100 volte quello del rame |
| Durezza, ricotto | da 30 a 36 HRC | Circa 330 HV, 334 HB | |
| Durezza, solubilizzato e invecchiato | da 35 a 39 HRC | Dato dello stabilimento produttore | |
| Permeabilità magnetica | 1.00005 a 1.6 kA/m | Non risponde a un magnete | |
Norme e forme di prodotto
Grade 5 viene acquistato secondo una diversa norma ASTM per ciascuna forma di prodotto. Indicare quella errata è l'errore d'ordine più comune per questa lega: uno stabilimento produttore non può certificare la conformità a una norma che non contempla la forma del prodotto.
| Forma del prodotto | Specifica ASTM | Equivalente ASME | Specifica AMS |
|---|---|---|---|
| Barra e billetta | B348 Grade 5 | SB-348 | AMS 4928 (ricotto), 4965 (solubilizzato e invecchiato), 4967 (ricotto, trattabile termicamente) |
| Lamiera spessa, lamiera sottile e nastro | B265 Grade 5 | SB-265 | AMS 4911 (ricotto) |
| Pezzi forgiati | B381 Grade F-5 | – | AMS 4928 (pezzi forgiati e materiale da forgiare) |
| Filo | B863 Grade 5 | – | AMS 4928 (filo) |
| Tubo senza saldatura | B861 Grade 5 | SB-861 | – |
| Tubo saldato | B862 Grade 5 | – | – |
ASTM B381 richiede che il materiale da forgiare sia conforme ad ASTM B348, quindi un ordine di pezzi forgiati fa riferimento anche alla norma per le barre. Inoltre ASTM B338 non contempla Grade 5: B338 è la specifica per tubi per condensatori e scambiatori di calore e il suo elenco di gradi comprende quelli commercialmente puri e quelli legati resistenti alla corrosione, ma non Grade 5. Le richieste di “tubo ASTM B338 Grade 5” non possono essere certificate così come formulate. Se il progetto ammette un tubo per tubazioni anziché un tubo per condensatori, le opzioni sono ASTM B861 per il tubo senza saldatura e ASTM B862 per il tubo saldato; se il progetto richiede effettivamente un tubo per scambiatore di calore B338, occorre cambiare grado, perché tale specifica non prevede alcuna opzione Grade 5.
Nei disegni europei, Grade 5 compare come numero di materiale 3.7165 (TiAl6V4), mentre le schede aerospaziali WL riportano 3.7164 per la stessa lega. Entrambi corrispondono a UNS R56400.
Grade 5 rispetto a Grade 23 e Grade 2
Tre gradi coprono la maggior parte degli acquisti industriali di titanio, con un compromesso tra resistenza, duttilità e formabilità.
| Grade 2 (titanio CP) | Grade 5 (Ti-6Al-4V) | Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) | |
|---|---|---|---|
| Numero UNS secondo ASTM B348 / B265 | R50400 | R56400 | R56407 |
| Resistenza a trazione, min | 345 MPa (50 ksi) | 895 MPa (130 ksi) | 828 MPa (120 ksi) |
| Carico di snervamento, min | 275 MPa (40 ksi) | 828 MPa (120 ksi) | 759 MPa (110 ksi) |
| Allungamento, min | 20 % | 10 % | 10 % |
| Ossigeno, max | 0.25 % | 0.20 % | 0.13 % |
| Ferro, max | 0.30 % | 0.40 % | 0.25 % |
| Scelto per | Formatura, saldatura, impieghi in ambienti corrosivi | Resistenza e trattabilità termica | Tenacità a frattura, impieghi criogenici e implantari |
Grade 23 è la stessa lega nominale con un contenuto ridotto di elementi interstiziali, che conferisce tenacità a frattura e duttilità a bassa temperatura a fronte di circa 67 MPa in meno di resistenza minima a trazione. Un'insidia nella designazione: Grade 23 è UNS R56407 se ordinato secondo ASTM B348, B265, B381 o B863. UNS R56401 appartiene ad ASTM F136, la specifica per impianti chirurgici, e le due designazioni non sono intercambiabili su un certificato. I dettagli completi sono in titanio Grade 5 e Grade 23 a confronto, e la scelta tra resistenza e formabilità rispetto al materiale commercialmente puro è trattata in Titanio Grade 2 e Grade 5 a confronto.
Trattamento termico: ricotto rispetto a solubilizzato e invecchiato
La maggior parte del Grade 5 viene fornita ricotta, a circa 690 a 790 C (1275 a 1450 F) per un periodo da mezz'ora a due ore, quindi raffreddata in aria o in forno. La distensione avviene a temperature inferiori, da 540 a 650 C (1000 a 1200 F), dopo la lavorazione meccanica o la saldatura, per eliminare le tensioni residue senza modificare le proprietà a trazione.
Per una maggiore resistenza, viene solubilizzato a 913 a 954 C (1675 a 1750 F), temprato in acqua, quindi invecchiato a 524 a 552 C (975 a 1025 F) per un periodo da tre a otto ore e raffreddato in aria. Quando la tenacità a frattura conta più della resistenza a trazione, si utilizza invece una ricottura beta intorno a 1065 C (1950 F) con invecchiamento a 620 a 705 C (1150 a 1300 F).
Il limite è la temprabilità. Grade 5 non si tempra a cuore nelle sezioni massicce: sezioni sensibilmente superiori a circa 25 mm (1 in) non sviluppano pienamente le proprietà STA e qualsiasi ritardo tra il forno e la vasca di tempra riduce la resistenza. Specificare la condizione nell'ordine anziché presumere che una barra massiccia possa essere invecchiata fino a raggiungere i valori di una tabella per sezioni sottili. Dagli stabilimenti produttori provengono anche due avvertenze di processo: l'idrogeno assorbito durante il decapaggio acido o un trattamento termico improprio forma idruri fragili, motivo per cui esiste il limite di 0,015 %, mentre l'assorbimento di ossigeno, azoto e carbonio durante la lavorazione a caldo lascia uno strato superficiale duro e fragile che va rimosso.
Applicazioni
Le schede degli stabilimenti produttori attribuiscono al Ti-6Al-4V più della metà di tutto il titanio consumato. Gli impieghi ricorrenti nelle schede comprendono:
- Pale, dischi e anelli dei compressori di motori aeronautici e parti strutturali delle cellule
- Elementi di fissaggio e pezzi forgiati critici in cui la resistenza per unità di peso determina il progetto
- Componenti offshore e navali per impiego in acqua di mare
- Recipienti a pressione e apparecchiature di processo chimico al di fuori degli impieghi con acidi riducenti
- Dispositivi medici e dentali, con gli impianti realizzati nel grado ELI e secondo le norme implantari anziché in Grade 5
- Componenti per sport motoristici, articoli sportivi e utensili manuali
La corrosione è l'ambito in cui Grade 5 viene impiegato erroneamente. Una pellicola stabile di biossido di titanio si forma non appena la superficie entra in contatto con aria o acqua, producendo una velocità di corrosione nulla in acqua di mare a temperatura ambiente. Questa pellicola si degrada nell'acido fluoridrico e la lega viene attaccata dagli acidi cloridrico, solforico e fosforico alle concentrazioni di esercizio. Grade 5 è suscettibile alla tensocorrosione da cloruri e sarebbe opportuno non utilizzarlo con acido nitrico fumante rosso. L'impiego continuo è limitato a circa 350 a 400 C (660 a 750 F). La bassa conducibilità termica convoglia inoltre il calore di taglio nell'utensile anziché nel truciolo, quindi la lavorazione meccanica richiede basse velocità, avanzamenti elevati, allestimenti rigidi e refrigerazione abbondante.
Come specificare il titanio Grade 5 in un ordine
Una voce d'ordine completa per Grade 5 elimina un ciclo di chiarimenti e consente di redigere correttamente il certificato al primo tentativo. Includere:
- Grado e designazione: Grade 5, Ti-6Al-4V, UNS R56400. Aggiungere 3.7165 se il disegno è europeo.
- Norma e revisione: ASTM B348, B265, B381, B863, B861 o B862 in base alla forma, oppure il numero AMS.
- Forma del prodotto: barra tonda, barra quadra, billetta, lamiera spessa, lamiera sottile, nastro, pezzo forgiato, filo, tubo.
- Dimensioni e tolleranza: diametro o spessore, larghezza, lunghezza e classe di tolleranza o valori più/meno.
- Condizione: ricotto, disteso oppure solubilizzato e invecchiato. Per STA, indicare la dimensione della sezione per consentire la verifica della temprabilità.
- Superficie: grezza di forgiatura o nera, decapata, pelata, tornita, rettificata senza centri o lucidata, con un valore di rugosità se funzionale.
- Prove e certificato: certificato di collaudo 3.1 secondo EN 10204, tracciabilità tramite il numero di colata, orientamento della prova di trazione e posizione di prelievo, oltre alla classe del controllo a ultrasuoni se necessaria.
- Marcatura e imballaggio: metodo di marcatura del numero di colata e requisito di imballaggio per l'esportazione.
Beiyu Titanium fornisce Grade 5 sotto forma di barra, billetta, lamiera spessa, lamiera sottile, pezzo forgiato e filo secondo specifiche ASTM e AMS, con certificati di collaudo 3.1 secondo EN 10204 e tracciabilità tramite il numero di colata. Inviare un disegno o una voce di specifica e confermeremo per iscritto quali norma, condizione, tolleranza e superficie possono essere rispettate. Le dimensioni delle barre e i dettagli d'ordine sono nella pagina barra di titanio Ti-6Al-4V Grade 5 pagina.
Il titanio Grade 5 è lo stesso materiale di Ti-6Al-4V?
Sì. Grade 5 è la designazione del grado ASTM, Ti-6Al-4V è la denominazione abbreviata della lega ed entrambi descrivono UNS R56400. Lo stesso materiale viene indicato come Ti64, TA6V nei disegni francesi, TC4 nella prassi cinese e 3.7165 nei numeri di materiale tedeschi. Contano la norma secondo cui è stato certificato e la condizione di fornitura, non il nome.
Il titanio Grade 5 è magnetico?
No. Grade 5 non contiene fasi ferromagnetiche e la sua permeabilità magnetica è 1.00005 a 1.6 kA/m, sostanzialmente quella del vuoto, quindi non viene attratto da un magnete. Questo ne consente l'impiego vicino a strumentazione sensibile e in ambienti di risonanza magnetica che escludono l'acciaio.
Il titanio Grade 5 arrugginisce?
No. La ruggine è ossido di ferro e richiede il ferro come metallo base. Grade 5 forma una sottile pellicola di biossido di titanio che si riforma istantaneamente se graffiata in aria o acqua, e la velocità di corrosione in acqua di mare a temperatura ambiente è nulla. I limiti sono chimici, non atmosferici: l'acido fluoridrico rimuove la pellicola, gli acidi riducenti attaccano il metallo e i cloruri possono provocare tensocorrosione in un componente sotto carico.
Quanto è resistente il titanio Grade 5 rispetto all'acciaio?
Grade 5 ha una resistenza minima a trazione di 895 MPa a 4,43 g/cm3. Gli acciai strutturali e a medio tenore di carbonio hanno una resistenza inferiore a circa 7,85 g/cm3, quindi Grade 5 ha circa il 56 per cento della densità dell'acciaio. Il vantaggio in termini di resistenza per unità di peso dipende interamente dal grado di acciaio con cui viene confrontato. Rispetto agli acciai legati temprati che raggiungono 1500 MPa, è inferiore nella resistenza assoluta e risulta vantaggioso solo quando massa, resistenza alla corrosione o comportamento non magnetico determinano il progetto. L'invecchiamento riduce tale divario senza colmarlo.
Dettagli delle specifiche con fonti
Grade 5 (Ti-6Al-4V, UNS R56400) è specificato con 5,50 to 6,75% alluminio e 3,50 to 4,50% vanadio, secondo ASTM B265, Table 1. Il materiale ricotto deve raggiungere una resistenza a trazione minima di 895 MPa (130 ksi) e un carico di snervamento minimo di 828 MPa, secondo ASTM B265, Table 2.
La densità è 4.43 g/cm³ (ASM Handbook, Vol. 2), leggermente inferiore ai 4.51 g/cm³ del titanio non legato, quindi la lega offre circa 2.6 volte la resistenza a trazione minima di Grade 2 (345 MPa, ASTM B265, Table 2) a peso marginalmente inferiore. Barra e billetta sono fornite secondo ASTM B348, e la barra aerospaziale in condizione ricotta secondo AMS 4928.