Se il titanio sia pesante dipende interamente dal materiale con cui lo si confronta, e le due risposte vanno in direzioni opposte. Rispetto all'acciaio, no: il titanio pesa poco più della metà ed è di solito il motivo per cui compare sul disegno. Rispetto all'alluminio, sì: il titanio pesa circa due terzi in più. La domanda diventa utile solo quando si sa quale dei due confronti si sta effettivamente facendo e quando la densità è associata a un grado anziché alla parola titanio.
Non esiste un'unica densità per il titanio
Il titanio commercialmente puro e quello legato non pesano allo stesso modo e la differenza è determinata dal grado nell'ordine. Questi sono i valori su cui il Beiyu Titanium calcolatore del peso si basa.
| Grado | Densità (g/cm³) | Rispetto a Grade 2 |
|---|---|---|
| Grade 1, 2, 7 e 12 | 4.51 | Riferimento |
| Grade 9 (Ti-3Al-2.5V) | 4.48 | 0,7 per cento più leggero |
| Grade 5 e Grade 23 (Ti-6Al-4V ed ELI) | 4.43 | 1,8 per cento più leggero |
La differenza tra i gradi è abbastanza piccola da non determinare mai da sola la scelta di un grado. È però abbastanza grande da contare quando si confronta un peso calcolato con uno consegnato, che è la situazione in cui la domanda si presenta di solito nella pratica.
Cosa significa per un pezzo
La densità rimane astratta finché non viene associata a una dimensione. La tabella seguente riguarda barre tonde, in chilogrammi al metro, calcolati dalle densità sopra indicate utilizzando l'area della sezione trasversale della barra. La colonna dell'acciaio inossidabile utilizza il valore di circa 8,0 g/cm³ impiegato nelle nostre pagine di confronto per l'acciaio inossidabile.
| Diametro | Grade 2 a 4.51 | Grade 5 a 4.43 | Acciaio inossidabile a circa 8.0 |
|---|---|---|---|
| 10 mm | 0,35 kg/m | 0,35 kg/m | 0,63 kg/m |
| 16 mm | 0,91 kg/m | 0,89 kg/m | 1,61 kg/m |
| 20 mm | 1,42 kg/m | 1,39 kg/m | 2,51 kg/m |
| 25 mm | 2,21 kg/m | 2,17 kg/m | 3,93 kg/m |
| 32 mm | 3,63 kg/m | 3,56 kg/m | 6,43 kg/m |
| 40 mm | 5,67 kg/m | 5,57 kg/m | 10,05 kg/m |
| 50 mm | 8,86 kg/m | 8,70 kg/m | 15,71 kg/m |
Per Grade 2 il risparmio rispetto all'acciaio inossidabile è di circa il 44 per cento in ogni riga e per Grade 5 di circa il 45, perché si tratta di un rapporto tra densità e la geometria si elimina. Sono questi i numeri da ricordare: un pezzo Grade 2 pesa circa il 44 per cento in meno dello stesso pezzo in acciaio inossidabile e circa il 67 per cento in più dello stesso pezzo in alluminio.
Il titanio rispetto ai due metalli che solitamente sostituisce
| Densità (g/cm³) | Stesso pezzo, massa relativa | Per cosa viene scelto | |
|---|---|---|---|
| Alluminio | circa 2.7 | Circa il 40 per cento più leggero del titanio | Massa minima dove il carico e l'ambiente lo consentono |
| Titanio, Grade 2 | 4.51 | Riferimento | Resistenza alla corrosione con resistenza meccanica moderata |
| Titanio, Grade 5 | 4.43 | 1,8 per cento più leggero di Grade 2 | Pezzi portanti in cui la massa ha un costo economico |
| Acciaio inossidabile | circa 8.0 | Circa il 77 per cento più pesante del titanio | Prezzo e facilità di fabbricazione |
Queste due percentuali sono il punto in cui di solito nasce la confusione. Con 4.51 rispetto a 8.0, il titanio è il 43.6 per cento più leggero dell'acciaio inossidabile e l'acciaio inossidabile è il 77.4 per cento più pesante del titanio, arrotondati in questa pagina a 44 e 77. Lo stesso dato visto da punti di partenza opposti; si noti che i due valori arrotondati non sono l'uno l'inverso dell'altro e quindi non possono essere sostituiti l'uno all'altro in una frase.
Perché la densità è di solito la domanda sbagliata
Pochissimi pezzi vengono scelti in base alla sola massa. Ciò che determina una sostituzione è il carico sostenuto dal pezzo rispetto alla massa aggiunta, e secondo questo criterio la graduatoria cambia. Il titanio Grade 5 raggiunge circa 895 MPa di resistenza a trazione rispetto a circa 515 MPa dell'acciaio inossidabile 316 ricotto, con poco più della metà della densità. È questo rapporto, anziché la sola densità, che interessa per un pezzo rotante o un assieme con vincoli di massa.
Rispetto all'alluminio, la stessa logica porta nella direzione opposta a quella indicata dalla sola densità. L'alluminio è più leggero, ma il titanio sostiene un carico assoluto molto maggiore a parità di sezione, quindi un pezzo in titanio può essere più sottile e sopportare comunque una forza maggiore. I due confronti sono sviluppati nella titanio rispetto all'acciaio inossidabile e titanio rispetto all'alluminio pagine.
Il peso calcolato e il peso consegnato non sono lo stesso valore
Ogni valore sopra riportato è un peso calcolato: diametro nominale, densità nominale, geometria perfetta. Una barra consegnata rientra nella tolleranza sul diametro prevista dalla norma secondo cui è stata ordinata e la sua massa varia con il quadrato del diametro; pertanto, un diametro al limite superiore della tolleranza comporta più metallo rispetto al valore nominale e tale eccedenza cresce con il quadrato del diametro.
| Dove incide | Come si presenta | Come risolvere |
|---|---|---|
| Confronto tra una consegna e un calcolo | Una consegna con peso superiore al calcolo sembra un errore, mentre la norma lo consente espressamente | Concordare il criterio di peso, calcolato o misurato, prima dell'ordine |
| Bilanci di massa di progetto | Un valore calcolato considerato esatto non lascia margine per la tolleranza con cui viene fornito il materiale | Impostare il bilancio sulla fascia di tolleranza, non sul diametro nominale |
Nessuno dei due casi è un problema di qualità e le norme lo dichiarano espressamente. Ciò che sorprende è che lo scostamento ammesso è unidirezionale: consente al peso consegnato di risultare superiore al calcolo, senza una corrispondente tolleranza in difetto, poiché il peso inferiore è invece controllato dalle tolleranze dimensionali.
| Norma e forma | Eccedenza di peso consentita rispetto al valore calcolato |
|---|---|
| ASTM B348, barra e billetta | Fino al 10 per cento oltre il peso teorico, per qualsiasi dimensione ordinata e finitura |
| ASTM B265, lamiera sottile: cinque lamiere o meno, oppure un articolo con peso stimato pari o inferiore a 200 lb (91 kg) | Fino al 10 per cento oltre il peso stimato |
| ASTM B265, lamiera sottile: più di cinque lamiere e peso stimato superiore a 200 lb | Fino al 7,5 per cento oltre il peso stimato |
| ASTM B265, nastro | Fino al 10 per cento oltre il peso stimato |
Si noti la differenza terminologica tra le due norme: B348 fa riferimento al peso teorico e B265 al peso stimato . Si noti inoltre che B265 non prevede alcuna tolleranza in difetto sul peso della lamiera sottile e che, quando si ordina lamiera sottile in formato commerciale o di stabilimento in base alla superficie in piedi quadrati, la superficie spedita può superare la quantità ordinata fino al 5 per cento. Sono queste le clausole da avere a disposizione quando viene contestato un peso consegnato.
Domande di approfondimento comuni
Il titanio è pesante da movimentare in officina? Rispetto al materiale in acciaio inossidabile o acciaio che solitamente sostituisce, no, e chi lo lavora lo nota subito nella movimentazione e nel fissaggio. Rispetto all'alluminio, risulta denso. In pratica, la domanda non ha risposta finché non si indica il metallo di confronto.
Il titanio è più pesante dell'alluminio? Sì, di circa il 67 per cento, con 4.51 rispetto a circa 2.7 g/cm³. L'alluminio prevale in termini di solo peso, mentre il titanio prevale quando il componente deve sostenere un carico o resistere alla corrosione.
Il titanio è più leggero dell'acciaio? Sì, rispetto a entrambi i tipi, e le due riduzioni differiscono abbastanza da meritare una distinzione. Rispetto all'acciaio inossidabile, con circa 8.0 g/cm³, un componente in Grade 2 è più leggero di circa il 44 per cento. Rispetto all'acciaio al carbonio, con circa 7.85, la riduzione supera di poco il 40 per cento. Citare il valore dell'inossidabile per una sostituzione dell'acciaio al carbonio sovrastima la riduzione.
Perché il titanio sembra più pesante del previsto? Perché il confronto che si fa tenendolo in mano è solitamente con l'alluminio, non con l'acciaio. Un oggetto in titanio sollevato senza riferimenti preliminari sembra consistente rispetto a uno in alluminio delle stesse dimensioni, mentre la sua reputazione di leggerezza deriva dal confronto con l'acciaio.
Qual è il grado di titanio più leggero? Tra i gradi di questa pagina, Grade 5 e Grade 23 con 4.43, ma la differenza rispetto al titanio commercialmente puro è dell'1.8 per cento e non sarebbe opportuno specificare alcun componente su questa base. Scegliere il grado in funzione della resistenza meccanica e della corrosione, quindi utilizzare la densità corrispondente.
Il certificato del materiale riporta la densità? No. ASTM B348 richiede che il rapporto certifichi che il materiale è stato fabbricato, controllato, campionato e sottoposto a prova secondo la specifica e riporti i risultati dell'analisi chimica, della prova di trazione e delle altre prove richieste. La dimensione compare come descrizione dell'articolo, non come risultato misurato, e la densità non compare: è una proprietà del grado, non della colata. Il peso viene quindi calcolato dalla densità pubblicata del grado e verificato rispetto alla tolleranza dimensionale, non letto sul certificato.
Dettagli delle specifiche con fonti
Le densità di 4.51 g/cm³ per Grades 1, 2, 7 e 12, 4.48 per Grade 9 e 4.43 per Grade 5 e Grade 23 sono le costanti utilizzate dal calcolatore del peso di Beiyu Titanium, che costituisce l'unica fonte impiegata in tutta questa pagina. Quando la scheda di un singolo grado riporta una densità, indica lo stesso valore: le schede Grade 2 e Grade 7 riportano 4.51 e le schede Grade 5 e Grade 23 riportano 4.43; le due schede delle leghe aggiungono che le schede degli stabilimenti produttori indicano un intervallo da 4.42 a 4.47 e citano l'ASM Handbook. Le schede Grade 1, Grade 9 e Grade 12 non riportano densità, quindi per questi gradi il calcolatore è l'unico valore presente sul sito. I valori in chilogrammi per metro sono calcolati da tali densità e dall'area della sezione circolare del diametro indicato, non sono valori pubblicati separatamente. Il valore di confronto di circa 8.0 g/cm³ per l'acciaio inossidabile e la conseguente riduzione di circa il 44 per cento sono quelli riportati nella nostra pagina sul confronto tra titanio e acciaio inossidabile; il valore di circa 2.7 g/cm³ per l'alluminio è quello riportato nella pagina sul confronto tra titanio e alluminio. Anche i valori di resistenza a trazione di circa 895 MPa per Grade 5 e circa 515 MPa per l'acciaio inossidabile 316 ricotto provengono dalla pagina di confronto con l'inossidabile. Le eccedenze di peso ammesse corrispondono alle clausole sul peso delle due specifiche: ASTM B348 stabilisce che il peso di spedizione di qualsiasi articolo della dimensione ordinata, con qualsiasi finitura, può superare il peso teorico fino al 10 per cento, mentre ASTM B265 fissa l'eccedenza ammessa per la lamiera sottile al 10 per cento del peso stimato per cinque lamiere o meno oppure per articoli di 200 lb (91 kg) o meno e al 7.5 per cento oltre tali soglie; precisa che non esiste tolleranza in difetto sul peso della lamiera sottile perché il peso inferiore è controllato dalle variazioni ammissibili di spessore, consente alla superficie in piedi quadrati della lamiera sottile in formato commerciale o di stabilimento di superare l'ordine fino al 5 per cento e fissa l'eccedenza ammessa per il nastro al 10 per cento del peso stimato. Il contenuto del certificato descritto sopra corrisponde alla clausola di certificazione di ASTM B348.
Definire correttamente il peso nell'ordine
Se la massa rientra nella decisione, sono il grado, la forma e le dimensioni finite a determinarla e il calcolo ne consegue. Inviare il grado, la forma del prodotto, le dimensioni nominali e la lunghezza o quantità, indicando il criterio di peso utilizzato per il proprio calcolo, perché il peso calcolato e quello consegnato non coincidono e tra i due si collocano le eccedenze ammesse sopra riportate. Beiyu Titanium fornisce titanio in Grade 1, 2, 5, 7, 9, 12 e 23 sotto forma di barra, lamiera spessa, lamiera sottile, tubo e pezzi forgiati secondo specifiche ASTM e AMS, con certificato di collaudo 3.1 secondo EN 10204 in base all'ambito dell'ordine.