Tabella dei gradi di titanio: tutti i gradi ASTM confrontati con UNS e proprietà

ASTM numera i gradi di titanio a partire da Grade 1 e lascia 8, 10 e 22 non assegnati, quindi il conteggio dipende dalla norma e dall'edizione consultate. Circa una dozzina rappresenta quasi tutti gli ordini commerciali. Si dividono in due famiglie: titanio commercialmente puro, in cui il contenuto di ossigeno e ferro determina la resistenza, e leghe di titanio contenenti alluminio, vanadio, palladio, molibdeno o nichel. I buyer scelgono prima in base alle condizioni di servizio, poi alla resistenza.

I gradi di titanio in sintesi

La tabella seguente comprende i dodici gradi che rappresentano la maggior parte degli ordini commerciali di titanio. I valori di resistenza a trazione sono i minimi allo stato ricotto richiesti da ASTM B265 (nastro, lamiera sottile e lamiera spessa) e ASTM B348 (barra e billetta), che specificano valori identici per questi gradi. L'allungamento è misurato su 2 in. o 50 mm secondo B265 e su 4D secondo B348.

La colonna Werkstoffnummer riporta anche, dopo la barra, la designazione francese: T35 per il Grade 1, T40 per il Grade 2 e T60 per il Grade 4.

Due note prima che questa tabella confluisca in un ordine d'acquisto. La densità è una proprietà fisica nominale, non un requisito ASTM, quindi non compare mai su un certificato del materiale come valore misurato. Inoltre, il numero UNS di Grade 23 dipende dalla norma: per le specifiche della serie B per prodotti di stabilimento ASTM B265, B348, B381 e B863 il riferimento incrociato è R56407, mentre ASTM F136 per impianti chirurgici lo chiama R56401, e scrivere quello errato è una causa comune di rifiuto del materiale. I disegni europei utilizzano spesso invece il numero di materiale DIN, per il quale la nostra Corrispondenza Werkstoffnummer-ASTM riporta le corrispondenze in entrambe le direzioni.

Gradi di titanio commercialmente puro da 1 a 4

Tutti e quattro i gradi commercialmente puri sono titanio non legato senza aggiunte intenzionali di elementi di lega. A distinguerli non è la purezza in senso generico. È il livello ammesso di ossigeno e azoto interstiziali più il ferro sostituzionale, che la norma consente intenzionalmente perché aumentano la resistenza. ASTM B861 lo afferma nel proprio campo di applicazione: Grade 1 è titanio non legato a basso tenore di ossigeno, Grade 2 a tenore standard di ossigeno, Grade 3 a tenore medio di ossigeno.

Leggendo i valori crescenti nella riga dell'ossigeno e quelli decrescenti nella riga dell'allungamento, la famiglia diventa comprensibile. L'ossigeno passa da 0,18 a 0,40 per cento, la resistenza a trazione minima più che raddoppia, l'allungamento scende da 24 a 15 per cento. Grade 4 non è di qualità inferiore a Grade 1; contiene intenzionalmente più ossigeno e ferro per ottenere resistenza, a scapito della formabilità e della duttilità della saldatura. I limiti di carbonio e idrogeno non cambiano fra i quattro e l'idrogeno, con un massimo di 0,015 per cento, è il valore da sorvegliare sul certificato, poiché le lamelle di idruro infragiliscono il materiale senza modificare i valori di trazione. Il carico di snervamento ha anche un massimo in ASTM B265, perché la lamiera sottile che supera l'intervallo non si formerà nelle geometrie per cui questi gradi vengono acquistati.

Un punto su cui le tabelle pubblicate dei gradi sbagliano: ASTM non specifica qui alcuna percentuale minima di titanio. Sia B265 sia B348 stabiliscono che il titanio è determinato per differenza, quindi valori come purezza del 99,5 per cento sono residui aritmetici dei massimi degli elementi, non qualcosa che venga certificato. In pratica Grade 2 è il grado più utilizzato, Grade 1 viene scelto quando il pezzo subisce imbutitura spinta o è utilizzato come substrato per anodi o rivestimento non aderente, e i gradi 3 e 4 compaiono quando una parte in pressione necessita di resistenza da lega con comportamento alla corrosione da titanio non legato. Le opzioni di prodotto sono illustrate nella nostra Guida alle lamiere sottili e alle lamiere spesse ASTM B265 e guida alle barre e billette ASTM B348.

Gradi delle leghe di titanio

Grade 5, Ti-6Al-4V

Grade 5 è la lega di titanio più ordinata. ASTM ammette da 5,5 a 6,75 per cento di alluminio e da 3,5 a 4,5 per cento di vanadio, ossigeno 0,20 per cento max e ferro 0,40 per cento max. I minimi allo stato ricotto sono 895 MPa di resistenza a trazione e 828 MPa di carico di snervamento con 10 per cento di allungamento, circa tre volte il carico di snervamento di Grade 2 al 98 per cento della densità. Risponde al trattamento di solubilizzazione e invecchiamento, quindi la condizione deve essere indicata oppure lo stabilimento produttore fornisce lo stato ricotto. È saldabile, ma richiede controlli più rigorosi del titanio commercialmente puro e si lavora meccanicamente più lentamente.

Grade 9, Ti-3Al-2.5V

Grade 9 si colloca tra i gradi CP e Grade 5 con minimi di 620 MPa di resistenza a trazione e 483 MPa di carico di snervamento, 15 per cento di allungamento. Il contenuto ridotto di alluminio al 3 per cento e vanadio al 2,5 per cento lascia duttilità sufficiente per trafilatura e piegatura a freddo, motivo per cui prevale nei tubi di titanio per linee idrauliche, condotti aerospaziali e telai di biciclette. Migliora il rapporto resistenza/peso rispetto a Grade 2, non la resistenza alla corrosione: in acqua di mare o in acidi i gradi scelti prioritariamente per la corrosione restano la risposta. Le opzioni per i tubi sono illustrate nella Guida ai tubi ASTM B338.

Grade 23, Ti-6Al-4V ELI

Grade 23 è Grade 5 con interstiziali ridotti: ossigeno 0.13 anziché 0.20 per cento, ferro 0.25 anziché 0.40, azoto 0.03 anziché 0.05, idrogeno 0.0125 anziché 0.015, alluminio limitato a 6.5 anziché 6.75. ELI significa contenuto extra basso di interstiziali. Ciò aumenta tenacità a frattura e tolleranza al danno e migliora il comportamento criogenico, a scapito della resistenza: i minimi scendono a 828 MPa di resistenza a trazione e 759 MPa di carico di snervamento. Questo compromesso è la ragione stessa dell'esistenza del grado ed è analizzato rispetto a Grade 5 nel nostro confronto diretto tra Grade 5 e Grade 23.

Grade 23 è anche il caso in cui la numerazione UNS genera confusione. Come barra secondo ASTM B348, lamiera spessa secondo B265, pezzi forgiati secondo B381 o filo secondo B863, è UNS R56407. Come materiale per impianti chirurgici secondo ASTM F136 è UNS R56401, e F136 non è semplicemente una versione più restrittiva dello stesso documento: stabilisce valori minimi di trazione superiori, consente più azoto, 0.05 anziché 0.03 per cento, e limita maggiormente l'idrogeno, a 0.012 anziché 0.0125 per cento. Stessa lega, criteri di accettazione diversi. Indicare la norma, non soltanto il grado.

Gradi resistenti alla corrosione: 7, 11, 12, 16, 17

Il titanio resiste alla corrosione grazie a un film passivo di biossido di titanio. In condizioni ossidanti e in presenza di cloruri neutri, tale film si riforma con la stessa rapidità con cui viene danneggiato, motivo per cui Grade 2 resiste all'acqua di mare indefinitamente. Negli acidi riducenti e all'interno di interstizi stretti in cui l'ossigeno viene consumato, il film non può ripararsi e il titanio non legato si corrode attivamente. Quattro di questi cinque gradi risolvono il problema con una piccola aggiunta di metalli del gruppo del platino; il quinto utilizza un meccanismo diverso.

Il palladio agisce come catodo a bassa sovratensione di idrogeno. Pochi centesimi di per cento spostano il potenziale della lega nell'intervallo passivo, così il film di ossido si riforma dove altrimenti non lo farebbe. I gradi 7 e 11 contengono da 0,12 a 0,25 per cento di palladio; i gradi 16 e 17 ne contengono da 0,04 a 0,08 per cento, circa un terzo del palladio e gran parte del beneficio in servizio meno aggressivo. Sono gradi al palladio, non gradi al rutenio: gli equivalenti al rutenio sono Grade 26 e Grade 27, entrambi con rutenio da 0,08 a 0,14 per cento, sviluppati quando il prezzo del palladio rendeva costosa la famiglia Grade 7. L'abbinamento è sistematico, ogni grado al palladio si basa su un grado commercialmente puro e le proprietà meccaniche derivano da tale base anziché dall'aggiunta, motivo per cui Grade 7 e Grade 2 condividono i minimi di resistenza a trazione.

Grade 12 è l'eccezione ed è il più frainteso: non contiene alcun metallo del gruppo del platino. Molibdeno e nichel aumentano la resistenza a trazione minima a 483 MPa e innalzano la soglia di corrosione interstiziale, motivo per cui viene specificato per salamoia calda anziché acido freddo. La regola operativa: l'acido riducente orienta verso Grade 7 o Grade 16, i cloruri caldi verso Grade 12 e, quando entrambi sono presenti, la scelta richiede un ingegnere della corrosione anziché una tabella. La selezione per ciascun fluido è trattata nella nostra guida alla selezione del grado di titanio per i processi chimici.

Leghe di titanio alfa, alfa-beta e beta

Il titanio puro cambia struttura cristallina a circa 882 gradi C, da alfa esagonale compatta al di sotto a beta cubica a corpo centrato al di sopra. Gli elementi di lega sono classificati secondo la fase che stabilizzano: alluminio, ossigeno, azoto e stagno stabilizzano alfa, mentre vanadio, molibdeno, niobio, ferro, cromo e nichel stabilizzano beta. L'equilibrio determina il comportamento di un grado durante trattamento termico e formatura.

Gradi alfa e quasi-alfa

I gradi commercialmente puri da 1 a 4 e i gradi al palladio 7, 11, 16 e 17 sono alfa monofase con al massimo tracce di beta. Grade 12 è quasi-alfa, principalmente alfa con un po' di beta dovuta a molibdeno e nichel. Nessuno può essere rinforzato mediante trattamento termico; la resistenza deriva dal contenuto di interstiziali e dalla deformazione a freddo, ed è proprio per questo che la sezione CP sopra è una tabella di composizione chimica. Sono forniti ricotti, si saldano facilmente e mantengono le proprietà in temperatura.

Gradi alfa-beta

I gradi 5 e 23 sono le classiche leghe alfa-beta, con entrambe le fasi presenti a temperatura ambiente e una risposta effettiva al trattamento di solubilizzazione e invecchiamento. Grade 9 è normalmente classificato quasi-alfa, con solo pochi punti percentuali di beta, motivo per cui conserva duttilità sufficiente per essere trafilato a freddo in tubo; alcune fonti lo raggruppano invece tra le leghe alfa-beta debolmente legate. Poiché un solo numero UNS comprende materiale ricotto, solubilizzato e invecchiato con resistenze molto diverse, la condizione va indicata nell'ordine d'acquisto.

Gradi beta

I gradi 19, 20 e 21 contengono abbastanza stabilizzanti beta da conservare la fase beta durante il raffreddamento. Si formano bene a freddo allo stato solubilizzato, poi con l'invecchiamento raggiungono le resistenze più elevate del sistema ASTM: B348 stabilisce un minimo di 1138 MPa per i gradi 19 e 20 e di 1172 MPa per Grade 21 nello stato invecchiato ad alta resistenza, contro 895 MPa per Grade 5. Il costo li esclude dagli ordini industriali ordinari.

La conseguenza per gli ordini è diretta. Per un grado alfa, la condizione non è una variabile e il certificato riporta le proprietà allo stato ricotto. Per un grado alfa-beta o beta, omettere la condizione nell'ordine significa che il solo nome del grado non definisce il pezzo, e le temperature di formatura rispetto al transus beta variano con la classe.

Grade 19 e Grade 29: i due gradi assenti da questa tabella

La tabella di confronto sopra si ferma al Grade 23. Due gradi esclusi compaiono abbastanza spesso sui disegni da meritare una descrizione: Grade 19, una lega beta, e Grade 29, che ha la composizione chimica del Grade 23 con aggiunta di rutenio. Le identità delle leghe riportate di seguito sono quelle indicate da ASTM B348 nel punto 1.1 del campo di applicazione; i limiti chimici e di trazione sono quelli tabulati da ASTM B265, quindi riguardano lamiera sottile, nastro e lamiera spessa e non costituiscono un riferimento generale. Un ordine di barre o pezzi forgiati per ciascuno di questi gradi segue la propria norma di prodotto e le relative tabelle.

Una colonna della tabella principale è volutamente assente qui. Le tabelle ASTM della serie B indicano i gradi per numero e non riportano accanto un numero UNS, quindi un ordine che richiede un riferimento UNS deve nominare la specifica che lo riporta, anziché aspettarsi che sia la norma di prodotto a fornirlo. La nota A della tabella ASTM B265 aggiunge che i valori minimi tabulati si applicano sia alle prove longitudinali sia a quelle trasversali e che le proprietà del materiale non ricotto o della lamiera spessa oltre 25 mm (1 in.) sono concordate tra acquirente e fornitore.

Quali gradi esistono nelle diverse forme di prodotto

Un grado è ordinabile in una forma solo se una norma copre la combinazione, e le lacune possono trarre in inganno. ASTM B338, la norma per tubi di condensatori e scambiatori di calore, non elenca Grade 4, Grade 5 o Grade 23 tra i suoi 28 gradi, e le norme per tubi B861 e B862 non elencano Grade 4.

Una lacuna non significa sempre che il materiale non possa essere prodotto. I tubi Grade 5 esistono, ma vengono acquistati secondo una specifica aerospaziale o secondo le norme per tubi anziché B338, e le barre e il filo Grade 23 per impianti vengono acquistati secondo ASTM F136 anziché B348 o B863. Le lacune significano però che la norma indicata nell'ordine deve contemplare il grado in quella forma, altrimenti lo stabilimento produttore non dispone di criteri di accettazione rispetto ai quali certificare.

Come scegliere un grado di titanio

Partire dalle condizioni di servizio anziché dal nome del grado, in questo ordine.

Vale la pena citare due errori ricorrenti. Il primo è scegliere automaticamente Grade 5 perché è il più resistente: non supera Grade 2 in acqua di mare o negli acidi e costa di più da acquistare, saldare e lavorare meccanicamente. Il secondo è considerare Grade 9 un miglioramento nella corrosione: offre un rapporto resistenza/peso superiore, non un margine di resistenza alla corrosione. Per la scelta diretta tra titanio commercialmente puro e Ti-6Al-4V nelle diverse forme di prodotto, consultare la Confronto tra titanio Grade 2 e Grade 5.

Come specificare un grado di titanio in un ordine

Una voce d'ordine che uno stabilimento produttore possa certificare richiede sette elementi: forma di prodotto, norma applicabile e grado, numero UNS, dimensioni con classe di tolleranza, stato, stato superficiale e requisiti di prova e certificazione. Ad esempio: barra di titanio, ASTM B348 Grade 23, UNS R56407, diametro 40 mm, ricotta, rettificata senza centri, EN 10204 3.1 con tracciabilità tramite il numero di colata. Quando la forma di prodotto è la barra e il grado non è ancora definito, utilizzare la guida alla selezione del grado delle barre di titanio prima di definire la voce d'ordine.

La maggior parte dei rifiuti di materiale è riconducibile a una di due omissioni. La prima è indicare un grado senza una norma, con conseguenze particolarmente gravi per Grade 23: secondo ASTM B348 è UNS R56407 con una resistenza a trazione minima di 828 MPa, secondo ASTM F136 è UNS R56401 con un minimo più elevato e limiti degli interstiziali diversi. La seconda è lasciare vuota la condizione per un grado alfa-beta o beta, dove un solo numero di grado comprende materiale ricotto e invecchiato con differenze di centinaia di megapascal.

Beiyu Titanium fornisce semilavorati in titanio secondo specifiche ASTM e AMS. Quando sono richieste documentazione EN 10204 3.1 e tracciabilità della colata o del lotto, indicare nella richiesta di offerta i risultati e i campi di tracciabilità richiesti. Inviare forma del prodotto, grado, norma applicabile, dimensioni, quantità, stato e fluido di esercizio; Beiyu conferma nell'offerta l'ambito applicabile al materiale e alla documentazione.

Quanti gradi di titanio esistono?

Non esiste un numero unico e qualsiasi risposta fornita senza indicare una norma è una supposizione. ASTM assegna i numeri dei gradi all'interno delle proprie specifiche per prodotti di stabilimento, quindi il conteggio varia con la specifica e l'edizione. ASTM B265 e B348 enumerano 35 gradi numerati, Grade 1 a 7, 9, 11 a 21 e 23 a 38, perché 8, 10 e 22 non sono assegnati nella serie B; le edizioni successive di entrambe hanno ulteriormente ampliato l'intervallo. Norme più ristrette ne comprendono meno: ASTM B338 copre 28 gradi e ASTM B861 ne copre 34. Ai numeri si aggiungono le varianti 2H, 7H, 16H e 26H, che condividono la composizione chimica del grado base ma garantiscono una resistenza a trazione minima più elevata per applicazioni in recipienti a pressione.

Una correzione, perché l'errore circola ampiamente sui siti dei fornitori: Grade 6 esiste. È Ti-5Al-2.5Sn, UNS R54520, elencato in ASTM B265 e B348 con resistenza a trazione minima di 828 MPa. I gradi 8, 10 e 22 sono i numeri effettivamente assenti dalla serie B. Gli ordini commerciali si concentrano su circa dodici gradi: 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 11, 12, 16, 17 e 23.

Qual è il grado di titanio migliore?

I gradi di titanio vengono abbinati a un servizio anziché classificati in graduatoria, quindi la domanda trova risposta solo dopo aver indicato le condizioni di servizio. Grade 2 è la scelta predefinita per acqua di mare e corrosione generale ed è il materiale con cui è costruita la maggior parte delle apparecchiature. Grade 5 prevale quando un pezzo sostiene carichi e deve essere lavorato meccanicamente. I gradi 7 e 11 offrono il maggiore margine contro la corrosione in acidi riducenti e interstizi, i gradi 16 e 17 coprono lo stesso servizio con un contenuto inferiore di palladio e Grade 12 subentra nelle salamoie calde contenenti cloruri. Grade 23 è adatto solo quando il requisito è la tenacità a frattura o la conformità per impianti.

Qual è il grado di titanio più resistente?

Tra i gradi ordinati nei normali volumi industriali, Grade 5 è il più resistente, con resistenza a trazione minima allo stato ricotto di 895 MPa (130 ksi). Nel sistema ASTM esistono valori più elevati: B348 stabilisce 1138 MPa minimi per le leghe beta dei gradi 19 e 20 e 1172 MPa per Grade 21 nella condizione invecchiata ad alta resistenza. Il grado commercialmente puro più resistente è Grade 4 a 550 MPa. Grade 23, pur essendo il Ti-6Al-4V più costoso, ha minimi inferiori a Grade 5 perché scambia resistenza con tenacità a frattura.

Quale grado di titanio si utilizza per gli impianti medicali?

Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) e i gradi commercialmente puri sono i materiali per impianti, ma la norma conta più del nome del grado. Il semilavorato per impianti viene acquistato secondo ASTM F136 per Ti-6Al-4V ELI, che ha UNS R56401, oppure secondo ASTM F67 per titanio non legato. La stessa lega acquistata come barra per ingegneria generale secondo ASTM B348 ha UNS R56407 e un minimo di resistenza a trazione inferiore e non è intercambiabile con materiale F136 per uso implantare.

Come vengono misurati i valori di queste tabelle

Una tabella dei gradi fornisce limiti. Non indica come è stato ottenuto un valore, e due certificati che riportano lo stesso valore con metodi diversi non rispondono alla stessa domanda. ASTM B348 risolve la questione indicando i metodi di prova su cui si basa, così che il fondamento possa essere verificato anziché presunto.

Questi sono i metodi indicati da ASTM B348 nei documenti richiamati e nelle sezioni sulle prove. Indicare un metodo chiarisce come è stato ottenuto un valore. Non aggiunge una fase di controllo che l'ordine non ha richiesto e non rende intercambiabili due determinazioni diverse.

Un'ulteriore distinzione determina come leggere questi valori sul certificato. I limiti sopra riportati sono limiti dell'analisi di colata sul metallo fuso, mentre un'analisi di prodotto eseguita successivamente sul pezzo finito ha una propria tolleranza secondo ASTM B348 e non amplia i limiti del grado. Tale confronto e i campi d'ordine che determinano cosa riporta il certificato sono illustrati nella guida alla certificazione di Grade 5.

Dettagli delle specifiche con fonti

Nel sistema ASTM, i quattro gradi non legati si distinguono principalmente per ossigeno e resistenza: i limiti dell'ossigeno passano da 0,18% (Grade 1) a 0,25%, 0,35% e 0,40% (gradi 2, 3 e 4), secondo ASTM B265, Tabella 1, e la resistenza a trazione minima aumenta corrispondentemente da 240 a 550 MPa, secondo la Tabella 2 della stessa norma.

I numeri dei gradi non sono continui: ASTM B265, Tabella 1 va da Grade 1 a Grade 38, e i numeri 8, 10 e 22 non sono assegnati ad alcuna composizione. I numeri UNS forniscono il riferimento incrociato univoco, per esempio R50400 per Grade 2 e R56400 per Grade 5, secondo la stessa tabella.

Una volta stabilito il grado, la domanda successiva è chi lo fornisce. Il indice degli elenchi di fornitori di titanio raggruppa i confronti tra pagine aziendali per famiglia di prodotto e grado.