Sifat Mekanik Titanium: Transkrip Tegar dari 280MPa hingga 1500MPa
Hari ini kita membahas topik-yang lebih penting: sifat mekanik titanium. Dalam istilah awam, berbagai indikator inilah yang ditunjukkan oleh titanium ketika diberi tekanan-dapatkah ia ditarik? Bisakah itu menghancurkan? Tahan guncangan? Kalau ada retak bisa tahan berapa lama? Apakah suhunya akan tinggi? Apakah akan menjadi rapuh pada suhu rendah?
Angka-angka ini bukan sekedar laporan pengujian di laboratorium, namun secara langsung menentukan apakah titanium dapat digunakan untuk membuat roda pendaratan pesawat terbang, tangki penyimpanan kriogenik roket, dan mampu menahan suhu 600 derajat Celcius di dalam mesin.
1. Kekuatan tarik: dari titanium murni 280MPa hingga paduan titanium 1500MPa
Kekuatan tarik titanium murni adalah 265 ~ 353MPa, mirip dengan paduan aluminium biasa. Namun begitu elemen paduan seperti aluminium, vanadium, molibdenum, dan timah ditambahkan, kekuatannya melonjak. Kekuatan tarik paduan titanium umum adalah 686-1176MPa, sedangkan paduan titanium tipe yang diperkuat dengan larutan dan penuaan saat ini dapat mencapai 1760MPa.
Mengambil contoh pelat (GB/T 3621): kekuatan tarik titanium murni industri TA0 adalah 280-420MPa, TA1 adalah 370-530MPa, TA2 adalah 440-620MPa, dan TA3 adalah 540-720MPa. Setelah menambahkan elemen paduan, TA5 (Ti-4Al-0,005B) mencapai 685MPa, TA7 (Ti-5Al-2,5 Sn) mencapai 735-930MPa, dan lembaran TC4 (Ti-6Al-4V) paling klasik dianil pada 895MPa.
Kekuatan paduan dapat dilihat lebih baik dari data standar batangan (GB/T 2965-1996): kekuatan tarik TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) dalam keadaan quenching dan penuaan setinggi 1370MPa, dan tegangan pemanjangan sisa yang ditentukan adalah 1100MPa. Kekuatan tarik batang TC11 adalah 1030MPa, dan TC12 mencapai 1150MPa.
Kekuatan tinggi bukanlah satu-satunya tujuan, kekuatan spesifik (kekuatan dibagi kepadatan) adalah fitur mematikan dari titanium. Kekuatan spesifik paduan titanium jauh lebih baik dibandingkan baja dan paduan aluminium-ini juga merupakan alasan mendasar dalam memilih titanium. Mengambil TC4 sebagai contoh, kepadatannya adalah 4,43 g/cm ³, ketahanan tarik anil sekitar 900 MPa, dan kekuatan spesifiknya sekitar 203 MPa m ³/kg, sedangkan kekuatan spesifik baja-kekuatan tinggi adalah sekitar 50, dan kekuatan spesifik paduan aluminium adalah sekitar 150.
Penelitian pada tahun 2025 terus menyegarkan batas kekuatan paduan titanium. Menurut laporan tahun 2025 oleh "Journal of Sichuan University", kekuatan luluh rata-rata paduan titanium TC11 yang diproduksi secara aditif dengan sekering laser dalam keadaan deposisi adalah 1415MPa, dan kekuatan tariknya adalah 1527MPa. Meski tingkat pemanjangannya hanya 6,95%, namun kekuatannya sudah jauh melebihi nilai standar tempa.
2. Bantalan kompresi, geser dan tekanan: "-bantalan beban serba guna" dari titanium
Sifat mekanik titanium memiliki ciri yang menarik: ia berperilaku sangat merata di bawah gaya yang berbeda.
Kekuatan tekan: Kekuatan tekantitanium dan paduan titaniumtidak lebih rendah dari kekuatan tariknya. Kekuatan luluh tekan dan kekuatan luluh tarik titanium murni industri kira-kira sama. Kekuatan tekan TC4 dan TA7 bahkan sedikit lebih tinggi dari kekuatan tariknya. Artinya, komponen titanium sama-sama andal dalam kondisi tekanan dan cocok untuk kolom pendukung, rumah bantalan, dan pilar bantalan roda pendaratan. Kekuatan geser: umumnya 60% ~ 70% kekuatan tarik. Untuk TC4, sekitar 540 ~ 630MPa. Modulus geser paduan titanium adalah 43 ~ 51GPa, dan modulus geser titanium murni industri adalah 46GPa. Baut, paku keling, dan sambungan transmisi sebagian besar bersifat geser, dan parameter ini adalah dasar inti desain.
Kekuatan luluh di bawah tekanan: Kekuatan luluh di bawah tekanan lembaran titanium dan paduan titanium dapat mencapai 1,2 ~ 2,0 kali kekuatan tarik. Hal ini karena pada keadaan tegangan tekan, material mengalami kendala lateral, dan ketidakstabilan plastis tidak mudah terjadi. Untuk sambungan paku keling dan pengencang kulit pesawat terbang, ini berarti pelat paduan titanium dapat menahan tekanan tekan lokal yang jauh lebih besar dibandingkan saat hanya menahan tarik.
3. Kekuatan ketahanan dan kelelahan: ujian-stres jangka panjang
Kekuatan statis hanya menjawab “apakah dapat ditarik”, dan praktik teknik lebih mementingkan “berapa lama dapat digunakan”.
Kekuatan daya tahan: Di bawah atmosfer normal, kekuatan daya tahan titanium dan paduan titanium setelah pemrosesan dan anil adalah sekitar 0,5 ~ 0,65 kali kekuatan tarik. Tabel kinerja suhu tinggi menunjukkan bahwa kekuatan tarik batang TC4 pada suhu 400 derajat adalah 620MPa, dan kekuatan ketahanan 100 jam adalah 570MPa; TC6 memiliki ketahanan tarik 735MPa dan durasi tahan lama 665MPa pada 400 derajat. Suhu adalah faktor penentu kekuatan daya tahan terbesar-kekuatan daya tahan TC4 merosot hingga 195MPa pada suhu 500 derajat .
Kekuatan lelah: Kekuatan lelah TC4 yang dianil adalah sekitar 0,2 kali kekuatan tarik, yaitu sekitar 180MPa, ketika uji kelelahan dilakukan 10 kali dalam keadaan bertakik (K=3.9). Angka ini mungkin tidak terlihat besar, namun penting untuk desain komponen (bilah mesin, roda pendaratan, rangka badan pesawat) yang mampu menahan beban bolak-balik.
Perlu dicatat bahwa paduan titanium memiliki kinerja takik yang baik. TC4 dalam keadaan anil adalah jenis material dengan ketangguhan yang sangat baik. Ketika faktor konsentrasi takik K=25.4 mm, rasio kekuatan tarik takik terhadap kekuatan tarik tak bertakik lebih besar dari 1. Artinya, ketika terdapat konsentrasi tegangan, TC4 menunjukkan kuat tarik lebih tinggi dibandingkan benda uji halus, sehingga menunjukkan kurang baik terhadap takik dan memiliki kemampuan yang kuat dalam menahan inisiasi retak.
Menurut penelitian "Journal of Welding" tahun 2026, kekuatan kelelahan siklus tinggi dari sambungan TC4 setebal 30mm yang dilas dengan berkas elektron vakum dapat mencapai lebih dari 90% logam dasar, yang sangat penting untuk struktur paduan titanium las integral yang besar (seperti kabin berawak submersible dalam, rangka badan pesawat) sangat penting.
4. Kekerasan: titanium murni sangat lembut, paduan titanium sangat keras
Kekerasan adalah indeks kemampuan material untuk menahan lekukan dan keausan lokal, dan titanium memiliki rentang yang besar dalam dimensi ini.
Kekerasan titanium murni industri olahan dengan tingkat kemurnian biasanya kurang dari 120HB (kekerasan Brinell), dan titanium olahan murni industri lainnya adalah 200 ~ 295HB. Kekerasan coran titanium murni adalah 200 ~ 220HB.
Kekerasan paduan titanium saat anil adalah 32 ~ 38HRC (skala Rockwell C), yang setara dengan 298 ~ 349HB. Kekerasan coran TA7 dan TC4 sebagai-coran adalah sekitar 320 HB, dan kekerasan coran TC4 dengan pengotor celah rendah adalah sekitar 310 HB.
Proses yang berbeda mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kekerasan. Menurut penelitian tahun 2026 dalam "Journal of Materials Heat Treatment", kekerasan peleburan lapisan bubuk laser (LPBF) keadaan endapan TC4 dapat mencapai 379-417HV (kekerasan Vickers), dan akan turun menjadi 318-334HV setelah perlakuan panas pada 800 derajat, dan setelah pengepresan isostatik panas pada 940 derajat Selanjutnya, tetapi ketangguhan patah meningkat dari 42,5 MPa · m1/² hingga 83,9 MPa · m1/²-perbedaan antara kekerasan dan ketangguhan sangat jelas terlihat dalam manufaktur aditif.
5. Modulus elastisitas: kekakuannya hanya 55% dari besi, tetapi lebih baik dari modulus elastisitas
Modulus elastisitas tarik titanium murni industri adalah 105 ~ 109GPa, dan sebagian besar paduan titanium anil adalah 110 ~ 120GPa. Paduan titanium yang diperkeras usia memiliki modulus elastisitas yang sedikit lebih tinggi dibandingkan paduan titanium anil, dan modulus elastisitas tekan sama dengan atau lebih besar dari modulus elastisitas tarik.
Kekakuan ini sekitar 55% pada besi dan 50% hingga 55% pada baja. Meskipun jauh lebih tinggi dari aluminium dan paduan aluminium, paduan titanium tidak dominan pada kondisi yang memerlukan kekakuan yang sangat tinggi (spindel peralatan mesin presisi, bantalan). Namun, modulus elastisitas spesifik (E/ρ) paduan titanium sebanding dengan paduan aluminium, nomor dua setelah berilium, molibdenum, dan beberapa paduan super-mengingat kepadatan titanium hanya 57% dari baja, kekakuan komponen titanium dengan berat yang sama tidaklah buruk.
Dalam bidang teknik, kurangnya kekakuan titanium diimbangi dengan-ukuran penampang dan desain struktur yang dioptimalkan. Di lapangan, paduan titanium biasanya memerlukan 10% hingga 20% ketebalan penampang saat mengganti baja, namun berat totalnya masih dapat dikurangi lebih dari 30%.
6. Ketangguhan benturan dan ketangguhan patah: garis pertahanan terakhir terhadap patah
Cara paling langsung untuk meningkatkan kekuatan paduan titanium adalah kandungan elemen interstisial (oksigen, nitrogen, karbon), namun hal ini akan sangat merusak sifat benturan dan ketangguhan patah. Keseimbangan kekuatan dan ketangguhan adalah proposisi abadi dalam desain paduan titanium.
Menurut data resmi, kekuatan tumbukan takik Xia pada titanium murni di industri pemrosesan adalah 15-54J/cm ², dan titanium murni tuang adalah 4-10J/cm ². Kekuatan benturan paduan titanium anil adalah 13 ~ 25,8 J/cm ², dan kondisi penuaannya sedikit lebih rendah. Dampak as-cast TA7 dan TC4 masing-masing adalah 10J/cm ² dan 20 ~ 23J/cm ². Semakin rendah kandungan oksigen, semakin tinggi nilai dampaknya-inilah sebabnya paduan titanium kelas sangat keras terhadap kandungan elemen interstisial.
Ketangguhan patah merupakan keuntungan luar biasapaduan titanium. Banyak paduan titanium memiliki ketangguhan patah yang tinggi, atau ketahanan yang baik terhadap pertumbuhan retak. Ketangguhan patah KIC dari TC4 anil dapat mencapai 67,7 ~ 87,0 MPa · m1/² (menurut penelitian proses penempaan tahun 2026 tentang "Bahan dan Aplikasi"). Menurut penelitian LPBF TC4 dalam "Pengelasan" pada tahun 2026, ketangguhan patah dapat mencapai 80,3-83,9 MPa · m1/² setelah pengepresan isostatik panas pada 940 derajat, yang sepenuhnya diperlukan untuk servis komponen.
Sebagai perbandingan, ketangguhan patah baja-berkekuatan tinggi dengan tingkat kekuatan yang sama biasanya 50-80 MPa · m1/², dan paduan titanium cenderung berkinerja lebih baik pada kekuatan yang sama, itulah sebabnya paduan titanium banyak digunakan di pesawat terbang dengan konsep desain toleransi kerusakan. Salah satu alasan struktur kunci.
7. Kinerja suhu tinggi: 450 derajat adalah "langit-langit" titanium konvensional
Makalah ini memberikan batas suhu yang jelas: paduan titanium industri umum dapat memiliki sifat berguna pada suhu 540 derajat, tetapi hanya dapat digunakan untuk waktu yang singkat; Kisaran suhu layanan adalah 450 ~ 480 derajat. Paduan titanium untuk rudal dapat digunakan pada suhu 540 derajat dan untuk waktu singkat pada suhu 760 derajat. Pada saat itu, paduan titanium untuk penggunaan 600 derajat telah dikembangkan.
Ketahanan tarik TA7 adalah 440MPa dan daya tahannya 195MPa pada 500 derajat; TC3/TC4 memiliki ketahanan tarik 440MPa dan durasi tahan lama 195MPa pada 500 derajat. TC6 memiliki ketahanan tarik 735MPa dan daya tahan 665MPa pada 400 derajat; TC11 memiliki ketahanan tarik 685MPa dan daya tahan 590MPa pada 500 derajat; TC9 memiliki ketahanan tarik 785MPa dan daya tahan 590MPa pada 500 derajat. Saat ini, paduan titanium bersuhu tinggi telah mengalami kemajuan besar. Menurut informasi publik industri, Ti60 (Ti-5. 8Al-4.8 Sn-2.0 Zr-1.0 Mo-0.35Si-0.85 Nd) yang dikembangkan secara mandiri oleh negara saya memiliki suhu layanan 600 derajat dan kekuatan tarik 500 derajat Lebih besar dari atau sama dengan 735MPa; Suhu servis Ti65 dapat mencapai 650 derajat, dan telah digunakan pada disk kompresor bertekanan tinggi dan blisk integral pada mesin generasi baru. Pada tahun 2025, kekuatan tarik Ti180 (Ti-6Al-3Sn-4Zr-2Mo-0,5 Si) dalam keadaan penuaan larutan akan mencapai 1100-1250MPa, tingkat kekuatan suhu tinggi pada 550 derajat akan lebih besar dari atau sama dengan 70%, dan batas kelelahan akan ditingkatkan sebesar 15%-30% dibandingkan dengan TC4.
Senyawa intermetalik TiAl mewakili arah suhu yang lebih tinggi: Ti-48Al-2Cr-2Nb memiliki kepadatan hanya 3,9 g/cm ³ dan ketahanan suhu 750-900 derajat . Telah digunakan pada bilah turbin tekanan rendah mesin GEGEnx dan CFM LEAP untuk menggantikan paduan berbasis nikel Pengurangan berat sebesar 50%.
8. Performa suhu rendah: Titanium masih tangguh pada suhu -253 derajat
Salah satu kemampuan titanium yang paling diremehkan adalah kinerjanya pada suhu yang sangat rendah.
Seiring dengan suhu, titanium dan paduan titanium menjadi lebih kuat dan kurang ulet-seperti kebanyakan logam. Namun, titanium memiliki keunikan karena banyak paduan titanium anil yang masih memiliki keuletan dan ketangguhan patah yang memadai pada{10}}195,5 derajat (suhu nitrogen cair). TA7 (Ti-5Al-2.5 Sn ELI) dengan kandungan elemen interstisial rendah dapat digunakan pada -252.7. derajat. C. (suhu hidrogen cair), dan rasio kekuatan tarik berlekuk terhadap kekuatan tarik tidak berlekuk adalah 0,95-1,15 pada suhu ini.
Perpanjangan TC4 masih bisa mencapai 12% pada-252,7 derajat . Menurut tinjauan paduan titanium suhu rendah "China Materials Progress" tahun 2026, struktur equiaxed TC4 memiliki kekuatan luluh sekitar 1500MPa dan perpanjangan sekitar 18% pada-253 derajat ; Kekuatan tarik TC4 adalah 1544,5 MPa pada-253 derajat , dan perpanjangannya adalah 5,85%. Paduan titanium suhu rendah CT20 (sistem Ti{21}}Al-Zr-Mo) yang dikembangkan secara independen oleh negara saya telah memperluas suhu layanannya hingga kisaran suhu hidrogen cair (-253 derajat), dan memiliki kinerja suhu rendah serta kemampuan proses yang baik.
Ini sangat berarti bagi industri Penerbangan. Oksigen cair (-183 derajat ), hidrogen cair (-253 derajat ) dan fluor cair adalah bahan bakar inti roket dan perangkat luar angkasa, dan bahan tangki kriogenik tidak dapat rapuh pada suhu yang sangat rendah. Baja akan mengalami-transisi getas pada-253 derajat , paduan aluminium tidak akan memiliki kekuatan yang cukup, sedangkan paduan titanium-terutama TC4 ELI dan TA7 ELI- akan tetap ulet pada suhu hidrogen cair. Menurut laporan industri pada tahun 2026, bagian bawah kotak paduan titanium pemintalan integral berdiameter 3,8 meter di Tiongkok telah direkayasa, dan tangki titanium cetak 3D UNIST di Korea Selatan telah lulus verifikasi -253 derajat 0,8 MPa. Titanium menjadi bahan kandidat untuk tangki kriogenik kendaraan peluncuran berat generasi baru.
Pada-suhu nitrogen cair 196 derajat, kekuatan TC4 ELI meningkat dari 848MPa menjadi 1319MPa pada suhu kamar, sedangkan elongasinya masih 24,9%-kekuatan dan plastisitasnya meningkat pada saat yang bersamaan. Perilaku anomali ini disebabkan oleh efek kopling dari deformasi kembar dan selip multi-sistem pada suhu rendah.
Kesimpulan
Sifat mekanik titanium memberikan gambaran yang kaya: titanium murni lembut dan keras, paduan titanium kuat dan tangguh; Pada suhu tinggi, ia akan tetap menempel pada 600 derajat, dan pada suhu rendah, ia akan menjadi lebih kuat dan tetap memanjang; Modulus elastisitasnya tidak tinggi tetapi modulus elastisitas spesifiknya sangat baik, rentang kekerasannya besar tetapi ketangguhan patahnya sangat baik.
Dengan memahami angka-angka ini, Anda dapat memahami mengapa C919 menggunakan paduan titanium 9,3%, mengapa kabin Struggle ball memilih TC4 ELI, mengapa tangki roket mulai mengganti baja dan aluminium dengan titanium, dan mengapa bilah mesin memerlukan paduan titanium-suhu tinggi yang baru.
Titanium bukanlah logam yang paling keras, bukan logam terkuat, dan bukan logam yang paling-tahan suhu. Namun dalam kombinasi "ringan, kuat, tangguh,-tahan suhu,-tahan korosi, dan bebas magnet-", laporan mekanisnya tidak memiliki saingan sejauh ini.
