Titânio Grau 1 vs Grau 2: Composição, Resistência e Formabilidade

Duas classes comercialmente puras, uma família química

O titânio grau 1 e grau 2 está dentro da família comercialmente pura (CP) definida pela ASTM B265 para chapas, tiras e placas e pela ASTM B348 para barras e tarugos. Nenhum dos tipos é ligado intencionalmente, e a diferença mais importante entre eles é a quantidade de oxigênio que o moinho deixa no metal. Esse elemento intersticial governa o limite de escoamento, a taxa de endurecimento-de trabalho, o raio de curvatura mínimo que um fabricante pode atingir e a quantidade de retorno elástico que deve ser compensado em uma dobradeira ou matriz de conformação.

Como ambos os tipos compartilham a mesma rede cristalina hexagonal-compactada, a mesma densidade de 4,51 g/cm3 e o mesmo filme de óxido auto{3}}reparável, eles são frequentemente tratados como intercambiáveis ​​nos desenhos. Na prática, nomear a classe errada desperdiça orçamento em resistência que o componente nunca usa ou produz rachaduras em copos-estrados profundos, tubos-de paredes finas e suportes muito dobrados.

Limites de composição química comparados

A Tabela 1 lista os níveis máximos de elementos permitidos para os dois graus conforme ASTM B265 e ASTM B348. O grau 2 permite mais ferro e mais oxigênio, que é exatamente o que aumenta sua resistência e diminui seu alongamento.

O oxigênio é um fortalecedor-de solução sólida no titânio alfa: ele distorce a estrutura cristalina e dificulta o movimento de deslocamento. Um aumento de 0,07 pontos no nível máximo de oxigênio entre o Grau 1 e o Grau 2 produz, portanto, uma mudança desproporcional no comportamento mecânico, em vez de uma mudança marginal.

Propriedades mecânicas lado a lado

Medido em relação aos valores mínimos garantidos, o Grau 2 oferece cerca de 44% mais resistência à tração e quase o dobro da resistência ao escoamento do Grau 1, e abre mão de apenas quatro pontos percentuais de alongamento para chegar lá. Como as duas classes têm densidade idêntica, a resistência extra nunca custa peso extra, o que é importante no trabalho de rotor, fuselagem e chassi, onde o orçamento de massa é fixado antecipadamente.

Comportamento de conformabilidade, soldagem e usinagem

O grau 1 é o titânio comercialmente puro mais macio disponível em geral e é a escolha natural quando uma peça precisa ser moldada em vez de carregada: copos-estirados profundos, seções hidroformadas, tubos trocadores de calor-de parede-fina, foles de expansão e painéis complexos-únicos. Seu alto alongamento permite aceitar raios de curvatura estreitos e requer menos recozimento entre-estágios do que o Grau 2.

Grau 1: raio mínimo de curvatura normalmente em torno de 1,5 a 2 vezes a espessura da chapa na condição recozida.

Grau 2: raio de curvatura mínimo normalmente em torno de 2 a 2,5 vezes a espessura da chapa e endurece-mais rápido, portanto, operações de conformação progressiva precisam de raios mais generosos ou recozimento adicional.

Ambas as classes soldam de forma limpa com gás inerte de tungstênio ou métodos de plasma sob proteção total de argônio, usando enchimento ERTi-1 ou ERTi-2 conforme AWS A5.16; O grau 2 é o mais tolerante dos dois porque é menos sensível a pequenas variações na entrada de calor.

A usinagem é comparável para as duas classes e ambas são classificadas como difíceis: a baixa condutividade térmica concentra o calor na aresta de corte e o baixo módulo de elasticidade promove deflexão e trepidação. Ferramentas afiadas de metal duro-de inclinação positiva, fixações rígidas e refrigeração generosa ou de alta-pressão são práticas padrão.

Serviço Aeroespacial e Temperatura Elevada

No que diz respeito a hardware de voo, o Grau 2 é especificado com muito mais frequência do que o Grau 1. Os componentes típicos incluem suportes e acessórios da fuselagem, suportes de linha hidráulica, acessórios do motor, peças detalhadas do trem de pouso, fixadores e ferragens de conector. As razões são a maior resistência garantida, o comportamento de fadiga previsível sob carregamento cíclico e uma microestrutura estável que mantém sua rigidez até aproximadamente 300 graus C em serviço contínuo, o que cobre a maioria dos ambientes de fuselagem e compartimentos de motores.

O grau 1 aparece na indústria aeroespacial em uma função diferente: dutos, escudos térmicos, juntas de expansão e calços ou elementos de vedação onde a conformidade, e não a capacidade de carga, é o fator determinante do projeto. A certificação para qualquer grau é normalmente vinculada à ASTM B265 ou ASTM B348 com rastreabilidade total do número-de calor, e para hardware adjacente-implantável ou médico, a ASTM F67 rege os requisitos de composição comercialmente pura.

Automobilismo e Fabricação Geral

O automobilismo segue a mesma lógica com um ciclo de design mais curto. O grau 1 é usado para sistemas de exaustão, escudos térmicos, painéis de proteção e carrocerias fabricadas-à mão, onde a ductilidade e a soldabilidade decidem o resultado. O grau 2 é usado para braços de suspensão, montantes, suportes de chassis, componentes internos de motores e fixadores de alta-tensão, onde a resistência ao escoamento é mais importante do que a capacidade de flexão.

A vantagem de peso é o argumento comercial: um montante ou elo de suspensão de Grau 2 transporta aproximadamente 45% da massa de um componente de aço comparável com rigidez equivalente, enquanto os fixadores de aço de Grau 8.8 ou 10.9 são comumente substituídos por fixadores de titânio de Grau 2 para economizar massa em locais não suspensos.

Resistência à corrosão e desempenho ambiental

Ambas as classes contam com uma película passiva de dióxido de titânio com alguns nanômetros de espessura que se-se reforma instantaneamente quando arranhada na presença de oxigênio ou umidade. Na prática, os dois graus comportam-se quase de forma idêntica em ambientes de serviço:

Imersão contínua em água do mar e exposição repetida à-spray salino, sem corrosão ou ataque por fissuras em condições normais.

Fluxos de processo contendo cloro, hipoclorito e cloreto-em fábricas de produtos químicos e sistemas de dessalinização.

Ácidos oxidantes e meios levemente redutores, onde o filme passivo é mantido pelas espécies oxidantes presentes.

Atmosferas industriais e marítimas ao longo de décadas, sem necessidade de revestimento protetor.

Três limites merecem atenção durante o projeto. O titânio não é adequado para ácido fluorídrico, ácidos redutores quentes concentrados ou cloro seco sem a presença de água. O acoplamento galvânico ao aço carbono ou ao aço inoxidável em um ambiente úmido deve ser gerenciado com isolamento ou evitando grandes proporções de área-para{3}}ânodo. E a absorção de hidrogênio em temperaturas elevadas na presença de umidade pode fragilizar seções finas, razão pela qual o nível máximo de hidrogênio de 0,015% é rigorosamente controlado em ambos os tipos.

Como escolher entre a 1ª e a 2ª série

Escolha o Grau 1 quando a severidade da conformação, a soldabilidade ou a tolerância ao impacto determinam o projeto, ou quando a peça é uma tampa, blindagem, duto ou gaxeta com pouca carga estrutural.

Escolha o Grau 2 quando a peça suporta uma carga estrutural, quando a resistência à fadiga deve ser demonstrada ou quando uma espessura de parede mais leve pode ser alcançada com maior resistência ao escoamento.

Permaneça com a classe indicada no desenho divulgado assim que os testes de qualificação e os procedimentos de soldagem forem aprovados; alternar entre as duas classes altera a qualificação do procedimento de soldagem e, às vezes, exige a re-certificação da peça acabada.

Nunca use os dois graus de forma intercambiável em componentes médicos ou equipamentos sob pressão, onde as permissões de projeto estão vinculadas à especificação e ao grau específicos.

Perguntas frequentes

P: Qual é a principal diferença entre o titânio Grau 1 e Grau 2?
Conteúdo de oxigênio. O Grau 1 é limitado a 0,18% de oxigênio e o Grau 2 a 0,25%, o que torna o Grau 2 cerca de 44% mais forte em tensão e aproximadamente duas vezes mais forte em rendimento, enquanto o Grau 1 mantém maior alongamento e se forma mais facilmente.

P: O titânio de grau 1 e grau 2 tem o mesmo peso?
Sim. Ambos têm uma densidade de 4,51 g/cm3 e o mesmo módulo de elasticidade de cerca de 102 GPa, portanto, a troca de classes altera a resistência e a ductilidade, mas não a massa de uma peça idêntica.

P: Os Graus 1 e Grau 2 podem ser soldados um ao outro?
Sim. Ambos são de titânio alfa com comportamento de soldagem comparável, e um fio de enchimento Grau 2 de acordo com AWS A5.16 é normalmente usado para uni-los, desde que o procedimento seja qualificado para o mais fino ou mais restrito dos dois materiais.

P: Qual classe é mais resistente à corrosão?
Na água do mar, nos cloretos e na maioria das atmosferas industriais a diferença é insignificante porque ambos dependem do mesmo filme de óxido passivo. Onde a tolerância à corrosão determina a espessura da parede, o Grau 1 é frequentemente selecionado para obter uma pequena quantidade extra de ductilidade e menor custo.

P: Qual classe é melhor para estampagem profunda?
Grau 1. Seu alongamento mais alto de 24% no mínimo e menor resistência ao escoamento permitem estiramentos mais profundos e raios de curvatura mais apertados antes da trinca, e geralmente precisa de menos recozimento intermediário do que o Grau 2.

P: Quais padrões cobrem produtos de moagem de Grau 1 e Grau 2?
ASTM B265 e ASME SB-265 para chapas, tiras e placas, ASTM B348 para barras e tarugos, ASTM B337 para tubos sem costura, ASTM B338 para tubos soldados, ASTM B863 para fios e ASTM F67 para grau médico de titânio comercialmente puro.

P: Qual grau deve ser usado a 300 graus C?
O Grau 2 é a seleção usual para serviço contínuo nessa temperatura porque retém a resistência útil com uma margem maior que o Grau 1, embora o comportamento de fluência e o projeto da junta ainda devam ser revisados ​​para operação-de longo prazo.