خواص مکانیکی تیتانیوم

ذر این پژوهش به برسی خواص مکانیکی تیتانیوم پرداخته شده و در مقالات بعدی چگونگی استفاده از این خواص تیتانیوم برای استفاده در صنایع مختلف  و کاربردهای تیتانیوم بررسی خواهد شد.

سختی و مقاومت به سایش

سختی آلیاژ Ti64 یکی از مهمترین خواص در میان خواص مکانیکی این آلیاژ می‌باشد، زیرا مقاومت به سایش این آلیاژ پایین می‌باشد. به منظور حل این مشکل محققان اقدام به انجام اصلاح سطح این آلیاژ به روش‌های مختلف نموده‌اند.

رفتار سایشی آلیاژ Ti64 مورد بررسی قرار گرفته و مشاهده شده است که در مقادیر مختلف سرعت و نیرو، سرعت سایش در هوا بیشتر از خلاء است. همچنین سایش در هوا ترکیبی از سایش خراشان، اکسیداسیون و لایه‌ای شدن است. در حالی‌که سایش در خلاء تنها به سبب تغییر فرم شدید در مناطق زیر سطحی می‌باشد. همچنین بر اساس بررسی‌ها رفتار سایش آلیاژ Ti64 تولید شده به روش آلیاژ سازی مکانیکی ضعیف‌تر از رفتار سایشی تیتانیوم خالص می‌باشد. آلیاژهای تیتانیوم به واسطه زیست‌سازگاری بالا، گزینه مناسب به جهت ایمپلنت‌ها می‌باشند. اما خواص ضعیف سایشی در استفاده از آلیاژ‌ها به منظور ایمپلنت بسیار مهم است، زیرا مقاومت به سایش پایین آلیاژ موجب به وجود آمدن باقی‌مانده سایش می‌شود. این باقی­مانده‌ها موجب التهاب، درد و در نهایت از بین رفتن مفصل می‌شود.

مکانیزم سایش

آزمایش پين روي ديسك که در این بررسی نیز از آن استفاده می­شود، روش متداولي براي ارزيابي رفتار سايشي و خواص تريبولوژيكي انواع مواد فلزي، سراميكي، كامپوزيتها و پوشش‌هاي فلزي مواد است. در اين روش از حركت لغزشي پين روي ديسك براي ايجاد سايش استفاده مي‌شود. روش متداول به اين صورت است كه ديسك از جنس فلز (معمولاً فولاد ابزار با سختي بالا) ساخته مي شود و عضو سايا است.  همچنين پين عضو ساييده شونده و ماده مورد آزمايش است كه روي ديسک قرار مي­گيرد. مهمترين عوامل موثر در اين آزمايش نيروي عمود بر پين، سرعت خطي ديسك، زمان و مسافت طي شده سايش است. همچنين آزمون مي‌تواند تحت دما يا رطوبت مشخص و کنترل شده‌اي صورت گيرد. یک اتفاق نظر کلی برای طبقه‏بندی انواع سایش وجود ندارد، ولی به طور کلی می‏توان سایش را در چهار دسته تقسیم نمود:

  • سایش چسبنده
  • سایش سایا
  • سایش خورنده
  • سایش خستگی سطحی

سایش چسبنده

اين نوع سايش شامل نیروهای چسبندگی بین سطوح در حال تماس است. این نوع سایش زمانی اتفاق می­افتد که دو سطح صاف روی هم لغزیده و تکه هایی از یک سطح به سطح دیگری بچسبد. هنگامی که دو سطح در تماس با هم قرار می­گیرند، عمل چسبیدن توسط ناهمواری­های ریز صورت می­گیرد. چون سطح واقعی تماس بسیار کوچک است، با اعمال نیرو و در اثر تغییر شکل الاستیک، تنش به سرعت به حد تسلیم یکی از دو ماده می­رسد در نتیجه در بعضی از نقاط تماس جوش سرد ایجاد می­شود. حرکت یک سطح نسبت به سطح دیگر نیازمند برش در این نقاط اتصال جوش خورده می­باشد. اگر برش انجام شود، انتقال ماده به سطح دیگر انجام می­شود.

سايش سايا

سايش سايا يكي از انواع مهم سايش است كه حدود ۵۰ درصد كل سايش موجود در صنعت را به خود اختصاص مي­­دهد. اين نوع سايش ناشي از حضور مواد ساينده فلزي و غير­فلزي است كه يا از محيط خارج به محيط سايش اضافه مي­شود و يا ناشي از پديده­هاي انجام شده در خود سيستم است. سايش سايا معمولاً به اين طريق اتفاق مي­افتد که دو سطح سخت و دیگری نرم دارای حرکت لغزشی روی هم باشند. این نوع سایش در سطوح نرمی که دارای ذرات سخت است با ایجاد کانال­های لغزش روی سطوح نرم قابل مشاهده است كه نهایتا به ايجاد شيار يا برش در مقياس ميكرو يا كندگي منجر می­شود. سايش ساينده به چهار گروه تقسيم مي­شود كه عبارتند از : سايش تحت تنش­هاي پائين، سايش تحت تنش­هاي بالا، سايش كندگي و سايش ضربه­اي.

سایش خورنده

این نوع سایش زمانی اتفاق می­افتد که لغزش در یک محیط خورنده واقع شود. در صورت عدم وقوع سایش، محصولات خوردگی یک لایه روی سطح تشکیل می­دهند که نرخ خوردگی را بسیار کم کرده یا متوقف می­کند ولی عمل لغزش لایه را ساییده به طوری که خوردگی ادامه می­یابد.

سایش خستگی سطحی

هنگام لغزش پی در پی روی یک مسیر این نوع از سایش اتفاق می­افتد. بارگذاری و بار برداری متناوب موجب شکل گیری ترک­های سطحی یا زیر­سطحی می­شود که این ترک­ها باعث شکسته شدن تکه­های بزرگی از سطح و به جا ماندن حفره­هایی می­گردد.

کشش و خستگی

خواص مکانیکی آلیاژ‌های تیتانیوم مورد استفاده به عنوان ایمپلنت در جدول ‏۲‑۶ قابل مشاهده می‌باشد و تیتانیوم خالص و آلیاژهای آن به واسطه خواص خود همچنان جذاب‌ترین فلزات به جهت استفاده به عنوان ایمپلنت است و آلیاژ Ti64 در میان تمامی این آلیاژ­ها پرکاربردترین آلیاژ می‌باشد.

جدول ‏۱:خواص مکانیکی آلیاژهای تیتانیوم برای کاربرد­های پژشکی

نوع آلیاژ مدول الاستیک

GPa

افزایش طول

%

استحکام تسلیم

MPa

استحکام نهایی

MPa

آلیاژ
α ۷/۱۰۲ ۲۴ ۱۷۰ ۲۴۰ تیتانیوم گرید۱
α ۷/۱۰۲ ۲۰ ۲۷۵ ۳۴۵ تیتانیوم گرید۲
α ۴/۱۰۳ ۱۸ ۳۸۰ ۴۵۰ تیتانیوم گرید۳
α ۱/۱۰۴ ۱۵ ۴۸۵ ۵۵۰ تیتانیوم گرید۴
β+α ۱۱۴-۱۱۰ ۱۰-۶ ۸۶۹-۸۲۵ ۱۳۰۰-۱۱۰۰ Ti64 ELI
β+α ۱۱۴ ۱۵-۱/۸ ۹۵۰-۸۸۰ ۱۰۵۰-۹۰۰ Ti-6Al-7Nb
β+α ۱۱۲ ۱۵ ۸۹۵ ۱۰۲۰ Ti-5Al-2.5Fe
β+α ۱۱۰ ۱۷-۱۵ ۹۳۰-۸۲۰ ۱۰۸۰-۹۲۵ Ti-5Al-1.5B
β ۸۴-۷۹ ۱۶-۱۰ ۹۰۸-۸۳۶ ۱۰۳۷-۹۷۳ Ti-13Nb-13Zr
β ۷۸ ۲۱ ۵۴۴ ۸۷۴ Ti-15Mo
β ۸۱ ۱۰ ۷۳۶ ۸۵۱ Tiadyne 1610

تست‌های کشش  و خستگی  آلیاژ Ti64 در شرایط مختلف در جدول ‏۲ و جدول ‏۳ قابل مشاهده است.

خواص کششی آلیاژ Ti64 [33]

جدول ‏۲: خواص کششی آلیاژ Ti64

خواص خستگی آلیاژ Ti64

جدول ‏۳: خواص خستگی آلیاژ Ti64

 مقاومت به خوردگی

تیتانیوم خالص تجاری آلیاژ Ti64 به واسطه چگالی کم، خواص خوردگیمناسب و مدول الاستیک که نسبت به سایر بیو­مواد فلزی به مدول الاستیک استخوان نزدیک‌تر است، کاربردهای گسترده­تری در مواضع تحت بار در بدن انسان پیدا کرده­اند. در شکل ‏۱ نمونه منحنی پلاریزاسیون حاصل از آزمون پتانسودینامیک سیکلی آلیاژ Ti64 را نشان می‌دهد. پتانسیل مدار­باز و پتانسیل خوردگی این آلیاژ نشان از مقاومت به خوردگی مناسب را دارد. آلیاژ بدون نشان دادن یک منطقه گذار فعال- غیرفعال  مستقیما از ناحیه فعال وارد منطقه پایدار غیرفعال می‌شود.

نمونه ای از منحنی پلاریزاسیون پتاسیودینامیک برای آلیاژ Ti64 در دمای 37 درجه سانتیگراد، در محلول آب نمک و 9/0 درصد هوازدایی شده و در pH حدود4/7

شکل ۱:نمونه ای از منحنی پلاریزاسیون پتاسیودینامیک برای آلیاژ Ti64 در دمای ۳۷ درجه سانتیگراد، در محلول آب نمک و ۹/۰ درصد هوازدایی شده و در pH حدود۴/۷

در بعضی از گزارش‌های ارائه شده، تیتانیوم خالص تجاری و آلیاژهای آن در محدوده‌ی پتانسیل‌های مورد بررسی، رفتاری شبیه خوردگی حفره‌ای و پتانسیل شکست از خود نشان نداده‌اند. این پدیده نشان می‌دهد که لایه اکسیدی بسیار پیوسته بوده و از سطح به خوبی محافظت می‌کند. این مقاومت در برابر خوردگی و رهایش کم یون­های فلزی و محصولات جانبی باعث شده که تیتانیوم را جزء موارد خنثی دسته‌بندی کنند.

مشاوره خرید مواد شیمیایی با کارشناسان اَوِسیناشیمی

شما عزیزان می توانید برای کسب  اطلاعات بیشتر راجع به مواد شیمیایی و همچنین استعلام قیمت و موجودی با کارشناسان مجموعه اَوِسینا شیمی تماس بگیرید و یا از طریق شبکه های اجتماعی پیام دهید تا در سریع ترین زمان ممکن با شما تماس بگیریم.

برای اطلاع از

موجودی مواد شیمیایی

و همچنین مشاوره رایگان با ما تماس بگیرید.

۰۲۱-۵۵۴۳۶۲۴۹

۰۹۱۹۶۳۹۴۳۲۵

۰۹۳۵۴۵۳۶۲۸۰

پاسخگویی شنبه تا چهارشنبه ۹ الی ۱۷ و پنج شنبه ۹ الی ۱۳:۳۰

Call us