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 50 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 2‑6 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 1:خواص مکانیکی آلیاژهای تیتانیوم برای کاربردهای پژشکی
نوع آلیاژ | مدول الاستیک
GPa |
افزایش طول
% |
استحکام تسلیم
MPa |
استحکام نهایی
MPa |
آلیاژ |
α | 7/102 | 24 | 170 | 240 | تیتانیوم گرید1 |
α | 7/102 | 20 | 275 | 345 | تیتانیوم گرید2 |
α | 4/103 | 18 | 380 | 450 | تیتانیوم گرید3 |
α | 1/104 | 15 | 485 | 550 | تیتانیوم گرید4 |
β+α | 114-110 | 10-6 | 869-825 | 1300-1100 | Ti64 ELI |
β+α | 114 | 15-1/8 | 950-880 | 1050-900 | Ti-6Al-7Nb |
β+α | 112 | 15 | 895 | 1020 | Ti-5Al-2.5Fe |
β+α | 110 | 17-15 | 930-820 | 1080-925 | Ti-5Al-1.5B |
β | 84-79 | 16-10 | 908-836 | 1037-973 | Ti-13Nb-13Zr |
β | 78 | 21 | 544 | 874 | Ti-15Mo |
β | 81 | 10 | 736 | 851 | Tiadyne 1610 |
تستهای کشش و خستگی آلیاژ Ti64 در شرایط مختلف در جدول 2 و جدول 3 قابل مشاهده است.
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 1 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.
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.