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 پین روی دیسک که در این بررسی نیز از آن استفاده می­شود، روش متداولی برای ارزیابی رفتار سایشی و خواص تریبولوژیکی انواع مواد فلزی، سرامیکی، کامپوزیتها و پوشش‌های فلزی مواد است. در این روش از حرکت لغزشی پین روی دیسک برای ایجاد سایش استفاده می‌شود. روش متداول به این صورت است که دیسک از جنس فلز (معمولاً فولاد ابزار با سختی بالا) ساخته می شود و عضو سایا است.  همچنین پین عضو ساییده شونده و ماده مورد آزمایش است که روی دیسک قرار می­گیرد. مهمترین عوامل موثر در این آزمایش نیروی عمود بر پین، سرعت خطی دیسک، زمان و مسافت طی شده سایش است. همچنین آزمون می‌تواند تحت دما یا رطوبت مشخص و کنترل شده‌ای صورت گیرد. 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

این نوع سایش 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.

سایش سایا

سایش سایا یکی از انواع مهم سایش است که حدود 50 درصد کل سایش موجود در صنعت را به خود اختصاص می­­دهد. این نوع سایش ناشی از حضور مواد ساینده فلزی و غیر­فلزی است که یا از محیط خارج به محیط سایش اضافه می­شود و یا ناشی از پدیده­های انجام شده در خود سیستم است. سایش سایا معمولاً به این طریق اتفاق می­افتد 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 که نهایتا به ایجاد شیار یا برش در مقیاس میکرو یا کندگی منجر می­شود. سایش ساینده به چهار گروه تقسیم می­شود که عبارتند از : سایش تحت تنش­های پائین، سایش تحت تنش­های بالا، سایش کندگی و سایش ضربه­ای.

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.

جدول ‏2: خواص کششی 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 ‏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.

برای اطلاع از

موجودی مواد شیمیایی

و همچنین مشاوره رایگان با ما تماس بگیرید.

021-55436249

09194568768

09196394325

پاسخگویی شنبه تا چهارشنبه 9 الی 17 و پنج شنبه 9 الی 13:30