La barra di titanio viene normalmente specificata in base al diametro prima di qualsiasi altra dimensione, poiché il diametro definisce la sezione trasversale- che sostiene il carico di lavoro, decide se la barra si adatta al gruppo lavorato attorno ad essa e controlla la quantità di materiale che deve essere rimosso durante la finitura. Due steli dello stesso diametro nominale possono comportarsi in modo molto diverso a seconda del grado, della tempra, delle condizioni superficiali e della classe di tolleranza. Le note seguenti stabiliscono i fattori che dovrebbero essere ponderati prima che un diametro venga congelato su un disegno o su un ordine di acquisto.
Carico di lavoro e sezione-trasversale richiesta
La capacità assiale cresce con il quadrato del diametro, quindi un modesto aumento del diametro produce un notevole aumento della capacità di carico-. La relazione di governo è semplice:A = π × d² / 4, dove A è l'area della sezione trasversale- in millimetri quadrati e d è il diametro nominale in millimetri.
Il carico ammissibile è quell'area moltiplicata per una sollecitazione ammissibile, ovvero il limite di snervamento minimo specificato diviso per un fattore di progettazione. Per il titanio di grado 5 (Ti-6Al-4V) fornito secondo ASTM B348 con un carico di snervamento minimo di 828 MPa, un fattore di progettazione di 0,4 fornisce una sollecitazione ammissibile di circa 331 MPa. I carichi calcolati su tale base sono mostrati di seguito.
| Diametro nominale (mm) | Sezione trasversale- (mm²) | Carico assiale ammissibile (kN) |
|---|---|---|
| 6 | 28.3 | 9.4 |
| 10 | 78.5 | 26.0 |
| 16 | 201.1 | 66.5 |
| 25 | 490.9 | 162.5 |
La tabella può essere letta anche al contrario. Laddove il diametro sia già fissato dall'assieme, la dimensione minima consentita è quella più piccola che mantiene la sollecitazione calcolata al di sotto del valore consentito. Il titanio commercialmente puro di grado 2 ha un carico di snervamento minimo molto più basso, 275 MPa, quindi si applica uno stress consentito vicino a 110 MPa e lo stesso carico di trazione richiede un diametro notevolmente maggiore o un'asta più lunga e meglio supportata.
Anche la flessione e l'instabilità dovrebbero essere controllate. Un'asta corta sotto compressione è limitata dallo snervamento, ma un'asta lunga e snella è limitata dall'instabilità, dove è la rigidità piuttosto che la resistenza a governare e il diametro influenza il risultato attraverso il secondo momento d'area. Il carico di fatica aggiunge un ulteriore vincolo, poiché gli intagli, le radici delle filettature e i segni superficiali riducono il limite di fatica effettivo molto più di quanto suggerisca il diametro nominale.
Temperatura di servizio e ambiente soggetto a corrosione
Il diametro non è di per sé un parametro di corrosione, ma definisce l'area bagnata, la profondità delle fessure e lo spessore della parete disponibile come tolleranza sacrificale. Laddove una parte si trova in un flusso leggermente aggressivo, è possibile scegliere un diametro leggermente maggiore in modo che rimanga una tolleranza di corrosione definita alla fine della vita. La selezione del grado dovrebbe seguire il mezzo e la temperatura:
| Condizioni di servizio | Grado adatto | Motivo della scelta |
|---|---|---|
| Aria ambiente, acqua dolce, carico moderato | Grado 2 | Commercialmente puro, duttile, facilmente saldabile e formato |
| Flussi di processo ossidanti e contenenti cloruro- | Grado 2 o Grado 12 | Il grado 12 aggiunge molibdeno e nichel per la resistenza alla corrosione interstiziale |
| Acidi riducenti come acido cloridrico o solforico | Grado 7 | L'aggiunta di palladio stabilizza il film passivo nei mezzi riducenti |
| Resistenza-parti critiche fino a circa 400 gradi | Grado 5 | Lega alfa-beta con elevata resistenza e utile comportamento allo scorrimento viscoso |
| Tubi dello scambiatore di calore-e del condensatore | Grado 9 | Lega magra ottimizzata per la formabilità e la saldabilità del tubo |
Il titanio mantiene una resistenza utile a temperature in cui le strutture leggere in alluminio sono già inutilizzabili, ma il servizio continuo al di sopra di circa 500 gradi viene limitato dall'ossidazione e dall'assorbimento di ossigeno piuttosto che dalle dimensioni della sezione. Nel servizio criogenico vale il contrario: il metallo rimane duttile e il diametro viene quindi scelto in base alla rigidità e alla contrazione termica piuttosto che al carico di snervamento.
Limiti dimensionali, tolleranze e adattamento
Una volta stabiliti il carico e l'ambiente, i restanti vincoli sono geometrici. Questi sono i punti che più spesso impongono un cambio di diametro una volta completato il calcolo della resistenza:
Classe di idoneità:Il gioco o l'interferenza determinano la tolleranza sul diametro, non solo sulla dimensione nominale.
Classe di tolleranza:Le tolleranze standard della laminazione sulle barre finite-laminate a caldo e-a freddo sono più ampie dei limiti applicati alle barre-rettificate di precisione, dove le tolleranze chiuse su diametro e rotondità sono normali.
Rettilineità e ovalità:L'asta lunga e sottile è la più difficile da mantenere dritta, quindi a volte viene scelto un diametro maggiore per controllare la deflessione piuttosto che per trasportare il carico.
Stato della superficie:Le finiture decapate, rettificate e lucidate rimuovono ciascuna un sottile strato di metallo e spostano il diametro finito.
Sovrametallo di lavorazione:tipicamente sul diametro nominale viene lasciato uno spessore di materiale da 0,3 mm a 0,8 mm per lato in modo che i tagli di finitura rientrino nella tolleranza.
Geometria della filettatura e dell'accoppiamento:il diametro deve lasciare una parete sufficiente sotto la radice della filettatura per sostenere il carico del bullone.
Laddove l'assemblaggio lo consente, un diametro più piccolo in una qualità superiore è spesso preferibile a un diametro maggiore in una qualità inferiore. Risparmia peso, riduce i tempi di lavorazione e riduce la massa termica, a condizione che i requisiti di rigidità siano ancora soddisfatti.
Influenza su massa, costi e tempi di consegna
La massa per metro deriva direttamente dalla-sezione trasversale e dalla densità del titanio, che è di circa 4,51 g/cm³ sia per il materiale commercialmente puro che per quello di grado 5. La massa per metro in chilogrammi equivale all'area della sezione trasversale in centimetri quadrati moltiplicata per 4,51.
| Diametro nominale (mm) | Sezione trasversale- (cm²) | Massa (kg per m) |
|---|---|---|
| 6 | 0.283 | 1.28 |
| 10 | 0.785 | 3.54 |
| 16 | 2.011 | 9.07 |
| 25 | 4.909 | 22.14 |
Il titanio è circa il 40% più leggero dell'acciaio a parità di volume, quindi la massa conta meno di quanto sarebbe in un design in acciaio, ma il rapporto acquisto-to-vola continua a incidere sui costi. Una parte lavorata da un'asta da 25 mm fino a un diametro finito di 16 mm scarta ben oltre la metà del metallo acquistato e i trucioli di titanio sono lenti da tagliare e difficili da recuperare. Scegliere il diametro più piccolo che soddisfi resistenza, rigidità e sovrametallo di finitura è quindi la decisione economica più efficace nella specifica.
Anche la disponibilità merita un controllo. I diametri comuni di Grado 2 e Grado 5 sono disponibili in magazzino, mentre le dimensioni intermedie e le sezioni pesanti vengono solitamente realizzate su ordinazione, il che allunga i tempi di consegna. La standardizzazione su un diametro a magazzino può controbilanciare una piccola penalità di peso quando un progetto è-programmato.
Domande frequenti
D: Un diametro maggiore dell'asta in titanio significa sempre una parte più resistente?
La capacità di carico aumenta con la sezione trasversale-, ma una barra più grande aggiunge anche massa, tempi di lavorazione e costi. Se il diametro è fissato dall'assemblaggio circostante, la leva migliore è il grado o la tempra, non la dimensione.
D: Quale standard copre le dimensioni e le proprietà meccaniche delle aste in titanio?
ASTM B348 copre barre, billette e tondini di titanio e leghe di titanio, inclusi Grado 2 e Grado 5, e indica sia i requisiti meccanici che la tolleranza dimensionale ammissibile. L'asta per impianti medici è invece coperta dalla norma ASTM F136.
D: La resistenza alla corrosione dipende dal diametro dello stelo?
Non direttamente. La resistenza alla corrosione segue la chimica del grado, come ad esempio palladio o molibdeno e aggiunte di nichel. Il diametro influenza l'area bagnata, la profondità della fessura e la quantità di metallo disponibile come tolleranza alla corrosione.
D: Quanto materiale di lavorazione dovrebbe essere lasciato su una barra di titanio?
Per i normali lavori di tornitura e fresatura, da 0,3 mm a 0,8 mm per lato è una tolleranza pratica. Le sezioni sottili e le parti che verranno raddrizzate dopo la lavorazione necessitano di più, poiché lo stress residuo può spostare la parte durante il taglio.
D: Il Grado 2 può essere sostituito con il Grado 5 con lo stesso diametro?
Solo per compiti a basso-stress. Il Grado 5 ha un limite di snervamento minimo di 828 MPa contro i 275 MPa del Grado 2, quindi una sostituzione diretta in una parte critica in termini di resistenza- ridurrebbe il margine di sicurezza di circa due terzi.
D: Come viene calcolata la massa di una barra di titanio per metro?
Moltiplica l'area della sezione trasversale- in centimetri quadrati per la densità di 4,51 g/cm³. Un'asta da 25 mm ha una sezione di 4.909 cm² e pesa quindi circa 22,1 kg al metro.
