La vareta de titani s'especifica normalment pel diàmetre abans de qualsevol altra dimensió, perquè el diàmetre estableix la secció transversal-que suporta la càrrega de treball, decideix si la barra s'adapta al conjunt mecanitzat al seu voltant i controla quant de material s'ha d'eliminar durant l'acabat. Dues barres del mateix diàmetre nominal poden comportar-se de manera molt diferent segons el grau, el tremp, l'estat de la superfície i la classe de tolerància. Les notes següents estableixen els factors que s'han de pesar abans que un diàmetre es congeli en un dibuix o una comanda de compra.
Càrrega de treball i secció{0}}transversal necessària
La capacitat axial creix amb el quadrat del diàmetre, de manera que un augment modest del diàmetre produeix un gran augment de la capacitat de càrrega-. La relació de govern és senzilla:A = π × d² / 4, on A és l'àrea de la secció transversal-en mil·límetres quadrats i d és el diàmetre nominal en mil·límetres.
La càrrega permesa és l'àrea multiplicada per una tensió permesa, que és el límit elàstic mínim especificat dividit per un factor de disseny. Per al titani de grau 5 (Ti-6Al-4V) subministrat a ASTM B348 amb un límit elàstic mínim de 828 MPa, un factor de disseny de 0,4 dóna una tensió admissible d'uns 331 MPa. Les càrregues calculades sobre aquesta base es mostren a continuació.
| Diàmetre nominal (mm) | -Secció transversal (mm²) | Càrrega axial permesa (kN) |
|---|---|---|
| 6 | 28.3 | 9.4 |
| 10 | 78.5 | 26.0 |
| 16 | 201.1 | 66.5 |
| 25 | 490.9 | 162.5 |
La taula també es pot llegir al revés. Quan el diàmetre ja està fixat pel conjunt, la mida mínima admissible és la més petita que manté la tensió calculada per sota del valor permès. El titani comercialment pur de grau 2 té un límit elàstic mínim molt inferior, 275 MPa, de manera que s'aplica una tensió permesa propera a 110 MPa i el mateix treball de tracció necessita un diàmetre notablement més gran o una vareta més llarga i millor-suportada.
També s'han de comprovar la flexió i el pandeig. Una vareta curta sota compressió està limitada pel rendiment, però una vareta llarga i esvelta està limitada pel pandeig, on governa la rigidesa més que la força i el diàmetre afecta el resultat durant el segon moment de l'àrea. El deure de fatiga afegeix una limitació més, perquè les osques, les arrels del fil i les marques superficials redueixen el límit efectiu de fatiga molt més del que suggereix el diàmetre nominal.
Temperatura de servei i entorn de corrosió
El diàmetre no és un paràmetre de corrosió per si mateix, però estableix l'àrea mullada, la profunditat de les esquerdes i el gruix de la paret disponible com a bonificació de sacrifici. Quan una peça es troba en un corrent lleugerament agressiu, es pot triar un diàmetre lleugerament més gran de manera que es mantingui un marge de corrosió definit al final de la vida útil. La selecció de grau ha de seguir el medi i la temperatura:
| Condició de servei | Grau adequat | Motiu de l'elecció |
|---|---|---|
| Aire ambient, aigua dolça, càrrega moderada | Grau 2 | Comercialment pur, dúctil, fàcilment soldat i format |
| Corrents de procés d'oxidació i clorurs- | Grau 2 o Grau 12 | El grau 12 afegeix molibdè i níquel per a la resistència a la corrosió de les esquerdes |
| Àcids reductors com l'àcid clorhídric o sulfúric | Grau 7 | L'addició de pal·ladi estabilitza la pel·lícula passiva en mitjans reductors |
| Força-parts crítiques fins a uns 400 graus | Grau 5 | Aliatge alfa-beta amb una gran resistència i un comportament de fluència útil |
| Intercanviador{0}}de calor i tub del condensador | Grau 9 | Aliatge magre optimitzat per a la conformabilitat i soldabilitat del tub |
El titani manté una resistència útil a temperatures on les estructures lleugeres d'alumini ja no es poden utilitzar, però el servei continu per sobre d'aproximadament 500 graus es veu limitat per l'oxidació i la captació d'oxigen en lloc de per la mida de la secció. En el servei criogènic s'aplica el contrari: el metall es manté dúctil i el diàmetre es tria per rigidesa i contracció tèrmica en lloc de per força elàstica.
Límits dimensionals, toleràncies i ajust
Un cop resolts la càrrega i l'entorn, les restriccions restants són geomètriques. Aquests són els punts que força sovint un canvi de diàmetre un cop finalitzat el càlcul de la força:
Classe d'ajust:L'espai lliure o la interferència decideix el marge sobre el diàmetre, no només la mida nominal.
Classe de tolerància:Les toleràncies estàndard del molí en varetes-laminades en calent i en fred-acabades són més amples que els límits aplicats a la vareta de mòlta de precisió-, on les toleràncies tancades de diàmetre i rodonesa són normals.
Rectitud i ovalitat:La vareta llarga i esvelta és la més difícil de mantenir recta, de manera que de vegades s'escull un diàmetre més gran per controlar la deflexió en lloc de portar càrrega.
Estat de la superfície:Els acabats decapats, mòlts i polits eliminen cadascun una fina capa de metall i canvien el diàmetre acabat.
Bonificació de mecanitzat:normalment es deixen entre 0,3 mm i 0,8 mm de material per costat al diàmetre nominal de manera que els talls d'acabat aterren dins de la tolerància.
Geometria de rosca i acoblament:el diàmetre ha de deixar prou paret sota l'arrel del fil per suportar la càrrega del cargol.
Quan el conjunt ho permet, sovint és preferible un diàmetre més petit en un grau superior a un diàmetre més gran en un grau inferior. Estalvia pes, redueix el temps de mecanitzat i redueix la massa tèrmica, sempre que es compleixi el requisit de rigidesa.
Influència en la massa, el cost i el temps de lliurament
La massa per metre se segueix directament de la secció-transversal i de la densitat del titani, que és d'uns 4,51 g/cm³ tant per a material comercialment pur com per a material de grau 5. La massa per metre en quilograms és igual a l'àrea de la secció transversal-en centímetres quadrats multiplicada per 4,51.
| Diàmetre nominal (mm) | -Secció transversal (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 |
El titani és aproximadament un 40 per cent més lleuger que l'acer per al mateix volum, de manera que la massa importa menys del que seria en un disseny d'acer, però la proporció de compra-a-mosca encara augmenta els costos. Una peça mecanitzada des d'una vareta de 25 mm fins a un diàmetre acabat de 16 mm descarta molt més de la meitat del metall comprat, i els filets de titani són lent de tallar i difícils de recuperar. L'elecció del diàmetre més petit que satisfà la resistència, la rigidesa i el marge d'acabat és, per tant, la decisió de costos més eficaç de l'especificació.
La disponibilitat també mereix una comprovació. Els diàmetres habituals del grau 2 i del grau 5 es mantenen en estoc, mentre que les mides intermèdies i les seccions pesades solen fer-se per encàrrec, la qual cosa allarga el temps de lliurament. L'estandardització d'un diàmetre d'emmagatzematge pot superar una petita penalització de pes quan un projecte es basa en una programació-.
Preguntes freqüents
P: Un diàmetre de vareta de titani més gran sempre significa una peça més forta?
La capacitat de càrrega augmenta amb la-secció transversal, però una barra més gran també afegeix massa, temps de mecanitzat i cost. Si el diàmetre està fixat pel conjunt circumdant, la millor palanca és el grau o el tremp, no la mida.
P: Quina norma cobreix les dimensions i les propietats mecàniques de la vareta de titani?
ASTM B348 cobreix les barres, les barres i les barres d'aliatge de titani i titani, inclosos els graus 2 i 5, i estableix tant els requisits mecànics com la tolerància dimensional admissible. La vareta d'implant mèdic està coberta per ASTM F136.
P: La resistència a la corrosió depèn del diàmetre de la vareta?
No directament. La resistència a la corrosió segueix la química del grau, com ara pal·ladi o molibdè i addicions de níquel. El diàmetre influeix en l'àrea mullada, la profunditat de l'escletxa i la quantitat de metall disponible com a suport de corrosió.
P: Quanta estoc de mecanitzat s'ha de deixar en una vareta de titani?
Per al treball normal de tornejat i fresat, 0,3 mm a 0,8 mm per costat és una dotació pràctica. Les seccions primes i les peces que es redreçaran després del mecanitzat necessiten més, perquè la tensió residual pot moure la peça durant el tall.
P: Es pot substituir el grau 2 pel grau 5 amb el mateix diàmetre?
Només per a tasques de baix-estrès. El grau 5 té un límit elàstic mínim de 828 MPa enfront dels 275 MPa del grau 2, de manera que una substitució directa en una part crítica-de resistència reduiria el marge de seguretat en aproximadament dos terços.
P: Com es calcula la massa d'una vareta de titani per metre?
Multiplica l'àrea de la secció transversal-en centímetres quadrats per la densitat de 4,51 g/cm³. Una vareta de 25 mm té una secció de 4,909 cm² i, per tant, pesa uns 22,1 kg per metre.
