Titanstang spesifiseres vanligvis etter diameter før alle andre dimensjoner, fordi diameteren setter tverrsnittet som bærer arbeidsbelastningen, bestemmer om stangen passer til den maskinerte enheten rundt den, og kontrollerer hvor mye materiale som må fjernes under etterbehandling. To stenger med samme nominelle diameter kan oppføre seg svært forskjellig avhengig av karakter, temperament, overflatetilstand og toleranseklasse. Merknadene nedenfor angir faktorene som bør veies før en diameter fryses på en tegning eller en innkjøpsordre.
Arbeidsbelastning og det nødvendige tverrsnittet-
Aksialkapasiteten vokser med kvadratet av diameteren, så en beskjeden økning i diameter gir en stor økning i -lastbæreevne. Det styrende forholdet er enkelt:A = π × d² / 4, der A er-tverrsnittsarealet i kvadratmillimeter og d er den nominelle diameteren i millimeter.
Tillatt last er det arealet multiplisert med en tillatt spenning, som er den minste spesifiserte flytegrensen delt på en designfaktor. For grad 5 titan (Ti-6Al-4V) levert til ASTM B348 med en minimum flytegrense på 828 MPa, gir en designfaktor på 0,4 en tillatt spenning på ca. 331 MPa. Laster beregnet på dette grunnlaget er vist nedenfor.
| Nominell diameter (mm) | Tverrsnitt (mm²) | Tillatt aksiallast (kN) |
|---|---|---|
| 6 | 28.3 | 9.4 |
| 10 | 78.5 | 26.0 |
| 16 | 201.1 | 66.5 |
| 25 | 490.9 | 162.5 |
Tabellen kan også leses omvendt. Der diameteren allerede er fastsatt av enheten, er den minste tillatte størrelsen den minste som holder den beregnede spenningen under tillatt verdi. Klasse 2 kommersielt rent titan har en mye lavere minimum flytegrense, 275 MPa, så en tillatt spenning nær 110 MPa gjelder og den samme strekkbelastningen trenger en merkbart større diameter eller en lengre, bedre støttet stang.
Bøyning og knekking bør også kontrolleres. En kort stang under kompresjon er begrenset av flyt, men en lang slank stang begrenses av knekking, der stivhet i stedet for styrke styrer og diameter påvirker resultatet gjennom det andre arealmomentet. Tretthetsbelastning legger til en ytterligere begrensning, fordi hakk, gjengerøtter og overflatemerker reduserer den effektive tretthetsgrensen langt mer enn den nominelle diameteren tilsier.
Servicetemperatur og korrosjonsmiljø
Diameter er ikke en korrosjonsparameter i seg selv, men den bestemmer det fuktede området, dybden på sprekker og veggtykkelsen som er tilgjengelig som offergodtgjørelse. Der en del ligger i en mildt aggressiv strøm, kan en litt større diameter velges slik at et definert korrosjonstillegg forblir ved slutten av levetiden. Karaktervalg bør følge mediet og temperaturen:
| Servicetilstand | Passende karakter | Begrunnelse for valget |
|---|---|---|
| Omgivelsesluft, ferskvann, moderat belastning | Karakter 2 | Kommersielt ren, duktil, lett sveiset og formet |
| Oksiderende og kloridholdige-prosessstrømmer | klasse 2 eller klasse 12 | Klasse 12 tilfører molybden og nikkel for motstand mot sprekkkorrosjon |
| Reduserende syrer som salt- eller svovelsyre | 7. klasse | Palladiumtilsetning stabiliserer den passive filmen i reduserende medier |
| Styrke-kritiske deler opp til ca. 400 grader | Grad 5 | Alfa-beta-legering med høy styrke og nyttig krypeadferd |
| Varmeveksler-og kondensatorrør | 9. klasse | Mager legering optimalisert for rørformbarhet og sveisbarhet |
Titan beholder nyttig styrke ved temperaturer der lette aluminiumsstrukturer allerede er ubrukelige, men kontinuerlig drift over omtrent 500 grader blir begrenset av oksidasjon og oksygenopptak i stedet for av seksjonsstørrelsen. Ved kryogen bruk gjelder det motsatte: metallet forblir duktilt, og diameteren velges da fra stivhet og termisk sammentrekning i stedet for flytegrense.
Dimensjonsgrenser, toleranser og passform
Når belastning og miljø er avgjort, er de gjenværende begrensningene geometriske. Dette er punktene som oftest fremtvinger en endring av diameter etter at styrkeberegningen er fullført:
Fit klasse:klaring eller interferens bestemmer godtgjørelsen på diameteren, ikke den nominelle størrelsen alene.
Toleranseklasse:standard mølletoleranser på varm-valset og kald-ferdig stang er bredere enn grensene som gjelder for presisjons-slipte stang, der lukkede toleranser for diameter og rundhet er normale.
Retthet og ovalitet:lang slank stang er vanskeligst å holde rett, så en større diameter velges noen ganger for å kontrollere nedbøyning i stedet for å bære last.
Overflatetilstand:syltet, slipt og polert overflate fjerner hvert et tynt lag metall og forskyver den ferdige diameteren.
Maskineringsgodtgjørelse:typisk er 0,3 mm til 0,8 mm lager per side igjen på den nominelle diameteren, slik at etterbehandlingskutt lander innenfor toleranse.
Gjenge- og koblingsgeometri:diameteren må etterlate nok vegg under gjengeroten til å bære boltbelastningen.
Der sammenstillingen tillater det, er en mindre diameter i en høyere klasse ofte å foretrekke fremfor en større diameter i en lavere klasse. Det sparer vekt, reduserer bearbeidingstiden og senker den termiske massen, forutsatt at stivhetskravet fortsatt er oppfylt.
Innflytelse på masse, kostnader og ledetid
Masse per meter følger direkte fra tverrsnittet og tettheten til titan, som er omtrent 4,51 g/cm³ for både kommersielt rent og Grad 5-materiale. Masse per meter i kilogram tilsvarer-tverrsnittsarealet i kvadratcentimeter multiplisert med 4,51.
| Nominell diameter (mm) | Tverrsnitt (cm²) | Masse (kg per m) |
|---|---|---|
| 6 | 0.283 | 1.28 |
| 10 | 0.785 | 3.54 |
| 16 | 2.011 | 9.07 |
| 25 | 4.909 | 22.14 |
Titan er omtrent 40 prosent lettere enn stål for samme volum, så massen betyr mindre enn den ville gjort i en ståldesign, men kjøp-til-fly-forholdet driver fortsatt kostnadene. En del maskinert fra en 25 mm stang ned til en 16 mm ferdig diameter kaster godt over halvparten av det kjøpte metallet, og titanspon er trege å kutte og vanskelig å gjenvinne. Å velge den minste diameteren som tilfredsstiller styrke, stivhet og etterbehandlingstillegg er derfor den mest effektive kostnadsbeslutningen i spesifikasjonen.
Tilgjengelighet fortjener også en sjekk. Vanlige diametre i Grade 2 og Grade 5 holdes på lager, mens mellomstørrelser og tunge seksjoner vanligvis lages på bestilling, noe som forlenger ledetiden. Standardisering på en lagerdiameter kan oppveie en liten vektstraff når et prosjekt er planlagt-styrt.
Ofte stilte spørsmål
Spørsmål: Betyr en større titanstangdiameter alltid en sterkere del?
Lastekapasiteten øker med tverrsnittet-, men en større stang legger også til masse, bearbeidingstid og kostnader. Hvis diameteren er festet av den omkringliggende enheten, er den bedre spaken karakteren eller temperamentet, ikke størrelsen.
Spørsmål: Hvilken standard dekker titanstavdimensjoner og mekaniske egenskaper?
ASTM B348 dekker titan- og titanlegeringsstenger, barrer og stenger, inkludert klasse 2 og grad 5, og angir både mekaniske krav og tillatt dimensjonstoleranse. Medisinsk implantatstang er i stedet dekket av ASTM F136.
Spørsmål: Er korrosjonsmotstanden avhengig av stangdiameteren?
Ikke direkte. Korrosjonsbestandighet følger kjemien til karakteren, for eksempel palladium eller molybden og nikkeltilsetninger. Diameter påvirker fuktet område, sprekkdybde og mengden metall tilgjengelig som korrosjonsgodtgjørelse.
Spørsmål: Hvor mye maskinvare skal være igjen på en titanstang?
For ordinært dreie- og fresearbeid er 0,3 mm til 0,8 mm per side en praktisk godtgjørelse. Tynne seksjoner og deler som skal rettes ut etter bearbeiding trenger mer, fordi restspenning kan bevege delen under skjæring.
Spørsmål: Kan klasse 2 erstattes med klasse 5 med samme diameter?
Bare for lav-stressoppgaver. Grad 5 har en minimum flytegrense på 828 MPa mot 275 MPa for grad 2, så en direkte substitusjon i en styrke-kritisk del vil redusere sikkerhetsmarginen med omtrent to tredjedeler.
Spørsmål: Hvordan beregnes massen til en titanstav per meter?
Multipliser-tverrsnittsarealet i kvadratcentimeter med tettheten på 4,51 g/cm³. En 25 mm stang har en seksjon på 4.909 cm² og veier derfor ca. 22.1 kg per meter.
