Influenza della microstruttura

A seconda delle classi di leghe, i parametri microstrutturali hanno una sensibile influenza sulla vita a fatica delle leghe di titanio.

1.7.1.1 Titanio commercialmente puro e leghe α

La microstruttura di tali leghe consiste nella sola presenza di grani di fase α. I parametri microstrutturali che possono variare sono la dimensione dei grani, il contenuto di ossigeno interstiziale e il grado di incrudimento indotto dalle lavorazioni.

La resistenza a fatica del titanio commercialmente puro risulta maggiore per grani di dimensioni minori, per maggiore contenuto di ossigeno interstiziale e per un più elevato grado di incrudimento indotto dalle lavorazioni. La velocità di propagazione delle cricche lunghe risulta ridotta per grani di dimensioni maggiori e per maggior contenuto di ossigeno interstiziale. [1, 6]

Il comportamento a fatica delle leghe α è inoltre condizionato dal trattamento di invecchiamento: la formazione del precipitato di rinforzo Ti3Al porta infatti ad un aumento della resistenza allo snervamento e a fatica HCF. È da ricordare tuttavia come in questo caso la duttilità venga notevolmente ridotta. [1, 6]

A differenza della propagazione delle cricche lunghe, a parità di ΔK, la propagazione delle microcricche risulta invece più veloce per grani di dimensioni maggiori, per la minor densità di bordi di grano, che tenderebbero ad ostacolarne la propagazione. Le cricche lunghe, invece, propagano più lentamente in presenza di grani di dimensioni maggiori, per diversi fattori tra i quali la geometria del fronte della cricca e l’effetto di chiusura della cricca. Inoltre un aumento della quantità di ossigeno e del grado di invecchiamento intensifica l’influenza della grandezza dei grani sulle macrocricche, per l’influenza sull’effetto di chiusura della cricca. [1, 6]

1.7.1.2 Leghe near-α e α + β

In aggiunta ai fattori visti per le leghe α e per il titanio CP, le proprietà a fatica delle leghe bifasiche sono fortemente influenzate dalla morfologia e dalla disposizione delle due fasi α e β. Si ricorda che per tali leghe possono essere ottenute microstrutture lamellari, equiassiche e duplex con i metodi descritti nei trattamenti termici. I parametri microstrutturali più importanti per le microstrutture lamellari sono la grandezza dei grani β di partenza, la grandezza delle colonie di lamelle e la larghezza delle lamelle di fase α. Per le microstrutture duplex, si aggiungono ai parametri precedenti la grandezza dei grani e la frazione volumetrica dei grani di fase α primaria. [1, 6]

Si ha un incremento di resistenza a fatica riducendo la larghezza delle lamelle di fase α per le microstrutture lamellari e duplex e riducendo la grana cristallina per le microstrutture equiassiche. [1, 6]

Per quanto riguarda la propagazione delle microcricche, la microstruttura lamellare grossolana presenta una velocità di propagazione maggiore rispetto alla struttura equiassica. La velocità di propagazione delle macrocricche risulta invece minore per la microstruttura lamellare. Alcune prove condotte per microstrutture lamellari fini e microstrutture duplex della lega Ti-6Al-4V hanno dimostrato che la velocità di propagazione delle cricche è compresa tra i due casi estremi di microstruttura equiassica e microstruttura lamellare grossolana. La morfologia della microstruttura ha quindi un’influenza sensibile sulla propagazione delle cricche per fatica.[1]

Figura 1.36 Numero di cicli necessari alla formazione della prima cricca per cicli di fatica LCF per la lega Ti-6Al-4V con diverse microstrutture [3]

Per un dato tipo di microstruttura di leghe near-α e α + β, l’influenza delle dimensioni dei grani di fase α e del contenuto di ossigeno interstiziale è simile a quanto osservato in precedenza per le leghe α. Nel caso di microstrutture lamellari, al posto della grandezza dei

grani di fase α si considera la larghezza delle lamelle. All’ingrossarsi della grana cristallina si osserva una riduzione della velocità di propagazione delle cricche per fatica: tale andamento può essere osservato anche diminuendo la quantità di ossigeno, a parità di morfologia microstrutturale. [1]

Nelle strutture duplex la resistenza allo snervamento e la duttilità sono simili al variare della frazione volumetrica di fase α primaria; tuttavia una riduzione delle dimensioni dei grani β originari nelle strutture lamellari (che saranno quindi fini) e una riduzione della frazione volumetrica di fase α primaria presente nelle strutture duplex porta ad un aumento della resistenza a fatica. Per quanto riguarda la propagazione delle cricche per fatica, la microstruttura lamellare fine presenta un comportamento migliore rispetto alla microstruttura lamellare grossolana, mentre si osserva una minor velocità di propagazione delle cricche per strutture duplex con una minor frazione volumetrica di fase α primaria. [1]

In Fig. 1.36 si può notare il tempo necessario alla formazione della prima cricca nella lega Ti-6Al-4V soggetta a fatica LCF per diverse microstrutture.

1.7.1.3 Leghe β

La resistenza a fatica nelle leghe β è controllata dai seguenti parametri microstrutturali: la grandezza dei grani di fase β, il grado di invecchiamento della lega e le zone in cui non vi sono precipitati per le leghe ricche di soluto, come la lega Beta C. Per leghe con piccole percentuali di soluto devono essere considerati anche i bordi di grano della fase α, la grandezza dei grani di fase α primaria e la frazione volumetrica di tale fase. [1]

Nelle leghe ricche di soluto, come la lega Beta C, il trattamento di invecchiamento può essere eseguito in due step per portare alla precipitazione di fase α secondaria all’interno dei grani di fase β. Nel caso di invecchiamento in due passi, non variano le caratteristiche di resistenza allo snervamento e di duttilità della lega rispetto all’invecchiamento convenzionale, mentre aumenta leggermente la resistenza a fatica: tale comportamento è dovuto alla non omogeneità di distribuzione dei precipitati nell’invecchiamento convenzionale, che porta alla formazione di zone senza precipitati, identificate come siti di nucleazione delle cricche. Per quanto riguarda la velocità di propagazione delle micro e macro cricche, non si osservano differenze sostanziali tra i due casi. [1]

Per le leghe β povere di soluto la microstruttura può essere variata in misura maggiore, dato che una frazione volumetrica di fase α primaria può essere generata in maniera simile alle leghe α + β. Ad esempio, per la lega Ti-10V-2Fe-3Al, che appartiene a questo gruppo, si osserva un aumento della resistenza a fatica per una frazione volumetrica di fase α primaria del 5%, e ancor più del 15%, mentre se tale valore raggiunge il 30% la resistenza a fatica cala drasticamente. [1]