金屬與合金
鈦合金(titanium alloys)
鈦是噴射引擎、髖關節植入物與高階自行車車架的材料,當你需要接近鋼的強度、重量卻幾乎減半,還要抗蝕到能無視海水與體液時,就會找上這種金屬。它強、輕、幾乎惰性。它唯一真正的缺點是昂貴且製造麻煩,這使它難以進入日常使用。
鈦的密度約 4.5 g/cm^3,比鋁重,卻遠比鋼輕,而它的強合金強度可與鋼匹敵,所以它的強度重量比(比強度)極為出色。與鐵一樣,鈦具同素異形性:室溫下是六方最密堆積的 alpha 相,高溫時是體心立方的 beta 相,而能穩定某一相的合金元素被用來調整性質。主力的 Ti-6Al-4V(6% 鋁、4% 釩)是可熱處理增強的 alpha-beta 合金。鈦的抗蝕性與不鏽鋼一樣,來自堅韌、能自我修復的氧化鈦鈍化膜,這也是它具生物相容性的原因:人體能容忍它,所以極適合植入物。
凡是性能值得那個價格之處都能見到鈦:飛機結構與引擎風扇葉片、化工廠與海事五金、醫療植入物與高級運動器材。誠實的限制是成本與製造。鈦在高溫時很活潑,會攫取氧、氮、氫而變脆,所以必須在真空或惰性氣體下熔煉與銲接,而且難以切削(會加工硬化並發熱)。正是這些困難,而非礦石(鈦其實蘊藏豐富),使它的價格是鋼或鋁的許多倍。
Ti-6Al-4V 在密度 4.4 g/cm^3 下降伏強度接近 880 MPa,使其比強度(強度除以密度)勝過多數鋼,這正是噴射引擎風扇葉片與戰機機身即使昂貴仍採用鈦的原因。
鈦的賣點是比強度:以約鋼 55% 的重量提供鋼等級的強度,還兼具抗海水與體液腐蝕的能力。
鈦並不稀有,昂貴在於提煉與加工,因為它高溫時太活潑,必須在真空或惰性氣體下熔煉與銲接。而且它比鋁剛,卻只有鋼約一半的剛度,所以在以剛度為主之處,它不是可直接替換的選項。
又称
另见