钛为什么能成为金属中的佼佼者？
钛金属自从在二十世纪初被发现以来,由于其相对密度小、耐热性和耐腐蚀性好及结构强度高等特点,钛及其合金一直得到广泛的研究和应用。相较于纯金属,钛合金拥有更多更好的特性,因此被应用在各种场景中。并且伴随着科技的进步,钛合金已成为新技术、新设备及新工艺不可或缺的材料,其相关产业已进入一个全新的历史发展时期。
钛的特性及应用
钛是一种银白色金属，在金属分类中被归类为稀有轻金属。其熔点为1668℃，从体心立方晶格的β相到密排六方晶格的α相，或α相向β相的转变，相变点为882°C。与其他金属相比，钛在化学物质和机械性能方面具有自己的特性。
1.密度小，比强度高
金属钛的密度为4.51g/cm³,高于铝而低于钢、铜、镍，但比强度高于铝合金和高强合金钢。比强度高说明了金属材料轻和高强度，所以钛又是一种轻型高强度的金属结构材料。钛的比强度高，使其在航空、宇航、导弹、兵器等尖端技术发展中被大量采用。在一般工业中，如高速旋转的发电机护环，蒸汽透平的大叶片、高档自行车、高尔夫球杆、跳高用的撑杆等都使用了钛及钛合金。
2.弹性模量低[i]
钛的弹性模量在室温下为106.4GMPa，是钢的57％。这表明钛抵抗正应变的能力低于钢的能力，因此钛的使用受到限制，并且它不适用于刚性结构部件。但是，在钛长管束换热器中，采用挡板设计克服了刚度极差的缺点，即使在振动条件下使用效果也很好。
钛的弹性模量随着温度的升高而下降，钛的弹性模量与温度的关系见下图：
从上表可以看出：钛在环境温度高于300℃条件下使用，弹性模量有较大幅度下降。所以，在较高温度下选用钛设备时，在设计上取环境温度上限的E值为宜。
3.导热系数小
金属钛的传热机制主要是电子导热，其次是晶格导热。实际测试的结果，钛的导热系数0.1507J，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一，与不锈钢相近。钛的导热系数虽小，但可以在用来制作攀岩的岩钉，其钛质岩钉不仅质轻且不会摩擦导热，是登山运动员选择的理想材料。
4.抗拉强度与其屈服强度接近
钛的屈强比（抗拉强度/屈服强度）高，导致金属钛材料在成形时塑性变形差。再加上钛的屈服极限比弹性模量的比值大，所以钛成型时的回弹能力较大。
钛的这种特性，使我们找到了最佳的加工和成形条件——温成形，它避免了由钛的高回弹性和高屈服比引起的应力和应力开裂，并避免钛在氢脆中引起的氢气吸收高于400°C。这也是在一般工业中使用钛设备时指定环境温度不超过315°C的原因之一。
5.无磁性、无毒
钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，钛制心脏起搏器不受雷雨天气的影响，且与人体组织及血液有好的相溶性，所以被医疗界采用。
6.抗阻尼性能强[ii]
金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。
7.耐热性能好
新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。随着航空、宇航工业的发展，其发动的盘、叶片、后机身、导向器、进气机匝等部件使用了耐热钛合金。
8.耐低温性能好
钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。
9.吸气性能强
钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。
10.耐腐蚀性能强
钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生，这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。
目前钛已成为企业采用新工艺、新技术，和生产设备大型化、自动化、安全可靠、长期运行的不可缺少的金属材料之一。
参考资料：
[1]钛的特性及其应用——浅谈钛的应用基础
注释：
i 对弹性体施加一个外界作用力，弹性体会发生形状的改变
ii 阻止物体继续运动。当物体受到外力作用而振动时，会产生一种使外力衰减的反力,称为阻尼力(或减震力)
