什麼是鈦合金

密度約為鋼的6成而輕，比強度與耐蝕性優異的合金。依HCP的α相與BCC的β相的比例，分為α型、α+β型、β型。

日文名稱: チタン合金

「鈦合金」出現在2領域的2道練習題中（金屬材料與合金, 玻璃與非晶質材料等）。

α與β，2種相

純鈦在低於882℃時為HCP的α相，在高於此溫度時為BCC的β相。添加元素分為提高此轉變溫度（β轉變溫度）的α安定化元素（Al、O、N、C），以及降低它的β安定化元素（V、Mo、Nb、Ta、Fe、Cr等），Sn與Zr則是對轉變溫度影響不大的中性元素。室溫下以α相為主的是α型，兩種相混合的是α+β型，把β相保留到室溫的是β型。使用最多的是α+β型的Ti-6Al-4V，據說約占鈦合金產量的一半。

正確解讀「輕」的意義

鈦合金的密度約為4.4〜4.5 g/cm³，約為鋼的6成，但卻是鋁合金的約1.6倍。楊氏模數約110 GPa，也約為鋼的一半，因此比剛性（楊氏模數/密度）與鋼、鋁合金幾乎相同。鈦合金優異的是比強度，Ti-6Al-4V的抗拉強度可達約900〜1000 MPa，在鋁合金無法使用的數百℃溫度下也能保持強度，因此也用於噴射引擎的壓縮機零件。被選用的理由，與其說是又輕又剛，不如說是又輕又強、不易生鏽。

耐蝕性與不擅長的地方

鈦由於表面緻密的TiO₂鈍化膜，在海水或含氯化物的環境中顯示非常高的耐蝕性，用於化學工廠的熱交換器與海水淡化設備。與碳纖維接觸也不易發生電偶腐蝕，因此也適合CFRP機體的扣件。另一方面，熱傳導率小（Ti-6Al-4V約7 W/(m·K)），切削熱容易集中在刀尖，又容易在高溫下與刀具反應，是難切削的材料。在高溫下會吸收氧而形成脆的表層（α表層），吸收氫時也會發生氫脆。

熱處理與製造

α+β型合金依與β轉變溫度（Ti-6Al-4V約1000℃）的關係選擇加工與熱處理的溫度，改變組織的形態，調整強度、韌性與疲勞強度的平衡。以固溶處理與時效使α相細小析出，可以再提高強度。鈦在高溫下會與氧、氮劇烈反應，因此熔解要在真空或惰性氣體中進行，將海綿鈦以真空電弧重熔製成鑄錠。這是價格高的原因之一，最近以粉末為原料的積層製造，也作為減少材料浪費、製作複雜形狀零件的方法而逐漸普及。

練習鈦合金的題目

某鈦合金的抗拉強度為950 MPa、密度為4.43 g/cm³，某高張力鋼的抗拉強度為1200 MPa、密度為7.85 g/cm³。鈦合金的比強度（抗拉強度/密度）約為鋼的比強度的幾倍？

A約0.79倍
B約1.4倍
C約1.8倍

查看答案與解析

正確答案：B. 約1.4倍

比強度方面，鈦合金為 950/4.43 ≈ 214 kN·m/kg，鋼為 1200/7.85 ≈ 153 kN·m/kg，因此比值為 214/153 ≈ 1.40，即約1.4倍（MPa除以g/cm³的值，統一單位後即為kN·m/kg）。約0.79倍是只比較抗拉強度的值（950/1200），沒有考慮輕量性。約1.8倍是只取密度比（7.85/4.43 ≈ 1.77）的值，忽略了強度的差異。若是支撐相同負荷的構件，比強度越高就能做得越輕，因此飛機構件使用鈦合金、鋁合金與碳纖維複合材料。不過，選材時也必須一併考慮材料價格與加工難易度。

常見問題

鈦合金比鋁合金輕嗎？

不是。鈦合金的密度約為4.4 g/cm³，比鋁合金的約2.7 g/cm³ 重，比鋼的約7.8 g/cm³ 輕，是介於中間的值。以強度除以密度的比強度比較時，優於許多鋁合金。

Ti-6Al-4V的數字代表什麼？

代表以質量%計含Al約6%、V約4%。Al使α相安定，V使β相安定，成為α+β型的代表性合金。常簡稱為Ti64，在日本也稱為「64鈦」。

純鈦與鈦合金要如何區分使用？

純鈦強度低，但容易成形且耐蝕性優異，因此用於化學設備、建材、熱交換器的管。需要高強度的飛機零件、螺栓、人工關節等則使用合金。

解析中的「鈦合金」

比強度方面，鈦合金為 950/4.43 ≈ 214 kN·m/kg，鋼為 1200/7.85 ≈ 153 kN·m/kg，因此比值為 214/153 ≈ 1.40，即約1.4倍（MPa除以g/cm³的值，統一單位後即為kN·m/kg）。
某鈦合金的抗拉強度為950 MPa、密度為4.43 g/cm³，某高張力鋼的抗拉強度為1200 MPa、密度為7.85…
鋼（降伏應力0.5 GPa、楊氏模數200 GPa）約為0.25%，即使是高強度鈦合金（0.9 GPa、110 GPa）也約為0.8%，因此金屬玻璃的彈性應變極限大得多。
某Zr基塊狀金屬玻璃的降伏強度為1.8 GPa，楊氏模數為90 GPa。以 σy/E 估算的彈性應變極限，與結晶性金屬…