Титан против стали: какой материал предпочесть

Если выбирать материал для изготовления конкретной детали, на первый план выходят требования к прочности. И сталь, и титан прочны, долговечны и могут легко выдерживать жесткие условия с высоким напряжением. Ответ на вопрос, что прочнее, может зависеть от точной марки стали или титана и условий, в котором они используются.

Некоторые виды стали на самом деле прочнее титана, особенно когда дело касается твердости или устойчивости к износу. Например, нержавеющая сталь 17-PH может иметь более высокую прочность на разрыв, чем некоторые сорта титана, оставаясь при этом относительно прочной и устойчивой к коррозии.

Это также зависит от того, рассматриваете ли вы легированную или нелегированную сталь. Легированные стали, такие как нержавеющая, как правило, прочнее обычной углеродистой стали, поскольку добавление элементов (никеля, хрома, молибдена и ванадия) изменяет свойства стали и может сделать ее прочнее, тверже, пластичнее и придать устойчивость к износу и коррозии.

Если вы пытаетесь решить, какой сплав — сталь или титан — подойдет для ваших конкретных условий, в этой статье будут рассмотрены свойства, ограничения и преимущества различных сплавов.

Свойства титана и стали

Во многих отраслях промышленности ценят сталь и титан за долговечность, прочность и устойчивость к суровым условиям. Однако каждый материал обладает уникальными свойствами, которые делают его пригодным для определенных применений. Знание этих свойств имеет решающее значение для выбора идеального материала для ваших нужд.

Свойства титана

Титан — это встречающийся в природе элемент. Диоксид титана, который встречается в растениях и животных, взаимодействует с кислородом, образуя оксид титана, который появляется в рудах, песке и почве. Уильям Грегор, английский минералог, впервые идентифицировал титан в 1791 году как новый элемент в черном песке.

Однако Мэтью Хантеру только в 1910 году разработал первый коммерческий процесс получения титана. Процесс Хантера заключался в нагревании хлорида титана с металлическим натрием в герметичном стальном цилиндре для получения чистого металлического титана. Затем, в 1932 году, Уильям Кролл изобрел новый процесс, который восстанавливал тетрахлорид титана кальцием для получения пластичного титана.

Существует несколько типов, включая коммерчески чистый (CP) титан и его сплавы. В то время как CP титан обеспечивает высокую коррозионную стойкость, титановый сплав оказывается идеальным для высокопрочных применений в аэрокосмической промышленности и медицинских имплантатах.

Универсальность титана обусловлена ​​его прочностью, малым весом, коррозионной стойкостью и биосовместимостью. Это популярный материал для широкого спектра применений, включая аэрокосмическую промышленность, медицинские приборы, спортивные товары и ювелирные изделия.

Свойства стали

Сталь — чрезвычайно прочный, устойчивый к трещинам сплав железа и углерода. Мы можем проследить происхождение этого материала более чем до четырех тысяч лет назад, что стало началом железного века. С началом промышленной революции в девятнадцатом веке строителям потребовались более прочные, более универсальные металлы для возведения таких сооружений, как железные дороги.

Сталь производят, выплавляя железо из руды. Затем она перерабатывается, чтобы уменьшить количество углерода до желаемого соотношения. Производители могут добавлять другие элементы для создания стального сплава, например, марганец, хром, кобальт, никель и титан.

Сталь — очень плотный материал, физически твердый, но с ним легко работать. Он чрезвычайно прочен, магнитен и способен проводить тепло и электричество. Благодаря своей прочности и низкой стоимости сталь является популярным выбором для таких сфер, как строительство, военная промышленность, корабли и стальные рамы для автомобилей.

Однако некоторые виды стали подвержены коррозии. Нержавеющая сталь, коррозионно-стойкий сплав, содержащий хром, может помочь снизить этот риск. Производители часто используют нержавеющую сталь для хирургических имплантатов и товаров для дома, таких как столовые приборы, кухонные мойки и посуда.

Отличия свойств титана и стали

Существует несколько ключевых различий между свойствами титана и стали. Во-первых, сталь — это сплав, а титан — это химический элемент. Процесс производства титана сложнее, чем стали, особенно чистого титана.

Другие отличия включают в себя:

• Сталь прочнее титана, с более высоким пределом текучести на растяжение. Однако титан обеспечивает более высокое отношение прочности к весу.
• Титан обладает превосходной коррозионной стойкостью, особенно в суровых условиях. Некоторые виды стали подвержены коррозии.
• Титан легче стали, что делает его популярным выбором для применений, где важен вес.
• Сталь более доступна и дешевле титана.
• Титан биосовместим и широко используется в медицинских имплантатах, в то время как сталь имеет более низкую биосовместимость и более высокий риск реакции тканей.

Прочность титана против прочности стали

И титановый металл, и сталь прочны и способны выдерживать высокие нагрузки, что делает их идеальными для применений, где высокая прочность является ключевым фактором. Часто задаются вопросом, какой материал самый прочный. Однако ответ не является однозначным.

Механические испытания, такие как испытания на прочность при растяжении, предел текучести и твердость, определяют прочность стали и титана.

• Испытания на прочность на разрыв измеряют максимальную нагрузку, которую может выдержать металл, прежде чем он сломается.
• Испытания на предел текучести измеряют напряжение, при котором металл течет и необратимо деформируется.
• Испытания на твердость измеряют устойчивость металла к пластической деформации путем определения глубины вмятины на поверхности металла.

Прочность каждого металла зависит от его состава и микроструктуры. Сталь имеет большую прочность, чем титан, но титан выделяется своим меньшим весом и коррозионной стойкостью.

Хотя сталь превосходит титан по прочности, титан легче и может выдерживать больший вес относительно своего собственного. Это имеет решающее значение для приложений, где важны как прочность, так и вес, например, аэрокосмическая промышленность, спортивное оборудование и биомедицинские имплантаты.

Прочность титана и различных типов стали, таких как нержавеющая сталь, может варьироваться в зависимости от их состава, термической обработки и производственного процесса. Вот общее сравнение между двумя материалами:

Плотность: 7,8–8 г/см 3 для стали; 4,51 г/см 3 для титана

Предел текучести при растяжении: 350 мегапаскалей для стали; 140 мегапаскалей для титана

Жесткость: 200 гигапаскалей для стали; 116 гигапаскалей для титана

Деформация разрушения: 15 процентов для стали; 54 процента для титана

Твёрдость по шкале Бринелля: 121 для стали; 70 для титана

Обычно высокопрочные, низколегированные стали имеют более высокий предел прочности и предел текучести, чем титан. Однако титан имеет более высокое отношение прочности к весу и лучшую усталостную прочность.

Инструментальные стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, но склонны к перегреву. Нержавеющая сталь имеет лучшую коррозионную стойкость, но меньшую прочность. Нелегированный титан имеет очень похожую прочность на разрыв с углеродистой сталью, но углеродистая сталь намного плотнее и лучше подходит для таких применений, как здания, мосты и высокопрочная проволока.