Плотность металлического титана: Цифры, нюансы и как их правильно использовать

В одном из недавних проектов команда заказала титановую пластину, используя 4,50 г/см³ для плотности титана. При рассмотрении чертежей использовались 4,51 г/см³. Ничего “мистического” не произошло - просто небольшое несоответствие в предположениях. Но после умножения этой крошечной разницы на большую партию (и добавления припусков на механическую обработку), оценка веса отклонилась достаточно, чтобы вызвать перепроверку цен и обсуждение доставки, которая никому не нужна.

Эта статья призвана предотвратить подобные трения, которых можно избежать. Вы получите общепринятую плотность металлический титан, правильные преобразования единиц измерения и, что еще важнее, четкие правила для какое значение плотности использовать расчеты, закупки, контроль и аддитивное производство.

Главное значение: плотность титана при комнатной температуре

Для коммерчески чистого титана при комнатной температуре широко известная плотность составляет около 4,51 г/см³. (что равно 4510 кг/м³).

Если вы видели 4,50 г/см³ Вместо этого часто используется просто округление (или другое условное обозначение). В инженерной коммуникации важно не победить в споре о “последнем десятичном знаке”, а изложить условия, чтобы ваши коллеги, поставщики и клиенты могли воспроизвести ваши расчеты.

Чистый титан в сравнении с обычными титановыми сплавами (Grade 2, Grade 5)

“Металл титан” в результатах поиска обычно означает элементарный/коммерчески чистый Ti. В реальных закупках вы можете использовать оценку (например, Марка ASTM 2) или сплав (например, Grade 5 / Ti-6Al-4V). Сплавы могут незначительно изменять плотность, поскольку легирующие элементы имеют собственную плотность и изменяют параметры решетки.

Практическое правило:

• Коммерчески чистый титан: ~4,51 г/см³ (типичное справочное значение при комнатной температуре).
• Ti-6Al-4V (Grade 5): Во многих технических спецификациях обычно указывается ~4,43 г/см³ (зависит от источника и спецификации; всегда уточняйте данные в спецификации/МТК вашего поставщика).

Когда я пишу спецификации, я избегаю привязки проекта к одному “универсальному” числу плотности для всех титановые изделия. Вместо этого я указываю марка/сплав + стандарт + испытание/допущение.

Конвертация единиц, которые вы будете использовать на практике (г/см³, кг/м³, фунт/дюйм³)

Единица	Пересчет из 4,51 г/см³	Примечания
г/см³	4.51	Часто встречается в технических паспортах и учебных классах
кг/м³	4510	Умножьте г/см³ на 1000
фунт/дюйм³	~0.163	Используется в расценках на обработку в США; зависит от округления

Рекомендуемый “безопасный” формат цитирования (предотвращает 4,50 против 4,51 аргументов):
“ Плотность (коммерчески чистый Ti, ~ комнатная температура): ≈4,51 г/см³ (≈4510 кг/м³), значение взято из Запись в периодической таблице Королевского химического общества для титана. Используйте значения для конкретного класса, если это применимо”.”

Примечание автора: Сайт RSC обеспечивает доступное, цитируемое базовое значение для элементарного титана. Для получения более глубоких наборов данных о свойствах и путей проверки можно использовать NIST Chemistry WebBook является авторитетным справочным центром. (Вам все равно понадобятся справочники по сплавам).

Почему разные источники показывают разные значения плотности титана

Разные значения плотности обычно не являются “противоречиями”. Это разные предположения. На практике большинство расхождений объясняется четырьмя факторами.

1) Округление (и психология “красивых” чисел)

В некоторых справочниках плотность указывается с точностью до двух десятичных знаков, в других - с точностью до одного. Если на одном сайте указано 4,50, а на другом - 4,51, возможно, они описывают одну и ту же физическую реальность с разными правилами округления.

2) Контрольная температура (плотность не является температурно-инвариантной)

Металлы расширяются при нагревании. Если объем увеличивается, а масса остается прежней, плотность уменьшается. На многих случайных страницах температура не указывается вовсе, хотя в инженерных работах часто принимается “комнатная температура” (обычно 20°C, но не всегда указывается явно).

Если ваша сфера применения охватывает большие диапазоны температур, не стоит рассматривать плотность как константу. Простой способ оценить тенденцию - учесть объемное расширение с помощью коэффициента теплового расширения (CTE). При небольших изменениях температуры плотность примерно соответствует этому показателю:

ρ(T) ≈ ρ(T₀) / (1 + 3αΔT)

Где α линейный CTE и ΔT это изменение температуры. Это приближение, но оно часто более значимо, чем споры о 0,01 г/см³ при “комнатной температуре”.”

3) Состав и марка (чистый Ti vs сплавы vs “примеси”)

Коммерчески чистый титан - это не идеальный лабораторный кристалл с одним изотопом. Реальные продукты имеют контролируемые диапазоны химического состава (включая промежуточные элементы, такие как кислород), которые влияют на механические свойства и могут незначительно влиять на плотность. Сплавы (Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2.5V и т. д.) вполне обоснованно имеют разную плотность.

4) Пористость и способ обработки (литье, ковка, ПМ, АМ)

Это важный момент, который игнорируется во многих статьях о плотности: Плотность, которую вы измеряете на реальной детали, может быть меньше теоретической плотности если материал содержит поры (в результате литья, порошковой металлургии или аддитивного производства), или если метод измерения не справляется с поверхностно-связанными пустотами.

Трехэтапный рабочий процесс “выравнивания плотности” (используйте это при проверке дизайна и закупках):

1. Укажите принадлежность материала: CP Ti или сплав? Какая марка/спецификация (например, марка ASTM)?
2. Укажите тип плотности: теоретическая плотность (на основе химии) против измеренной (Архимед/пикнометрия/КТ).
3. Назовите условия: контрольная температура, метод измерения (если измеряется) и ожидается/допускается ли пористость.

Как рассчитать вес титана по его размерам (с примерами)

Формула ядра: Вес (масса) = Объем × Плотность

Выберите значение плотности, соответствующее вашему сорту и предположениям. Для быстрой оценки коммерчески чистого титана при комнатной температуре многие инженеры используют ρ = 4,51 г/см³ (или 4510 кг/м³).

Пример 1: Вес титанового круглого прутка (от диаметра и длины)

Предположим, у вас есть титановый пруток:

• Диаметр D = 20 мм
• Длина L = 1,0 м
• Плотность (предполагаемая CP Ti): ρ = 4510 кг/м³

Переведите в метры: D = 0,02 м, радиус r = 0,01 м.

Объем цилиндра: V = πr²L = π × (0,01)² × 1,0 ≈ 3,1416×10-⁴ м³

Масса: m = Vρ ≈ 3,1416×10-⁴ × 4510 ≈ 1,42 кг

Результат: A 20 мм × 1 м титановый пруток о 1,42 кг (для CP Ti при комнатной температуре). Если это Ti-6Al-4V, результат будет немного ниже при использовании сплава соответствующей плотности.

Пример 2: Вес титановой пластины (от длины × ширины × толщины)

• Длина: 1000 мм (1,0 м)
• Ширина: 500 мм (0,5 м)
• Толщина: 10 мм (0,01 м)

Объем: V = 1.0 × 0.5 × 0.01 = 0.005 m³

Масса: m = 0,005 × 4510 = 22,55 кг

Быстрый “удобный для закупок” метод, который можно превратить в электронную таблицу

Если ваша команда часто цитирует бруски и тарелки, сделайте лист с ними:

• Вход: размеры (мм), количество
• Автоматический перевод в метры
• Выбор плотности по марке/сплаву
• Выходные данные: масса одной штуки, общая масса
• Колонка для заметок: “основа плотности” (теоретическая против измеренной, температура)

Общий режим отказа: смешивание мм и м без преобразования. По моему опыту, это вызывает гораздо больше ошибок, чем выбор 4.50 против 4.51.

Титан против алюминия против стали: о чем говорит (и чего не говорит) плотность

Плотность - мощный первый фильтр, но это не полный метод отбора.

Коэффициенты плотности (сравнение “с обратной стороны салфетки”)

• Титан (CP): ~4,51 г/см³
• Алюминий (чистый; многие сплавы близки к нему): ~2,70 г/см³
• Сталь (типичные углеродистые стали): ~7,85 г/см³

Итак, при равном объеме:

• Титан - это На ~40-45% легче стали (4,51 против 7,85).
• Титан - это ~65-70% тяжелее алюминия (4,51 против 2,70).

Чего не хватает плотности: жесткости и “реальности дизайна”

Многие люди, услышав “титан - легкий”, полагают, что он всегда делает детали легче. Это не обязательно.

• Конструкции, ориентированные на прочность: Высокая прочность титана позволяет использовать более тонкие секции, поэтому готовая деталь может быть легче, даже если титан плотнее алюминия.
• Конструкции, ориентированные на жесткость: Если доминируют ограничения на прогиб, модуль упругости имеет большое значение. Модуль упругости титана ниже, чем у стали, поэтому для достижения заданной жесткости может потребоваться более толстая геометрия, что уменьшает “преимущество в плотности”.”
• Стоимость и технологичность: Плотность не говорит вам о том. обработка стоимость, количество брака или время выполнения заказа.

Плотность в порошках и аддитивном производстве: истинная плотность, кажущаяся плотность, относительная плотность

Если вы работаете с титановым порошком или аддитивным производством (AM), “плотность” становится семейством метрик, а не одним числом.

Три термина плотности, которые не следует смешивать

• Истинная (теоретическая) плотность: Плотность твердого материала без пор (на основе химии и кристаллической структуры).
• Кажущаяся плотность/плотность упаковки (порошок): Включает в себя пустоты между частицами порошка; полезен при работе с порошком и при повторном нанесении покрытия, но не для самостоятельного прогнозирования массы детали.
• Относительная плотность (метрика качества деталей): измеренная плотность / теоретическая плотность.

Практическая математика: относительная плотность и пористость (быстрая оценка)

Относительная плотность: RD = ρ_измеренный / ρ_теоретический

Обычно используемая аппроксимация первого порядка связывает долю пористости (P) с относительной плотностью:

P ≈ 1 - RD

Пример: Если титановый AM-купон имеет RD = 0,99, то P ≈ 1%. Это может быть приемлемо или неприемлемо в зависимости от области применения, требований к усталости, метода контроля и спецификации заказчика, но, по крайней мере, все могут обсуждать это на одном и том же языке.

Граничные условия (важно):

• Это приближение рассматривает поры как “отсутствующий объем” и игнорирует сложные формы пор и артефакты измерений.
• Если ваш метод недооценивает объем из-за того, что поры, соединенные с поверхностью, задерживают пузырьки (Архимед), RD может быть необъективным.
• В критических случаях плотность часто сочетается с микроскопией/КТ и механическими испытаниями.

Как измерить плотность титана (и избежать распространенных ошибок)

Две лаборатории могут измерить “один и тот же” образец титана и получить разные результаты, если не проконтролировать детали. Цель не в совершенстве, а в том, чтобы повторяемость и прозрачность метода.

Метод Архимеда: практический контрольный список

Метод Архимеда измеряет плотность через плавучесть, используя массу в воздухе и кажущуюся массу в жидкости (чаще всего в воде). Он широко используется, поскольку является доступным и быстрым.

• Очистите образец: Масла и остатки изменяют смачиваемость и задерживают пузырьки.
• Контролируйте температуру воды: Плотность воды меняется в зависимости от температуры; обратите на это внимание или используйте стандартное условие.
• Уменьшите количество пузырьков: Аккуратно перемешивайте, используйте смачивающие средства, если это разрешено процедурой, и следите за пузырьками, прилипающими к шероховатым поверхностям.
• Шероховатость поверхности имеет значение: Шероховатые поверхности AM могут задерживать воздух; рассмотрите возможность герметизации, полировки или смены метода в зависимости от вашего плана качества.
• Повторите измерения: снимайте несколько показаний и сообщайте среднее значение и разброс.

Когда следует проводить гелиевую пикнометрию или КТ (рекомендации высокого уровня)

• Пикнометрия гелия: часто используется для более надежного измерения истинного объема пористых материалов (особенно порошков), поскольку гелий лучше проникает в мелкие поверхностно-связанные поры, чем вода.
• Компьютерная томография: Обеспечивает морфологию и распределение пор, а не только одно число плотности - полезно, когда важна усталость или герметичность.

Закупки и контроль качества: как указать плотность в заказе на поставку или плане инспекции

Споры о плотности возникают, когда в ДО или чертеже плотность рассматривается как “очевидная”. Это не так. Сделайте ее очевидной.

Что указывать на чертежах / PO (формулировки в стиле шаблона)

• Материал: “Титан, марка __, согласно ASTM __ (или ISO __)”.”
• Основа плотности для расчетов (при необходимости): “Оценка массы основана на плотности ___ при ~20°C (ссылка)”.”
• Если плотность является требованием приемки: “Измерьте плотность методом ___; сообщите об относительной плотности по сравнению с теоретической плотностью для сплава ___”.”
• Документация: “Предоставьте MTC/CoC, включая химический состав и механические свойства в соответствии с указанным стандартом”.”

Если вы купите продукция титановой мельницы, Вы часто будете ссылаться на такие стандарты, как ASTM B348 (прутки и заготовки из титана и титановых сплавов) и ASTM B265 (полоса, лист и плита из титана и титановых сплавов). Даже если стандартный текст закрыт для оплаты, ссылка на стандартный номер выравнивает ожидания покупателя и поставщика.

Критерии приемлемости: будьте осторожны с “допустимой плотностью”

Если вы не работаете в области качества порошков/АМ, плотность обычно не используется в качестве жесткой метрики приемки для изделий из кованого титана. Если вы попытаетесь ввести слишком строгий “допуск на плотность” без указания метода и подготовки образцов, вы можете создать ложный брак.

Лучший подход к контролю качества заключается в следующем:

• Используйте плотность как параметр расчета для оценки веса и логистики.
• Используйте химический состав, механические испытания, размеры и неразрушающий контроль в качестве основных критериев приемки в соответствии со стандартом.
• Для деталей AM/PM, где пористость занимает центральное место, определите относительная плотность + метод + план отбора проб.

Поддержка HonTitan для проектов с высокой плотностью титана и критичным весом

Когда вес определяет стоимость, время выполнения заказа и соответствие требованиям, небольшие допущения имеют значение. Компания HonTitan поможет вам согласовать марку, стандарт и плотность до того, как вы закроете смету или чертеж. Если вы поделитесь размерами, целевым сплавом (или областью применения) и спецификацией, по которой вы работаете, мы поддержим расчеты веса, документацию (MTC/CoC) и четкую коммуникацию, чтобы закупки и проектирование оставались на одной волне.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ