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为什么钛或钛合金制作的刀具很少见?

2022-09-05 11:09:11

钛合金对比结构钢的力学优势主要体现在比强度(强度与密度之比)上,即其优势主要体现在轻量化上,而非指标的相对数值。除此之外,钛合金刀具没有成为主流,有以下几方面原因:

1. 使用性能弱于钢材刀具

衡量使用性能方面需要综合考虑服役条件。初入刀圈的新爱好者往往关注硬度/强度这种指标,而忽略了其他性能指标。钛合金作为刀具材料比较大的问题来自于弹性模量。钛的弹性模量在常温时为106.4 GPa,为钢的57%。而弹性模量代表材料抵抗弹性变形的能力。这一数值较低,意味着钛合金刀在生产过程中极易出现剧烈抖动,影响刀法的发挥。

事实上,2012年,美国NEMO Arms公司推出了一款全钛合金AR10突击步枪。除了钛合金加工带来的高成本问题,由于弹性模量低导致的枪神剧烈抖动也影响其使用性能。显然,这种性能受限、成本奇高的产品只能像黄金AK一样成为高级玩具。

此外,钛合金在硬度与耐磨性方面,弱于结构钢。钛合金不易磨削加工给人带来耐磨的错觉。事实上钛合金的耐磨性并不好,极易发生粘着磨损。把玩一阵子后,镜面上的划痕给有强迫症刀具爱好者带来了困扰。

钛合金作为刀具材料大的阻碍在于强韧匹配问题。

在钢材刀具的制作过程中,手工锻打是常见工序,优化了刀具内部的微观组织,提高了强韧性。更重要的,钢材具备独特的强韧化属性——马氏体相变。在加热至完全奥氏体化温度后,将钢材快速冷却至室温,产生了非平衡的固态相变(碳原子难以实现有效迁移,形成非扩散型相变)。经过淬火后的钢材强度、硬度较高而韧性不足,配合回火工序是马氏体转化为回火马氏体,则形成良好的强韧匹配。另外,可以通过其他手段控制马氏体相变的过程。例如日本刀在淬火之前,在刀背部位图上特制的黏土。在淬火时黏土覆盖的部位冷却速度慢低于临界值,导致刀背不形成马氏体。这样就形成了刀刃/刀背的良好强韧组合。事实上,日本刀在淬火之前是直的。淬火后,刀刃部位马氏体相变体积膨胀,才导致刀变弯了。当然,本身刀具在锻打过程中形成了双金属结构,这也是钛合金刀具制作难以实现的,这里就不赘述了。

反观钛合金,虽然α型及α+β型钛合金具备同素异构相变,有产生马氏体相变的基础。但是由于不存在类似钢材中碳元素的迁移机制,因此韧性下降,强度未见得有提升。所以这制约了钛合金刀具的使用性能。

2. 加工困难,制造成本高

钛元素在地球上的储量并不少,高成本是由于其加工困难。钛本身活性很高,室温耐腐蚀是因为形成了氧化膜。高温加工时很容易吸氧、吸氮。一般都要涉及真空设备。此外,钛合金磨削加工困难。这显然与传统刀具加工工序(锻打、热处理、磨削)不匹配。硬要使用钛合金做刀,将使制造成本做着火箭飞上天,而且使用性能也未必很好。如果有钱任性,就要较贵的不要好的。为什么不用黄金或白银来打造呢?成本主要体现在原料上,加工损耗并不高。除了有逼格,还能抵御通胀,了解一下?

3. 潜在的腐蚀问题

钛合金本身很抗腐蚀。但是问题也出在这上面。因为一把刀很难从头到脚用一种材料打造。一旦钛和铝、钢等其他金属接触,就有产生电偶腐蚀的危险。一把高成本打造的钛合金宝刀,在经过爱好者收藏多年后,发现刀把、护手以及刀鞘都不见了。

以上是钛合金刀具没成为主流的大致原因。当然,钛合金刀具具备轻量化、顺磁性或抗磁性以及可以形成美丽的氧化膜等特性,还是具备存在意义的。

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