تبلغ كثافة التيتانيوم النقي 4.506 غ/سم³ (4,506 كغ/م³ / 0.163 رطل/بوصة³)، مما يضعه بين الألومنيوم (2.70 غ/سم³) والفولاذ الكربوني (7.85 غ/سم³). يكون التيتانيوم أخف من الفولاذ المقاوم للصدأ بنحو 43% وأثقل من الألومنيوم بنحو 67% بالحجم المساوي. أما الدرجة 5 (Ti-6Al-4V)، التي تمثل أكثر من 50% من الاستهلاك العالمي للتيتانيوم، فتبلغ كثافتها 4.43 غ/سم³ نظرًا لمحتواها من الألومنيوم. غير أن المعيار الحاسم في اختيار المواد هو المقاومة النوعية — أي مقاومة الشد مقسومةً على الكثافة — إذ تتفوق الدرجة 5 من التيتانيوم (214 MPa·cm³/g) على الفولاذ المقاوم للصدأ (65) وعلى معظم سبائك الألومنيوم. يتناول هذا الدليل قيم الكثافة الدقيقة لجميع الدرجات الشائعة، ومقارنات مباشرة مع الفولاذ والألومنيوم، وجدول المقاومة النوعية، ومعادلة حساب الوزن لفرق المشتريات وفرق التصميم.
كثافة التيتانيوم بجميع وحدات القياس
تعتمد معظم قواعد بيانات المواد غ/سم³ كوحدة أساسية، في حين يحتاج المهندسون في ورش العمل في أمريكا الشمالية إلى رطل/بوصة³، بينما تستخدم فرق المشتريات عند الطلب بالطن كغ/م³. فيما يلي القيم الخاصة بالتيتانيوم النقي تجاريًا (CP) — من الدرجة 1 إلى الدرجة 3 — محوّلةً إلى جميع وحدات القياس الشائعة:
| الوحدة | القيمة |
|---|---|
| غ/سم³ (غرام لكل سنتيمتر مكعب) | 4.506 |
| كغ/م³ (كيلوغرام لكل متر مكعب) | 4,506 |
| رطل/بوصة³ (رطل لكل بوصة مكعبة) | 0.163 |
| رطل/قدم³ (رطل لكل قدم مكعب) | 281.3 |
مصدر هذه الأرقام جداول الخصائص الفيزيائية للتيتانيوم النقي تجاريًا الصادرة عن ASM International. الدرجة 4 تسجّل قيمة أعلى قليلًا عند 4.54 غ/سم³، إذ يؤدي ارتفاع محتوى الأكسجين فيها إلى زيادة الكتلة دون تغيير ملحوظ في الحجم.
مؤشر ميداني سريع: كثافة التيتانيوم أعلى من كثافة الماء بنحو 4.5 مرة. قضيب التيتانيوم الصلب ينبغي أن يبدو أثقل بوضوح من قضيب ألومنيوم بالحجم ذاته. إن لم يكن كذلك، فثمة خلل في المادة.
ليست كثافة التيتانيوم واحدة في جميع الدرجات
الاكتفاء بقيمة كثافة واحدة “للتيتانيوم” يخفي تباينًا حقيقيًا بين الدرجات المختلفة. عناصر السبائك تؤثر على الكثافة النهائية — العناصر الأخف كالألومنيوم تخفّضها، والعناصر الأثقل كالكروم والموليبدينوم ترفعها.
| الصف | التصنيف | الكثافة (جم/سم مكعب) | الملاحظات |
|---|---|---|---|
| الصف 1 | Ti النقي تجاريًا (CP Ti) | 4.51 | الأكثر ليونة، وأعلى قابلية للتشكيل |
| الصف 2 | Ti النقي تجاريًا (CP Ti) | 4.51 | أكثر درجات CP Ti انتشارًا على مستوى العالم |
| الصف 3 | Ti النقي تجاريًا (CP Ti) | 4.51 | أعلى مقاومة من G2 مع كثافة مماثلة |
| الصف 4 | Ti النقي تجاريًا (CP Ti) | 4.54 | أعلى درجات CP Ti مقاومةً |
| الدرجة 9 | Ti-3Al-2.5V | 4.48 | “نصف 6-4”، هياكل الدراجات، الأنابيب |
| الدرجة 5 | Ti-6Al-4V | 4.43 | سبيكة الاستخدام العام، تمثّل نحو 50% من استهلاك Ti العالمي |
| بيتا C | Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo | 4.81 | تطبيقات المقاومة العالية والنوابض |
المصدر: AZoM / جداول الخصائص الفيزيائية لـ ASM International
تنخفض كثافة الدرجة 5 إلى 4.43 غ/سم³ لأن إضافة الألومنيوم بنسبة 6% — وكثافته 2.70 غ/سم³ — تخفّض الكثافة الإجمالية للخليط. أما سبائك البيتا فتكون أثقل لأن الكروم والموليبدينوم والفاناديوم جميعها تتجاوز التيتانيوم في الكثافة. إذا كنت تحدّد مواصفات التيتانيوم لتطبيق حساس للوزن وأشار أحدهم إلى كثافة ’4.51“، فاستفسر عن الدرجة المقصودة. استبدال Beta C بالدرجة 5 يزيد وزن القطعة بنحو 8% عند الحجم المتساوي.
التيتانيوم مقابل الفولاذ: فارق الكثافة البالغ 43%
يظل الفولاذ المعدن الإنشائي الافتراضي منذ أكثر من قرن، وتنطلق كل دراسة لاستبداله بالتيتانيوم من هذه المقارنة.
| المواد | الكثافة (جم/سم مكعب) | الكثافة (كغ/م³) |
|---|---|---|
| التيتانيوم الدرجة 2 (CP) | 4.51 | 4,510 |
| التيتانيوم الدرجة 5 (Ti-6Al-4V) | 4.43 | 4,430 |
| الفولاذ الكربوني AISI 1020 | 7.85 | 7,850 |
| الفولاذ المقاوم للصدأ 304 | 7.93 | 7,930 |
| الفولاذ المقاوم للصدأ 316 | 8.00 | 8,000 |
التيتانيوم النقي تجاريًا (الدرجة 2) أخف بنسبة 43% من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 بالحجم المتساوي. وتوفر الدرجة 5 وفرًا إضافيًا في الوزن. قطعة من الفولاذ 304 تزن 10 كغ ستزن نحو 5.7 كغ عند تصنيعها من التيتانيوم النقي تجاريًا بالأبعاد ذاتها — الحجم نفسه، لكن بفارق 4.3 كغ أقل.
هذا الفارق يتراكم بسرعة. فعلى دفعة إنتاجية قوامها 5,000 مسمار، يعني ذلك التخلص من مئات الكيلوغرامات من وزن الهيكل المُجمَّع. وفي قطاع الفضاء، حيث يرتبط استهلاك الوقود ارتباطاً مباشراً بكتلة الهيكل، يُترجَم هذا النوع من التخفيف المنهجي للوزن إلى قيمة اقتصادية قابلة للقياس على مدى العمر التشغيلي للأسطول.
الجانب الأكثر أهمية، غير أن، هو المقاومة الميكانيكية. يبلغ حد الشد الأقصى (UTS) لمادة الفولاذ المقاوم للصدأ 304 نحو 515 MPa، في حين يصل التيتانيوم Grade 5 إلى 950 MPa في الحالة المُلدَّنة. نظراً لأنه يمكن تصميم جدران أرق لتحمل الأحمال ذاتها، فإن ميزة الوزن الفعلية في التصاميم المبنية على المقاومة تتجاوز الفارق الخام في الكثافة البالغ 43%. ويُشير مهندسو الفضاء عادةً إلى توفير إجمالي في الوزن يتراوح بين 50% و65% عند إعادة تصميم مكونات فولاذية بالتيتانيوم — إذ يأتي الوفر الإضافي من تقليص المقطع العرضي.
التيتانيوم مقابل الألمنيوم من حيث الكثافة: معدن أثقل، وقطعة في الغالب أخف وزناً
يُعدّ الألمنيوم الخيار الافتراضي لـ“المعدن الخفيف” في صناعات السيارات والإلكترونيات الاستهلاكية والدراجات. والتيتانيوم أثقل بكل مقياس للكثافة. غير أن هنا تبدأ المفاجأة.
| المواد | الكثافة (جم/سم مكعب) | UTS نموذجي (MPa) | المقاومة النوعية (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| ألومنيوم 6061-T6 | 2.70 | 310 | 115 |
| ألومنيوم 7075-T6 | 2.81 | 572 | 204 |
| التيتانيوم الدرجة 2 (CP) | 4.51 | 340 | 75 |
| التيتانيوم الدرجة 5 (Ti-6Al-4V) | 4.43 | 950 | 214 |
| الفولاذ المقاوم للصدأ 304 | 7.93 | 515 | 65 |
مصادر قيم UTS: AMS 4928 (Grade 5 ملدَّن)، ASTM A276 (304 SS)، ASTM B209 (6061-T6, 7075-T6)
تفوق كثافة التيتانيوم كثافة الألمنيوم بنحو 67% بالحجم. وتزن قضيب التيتانيوم المطابق في الشكل 1.67× أكثر من نظيره الألمنيومي.
لكن لاحظ المقاومة النوعية. يتفوق التيتانيوم Grade 5 بمقاومة نوعية تبلغ (214 MPa·cm³/g) على الألمنيوم 7075-T6 (204) بفارق طفيف، فيما يتجاوز ضعف قيمة 6061-T6 (115). وللتطبيقات التي يحكمها حد الشد الأقصى وعمر الكلال في التصميم — كتركيبات هيكل الهبوط، والغرسات الجراحية، ومكونات الدراجات عالية الحمل — يمكن تصميم القطعة التيتانيومية بمقطع عرضي أصغر. وبذلك قد تنتهي القطعة التيتانيومية النهائية بوزن مقارب لنظيرتها الألمنيومية، رغم ارتفاع كثافتها.
تحكي سبائك التيتانيوم التجاري الخالص Grade 2 قصة مختلفة: إذ تبلغ قوتها النوعية 75 فقط، وهو رقم يقل حتى عن سبائك الألومنيوم 6061. يُختار التيتانيوم التجاري الخالص لمقاومته للتآكل وتوافقه الحيوي، لا لكفاءته الهيكلية. إن كنت تشتري التيتانيوم التجاري الخالص لتطبيق حرج من حيث الوزن، فالأرجح أنك تستخدم الدرجة الخاطئة؛ الدرجة Grade 5 هي الخيار الصحيح.
الحجة الأخرى التي تُحسم بها المقارنة بين التيتانيوم والألومنيوم هي درجة الحرارة. يبدأ ألومنيوم 7075-T6 في فقدان صلابته عند ما يزيد على 150°C تقريباً، بينما يحافظ التيتانيوم Grade 5 على خواصه الميكانيكية حتى حدود 315°C. وفي التطبيقات المجاورة لحجرات المحركات، أو أنظمة العادم، أو مركبات إعادة الدخول الجوي، يخفق الألومنيوم في تلبية متطلبات درجات الحرارة بصرف النظر عن قوته النوعية.
الرقم الذي يحكم فعلاً اختيار المواد: القوة النوعية
تُخبرك الكثافة بوزن حجم معين من المعدن، أما القوة النوعية فتُخبرك بمقدار الحمل الهيكلي الذي يستطيع هذا المعدن تحمله لكل وحدة كتلة. عند مقارنة المواد في سياق تصميم هندسي، تُعدّ القوة النوعية هي المعيار الأساسي للمقارنة.
القوة النوعية = UTS (MPa) ÷ الكثافة (g/cm³)
مقارنة التيتانيوم Grade 5 بالفولاذ المقاوم للصدأ 304: 950 ÷ 4.43 = 214 مقابل 515 ÷ 7.93 = 65. يُقدّم Grade 5 أداءً هيكلياً يزيد على 3× لكل غرام. هذه النسبة هي السبب الذي دفع قطاع الفضاء إلى استبدال البراغي والعناصر الهيكلية الحرجة من الفولاذ بالتيتانيوم على مدى عقود — ليس لأن التيتانيوم أخف وزناً بالمطلق، بل لأن الحل القائم على التيتانيوم يكون أخف بكثير لتحقيق متطلب هيكلي محدد.
تقترب المقارنة بين الألومنيوم والتيتانيوم من التكافؤ؛ إذ تبلغ قوة 7075-T6 النوعية 204، مقابل 214 للـ Grade 5. هذا هو السبب في أن الاختيار بينهما في تطبيقات الفضاء لا يُحسم بالكثافة، بل بدرجة الحرارة. حيث تظل درجات الحرارة دون 150°C وتكون التكلفة عاملاً مؤثراً، يتفوق 7075. وحيث تتجاوز درجات الحرارة 150°C أو يكون عمر الإجهاد معياراً حرجاً، يتفوق Grade 5.
للمرجعية: تبلغ القوة النوعية للبوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP) نحو 375 — أي ما يعادل 1.75× قوة التيتانيوم Grade 5 تقريباً. والسبب في استمرار استخدام التيتانيوم جنباً إلى جنب مع CFRP في قطاع الفضاء هو قابليته للإصلاح، وخواصه المتماثلة في جميع الاتجاهات (Isotropy)، وقابليته للتشغيل الآلي. يمكن لحام التيتانيوم وتشغيله وإصلاحه في ظروف الميدان، بخلاف CFRP.
حساب الوزن لأغراض المشتريات في قطاع B2B
بعد تحديد الدرجة المناسبة، يصبح حساب وزن القطعة أمراً مباشراً. المعادلة الأساسية:
الوزن = الحجم × الكثافة
للصفيحة المستطيلة (بالوحدات المترية):
الوزن (kg) = [L (mm) × W (mm) × T (mm) × الكثافة (g/cm³)] ÷ 1,000,000
مثال تطبيقي — صفيحة Grade 5 بأبعاد 500 mm × 300 mm × 6 mm:
١. 500 × 300 × 6 × 4.43 ÷ 1,000,000 = 3.99 كجم
الصفيحة ذاتها من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 (الكثافة 7.93 g/cm³):
٢. 500 × 300 × 6 × 7.93 ÷ 1,000,000 = 7.14 كجم
بنفس الأبعاد: التيتانيوم Grade 5 أخف بنسبة 44%. في دفعة إنتاجية من 500 وحدة، يعني ذلك تخفيفاً في الوزن يبلغ نحو 1,575 kg في التجميع النهائي — مما ينعكس مباشرة على تكاليف الشحن، وفي تطبيقات الفضاء والسيارات، على كفاءة استهلاك الوقود طوال دورة حياة المنتج.
لقضبان المقطع الدائري:
الوزن (kg) = π × (D/2 بالـ mm)² × L (mm) × الكثافة (g/cm³) ÷ 1,000,000
للوحدات الإمبراطورية (lb/in³)، استبدل قيمة الكثافة بـ 0.160 للـ Grade 5 أو 0.163 للتيتانيوم التجاري الخالص Grade 2، وأدخل الأبعاد بالإنش. يُحذف عامل التعديل ÷ 1,000,000 — والنتيجة مباشرة بالرطل.
متى تكون ميزة كثافة التيتانيوم حاسمة — ومتى لا تكون؟
ميزة التيتانيوم في الوزن حقيقية، لكنها ليست دائماً العامل المحدد للقرار.
تكون ميزة كثافة التيتانيوم حاسمة في الحالات التالية:
- عندما تكون نسبة القوة إلى الوزن القيد التصميمي الأول: الهياكل الفضائية، ومكونات السيارات عالية الأداء، والغرسات الطبية
- درجات الحرارة التشغيلية تتجاوز 150°C، مما يستبعد سبائك الألومنيوم عالية المقاومة
- مقاومة التآكل مطلوبة وزيادة الوزن الناجمة عن الفولاذ المقاوم للصدأ غير مقبولة
- عمر الإجهاد في ظروف التحميل عالي الدورات هو معيار التصميم المحدِّد
ميزة الكثافة لدى التيتانيوم ثانوية — أو غير ذات صلة — في الحالات التالية:
- التكلفة هي المعيار الحاكم: يبلغ سعر التيتانيوم 5–10 أضعاف سعر الفولاذ المقاوم للصدأ لكل كيلوغرام؛ ونادرًا ما يحقق توفير الوزن عائدًا مجديًا في المنشآت الثابتة والمحمولة على الأرض
- سهولة التشغيل الآلي مهمة: يؤدي انخفاض التوصيل الحراري للتيتانيوم وميله إلى التصلب بالتشغيل إلى جعل تصنيعه أبطأ وأكثر تكلفةً بشكل ملحوظ مقارنةً بالفولاذ أو الألومنيوم
- الحجم الإنتاجي مرتفع والتفاوتات المسموح بها واسعة: يظل الألومنيوم الخيار الأوفر والأسرع للقطع عالية الإنتاج ذات متطلبات الأداء المتوسط
- المكوّن غير خاضع لقيود الوزن: دعامة إنشائية في منشأة صناعية ثابتة لا تستفيد من توفير 4 كغم لكل وحدة
عند تقييم استبدال مادة بالتيتانيوم في التصنيع B2B، لا ينبغي أن يكون السؤال الأول “ما كثافة التيتانيوم؟” — بل: هل يُولّد توفير الوزن قيمةً قابلةً للقياس؟ بالنسبة لغرسة طبية تُقلل الحِمل على المريض أو حامل قمر اصطناعي يُتيح شحنًا أثقل، فكل غرام له وزنه. أما بالنسبة لغلاف مضخة أرضي، فإن ميزة الكثافة تبقى نظرية إلى حد بعيد.
الأسئلة الشائعة
ما هي كثافة التيتانيوم؟
التيتانيوم النقي (النقي تجاريًا) كثافته 4.506 g/cm³، أو 4,506 kg/m³، أو 0.163 lb/in³. أما أكثر السبائك استخدامًا، Grade 5 (Ti-6Al-4V)، فكثافتها 4.43 g/cm³. وتصل سبائك بيتا مثل Beta C إلى 4.81 g/cm³.
هل التيتانيوم أخف من الفولاذ؟
نعم. التيتانيوم أخف بنحو 43% من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 بالحجم المكافئ. مكعب تيتانيوم بحجم 10 cm³ يزن نحو 45 غرامًا، في حين يزن المكعب نفسه من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 نحو 79 غرامًا.
هل التيتانيوم أثقل من الألومنيوم؟
نعم — بنحو 67% على أساس الحجم المكافئ. غير أن المقاومة النوعية لـ Grade 5 من التيتانيوم (214 MPa·cm³/g) مقاربة لتلك الخاصة بـ 7075-T6 من الألومنيوم عالي المقاومة (204)، مما يعني أن قطعة التيتانيوم المصممة لنفس الحمل الإنشائي غالبًا ما تنتهي بوزن مماثل لنظيرتها من الألومنيوم.
لماذا تكون كثافة Grade 5 من التيتانيوم أقل من التيتانيوم النقي؟
تحتوي Grade 5 (Ti-6Al-4V) على 6% ألومنيوم، الذي تبلغ كثافته 2.70 g/cm³ فحسب — أي أقل بكثير من كثافة التيتانيوم البالغة 4.506. إضافة هذا العنصر الأخف إلى السبيكة تخفض الكثافة الإجمالية من 4.51 (CP Grade 2) إلى 4.43 g/cm³.
ما هي كثافة التيتانيوم بـ kg/m³؟
4,506 kg/m³ للتيتانيوم النقي تجاريًا (Grades 1–3). و Grade 5 هي 4,430 kg/m³. و Grade 4 هي 4,540 kg/m³.
هل التيتانيوم أخف المعادن الإنشائية؟
لا. الألومنيوم (~2.70 g/cm³) والمغنيسيوم (~1.74 g/cm³) أخف منه. ميزة التيتانيوم تكمن في مقاومته النوعية الفائقة وأدائه في درجات الحرارة المرتفعة مقارنةً بتلك المعادن الأخف — لا في خفة وزنه المطلقة.
الملخص
يقع الكثافة النوعية للتيتانيوم عند 4.506 g/cm³ — أخف بنسبة 43% من الفولاذ المقاوم للصدأ، وأثقل بنسبة 67% من الألومنيوم. الدرجة التي تحددها تؤثر بشكل مباشر على النتيجة: الدرجة 5 بكثافة 4.43 g/cm³ هي الأخف بين سبائك البناء الشائعة الاستخدام، في حين تصل كثافة Beta C إلى 4.81 مما يجعلها أثقل بشكل ملحوظ. غير أن رقم الكثافة وحده نادرًا ما يكون العامل الحاسم في اتخاذ القرار. المقياس الأكثر أهمية هو المقاومة النوعية — إذ تتفوق الدرجة 5 من التيتانيوم (214 MPa·cm³/g) على الفولاذ المقاوم للصدأ (65) وعلى معظم سبائك الألومنيوم — وهو ما يبرر فارق السعر الذي يتسم به التيتانيوم في التطبيقات الإنشائية. من منظور المشتريات B2B وتصميم المكونات، حساب وفر الوزن مباشر: اضرب الحجم في الكثافة، قارن بين الدرجات المختلفة، ثم قيّم ما إذا كان تخفيض الكتلة يحقق قيمة تتناسب مع علاوة سعر التيتانيوم.
