元素周期表中共有118种元素，但由单一元素组成的单质难以满足生活需求，于是“多元素复合物质”应运而生。
元素周期表中的金属元素共有94种，也就意味着存在94种由单一元素组成的金属物质。“金无足赤，人无完人”，94种金属材料的性能、储量都存在着巨大差异，所以单一金属元素形成的纯金属材料难以很好地满足人们的实际需要。这时我们就要借助“团结”的力量，在一种金属中掺入少量其他元素（可以是金属元素，也可以是非金属元素），形成宏观均匀的多元素复合物质，这种复合物质就称作“合金”。
合金的性能取决于组成合金的元素种类、组成比例以及晶相结构，合金的综合性能往往可以超越组成合金的单一元素物质。所以，合金让材料更加多变，也给予了人们更多灵活调整材料性能的方法与途径。
铁是一种地位很特殊的元素，前面讲过，铁元素是恒星自发核聚变的终点，这就意味着，相比于那些要通过超新星爆发才能产生的元素，铁元素的含量还是相对较高的。故而，以铁为主体的金属材料便成为人类工业化过程中应用最广泛的金属材料。纯铁的质地较为柔软，强度也较弱，所以不适宜直接作为结构材料使用，必须将铁炼成钢，才能真正让这种金属材料的优势发挥到极致。
人们对钢铁的认识起源于星星，由于地球上天然的铁单质非常少见，人类最早认识和使用到的铁是来自星星的陨铁，所以说“天外飞石”促进了人类文明的进步。
为了能够让铁变得更加坚硬，需要在铁中掺入一种重要物质——碳。铁的硬度以及强度会随着含碳量的增加而提升，同时韧性会逐渐下降。所以，铁的含碳量需要精确控制才能得到性能优异的铁碳合金，也就是钢。
小朋友们可能很容易认为，炼钢的过程就是在纯铁中掺入碳的过程，其实真实的情况正好相反。在自然界中，铁都是以化合物的形式存在于铁矿石中。人们想要得到金属铁，就需要用最廉价的还原剂——碳，将化合态的铁还原成单质铁。在这个过程中，作为还原剂的碳会逐渐渗入铁中，使铁的含碳量远远超过钢所需要的含碳量，所以炼钢的过程其实是除碳的过程。人们在钢炉中不断地补入纯氧，让氧气与碳反应生成二氧化碳，从而达到除碳的目的。在吹氧除碳的过程中，还可以同时将硫元素（S）、磷元素（P）等有害元素同时除掉，可谓一举三得，最终获得性能优异的钢材。
钢材的含碳量不应超过2.11%，因为2.11%是碳元素在铁中的溶解度。当含碳量低于2.11%时，碳元素是均匀溶解于铁中的；而高于这个数值，碳无法全部“溶解”，过量的碳就会饱和析出，形成单质碳，从而大大影响铁碳合金的性能。这种含碳量高于2.11%的铁碳合金，被称为铸铁。
作为铁碳合金，钢的综合性能已经远远优于纯铁，但是钢依然存在性能缺陷，例如耐腐蚀性。由于铁是一种极易受电化学腐蚀而形成铁锈的金属，而碳元素不具有防腐蚀性能，故而钢依然容易生锈，严重约束钢材的广泛使用。
这时，如果我们在钢中添加一定量的铬元素（Cr），钢的防腐蚀性能便会大大提高：一方面，铬元素可以在钢的表面形成极薄的氧化层，阻止钢材被进一步侵蚀；另一方面，铬元素的添加可以显著提高钢材的电极电势，从根本上抑制了电化学腐蚀反应的发生，进而抑制了钢材生锈。
当然，为了满足各类特殊的使用条件，钢材中还会选择性地加入硅（Si）、钨（W）、锰（Mn）、镍（Ni）、钼（Mo）、钒（V）等金属元素，来提升钢材的强度、硬度、耐磨性、韧性、延展性等。通过这么多元素伙伴的加入，钢材已经融入我们生活的方方面面，成为世界上使用最多的金属材料。
虽然钢材拥有优异的综合性能，但是钢材密度较大，在一些对重量有要求的使用场合，钢材便无法使用，这时候就需要轻质合金来承担这个任务。轻质合金中性能最优异的便是钛合金。
钛元素，原子序数22，于1791年由英国牧师兼矿物学爱好者格雷戈尔发现，是人类发现的第29种元素。
是的，你没听错，钛元素是由一名爱好矿物学的牧师发现的，这也正应验了那句老话——“兴趣是最好的老师”。小朋友们，只要大家热爱化学，对化学感兴趣，长大以后也一定能够在化学的多彩世界中有所发现！
由于钛具有很高的强度与很高的熔点，人们就用希腊神话中泰坦神族的名字为其命名，英文名称Titanium。
钛到底有多强大呢？钛金属可以与铝（Al）、钒（V）、锆（Zr）、锡（Sn）、硅（Si）、钼（Mo）和锰（Mn）等金属形成钛合金。钛合金的强度重量比是钢的两倍，也就是说，在钛合金与钢强度一样的情况下，钛合金的重量只有钢的一半。同时钛合金耐高温，熔点在1600℃左右，而钢的熔点只有1400—1500℃，所以钛合金被广泛用于火箭、导弹、太空船体的制造。因为钛合金不仅拥有轻质、强度高、耐高温这三个非常重要的优势。而且它的化学性质还十分稳定，耐酸耐碱耐腐蚀，王水和氯气都对它毫无办法，这点更是钢材无法比拟的，所以钛也被誉为“太空金属”。
在民用航空领域，钛合金同样是用来制造飞机舱体的核心材料。世界上最主流的民用客机型号几乎都使用钛合金作为舱体材料，例如一架波音737客机需要18吨钛合金，波音747需要44吨，空客A320需要12吨，空客A380则需要146吨，可以说，钛合金撑起了整个世界的航空产业。(www.xing528.com)
钛合金性能极佳，但是造价昂贵。
事实上，钛元素的地球储量并不低，在全部元素中排第九位，所以钛元素并不稀有。我们家庭日常装修刷墙时用到的白色涂料，里面使其呈现白色的成分就是二氧化钛，俗称钛白粉，所以二氧化钛并不贵，但是金属钛却十分昂贵，用金属钛所冶炼得到的钛合金自然就更贵了，金属钛贵的原因就在于提炼方法十分特殊。
钛的主要矿石为金红石，金红石中二氧化钛的含量可以达到96%以上，所以金红石是提取金属钛最合适的原料。我们都知道，把金属氧化物还原成金属的工业化提炼方法中，效果最好并且成本最低的就是使用碳作为还原剂。但可悲的是，二氧化钛与碳反应并不会得到金属钛，而是碳自身发生了歧化反应，生成一种高硬度的陶瓷材料——碳化钛（TiC）。钛这么一任性不要紧，可使得金属钛的工业化提炼难度迅速增加，直到1948年，美国人才实现金属钛的工业化生产，此时距离钛元素被发现已经过去了100年之久。
既然碳不能用于还原二氧化钛，那选用什么材料才可以呢？1910年，美国伦斯勒理工学院的亨特用金属钠（Na）还原四氯化钛（TiCl4），在高温下提炼出了高纯度的金属钛，这种方法被称为亨特法。但是金属钠也极其昂贵，并且化学性质十分活泼，常温下无法保存，遇水可能会发生爆炸，平常只能保存在煤油中，所以亨特法只能在实验室中进行，依然无法实现工业化生产。1940年，卢森堡科学家克劳尔对亨特法进行了改进，使用便宜一些的金属镁（Mg）来还原四氯化钛（TiCl4）制得了纯钛，此方法被称为克劳尔法。1948年，美国人用克劳尔法制备出2吨的海绵金属钛，从此开始了金属钛的工业化生产，并且此方法一直沿用至今。金属镁化学性质稳定，便于保存，虽然比金属钠的成本低一些，但是总体成本依然较高，最终造成金属钛的工业化提炼成本至今依然居高不下。
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贵就有了炒作的空间——“钛金”
钛合金由于成本高昂，如果用在民用领域只能是制造高档产品，例如F1赛车、摩托跑车、高级厨具、医用支架、网球拍、高尔夫球杆杆头、橄榄球头盔、高级自行车的骨架、马术比赛用马的马蹄铁等。就连电影导演也非常看好钛合金，电影《钢铁侠》中，钢铁侠号称自己身穿的盔甲就是用金属钛和黄金所炼就的钛合金盔甲。近年来，为了凸显钛合金的优异性能以及它所能代表的高贵气质，人们直接把钛合金称作“钛金”，把用钛合金装饰的手机炒作成了高端商务人士的标配，可谓钛合金炒作的巅峰。
钛合金虽然被称为“钛金”，但颜色依然为银白色，可是你知道吗？钛元素真的可以拥有黄金的颜色，并且能够达到与黄金以假乱真的程度。钛的化合物中有一种很小众的物质——氮化钛，它是一种非常坚硬的物质，常被用作电钻的钻头材料。氮化钛有一个很有趣的特点，那就是颜色呈现明晃晃的金色，从外观上看，氮化钛和黄金几乎没有区别，但是氮化钛比黄金要坚固和便宜得多，所以一些建筑的屋顶、餐具，还有我们玩的指尖陀螺等小物件都使用氮化钛作为装饰材料，从而以较为低廉的成本得到了如镀金一般的尊贵感。
合金材料由于其组成成分和比例的多样性，全面而立体地影响着我们生活的方方面面，例如灌装碳酸饮料、啤酒，用的是铝合金易拉罐；医疗美容行业使用的烤瓷牙材料是钴铬合金；春秋战国时期的金属制品，包括礼器、武器、艺术品等大多为青铜（铜锡合金）；电子行业中，芯片固定所需要的焊接材料为铅锡合金；核反应堆冷却剂使用的是钠钾合金（钠钾合金为液体）；就连我们平常购买的金银首饰，也大都是合金材料（例如白金首饰为金银镍合金或铂合金，而纯银首饰也只是含银量为92.5%的银合金而已）。
在未来科技领域，特种合金的应用就更加广泛。氢能源是未来最重要的新能源形式，而镍镧合金是一种良好的储氢材料，在氢能的发展中起着重要的作用；航空航天行业需要使用一种具有形状记忆功能的材料，从而实现材料形状的精确维持，而镍钛合金则是一种重要的形状记忆合金。储氢材料和形状记忆材料这两种高科技材料我们将会在第七章为大家详细介绍。
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“合金”概念的延伸——聚合物合金
虽然“合金”这个词来源于金属材料领域，但是随着材料科学的逐渐发展，有机高分子材料（也被称为聚合物材料，例如塑料、橡胶等）也成为人们生产生活中非常重要的材料种类。
聚合物材料制造同“合金”一样，也同样可以通过共混的方法将多种聚合物材料融合为一体，从而提升材料的综合性能，这个过程与金属合金的研究思路非常相似。因此，借用金属材料学中“合金”的概念，科学界也将聚合物共混物称为聚合物合金。
从这里我们就要明白，任何事物都不是孤立存在的，而是相互联系的，知识亦然。学会举一反三、活学活用才能帮助我们更加深刻地了解这个神奇的世界。
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