Распространенное мнение о твердости – это алмаз или булат / дамасская сталь. Если первый минерал превосходит все простые вещества, существующие на Земле, что создала природа, то, поражающими воображение свойствами клинков из редкой стали, они обязаны мастерству кузнецов-оружейников, добавкам из других металлов. Многие технические сплавы, применяемые, например, для производства сверхтвердых резцов в машиностроительной промышленности, создания прочного, надежного инструмента, обладающего уникальными свойствами, связаны с этими добавками в привычном симбиозе железа с углеродом, кратко, традиционно называемыми сталью, – хрому, титану, ванадию, молибдену, никелю. Когда читатели спрашивают, какой самый твердый металл в мире, то в ответ на страницах сайтов на них обрушивается шквал противоречивой информации. В этом амплуа, по мнению авторов различных статей, выступает то вольфрам или хром, то иридий с осмием, то титан с танталом.

Чтобы пробраться через дебри не всегда правильно истолкованных, пусть и точных фактов, стоит обратиться к первоисточнику – системе элементов, содержащихся как в составе , так и в остальных космических объектах, оставленной человечеству великим русским химиком и физиком Д.И. Менделеевым. Он обладал энциклопедическими знаниями, совершил много научных прорывов в знании об устройстве, составе, взаимодействии веществ, помимо знаменитой таблицы на основе открытого им фундаментального периодического закона, названной его именем.

Ближайшие к Солнцу планеты – Меркурий, Венеру, Марс, вместе с нашей планетой, причисляют к одной – земной группе. Основания для этого есть не только у астрономов, физиков и математиков, но и у геологов с химиками. Поводом для таких выводов у последних является в том числе и то, что все они, в основном, состоят из силикатов, т.е. различных производных элемента кремния, а также многочисленных соединений металлов из таблицы Дмитрия Ивановича.

В частности, наша планета большей частью (до 99%) состоит из десяти элементов:

Но человека, кроме необходимого для выживания и развития железа и сплавов на его основе, всегда куда больше привлекали драгоценные, часто уважительно называемые благородными, металлы – золото и серебро, позднее – платина.

С ней в одну, по научной классификации, принятой у химиков, платиновую группу входят рутений, родий, палладий и осмий с иридием. Все они также относятся к благородным металлам. По атомной массе их еще условно разделяют на две подгруппы:

Последние два и представляют особый интерес для нашего околонаучного расследования на тему, кто тут самый твердый. Связано это с тем, что большая, по сравнению с другими элементами, атомная масса: 190,23 - у осмия, 192,22 – у иридия, по законам физики, подразумевает и огромную удельную плотность, а, следовательно, твердость этих металлов.

Если плотные, тяжелые золото и свинец – это мягкие, пластичные вещества, несложные в обработке, то осмий и иридий, открытые в начале XIX века, на поверку оказались хрупкими. Здесь необходимо вспомнить, что мерило этого физического свойства – алмаз, которым можно без особых усилий нанести надпись на любом другом твердом материале природного или искусственного происхождения, также крайне хрупок, т.е. его достаточно несложно разбить. Хотя, на первый взгляд, это кажется практически невозможным.

Кроме того, осмий и палладий обладают еще многими интересными свойствами:

• Очень высокой тугоплавкостью.
• Не поддаются коррозии, окислению даже при нагревании до высокой температуры.
• Стойки к воздействию концентрированных кислот и других агрессивных соединений.

Поэтому наравне с платиной, в том числе в виде соединений с ней, они используются при производстве катализаторов многих химических процессов, высокоточных приборов, оборудования, инструментов в медицинской, научной, военной, космической отраслях деятельности человечества.

Именно осмий и иридий, а ученые после исследований считают, что это свойство у них примерно одинаково дано природой, являются самыми твердыми металлами в мире.



И все бы хорошо, да не очень-то. Дело в том, что как их наличие в земной коре, так и, соответственно, мировая добыча этих весьма полезных ископаемых ничтожны:

• 10 -11% – это их содержание в твердой оболочке планеты.
• Суммарное количество произведенного чистого металла в год в пределах: 4 т по иридию, 1 т – осмию.
• Цена осмия примерно равна цене золота.

Понятно, что эти редкоземельные, дорогие металлы, невзирая на их твердость, не могут даже ограничено использоваться в качестве сырья для производства; разве что как добавки в сплавы, соединения с другими металлами для придания уникальных свойств.

Кто за них?

Но человек не был собой, если бы не нашел замены иридию с осмием. Раз нецелесообразно, слишком дорого использовать их, то и внимание небезуспешно было обращено к другим металлам, нашедшим свое применение в разных ситуациях, отраслях для создания новых сплавов, композитных материалов, производства оборудования, машин и механизмов как гражданского, так и военного применения:

Хотясамый твердый металл в мире, а, вернее, целых два – иридий и осмий, показали свои уникальные свойства лишь в лабораторных условиях, а также в качестве ничтожных по процентному содержанию добавок в сплавы, других соединения для создания новых материалов, необходимых человеку, следует быть благодарными природе и за этот подарок. В то же время нет никаких сомнений, что пытливые умы талантливых ученых, гениальных изобретателей придумают новые вещества с уникальными свойствами, как это уже произошло с синтезом фуллеренов, которые оказались тверже алмаза, что уже удивительно.

С детских лет мы знаем, что самый прочный металл - это сталь. Все железное у нас ассоциируется ней.

Железный человек, железная леди, стальной характер. Произнося эти фразы, мы подразумеваем невероятную прочность, силу, твердость.

Продолжительное время в производстве и вооружении основным материалом была сталь. Но сталь - не металл. Если точнее, то не совсем чистый металл. Это с углеродом, в котором присутствуют и другие металлические добавки. Применяя добавки, т.е. изменяют ее свойства. После этого она подвергается обработке. Сталеварение - это целая наука.

Самый прочный металл получается при введении в сталь соответствующих лигатур. Это может быть хром, который придает и жаростойкость, никель, делающий сталь твердой и эластичной и т.д.

По некоторым позициям сталь начал вытеснять алюминий. Время шло, росли скорости. Не выдерживал и алюминий. Пришлось обратиться к титану.

Да-да, ведь титан - самый прочный металл. Для придания стали высоких прочностных характеристик в нее начали добавлять титан.

Его открыли в XVIII веке. Из-за хрупкости его применить было невозможно. Со временем, получив чистый титан, инженеры и конструкторы заинтересовались его высокой удельной прочностью, малой плотностью, стойкостью к коррозии и высоким температурам. Его физическая крепость превосходит прочность железа в несколько раз.

Инженеры стали добавлять титан в сталь. Получился самый прочный металл, который нашел применение в среде сверхвысоких температур. На то время их не выдерживал ни один другой сплав.

Если представить самолет, который летит в три раза быстрее, чем можно представить, как разогревается обшивочный металл. Листовой металл обшивки самолета в таких условиях разогревается до +3000С.

Сегодня титан применяют неограниченно во всех сферах производства. Это медицина, авиастроение, производство кораблей.

Со всей очевидностью можно сказать, что в скором будущем титану придется подвинуться.

Учеными из США, в лабораториях Техасского университета в городе Остин, открыт самого тонкого и самого прочного материала на Земле. Назвали его - графен.

Вообразите себе пластину, толщина которой равна толщине одного атома. Но такая пластина прочнее алмаза и в сто раз лучше пропускает электрический ток, чем компьютерные чипы из кремния.

Графен - материал с поражающими свойствами. Он скоро покинет лаборатории и по праву займет свое место среди самых прочных материалов Вселенной.

Даже невозможно себе представить, что нескольких граммов графена будет достаточно, чтобы покрыть поле для игры в футбол. Вот это металл. Трубы из такого материала можно будет укладывать вручную без применения подъемно-транспортных механизмов.

Графен, как и алмаз - это чистейший углерод. Его гибкость поражает. Такой материал легко сгибается, прекрасно складывается и отлично сворачивается в рулон.

К нему уже начали присматриваться производители сенсорных экранов, солнечных батарей, сотовых телефонов, и, наконец, суперскоростных компьютерных чипов.

Американские инженеры из Сандийских национальных лабораторий утверждают, что им удалось создать самый прочный металлический сплав, который по износостойкости в сто раз превосходит самую высокопрочную сталь. Известная комбинация платины и золота, но изготовленная по-новому, стала первым сплавом, который по своим свойствам . Кроме того, новый материал естественным образом производит смазку, затраты на которую в обычных условиях слишком высоки.

Интересно, что эксперименты с платиной и золотом проводились и ранее, но до сих пор такие сплавы не проверялись на прочность с достаточной пристальностью. Дело в том, что в традиционном представлении устойчивость материала к износу зависит от его твёрдости, а данное сочетание металлов не может похвастаться этим показателем.

Однако в новой работе Джон Карри (John Curry) и его коллеги разработали принципиально новый подход. Они создали сплав, содержащий привычные 90% платины и 10% золота, который определённым образом реагирует на нагрев, что позволяет ему длительное время не деформироваться при трении. Добиться этого удалось за счёт изменения энергии границ зёрен материала посредством сегрегации (данный процесс связан с изменением свойств, состава и структуры поверхностных слоёв атомов).

Специалисты воспользовались компьютерным моделированием для исследования возможной микроструктуры на уровне отдельных атомов при различном сочетании исходных материалов. На основании этого анализа они отобрали для реальных испытаний сплавы, устойчивые к температурному воздействию.

"При разработке многих традиционных сплавов увеличения прочности материала добивались за счёт уменьшения размера зерна, - рассказывает Карри в . - И всё же при экстремальном напряжении и температуре многие из них будут расширяться или размягчаться, особенно при накоплении усталости . Но в случае с нашим сплавом мы видим отличную механическую и термическую стабильность без значительного изменения микроструктуры в течение очень длительных периодов циклического напряжения, связанного с трением".

По словам авторов исследования, если бы из нового сплава были изготовлены шины для соревнований по дрифту, в ходе которых гонщики проходят повороты в управляемом заносе и очень быстро стирают покрышки, автомобиль на таких колёсах мог бы 500 раз объехать Землю по экватору.

Во время испытаний выяснилась ещё одна удивительная особенность нового материала. При трении на его поверхности сама собой образовалась чёрная плёнка, которая оказалась алмазоподобной модификацией углерода. Такое искусственное покрытие, одновременно гладкое, как графит, и твёрдое, как алмаз, обычно выступает в качестве очень эффективной смазки, но для его производства используются сложные высокотемпературные вакуумные камеры.

"Мы считаем, что стабильность и высокая устойчивость к износу позволяет углеродсодержащим молекулам из окружающей среды прилипать к сплаву, деградировать во время скольжения, и в конечном итоге формировать алмазоподобный углерод", — объясняет Карри.

Таким образом, это самопроизвольное возникновение смазки не только продлевает срок службы материала, но и может стать альтернативным способом её производства.

В96Ц3п.ч. -Т12 (1965-1 ) – сверхпрочный сплав (σ в ≥600–645 МПа) ,рекомендуется вместо высокопрочных сплавов В95о.ч./п.ч. в виде катаных и прессованных полуфабрикатов для верхних обшивок крыла, балок, стоек и других элементов, особенно в сжатых зонах планера перспективных самолетных конструкций. Разработан специальный
режим трехступенчатого старения (Т12), который обеспечивает высокий уровень прочности (Т1) и коррозионной стойкости, близкой к стойкости в состоянии Т2.

Листы из сплава В96Ц3п.ч. перспективны для создания высокопрочных слоистых металлополимерных, биметаллических и гибридных материалов.

В96Ц3-T1 (1965) – конструкционный материал для корпусов ракетной техники.

1933 – современный ковочный сплав, применяется в термически обработанном состоянии по режимам Т2 и Т3 (σ в >500/440 МПа) , с повышенной трещиностойкостью (K 1с >34 МПа√м), используется для изготовления силовых деталей внутреннего набора планера самолета (шпангоутов, фитингов, балок, лонжеронов) в самолетах ЗАО «ГСС», АНТК «Антонов», ОАО «ОКБ “Сухого”», ОАО «Корпорация “Иркут”». Сплав превосходит по вязкости разрушения на 20–30% другие высокопрочные сплавы, в том числе зарубежные.

Сплав	Вид полуфабриката	σ в	σ 0,2	δ, %	σ в /d , км (усл. ед.)	K 1с , МПа√м	МЦУ*: N ср , кцикл
		МПа
В96Ц3п.ч.-Т12	Листы, плиты (2–60 мм); профили, полосы (5–60 мм)	≥600‒645	≥580‒620	≥8,0	21,4	≥25	240
В95о.ч.-Т2 (базовый)	Листы, плиты, профили, панели	≥500–540	≥420–460	≥7,0	17,9	≥34	150

R =0,1; K t =2,6).

Разработаны режимы малодеформационной закалки и трехступенчатого старения Т123 и Т122 крупногабаритных полуфабрикатов из сплава 1933, обеспечивающие улучшенный комплекс прочностных и ресурсных характеристик в сочетании с пониженным в 1,5–3 раза уровнем
закалочных напряжений, что позволяет уменьшить поводки и коробление сложных деталей при механической обработке.

В-1963 – перспективный высокопрочный ковочный сплав (К 1с >39/43 МПа√м) с повышенной вязкостью разрушения (K 1с >34МПа√м), предназначен для массивных сильно нагруженных деталей внутреннего силового набора. Благодаря легированию малыми добавками серебра и скандия удалось одновременно повысить прочностные характеристики – на 10–20% и усталостную долговечность –
в 1,8–2,3 раза по сравнению с серийными отечественными и зарубежными сплавами аналогичного применения.

Сплавы 1933 и В-1963 перспективны при внедрении энергоэффективной, ресурсосберегающей технологии изотермической точной штамповки для изготовления массивных деталей.

Сплав	σ в	σ 0,2		K 1с , МПа√м	МЦУ*: N ср , кцикл
	МПа
1933-Т123	≥510		≥460	≥37	200
В-1963-Т12	≥560		≥510	≥34	250
В93п.ч.-Т2 (базовый)	≥440		≥400	≥31	120
АК6п.ч.-Т1 (базовый)	≥380		≥275	≥34	120

* Малоцикловая усталость (при σ max =157 МПа; ƒ=5 Гц; R =0,1; K t =2,6).

В95о.ч., В95п.ч., 1973 (σ в ≥500–540 МПа) – современные базовые высокопрочные сплавы, применяются в виде широкой номенклатуры катаных (плит, листов)
и прессованных (профили, полосы, панели) полуфабрикатов в различных состояниях (Т1, Т2, Т3) для обшивок крыла, стрингеров (гнутых листовых и прессованных) и других элементов планера самолетов.

Листы из сплавов В95п.ч./о.ч. с односторонней плакировкой обладают повышенными прочностью, сопротивлением усталости и технологичностью.

Сплавы В95п.ч./о.ч.-Т3 также рекомендуются в виде массивных плит (толщиной до 100 мм) для внутреннего силового набора (стоек, балок и др.). Имеют высокие показатели трещиностойкости (K 1с >35 МПа√м) .

Время прочтения: 1 мин.

Металлы сопровождают человечество почти всю его сознательную жизнь. Началось это, конечно же, с меди, так как это самый податливый к обработке материал и доступный в природе.

Эволюция помогла людям значительно развиться в техническом плане и со временем они начали изобретать сплавы, которые становились все прочнее и прочнее. В наше же время эксперименты продолжаются, и каждый год появляются новые прочные сплавы. Рассмотрим же наилучшие из них.

Титан

Титан является высокопрочным материалом, который пользуется широким спросом во многих отраслях. Наиболее распространенной областью применения является авиация. Всему виной удачное сочетание малой массы и высокой прочности. Также свойствами титана является большая удельная прочность, стойкость к физическим воздействиям, температурам и коррозии.

Уран

Один из наиболее прочных элементов. В природных условиях он является слабым радиоактивным металлом. Он может встречаться в свободном состоянии, весьма тяжелый и широко распространяется повсеместно благодаря своим парамагнитным свойствам. Уран гибок, имеет высокую податливость ковке и относительную пластичность.

Вольфрам

Наиболее тугоплавкий металл из ныне известных. Имеет серебристо-серый цвет является так называемым переходным элементом. Свойства вольфрама позволяют ему сопротивляться химическим воздействиям и поддаваться ковке. Наиболее известная область применения – используется в лампах накаливания.

Рений

Металл серебристо-белого цвета. В природе можно встретить в чистом виде, однако существует и молибденовое сырье, в котором он тоже встречается. Отличительной чертой рения тугоплавкость. Он относится к дорогим металлам, поэтому стоимость его тоже зашкаливает. Главная область применения – электроника.

Осмий

Осмий – это металл серебристо-белого цвета, который имеет небольшой голубой отлив. Относится он к платиновой группе и имеет необычайно большое сходство с иридием в таких свойствах как тугоплавкость, твердость и хрупкость.

Бериллий

Этот металл представляет собой элемент имеющий светло-серый оттенок и высокую токсичность. Имея такие необычные свойства материал нашел широкое применение в сфере ядерной энергетики и лазерной техники. Высокая прочность бериллия позволяет использовать его при изготовлении легирующих сплавов.

Хром

Голубовато-белый оттенок выделяет хром из общего перечня. Он стойкий к воздействию щелочей и кислот. В природе можно встретить в чистом виде. Хром часто используется для создания различных сплавов, которые в дальнейшем находят применение в области медицины и химического оборудования.

Стоит отметить феррохром – это сплав хрома и железа. Он используется в изготовлении инструментов для резки металлов.

Тантал

Это – серебристый металл, имеющий высокую твердость и плотность. Свинцовый оттенок на металле образуется из-за возникновения на поверхности оксидной пленки. Металл хорошо поддается обработке.

На сегодняшний день тантал успешно применяется в сооружении ядерных реакторов и металлургическом производстве.

Рутений

Серебристый металл, который принадлежит к платиновой группе. Он отличается необычным составом: в него входит мышечная ткань живых организмов. Еще одним отличительным фактом есть то, что рутений используется как катализатор для многих химических реакций.

Иридий

В нашем рейтинге этот металл занимает первую строчку. Он имеет серебристо-белый цвет. Иридий также относится к платиновой группе и имеет наибольшую твердость из вышеперечисленных металлов. В современном мире он применяется очень часто. В основном он добавляется к другим металлам для улучшения их сопротивляемости кислым средам. Сам по себе металл очень дорогой, так как очень плохо распространен в природе.

Читайте также: