Твердость металлов и самые прочные металлы в мире

Твердость - одно из наиболее значимых механических свойств металлов. Она определяет способность материала сопротивляться деформации в локальных условиях - преимущественно вдавливании, царапании, резании или износе.

Давайте разберемся в этих вопросах: что такое твердость металла, как она измеряется и как ее повысить. Вы также можете получить удобную таблицу твердости металлов и узнать десять самых прочных металлов, когда-либо известных человеку.

Что такое твердость металла?

Твердость металла - это способность металла сопротивляться деформации, то есть постоянным деформациям, таким как царапины или вмятины. Она связана с другими механическими свойствами, такими как вязкость и прочность, но не является одним и тем же.

Существует несколько типов твердости:

• Твердость царапины - сопротивление царапинам (например, по шкале Мооса).
• Твердость при вдавливании - сопротивление постоянному вдавливанию неподвижным объектом (например, по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу).
• Твердость при отскоке - сопротивление упругой деформации, измеряемое по высоте отскока после удара (например, тест Лееба).

Вольфрам, титан и твердые стальные металлы обычно имеют высокую твердость и поэтому оптимальны для износостойких применений.

Измерение твердости металла

1. Тест на твердость по Бринеллю (BHN): Используется карбид вольфрама или стальной шарик для вдавливания в поверхность. Используется для более мягких металлов; обеспечивает среднюю твердость на большей площади поверхности.
2. Тест на твердость по Роквеллу (HR): Распространен в промышленности, применяется для проверки глубины вдавливания по ряду шкал (например, HRC для твердой стали). Быстро и легко выполняется.
3. Тест на твердость по Виккерсу (VHN): Используется алмазный пирамидальный индентор для точного испытания тонких или небольших образцов. Высокоточный, но более трудоемкий.
4. Шкала твердости Мооса: Быстрый тест на царапины в диапазоне от 1 (тальк) до 10 (алмаз). Удобна для быстрого качественного тестирования.
5. Тест твердости Либа (HL): Инструмент для измерения скорости отскока, который можно носить в руке. Идеально подходит для больших или закрепленных предметов.

Таблица твердости металлов

Чтобы лучше понять, как различные металлы соотносятся друг с другом по твердости, здесь приведена справочная таблица с перечнем материалов, часто встречающихся в различных шкалах твердости. Эти значения являются приблизительным ориентиром, но на них могут влиять некоторые комбинации сплавов, методы производства и термообработки.

Топ-10 самых прочных металлов в мире

Прочность и твердость - понятия не тождественные, но близкие. Однако самые прочные металлы в большинстве своем являются самыми твердыми. Вот список 10 самых прочных металлов:

1. Вольфрам (прочность на разрыв: ~1510 МПа, твердость по шкале Мооса: ~9)

Вольфрам обладает самым высоким пределом прочности на разрыв среди чистых металлов и чрезвычайной твердостью. Он не теряет своей прочности даже при очень высоких температурах, поэтому имеет огромное значение для аэрокосмических компонентов, режущих инструментов и военных применений.

2. Инконель (прочность на разрыв: >1000 МПа, твердость по Моосу: 6,5-7)

Инконель - это семейство никель-хромовых суперсплавов, устойчивых к высоким температурам и твердости. Он используется в реактивных двигателях, газовых турбинах и химических установках благодаря своей устойчивости к коррозии и окислению.

3. Титан (прочность на разрыв: ~1000 МПа, твердость по Моосу: ~6)

Титан обладает прочностью на растяжение, низкой плотностью и умеренной твердостью. Соотношение прочности и веса, а также устойчивость к коррозии делают его лучшим материалом для использования в аэрокосмической промышленности, имплантационных устройствах и морской среде.

4. Инструментальная сталь (закаленная сталь) (прочность на разрыв: 700-1000 МПа, твердость по Моосу: ~7)

Такие стали, как A2, D2 и H13, подвергаются термообработке для достижения высокой поверхностной прочности и твердости. Они широко используются для изготовления оснастки, литья под давлением и износостойких деталей.

5. Ванадий (прочность на разрыв: ~800 МПа, твердость по Моосу: ~6,7)

Ванадий обладает высокой прочностью на разрыв, усиливается и упрочняется при легировании сталью. Он находит широкое применение в аэрокосмических компонентах, броневом покрытии и высокоскоростной оснастке.

6. Хром (прочность на разрыв: ~418 МПа, твердость по Моосу: 8,5-9)

Хотя прочность на разрыв хрома средняя, это самый твердый металл природного происхождения по шкале Мооса. Он является важным элементом при производстве нержавеющей стали и обеспечивает отличную защиту от износа и коррозии при нанесении покрытий.

7. осмий (прочность на разрыв: ~600 МПа, твердость по шкале Мооса: ~7)

Осмий относится к числу самых плотных и твердых материалов. Несмотря на хрупкость, он обладает высокой износостойкостью и используется в таких специализированных отраслях, как производство наконечников для перьевых ручек и электрических контактов.

8. Иридий (прочность на разрыв: ~540 МПа, твердость по Моосу: ~6,5)

Иридий - чрезвычайно твердый и устойчивый к коррозии металл даже при высоких температурах. Он широко используется в свечах зажигания, тиглях и оборудовании для глубоководной связи, хотя и отличается высокой хрупкостью.

9. Ниобий (прочность на разрыв: ~275 МПа, твердость по Моосу: ~6)

Ниобий находит применение преимущественно в качестве легирующей добавки для повышения прочности конструкционных сталей и в производстве сверхпроводников. Хотя он не является самым прочным металлом в своей элементарной форме, он значительно усиливает другие материалы.

10. Тантал (прочность на разрыв: ~200 МПа, твердость по Моосу: ~6,5)

Тантал может быть менее прочным на разрыв, но он чрезвычайно устойчив к коррозии и обладает хорошей твердостью. Он широко используется в электронике (особенно в конденсаторах), медицинских имплантатах и аэрокосмических компонентах, где химическая стабильность является обязательным условием.

Примечание: Этот пример доказывает, что, хотя прочность на разрыв является одним из ключевых показателей качества металла, твердость, коррозионная стойкость и термическая стабильность не менее важны для определения наиболее подходящего материала для конкретного промышленного или инженерного требования.

Заключение

Твердость металлов является важным параметром при оценке пригодности материала для использования в определенных промышленных или конструкционных целях. Понимание того, что такое твердость, ее измерение и повышение позволяет инженерам принимать более обоснованные решения и максимально использовать металлы для изготовления инструментов, конструкций, машин и сложных устройств. Лидерами по твердости являются вольфрам, хром и закаленная сталь, но выбор металла всегда зависит от конкретного набора свойств, необходимых для выполнения работы. Дополнительную информацию можно получить в Stanford Advanced Materials (SAM).