Твердость — один из ключевых параметров, определяющих область применения металлов. Она определяет способность материала сопротивляться механическому воздействию, истиранию, царапинам и пластической деформации. Существует несколько методов измерения твердости. Технологии выбираются в зависимости от типа материала.
Шкалы твердости
Твердость металлов измеряется по разным методам. Для этого используются шкалы:
- Шкала Мооса — одна из самых старых шкал, применяемая для определения относительной твердости материалов на основе их способности царапать друг друга. Металлы на этой шкале уступают минералам, но среди них выделяются вольфрам и хром.
- Шкала Бринелля (HB) — для измерения твердости металлов по технологии вдавливания шарика из металла в поверхность образца.
- Шкала Виккерса (HV) — применяется в случаях, когда требуется высокая точность измерений. Оценивает твердость через сравнение с алмазным наконечником.
- Шкала Роквелла (HRC, HRB, HRA) — распространена в промышленности. Позволяет измерять твердость материалов различной прочности с использованием стального или алмазного индентора.
- Шкала Кнупа (HK) — предназначена для определения микротвердости тонких покрытий и хрупких материалов.
Для мягких металлов (алюминий, медь, латунь) чаще применяют методы Бринелля и Роквелла (HRB). Для твердых сталей, инструментальных сплавов - метод Виккерса, Кнупа или Роквелла (HRC). Для сверхтвердых материалов применяют методы Виккерса и Мартенса.
В ТОП самых твердых металлов входят:
1-е место: Вольфрам (W)
Вольфрам считается самым твердым металлом в чистом виде. Его твердость по методу Мооса равна 7,5, а по Виккерсу — около 2600 HV. Кроме того, он наиболее тугоплавкий среди металлов. Показатель составляет 3422 °C. Вольфрам незаменимым в производстве жаропрочных сплавов, бронебойных снарядов и электрических спиралей.
2-е место: Хром (Cr)
Хром имеет твердость 8,5 по Моосу, что делает его самым твердым из простых металлов. Этот металл широко используется в качестве покрытия для повышения износостойкости и защиты от коррозии.
3-е место: Осмий (Os)
Осмий — один из самых плотных элементов на Земле. Его твердость составляет около 4000 HV по Виккерсу. Он применяется в создании прочных сплавов для инструментов и электрических контактов.
4-е место: Тантал (Ta)
Тантал с твердостью 2000 HV отличает коррозионная стойкость. Плавка проходит при температуре в 3017°C. Используется в авиакосмической отрасли, электронике и медицине.
5-е место: Бериллий (Be)
Бериллий с твердостью по Виккерсу в 1400 HV, но при этом имеет очень малую плотность. Это делает его важным компонентом авиационных и космических конструкций.
6-е место: Рений (Re)
Рений имеет твердость около 1500 HV и температуру плавления 3180 °C. Используется в жаропрочных сплавах для реактивных двигателей и катализаторов в химической промышленности.
7-е место: Иридий (Ir)
Иридий — один из самых устойчивых к химическим и механическим воздействиям металлов. Его твердость составляет около 1600 HV, и он широко применяется в высокотемпературных сплавах и электротехнических контактах.
Инновационные материалы и сплавы
Современная наука и технологии позволяют создавать материалы, превосходящие природные металлы по твердости.
Титановые сплавы
Титан сам по себе не самый твердый металл (по Моосу — 6), но его сплавы, Ti-6Al-4V характеризует прочность и малый вес. Они используются в медицине, авиации и космической промышленности.
Тантал-карбид (TaC) и Гафний-карбид (HfC)
Эти соединения обладают невероятной твердостью (более 3000 HV) и температурой плавления свыше 4000 °C. Они используются для покрытия режущего инструмента и жаропрочных компонентов.
Бориды металлов (WB, TiB2, ZrB2)
Эти соединения обладают высокой твердостью (до 5000 HV) и устойчивостью к высоким температурам, что делает их востребованными в аэрокосмической и военной промышленности.
Наноструктурированные металлы
Создание металлов с наноструктурой позволяет значительно повысить их механические свойства. Например, ультрамелкозернистая медь или наноструктурированный титан обладают повышенной твердостью и износостойкостью.
Аморфные металлы
Эти материалы также называют металлическими стеклами. Они представляют собой сплавы, не имеющие кристаллической решетки, что придает им прочность и твердость. Они используются в высокотехнологичных отраслях, таких как авиакосмическая промышленность и производство медицинских инструментов.
Графеновые композиты
Графен — это материал из углеродных атомов, организованных в один слой. Он обладает исключительной прочностью, твердостью и легкостью. В сочетании с металлами графеновые покрытия могут значительно увеличивать их износостойкость.
Сплавы на основе интерметаллидов
Интерметаллиды — это соединения металлов, образующие упорядоченные структуры с высокой термостойкостью и прочностью. Они находят применение в авиации и машиностроении.
Сверхтвердые керамические композиты
Современные композиты на основе карбида кремния, и других ультратвердых материалов применяются в броне, режущих инструментах и даже в производстве процессоров.
Твердость металлов является важным параметром, определяющим их применение в различных сферах. Самыми твердыми металлами в чистом виде считаются вольфрам, хром и осмий, а их сплавы и соединения позволяют создавать инновационные материалы с уникальными свойствами. Развитие новых технологий, таких как наноструктурирование и создание суперсплавов, позволяет ученым разрабатывать металлы, превосходящие природные аналоги по твердости и прочности, что открывает новые возможности в промышленности и науке.