Материалы определяли прогресс человеческой цивилизации, начиная с самых ранних инструментов и оружия и заканчивая современными сложными машинами и технологиями. Откройте для себя самые прочные материалы в мире и узнайте, почему промышленность полагается на них в экстремальных условиях.
Не все металлы и материалы одинаковы — некоторые выделяются своей невероятной твёрдостью, прочностью и способностью выдерживать экстремальные условия. Эти – не просто научные диковинки, а жизненно важные компоненты в отраслях, требующих стойкости и долговечности.
Читайте: 10 самых быстрых поездов в мире – Настоящее и будущее путешествий на рекордной скорости
Способы измерения прочности
Прочность материалов измеряется несколькими способами, каждый из которых отражает их реакцию на различные виды нагрузок.
Прочность на разрыв показывает максимальную силу, которую материал может выдержать при растяжении, прежде чем разорваться. В свою очередь, прочность на сжатие измеряет его способность сопротивляться сдавливанию или раздавливанию и часто выражается по шкале твёрдости Мооса (сравнительная шкала для оценки твёрдости).
Предел текучести описывает точку, в которой материал необратимо деформируется под нагрузкой, обозначая границу между упругой гибкостью и разрушением конструкции — это ключевой параметр для инженеров, проектирующих несущие конструкции.
Наконец, ударная вязкость оценивает способность материала поглощать внезапные удары без разрушения, подчёркивая, что одна лишь твёрдость не всегда означает прочность.
От природных элементов, найденных глубоко в недрах Земли, до конструкционных сплавов, раздвигающих границы науки, — эти материалы раскрывают поразительную прочность, скрытую в ресурсах нашей планеты. Итак, давайте взглянем на самые твёрдые материалы, известные человечеству.
1. Бор
Твёрдость по Моосу: 9.5
Бор был одновременно открыт в 1808 году французскими химиками Жозефом-Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром, а также независимо от них — британским химиком сэром Гемфри Дэви.
Своё название элемент получил от буры — первого минерала, из которого был извлечён. Несмотря на исключительную твёрдость, приближающуюся к алмазу, бор слишком хрупок для прямого использования в инструментах или конструкциях.
Вместо этого он широко применяется в стекольной промышленности для создания боросиликатных стёкол, в ядерной энергетике в качестве поглотителя нейтронов и в производстве современной керамики.
2. Карбид вольфрама
Твёрдость по Моосу: 9.0–9.5
Карбид вольфрама — один из самых твёрдых конструкционных материалов, получаемый путём соединения вольфрама и углерода под воздействием высокой температуры и давления.
Впервые разработанный в начале XX века для нужд промышленной обработки металлов, он быстро преобразил производство, предложив материал почти такой же твёрдый, как алмаз, но при этом более прочный.
Его непревзойдённая твёрдость делает карбид вольфрама незаменимым сплавом для свёрл, режущих инструментов и горнодобывающего оборудования, которые подвергаются сильному износу. Он также используется в износостойких покрытиях, волочильных досках для производства проволоки и деталях современных двигателей.
Помимо промышленности, материал нашёл применение в военных бронебойных снарядах и ювелирном деле, где устойчивость к царапинам и блеск делают его популярным выбором для колец и элитных аксессуаров.
3. Карбид титана
Твёрдость по Моосу: 9.0–9.5
Карбид титана относится к классу сверхтвёрдых материалов, впервые синтезированных в конце XIX века.
Его получение стало возможным благодаря работам французского химика Анри Муассана, который разработал электрическую дуговую печь, позволившую достигать экстремальных температур, необходимых для соединения титана с углеродом.
Этот материал обладает не только исключительной твёрдостью, сопоставимой с карбидом вольфрама, но и чрезвычайно высокой температурой плавления (около 3160 °C) и превосходной износостойкостью.
Благодаря этим характеристикам карбид титана является ключевым компонентом в производстве керметов — композитных материалов, сочетающих твёрдость керамики и вязкость металла.
Он широко используется для создания режущих инструментов, свёрл и фрез, а также для нанесения износостойких покрытий на промышленные детали, часы и даже медицинские имплантаты, значительно продлевая их срок службы.
4. Хром
Твёрдость по Моосу: 8.5
Хром был впервые идентифицирован в 1797 году французским химиком Луи-Николя Вокленом при изучении минерала из Сибири.
Известный как самый твёрдый чистый элементарный металл, хром наиболее знаменит как легирующая добавка (компонент, вводимый в состав сплавов для улучшения их свойств), которая укрепляет и улучшает другие металлы.
Наиболее заметное его применение — в нержавеющей стали, где содержание хрома не менее 10,5% придаёт сплаву поразительную коррозионную стойкость. Кроме того, хром блистает в декоративных покрытиях для автомобилей, сантехнике и оборудовании.
5. Вольфрам
Твёрдость по Моосу: 7.5
Вольфрам, первоначально известный как вольфрамит, был впервые выделен в 1783 году испанскими химиками Хуаном Хосе и Фаусто Элюаром.
Они извлекли его из вольфрамитовой руды путём восстановления древесным углём. Известный своей чрезвычайной твёрдостью и рекордно высокой температурой плавления в 3422°C, вольфрам – важный компонент для материалов, применяемых при высоких температурах и нагрузках.
Долговечность сделала его основным материалом для нитей накаливания в лампочках, а аэрокосмическая промышленность использует сплавы вольфрама для сопел ракет и теплозащитных экранов.
6. Ванадий
Твёрдость по Моосу: 7.0
Ванадий был первоначально открыт в 1801 году испано-мексиканским минералогом Андресом Мануэлем дель Рио.
Сегодня ванадий ценится за его мощное воздействие на стальные сплавы даже в очень малых количествах. Добавление его даже в небольших долях может значительно повысить прочность материала на разрыв и износостойкость.
Быстрорежущие инструменты благодаря ванадию, сохраняют остроту кромок при высоких температурах, а автомобильная промышленность использует закалённые ванадием стали в пружинах, осях и коленчатых валах.
Помимо металлургии, пятиокись ванадия служит катализатором при производстве серной кислоты, а к новым областям применения относятся ванадиевые проточные аккумуляторы для крупномасштабного хранения энергии.
7. Рений
Твёрдость по Моосу: 7.0
Рений был последним открытым элементом из встречающихся в природе – идентифицирован в 1925 году немецкими химиками Вальтером Ноддаком, Идой Такке и Отто Бергом.
Рений ценится за свои исключительные свойства: он отличается высокой температурой плавления 3186 °C и сохраняет прочность при экстремальном нагреве. Эти качества делают его незаменимым для лопаток турбин реактивных двигателей, где суперсплавы на основе рения выдерживают интенсивные нагрузки и температуру.
Сплавы вольфрама и рения используются в термопарах (датчики для измерения высоких температур), способных измерять до 2200 °C, а нефтехимическая промышленность полагается на рениевые катализаторы для процессов гидрогенизации и риформинга.
8. Осмий
Твёрдость по Моосу: 7.0
Осмий был открыт в 1803 году английским химиком Смитсоном Теннантом вместе с иридием.
Он был найден в чёрном осадке, оставшемся после растворения неочищенной платины в царской водке (смесь концентрированных азотной и соляной кислот). Несмотря на то что осмий является самым плотным природным элементом, его чрезвычайная хрупкость и токсичность серьёзно ограничивают его применение.
Исторически осмий использовался для наконечников перьевых ручек и игл фонографов, где были важны твёрдость и износостойкость. Современные области его применения остаются узкоспециализированными, включая обнаружение отпечатков пальцев и высокоизносостойкие электрические контакты.
9. Тантал
Твёрдость по Моосу: 6.5
Тантал был открыт в 1802 году шведским химиком Андерсом Густавом Экебергом, который обнаружил его в минералах из Финляндии и назвал в честь сына Зевса из греческой мифологии.
Исключительная коррозионная стойкость и хорошая твёрдость тантала делают его идеальным для оборудования химической промышленности, работающего в агрессивных средах.
Электронная промышленность в значительной степени полагается на танталовые конденсаторы из-за их высокого соотношения ёмкости к объёму в таких устройствах, как смартфоны и компьютеры.
Тантал также используется в медицине, а в аэрокосмической отрасли его сплавы применяются в высокотемпературных компонентах турбин.
10. Иридий
Твёрдость по Моосу: 6.5
Иридий был открыт одновременно с осмием в 1803 году Смитсоном Теннантом, который выделил оба элемента из чёрного осадка растворённой платиновой руды.
Иридий ценится за свою исключительную твёрдость и поразительную коррозионную стойкость даже при очень высоких температурах. Эти качества делают его незаменимым в сферах, требующих чрезвычайной долговечности.
В авиации электроды с иридиевыми наконечниками используются в высокопроизводительных свечах зажигания, обеспечивая более длительный срок службы и надёжное зажигание в интенсивных условиях.
В последние годы электронная промышленность начала использовать иридий для производства светодиодов (LED) и передовых дисплейных технологий.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU