Титан, вольфрам или сталь: кто на самом деле самый прочный ( 4 фото )

Вопрос о самом крепком металле не имеет единственно верного ответа. Причина не в недостатке научных данных, а в том, что прочность оценивают как минимум тремя разными методами. В одной дисциплине лидирует вольфрам, в другой — хром, а в третьей — титан, который не самый твердый, но почти вдвое легче стали при сопоставимой нагрузке.

Три разных прочности

Показатель сопротивления разрыву демонстрирует, какую нагрузку способен выдержать материал до разрушения. Предел текучести определяет напряжение, после которого деталь перестает возвращать форму и остается деформированной. Твердость по шкале Мооса характеризует третье свойство — умение оставлять царапины и не получать их. Один и тот же металл может быть чемпионом в одной номинации и аутсайдером в другой.

Существует и второй нюанс — учитывать только химически чистые элементы или разрешать сплавы. В зависимости от этого подхода итоговый перечень победителей полностью меняется.

Вольфрам: рекорд среди чистых металлов

Среди чистых элементов по пределу прочности на разрыв пальму первенства удерживает вольфрам — около 980 МПа. Ему также принадлежит рекорд по температуре плавления: 3422 °C. Именно поэтому его используют для нитей накаливания, электродов и узлов, работающих в условиях, где прочие материалы испарились бы.

При этом его твердость по Моосу составляет всего 7,5 — на уровне кварца. Однако карбид вольфрама, образованный соединением с углеродом, достигает 9–9,5 баллов, и именно из него изготавливают сверла, фрезы и резцы для обработки других металлов. Чистый же вольфрамовый пруток при комнатной температуре довольно хрупок: его скорее удастся сломать, чем согнуть.

Хром царапает всех, осмий не сжимается

Если мерилом прочности считать твердость, то триумфатор окажется иным. Хром набирает 8,5 балла по Моосу — больше, чем какой-либо другой металл. Он же практически не окисляется на воздухе, из-за чего хромирование не выходит из моды в автопроме, а добавка более десяти процентов хрома превращает обычную сталь в нержавеющую.

Осмий выделяется своей плотностью: 22,59 г/см³ — тяжелее среди природных элементов не найти. Куб с ребром десять сантиметров весил бы более двадцати килограммов. Однако практической выгоды от этого немного: металл настолько хрупок, что рассыпается при обработке. Его добавляют микроскопическими порциями к иридию и платине для изготовления контактов, игл и наконечников перьев элитных ручек.

Стоимость и прочность практически не коррелируют: вольфрам копеечный по сравнению с металлами платиновой группы, а самый дорогой металл планеты — родий — расходуется граммами в автомобильных катализаторах, не демонстрируя при этом выдающихся прочностных характеристик.

Сталь — не металл, а рецепт

Сталь по-прежнему считается самым прочным конструкционным материалом, но сравнивать ее с вольфрамом некорректно: это не элемент, а целое семейство сплавов железа с углеродом. Даже доли процента углерода кардинально меняют свойства — от податливой проволоки до пружины, которую не согнуть усилием рук.

Мартенситностареющие стали с минимальным содержанием углерода, но с добавками никеля, кобальта и молибдена, достигают показателя за 2000 МПа — вдвое больше, чем у вольфрама. Их применяют для корпусов ракетных двигателей, валов центрифуг и стоек шасси. Платой за такие характеристики служат дорогие легирующие компоненты и сложная термическая обработка.

Титан: прочность, поделённая на вес

Чистый титан по прочности сопоставим со сталью, но легче ее на 45 процентов: плотность 4,5 против 7,8 г/см³. По соотношению прочности к массе титановые сплавы не имеют конкурентов, и это критично везде, где вес конструкции приходится поднимать. В Airbus A380 используется около 70 тонн титана, преимущественно в двигателях.

Промышленное применение пришло к металлу не сразу. В 1791 году британский священник и минералог-любитель Уильям Грегор обнаружил в ручье в корнуолльском приходе Маннакан черный песок: часть притягивалась магнитом и оказалась оксидом железа, а остаток не походил ни на одно известное соединение. Немецкий химик Мартин Генрих Клапрот в 1795-м независимо описал тот же оксид и назвал элемент в честь титанов — божеств, предшествовавших олимпийцам. Выделить чистый металл удалось лишь в 1910 году: американец Мэтью Хантер нагрел тетрахлорид титана с натрием в запаянном стальном сосуде. Массовое производство стартовало в 1940-х, когда Вильгельм Кролль заменил натрий магнием — процесс Кролля используется до сих пор практически без изменений.

Почему титан не ржавеет

Коррозия представляет собой перехват электронов кислородом, и большинство металлов она разрушает насквозь. Титан ведет себя иначе: на воздухе он моментально покрывается пленкой диоксида титана толщиной в несколько нанометров, которая становится непреодолимым барьером для кислорода. Эта пленка самовосстанавливается даже после царапины.

Морская вода, кислоты и щелочи не причиняют титану вреда, поэтому из него делают гребные винты, судовые трубопроводы и теплообменники для работы с соленой водой.

Именно оксидный слой сделал титан ключевым материалом в хирургии. Он нетоксичен, не провоцирует аллергию и не отторгается организмом: костная ткань прорастает прямо в поверхность импланта — явление получило название остеоинтеграции. Из титана изготавливают корни зубных имплантов, накостные пластины, эндопротезы суставов, штифты, сердечные клапаны, крепления для глазных и ушных протезов. Дополнительный плюс — упругость титана ближе к упругости кости, чем у стали, поэтому он не создает избыточной нагрузки на соседние участки скелета.

Металла всего пять процентов

Из примерно 6,3 миллиона тонн титанового сырья, перерабатываемого ежегодно, в металл превращается лишь около пяти процентов. Остальное идет на производство того самого диоксида — белого пигмента. Он вытеснил свинцовые белила, когда стали очевидны последствия их использования для здоровья, и распространился по краскам, зубной пасте, таблеткам, солнцезащитным кремам и белой глазури для тортов.

Показатель преломления диоксида титана выше, чем у алмаза, что объясняет особую яркость белого цвета. Он также отражает инфракрасное излучение — поэтому купола солнечных обсерваторий красят титановыми белилами: рассеянное тепло ухудшает качество изображения.

В середине 1990-х титан ворвался в спорт. Первым громким продуктом стал драйвер Callaway Great Big Bertha — клюшка стоила немало, но продавалась настолько хорошо, что за титан взялись производители ракеток, велосипедных рам, лыж и даже подков для скаковых лошадей.

Фрэнк Гери обшил титаном музей Гуггенхайма в Бильбао: 33 тысячи панелей толщиной около 0,38 миллиметра каждая. На ветру они слегка колышутся, и здание меняет оттенок в зависимости от погоды.

Если бы вам пришлось выбирать материал для всей своей жизни — что бы вы предпочли: проверенную годами сталь или современный, но дорогой титан?