Титан – самый прочный металл

Металл, который в итоге назвали «титан», открыли в конце 18 века независимо друг от друга Уильям Грегор (Англия) и Мартин Клапрот (Германия). Грегор новый элемент назвал «менакин», а Клапрот – «титан». Позже выяснилось, что в обоих случаях это был не чистый металл, а его диоксид — минерал рутил. В 1805 году французский учёный Луи Воклен обнаружил титан в минерале анатазе, доказав, что рутил и анатаз — полиморфные разновидности диоксида титана с одинаковой химической формулой ТіО₂.

Анатаз (ТіО2), кристалл 2,7 х 2,1 х 2 см. Провинция Хордаланн (Норвегия).

Относительно чистый титан из-за сложности очистки был получен только в 1825 году шведским химиком Якобом Берцелиусом. Предложенное Клапротом название «титан» в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, позже и утвердилось за этим элементом.

И лишь в 1925 году голландские учёные ван Аркель и де Бур получили титан высокой степени чистоты – 99,9 %. Хотя на самом деле чистый титан был впервые получен в 1875 г. русским ученым Д.К. Кирилловым. Результаты его опытов были опубликованы в статье «Исследования над титаном». Но работа малоизвестного российского химика осталась незамеченной.

Титановый кристаллический пруток высокой чистоты (99,99 %), масса 283 г.

После получения титана высокой степени чистоты выяснилось, что его свойства напрямую зависят от степени очистки от примесей. Чистый титан обладает значительной твердостью: в 12 раз тверже алюминия и в 4 раза твёрже железа и меди. В чистом виде титан (Ti) – серебристо-серый лёгкий металл № 22 в Таблице Менделеева с атомной массой 47,86. Он отличается самым большим отношением прочности к массе из всех элементов таблицы.

Это значит, что пластина из титана будет весить на 50% меньше, чем из стали, при одинаковой прочности.

По распространённости в земной коре титан находится на 10-м месте, где его среднее содержание (кларк) составляет 5,7 кг/т. Известно более 100 титановых минералов, важнейшими из которых являются: рутил(анатаз) TiO₂, ильменит FeTiO₃, титаномагнетит FeTiO₃ + Fe₃O₄, перовскит CaTiO₃, титанит (сфен) CaTiSiO₅.

Ильменит (титанистый железняк, FeTiO₃) _{– весьма распространённый минерал лунных горных пород. Эти данные были получены после изучения образцов пород, доставленных на Землю по программе «Аполлон» (НАСА) в 1969-72 годах.}

Ильменит (FeTiO3), кристалл 10 см, Ильменские горы, Ю. Урал.

Анализ данных, полученных с лунных орбитальных станций последних лет, позволяет утверждать, что концентрации титана в отдельных областях Луны соизмеримы с концентрациями этого элемента на земных месторождениях. Так как титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- ,ракето — и кораблестроении, потребности промышленности в этом металле с каждым годом будут расти.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами этого элемента. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений, равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений – Ярегское, находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 %.

Топ 10 самых прочных металлов в мире

Использование металлов в повседневной жизни началось на заре развития человечества. В первую очередь была освоена медь, которая доступна в природе и легко поддается обработке. До сих пор археологи при раскопках находят различные медные изделия и домашнюю утварь. В процессе эволюции люди постепенно учились соединять различные металлы, получая все более прочные сплавы, пригодные для изготовления орудий труда, а позже и оружия. В наше время продолжаются эксперименты, благодаря которым можно выявить самые прочные металлы в мире.

10 Титан

Титан – высокопрочный твердый металл, который сразу же привлек к себе внимание. Свойствами титана являются: высокая удельная прочность; стойкость к высоким температурам; низкая плотность; коррозийная стойкость; механическая и химическая стойкость. Титан применяется в военной промышленности, медицине авиации, кораблестроении, и других сферах производства.

---

9 Уран

Самый известный элемент, который считается одним из самых прочных металлов в мире, и в нормальных условиях представляет собой слабый радиоактивный металл. В природе находится как в свободном состоянии, так и в кислых осадочных породах. Он достаточно тяжел, широко распространен повсеместно и обладает парамагнитными свойствами, гибкостью, ковкостью, и относительной пластичностью. Уран применяется во многих сферах производства.

---

8 Вольфрам

Известен как самый тугоплавкий металл из всех существующих, и относится к самым прочным металлам в мире. Представляет собой твердый переходный элемент блестящего серебристо-серого цвета. Обладает высокой прочностью, отличной тугоплавкостью, стойкостью к химическим воздействиям. Благодаря своим свойствам поддается ковке, и вытягивается в тонкую нить. Известен в качестве вольфрамовой нити накаливания.

---

7 Рений

Среди представителей данной группы считается переходным металлом высокой плотности серебристо-белого цвета. В природе встречается в чистом виде, однако встречается в молибденовом и медном сырье. Отличается высокой твердостью и плотностью, и имеет отличную тугоплавкость. Обладает повышенной прочностью, которая не теряется при многократных перепадах температур. Рений относится к дорогим металлам и имеет высокую стоимость. Используется в современной технике и электронике.

---

6 Осмий

Блестящий серебристо-белый металл со слегка голубоватым отливом, относится к платиновой группе и считается одним из самых прочных металлов в мире. Аналогично иридию имеет высокую атомную плотность высокую прочность и твердость. Поскольку осмий относится к платиновым металлам, имеет схожие с иридием свойства: тугоплавкость, твердость, хрупкость, стойкость к механическим воздействиям, а также к влиянию агрессивных сред. Нашел широкое применение в хирургии, электронной микроскопии, химической промышленности, ракетной технике, электронной аппаратуре.

---

5 Бериллий

Относится к группе металлов, и представляет собой элемент светло-серого цвета, обладающий относительной твердостью и высокой токсичностью. Благодаря своим уникальным свойствам бериллий применяется в самых различных сферах производства: ядерной энергетике; аэрокосмической технике; металлургии; лазерной технике; атомной энергетике. Из-за высокой твердости бериллий используется при производстве легирующих сплавов, огнеупорных материалов.

---

4 Хром

Следующим среди самых прочных металлов в мире является хром – твердый, высокопрочный металл голубовато-белого цвета, стойкий к воздействию щелочей и кислот. В природе встречается в чистом виде и широко применяется в различных отраслях науки, техники и производства. Хром используется для создания различных сплавов, которые используются при изготовлении медицинского, а также химического технологического оборудования. В соединении с железом образует сплав феррохром, который используется при изготовлении металлорежущих инструментов.

---

3 Тантал

Тантал является одним из самых прочных металлов в мире. Он представляет собой серебристый металл с высокой твердостью и атомной плотностью. Благодаря образованию на его поверхности оксидной пленки, имеет свинцовый оттенок. Отличительными свойствами тантала являются высокая прочность, тугоплавкость, стойкость к коррозии, воздействию агрессивных сред. Металл является достаточно пластичным металлом и легко поддается механической обработке. Сегодня тантал успешно используется: в химической промышленности; при сооружении ядерных реакторов; в металлургическом производстве; при создании жаропрочных сплавов.

---

2 Рутений

Рутений – серебристый металл, принадлежащий к платиновой группе. Его особенностью является наличие в составе мышечной ткани живых организмов. Ценными свойствами рутения являются высокая прочность, твердость, тугоплавкость, химическая стойкость, способность образовывать комплексные соединения. Рутений считается катализатором многих химических реакций, выступает в роли материала для изготовления электродов, контактов, острых наконечников.

---

1 Иридий

Самый прочный металл – иридий – серебристо-белый, твердый и тугоплавкий, который относится к платиновой группе. В природе высокопрочный элемент встречается крайне редко, и часто входит в соединение с осмием. Из-за своей природной твердости он плохо поддается механической обработке и обладает высокой стойкостью к воздействию химический веществ. Иридий с большим трудом реагирует на воздействие галогенов и перекиси натрия. Этот металл играет важную роль в повседневной жизни. Его добавляют к титану, хрому и вольфраму для улучшения стойкости к кислым средам, применяют при изготовлении канцелярских принадлежностей, используют в ювелирном деле для создания ювелирных изделий. Стоимость иридия остается высокой из-за ограниченного присутствия в природе.

Источник

Материалы для корпуса часов: титан

Титан не так давно стал популярным материалом в высокотехнологичных часах, и на это есть свои причины. Это один из лучших изобретенных инженерами материалов всех времен, а также один из самых лучших материалов для изготовления часов.

Материалы для изготовления часов должны обладать следующими качествами: твердость, крепость, легкость.

 

Существует очень много сплавов титана – как и всех инженерных материалов. Наиболее широко известный Ti-6Al-4V, который называется титаном с уровнем прочности, равным 5. Это также сплав, о котором речь идет в данной статье. Он используется для изготовления деталей в самолетостроении.

Примерно два последних века эксперименты с тиатном проводились в лабораториях. В прошлом веке были разрботаны методы использования титана в промышленных целях. До недавна он использовался эксклюзивно как материал для постройки космичеких кораблей, а затем медленно проник во многие отрасли, включая часовую промышленность. Титан в 50 раз дороже карбона, но все же остается более дешевым материалом по отношению к драгоценным металлам.

 

Титан считается одним из самых прочных и долговечных материалов. Кроме корпуса часов, его еще можно использовать внутри механизма, для изготовления коронки или кнопок. Титан выдерживает давление до 1000 Мпа, что в 5 раз больше обыкновенной стали. Даже титан без примесей (Grade 2) обладает прочностью до 350 Мпа. Тем не менее, существуют сплавы стали, которые даже прочнее титана, например, сталь для изготовления инструментов или запчастей для космических кораблей (достигает 2000 МПа). 

 

Сталь – отличный материал, но титан обходит его по части легкости (веса). При одном и том же объеме вес титана меньше в два раза. Так же и в корпусе часов: если твердость титана и стали будет одинаковой, то вес часов будет отличаться. Известно, что в производтсве часов не используются очень твердая сталь. Твердые сплавы стали – удел самолетостроения. Нержавеющая сталь, которая широко используется в производстве часов,  обладает низкой твердостью. Поэтому титановый корпус почти вдвое легче стального корпуса с такими же характеристиками твердости.

 

Другим исключительным свойством титана является его устойчивость к коррозии. Он настолько хорошо, что практически невозможно подвергнуть титан коррозии. Он не вступает в реакцию со всеми кислотами, кроме азотной. Но азотная кислота не так часто встречается в повседневной жизни. По устойчивости к коррозии титан напоминает платину, а из инженерных металлов только цирконий превосходит титан по устойчивости к ржавению. Высокая устойчивость к коррозии – ключ к гипоаллергенным свойствам титана. Он настолько инертен из-за окисного слоя, что не реагирует с человеческим телом, поэтому титан широко используют в медицине.

Есть определенные области, где сталь опережает титан. Например, жесткость, которая обозначает насколько материал меняется под воздействием давления. Сталь обладает более высокой жесткостью, нежели титан. Для корпуса часов это не имеет большого значения, разве что в часах для дайвинга.

 

Твердость титана ниже, чем у некоторых видов стали. Поэтому его легче поцарапать, чем сталь. Но титан намного тверже, чем золото, платина и алюминий. Различные покрытия могут увеличить твердость титана. Обработка титана трудоемкая. Множество операций по обработке титана увеличивают его стоимость. 

Титан – очень хороший материал, поэтому его продолжают использовать при постройке самолетов-истребителей. Одним из главных конкурентов титана является карбоновое волокно. Если приобрести титановые часы с хорошим покрытием, они будут долго радоваьт своего владельца.

 

Ссылка на статью:

https://luxwatch.ua/watch-news/view/1703

iPhone 14 из титана — что известно о новом дизайне Apple

Согласно инвесторскому отчету американского финансового холдинга JP Morgan Chase, в 2022 году представят iPhone 14  с новым дизайном корпуса из титанового сплава.   Это станет одним из самых больших изменений для высококлассных моделей.

27 июля 2021 года Гаджеты 1 минута, 21 секунда читать 225

Apple будет впервые изготавливать титановые рамы для своих смартфонов. Их авторским производством займётся компания Foxconn.

Последние рамы IPhone выполнены из двух металлов — алюминия и нержавеющей стали. “Яблочная” корпорация уже использует титан в некоторых моделях Apple Watch Series 6 и Apple Card, которая полностью сделана из прочного материала.

Титан легче стали, но не уступает ей по прочности. По сравнению с алюминием и сталью, титан имеет высокую твердость, поэтому устойчив к ударам и царапинам, а также не поддается коррозии. Благодаря своей жесткости, металл выдерживает любые нагрузки на изгибы.

Однако у материала есть недостаток — маркость. На поверхности титанового сплава сильно заметны отпечатки пальцев, которые пачкают устройство, оставляя некрасивые следы.

Apple активно занимается решением этой проблемы. Недавние патентные заявки показали, что компания собирается использовать тонкие оксидные покрытия для металлических поверхностей, предотвращающие маркость телефонов.

Также документ подтвердил инсайдерские слухи, что у новинок будет больше изменений, чем у предстоящих моделей iPhone 13.

Компания отметит следующий год как «суперцикл iPhone» и с появлением высококлассных моделей планирует привлечь как можно больше новых пользователей.

Источник: macrumos

Титановый клинок: маркетинговый трюк или технологический прорыв?

Титановый клинок: маркетинговый трюк или технологический прорыв?

О ножах из титановых сплавов впервые заговорили флотские саперы – боевые пловцы, работающие с противокорабельными морскими минами. Немагнитность, практически абсолютная коррозионная стойкость, небольшой вес (на 40% меньше чем у стальных габаритных аналогов) делали этот металл практически идеальным в узкой области трудовой деятельности водолазов, которым был нужен прочный и не подверженный коррозии инструмент.

Во многом своему коммерческому успеху дайверские ножи из титановых сплавов обязаны и репутации американских боевых пловцов – «котиков» или Navy Seals. Именно эта элита ВМФ США первыми получила на снабжения новые ножи, обладание которыми в настоящее время весьма желанно и для дайвера-любителя, и для коллекционера. Кроме того крупнейшим потребителями титановых сплавов до настоящего времени остаются наиболее инновационные отрасли промышленности – авиакосмическая, военная и медицинская. Все это создало вокруг титана и его сплава некий ареол загадочности, заставляя приписывать этим материал полумагические свойства, которыми они, естественно, не обладают. И если появление на прилавках магазинов для любителей водных видов спорта титановых ножей в ассортименте оправдано наличием у них комплекса требуемых свойств, первым из которых является нечувствительность к агресcивной морской воде, то к чему титановый клинок, к примеру, на поварской модели? Попробуем внести ясность в этот вопрос.

И вновь о нанотехнологиях.

Широкое применение сплавов титана в аэрокосмической отрасли повлекло массовое заблуждение о его феноменальной прочности. На самом деле главные его достоинства – коррозионная стойкость при меньшем весе: в сравнении со сталью на 40%. В авиации за титаном даже закрепилось прозвище «летучий металл»: злые языки утверждают, что оно «прикипело» не в последнюю очередь благодаря поломкам ответственных высоконагруженных деталей в самое неподходящее время. Механические свойства титана определяются присутствующими в нем фазами. Титан имеет две аллотропические формы: альфа-титан с гексагональной решеткой и бета-титан с объемно-центрированной решеткой. Общепринято деление промышленных титановых сплавов на 3 группы по типу структуры: альфа-фаза, бета-фаза и смешанная альфа-бета фаза. Изменяя относительное содержание этих фаз в сплаве титана, можно управлять и механическими свойства сплава.

Так альфа-фаза титана сравнительно мягка, вязка и пластична, поэтому ни для силовых элементов, ни для клинков ножей не подходит. Наиболее широкое применение в промышленности нашли двухфазные альфа-бета-сплавы, которые могут быть термически обработаны до достаточно высокой прочности. Такие сплавы как Ti-6Al-4V (отечественный аналог ВТ-6) нашли широкое применение в промышленности, обладая целым комплексом полезных свойств: прочностью, коррозионной стойкостью, небольшим весом. Эти же полезные свойства стимулировали массовое использование титановых спав на поварской утвари для туристов-походников и альпинистов, у которых на учете каждый грамм снаряжения. Однако ножами из этого материала резать что-то более твердое, чем продукты питания было невозможно. При удовлетворительной прочности и отличной коррозионной стойкости режущие свойства дайверских ножей из альфа-бета сплава оставались весьма скромными и серьезно уступали даже моделям из популярной коррозионной стали 420 типа, не смотря на всевозможные ухищрения производителей с износостойкими покрытиями и нанесением зубчатых режущих кромок. Впрочем, на дайверских ножах высокие режущие свойства зачастую не востребованы вовсе, а с задачами по резке сетей и лесок, выполнению спасательных и самоспасательных операций, а также работой с затопленной древесиной или грунтом легко справляется и нож из альфа-бета сплава.

Применение на клинках бета-сплава титана, обладающего большей твердостью и прочностью, а также удовлетворительной износостойкостью режущих кромок, до сих пор сдерживается экономическими факторами. Свойства этой группы титановых сплавов наиболее критичны к содержанию примесей, что определяет большую технологическую сложность их производства и, как следствие, большую стоимость этих материалов, достаточно долго находивших применение, в основном, в аэрокосмической отрасли. В термообработанном состоянии твердость бета сплава титана невелика, всего 45 – 48 HRC, что даже ниже чем у мягковатых традиционных «нержавеек». Поэтому режущие свойства таких клинков остаются достаточно скромными – на уровне стали типа 440А.

Как же заставить клинок из титанового сплава резать хорошо и долго при сохранении прочих полезных свойств? И надо ли это делать – разнообразие марок коррозионностойких сталей поражает воображение. Надо! – решили японские ученые. Найденное ими решение заключается в использовании дисперсно-упрочненных титановых композитов. Композиты с металлической матрицей принято разделять на армированные волокнами (т.н. волокнистые композиты) и наполненные тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные композиты). В теории, можно создать даже клинки из волокнистых композитов с титановой матрицей в которых взаимодействие волокна и матрицы существенно повышает эффективную прочность волокна, — т.е. самые настоящие титановые булаты! Но это дело будущего. На первых порах под коммерческими названиями Titan 21 и Cera-Titan в серию пошли дисперсно-упрочненные диоксдом циркония титановые композиты. В них титановая матрица является основной несущей нагрузку составляющей, а внедренные в неё дисперсные частицы металлокерамики повышают износостойкость и прочность материала.

Производятся такие структуры методом порошковой металлургии: путем механического легирования. Высокая прочность и износостойкость клинка достигается при размере частиц 10–500 нм при среднем расстоянии между ними 100–500 нм и равномерном их распределении в прочной и вязкой титановой матрице. Сперва в титановую матрицу внедрялись частицы металлокерамики на основе диоксида циркония,. В дальнейшем, для повышения износостойкости режущей кромки, вместе в диоксидом циркония стали добавлять алмазоподобные карбиды. В результат был отмечен резкий рост износостойкости клинка, превосходящий большинство известных ножевых сталей и вплотную приближающийся к металлокерамике.

При этом клинки из титанового композита в полном объеме сохранили очень неплохие прочностные и великолепные антикоррозионные свойства. В результате подобный нож практически не нуждается в уходе. Для повышения износостойкости и задиростойкости, а также придания антибактериальных свойств, поверхности клинков из титановых композитов дополнительно подвергают упрочнению путем нанесения покрытий на основе сплава серебра. Зачастую пользователи недооценивают силу коррозии, способную повредить даже нож из «нержавеющей стали». Все используемые на ножах стали являются коррозионностойкими, в большей или меньшей степени, в зависимости от химического состава и способа закалки клинка. И лишь титановый композиты обладают практически полной нечувствительностью к коррозии, что будет высоко востребовано при приготовлении пищи в поле и на рыбалке, в походе и на «шашлыках». Скромный вес также будет большим подспорьем для «походного кухонника». С заточной и правкой титанового клинка легко справится и алмазный мусат, и керамический камень, хотя керамические точилки имеют склонность забиваться продуктами заточки титана.

Каковы же негативные черты этого материала? Прежде всего, это невысокая твердость — 46 – 48 HRC. Она определяет сравнительную мягкость клинка и возможность «замятий» режущей кромки при неаккуратной работе или рубке костей и хрящей. Титановый композит не требователен в уходе, но, одновременно, требует к себе аккуратного обращения в работе. Несколько отличатся динамика реза: у титанового композита на режущей кромке постоянно формируется микроскопическая пилка из внедренных частиц. Поэтому рез по динамике ближе к пилению. Хотя клинок легко режет стекло, но пытаться бриться им не стоит. Сравнительная мягкость клинка диктует необходимость более «толстого» сведения режущей кромки: привыкшим к тончайшим спускам клинков престижных моделей из высокоуглеродистых сталей будет не просто привыкнуть с более толстому, хотя и в разы более долговечному лезвию титанового клинка.

С учетом всех «плюсов» и «минусов» нового материала его можно уверено рекомендовать на любительские кухни, где он с лихвой покроет все задачи, связанные с нарезкой продуктов и полуфабрикатов. Для работы с замороженными продуктами, костями и хрящами лучше вместо него брать топорик или специальную пилу. Но зато при условии аккуратного целевого использования клинок из титанового сплава послужит не одному поколению домашних кулинаров, радуя их легкостью работы, простотой заточки и минимальным уходом!

Титан — все статьи и новости

Титан — спутник Сатурна, второй по величине среди спутников Солнечной системы после Ганимеда, спутника Юпитера. По диаметру (1552 км) Титан превосходит Луну на 50%, а по массе — на 80%. Обращается вокруг Юпитера примерно за 16 земных суток при среднем удалении от планеты около 611 тыс. км.

В первую очередь Титан интересен для астрономов тем, что это единственное, кроме Земли, космическое тело Солнечной системы, на поверхности которого доказано существование жидкости. При этом, как и вода на Земле, эта жидкость осуществляет круговорот в природе Титана. Также он является единственным спутником Сатурна, имеющим плотную атмосферу.

Поверхность Титана в основном состоит из водяного льда, из-за низких температур имеющего скальную твердость, и органических осадочных веществ. Толщина атмосферы составляет более 400 км, состоит она преимущественно из азота. Содержащиеся в ней метан и этан собираются в облака, являющиеся источником жидких и, возможно, твердых осадков. Попадая на поверхность Титана, имеющую среднюю температуру -179,5°C, эти осадки существуют там в жидком виде, после чего испаряются вновь. Вследствие круговорота метана-этана на поверхности Титана существуют озера, моря и реки. Три крупнейших «водоема» спутника: моря Лигейи, Кракена и Пурги — наполнены чистым метаном и окружены множеством углеводородных озер и рек.

Астрономы высказывают осторожные предположения о существовании на Титане жизни в виде микроорганизмов, потребляющих ацетилен и «выдыхающих» метан. Иным образом они не могут объяснить дефицит ацетилена на поверхности Титана.

Титан был открыт 25 марта 1655 года голландским физиком, математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Орбита спутника с тех пор была хорошо изучена, однако, поскольку поверхность скрывалась под густой атмосферой, до конца прошлого века о ней ничего не было известно. Первые снимки Титана были получены пролетавшими мимо спутника космическими аппаратами Pioneer (в 1979 году сделал пять снимков Титана) и Voyager 1 (в 1980 году). Основная информация о спутнике начала поступать с июня 2004 года, когда к Сатурну прибыл зонд Cassini–Huygens. 14 декабря 2005 года спускаемый аппарат Huygens, ранее отделившийся от Cassini, опустился на поверхность Титана, по пути проведя анализ атмосферы Титана и впервые сделав снимки его поверхности.

Изображение: Courtesy NASA/JPL-Caltech

Самые интересные металлы / Хабр

Кто не слушает металл — тому бог ума не дал!

— Народное творчество

Привет, %username%.

gjf снова на связи. Сегодня буду совсем краток, потому что через шесть часов вставать и ехать.

А рассказать я сегодня хочу о металле. Но не о том, который музыка, — о том мы можем поговорить как-нибудь за кружечкой пива, а не на Хабре. И даже не о металле — а о металлах! И рассказать я хочу о тех металлах, которые меня в жизни так или иначе поразили своими свойствами.

Поскольку все участники хит-парада отличаются какими-то своими суперспособностями, то мест и победителей не будет. Будет — металлическая десятка! Так что порядковый номер ничего не означает.

Поехали.

1. Ртуть

Ртуть — самый жидкий металл: температура её плавления составляет -39 °C. О том, что она токсична — и даже очень —

я уже писал

, а потому повторяться не буду.

С древних времён на ртуть разве что не молились — ещё бы, «жидкое серебро»! Алхимики считали, что именно во ртути где-то прячется знаменитый философский камень, например Джабир ибн Хайян считал, что раз ртуть — это жидкий металл, то она — «абсолютна»: она свободна от любых примесей, присущих твёрдым металлам. Сера — другой предмет восхищения Хайяна — элемент огня, он способен давать чистое «абсолютное» пламя, а потому все остальные металлы (а поскольку это был VIII век — их было негусто: семь) образованы из ртути и серы.

Что в VIII веке, что сейчас — если смешать ртуть и серу, то получится чёрный сульфид ртути (и это, кстати, один из способов дезактивации пролитой ртути) — но уж никак не металл. Эту досадную неудачу Хайян объяснял тем, что все тупые не хватает некоего «созревателя», который из чёрной ерунды приведёт к получению металла. И конечно все бросились искать «созреватель», чтобы получить золото. История поиска философского камня официально объявлена открытой.

%username%, ты вот сейчас смеёшься над алхимиками — но ведь они-таки добились своего! В 1947 году американскими физиками при бета-распаде изотопа Hg-197 получен единственный устойчивый изотоп золота Au-197. Из 100 мг ртути добыли целых 35 мкг золота — и они сейчас красуются в Чикагском музее науки и промышленности. Так что алхимики были правы — ведь можно! Только, блин, дорого…

Кстати, единственным алхимиком, который не верил в возможность получения золота из других металлов был Абу Али Хусейн ибн Абдуллах ибн аль-Хасан ибн Али ибн Сина — а для тёмных неверных — просто Авиценна.

Между прочим, со ртутью по своему виду очень соперничает другой металл — галлий. Его температура плавления 29 °C, в школе мне показывали эффектный фокус: на руку кладётся кусок какого-то металла…

.. и вот что получается

Кстати, галлий сейчас можно купить на алике, чтобы показывать такой фокус. Не знаю, правда, проедет ли он таможню.

2. Титан

Суровый титан — это тебе не ртутные сопли! Это — самый твёрдый металл! Ну в моём детстве и юношестве титаном писали на всех этих стёклах в общественном транспорте. Потому что царапал — и мелкой металлической пылью окрашивал.

Все знают, что титан благодаря твёрдости и лёгкости используют в авиации. Расскажу о некоторых интересных применениях.

Будучи нагретым, титан начинает поглощать разные газы — кислород, хлор и даже азот. Это используют в установках очистки инертных газов (аргона, например) — его продувают через трубки, заполненные титановой губкой и нагретые до 500-600 °C. Кстати, при этой температуре титановая губка взаимодействует с водой — кислород поглощается, водород отдаётся, но обычно водород в инертных газах никого не беспокоит, в отличие от воды.

Белый диоксид титана TiO₂ используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171. Кстати, при производстве диоксида титана обязательно контролируют его элементный состав — но вовсе не для того, чтобы снизить примеси, а чтобы добавить «белизны»: нужно, чтобы окрашивающих элементов — железа, хрома, меди и т. д. — было поменьше.

Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана — конкуренты карбида вольфрама по твёрдости. Недостаток — они его легче.

Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, так как имеет цвет, похожий на золото. Все эти «медицинские сплавы», похожие на золото — это покрытие нитридом титана.

Кстати, упорные учёные недавно сделали всё-таки сплав, который твёрже титана! Только чтобы этого добиться — пришлось смешать палладий, кремний, фосфор, германий и серебро. Штука получилась недешёвая, а потому опять победил титан.

3. Вольфрам

Вольфрам — тоже противоположность ртути: самый тугоплавкий металл с температурой плавления 3422 °C. Он известен ещё с XVI века, правда, известен не сам металл, а минерал вольфрамит, в котором содержится вольфрам. Кстати, название Wolf Rahm на языке суровых немцев означает «волчьи сливки»: немцы, которые плавили олово, очень не любили примеси вольфрамита, который мешал плавке, переводя олово в пену шлаков («пожирал олово как волк овцу»). Сам металл уже выделили позже, примерно через 200 лет.

То, что на фото — не вольфрам на самом деле, а карбид вольфрама, так что если у тебя на руке такое кольцо, %username%, то не сильно задавайся. Карбид вольфрама — тяжёлое и крайне твёрдое соединение — а потому используется во всяких деталях, которыми бьют, кстати «победит» — это 90% карбида вольфрама. А ещё карбид вольфрама добрые люди добавляют в качестве наконечника бронебойных снарядов и пуль. Но не только его, позже расскажу про другой металл.

Кстати, хоть вольфрам и тяжёлый — но несмотря на бо́льшую плотность по сравнению с традиционным и более дешёвым свинцом, радиационная защита из вольфрама оказывается менее тяжёлой при равных защитных свойствах или более эффективной при равном весе. Из-за тугоплавкости и твёрдости вольфрама, затрудняющих его обработку, в таких случаях используются более пластичные сплавы вольфрама с добавлением других металлов либо взвесь порошкообразного вольфрама (или его соединений) в полимерной основе. Выходит легче, эффективнее — но только дороже. Так что в случае фолаута, %username%, бери себе вольфрамовую броню!

Кстати, на своём «вечном кольце» я умудрился какой-то химией поставить пятно — и даже не знаю, чем. Так что «вечное» оно только у обычных людей )))

4. Уран

Единственный природный металл, который используют, как топливо, и при этом используется без остатка, буквально на атомном уровне.

Когда я был ещё школьником, но был вхож в университет (не скажу почему!), то меня всегда смешила реакция иностранных студентов, когда им в микроскоп показывали кристаллы уранил-ацетата натрия. Ну есть такая качественная реакция. Когда иностранцам говорили слово «уранил» — их сдувало с этажа. Все смеялись.

Мне смешно и грустно, что теперь и большая часть наших людей тоже считают, что уран- страшен, опасен и ужасен. Падение образования налицо.

На самом деле ещё в древнейшие времена природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой посуды. Так, возле Неаполя найден осколок жёлтого стекла, содержащий 1 % оксида урана и датируемый 79 годом н. э. Он не светится в темноте и не фонит. Я был в Жёлтых Водах на Украине, где добывают урановый концентрат. Никто там не светится и не фонит. А разгадка проста: природный уран слаборадиоактивен — не более, чем граниты и базальты, а также терриконы и метрополитен. Тот уран, который УРАН — это изотоп U-235, которого в природе всего 0,7204%. Его так мало, что для ядерщиков нужно выделять и концентрировать этот изотоп («обогащать») — так просто работать реактор не будет.

Кстати, раньше в природе U-235 было больше — просто со временем он распался. И поскольку его было больше — ядерный реактор сделать можно было прямо на коленке. В прямом смысле. Так и произошло в Габоне на месторождении Окло примерно 2 миллиарда лет назад: через руду бежала вода, вода — естественный замедлитель нейтронов, которые вылетают при распаде урана-235 — в итоге энергии нейтронов было как раз столько, сколько нужно для захвата ядром урана-235 — и пошла-поехала цепная реакция. И уранчик горел себе несколько сотен лет, пока не выгорел…

Обнаружили это значительно позже, в 1972 году, когда на урановой обогатительной фабрике в Пьерлате (Франция) во время анализа урана из Окло было найдено отклонение от нормы изотопного состава урана. Содержание изотопа U-235 составило 0,717% вместо обычных 0,720%. Уран — не колбаса, тут недовес строго карается: все ядерные объекты подвергаются жёсткому контролю с целью недопущения незаконного использования расщепляющихся материалов в военных целях. А потому учёные стали исследовать, нашли ещё пару элементов, типа неодима и рутения, и поняли — U-235 украли до нас просто выгорел, как в реакторе. То есть ядерный реактор природа изобрела задолго до нас. Впрочем, как и всё.

Обеднённый уран (это когда 235-й забрали и отдали атомщикам, а остался U-238) — тяжёлый и твёрдый, напоминает чем-то по свойствам вольфрам, а потому — точно так же используется там, где надо бить. Об этом есть история из бывшей Югославии: там использовали бронебойные снаряды с бойком, содержащим уран. Проблемы у населения были, но вовсе не из-за радиации: мелкая урановая пыль попадала в лёгкие, усваивалась — и давала плоды: уран токсичен для почек. Вот так-то — и нечего бояться уранил-ацетата! Правда, законам РФ это не указ — а потому вечные проблемы с заездом химических реактивов, содержащих уран — потому как для чиновника уран бывает только один.

А ещё есть урановое стекло: небольшая добавка урана придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию.

И это, блин, красиво!

Кстати, очень полезно предложить гостям яблоки или салатик, а потом включить немножко ультрафиолета и показать, как красиво. Когда все закончат восторгаться — небрежно так бросить: «Ну да, ещё бы, это же урановое стекло…» И откусить кусочек яблочка с вазы…

5. Осмий

Ну раз уж поговорили о тяжёлых уранах-вольфрамах, то настало время назвать самый тяжёлый металл вообще — это осмий. Его плотность составляет 22,62 г/см

³

!

Однако осмию, будучи самым тяжёлым, ничего не мешает быть ещё и летучим: на воздухе он постепенно окисляется до OsO₄, который летучий — и кстати, очень ядовитый. Да — это элемент платиновой группы, но он вполне себе окисляется. Название «осмий» происходит от древнегреческого ὀσμή — «запах» — именно благодаря этому: химические реакции растворения щелочного сплава осмиридия (нерастворимого остатка платины в царской водке) в воде или кислоте сопровождаются выделением неприятного, стойкого запаха OsO₄, раздражающего горло, похожего на запах хлора или гнилой редьки. Этот запах почувствовал Смитсон Теннант (о нём позже), работавший с осмиридием — и так и назвал металл. И знаю я, что осмий должен быть в порошке и его нужно греть, чтобы процесс пошёл интенсивно — но в любом случае я не стремлюсь долго находиться рядом с этим металлом.

Кстати, есть ещё такой изотоп Os-187. В природе его очень мало, а потому из осмия его выделяют на центрифугах путем масс-сепарации — прямо как уран. Разделения ждут 9 месяцев — да-да, вполне уже можно родить. А потому Os-187 — один из самых дорогих металлов, именно его содержание обуславливает рыночную цену природного осмия. Но он не самый дорогой, о самом расскажу ниже.

6. Иридий

Раз уж заговорили о платиновой группе, то стоит ещё вспомнить об иридии. Осмий отнял у иридия звание самого тяжёлого металла — но разошлись в копейках: плотность иридия 22,53 г/см

³

. Осмий с иридием даже открыты были вместе в 1803 году английским химиком С. Теннантом — оба в качестве примесей присутствовали в природной платине, доставленной из Южной Америки. Теннант был первым среди нескольких учёных, кому удалось получить в достаточном количестве нерастворимый остаток после воздействия на платину царской водки и определить в нём ранее неизвестные металлы.

Но в отличие от осмия, иридий — самый, блин, стойкий металл: в виде слитка он не растворяется ни в каких кислотах и их смесях! Вообще! Даже грозный фтор берёт его только при 400-450 °C. Чтобы всё-таки растворить иридий, приходится его сплавлять с щелочами — да ещё желательно в токе кислорода.

Механическая и химическая прочность иридия используется в Палате мер и весов — из платиноиридиевого сплава изготовлен эталон килограмма.

В настоящий момент иридий не является банковским металлом, но и в этом уже есть сдвиги: в 2013 году иридий впервые в мире был применён в изготовлении официальных монет Национальным банком Руанды, который выпустил монету из чистого металла 999-й пробы. Иридиевая монета была выпущена номиналом 10 руандийских франков. И чёрт — я бы хотел такую монету!

Кстати, я в глубокой молодости в «Юном технике» как-то прочитал какой-то фантастический рассказ, когда паренёк к успеху шёл смог наменять песок на иридий по курсу 1:1 с какими-то там инопланетянами в подвале. Ну им видите ли кремний был нужен! Название и автора рассказа уже и не вспомню. спасибо Wesha — напомнил: В.Шибаев. Кабель «оттуда».

7. Золото

Да ну его — все видели

В жизни часто бывает, что есть чемпион фактический и формальный. Если иридий — фактический чемпион по химической стойкости, то золото — формальный: это самый электроотрицательный металл, 2,54 по шкале Полинга. Но это не мешает золоту растворяться в смесях кислот, так что как обычно — лавры достались тому, кто побогаче.

И действительно, в настоящий момент, благодаря тому, что Китай и РФ уходят от политики накопления золотовалютного запаса в долларах США к политике накопления собственно золота, золото — самый дорогой банковский металл: по цене он давно обогнал платину — да и вообще всю платиновую группу. Так что храни деньги в сберегательной кассе золоте, %username%!

Поскольку алхимический способ добычи золота показал свою дороговизну, получают этот металл на аффинажных заводах. А монетки делают уже на монетных дворах. Так вот, как человек, побывавший и там и там, могу сказать: работники подобных предприятий при посещении зоны, где есть драгметалл, либо переодеваются — и на рабочей одежде нет ни единой булавки или скрепки — рамки на проходной совсем не такие, как в аэропортах, там всё жёстче. Или действует так называемый «голый режим» — да-да, ты понял правильно: проходная для мальчиков и проходная для девочек — оденетесь уже внутри. Если у тебя имплант из металла — куча справок, куча разрешений, каждый раз индивидуально проверяют, что имплант на месте, где должен быть.

Кстати, а как ты думаешь — как организованы проходные на банкнотном дворе? Бумажки же не звенят на рамках!

Ответ тут, но подумай чуток сам

После работы не выпускают никого, включая руководство, пока не посчитают всю продукцию. Да — всё строго. Зато никто не против, когда в трудные времена зарплату выдавали продукцией.

8. Литий

В отличие от тяжёлых осмиев-иридиев литий — самый лёгкий металл, его плотность всего 0,534 г/см

³

. Это — щелочной металл, но самый неактивный из всей группы: в воде не взрывается, а спокойно взаимодействует, на воздухе тоже не сильно окисляется, да и поджечь его непросто: после 100 °C так хорошо покрывается оксидом, что дальше и не окисляется. Поэтому литий — единственный щелочной металл, который не хранят в керосине — зачем, если он достаточно инертный? И это к счастью — из-за своей низкой плотности литий бы в керосине плавал.

Природный литий состоит из двух изотопов: Li-6 и Li-7. Поскольку сам атом так мал, то лишний нейтрон значимо влияет на радиус орбитали и энергию возбуждения электрона, а потому обычный атомный спектр этих двух изотопов отличается — следовательно, возможно определять их даже без всяких масс-спектрометров — и это единственное исключение в природе! Оба изотопа очень важны в ядерной энергетике, кстати, дейтерид Li-6 используется как термоядерный порох в термоядерном оружии — и больше я не скажу ни слова на эту тему!

Литий также используют психиатры в качестве нормометика для лечения и профилактики маний. Когда я студентом подрабатывал на кафедре, к нам приходила тётенька с плазмой крови, в которой надо было определять литий. С какого-то раза я взял и полез в литературу (интернета ещё не было), чтобы понять, зачем там вообще литий определять? И узнал… Со следующего визита я так невзначай спросил тётю, а чья кровь вообще была? Когда она ответила, что её, я больше старался с ней лично не встречаться.

Ну то так — литий и литий, он даже в воде иногда определяется. Кстати, во Львове в воде его довольно много.

Да и кстати — с ростом популярности электромобилей, портативных девайсов и всего, что работает на литий-содержащих аккумуляторах, есть мнение, что цена на литий довольно быстро вырастет. Так что может деньги лучше хранить не в золоте, а в литии. Но это неточно, особенно после того, как на рынок лития вышла ещё и Австралия.

9. Франций

У франция целый набор титулов. Ну во-первых, франций — самый редкий металл. Всё его содержание — полностью радиогенное: он существует как промежуточный продукт распада урана-235 и тория-232. Общее содержание франция в земной коре оценивается в 340 граммов. Так что пятно на картинке выше — это не фото чёрной дыры в анфас, а около 200 000 атомов франция в магнитно-оптической ловушке. Все изотопы франция радиоактивны, самый долгоживущий из изотопов — Fr-223 — имеет период полураспада 22,3 минуты. Потому франция так и мало.

Тем не менее, франций имеет самую низкую электроотрицательность из всех элементов, известных в настоящее время, — 0,7 по шкале Полинга. Соответственно, франций является и самым химически активным щелочным металлом и образует самую сильную щёлочь — гидроксид франция FrOH. И не спрашивай, %username%, как это всё определяли с элементом, которого пшик — да маленько, и которого каждые 22,3 минуты становится ещё в два раза меньше, а исследователь светится сам всё ярче. А потому всё это интересно и занимательно, но франций практически нигде не используется.

10. Калифорний

/>

Калифорния в этом мире нет совсем, а производят его в двух местах: Димитровграде в РФ и Окриджской национальной лаборатории в США. Для производства одного грамма калифорния плутоний или кюрий подвергают длительному нейтронному облучению в ядерном реакторе — от 8 месяцев до 1,5 лет. Вся линейка распадов выглядит следующим образом: Плутоний-Америций-Кюрий-Берклий-Калифорний. Калифорний-252 является конечным результатом цепочки — этот элемент невозможно превратить в более тяжелый изотоп, так как его ядро

как бы говорит «спасибо, наелось»

слабо откликается на воздействие нейтронами.

На пути преобразования плутония в калифорний из 100% ядер распадается 99,7%. Лишь 0,3% ядер удерживается от распада и проходит до конца весь этап. А ещё продукт нужно выделить! Выделение изотопа происходит методом экстракции, экстракционной хроматографии либо вследствие ионного обмена. Чтобы придать ему металлический вид, производится восстановительная реакция.

На получение одного грамма калифорния-252 затрачивается 10 килограммов плутония-239.

Ежегодное количество добываемого калифорния-252 составляет 40-80 микрограмм, а по оценкам специалистов мировой запас калифорния составляет не более 8 граммов. Поэтому калифорний, а точнее — калифорний-252 – самый дорогой в мире промышленный металл, стоимость его одного грамма в разные годы варьировала от 6,5 до 27 миллионов долларов.

Логичный вопрос: а кому он вообще нужен? Цепь из него на шею не сделаешь, любимой в виде кольца не подаришь. Дело в том, что Cf-252 имеет высокий коэффициент размножения нейтронов (выше 3). Грамм Cf-252 испускает около 3⋅10¹² нейтронов в секунду. Да, потенциально можно сделать атомную бомбу, но из урана и того же плутония дешевле, поэтому сам калифорний используется как источник нейтронов в различных исследованиях, в том числе в промышленных поточных нейтронно-активационных анализаторах на конвейерной ленте. Кстати, %username%, я лично видел этот калифорний в виде маленькой ампулки, которую вытащили из здоровенной бочки радиационной защиты и быстренько засунули в нужное место анализатора.

Понятно, что за такие деньги калифорний просто обязан быть ядом, пусть и не таким крутым, как полоний, который лупит альфа-частицами, но нейтроны — тоже ничего. Но выходит дороговато, конечно.

Ну вроде всё — осталось поспать примерно четыре часа перед дорогой. Надеюсь, что вышло интересно, и я всё это корябал не зря.

Желаю тебе, %username%, быть твёрдым, как титан, лёгким на подъём, как литий, непреклонным, как иридий и ценным, как калифорний! Ну и побольше золота в кармане, само собой.
(можешь блеснуть этим тостом на следующем празднике — не благодари)

P.S. Поскольку с титаном к твёрдости придрались (почему-то больше ни к чему не придрались???) — достану туз из рукава.

11. Радий

Радий — это металл обмана и разочарования. И я поясню. Сам металл довольно редок и полностью радиогенен — возникает при распаде урана-238, урана-235 или тория-232; из четырёх найденных в природе наиболее распространённым и долгоживущим изотопом (период полураспада 1602 года) является радий-226, входящий в радиоактивный ряд урана-238. За время, прошедшее с момента его открытия супругами Кюри, — более столетия — во всём мире удалось добыть всего только 1,5 кг чистого радия. Одна тонна урановой смолки, из которой супруги Кюри получили радий, содержала лишь около 0,1 г радия-226.

Радий в буквальном смысле слова испаряется: все изотопы радия (за исключением радия-228) распадаются до газа радона — кстати, тоже радиоактивного. Тип распада — α, однако гамма-кванты тоже выделяются.

Мария Кюри трудилась 12 лет, чтобы получить крупинку чистого радия. Чтобы получить всего 1 г чистого радия, нужно было несколько вагонов урановой руды, 100 вагонов угля, 100 цистерн воды и 5 вагонов разных химических веществ. Поэтому на начало XX века в мире не было более дорогого металла. За 1 г радия нужно было заплатить больше 200 кг золота.

А ещё этот металл красиво светится в темноте.

Понятно, что при таком наборе свойств и цене только ленивый не стал добавлять радий в свою продукцию и рассказывать, как она чудодейственна. Появилась масса «докторов», докторами не являющихся (и что мне это напоминает) — тот же Вилльям Дж. А. Бейли. Во Франции 1930-х изготовители наиболее популярных кремов для лица, «ThoRadia», похвалялись обогащением своих мазей торием и радием. В Германии производили зубную пасту с радием. Видимо именно оттуда возникло выражение «Ваше лицо сияет» и «Ваши зубы ослепительны». Ну не знаю.

Имелись содержащие радий крекеры, а добавление бромида радия к шоколаду было запатентовано в Германии в 1936 г. Шоколадки и крекеры можно было запить радиоактивной минеральной водой. Эта вода продавалась по высоким ценам, а в рекламах гордо именовалась как «имеющая высокое содержание радиоактивных элементов». Наиболее известным брендом такой минералки был Radithor в 60-ти мл бутылках, содержащих по 2 микрокюри радия (именно его всем предлагал уже упомянутый «доктор» Бейли якобы как стимулятор эндокринной системы).

Примеры суперпродукции

Радий — щелочноземельный металл, а значит по химизму очень сходен с кальцием и магнием. И очень неплохо заменяет их в костях — а оттуда начинает прямой наводкой бомбардировать костный мозг, лёгкие и прочие нежные органы. Немного утешает то, что доступна радиевая продукция была только действительно богатым людям…

11 апреля 1932 года журнал Time сообщил, что известный богач, спортсмен и светский лев, любитель гольфа и водички Radithor (после того как повредил руку в 1927 году) Эбен Байер умер от отравления радием.

Статья Time

В 1965 его тело было эксгумировано. Обнаружено, что Байер суммарно принял порядка 500 микрокюри радия. Неудивительно, что причина смерти — множественные новообразования, абсцессы в мозгу и в прямом смысле слова дыры в черепе — проще говоря, рак.

Если ты думаешь, %username%, что это кого-то чему-то научило — то ошибаешься: вплоть до 1970-х радий вместе с люминофором — обычно, сульфидом цинка — наносили на стрелки различных приборов, в том числе часов. Это называлось «светомасса постоянного действия» — или СПД. В СССР СПД обычно была горчично-жёлтая, а в Америке — зеленовато-белая или голубоватая.

Некоторые примеры

Так вот, СПД со временем начинается иссыхаться и превращаться в пыль, ты эту пыль вдыхаешь — и куда попадает радий? Правильно! Пять! В смысле — пять лет жизни тебе осталось. Наверное. Ну в любом случае — немного.

Кстати, даже есть группа в ВК, где выкладывают фото с СПД.

Кстати, с именем радий исторически связаны и другие изотопы, никакого отношения к радию не имеющие. А именно:
Радий A 218Po
Радий B 214Pb
Радий C 214Bi
Радий C1214Po
Радий C2210Tl
Радий D 210Pb
Радий E 210Bi
Радий F 210Po
На самом деле эти изотопы были открыты как продукты в цепочке дальнейшего распада радия, но до их идентификации как элементов — их называли радием А, В и так далее. Ну а потом имена прижились.

Вот так вот бывает, когда ты к элементу со всей душой — а он тебе… Жизнь — боль.

Я оправдался за титан? 😉

Сталь и титан: прочность, свойства и применение

Когда дизайнерам требуются прочные и прочные материалы для своих проектов, первыми на ум приходят сталь и титан. Эти металлы входят в широкий ассортимент сплавов — неблагородные металлы, пропитанные другими металлическими элементами, которые в сумме производят больше, чем его части. Существуют десятки титановых сплавов и еще сотни стальных сплавов, поэтому часто бывает сложно решить, с чего начать при рассмотрении этих двух металлов. Эта статья, посредством изучения физических, механических и рабочих свойств стали и титана, может помочь разработчикам выбрать, какой материал подходит для их работы. Каждый металл будет кратко изучен, а затем последует сравнение их различий, чтобы показать, когда лучше выбрать один, а не другой.

Сталь

Усовершенствованная в начале 20-го века сталь быстро стала самым полезным и разнообразным металлом на Земле. Он создается путем обогащения элементарного железа углеродом, что увеличивает его твердость, прочность и сопротивление.Во многих так называемых легированных сталях также используются такие элементы, как цинк, хром, марганец, молибден, кремний и даже титан, для повышения их устойчивости к коррозии, деформации, высоким температурам и многому другому. Например, сталь с высоким содержанием хрома относится к нержавеющим сталям или тем, которые менее подвержены коррозии, чем другие сплавы. Поскольку существует много видов стали, трудно обобщить ее конкретные свойства, но наша статья о типах стали дает хорошее представление о различных классах.

Вообще говоря, сталь — это плотный, твердый, но пригодный для обработки металл. Он реагирует на процесс упрочнения термической обработкой, который позволяет даже самым простым сталям иметь переменные свойства в зависимости от того, как они были нагреты/охлаждены. Он магнитен и может легко проводить как тепло, так и электричество. Большинство сталей подвержены коррозии из-за своего состава железа, хотя нержавеющие стали в некоторой степени успешно устраняют эту слабость. Сталь имеет высокий уровень прочности, но эта прочность обратно пропорциональна ее ударной вязкости, или мере устойчивости к деформации без разрушения.Несмотря на то, что доступны стали для механической обработки, есть и другие стали, которые трудно, если вообще возможно, обрабатывать из-за их рабочих свойств.

Должно быть ясно, что сталь может выполнять множество различных задач: она может быть твердой, жесткой, прочной, термостойкой или коррозионностойкой; беда в том, что это не может быть все это сразу, без жертвы одним свойством над другим. Однако это не является большой проблемой, так как большинство марок стали недороги и позволяют разработчикам комбинировать различные стали в своих проектах, чтобы получить преимущества смешивания.В результате сталь находит применение практически во всех отраслях промышленности: в автомобильной, аэрокосмической, конструкционной, архитектурной, производственной, электронной, инфраструктурной и десятках других применений.

Титан

Титан был впервые очищен до металлической формы в начале 1900-х годов и не так редок, как думает большинство людей. На самом деле это четвертый по распространенности металл на Земле, но его трудно найти в высоких концентрациях или в элементарной форме. Его также трудно очистить, что делает его более дорогим в производстве, чем в источнике.

Элементарный титан представляет собой серебристо-серый немагнитный металл с плотностью 4,51 г/см ³ , что делает его почти вдвое менее плотным, чем сталь, и относит его к категории «легкий металл». Современный титан поставляется либо в виде элементарного титана, либо в виде различных титановых сплавов, и все они сделаны для повышения как прочности, так и коррозионной стойкости базового титана. Эти сплавы обладают необходимой прочностью, чтобы работать в качестве аэрокосмических, конструкционных, биомедицинских и высокотемпературных материалов, в то время как элементарный титан обычно используется в качестве легирующего агента для других металлов.

Титан трудно сваривать, обрабатывать или формовать, но его можно подвергнуть термической обработке для повышения прочности. Его уникальное преимущество заключается в том, что он биосовместим, а это означает, что титан внутри тела останется инертным, что делает его незаменимым для технологии медицинских имплантатов. Он имеет отличное соотношение прочности к весу, обеспечивая такую ​​же прочность, как сталь при 40% его веса, и устойчив к коррозии благодаря тонкому оксидному слою, образующемуся на его поверхности в присутствии воздуха или воды. Он также устойчив к кавитации и эрозии, что предрасполагает его к применению в условиях высоких нагрузок, таких как авиация и военные технологии. Титан жизненно важен для проектов, в которых вес минимален, но прочность максимальна, а его отличная коррозионная стойкость и биосовместимость позволяют использовать его в некоторых уникальных отраслях, не охватываемых более традиционными металлами.

Сравнение стали и титана

Выбор одного из этих металлов над другим зависит от конкретного применения. В этом разделе сравниваются некоторые механические свойства, общие для стали и титана, чтобы показать, где следует указать каждый металл (представлены в таблице 1 ниже).Обратите внимание, что значения как для стали, так и для титана в таблице 1 взяты из обобщенных таблиц, поскольку каждый металл сильно различается по характеристикам в зависимости от типа сплава, процесса термообработки и состава.

Таблица 1: Сравнение свойств материалов стали и титана

* сильно различается в зависимости от сплава и термической обработки

Свойства материалов	Сталь			Титан
Единицы	Метрическая система	Английский		Метрическая система	Английский
Плотность	7. 8-8 г/см 3		0,282–0,289 фунт/дюйм 3	4,51 г/см 3	0,163 фунта/дюйм 3
Модуль упругости	200 ГПа		29000 тысяч фунтов на квадратный дюйм	116 ГПа	16800 тысяч фунтов на квадратный дюйм
Предел текучести при растяжении	350 МПа*		50800 фунтов на кв. дюйм*	140 МПа*	20300 фунтов на кв. дюйм*
Удлинение при разрыве	15%*			54%
Твердость (по Бринеллю)	121*			70

Первое бросающееся в глаза различие между титаном и сталью заключается в их плотности; как обсуждалось ранее, плотность титана примерно вдвое меньше плотности стали, что делает его значительно легче.Это подходит для применения титана в приложениях, где требуется прочность стали в более легком корпусе, и позволяет использовать титан в деталях самолетов и других приложениях, зависящих от веса. Плотность стали может быть преимуществом в определенных областях применения, например, в шасси автомобиля, но в большинстве случаев снижение веса часто вызывает беспокойство.

Модуль упругости, иногда называемый модулем Юнга, является мерой гибкости материала. Он описывает, насколько легко согнуть или деформировать материал без пластической деформации, и часто является хорошей мерой общей упругой реакции материала.Модуль упругости титана довольно низкий, что говорит о том, что он легко изгибается и деформируется. Отчасти поэтому титан трудно поддается механической обработке, так как он склеивает фрезы и предпочитает возвращаться к своей первоначальной форме. С другой стороны, сталь имеет гораздо более высокий модуль упругости, что позволяет легко обрабатывать ее и использовать в таких приложениях, как лезвия ножей, поскольку она ломается и не изгибается под нагрузкой.

При сравнении пределов текучести при растяжении титана и стали обнаруживается интересный факт; сталь в целом прочнее титана.Это противоречит распространенному заблуждению о том, что титан прочнее большинства других металлов, и показывает преимущество стали перед титаном. В то время как титан только на одном уровне со сталью с точки зрения прочности, он весит вдвое меньше, что делает его одним из самых прочных металлов на единицу массы. Тем не менее, сталь является предпочтительным материалом, когда речь идет об общей прочности, поскольку некоторые из ее сплавов превосходят все другие металлы с точки зрения пределов текучести. Конструкторы, стремящиеся исключительно к прочности, должны выбирать сталь, а дизайнеры, заинтересованные в прочности на единицу массы, должны выбирать титан.

Удлинение при разрыве — это мера начальной длины образца для испытаний, деленная на его длину непосредственно перед разрушением при испытании на растяжение, умноженная на 100 для получения процента. Большое удлинение при разрыве говорит о том, что материал больше «растягивается»; другими словами, он более склонен к повышенной пластичности перед разрушением. Титан — это такой материал, что он растягивается почти на половину своей длины, прежде чем сломаться. Это еще одна причина, по которой титан так трудно обрабатывать, поскольку он растягивается и деформируется, а не откалывается.Сталь бывает разных видов, но, как правило, имеет низкое удлинение при разрыве, что делает ее более твердой и более склонной к хрупкому разрушению при растяжении.

Твердость — это сравнительная величина, которая описывает реакцию материала на царапание, травление, вдавливание или деформацию его поверхности. Он измеряется с помощью инденторных машин, которые бывают разных видов в зависимости от материала. Для высокопрочных металлов часто указывается критерий твердости по Бринеллю, который приведен в таблице 1. Несмотря на то, что твердость стали по Бринеллю сильно различается в зависимости от термической обработки и состава сплава, в большинстве случаев она всегда тверже, чем титан.Это не означает, что титан легко деформируется при царапинах или вмятинах; напротив, слой диоксида титана, образующийся на поверхности, исключительно твердый и противостоит большинству проникающих сил. Они оба являются стойкими материалами, которые отлично работают в суровых условиях, исключая любые дополнительные химические воздействия.

Резюме

В этой статье представлено краткое сравнение свойств, прочности и областей применения стали и титана. Для получения информации о других продуктах обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть подробную информацию о конкретных продуктах.

Источники: 

1. https://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=68mQLz7yJ8UC&oi=fnd&pg=PR5&dq=introduction+to+titanium+alloys&ots=lhsHnla-iW&sig=iwc5SZXiHIpScg7X5sjjHGOFi5E#v=onepage&q=introduction%200 20 сплавов&f=false
2. https://crosstraxx.com/pages/a-look-at-the-differences-between-titanium-and-stainless-steel
3. http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?bassnum=MS0001&ckck=1
4. http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=66a15d609a3f4c829cb6ad08f0dafc01
5. http://web.mit.edu/ruddman/www/iap/materialsselection.pdf

Прочие стальные изделия

• Типы профилей из конструкционной стали
• Ведущие производители и поставщики арматуры
• Типы арматуры
• Типы стали
• Типы нержавеющей стали
• Ведущие сталелитейные компании США и производители стали в мире
• Все о стали 5160 (свойства, прочность, применение)
• Все о стали 440 (свойства, прочность, применение)
• Все о стали 430 (свойства, прочность, применение)
• Все о стали 304 (свойства, прочность, применение)
• Все о 52100 Сталь
• Свойства, составы и применение стандартных сталей
• Поверхностная закалка стали (цементация)
• Все о стали 9260 (свойства, прочность, применение)
• Все о стали 4130 (свойства, прочность, применение)

Больше из Металлы и изделия из металла

границ | Углерододефицитный карбид титана с повышенной твердостью

Введение

Разработка многофункциональных сверхтвердых материалов для замены существующих сверхтвердых материалов на основе B-C-N остается сложной задачей и требует учета научных, технологических и инфраструктурных аспектов [1-5]. Карбиды, бориды и нитриды переходных металлов обладают высокой твердостью, что связано с прочной ковалентной связью между углеродом и переходным металлом, а также связями легких элементов [1, 5–7]. Кроме того, соединения легких элементов переходных металлов (TMLE) обладают электропроводностью, сверхпроводимостью и ферромагнитными, а также каталитическими свойствами, которые полезны в областях, где очень желательны многофункциональные свойства. Согласно последним сообщениям, существует много общих подходов к разработке материалов с более высокой твердостью, таких как (а) наличие высокой плотности валентных электронов, (б) использование высокого содержания легкого элемента и (в) использование изоляционных или полупроводниковых материалов. 8, 9].Обычно считается, что более высокое содержание легких элементов приведет к получению сверхтвердых материалов из-за высокого процента ковалентных связей. Используя упомянутые выше подходы к проектированию, были разработаны и синтезированы многие ТМЛЭ высокой твердости, в том числе FeB ₄ , WB ₄ , MnB ₄ , MoB ₄ , ZrB ₁₂ [10–14]. Хотя эти синтезированные соединения обладают очень высокой твердостью, их значения твердости все же ниже порога сверхтвердости. Следовательно, есть некоторые сомнения в том, могут ли соединения переходных металлов с легкими элементами быть кандидатами на сверхтвердость, или имеет место гибридизация между ТМ и ЛЭ [15].Однако недавние исследования показывают, что некоторые аналоги с высоким содержанием переходных металлов, такие как W _0,5 Ta _0,5 B, обладают чрезвычайно высокой твердостью [16]. Это говорит о том, что между переходными металлами и легкими элементами p-блока может иметь место сильная гибридизация, и будут другие новые механизмы повышения твердости.

В большинстве соединений переходных металлов с легкими элементами в кристаллической структуре сосуществуют связи TM-TM, TM-LE и LEs-LEs [9, 17]. Трудно определить влияние связей TM-LE на твердость.К счастью, структура каменной соли, характерная для монокарбидов, боридов и нитридов переходных металлов, содержит только связи TM-LE. Это идеальная система для исследования гибридизации связей TM-LE в TMLE. Если в этих структурах можно реализовать более высокую твердость, можно продемонстрировать существование сильной гибридизации. Бинарные карбиды переходных металлов склонны к кубической кристаллической структуре, если выполняется правило Хэгга (R _C / R _TM < 0,59), где R _C относится к атомному радиусу углерода, а R _TM обозначает атомный радиус углерода. атомный радиус атома переходного металла.Отношение атомного радиуса углерода к атомному радиусу титана составляет 0,38. Согласно предыдущему отчету [18, 19], карбид титана обычно обладает превосходными механическими свойствами и широко используется для резки и защиты. Таким образом, структура каменной соли TiC является идеальной системой для исследования гибридизации между орбиталями переходного металла-d и C-2p-орбиталями. Кроме того, использование других внешних упрочняющих эффектов может дополнительно повысить твердость карбида титана.

В данной работе синтез высококристаллического поликристаллического образца TiC проводился в условиях высокого давления и высокой температуры.Концентрация углерода в этой структуре исследована методами рентгеновской дифракции, энергодисперсионной спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Кристаллическая структура, твердость по Виккерсу и электронная структура были охарактеризованы для определения механических свойств. Чтобы определить причину его высокой твердости, особенности связей TiC были тщательно исследованы как экспериментально, так и расчетом из первых принципов. Высокая твердость образца TiC объясняется сильной орбитальной гибридизацией между орбиталями Ti-3d и C-2p, а также его углеродными вакансиями.Наши результаты показывают, что более высокое содержание легкого элемента не является решающим фактором для высокой твердости, а углеродные вакансии также являются эффективным способом повышения твердости.

Эксперимент

Кубический поликристаллический TiC _1-x был приготовлен из порошка металлического титана (чистота 99,9%) и порошка графита (чистота 99,99%). Порошки-сырцы смешивали в соотношении Ti:C = 1:1-x, где х = 0,5, 0,4, 0,3, 0,2, 0,1, 0. Для получения однородных смесей использовали агатовую ступку и пестик.Для каждой смеси сырье подвергали холодному прессованию в цилиндрические таблетки (диаметром 4 мм и высотой 2,5 мм) и запечатывали в шестиугольную капсулу из BN, используемую для предотвращения реакции образца с графитовым нагревателем. Эксперименты по синтезу при высоких давлениях и температурах проводились на кубическом прессе с несколькими упорами SPD 6 × 600 Тл. Порошковую смесь нагревали до заданной температуры (1400–2300 К) и выдерживали в течение 15 мин при повышенном давлении 5,0 ГПа. Затем образец охлаждали до комнатной температуры (300 К), отключив электропитание перед декомпрессией.

После синтеза поликристаллические образцы были измельчены в порошок, и их структура была охарактеризована с помощью рентгеновской дифракции с монохроматическим излучением Cu K _α (длина волны 1,5418, напряжение и ток 40 кВ и 30 мА соответственно). Микроморфологию и элементный состав полученных поликристаллических образцов исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (Magellan 400 SEM) с энергодисперсионным спектром (ЭДС). Кристаллическую структуру TiC _1-x исследовали методами дифракции электронов на выбранных участках (SAED) и переходной электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM) на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2200FS.Свежеприготовленные поликристаллические образцы сначала полировали карбидокремниевой бумагой, а затем алмазным порошком до получения зеркальной поверхности. Затем для получения средней твердости по Виккерсу на полированной поверхности образца делали не менее пяти отпечатков при различных приложенных нагрузках с выдержкой 15 с. Перед измерением энергии связи титана и углерода поверхности поликристаллических образцов бомбардировали ионами Ar ⁺ в течение 600 с. Измерения XPS проводились с источником рентгеновского излучения, оснащенным анодом из Mg (hν = 1253. 6 эВ) при базовом давлении 10 ^-10 мбар, достигаемом с помощью камеры сверхвысокого вакуума (СВВ).

Чтобы исследовать электронную структуру TiC, мы выполнили расчет из первых принципов с использованием пакета моделирования Vienna ab initio Simulation Package (VASP) [20]. Обменно-корреляционная зависимость Пердью-Берка-Эрнзергофа (PBE) использовалась в обобщенном градиентном приближении GGA [21]. Энергетическая отсечка 500,0 эВ и плотная сетка пакетов Монкхорста были выбраны, чтобы гарантировать, что разница энергий будет <1.0 мэВ/атом. Механические свойства рассчитывали на основе кода CASTEP с суперячейкой 2 × 2 × 2, в которой 300,0 эВ и 2π × 0,03 ^–1 были выбраны в качестве порога энергии и значения k-сетки соответственно [20, 22, 23] .

Результаты и обсуждение

Поликристаллические образцы TiC _1-x были синтезированы при высоком давлении 5,0 ГПа и температуре от 1900 до 2300 К с выдержкой 15 мин. Порошки металлического титана начинают реагировать с порошком графита при температуре выше 1600 К, а чистый кубический поликристаллический TiC _1-x был синтезирован при температуре выше 1900 К. Профили дифракции рентгеновских лучей при комнатной температуре для различных закаленных поликристаллических образцов TiC _1-x показаны на рисунке 1а. Основные пики рентгенограмм TiC _0,7 хорошо характеризуются кубической структурой каменной соли с параметрами a = b = c = 4,3254 , что достаточно хорошо согласуется с предыдущим сообщением [ 18]. Рентгеновская дифракция (XRD) показывает крошечный пик при 26,8°, который соответствует графитовой фазе, и это можно обнаружить на расширенных профилях XRD.Крошечный пик графита предполагает, что определенное количество графита исключено из решетки TiC. Поэтому вполне вероятно наличие углеродных вакансий в структуре TiC _1−x . Поскольку крошечные графитовые пики не давали подробной структурной информации для TiC _1-x , мы не могли подтвердить относительное количество атомов углерода, которые были исключены из кубической структуры TiC. Чтобы исследовать исключение атомов углерода, мы сравнили образцы с различным соотношением исходных материалов Ti:C = 1:1-x. На рис. 1b показано изменение дифракционных пиков с увеличением x . Сначала они смещаются влево, что свидетельствует об уменьшении параметров решетки. Когда x достигает 0,3, трудно увидеть какие-либо графитовые дифракционные пики, и мы предварительно определяем количество углеродных вакансий как ~30%. Хотя смеси исходных материалов были стехиометрическими, а соединения были синтезированы при высоком давлении и высокой температуре, появление пиков дифракции графита указывает на то, что углеродные вакансии чрезвычайно устойчивы.Когда x больше 0,5, рентгеновская дифракция показывает дополнительные пики другой фазы. Появление других фаз, вероятно, свидетельствует о том, что предел x для синтеза TiC _1−x составляет 0,5.

Рис. 1. (a) Профили дифракции рентгеновских лучей на порошке образцов TiC _1−x ( x = 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5), синтезированных при 2000 K, 5,0 ГПа, 15 мин. . (b) Увеличенное положение пика рентгеновской дифракции плоскости (200) при уменьшении содержания углерода. (c, d) Типичные фотографии TiC _0,7 на сканирующем электронном микроскопе (SEM) в различных областях. (e) Светлопольные изображения синтезированного образца. На вставке приведены выбранные картины дифракции электронов. (f) ПЭМ-изображение полученного образца с высоким разрешением.

Дальнейшие наблюдения с помощью СЭМ показали, что синтезированные образцы TiC _0,7 не имели видимых микротрещин и пор и имели высокую относительную плотность ~97%.На рисунках 1c, d показаны типичные изображения сканирующего электронного микроскопа в полевых условиях сечения трещины в различных произвольных местах. Из рисунка 1с видно, что образцы после синтеза имеют высококристаллические зерна. Размер зерна определен как 20–40 мкм. Кроме того, на рисунке 1d также можно увидеть ламинарную морфологию, которая возникает из-за трещины в образце. ЭДС подтвердила, что состав и соотношение элементов в синтезированном образце составляют около TiC _0,7 , что позволяет предположить, что синтезированный образец не является стехиометрическим. Это согласуется с ab initio составом этого образца. Картины SAED показали, что дифракционные пятна находятся в хорошем порядке и определяют, что это кубическая структура, как показано на рисунке 1e. Вокруг основных пятен трудно обнаружить сателлитные пятна, что исключает возможность образования углеродными вакансиями сверхструктуры в основной решетке [24]. Образец также был изучен с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (HRTEM). Как видно из рисунка 1f, межплоскостное расстояние оказалось равным 2.58, что соответствует грани (111) TiC. Несмотря на то, что углеродная вакансия составляет 30%, образец по-прежнему демонстрирует сильно кристаллическую природу, как видно из изображений HRTEM.

Принимая во внимание, что количество углеродных вакансий существенно не меняется при изменении исходных составов, когда x больше 0,3, мы пришли к выводу, что влиянием остаточного предшественника графита на твердость для TiC _0,7 можно пренебречь. Если образец демонстрирует высокую твердость, будет иметь место сильная орбитальная гибридизация между орбиталью переходного металла-d и орбиталью C-2p, которая, как предполагается, полезна для высокой твердости. Измерение твердости образца TiC _0,7 проводили на полированной зеркальной поверхности по шкале твердости Виккерса пирамидальным алмазным индентором. Сила нагрузки, действующая на образцы, варьировалась от 25 до 1000 г до достижения конвергентной твердости по Виккерсу. Значение микротвердости по Виккерсу было подтверждено в соответствии с уравнением (1):

, в котором d — длина двух диагоналей отпечатков, а P — приложенная сила продолжительностью 15 с.На поверхности образца было сделано не менее пяти отпечатков для получения точных данных о твердости. Среднее значение твердости по Виккерсу поликристаллического образца TiC _0,7 при различных усилиях нагрузки приведено на вставке к рисунку 2А. Твердость уменьшается с увеличением силы нагрузки. С увеличением силы нагрузки твердость по Виккерсу постепенно приближалась к асимптотическому значению твердости по Виккерсу 27,1 ГПа. По сравнению с предыдущими результатами 24,7 ГПа измеренная асимптотическая твердость по Виккерсу образцов, изготовленных в условиях HPHT, несколько выше. Образец с более высокой твердостью по Виккерсу, полученный синтезом HPHT, не является неожиданностью, поскольку измеренная твердость тесно связана с качеством образца. Поскольку эффект заполнения пор будет влиять на размер отпечатка твердости, более высокая относительная плотность образца предполагает, что полученное значение твердости будет ближе к значению определенного материала. Показано, что метод HPHT эффективен при подготовке образцов с высокой относительной плотностью.

Рис. 2.(A) Значение твердости по Виккерсу, полученное в зависимости от приложенной нагрузки TiC _0,7 . Соответствующие изображения вдавливания при различных приложенных нагрузках представлены над каждой точкой данных. (B) Значения твердости по Виккерсу боридов переходных металлов с высокой концентрацией бора и карбида титана.

На рис. 2B показаны значения твердости по Виккерсу различных боридов переходных металлов с высокой концентрацией бора, широко используемых карбидов переходных металлов и нашего образца карбида титана. Мы можем видеть, что асимптотическая твердость по Виккерсу даже выше, чем у ReB ₂ , WB ₃ , ReB ₂ , MnB ₄ , ZrB ₁₂ и даже FeB ₄ , и даже FeB ₄ , быть сверхтвердым [2, 11, 12, 25]. По сравнению с другими широко используемыми карбидами переходных металлов (WC, WC-8%Co, TaC и Mo ₃ C ₂ ), TiC _x демонстрирует более высокую твердость. Низкое содержание легких элементов также вызывает более высокую твердость TiC [26–29].Этот факт указывает на то, что высокое содержание легких элементов или высокоразмерные каркасы из легких элементов не могут быть критическим критерием для создания сверхтвердых материалов.

Объемный модуль (В) обозначает способность материала сопротивляться изменению объема под действием гидростатического давления. Сверхтвердые материалы обычно обладают высоким значением объемного модуля, хотя обратное не всегда верно [30]. Элементарная ячейка TiC кристаллизуется в кубическую структуру с параметром решетки a = 4,32 Å, что дает объем элементарной ячейки 80. 62 Å ³ . Таким образом, молекулярный объем равен 20,16 Å ³ . Состав валентной электронной оболочки Ti равен 3d ² 4s ² или Z = 4, а C равен 2s ² p ² с Z из 4. Таким образом, общее число валентных электронов в одной элементарной ячейке равно восьми, а плотность валентных электронов (ВЭД) равна 0,4 электрона/Å ³ . Сообщается, что алмаз имеет самый высокий объемный модуль 442,0 ГПа и VED 0,7 электрон/Å ³ , а самый несжимаемый металл Os имеет объемный модуль 411.0 ГПа и ВЭД 0,57 эл/Å ³ [8]. Относительно низкий VED не может гарантировать структуру TiC с исключительно высоким объемным модулем. Следовательно, рассчитанный объемный модуль TiC на основе расчетов из первых принципов составляет всего 252,4 ГПа, что намного ниже, чем у алмаза, Os и диборидов осмия. Однако, согласно недавним сообщениям S.H. Jhi и YC Liang, число валентных электронов, равное восьми, приводит к наиболее приемлемой электронной структуре и, следовательно, к более высокой твердости [31–34]. Валентный электрон TiC составляет около восьми электронов, и это может быть одной из причин его исключительно высокой твердости.

Недавние исследования на микроскопическом уровне показали, что твердость твердого тела зависит от плотности связи, длины связи, прочности связи и электроотрицательности связи. Согласно предыдущим результатам, преобладающей связью в структуре каменной соли монокарбидов переходных металлов являются связи TM-C, образованные гибридизацией между орбиталями переходного металла-d и C-2p-орбиталями.Необходимо изучить эту характеристику связи и электронные конфигурации TiC, потому что характеристика химических связей имеет решающее значение для механических свойств. Одним из наиболее многообещающих средств для этого было бы сочетание взаимосвязей между расчетом из первых принципов и измерениями энергии связи. На рисунке 3B показан XPS-спектр C-1s с энергией связи от 283,0 до 292,0 эВ. Как видно из спектра, имеются два пика при энергии связи 284.7 и 287,5 эВ. Энергия связи пика графита 1s обычно находится на уровне 284,5 эВ. Следовательно, пик при энергии связи 284,7 эВ принадлежит остаточному графиту, извлеченному из основной матрицы TiC. Появление графитового пика подтверждает наличие углеродных вакансий в синтезированных поликристаллических образцах. Другой пик с более высокой энергией связи 287,5 эВ можно отнести к TiC. Тот факт, что энергия связи выше, чем у графита, предполагает перенос электрона от титана к атомам углерода.На рис. 3А представлены спектры Ti-2p ^3/2 и 2p ^1/2 при энергии связи от 455 до 468 эВ. В спектрах РФЭС Ti 2p присутствуют две пары пиков энергии связи. Два основных пика при 457,7 и 463,7 эВ относятся к высококристаллическому TiC, а пара небольших пиков при 458,7 и 464,6 эВ – к дефектной структуре. Сравнивая площадь пика двух парных пиков TiC, можно подтвердить, что углеродные вакансии x составляют примерно от 0,37 до 0,38, что примерно соответствует предыдущему результату EDS для TiC _0.7 . Энергия связи C-1s у TiC выше, чем у графита, а это означает, что некоторые электроны трансформируются из атомов титана в атомы углерода. Преобразование заряда между углеродом и титаном предполагает, что в связи Ti-C есть некоторая ионная характеристика.

Рисунок 3 . Получены XPS-спектры высокого разрешения карбида титана TiC _0,7 , синтезированного при высоком давлении и высокой температуре и предварительно подвергнутого бомбардировке распылением Ar ⁺ в течение 600 с. (A) Спектр Ti-2p ^3/2 и 2p ^1/2 и (B) C-1s спектр.

Твердость TiC также была рассчитана с помощью модели Чена по следующему уравнению,

Hv=2(k2G)0,585 -3    (2)

[35]. Расчетные объемный модуль и модуль сдвига составляют 252,4 и 176,1 ГПа соответственно. Основываясь на приведенном выше теоретическом модуле, смоделированная твердость по Виккерсу составляет около 24,0 ГПа, что согласуется с экспериментальным значением асимптотической твердости.Для дальнейшего исследования электронных свойств и характеристик связи TiC были выполнены основные расчеты с использованием кода CASTEP. В соответствии с кристаллической структурой и функцией локации электронов (ELF) каменной соли TiC, как показано на рисунке 4A, B. , в структуре TiC существует только один тип связи Ti-C. На рисунке 4C представлена ​​полная и парциальная плотность состояний TiC. По плотности состояний можно наблюдать своеобразную конфигурацию связи, указывающую на высокую степень соответствия между орбиталями Ti-3d и орбиталями C-2p от -3 до -1 эВ.Совпадение парциальной плотности состояний (PDOS) предполагает, что связь Ti-C в кристаллической решетке также имеет некоторые сильные ковалентные свойства. Ненулевая плотность электронов на уровне Ферми указывает на металлическую особенность кристаллической структуры TiC, что согласуется с удельным электропроводным сопротивлением 3,56 × 10 ^-7 Ом·м. Для дальнейшего количественного описания характера связывания TiC мы провели анализ популяции Малликена. Высокое перекрытие между электронной конфигурацией или более высокой заселенностью по Малликену соответствует сильной ковалентной связи, тогда как значение, близкое к нулю, указывает на слабое взаимодействие между двумя атомами. Результаты расчетов подтвердили наше предыдущее предположение о связи. Сравнивая заселенность связей CC по Малликену в алмазе Pv = 0,75, Re-B в ReB ₂ , Pv = 0,73 и B1-B1 в WB ₄ , можно сделать вывод, что Ti- Связь С, Pv = 0,81, имеет характеристику ковалентной связи [36]. Более того, расчет населенности Малликена также показывает, что определенно происходит перенос заряда между атомами Ti и C в связи Ti-C.Средние атомные заряды Малликена составляют 0,84 и -0,84 для C и Ti. Перенос электрона от атомов титана к атомам углерода не согласуется с заключением РФЭС. Результаты анализа заселенности Малликена также подтвердили, что связь Ti-C одновременно обладает ионными характеристиками. Это согласуется с результатами XPS. Таким образом, связи TiC имеют сочетание ковалентных металлических и ионных характеристик. Однако, согласно предыдущим отчетам, ионные и металлические связи ухудшают твердость.Следовательно, при синтезе сверхтвердых материалов целесообразно избегать металлических и ионных связей в карбиде переходного металла. Однако по сравнению с образцами TiC, изготовленными другими методами, синтезированный образец TiC _1-x показал более высокое значение твердости. Предположительно это связано с внешним фактором. Поскольку дефекты действуют как центры закрепления, дефекты могут препятствовать движению дислокаций и тем самым повышать механическую прочность. Кроме того, появление углеродных вакансий изменяет электронный номер в кристаллической структуре и приводит к оптимизации электронной структуры [33, 34].Следовательно, образцы TiC _1−x обладают чрезвычайно высокой твердостью по сравнению с другими методами изготовления.

Рис. 4. (A,B) срезов ELF и CDD плоскости (110) TiC. (C) Расчетная плотность состояний TiC. Энергетический уровень Ферми (E _F ) показан вертикальной пунктирной линией.

Выводы

Таким образом, образцы TiC _1−x с дефицитом углерода были синтезированы в условиях высокой температуры и высокого давления. Синтезированные образцы обладают относительно высокой твердостью, превышающей многие соединения с высоким содержанием бора. Основываясь на результатах расчета из первых принципов, мы пришли к выводу, что более высокая твердость TiC может быть связана с сильными связями Ti-C и оптимизированной электронной структурой. Кроме того, углеродные вакансии также играют важную роль в повышении твердости методом внешнего упрочнения. Хотя углеродная вакансия хороша для высокой твердости, углеродные вакансии в этих образцах имеют тенденцию быть устойчивыми даже в условиях синтеза HPHT.Может потребоваться дальнейшее исследование критических условий синтеза, чтобы решить проблему углеродных вакансий и добиться более высокой твердости, ожидаемой для стехиометрического TiC.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без неоправданных оговорок.

Вклад авторов

LC и ZY внесли свой вклад в разработку концепции и дизайна исследования. З.Ы. организовал литературу. HL и SM выполнили дизайн рисунков и написали первый набросок рукописи.Все авторы внесли свой вклад в доработку рукописи, прочитали и одобрили представленную версию.

Финансирование

Это исследование было поддержано Фондом естественных наук Гуанси в рамках гранта № 2018GXNSFBA050034 и 2019GXNSFBA185001, Проекта по улучшению основных способностей учителей молодого и среднего возраста Департамента образования Гуанси, № 2020KY04022.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Ссылки

1. Кнаппшнайдер А., Литтершайд С., Курцман Дж., Сешадри Р., Альберт Б. Уточнение кристаллической структуры и модели связывания crB ₄ : борид с высоким содержанием бора с каркасом из тетраэдрически координированных атомов В. Неорг. хим. (2011) 50:10540–2. дои: 10.1021/ic2018083

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

2. Qin J, He D, Wang J, Fang L, Lei L, Li Y, et al. Является ли диборид рения сверхтвердым материалом? Adv Mater. (2008) 20:4780–3. doi: 10.1002/adma.200801471

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

4. Gu Q, Krauss G, Steurer W. Бориды переходных металлов: сверхтвердые и сверхнесжимаемые. Adv Mater. (2008) 20:3620–6. doi: 10.1002/adma.200703025

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

5. Mohammadi R, Lech AT, Xie M, Weaver BE, Yeung MT, Tolbert SH, et al. Тетраборид вольфрама, недорогой сверхтвердый материал. ПНАС .(2011) 108:10958–62. doi: 10.1073/pnas.1102636108

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

6. Ма С., Бао К., Тао К., Чжу П., Ма Т., Лю Б. и другие. Моноборид марганца, недорогой твердый ферромагнитный материал при комнатной температуре. Научный отчет (2017) 7:43759. дои: 10.1038/srep43759

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

7. Li H, Wen P, Li Q, Dun C, Xing J, Lu C, et al. Обильные наночастицы диборида железа (FeB ₂ ) в качестве высокоактивных бифункциональных электрокатализаторов для общего расщепления воды. Adv Energy Mater. (2017) 7:1700513. doi: 10.1002/aenm.201700513

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

8. Гилман Дж.Дж., Камберленд Р.В., Канер Р.Б. Дизайн твердых кристаллов. Int J Refractory Metals Hard Mater. (2006) 24:1–5. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2005.05.015

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

9. Guo X, Li L, Liu Z, Yu D, He J, Liu R, et al.-Wang T. Твердость ковалентных соединений: роль металлического компонента и D валентных электронов. J Appl Phys. (2008) 104:023503. дои: 10.1063/1.2956594

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

10. Wang Q, He J, Hu W, Zhao Z, Zhang C, Luo K, et al. Является ли орторомбический тетраборид железа сверхтвердым? J Материал. (2015) 1:45–51. doi: 10.1016/j.jmat.2015.03.004

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

11. Tao Q, Zheng D, Zhao X, Chen Y, Zhu P. Изучение твердости и искаженной sp2-гибридизации связей b–B в wB ₃ . Хим. матер. (2014) 26:5297–302. doi: 10.1021/см5021806

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

12. Ma S, Bao K, Tao Q, Huang Y, Xu C, Li L, et al. Исследование происхождения и механических свойств необычных жестких алмазоподобных сетчатых аналогов в тетрабориде марганца. Int J Refractory Metals Hard Mater. (2019) 85:104845. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2018.12.010

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

13. Тан Х., Гао С., Чжан Дж., Гао Б., Гоу Х.Богатый бором борид молибдена с необычным ближним упорядочением вакансий, анизотропной твердостью и сверхпроводимостью. Хим. матер. (2019) 32:459–67. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b04052

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

15. Ван С., Тао К., Ма С., Цуй Т., Ван С., Донг С. и др. WB ₂ : не сверхтвердый материал для сильного поляризационного характера межслойной связи w-B. Phys Chem Chem Phys. (2017) 19:8919–24. дои: 10.1039/C6CP04287B

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

16.Юн М.Т., Акопов Г., С.-Лин В., Кинг Д.Дж., Ли Р.Л., Собелл З.К. и др. Сверхтвердые w _0,5 Ta _0,5 B нанопроволоки, приготовленные при атмосферном давлении. Appl Phys Lett. (2016) 109:203107. дои: 10.1063/1.4967447

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

18. Рагурам Буншах КАРФ. Влияние температуры подложки на структуру карбида титана, осажденного методом активированного реактивного испарения. J Технологии вакуума. (1972) 9:1389–94. дои: 10. 1116/1.1317046

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

19. Kumashiro Y, Itoh A, Kinoshita T, Sobajima M. Микротвердость по Виккерсу монокристаллов TiC до 1500°C. J Матер. (1977) 12: 595–601. дои: 10.1007/BF00540285

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

22. Segall MD, Lindan PJD, Probert MJ, Pickard CJ, Hasnip PJ, Clark SJ, et al. Моделирование первых принципов: идеи, иллюстрации и код CASTEP. J Phys Конденсирует материю. (2002) 14:2717–44. дои: 10.1088/0953-8984/14/11/301

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

23. Segall MD, Shah R, Pickard CJ, Payne MC. Популяционный анализ плосковолновых расчетов электронной структуры объемных материалов. Phys Rev B. (1996) 54:16317–20. doi: 10.1103/PhysRevB.54.16317

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

24. Sathish CI, Guo Y, Wang X, Tsujimoto Y, Li J, Zhang S, et al. Сверхпроводящие и структурные свойства d-MoC0.Фаза карбида молибдена 681 куб. J Химия твердого тела. (2012) 196:579–85. doi: 10.1016/j.jssc.2012.07.037

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

25. Wang S, Yu X, Zhang J, Zhang Y, Wang L, Leinenweber K, et al. Кристаллические структуры, упругие свойства и твердость синтезированных при высоком давлении crB ₂ и crB ₄ . J Сверхтвердый материал. (2014) 36: 279–87. дои: 10.3103/S1063457614040066

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

26.Chen Y, He D, Qin J, Kou Z, Bi Y. Ультразвуковые измерения и измерения твердости для керамики wB, приготовленной сверхвысоким давлением. Int J Refractory Metals Hard Mater. (2011) 29:329–31. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2010.12.006

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

27. Sun W, Kuang X, Liang H, Xia X, Zhang Z, Lu C, et al. Механические свойства карбида тантала из синтеза при высоком давлении/высокой температуре и основные расчеты. Phys Chem Chem Phys. (2020) 22:1–6.дои: 10.1039/C9CP06819H

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

28. Ge Y, Ma S, Kuo B, Tao Q, Zhao X, Feng X, et al. Сверхпроводимость с высокой твердостью в Mo ₃ C ₂ . Инорг Хим Фронт. (2019) 6:1282–8. дои: 10.1039/C9QI00182D

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

29. Zou Y, Wang X, Chen T, Li X, Qi X, Welch D, et al. ε-NbN с гексагональной структурой: сверхнесжимаемость, высокая жесткость при сдвиге и, возможно, твердый сверхпроводящий материал. Научный доклад (2015) 5:10811. дои: 10.1038/srep10811

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

30. Камберленд Р.В., Вайнбергер М.Б., Гилман Дж.Дж., Кларк С.М., Толберт С.Х., Канер Р.Б. Диборид осмия, сверхнесжимаемый, твердый материал. J Am Chem Soc. (2005) 127:7264–5. дои: 10.1021/ja043806y

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

32. Лян Ю., Цинь П., Цзян Х., Чжан Л., Чжан Дж., Тан С. Создание сверхтвердых металлов: случай низких боридов. AIP Adv. (2018) 8:045305. дои: 10.1063/1.5023830

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

33. Jhi SH, Ihm J, Louie SG, Cohen ML. Электронный механизм повышения твердости карбонитридов переходных металлов. Природа . (1999) 399:132–34. дои: 10.1038/20148

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

34. Jhi SH, Louie SG, Cohen ML, Ihm J. Упрочнение и размягчение вакансий в карбидах и нитридах переходных металлов. Phys Rev Lett. (2001) 86:3348–51. doi: 10.1103/PhysRevLett.86.3348

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

35. Chen X-Q, Niu H, Li D, Li Y. Моделирование твердости поликристаллических материалов и объемных металлических стекол. Интерметаллиды . (2011) 19:1275–81. doi: 10.1016/j.intermet.2011.03.026

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

36. Wang M, Li Y, Cui T, Ma Y, Zou G. Происхождение твердости в wB ₄ и ее последствия для reB ₄ , taB ₄ , moB ₄ , tcB ₄ и OSB ₄ . Appl Phys Lett. (2008) 93:101905. дои: 10.1063/1.2977760

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Рабочая лошадка Металлы для обработки, 3D-печать

Применение алюминия

Алюминий повсюду — это самый распространенный металл на планете. Тонкий слой оксида алюминия, образующийся на нем при контакте с воздухом, делает его практически не подверженным коррозии, а его малый вес помогает вашим деталям не действовать как лодочный якорь. Хотя алюминий обычно не реагирует на кислоты, он имеет тенденцию к коррозии в щелочной (основной) среде.

Как правило, алюминий используется в самолетах и ​​строительных материалах, например, в ненесущих каркасах. В частности, 6061 — это выбор для рам велосипедов, баллонов для акваланга, рыболовных катушек, небольших лодок и рам транспортных средств. Более прочные свойства 7075 делают его идеальным для форм для пластмасс и инструментов, а также для корпусов самолетов. И если вы ищете хороший электрический проводник, алюминий может это сделать. Он обладает отличной способностью передавать тепло, что делает его идеальным для радиаторов.

Алюминиевый сплав, используемый в нашем процессе прямого лазерного спекания металлов (DMLS), AlSi10Mg, содержит кремний и магний.Он часто используется для литья и больше всего похож на сплав серии 3000, учитывая добавление магния в качестве основного легирующего элемента. Свойства алюминия, напечатанного на 3D-принтере, превосходят свойства литого под давлением алюминия, за исключением меньшего удлинения при разрыве.

Применение титана

Титан также является одним из самых распространенных металлов на Земле, но его температура плавления настолько высока, что его трудно переработать в пригодный для использования продукт. Это основная причина, почему он дороже других металлов. Детали из титана требуют дополнительных затрат, поскольку их трудно обрабатывать. Титан известен своей прочностью и имеет высокое отношение прочности к весу. Он также предлагает отличную коррозионную стойкость и столь же плохой электрический проводник.

Одним из плюсов титана является низкое тепловое расширение. С температурой плавления около 3000 градусов по Фаренгейту (1660 градусов по Цельсию) при воздействии тепла он лучше сохраняет свою форму. Более того, вместо того, чтобы поглощать тепло, титан любит его отражать, поэтому вы найдете его в окнах с низким E, отражая теплые инфракрасные лучи солнца.

С точки зрения внешнего вида, цвет титана меняется в зависимости от того, насколько сильно он был изменен. Он может варьироваться от тускло-серого в необработанном виде до блестящего серебристого в гладком виде. Титан, используемый в нашем процессе DMLS, представляет собой Ti 6Al4V, более известный как Ti 6-4. Он имеет механические свойства, подобные отожженному Ti сорта 23, и обладает исключительной прочностью на растяжение.

Самые твердые металлы на Земле

Мы в первую очередь идентифицируем металл как твердый материал. Однако на практическом уровне твердость определяется многими свойствами, которые позволяют отнести сталь и ее сплавы к числу самых твердых металлов.

Итак, что такое твердость? Это способность материала выдерживать внешние нагрузки без разрушения. Твердость металла зависит от многих качеств и параметров, таких как его предел прочности при растяжении и сжатии, предел текучести, предел остаточной деформации, трещиностойкость и др.

Твердые сплавы и натуральные металлы

Сплавы

– это продукт соединения различных металлов. Они обусловлены необходимостью иметь металлы с широким диапазоном характеристик, в том числе различной твердости.Одним из важных сплавов в этом смысле является сталь, представляющая собой комбинацию железа и углерода. Итак, какие металлы считаются самыми твердыми на Земле?

Поскольку твердость металла зависит от целого ряда свойств, трудно однозначно ранжировать металлы от самых твердых до самых мягких. Шкала твердости металлов зависит от того, какое свойство является ключевым для данного приложения.

Сталь и ее сплавы

Сталь

представляет собой прочный сплав железа и углерода с примесями других элементов, в том числе кремния, марганца, ванадия, ниобия и др.Различные методы легирования позволяют получать стали с совершенно разными свойствами.

Таким образом, высокоуглеродистая сталь представляет собой сплав железа с высоким содержанием углерода. Он прочен, относительно недорог, долговечен и хорош для металлообработки. Некоторые недостатки включают плохую способность к закалке и низкую термостойкость, что делает высокоуглеродистую сталь чувствительной к агрессивным средам.

Области применения: производство оснастки, деталей машин и сложных механизмов, элементов металлоконструкций.Важным предварительным условием для этих применений является отсутствие коррозионной среды.

Сталь со сплавом железа и никеля является одним из самых твердых соединений. Хотя существует несколько его вариантов, углеродистая сталь, легированная никелем, обычно увеличивает предел текучести сплава до 1420 МПа с пределом прочности на растяжение до 1460 МПа.

Применение: Сплавы на основе никеля используются в некоторых типах мощных ядерных реакторов в качестве защитных высокотемпературных оболочек для предохранения урановых стержней от коррозии.

Нержавеющая сталь — коррозионностойкий сплав стали, хрома и марганца с пределом текучести до 1560 МПа и пределом прочности до 1600 МПа. Как и любая другая сталь, этот сплав обладает высокой ударопрочностью и находится в середине шкалы твердости Мооса.

Области применения: как коррозионно-стойкий материал, нержавеющая сталь широко используется в различных областях, включая нефтехимическую промышленность, тяжелое машиностроение, строительство, производство электроэнергии, судостроение, пищевую промышленность и бытовую технику.

Сверхтвердые сплавы

Сплавы с карбидами вольфрама, титана или тантала в основе обладают твердостью, с которой не мог сравниться даже молот Тора.

Титан — это природный металл, который СМИ и кинематографисты часто называют сверхтвердым материалом. Его отношение прочности к весу почти вдвое больше, чем у стальных сплавов. Его отношение прочности на растяжение к плотности является самым высоким среди всех металлов, превосходя вольфрам, который, однако, имеет более высокие баллы, чем титан по шкале Мооса.При этом титановые сплавы прочны и легки.

Применение: Титан и его сплавы часто используются в аэрокосмической технике для покрытия космических кораблей, топливных баков и деталей реактивных двигателей. Он также широко распространен в судостроении, строительстве трубопроводов для агрессивных сред и в качестве каркасного материала.

Как природный металл с самой высокой прочностью на растяжение, вольфрам часто комбинируют со сталью и другими металлами для получения еще более прочных сплавов.Однако вольфрам хрупок и разрушается при ударе, что является одним из его недостатков.

Применение: Вольфрам марки применяется в сталелитейной промышленности для изготовления легированных сталей и различных сплавов, в электротехнике для элементов светотехнического оборудования, в тяжелом и авиационном машиностроении, а также в космической и химической промышленности. Сплав вольфрама и углерода (карбид вольфрама) встречается в режущих инструментах, таких как ножи и циркулярные пилы, а также в прочных рабочих частях горнодобывающего оборудования и катках.

Тантал имеет сразу три преимущества: он твердый, плотный и устойчивый к коррозии. Он относится к тугоплавким металлам, как и вольфрам.

Области применения: тантал используется для изготовления электроники и сверхмощных конденсаторов для персональных компьютеров, смартфонов, фотоаппаратов и автомобильной электроники.

Инновационные сплавы

Существуют сплавы, которые, несмотря на относительно недавнее открытие, уже завоевали признание благодаря своим превосходным свойствам и широко используются в аэрокосмической технике и медицинской промышленности.

Алюминид титана представляет собой сплав титана и алюминия, устойчивый к высоким температурам и коррозии, но довольно хрупкий и не поддающийся формованию. Тем не менее, он оказался полезным в производстве специальных защитных покрытий.

Сплав титана и золота — еще один уникальный материал, разработанный несколько лет назад группой ученых из университетов США. Основная задача, которую решали эти ученые, заключалась в том, чтобы создать нечто более прочное, чем титан, которое можно было бы использовать для медицинских протезов, контактирующих с биологическими тканями.Титановые протезы хоть и прочные, но относительно быстро изнашиваются и требуют замены каждые десять лет. С другой стороны, сплав титана и золота оказался в четыре раза прочнее сплавов, используемых в настоящее время в протезировании.

Повышение поверхностной твердости титана за счет интерметаллических микроструктур Ni-Ti, образующихся на месте во время наплавки никеля ВЧ, Вайнхайм, 2003.

Google Scholar

2.

2 G. Lütjering and J.C. Williams: Titanium , 2nd Editio., Springer-Verlag, Berlin, 2007.

Google Scholar

3.

3 R.R. Boyer: Mater. науч. англ. А , 1996, том. 213, стр. 103–14.

Артикул Google Scholar

4.

4 М. Петерс, Дж. Кумпферт, К.Х. Уорд и К. Лейенс: Adv. англ. Матер. , 2003, том. 5, стр. 419–27.

КАС Статья Google Scholar

5.

K. Faller and F. H. Froes: JOM , 2001, vol. 53, стр. 27–8.

КАС Статья Google Scholar

6.

6 М. Гита, А.К. Сингх, Р. Асокамани и А.К. Гогия: прог. Матер. науч. , 2009, том. 54, стр. 397–425.

КАС Статья Google Scholar

7.

7 К.Г. Budinski: Wear , 1991, vol. 151, стр. 203–17.

КАС Статья Google Scholar

8.

Х. Донг: в Технология обработки поверхности легких сплавов , Х. Донг, изд., Первое издание, Woodhead Publishing, Оксфорд, 2010, стр. 58–80.

9.

9 F. Weng, C. Chen, and H. Yu: Mater.Дес. , 2014, том. 58, стр. 412–25.

КАС Статья Google Scholar

10.

10 П.А. Молиан и Л. Хуалун: Wear , 1989, vol. 130, стр. 337–52.

КАС Статья Google Scholar

11.

11 Q.W. Мэн, Л. Генг и Б.Ю. Чжан: Прибой. Техн. покрытий. , 2006, том. 200, стр. 4923–8.

КАС Статья Google Scholar

12.

12 Y. Yang, D. Zhang, W. Yan и Y. Zheng: Opt. Лазеры инж. , 2010, том. 48, стр. 119–24.

Артикул Google Scholar

13.

13 М. Ли, Дж. Хуанг, Ю.Ю. Чжу и З.Г. Ли: Прибой. Техн. покрытий. , 2012, том. 206, стр. 4021–6.

КАС Статья Google Scholar

14.

14 Х.-Б. Лю, X.-J. Мэн, Х.-К. Лю, Г.-Л. Ши, С.-Х.Ву, К.-Ф. Вс, М.-Д. Ван и Л.-Х. Ци: Матер. Дес. , 2014, том. 55, стр. 404–9.

КАС Статья Google Scholar

15.

15 Дж.Д. Маджумдар, Б.Л. Мордайк и И. Манна: Wear , 2000, vol. 242, стр. 18–27.

КАС Статья Google Scholar

16.

16 Х.М. Ван и Ю.Ф. Лю: мэтр. науч. англ. А , 2002, том. 338, с.126–32.

Артикул Google Scholar

17.

17 Ю. Ван и Х.М. Ван: заявл. Серф. науч. , 2004, том. 229, стр. 81–6.

КАС Статья Google Scholar

18.

18 Дж.Д. Маджумдар, И. Манна, А. Кумар, П. Бхаргава и А.К. Nath: J. Mater. Процесс. Технол. , 2009, том. 209, стр. 2237–43.

Артикул КАС Google Scholar

19.

19 F. Liu, Y. Mao, X. Lin, B. Zhou и T. Qian: Opt. Лазерная технология. , 2016, том. 83, стр. 140–7.

КАС Статья Google Scholar

20.

20 F. Weng, H. Yu, C. Chen и J. Dai: Mater. Дес. , 2015, том. 80, стр. 174–81.

КАС Статья Google Scholar

21.

21 Л.Л. Бай, Дж. Ли, Дж.Л. Чен, Р. Сонг, Дж.З. Шао и С.C. Qu: опт. Лазерная технология. , 2016, том. 76, стр. 33–45.

КАС Статья Google Scholar

22.

22 Ю.Х. Лв, Дж. Ли, Ю.Ф. Тао и Л.Ф. Ху: Appl. Серф. науч. , 2017, том. 402, стр. 478–94.

КАС Статья Google Scholar

23.

Дж. Р. Дэвис: в Сварка, пайка и пайка , Д.Л. Олсон, Т.А. Зиверт, С. Лю и Г.Р. Эдвардс, ред., Vol. 6., ASM International, Огайо, 1993, стр. 789–29.

24.

К.Г. Будинский: в Атласе трения, износа и эрозии , 1-е изд., CRC Press, Бока-Ратон, 2013 г., стр. 201–10.

Книга Google Scholar

25.

Т.Б. Массальски, Дж. Л. Мюррей, Л. Х. Беннетт и Х. Бейкер: Фазовые диаграммы бинарных сплавов . АСМ, Парк Металлов, 1986.

Google Scholar

26.

26 Г. Фроммейер и Г. Вассерманн: Acta Metall. , 1975, том. 23, стр. 1353–60.

КАС Статья Google Scholar

27.

27 Г.А. Чедвик: Мет. науч. , 1975, том. 9, стр. 300–4.

КАС Статья Google Scholar

28.

28 Г. Фаникумар, К. Чаттопадхьяй и П. Датта: Metall. Матер. Транс. В , 2004, том.35, стр. 339–50.

КАС Статья Google Scholar

29.

29 Г. Фаникумар, П. Датта и К. Чаттопадхай: Sci. Технол. Сварка. Присоединиться. , 2005, том. 10, стр. 158–66.

КАС Статья Google Scholar

30.

30 S. Kou: Welding Metallurgy , 2nd Editio., John Wiley & Sons, Нью-Джерси, США, 2003.

Google Scholar

31.

31 З. Сан и Дж. К. Ион: Дж. Матер. науч. , 1995, том. 30, стр. 4205–14.

КАС Статья Google Scholar

32.

32 Б. Маджумдар, Р. Галун, А. Вейшайт и Б.Л. Мордайк: Дж. Матер. науч. , 1997, том. 32, стр. 6191–200.

КАС Статья Google Scholar

33.

33 С. Чаттерджи, Т.А. Абинанданан и К. Чаттопадхьяй: J.Матер. науч. , 2006, том. 41, стр. 643–52.

КАС Статья Google Scholar

34.

34 Т.В. Нельсон, Дж. К. Липпольд и М. Дж. Миллс: Weld. J. , 1999, vol. 78, стр. 329–37.

Google Scholar

35.

35 С. Чаттерджи, Т.А. Абинанданан, Г.М. Редди и К. Чаттопадхай: Metall. Матер. Транс. А , 2016, т. 1, с. 47, стр. 769–76.

Артикул КАС Google Scholar

36.

36 М.Н. Крокер, Р.С. Фидлер и Р. В. Смит: Proc. Р. Соц. Лондон. А , 1973, том. 335, стр. 15–37.

КАС Статья Google Scholar

37.

37 Дж. Ху и Х. Л. Цай: Междунар. J. Тепломассообмен. , 2007, том. 50, стр. 808–20.

Артикул Google Scholar

38.

38 Дж. Ху, Х. Го и Х. Л. Цай: Междунар. J. Тепломассообмен., 2008, том. 51, стр. 2537–52.

КАС Статья Google Scholar

39.

39 В.К. Аргоде, А. Кумар, С. Сундаррадж и П. Датта: Нумер. Теплопередача. Часть А Прил. , 2008, том. 53, стр. 432–55.

КАС Статья Google Scholar

40.

40 Б. Дутта и М. Реттенмайр: Металл. Матер. Транс. А , 2000, том. 31, стр. 2713–20.

КАС Статья Google Scholar

41.

41 С. Чаттерджи, Т.А. Абинанданан и К. Чаттопадхай: Metall. Матер. Транс. А , 2008, т. 1, с. 39, стр. 1638–46.

КАС Статья Google Scholar

42.

42 S. Bhan: J. Менее распространенный. , 1971, том. 25, стр. 215–20.

КАС Статья Google Scholar

43.

43 Х.-У. Пфайфер, С. Бхан и К. Шуберт: Дж. Менее распространенные. , 1968, том. 14, стр. 291–302.

КАС Статья Google Scholar

44.

44 Р. Нагараджан, С. Ранганатан, К. Аоки и К. Чаттопадхай: Mater. Транс. JIM , 1997, том. 38, стр. 406–12.

КАС Статья Google Scholar

45.

45 С. Самал, К. Бисвас и Г.Фаникумар: Металл. Матер. Транс. А , 2016, т. 1, с. 47, стр. 6214–23.

Артикул КАС Google Scholar

46.

Р. Эллиотт: в Процесс затвердевания эвтектики — кристаллические и стекловидные сплавы . Баттерворт-Хайнеманн, Лондон, 1983, стр. 64–5.

Google Scholar

47.

47 L.F. Mondolfo: Mater. науч. Технол. , 1989, том.5, стр. 118–22.

КАС Статья Google Scholar

48.

48 М. Нисида, К.М. Уэйман и Т. Хонма: Metall. Транс. А , 1986, том. 17, стр. 1505–1515.

КАС Статья Google Scholar

49.

49 Р.Р. Адхарапурапу, Ф. Цзян и К.С. Веккьо: Матер. науч. англ. А , 2010, вып. 527, стр. 1665–76.

Артикул КАС Google Scholar

50.

50 С. Чаттерджи, Т.А. Абинанданан и К. Чаттопадхьяй: Mater. науч. англ. А , 2008, т. 1, с. 490, стр. 7–15.

Артикул КАС Google Scholar

51.

51 В.Ю. Ларайя, В.К. Джонсон и П.В. Вурхиз: J. Mater. Рез. , 1988, том. 3, стр. 257–266.

КАС Статья Google Scholar

Высокая твердость в биосовместимом интерметаллическом соединении β-Ti3Au

ВВЕДЕНИЕ

В дополнение к многочисленным применениям в промышленности, автомобилестроении и аэрокосмической области Ti широко используется для имплантатов, заменяющих твердые ткани пациентов ( 1 , 2 ). Ряд экспериментов in vivo и in vitro с различными сортами Ti пришел к выводу, что технически чистый Ti является материалом с высокой биосовместимостью из-за самопроизвольного образования инертного и стабильного оксидного слоя ( 1 , 3 ). Дополнительные свойства, которые делают Ti пригодным для биомедицинских применений, включают его высокое отношение прочности к массе ( 4 , 5 ) и низкий уровень образования ионов в водной среде ( 1 ). Кроме того, Ti является одним из немногих материалов, способных к остеоинтеграции — механическому удержанию имплантата в костной ткани хозяина, — что стабилизирует имплантат без каких-либо слоев мягких тканей между ними ( 6 ).Эти свойства позволяют широко использовать Ti для таких устройств, как искусственные коленные и тазобедренные суставы, винты и шунты для фиксации переломов, костные пластины, кардиостимуляторы и протезы клапанов сердца ( 7 , 8 ). Неудивительно, что применение титана в стоматологии столь же распространено, включая имплантаты и их компоненты, такие как вкладки, коронки, съемные протезы и мосты ( 1 , 9 – 12 ). Однако чистый титан не является прочным. достаточно для ряда медицинских устройств ( 13 , 14 ), что требует разработки более совершенных сплавов ( 15 — 19 ).Хотя твердость можно улучшить, сплавив Ti с другим элементом ( 1 ), необходимо соблюдать осторожность, чтобы сохранить биосовместимость. Ранее двукратное увеличение твердости достигалось за счет легирования Ti медью или серебром ( 19 – 22 ). Использование легирующего элемента с той же валентностью, что и Cu и Ag, но с более высокой массовой плотностью, должно привести к более высокой плотности валентных электронов (VED), что, вероятно, приведет к более высокой прочности связи и, следовательно, к повышенной твердости ( 23 , 24 ).Это открытие предполагает, что золото является подходящим кандидатом для легирования для увеличения твердости в бинарных сплавах титана, учитывая его почти двукратное увеличение плотности по сравнению с медью или серебром ( 19 – 22 ). В настоящее время широкое использование имплантатов на основе золота ( 25 – 28 ) свидетельствует о его биосовместимости и коррозионной стойкости ( 10 ). Биомедицинские применения сплавов с высоким содержанием титана и золота ранее изучались в деталь ( 19 , 25 , 29 , 30 ).Хотя значения твердости показали умеренное увеличение в обоих этих режимах раствора Ti-Au [рис. 1, незакрашенные кружки, воспроизведенные из предыдущих исследований ( 25 , 29 , 30 )], твердость была сравнима с твердостью сплавов Ti–Ag и Ti–Cu ( 19 – 22 ). В настоящей работе мы приводим данные о немонотонном изменении твердости в сплавах Ti–Au и резком ее увеличении при промежуточном составе для кубического соединения β-Ti ₃ Au (рис.1, сплошные кружки). Дальнейшие данные экспериментов по износу показывают, что эта повышенная твердость связана с низким коэффициентом трения (COF). Экспериментальные наблюдения и теоретические расчеты указывают на три основных фактора, обуславливающих высокую твердость в β-Ti ₃ Au: кубическая структура с короткими связями Ti–Au, высокая ВЭД и наличие псевдощели в плотности электронных состояний ( ДОС).

Рис. 1 Твердость Ti _{1− x} Au _x и других интерметаллических сплавов и соединений.

Твердость как функция x (верхняя ось) или массовой плотности ρ (нижняя ось) в Ti _{1− x} Au _x . Синие квадраты, медицинские сплавы; зеленые треугольники, интерметаллические соединения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Измерения твердости сплавов Ti _{1− x} Au _x показывают немонотонное изменение с x (рис. 1, кружки), со значениями твердости в22 ≤ x ≤ 0,35, что примерно в три-четыре раза превышает значение твердости чистого титана. Максимальная твердость ≈800 HV (твердость по Виккерсу) достигается для x = 0,25, для которого кубическое соединение Ti ₃ Au образуется в двух различных фазах, α и β, причем последняя стабилизируется присутствием небольших количество углерода, азота или кислорода ( 31 ). Это максимальное значение твердости превышает максимальное значение твердости большинства биосовместимых материалов [и даже максимальное значение твердости некоторых конструкционных материалов, таких как перлитные стали ( 32 , 33 )] и аналогично как тянутому перлиту, так и высокоуглеродистому мартенситу. стали ( 34 ).Хотя другие металлические сплавы и соединения, такие как WC, BN и высокоуглеродистые стали, имеют более высокие значения твердости ( 35 – 41 ), они часто нежелательны для медицинских применений из-за их высокой токсичности ( 42 , 43 ). Однако и Ti, и Au являются биосовместимыми и обладают высокой устойчивостью к коррозии in vivo, что позволяет предположить, что полученные сплавы будут пригодны для биомедицинских применений ( 1 , 3 , 10 ). Неудивительно, что биосовместимость и коррозионная стойкость были подтверждены для сплавов Ti _{1− x} Au _x для x ≤ 0.40 (рис. 1, открытые кружки) ( 44 ). Здесь исследовали относительную жизнеспособность клеток, как описано в Методах. Примечательно, что значения относительной жизнеспособности клеток 98,7% (для x = 0,25) и 95,9% (для x = 0,50) оказались намного выше, чем 33,8% в случае чистого Ti. Исключительная биосовместимость этих сплавов Ti _{1− x} Au _x делает их особенно подходящими для различных медицинских применений. Чтобы сравнить механические свойства сплавов Ti _{1- x} Au _x с материалами, обычно используемыми в медицинских целях, мы добавили диаграмму зависимости твердости от массовой плотности ( 45 ) на рис.1 (нижняя ось). Хотя Ti _0,75 Au _0,25 (или Ti ₃ Au) обладает высокой твердостью, его массовая плотность сравнима с плотностью других широко используемых материалов для имплантатов [Рис. 1, квадраты ( 37 , 46 )]. Более того, среди интерметаллических соединений ( 47 – 54 ) Ti ₃ Au имеет значительно повышенную твердость при сохранении биосовместимости. Единственным другим интерметаллическим соединением с аналогичным значением твердости является Ti ₃ Ir, биосовместимые свойства которого остаются неизвестными.Среди бинарных соединений Ti–Au Ti ₃ Au является единственным кубическим, что согласуется с высокой механической стабильностью и, следовательно, высокой твердостью. Трехмерная сетка связей (аналогичная сетке кубических компаундов) считается одним из наиболее важных параметров, повышающих твердость ( 55 , 56 ). Эта корреляция между кристаллической структурой и твердостью очевидна для нескольких известных соединений на основе титана: Cubic Ti ₃ Au и Ti ₃ Ir (14-кратно координированный Ti) являются самыми твердыми, тогда как кубический Ti ₃ Sn (12 кратно-координированный Ti) и гексагональный Ti ₃ Al имеют значения твердости, сравнимые с твердостью чистого Ti (рис.1, кружки). Примечательно, что Ti ₃ Au образуется в двух кубических кристаллических структурах: α-Ti ₃ Au (тип Pm3¯m, Cu ₃ Au; рис. 2А) и β-Ti ₃ Au (Pm3¯n, Тип Cr ₃ Si, рис. 2Б). Ожидается, что β-Ti ₃ Au будет иметь более высокую твердость, учитывая, что координация Ti ( 14 ) и его длина связи Ti–Au d _Ti–Au = 2,84 Å ( 57 ) меньше, чем у фазы α-Ti ₃ Au [ d _Ti–Au = 2. 93 Å ( 31 )].

Рис. 2 Структурный анализ сплава Ti _0,75 Au _0,25 .

( A ) Кристаллическая структура фазы α-Ti ₃ Au вместе с кубооктаэдрическим локальным окружением атомов Au (вставка слева) и Ti (вставка справа). ( B ) Кристаллическая структура β-Ti ₃ Au вместе с локальным окружением Au в икосаэдре (левая вставка) и 14-вершинным локальным окружением Ti в виде полиэдра Франка-Каспера (правая вставка).( C ) Рентгенограмма соответствовала фазе β-Ti ₃ Au (синие вертикальные символы). Звездочками отмечены мелкие включения α-Ti ₃ Au и α-Ti. арб. единицы, условные единицы. ( D и E ) HRTEM (просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения) изображения образца Ti _0,75 Au _0,25 , полученные для ориентаций [111] и [100] соответственно. ( F и G ) Изображения SAD (дифракция выбранной области) с ориентациями [111] и [102] соответственно.

Полное теоретическое понимание твердости остается сложной задачей из-за сложной взаимосвязи между эластичностью и ударной вязкостью, которая определяет твердость ( 58 ). В частности, в сплавах твердость в основном зависит от основной кристаллической структуры, атомных связей и микроструктуры ( 23 ), что делает структурный анализ первостепенной важностью ( 59 , 60 ). Анализ порошковой рентгеновской дифракции (XRD) (рис. 2C) показывает, что Ti _0.75 Au _0,25 состоит в основном из фазы β-Ti ₃ Au (Pm3¯n; рис. 2B) ( 57 ) вместе с незначительными количествами α-Ti ₃ Au (Pm3¯m; рис. 2А) (менее 0,6%) ( 57 ) и α-Ti (менее 4%). Основная фаза β-Ti ₃ Au имеет постоянную решетки a ~ 5,1 Å, тогда как неосновная фаза β-Ti ₃ Au имеет меньшую постоянную решетки a ~ 4,1 Å ( 31 ). Поскольку энергия образования вектора Бюргерса (вектор, обозначающий величину и направление искажения решетки в результате дислокации) пропорциональна параметру элементарной ячейки, ожидается соединение с большим параметром элементарной ячейки β-Ti ₃ Au иметь более высокую твердость. Кроме того, две фазы сильно различаются по типам атомного окружения (AET) Au и Ti. В фазе α-Ti ₃ Au (рис. 2А) и Ti, и Au 12-кратно координированы с кубооктаэдром AET; Au окружен 12 атомами Ti, тогда как Ti окружен 8 атомами Ti и 4 атомами Au. Напротив, в фазе β-Ti ₃ Au (рис. 2B) два атома имеют очень разные AET. Au по-прежнему имеет 12-кратную координацию, но теперь с икосаэдром AET, образованным Ti (рис. 2B, внизу слева), что подразумевает более короткие длины связей.Однако Ti 14-кратно координирован с 14-вершинным полиэдром Франка-Каспера, состоящим из 4 атомов Au и 10 атомов Ti (рис. 2B, внизу справа). Как упоминалось выше, основные различия в АЕТ Au и Ti (координационное число, длины связей) согласуются с более высокой твердостью β-Ti ₃ Au по сравнению с α-Ti ₃ Au. Часто твердость сильно зависит от пластической деформации, возникающей в результате образования и движения дислокаций и дефектов ( 23 , 61 ). В α-Ti ₃ Au оба атома имеют одинаковые AET, и поэтому разумно предположить, что это приводит к низкой прочности на сдвиг из-за низкой энергии, необходимой для создания и перемещения дислокаций и дефектов ( 23 ). .В фазе β-Ti ₃ Au, с другой стороны, различные AET Au и Ti вводят более высокие энергетические барьеры для любого движения дислокаций; то есть атомы не могут легко скользить и ломаться, а также восстанавливать связи, что приводит к увеличению твердости. Далее можно утверждать, что присутствие небольших количеств неосновных фаз α-Ti ₃ Au и α-Ti может благоприятно взаимодействовать с β-Ti ₃ Au, дополнительно подавляя образование и движение дислокаций, тем самым повышая твердость и ударную вязкость. основной фазы β-Ti ₃ Au.Для исследования микроструктуры образца Ti _0,75 Au _0,25 и ее соответствия данным рентгеноструктурного анализа были выполнены ВРЭМ и SAD для различных кристаллографических ориентаций. Показаны изображения HRTEM вдоль [111] (рис. 2D) и [100] (рис. 2E) вместе с изображениями SAD для ориентаций [111] (рис. 2F) и [102] (рис. 2G). на рис. 2 (F и G) и выявить расположение атомов как в реальном пространстве (HRTEM), так и в обратном пространстве (SAD) в β-Ti ₃ Au. Подобные анализы ПЭМ и РСА были выполнены для нескольких других сплавов Ti _{1− x} Au _x , результаты которых суммированы в таблице 1.Для всех составов основная кристаллографическая фаза подтверждается как данными РФА, так и данными ПЭМ. Помимо кристаллической структуры, на высокую твердость в Ti _0,75 Au _0,25 указывают два других фактора: высокая ВЭД и образование псевдозазоров. Предполагается, что в металлических материалах сильная атомная связь улучшает фазовую стабильность и твердость ( 23 , 24 ), и это можно определить количественно, изучив значение VED. Значение VED для β-Ti ₃ Au равно 0.20 Å ⁻³ , что выше, чем у любой другой двойной системы Ti–Au (табл. 2). Это согласуется с тем, что β-Ti ₃ Au является самым твердым среди сплавов Ti–Au. Другой возможной причиной высокой твердости β-Ti ₃ Au является снижение плотности состояний на уровне Ферми E _F , которое было названо псевдощелью ( 62 , 63 ). Было высказано предположение, что образование псевдощелей стабилизирует фазу и, следовательно, повышает твердость ( 63 ).Обычно для существенного влияния на кристаллографическую фазу псевдощель должна иметь ширину W от 0,5 до 1,5 эВ и отношение относительных высот H / H ₀ > 0,5, где H и H 0,5 0 представляют DOS вверху и внизу псевдопробела соответственно ( 63 ). β-TiAu, TiAu ₂ и β-Ti ₃ Au демонстрируют псевдощелевые особенности вокруг уровня Ферми ( E = 0 на рис.3). Псевдощель β-Ti ₃ Au является наиболее выраженной из всех исследованных соединений Ti–Au (рис. 3, вставка), с W ≈ 1 эВ и H / H ₀ ≈ 4 эВ. , результат, который подтверждает экспериментальное наблюдение самой высокой твердости в β-Ti ₃ Au. + Фаза 91 635-определяется диска 91 635 + Алмаз-SiC, дисковые

+ х	Ti 1- х Au х
	+ из ТЭМ	из XRD	Износ объем (мм 3 )	Тип износа	Износ объем (мм 3 )	Тип износа
0	Эталон (коммерческий образец)		0. 038	ABRASIVE, Клей	0.183	0.183
0.25
0.25	β-Ti 3 AU	β-Ti 3 Au + α-Ti 3 AU + α-Ti	0.012	абразивный, клей	0.163	0.163	0.163
0.33	β-Ti 3 Au + β-Ti	α-Ti 3 Au + β-Ti 3 AU + β-TiAu	0,010	Абразив, клей	0.153	клей
0.50	0.50	β-Tia + α-Ti	β-Ti + α-Ti + α-Ti 3 AU	0.017	клей	0.093	клей

Таблица 1 Состав и результаты испытаний на износ для сплавов Ti _{1− x} Au _x . Псевдощель + + Таблица 2 Сводка кристаллографических и электронных параметров Au фазы.

Рис. 3. ПЭС стехиометрических соединений Ti–Au.

ПЭС (сплошные линии) в зависимости от энергии для β-TiAu (черный), TiAu (желтый), TiAu ₄ (синий) и β-Ti ₃ Au (красный), с ярко выраженной долиной вокруг энергия Ферми в β-Ti ₃ Au отмечена пунктирной линией и выделена желтым цветом (вставка).

Наряду с твердостью при определении применимости материала для медицинских компонентов необходимо учитывать срок службы материала. Срок службы компонента in vivo частично определяется скоростью износа его компонента. В частности, замена коленного и тазобедренного суставов в настоящее время длится всего около десяти лет, что требует замены дополнительных компонентов ( 45 ). Сравнение зависимости коэффициента трения от времени в Ti _{1− x} Au _x ( x = 0, 0.25, 0,30 и 0,50) показан на рис. 4А. Эталонным образцом является Ti (синий, x = 0) со средним коэффициентом трения, близким к 0,35, который сохраняется в течение примерно 700 с. Три сплава Ti _{1− x} Au _x , однако, показывают COF ₃ Au ( x = 0,25) в эквивалентных компонентах. Дополнительным преимуществом сплавов Ti _{1- x} Au _x является то, что при расплавлении они прилипают к стенкам контейнеров Al ₂ O ₃ (рис.4A, вставка), ценное свойство, которое можно использовать для снижения веса и стоимости медицинских компонентов за счет использования сплавов Ti _{1− x} Au _x в качестве покрытия для керамических деталей. Более того, температуры плавления самых твердых интерметаллических сплавов Ti _{1− x} Au _x ( 64 ) ниже, чем у Ti, что позволяет изготавливать детали литьем, исключая механическую обработку. стоимость ( 20 ).Однако количественная оценка прочности сцепления или диффузионной способности двух материалов выходит за рамки данной работы и оставлена ​​для будущих исследований.

Рис. 4 Анализ износа сплавов Ti _{1− x} Au _x на диске алмаз-SiC.

( A ) COF как функция времени для x = 0, 0,25, 0,30 и 0,50. Вставка: контейнер из оксида алюминия, показывающий, что Ti _{1− x} Au _x прилипает к этому керамическому компоненту.( B ) Объемы износа Ti _{1− x} Au _x (пунктир) по сравнению с алмазом-SiC (сплошной).

Объемы износа сплавов Ti _{1− x} Au _x показаны на рис. 4B, что указывает на то, что износ в этих сплавах снижен по сравнению с чистым Ti (синий, x = 0). Эти результаты показывают, что добавление Au является эффективным способом снижения трения Ti. Для выявления режимов изнашивания был проведен анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), результаты которого представлены на рис. 5, с изображениями износа штифтов Ti _{1− x} Au _x (слева) по сравнению с диском из алмаза-SiC (справа). Яркие и похожие на борозды элементы соответствуют абразивному износу от алмазных зерен, тогда как более темные пятна указывают на адгезионный износ. Сплавы Ti _{1- x} Au _x имеют некоторые области, которые кажутся менее изношенными, соответствующие областям с повышенной твердостью. Эти особенности наиболее ярко выражены у Ti _0.75 Au _{0,25 Образец} , что соответствует более низкой степени износа. Режимы и объемы износа сплавов Ti _{1− x} Au _x приведены в таблице 1.

( A , C , E , E , и G ) Ti Reference Ingot (A), Ti _{1- x} Pins для (C) x 0,25, (E) x = 0,30 и (G) x = 0.50. ( B , D , F и H ) Соответствующие следы износа на алмазно-кремниево-кремниевом диске. Красные прямоугольники (правые панели) обозначают области контакта между диском и штифтом. Для пары (E) и (F) наблюдается небольшой износ обеих поверхностей, что указывает на износостойкость образца Ti _0,75 Au _0,25 .

МЕТОДЫ

Сплавы Ti _{1− x} Au _x были приготовлены дуговой плавкой Ti (Cerac, 99.99%) и Au (Cerac, 99,99%) в стехиометрических соотношениях, с потерями массы не более 0,3%. Для обеспечения однородности образцы несколько раз переплавляли. Учитывая, что титановые сплавы часто подвергают термообработке для повышения как твердости, так и пластичности, были проведены исследования отжига для системы Ti-Au. Однако использование различных циклов отжига, аналогичных тем, которые используются для других сплавов на основе титана ( 65 ), привело к минимальным изменениям твердости по сравнению с отлитыми образцами. Это может быть вызвано изменением однородности микроструктуры, которое может маскировать истинные эффекты отжига. Твердость образцов, расплавленных дугой, делала практически невозможным измельчение этих образцов, что затрудняло эксперименты с порошковой рентгенограммой. Поэтому данные XRD были собраны при комнатной температуре на поперечном сечении (диаметром около 3 мм) вырезанных и полированных образцов с использованием специального четырехкругового дифрактометра Huber с фокусирующим графитовым монохроматором и анализатором в недисперсионной геометрии, соединенного с вращающимся прибором Rigaku. анодный источник, производящий CuKα-излучение.

HV измеряли на микротвердомере Tukon 2100, оснащенном алмазным пирамидальным индентором Vickers.Испытания на микротвердость проводились на полированной поверхности образцов диаметром около 3 мм. Для всех образцов было проведено несколько испытаний для обеспечения повторяемости с использованием нагрузки 300 г и продолжительностью 10 с.

Трибологические эксперименты были проведены с использованием трибометра типа «штифт-на-диске» (CSM Instruments) с общим количеством циклов 40 000. Диск алмаз-карбид кремния был выбран из-за его долговечности. Образцы слитков Ti _{1- х} Au _х ( х = 0.25, 0,3 и 0,50) использовали в качестве штифта, а в качестве эталона использовали слиток Ti. Пример образца Ti _0,75 Au _0,25 , использованного для испытаний на износ, показан на вставке к рис. 4А. Для имитации износа при ходьбе использовали линейное возвратно-поступательное движение со скоростью скольжения 3,15 см с ^-1 и приложенной нагрузкой 2 Н. Путь скольжения при испытаниях на износ был установлен равным 4 мм за ход, при этом в сумме 40 000 циклов. В качестве тестовой среды использовалась синтетическая жидкость организма. Общий износ представлен как потеря объема.Подробности об износе алмазно-кремниевых дисков сообщались ранее ( 66 – 68 ).

Анализ MTS использовался для оценки цитотоксичности образцов. Для исследования клетки 293T культивировали в среде Игла, модифицированной Дульбекко, с добавлением 10% эмбриональной бычьей сыворотки, пенициллина и стрептомицина. Пять тысяч клеток высевали в 24-луночный планшет вместе с образцами. Клетки с образцами инкубировали при 37°С. Через 3 дня инкубации добавляли по 150 мкл на лунку реагента MTS.Далее инкубировали в течение часа, а затем измеряли оптическую плотность с помощью ридера микропланшетов. Образец чистого титана имел очень плохую цитосовместимость. Наблюдалось, что клетки были напряженными и округленными, тогда как сплавы не проявляли каких-либо значительных эффектов.

Образцы для анализа ВРЭМ готовили путем измельчения и ионного измельчения. HRTEM-изображение образца x = 0,25 было выполнено с использованием трансмиссионного электронного микроскопа JEOL 2100 с полевой эмиссией. Микроструктуры x = 0.33 и x = 0,50 образцов были исследованы с помощью датчика JEOL JEM-ARM200cF с коррекцией аберраций при 200 кВ.

Расчеты зонной структуры выполнены с использованием полнопотенциального линеаризованного метода расширенных плоских волн, реализованного в пакете WIEN2k ( 69 , 70 ). Приближение обобщенного градиента Пердью-Берка-Эрнзергофа использовалось в качестве потенциала обменной корреляции, а сетка 10 × 10 × 10 использовалась для выборки 90 291 k 90 292 точек в зоне Бриллюэна.

Использование таблицы твердости по шкале Мооса

Вольфрам в сравнении с титаном и другими металлами: использование шкалы твердости Мооса для определения стойкости к царапинам

Когда пришло время покупать мужское обручальное кольцо, самое время задуматься о том, как титан сочетается с карбидом вольфрама. Шкала твердости Мооса — это диаграмма, используемая в ювелирном бизнесе для измерения устойчивости к царапинам обычных материалов. Чтобы сделать сравнение более понятным, мы включили твердость знакомых материалов, таких как зубы и ногти.Самый устойчивый к царапинам и самый твердый материал — это алмаз, который оценивается в десять баллов. Только другой алмаз может поцарапать алмаз. Однако самым устойчивым к царапинам и самым твердым металлом является вольфрам, но твердые кристаллы, такие как сапфиры и алмазы, могут поцарапать его. Титан, с другой стороны, значительно менее устойчив к царапинам.

Как правильно выбрать металл для обручального кольца

Когда вы выбираете идеальный металл для своего обручального кольца, все зависит от того, какое качество металла имеет для вас наибольшее значение.Большинству людей нужен более прочный металл, который не будет выглядеть изношенным или легко царапается, например, керамическое или вольфрамовое кольцо. Некоторые цвета, такие как белые металлы или темные металлы, могут быть предпочтительными. Некоторые предпочитают золото или платину, потому что эти металлы имеют более высокую ценность. Мы можем помочь вам выбрать, что бы ни случилось для вас. Когда пары выбирают металлы, которые будут использоваться в их будущих обручальных кольцах, они руководствуются общими критериями. На приведенной ниже диаграмме каждый металл оценивается по этим критериям. Преимущества и недостатки каждого типа металла также перечислены ниже.Если у вас есть дополнительные вопросы, пожалуйста, свяжитесь с нами.

 

Плюсы и минусы металла

Вольфрам
Плюсы:  Это очень доступный, гипоаллергенный металл, наиболее устойчивый к царапинам. Легко снимается в случае опасности, не требует резки или распиловки.
Минусы:  Не гнется из-за своей твердости, но ломается, если приложить достаточное усилие. Не такой белый, как платина.

Керамика
Плюсы:  Он гипоаллергенен и не вызывает срабатывания металлодетекторов. По сравнению с вольфрамом, он почти так же устойчив к царапинам, но черный цвет не царапается, поскольку он не покрывается металлом, как черный вольфрам.
Минусы:  Не гнется из-за своей твердости. Ломается, если приложить достаточное усилие.

Титан
Плюсы: Доступен, не трескается под давлением, гипоаллергенен.
Минусы: Легче всего поцарапать из всех альтернативных металлических колец. Должен быть отключен в случае чрезвычайной ситуации.

Платина
Плюсы:     Самый роскошный из всех мета. Он гипоаллергенен и имеет очень белый цвет.
Минусы:  Легче поцарапать, чем палладий. Это самый дорогой металл.

Серебро
Плюсы: Серебро гипоаллергенно и имеет очень белый цвет.Это самый дешевый из драгоценных металлов.
Минусы:  Он более устойчив к царапинам, чем золото. Несмотря на то, что он тускнеет, его можно очистить в домашних условиях.

Золото
Плюсы:  Можно сделать во многих цветах. С ним легко работать. Это хорошее средство сбережения.
Минусы : Не так устойчив к царапинам и может потребовать периодической полировки.

Share This Post  : 

Добавить комментарий Отменить ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Комментарий *

Имя *

Email *

Сайт

	Космический + группа +	д Ti-Au- (Å) +	ЖНВЛС (A ) -3
				W (EV)	H / H / H 914/ H 0
α-Ti 3 AU	PM3¯m	2.93237 ( 31 )	0.18	—	—
β-Ti 3 AU	PM3¯n	2,84478 ( 57 )	0.20	1	4
β-TiAu	ПММА	2,79248 ( 71 )	0,15	1	0,4
TiAu 2	I4 / ттт	2,80056 ( 72 )	0,12	0. 2	2
Tiau 4 1	I4 / M	2.85050 ( 73 )	0.10	—	—
—