Что прочнее: титан или вольфрам?

Титан и вольфрам входят в перечень металлов, имеющих критически важное значение в современной промышленности. Легкий титан широко используется в авиакосмической отрасли, а массивный вольфрам находит применение в составе сплавов, из которых изготавливают режущие инструменты, жаропрочные конструкции и компоненты силовой электроники. Но какой из металлов прочнее? Коротко отвечая на этот вопрос, мы можем сказать, что вольфрам прочнее титана благодаря более сильным межатомным связям в кристаллической решётке. Однако в материаловедении термин «прочность» трактуется весьма широко и охватывает самые разные свойства материалов. Поэтому давайте взглянем на «противостояние» титана и вольфрама с разных сторон и ответим на поставленный вопрос более развернуто.

Прочность на растяжение

Показатель того, какую максимальную нагрузку может выдержать материал, прежде чем разорвется, называют его пределом прочности на растяжение. Механическая нагрузка, способствующая разрыву межатомных связей, измеряется в мегапаскалях (МПа). При этом собственный вес материала не учитывается — для расчётов используют отношение силы воздействия к площади поперечного сечения образца.

По прочности на растяжение безоговорочным лидером является вольфрам. В чистом виде, в зависимости от методов переработки, он может выдерживать от 980 до 1 650 МПа, тогда как для титана характерны значения порядка 240 – 550 МПа. Однако чаще всего вольфрам и титан используются в металлургии не сами по себе, а в составе высокотехнологичных сплавов. И тогда в отдельных случаях предел их прочности на растяжение может достигать 3 000 и 1 500 МПа соответственно.

Удельная прочность

Удельная прочность также позволяет понять, какую предельную нагрузку способен выдержать материал, но при этом она учитывает и его собственную массу. Для расчета показателя специалисты берут всё тот же предел прочности на растяжение и делят его на плотность материала, от которой напрямую зависит его масса. После математических преобразований единица измерения принимает следующий вид: килоньютон-метр, разделённый на килограмм (кН·м/кг).

Плотность титана более чем в 4 раза ниже, чем у вольфрама, поэтому он имеет заметно более высокую удельную прочность — в среднем 96 против 77 кН·м/кг. Давайте возьмём для примера крепёжный болт, соединяющий между собой элементы орбитальной станции. Чтобы выдержать расчетную нагрузку, титановая деталь должна быть довольно крупной, но будет весить всего 5 кг. Если же мы решим использовать чистый вольфрам, столь же прочный болт можно сделать более компактным, но из-за огромной плотности его масса составит 6,5 кг. На практике в космической отрасли используются детали из высокопрочного сплава титана с алюминием и ванадием, и весят они всего лишь 2 кг.

Ударная прочность

Если в предыдущих разделах мы опирались на медленное и плавное растяжение материалов, то ударная прочность, или ударная вязкость, характеризует их поведение в экстремальной ситуации. Когда материал испытывает сильный удар, ему нужно куда-то деть возникшую разрушительную энергию. В одном случае он гнётся, пружинит и тем самым гасит энергию внутри себя, что говорит о высокой ударной прочности. В хрупких материалах атомы жёстко стоят на своих местах, поэтому удар приводит к моментальному появлению трещин. Ударную вязкость рассчитывают как отношение той самой поглощенной энергии к площади поперечного сечения образца (Дж/см2).

По этому показателю описываемые нами металлы являются полными противоположностями. Титан — очень пластичный металл с ударной прочностью от 60 до 100 Дж/см2. Изготовленная из него пластина может деформироваться от удара, но она не треснет, и целостность конструкции не нарушится. У вольфрама ударная вязкость, как правило, не превышает 10 Дж/см2. При комнатной температуре он крайне хрупок — если вольфрамовая деталь просто упадёт на пол, то с высокой вероятностью расколется на несколько частей.

***

Подводя итоги, мы можем сказать, что формально вольфрам превосходит титан по прочности, так как может выдерживать колоссальные статичные нагрузки. Кроме того, он обладает экстремально высокой твердостью и тугоплавкостью. Но на практике, при решении сложных инженерных задач, специалисты зачастую отдают предпочтение легкому и пластичному титану, который позволяет снижать общий вес конструкций и гасить ударные нагрузки.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение: Magnific