صلابة المعادن وأقوى المعادن في العالم

الصلابة هي واحدة من أهم الخواص الميكانيكية للمعادن. وهي تحدد قدرة المادة على مقاومة التشوه في ظل ظروف موضعية - في الغالب المسافة البادئة أو الخدش أو القطع أو التآكل.

دعنا نكتشف هذه الأسئلة: ما هي صلابة المعدن، وكيف يتم قياسها، وكيفية تحسينها. يمكنك أيضًا الحصول على مخطط مفيد لصلابة المعادن ومعرفة أقوى عشرة معادن عرفها الإنسان على الإطلاق.

ما هي صلادة المعدن؟

تشير صلابة المعدن إلى قدرة المعدن على مقاومة التشوه، أي التشوه الدائم مثل الخدش أو المسافة البادئة. وهي ترتبط بالخصائص الميكانيكية الأخرى مثل المتانة والقوة ولكنها ليست واحدة.

هناك عدة أنواع من الصلابة:

• صلابة الخدش - مقاومة الخدش (على سبيل المثال، مقياس موس).
• صلادة المسافة البادئة - مقاومة المسافة البادئة الدائمة بواسطة جسم غير متحرك (على سبيل المثال، برينل، روكويل، فيكرز).
• الصلابة الارتدادية - مقاومة التشوه المرن، تقاس بارتفاع الارتداد بعد الصدمة (على سبيل المثال، اختبار ليب).

عادة ما ترتبط معادن التنغستن والتيتانيوم والصلب الصلب بالصلابة العالية وبالتالي فهي مثالية للتطبيقات المقاومة للتآكل.

قياس صلابة المعادن

1. اختبار صلابة برينل (BHN): يستخدم كرة من كربيد التنجستن أو كرة فولاذية لوضع مسافة بادئة على السطح. يستخدم للمعادن الأكثر ليونة؛ يوفر صلابة متوسطة على مساحة سطح أكبر.
2. اختبار صلابة روكويل (HR): شائع في الصناعة، ويتم تطبيقه لاختبار عمق المسافة البادئة على مجموعة من المقاييس (على سبيل المثال، HRC للصلب الصلب). سريع وسهل الأداء.
3. اختبار فيكرز للصلابة (VHN): يستخدم المسافة البادئة الهرمية الماسية لاختبار العينات الرقيقة أو الصغيرة بدقة. دقيق للغاية ولكنه يستغرق وقتاً أطول.
4. مقياس موس للصلابة: اختبار خدش سريع يتراوح من 1 (التلك) إلى 10 (الماس). ملائم للاختبار النوعي السريع.
5. اختبار صلابة ليب (HL): أداة قياس سرعة الارتداد تُحمل في اليد. مثالية للعناصر الكبيرة أو المركبة.

مخطط صلادة المعادن

لفهم أفضل لكيفية مقارنة المعادن المختلفة مع بعضها البعض فيما يتعلق بالصلابة، إليك مخطط مرجعي يقدم قائمة بالمواد التي يشيع وجودها على مقاييس صلابة مختلفة. تعطي هذه القيم دليلاً تقريبياً ولكنها قد تتأثر ببعض تركيبات السبائك وطرق التصنيع والمعالجة الحرارية.

أقوى 10 معادن في العالم

القوة والصلابة ليسا متطابقين ولكنهما متقاربان. ومع ذلك، فإن أقوى المعادن هي الأكثر صلابة إلى حد كبير. فيما يلي قائمة بأقوى 10 معادن:

1. التنجستن (قوة الشد: ~1510 ميجا باسكال، صلابة موس: ~9)

يتمتع التنجستن بأعلى قوة شد بين المعادن النقية ويمتلك صلابة شديدة. وهو لا يفقد قوته حتى في درجات الحرارة المرتفعة جدًا، ولهذا السبب فهو ذو أهمية حيوية لمكونات الطيران وأدوات القطع والتطبيقات العسكرية.

2. إنكونيل (قوة الشد:> 1000 ميجا باسكال، صلابة موس: 6.5-7)

إنكونيل هو عائلة من سبائك النيكل والكروم الفائقة المقاومة لدرجات الحرارة العالية والصلابة. ويُستخدم في المحركات النفاثة والتوربينات الغازية والمصانع الكيميائية نظرًا لمقاومته للتآكل والأكسدة.

3. التيتانيوم (قوة الشد: ~ 1000 ميجا باسكال، صلابة موس: ~6)

يمتلك التيتانيوم قوة شد إلى جانب كثافة منخفضة وصلابة معتدلة. كما أن نسبة قوته إلى وزنه ومقاومته للتآكل تجعله الأفضل للاستخدام في مجال الطيران وأجهزة الزرع والبيئات البحرية.

4. فولاذ الأدوات (الفولاذ المتصلب) (قوة الشد: 700-1000 ميجا باسكال، صلابة موس: ~7)

تتم معالجة الفولاذ مثل A2 وD2 وH13 بالحرارة لتحقيق قوة وصلابة عالية للسطح. وتستخدم هذه الفولاذ على نطاق واسع في صناعة الأدوات، وصب القوالب، وأجزاء التآكل.

5. الفاناديوم (قوة الشد: ~800 ميجا باسكال، صلابة موس: ~6.7)

يمتلك الفاناديوم قوة شد عالية ويتم تقويته وتقويته عند خلطه بالفولاذ. ويستخدم على نطاق واسع في المكونات الفضائية وطلاء الدروع والأدوات عالية السرعة.

6. الكروم (قوة الشد: ~ 418 ميجا باسكال، صلابة موس: 8.5-9)

على الرغم من أن قوة الشد للكروم متوسطة، إلا أنه المعدن الأكثر صلابة بشكل طبيعي على مقياس موس. وهو عنصر أساسي في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ ويوفر حماية ممتازة من التآكل والتآكل في تطبيقات الطلاء.

7- الأوزميوم (قوة الشد: ~600 ميجا باسكال، صلابة موس: ~7)

يعد الأوزميوم من بين أكثر المواد كثافة وصلابة. وعلى الرغم من هشاشته، إلا أنه مقاوم للغاية للتآكل ويستخدم في صناعات متخصصة مثل رؤوس أقلام الحبر والتلامسات الكهربائية.

8. الإيريديوم (قوة الشد: ~540 ميجا باسكال، صلابة موس: ~6.5)

الإيريديوم معدن شديد الصلابة ومقاوم للتآكل حتى في درجات الحرارة العالية. يُستخدم بشكل كبير في شمعات الإشعال والبوتقات ومعدات الاتصالات في أعماق البحار، على الرغم من أنه هش للغاية.

9. النيوبيوم (قوة الشد: ~275 ميجا باسكال، صلابة موس: ~6)

يُستخدم النيوبيوم في الغالب كإضافة سبائك لتعزيز قوة الفولاذ الهيكلي وفي صناعة الموصلات الفائقة. على الرغم من أنه ليس أقوى معدن في شكله الأولي، إلا أنه يقوي المواد الأخرى بشكل كبير.

10. التنتالوم (قوة الشد: ~200 ميجا باسكال، صلابة موس: ~6.5)

قد يكونالتنتالوم أقل مقاومة لقوة الشد، لكنه مقاوم للغاية للتآكل ويتمتع بصلابة جيدة. ويُستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات (خاصةً المكثفات)، والغرسات الطبية، والمكونات الفضائية حيث يكون الثبات الكيميائي أمرًا ضروريًا.

ملاحظة: يثبت هذا التسلسل أنه على الرغم من أن قوة الشد هي إحدى العلامات الرئيسية لأداء المعدن، فإن الصلابة ومقاومة التآكل والاستقرار الحراري لها نفس القدر من الأهمية في تحديد المادة الأكثر ملاءمة لمتطلبات صناعية أو هندسية معينة.

الخلاصة

تُعد صلابة المعادن معيارًا مهمًا في تقييم مدى ملاءمة مادة ما لاستخدامها في تطبيقات صناعية أو إنشائية معينة. إن فهم ماهية الصلابة وقياسها وتعزيزها يمكّن المهندسين من اتخاذ قرارات أكثر استنارة وتعظيم المعادن للأدوات والهياكل والآلات والأجهزة المتطورة. المعادن الرائدة في الصلابة هي التنجستن والكروم والفولاذ المقوى، ولكن اختيار المعدن يعتمد دائمًا على مجموعة محددة من الخصائص لإنجاز المهمة. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).