Beth yw'r metel anoddaf ar y ddaear?

O ran metelau, mae caledwch yn eiddo allweddol sy'n pennu eu haddasrwydd ar gyfer cymwysiadau amrywiol. Ond beth yn union yw'r metel anoddaf ar y ddaear? Nid yw'r ateb mor syml ag y gallai ymddangos, oherwydd gellir diffinio "caledwch" mewn gwahanol ffyrdd - fel ymwrthedd crafu, ymwrthedd indentation, neu gryfder tynnol. Fodd bynnag, mae un metel yn sefyll allan yn gyson o ran caledwch cyffredinol: twngsten.
Deall caledwch mewn metelau
Cyn plymio i mewn i pam mae Twngsten yn cael ei ystyried yn fetel anoddaf, mae'n bwysig egluro sut mae caledwch yn cael ei fesur. Mewn gwyddoniaeth deunyddiau, mae caledwch fel arfer yn cael ei werthuso gan ddefnyddio graddfeydd fel graddfa caledwch Mohs (ar gyfer gwrthiant crafu) a graddfeydd Vickers neu Rockwell (ar gyfer ymwrthedd indentation).
• Mae graddfa Mohs yn graddio deunyddiau o 1 (meddalach, fel talc) i 10 (anoddaf, fel diemwnt). Yn gyffredinol, mae metelau yn cwympo rhwng 2 a 9 ar y raddfa hon.
• Mae prawf caledwch Vickers yn mesur gwrthiant deunydd i fewnoliad gan byramid diemwnt, gyda'r canlyniadau'n cael eu nodi mewn unedau caledwch Vickers (HV). Mae gwerthoedd HV uwch yn dynodi mwy o galedwch.
Ar gyfer metelau, mae cyfuniad o'r mesuriadau hyn - ynghyd ag eiddo fel toddi pwynt a chryfder tynnol - yn helpu i bennu eu "caledwch" mewn termau ymarferol. Mae Twngsten yn rhagori ar draws metrigau lluosog, gan ei wneud yn brif gystadleuydd.
Twngsten: y metel anoddaf sy'n digwydd yn naturiol
Mae Twngsten, gyda'r symbol cemegol W a rhif atomig 74, yn fetel prin sy'n adnabyddus am ei galedwch rhyfeddol. Dyma pam mae'n ennill y teitl:
• Caledwch Mohs: Mae Twngsten yn rheng oddeutu 7.5 ar raddfa Mohs, gan ei osod uwchlaw'r mwyafrif o fetelau eraill. Er cymhariaeth, mae dur fel arfer yn amrywio o 4 i 7, tra bod titaniwm yn eistedd yn 6.
• Caledwch Vickers: Mae gan Pure Twngsten galedwch Vickers o tua 343 HV, ond wrth aloi â metelau eraill (fel nicel, haearn, neu cobalt), mae ei galedwch yn cynyddu'n sylweddol. Mae carbid twngsten, cyfansoddyn o twngsten a charbon, yn ymfalchïo mewn caledwch vickers o 1,800–2,400 hv - gan ei wneud yn un o'r dyn anoddaf - a wnaed yn fetel - deunyddiau wedi'u seilio.
• Pwynt toddi: Twngsten sydd â'r pwynt toddi uchaf o unrhyw fetel, ar 6,192 gradd F (3,422 gradd). Mae'r ymwrthedd gwres eithafol hwn yn gysylltiedig â'i fondiau atomig cryf, sydd hefyd yn cyfrannu at ei galedwch.
• Cryfder tynnol: Mae gan Twngsten gryfder tynnol uchel (y straen mwyaf y gall ei wrthsefyll cyn torri), gan wella ei enw da ymhellach fel metel gwydn a chaled.
Sut mae twngsten yn cymharu â metelau caled eraill​
Er bod metelau eraill yn galed, nid oes yr un yn cyfateb i berfformiad cyffredinol Twngsten:
• Cromiwm: Mae cromiwm yn adnabyddus am ei galedwch (Mohs 8.5) ac fe'i defnyddir yn aml i blatio metelau eraill i ychwanegu gwrthiant crafu. Fodd bynnag, mae'n frau ac yn llai amlbwrpas na thwngsten mewn cymwysiadau strwythurol.
• Titaniwm: Mae Titaniwm yn gryf ac yn ysgafn ond mae ganddo galedwch Mohs is (6) a chaledwch Vickers (tua 200 HV) na Twngsten.
• Aloion dur: gall dur carbon neu offeryn uchel - fod yn galed iawn, ond yn aml cyflawnir eu caledwch trwy drin gwres, ac nid ydynt yn cyfateb i galedwch naturiol ac ymwrthedd gwres twngsten.
• Osmium: Mae osmium yn fetel trwchus gyda chaledwch Mohs o 7, ond mae'n llai niferus ac yn fwy brau na thwngsten, gan gyfyngu ar ei ddefnydd ymarferol.
Mae carbid twngsten, yn benodol, yn perfformio'n well na llawer o fetelau a hyd yn oed rhai cerameg. Mae'n anoddach na'r mwyafrif o dduroedd a dim ond deunyddiau fel diemwnt neu nitrid boron ciwbig y gellir ei grafu.
Cymwysiadau ymarferol caledwch twngsten
Mae caledwch Tungsten, ynghyd â'i wrthwynebiad gwres a'i gryfder, yn ei gwneud yn amhrisiadwy mewn sawl diwydiant:
• Gwneud offer: Defnyddir carbid twngsten i wneud offer torri, darnau drilio, a mewnosodiadau melino. Gall yr offer hyn dorri trwy ddeunyddiau caled fel dur, concrit, a hyd yn oed metelau eraill heb ddiflasu'n gyflym.
• Awyrofod ac Amddiffyn: Defnyddir twngsten mewn nozzles roced, arfwisg - bwledi tyllu, a rhannau awyrennau sy'n gorfod gwrthsefyll tymereddau uchel a grymoedd eithafol.
• Electroneg: Mae ffilamentau twngsten mewn bylbiau golau gwynias a microsgopau electron yn dibynnu ar ei allu i wrthsefyll toddi ar dymheredd uchel.
• Mwyngloddio ac Adeiladu: Twngsten - Mae darnau dril wedi'u tipio a llafnau llif yn hanfodol ar gyfer drilio i mewn i graig a choncrit.
Cyfyngiadau twngsten
Er gwaethaf ei galedwch, mae anfanteision i Tungsten. Mae twngsten pur yn frau ar dymheredd yr ystafell, gan ei gwneud hi'n anodd peiriannu. Er mwyn goresgyn hyn, mae'n aml yn cael ei aloi â metelau eraill (fel nicel neu haearn) i wella hydwythedd wrth gadw caledwch. Mae Tungsten hefyd yn brin ac yn ddrud, sy'n cyfyngu ar ei ddefnydd mewn cymwysiadau cost - isel.
A oes "metelau" anoddach?
Mae'n werth nodi bod rhyw ddyn - wedi'u gwneud yn anoddach na thwngsten ond nid ydynt yn fetelau pur. Er enghraifft:
• Carbid Twngsten: Fel y soniwyd, cyfansoddyn yw hwn (nid metel pur) ond yn aml mae'n cael ei grwpio â metelau mewn cyd -destunau ymarferol oherwydd ei briodweddau metelaidd.
• Metelau amorffaidd (sbectol fetelaidd): Mae gan y rhain strwythurau atomig afreolaidd a gallant fod yn galed iawn, ond nid ydynt yn digwydd yn naturiol ac yn cael eu cynhyrchu mewn labordai.
• Metelau nanostrwythuredig: Gall metelau a beiriannir yn y nanoscale fod wedi gwella caledwch, ond maent yn synthetig ac nid ydynt i'w cael ym myd natur.
Ymhlith metelau pur sy'n digwydd yn naturiol, fodd bynnag, twngsten yw'r anoddaf o hyd.
Nghasgliad
Mae'r metel anoddaf ar y ddaear yn twngsten. Mae ei gyfuniad o galedwch Mohs uchel, caledwch Vickers, ymwrthedd gwres, a chryfder tynnol yn ei osod ar wahân i fetelau eraill. Pan fydd wedi'i aloi â charbon i ffurfio carbid twngsten, mae'n dod yn anoddach fyth, gan ei wneud yn stwffwl mewn offer diwydiannol a chymwysiadau perfformiad - uchel. Er y gall metelau a dyn eraill - a wnaed deunyddiau gystadlu yn erbyn ei galedwch mewn meysydd penodol, mae priodweddau naturiol ac amlochredd Twngsten yn cadarnhau ei statws fel y metel anoddaf ar y blaned. P'un ai mewn offer torri, cydrannau awyrofod, neu electroneg, mae caledwch Twngsten yn parhau i yrru arloesedd mewn peirianneg a gweithgynhyrchu.