Kas titaan on kõige kõvem metall?
Materjaliteaduse aruteludes mainitakse sageli väidet, et "titaan on kõige kõvem metall", kuid tõde on palju keerulisem. Alates lennundusest kuni meditsiiniliste implantaatideni on titaanist saanud kaasaegses tööstuses "tähtmaterjal" tänu oma suurele tugevuse-ja-massisuhtele ja korrosioonikindlusele. Kuid kõvaduse osas, mis on põhinäitaja, pole see "kõige kõvem metall". Võrreldes metallide, nagu volfram ja kroom, füüsikalisi omadusi ja tööstuslikke rakendusi, saame paremini mõista titaani tegelikku asukohta.
Titaani kõvadust peetakse sageli lihtsalt "kõvaks", kuid teaduslikud andmed näitavad keerukamat pilti. Puhta titaani Brinelli kõvadus on ligikaudu 115-215 HB ja Mohsi kõvadus 6. Kuigi need väärtused ületavad palju tavalise terase omasid, on need oluliselt madalamad kui metallidel nagu volfram ja kroom. Näiteks volframi Brinelli kõvadus võib ulatuda üle 350 HB ja selle Mohsi kõvadus on 7,5-8,0; kroom, mille Mohsi kõvadus on 9,0, on kõige kõvem teadaolev puhas metall. See erinevus tuleneb metallide kristallstruktuurist ja aatomisideme mustritest. Volframi kehakeskne kuubikujuline struktuur annab sellele äärmiselt kõrge vastupidavuse deformatsioonile, säilitades kuju stabiilsuse ka suure pinge korral. Kroomi tihedalt pakitud kuusnurkne struktuur muudab selle kriimustustestides suurepäraseks, kuna selle pinda on teistel ainetel raske kriimustada. Titaani kristallstruktuur jääb nende kahe vahele, tagades küllaldase tugevuse, arvestades samas ka töödeldavust, kuid selle kõvadus on pisut madalam.
Titaani "kõvadus" kajastub rohkem selle tasakaalustatud üldises jõudluses. Selle tihedus on vaid 57% terasest, kuid selle tõmbetugevus võib ulatuda 63 000 psi-ni. See "kerge ja tugev" omadus muudab selle eelistatud materjaliks lennukite{5}}mootorite labade, raketikorpuste ja muude rakenduste jaoks. Näiteks Airbus A380 mootorid kasutavad peaaegu 70 tonni titaanisulamit, kasutades kütusekulu vähendamiseks ära selle kõrget tugevuse -ja{10}}massi suhet. Meditsiinivaldkonnas muudab titaani biosobivus selle ideaalseks materjaliks kunstliigeste ja hambaimplantaatide jaoks{12}}ei põhjusta kehas äratõukereaktsioone ja talub igapäevaste tegevustega kaasnevat pinget. Kui aga kõvadus on ainus kriteerium, peab titaani paremusjärjestus andma teed "erimeistritele", nagu volfram ja kroom. Näiteks pinnatöötlustes, mis nõuavad kriimustuskindlust, pakub kroomimine oluliselt suuremat kõvadust kui titaan; ja kõrge -temperatuuriga keskkondades on volframi{16}}põhistel sulamitel suurepärane stabiilsus.
Metalli kõvaduse edetabelis on volframil ja kroomil vankumatu ülekaal. Volfram, mille sulamistemperatuur on kuni 3422 kraadi, on üks kõrgeima sulamistemperatuuriga metalle looduses ja selle kõvadus jääb stabiilseks ka kõrgetel temperatuuridel. See omadus muudab selle võtmematerjaliks ekstreemsetes keskkondades, nagu soomust läbistavad mürsud ja kosmosemootorite düüsid. Raketimootori düüsid peavad taluma tuhandete Celsiuse kraadide temperatuure ja kiiret{5}}õhuvoolu, mistõttu on volframi{6}}põhiste sulamite kõvadus ja kuumuskindlus asendamatu valik. Kroomi kõvadus kajastub selle kriimustuskindluses. Roostevaba terase põhikomponendina suurendab 10%-13% kroomi lisamine märkimisväärselt terase kõvadust, moodustades samal ajal pinnale tiheda oksiidkile, mis ühendab korrosioonikindluse ja esteetika. Kroomi kõvadus ja keemiline stabiilsus on otsustava tähtsusega sellistes rakendustes nagu kroomitud{18}autode sisustus ja kirurgiainstrumendid. Väärib märkimist, et kuigi kroomi Mohsi kõvadus ulatub 9,0-ni, on see siiski madalam kui teemandil ja korundil, mis rõhutab veelgi "kõvaduse" mõõtmise keerukust koos konkreetsete standarditega. Titaani ainulaadne väärtus seisneb selle igakülgses jõudluses. Erinevalt volframist, mis on äärmiselt kõva, kuid raskesti töödeldav, või kroomist, mis keskendub kriimustuskindlusele, kuid ohverdab mõningase sitkuse, on titaani eelised asendamatud rakendustes, mis nõuavad tugevuse, korrosioonikindluse, biosobivuse ja kerge kaalu tasakaalu. Näiteks kõrgekvaliteedilistel{19}spordikelladel on titaanisulamist korpused, mis tagavad nii löögikindluse kui ka kandmismugavuse. süvameresondid kasutavad titaanisulamist kestasid, mis taluvad kõrgsurvekeskkonda, vältides samas merevee korrosiooni. Need rakendused ei tugine titaani "kõige kõvemale" omadusele, vaid pigem selle üldise jõudluse optimaalsele lahendusele.
Materjaliteaduse vaatenurgast on titaani "kõvadus" suhteline eelis, mitte absoluutne omadus. Sarnaselt metallide tooteperekonna „kõikjal{1}}ega toimib see hästi tugevuse, korrosioonikindluse ja bioühilduvuse poolest, kuid jääb kõvaduse poolest maha spetsialiseeritud meistritest, nagu volfram ja kroom. Just see omadus muudab titaani ainulaadseks,-kui rakendused nõuavad mitme omaduse tasakaalu, on titaan sageli parem valik kui üksik kõrge{4}}kõvadusega metall. Selle mõistmine ei aita meil mitte ainult titaanmaterjale ratsionaalsemalt vaadata, vaid annab ka teadusliku aluse materjalide valikuks erinevates valdkondades. Titaan ei pruugi olla ülima kõvaduse poole püüdlemise lõpp, kuid selle esindatud kõikehõlmav jõudluse optimeerimise mõtteviis tõukab materjaliteadust kõrgemate mõõtmete poole.
