מבוא
מתכות עקשנות הן קבוצה של מתכות נדירות בעלות נקודות התכה גבוהות, יציבות תרמית גבוהה ועמידות יוצאת דופן בפני קורוזיה. כתוצאה מתכונות אלה, מתכות עקשנות משמשות במגוון רחב של תעשיות כולל תעופה וחלל, גרעין והגנה. אחת התכונות המרכזיות של מתכות היא יכולתן לעמוד בלחץ מכני, אך לעתים קרובות יש שאלות בנוגע לשבירתן של מתכות עקשנות. במאמר זה, נבחן את המאפיינים של מתכות עקשנות הקובעות את שבירותן ונעריך אם הן, למעשה, שבירות.
מהן מתכות חסינות?
מתכות עקשנות הן קבוצה של מתכות בעלות נקודות התכה של מעל 1850 מעלות, עמידות יוצאת דופן בפני חום ובלאי ועמידות בפני קורוזיה מעולה. המתכות העמידות כוללות טנטלום (Ta), טונגסטן (W), מוליבדן (Mo), ניוביום (Nb), רניום (Re), ואוסמיום (Os). בשל נקודות ההיתוך הגבוהות שלהן ותכונות רצויות אחרות, מתכות עקשנות משמשות במגוון רחב של תעשיות כולל תעופה וחלל, הגנה וגרעין. אחת השאלות המרכזיות סביב השימוש במתכות עקשנות היא האם הן שבירות.
מהי פריכות?
שבירות היא תכונה המתארת את הנטייה של חומר להיסדק או להישבר תחת לחץ או מתח. חומר שביר ייכשל בפתאומיות וללא אזהרה כשהוא נחשף ללחץ, בעוד שחומר רקיע יותר יתעוות לפני שהוא ייכשל. ישנם מספר גורמים שיכולים לתרום לשבירותו של חומר, לרבות מבנה הגביש שלו, העקביות של המיקרו-מבנה שלו ונוכחות של פגמים כמו סדקים או תכלילים.
גורמים המשפיעים על שבירותן של מתכות עקשנות
מבנה קריסטל:
למתכות עקשניות יש בדרך כלל מבנה גבישי מרוכז בגוף (bcc), שהוא מטבעו פחות רקיע ממבני גביש אחרים כגון מעוקב מרוכז בפנים (fcc) או משושה צפוף (hcp). מבנה הגביש Bcc יוצר מישור החלקה בתוך המבנה שיכול לקדם שבר שביר בעת לחץ.
מבנה מיקרו:
מבנה המיקרו של חומר יכול גם להשפיע על שבירותו. מתכות עקשנות מיוצרות לרוב על ידי טכניקות מטלורגיית אבקה, שעלולות ליצור חוסר עקביות במבנה המיקרו של החומר. חוסר עקביות זה יכול להוביל לפגמים כגון סדקים או תכלילים שיכולים לקדם שבר שביר.
זיהומים:
גם זיהומים בתוך מתכת יכולים לתרום לשבירותה. מתכות עקשנות מיוצרות לרוב על ידי טכניקות בטמפרטורה גבוהה שיכולות להחדיר זיהומים בתוך החומר. נוכחותם של זיהומים עלולה ליצור פגמים המעודדים שבר שביר.
תיאורי מקרה של מתכות חסינות
טנטלום:
טנטלום משמש לעתים קרובות כמתכת עקשנית ביישומים בטמפרטורות גבוהות בשל עמידותו יוצאת הדופן בפני חום ובלאי. טנטלום ידוע גם בעמידותו בפני קורוזיה. טנטלום אינו נחשב למתכת שבירה, והוכח כבעל משיכות טובה בתנאים מסוימים.
ווֹלפרָם:
טונגסטן היא מתכת עקשנית נוספת המשמשת לעתים קרובות ביישומים בטמפרטורה גבוהה. לטונגסטן נקודת התכה גבוהה ויציבות תרמית מעולה. טונגסטן נחשב למתכת שבירה, בשל מבנה הגביש שלה Bcc.
מוליבדן:
מוליבדן משמש לעתים קרובות כמתכת עקשנית בשל נקודת ההיתוך הגבוהה והיציבות התרמית המעולה שלה. מוליבדן אינו נחשב למתכת שבירה, והוכח כבעל משיכות טובה בתנאים מסוימים.
ניוביום:
ניוביום משמש לעתים קרובות כמתכת עקשנית בשל עמידותו בטמפרטורות גבוהות ועמידות בפני קורוזיה מעולה. ניוביום אינו ידוע כמתכת שבירה, והוכח כבעל משיכות טובה בתנאים מסוימים.
רניום:
רניום היא מתכת עקשנית נדירה בעלת עמידות בטמפרטורות גבוהות וגמישות מעולה. רניום אינו נחשב למתכת שבירה, והוכח כבעל משיכות טובה גם בטמפרטורות גבוהות.
אוסמיום:
אוסמיום היא מתכת עקשנית נדירה בעלת נקודת ההתכה הגבוהה ביותר מכל יסוד ידוע. אוסמיום הוכח כמתכת שבירה יחסית, בשל מבנה הגביש שלה Bcc.
סיכום
מתכות עקשנות הן קבוצה של מתכות נדירות בעלות נקודות התכה גבוהות, יציבות תרמית גבוהה ועמידות יוצאת דופן בפני קורוזיה. בשל התכונות הרצויות שלהן, מתכות עקשנות משמשות במגוון רחב של תעשיות כולל תעופה וחלל, הגנה וגרעין. השאלה האם מתכות עקשנות הן שבירות היא מורכבת ותלויה במספר גורמים, כולל מבנה גבישי, מיקרו-מבנה וזיהומים. בעוד שחלק ממתכות עקשן נחשבות לשבירות, לאחרות יש גמישות טובה בתנאים מסוימים. באופן כללי, ניתן לומר כי מתכות עקשנות אינן שבירות מטבען, אך יש לשקול היטב את תכונותיהן בעת שימוש ביישומי מתח גבוה.