Глас вопиющего: архив матчасти и разбор провалов для энтузиастов

В каноне упоминается некий композиционный сплав, «омега-титан». Из него делают вампирские мечи, которые способны рассечь железо/сталь за счет своей прочности, тонкой кромки и огромной скорости нанесения удара. Т.е. благодаря сверхспособностям вампиров, клинок из состояния покоя за доли секунды достигает сверхзвуковой скорости, а значит, ускорение огромно (ничего удивительного в этом нет, хвостик кнута, к примеру, двигается со сверхзвуковой скоростью, поэтому мы слышим хлопок). Следовательно, сила удара также огромна (F = ma). Чем меньше площадь режущей кромки (чем она тоньше), тем больше оказываемое давление на поверхность объекта, по которому наносят удар, при равной силе (которая чудовищна за счет огромного ускорения). Из этого материала делают даже прочные доспехи. Такой вот чудо-материал, одним словом. Что с ним не так? Давайте разбираться. И, конечно же, привычный дисклеймер: может вскипеть мозг. Но постараюсь доступно разжевать для тех, кто совсем не в теме. К сожалению, эта тема не совсем мой профиль, и хоть я смогу разобраться в физической сути явления, могут быть нюансы, которые упущу и не замечу. Поэтому комментаторам-специалистам — зеленый свет. Со ссылками на источники, конечно же. Статья, вероятно, не окончена в том смысле, что не дает однозначного ответа, прав ли автор или неправ, потому как мои источники исчерпаны, а провести исследование я не могу. Но может быть, дорогие комментаторы помогут своими рассуждениями, и я дополню статью. Словарь Canon ST, стр. 272. «Ω-Ti, omega-titanium. Композиционный сплав, который считается самым дорогим и наиболее твердым в этом романе. Используется в том числе для изготовления брони автодоспехов и т.д.» Твердый-то действительно твердый, но тут начинается очень веселая штука, которую надо перепроверить… (Если вы в теме, то я намекаю про зависимость высокой твердости и падающей прочности) Сразу упомяну частую неточность перевода и повторю свои разъяснения из примечаний к новелле. Металлический сплав является композиционным, а не композитным. Композитный материал и композиционный материал — все же разные вещи. У композитных материалов четкая граница между разными компонентами, которые имеют разные свойства. Например, железобетон: арматура упругая, а бетон хрупкий. Композиционные материалы не имеют границы раздела между компонентами, эти материалы однородные (как раз-таки металлические сплавы), и компоненты при взаимодействии друг с другом дают новые свойства. При этом нельзя сказать, какую роль выполняет тот или иной компонент. Итак, судя по названию, подразумевается ω-фаза, также существует α-фаза и β-фаза. Иными словами, титан имеет аллотропные формы, альфу и бету (и нашу омегу, а еще иногда упоминается промежуточная гамма-фаза), как, например, углерод существует в виде алмаза и графита (и еще в виде кучи модификаций). При нормальных условиях (0°C, давление 1 атм., т.е. атмосферное давление как на уровне моря) титан находится в α-фазе, а при нагреве около 890°C происходит превращение кристаллической решетки в β. Аллотропию и кристаллические решетки изучали на уроках химии 8 класса. Титан в α-фазе пластичный, такой сплав хорошо льется и сваривается. Титан в β-фазе твердый, устойчив к царапинам и ползучести, после старения сплав становится очень прочным, однако при нагреве сплава выше 300°C становится хрупким. (Судя по всему, имеется в виду повторный нагрев сплава, после того, как при 890°C произошли аллотропные изменения и сплав остыл, сохранив такую кристаллическую структуру). Также есть смешанные сплавы, где α- и β-фазы находятся в разных пропорциях. ω-фаза образуется из α-фазы при давлении выше 2 МПа. Фазы высокого давления металлов группы IV демонстрируют сверхпроводимость при повышенных температурах (до 11 К), а также имеют повышенные механические свойства, в частности предел прочности. При этом снижаются пластичность и ударная вязкость. Упоминается, что ω-фаза также возникает из β-фазы при закалке с высоким содержанием легирующих компонентов. При термообработке (отжиг, закалка и старение) эту фазу всячески избегают. Дело в том, что при неправильно проведенной закалке сплав с ω-фазой трескается и лопается. (Я думаю, что ω-фаза не настолько ужасна, как про нее кричат. Т.е. где β-фаза выдержала бы погрешности процесса, то с наличием ω-фазы сразу увеличивается количество брака, поэтому для промышленности это однозначно ужасно, но с точки зрения физики у ω-фазы может быть кое-что интересное и полезное в других направлениях). И не только титан трескается при закалке, самый «бытовой» пример — неправильная закалка стального меча, когда он покрывается трещинами. Есть еще упоминания, что ω-фаза возникает из β-фазы под воздействием ионизирующего излучения или при крайне низких температурах (т.н. «криогенных»). Страшно от непонятных слов? Давайте разбираться. Пластичность — свойство твердых тел необратимо менять размеры и форму под действием механических нагрузок без разрушения (например, согнуть, смять). Предлагаю ассоциировать это свойство с пластилином: не зря же он так называется? Противоположное свойство: хрупкость, т.е. разрушение без деформации. Простым языком, пластичный материал деформируется без разрушения, а хрупкий материал разрушается без деформации. Пример: ком пластилина можно сплюснуть (пластичный материал), стеклянный стакан не сплюснется, а расколется (хрупкий материал). Твердость — свойство материала сопротивляться внедрению под напряжением более твердого инородного тела. Или: свойство материала сопротивляться воздействию внешних нагрузок при непосредственном соприкосновении. Или: твердость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям. Твердость измеряется с помощью вдавливания в поверхность материала иного тела различной формы и размера под различной нагрузкой (стальной шарик или алмазный конус). Например, в геологии твердость минерала определяется тем, может ли он оцарапать другой минерал (шкала Мооса). Чем меньше след от тела, тем тверже материал. Есть более точные способы измерения, например, Бриннеля (HB) или по Шору (косплееры-крафтеры с шорами более знакомы, к слову). Соответственно, противоположностью твердого является мягкое. Этот термин не универсален, и каждый специалист понимает его по-своему. И «мягкие» материалы (лучше говорить «с низкой твердостью») ведут себя по-разному. Мел рассыпается при трении о поверхность, оставляет белый след из крошек (потому что хрупкий), а медь и золото легко царапаются, причем их «мягкость» идет вместе с пластичностью: хорошо куются (деформируются), поэтому под «мягкостью» у металлов чаще подразумевается способность к ковкости. Вряд ли у вас была возможность потрогать натрий, чтобы понять, насколько он «мягкий». Упрощенно говоря, если тело твердое, то плохо подвергается деформации (вдавливанию, внедрению инородного тела). Повторно выгоняю из ваших голов ассоциации, что твердость не является противоположностью пластичности (деформация происходит относительно легко). Мел и золото — отличный пример материалов низкой твердости («мягкие» материалы), которые демонстрируют разницу между хрупкостью и пластичностью: мел «мягкий», но хрупкий, а золото — «мягкое», но пластичное. Мел крошится (разрушается), а золото получает царапины, но остается целым. Твердость возрастает вместе с прочностью (еще одно свойство), пока твердость не достигнет определенного значения. После этого прочность резко падает при увеличении твердости. Быть прочным и твердым могут только стали до определенного уровня твердости. После этого они также становятся непрочными. К снижению твердости приводит одновременное повышение прочности и ударной вязкости (запомним этот момент). Твердый не равно прочный! Это совершенно разные физические понятия! Часто бывает наоборот: твердый равно «ломается от ерунды», т.е. «непрочный». А также прочность не равна жесткости! И жесткий не равно твердый! Жесткие материалы не бывают твердыми (обычно не бывают, стали не рассматриваем). Долой бытовое представление этих терминов и смешение смыслов! Прочность — свойство материала противостоять напряжению без разрушения (или: свойство материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил). Предел прочности — максимальное напряжение, которое может выдержать материал без растяжения (пластичный) или разрушения (хрупкий). Предел прочности ниже, чем больше скорость приложения нагрузки (динамическая нагрузка), т.е. при ударе молотом с размаху материал легче разрушается. Увеличение прочности приводит к снижению ударной вязкости (о ней ниже). Совсем простым языком: прочность — это свойство не ломаться, когда мы пытаемся сломать. Часто самыми прочными материалами бывают пластичные материалы: все верно, сломать сложно, потому что они не ломаются, а просто деформируются, хоть убейся. Например, чистый титан (не сплавы, и скорее всего, как раз речь об альфа-фазе) по пластичности близок к меди. Но при этом предел прочности титана 600 МПа, а меди — всего лишь 210 МПа. Таким образом, титановую проволоку можно согнуть, как медную, но сложнее разорвать, чем медную (т.е. выдержит подвешенный груз намного больший, прежде чем растянется и окончательно порвется). Или титановый лист сложнее пробить, чем медный, но гнется, деформируется он точно так же. Кстати, есть случаи, когда титановые спицы (ставятся на переломы) гнутся при повторных ударах и переломах кости. Собственно, поэтому после сращения кости их рекомендовано удалять. А люди удивляются, «титан же огого! он же прочный! как спицы могут гнуться?!» Да легко. Это разные свойства, господа. А еще это не та аллотропная форма титана. Мега-супер-пупер титан — это зачастую бета, а не альфа. Итак, чистый титан пластичный, прочный, но не слишком жесткий (что такое жесткость — чуть-чуть ниже). Чугун обладает пределом прочности 250-550 МПа (бывают чугунные сплавы и с пределом 600-1000 МПа), обладает высокой жесткостью, т.е. его очень сложно согнуть — сопротивляется деформации… но при этом чугун трескается от падения, а при попытке согнуть чугунный прут — не гнется и сломается при определенном значении воздействующей силы. Значит, чугун хрупкий, непрочный, но очень жесткий. При этом он достаточно твердый: по шкале HB от 140 до 250 в зависимости от марки чугуна. Для сравнения: алюминий 15 HB, мягкая сталь 120 HB, нержавеющая сталь 250 HB. Тверже только стекло 500 HB, и сталь для инструментов (высокоуглеродистая) 650 HB и выше. Материалы меньше 30 HB считаются мягкими, а 30-130 — материалы средней твердости. Собственно, раньше были чугунные ванны, и переносить такую тяжесть во время ремонта — та еще задачка. Поэтому чугунную ванну достаточно легко разбивают молотком на куски, чтобы как-нибудь дотащить до пункта сдачи металлолома. Прочность хрупкого материала — это способность выдерживать приложенное напряжение без разрушения, а прочность пластичного материала — это способность выдерживать приложенное напряжение без какой-либо деформации. Прочность включается в себя ударную вязкость, прочность на разрыв, усталостную прочность, предел текучести и т.д. (но это нам сейчас неважно). Жесткость — свойство материала сопротивляться деформации (изменению размеров и формы) при приложении напряжения. Чем меньше деформаций происходит при действии силы, тем жестче материал или конструкция. Следовательно, если материал очень пластичный, то он легко деформируется, а значит, раз плохо сопротивляется деформации = обладает низкой жесткостью. Но при этом есть еще одно свойство, упругость. Причем в разных учебниках по материаловедению используется разная терминология. Вместо жесткости иногда используется как раз упругость, но вместе два термина не встречались. При этом проводится разграничение между жесткостью и упругостью. Итак. Жесткость, как выше сказано, это свойство материала сопротивляться деформации. Упругость — это свойство материала деформироваться под действием каких-либо сил, а потом восстанавливаться в исходное состояние после того, как эти силы перестают действовать. После определенного значения приложенного напряжения происходит необратимая деформация, в конечном итоге происходит разрушение. Бытовой пример: резина обладает упругостью, некоторые пластмассы тоже. Из металлов можно выделить, конечно, такие сплавы, которые используются для изготовления пружин (например, углеродистые и высоколегированные стали, бериллиевая бронза). После определенного значения нагрузки резина может растянуться и порваться, упругий пластмассовый стаканчик может согнуться и надломиться на сгибе, пластмассовая линейка (которую в школе используют как катапульту для стрельбы ластиком) сломается, пружины также растягиваются и рвутся. Как бы, по определению видна разница: жесткие материалы сохраняют исходную форму, стараясь не деформироваться (сопротивляются), а упругие материалы, наоборот, возвращают исходную форму после деформации. Однако, если упругость высока, то для деформации нужно приложить куда большую силу. Поэтому какое-то время упругий материал… сопротивляется деформации, раз приложенная сила недостаточна для того, чтобы растянуть или изогнуть. Действительно, чем больше модуль упругости, тем жестче материал. И модуль упругости играет немалую роль при сопротивлении деформации (свойство жесткости по определению). Но при этом упругость считается свойством материала, а жесткость больше используется по отношению к телу или конструкции, т.е. зависит от размеров и формы. Длина и толщина стержня, например: более длинный или тонкий стержень подвергается сильным деформациям, а более короткий или толстый стержень из того же материала становится жестче. При этом упругость его не меняется. Собственно, поэтому не надо путать «прочный» и «жесткий». Да, прочный материал тоже будет сложно изогнуть, как и жесткий, только в конечном итоге в прочном материале при значительных деформациях возникают напряжения, и он ломается. А жесткий материал как раз либо необратимо деформируется, либо примет исходную форму. И на закуску, ударная вязкость — очень важное свойство по отношению к металлам (мы ведь будем анализировать сплав, так?) Но сначала надо пояснить про разрушения. Разрушение может быть хрупким и вязким (пластическим). И еще много каким, но нам это не нужно. Перескажу простым языком на примерах. Хрупкое разрушение, грубо говоря, сопровождается трещинами и сломами. При хрупком разрушении предмет можно собрать из частей, и каждая часть станет на свое место. Например, разбитое стекло. Вязкое разрушение сопровождается растяжением (деформацией, потому и называется пластическим). Например, когда пытаешься разделить комок пластилина или конфету-тянучку. Тело вытягивается, удлиняется, появляется тонкая «талия», «шейка», которая истончается до того, что происходит разрыв. Касательно металлов и сплавов очень интересна зависимость вида разрушения от температуры. При низких температурах происходит хрупкое разрушение. При высоких — вязкое. Охлажденный металлический предмет при ударе покрывается трещинами и разбивается. При нормальных условиях металлический прут немного растянется, покроется трещинками в слабом месте и потом разорвется. Упомяну ползучесть, раз пришлась к слову. Ползучесть — способность любого твердого материала изменять форму и размеры от длительных нагрузок. Очень грубо говоря, при растяжении материал деформируется и не может принять исходную форму. Сначала материал проявляет упругость и пытается вернуть свою форму, но со временем он проявляет все больше пластичные свойства, растягивается, пока не порвется. Накаленный прут будет значительно деформироваться, вытягиваться (ковкость, пластичность же) и лишь потом разорвется, когда шейка станет совсем тонкой-тонкой. На этой ноте переходим к понятию ударной вязкости. Ударная вязкость — это способность материала поглощать кинетическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Или: это показатель количества работы (энергии), необходимой для хрупкого разрушения материала. Т.е. материал быстро поглотил энергию при ударе, нагрелся и не покрылся трещинами и не сломался, а просто деформировался (получил вмятину вместо трещины). Конечно, поглощение энергии имеет свои пределы, и поэтому в какой-то момент тело при определенной силе удара не деформируется, а треснет. А теперь я повторю: «ω-фаза образуется из α-фазы при давлении выше 2 МПа. Фазы высокого давления металлов группы IV демонстрируют сверхпроводимость при повышенных температурах (до 11 К), а также имеют повышенные механические свойства, в частности предел прочности. При этом снижаются пластичность и ударная вязкость». Сейчас звучит более осмысленно, правда? Сверхпроводимость мы трогать не будем, это свойство нам неинтересно, если собираемся пустить наш сплав на банальное оружие и броню. Также напоминаю, что «к снижению твердости приводит одновременное повышение прочности и ударной вязкости». И: «Зависимость между твердостью и ударной вязкостью принципиально одинакова для всех материалов. Увеличение твердости приводит к снижению ударной вязкости». У нас ударная вязкость снижена, так что да, можно говорить о том, что твердость повышена, и Сунао вполне может быть прав, раз заявил о сплаве, как о самом дорогом и наиболее твердом материале. Насчет «наиболее твердом» спорно, но один из них — вполне возможно. Либо это наиболее твердый из имеющихся в мире ториблы. Конечно, мы помним, что пара «твердость и прочность» растет лишь до определенных значений твердости, но раз исследователи нам сказали, что предел прочности у ω-фазы повышен, то радуемся и не парим себе мозг изучением графиков, где отображены зависимости между прочностью, твердостью и ударной вязкостью. Итак, материал повышенной прочности (и видимо, еще кое-какие механические свойства повышены) и один из самых твердых. Но не очень пластичный, и ударная вязкость тоже невысокая. Что это значит? Это значит некоторые проблемы. Если материал твердый, то чем точить меч? Иными словами, твердые сплавы не стачиваются, а сами повреждают то, чем их пытаются точить. Точить надо еще более твердым материалом. Т.е. наш клинок из омеги будет плохо поддаваться заточке из-за своей твердости, и наточить его сложно. Впрочем, если брать обычный, чистый титан в нормальных условиях (альфа), то за счет своей пластичности он тоже не заточится и просто склеит фрезу. Если омега не очень пластична, то ковать (или прокатывать/формовать) меч и броню будет затруднительно. Впрочем, титан и его сплавы и так относятся к категории наименее пластичных материалов, так что изначально работать придется с трудностями. Справедливости ради, мало пластичными материалами являются и легированные стали, а из них делают в том числе кухонные и хирургические принадлежности (а у них острота ого-го!), и круглые трубы. А вот невысокая ударная вязкость… При ударе будет плохо поглощать энергию и потому есть вероятность потрескаться. Да? Однако, на наше счастье... «Вязкость разрушения тесно связана с показателями прочности материала. Увеличение прочности сопровождается снижением пластичности и вязкости разрушения. Это объясняется тем, что у высокопрочных материалов мала энергия, поглощаемая при разрушении, уровень которой определяется величиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопрочных материалов эффект увеличения прочности существенно перекрывается снижением пластичности, в результате чего вязкость разрушения уменьшается». Фух! Мы высокопрочные, так что жить можно, компенсировали... Сунао говорит, что броня автодоспеха надежнее танковой, и делается как раз из этого омега-титана. Броня танка — это слоеный пирог всяких-разных материалов, но основу составляют листы легированной стали. Из имеющихся данных о броне танка, самые твердые стали — это 388 HB, 375 HB, наименее твердые — 269 HB, 293 HB. В бронежилетах используются листы стали или титана, которые вставляются в «кармашки» — уже хорошо, что титан таки используют как броню. (Правда, стоит помнить, что сталь намного дешевле, в том числе поэтому она так распространена). Итак, что у нас по ударной вязкости легированных сталей? «Для многих углеродистых и легированных сталей ударная вязкость при низких температурах (обычно ниже 10°С) резко понижается, что исключает применение этих материалов в таких рабочих условиях». Титан же хорош тем, что при низких температурах не теряет своих свойств. И при высоких тоже. Т.е. рабочий диапазон температур у него больше. «У закаленной углеродистой стали при обычном испытании на ударный изгиб вязкость сохраняется низкой вплоть до температуры отпуска 400°С, после чего начинается интенсивное повышение ударной вязкости, максимум ее достигается при 600°С. В некоторых сталях (легированных) отпуск примерно при 300°С снижает ударную вязкость, которая повышается лишь при отпуске выше 450°С-500°С». В общем и в целом, да, при изготовлении легированных сталей применяется уйма ухищрений (и процесс этот дорогостоящий), чтобы сделать ударную вязкость приемлимой для определенных целей. Аналогично надо выеживаться и с титаном. Но в принципе, более-менее характеристики если местами не превышают, так не хуже в разы. На выбор титана для брони в мире ториблы должно влиять кое-что другое. Например, рабочий температурный диапазон. Еще титан легче стали, и по соотношению плотность-прочность выигрывает у стали. Имеет высокую коррозионную устойчивость. Обладает низкой теплопроводностью по сравнению со сталью, так что не требует охлаждения (броня на солнце не превратится в парилку). Также, «титан значительно прочнее наиболее часто используемых марок стали. Но самые прочные из известных легированных сталей в самом сильном отпуске прочнее самых прочных титановых сплавов в самом твердом состоянии». По некоторым данным, сплавы титана примерно в пять раз прочнее обычных сталей, также: Предел прочности на растяжение: стали от 400-550 МПа до 1100 МПа, титановый сплав 1170 МПа. (конечно, данных по ω-фазе шиш найдешь, но в целом по титановым сплавам... тем более, если говорится, что механические характеристики ω-фазы повышены, а прочность много чего в себя включает...) Предел текучести: стали от 250 до 800 МПа, титановый сплав 1100 МПа. По твердости: стали 120-200 МПа по Бриннелю, а титановый сплав 41 HRC по Роквеллу. В переводе из HRC в HB это будет примерно 383 МПа (383 HB). Еще: «Титан менее токсичен, чем сталь, имеет меньшее тепловое расширение, чем сталь, и имеет более высокую температуру плавления». Еще: «Титановые сплавы обладают высокой прочностью на разрыв и вязкостью (даже при экстремальных температурах)». Возможно, если изготовление легированных сталей по каким-то причинам проблематично, то… действительно, остаются прочные титановые сплавы? Легкие, стойкие к коррозии, выдерживают холод, по ряду характеристик превышают в разы обычные стали и уступает (видимо, не настолько сильно) легированным. Да, титановые сплавы тоже непросты в изготовлении, но… может, стоит дать им шанс? Тем более, что изделия из них не слишком распространены и не штампуются массово, тогда как та же сталь в мире ториблы все-таки активно используется для вооружения, пусть и не настолько высокотехнологичная. В таком случае, да, титановые сплавы выигрывают по характеристикам. И конечно же, не забываем, что это научфан, где царят свои законы жанра: чем сильнее будоражит воображение, тем лучше. Возможно, автор в чем-то действительно неправ, но натянуть обоснуй можно попробовать, что и было сделано в статье. Углублять вас в суть легирующих и стабилизирующих компонентов, которые используются для изготовления стали и титановых сплавов я не буду, но там тоже очень интересно. Однако, судя по всему, раз некий «омега-титан» у автора является композиционным сплавом, то однозначно это не просто титан в ω-фазе, а сплав этого титана с разными компонентами, что в теории позволит нивелировать недостатки. Тема, к сожалению, интересная, но материала по ней кот наплакал. Так что все может быть, а там кто знает…