Какой металл самый прочный? - Их виды и применение

На сегодня человечеству известны 118 химических элементов. Среди них 96 – это металлы. Все они, за исключением ртути, в естественном природном состоянии находятся в твердом виде и характеризуются разной твердостью, хорошо проводят электрический ток. Если единственный жидкий из них – ртуть, то какой металл самый прочный?

Самые прочные металлы в мире

Все относительно, в том числе и анализ прочности материалов. Сравнения нужно проводить по единым критериям, при соблюдении одинаковых условий. Сделать это практически невозможно.Ту же относительную твердость можно рассматривать как по шкале Мооса, так и по методам Бринелля, Виккерса, Шора и пр. Существует еще ряд параметров, позволяющих произвести сравнительный анализ различных материалов. Оценивать, какой самый крепкий металл в мире, нужно с учетом показателей:

• предела прочности при растяжении;
• модуля Юнга;
• относительной твердости;
• предела текучести и других.

От чего зависит прочность металлов?

Если понятие «надежность» свойственно для характеристик готовых конструкций, сооружений или изделий, то металлы или их сплавы должны быть заведомо не хрупкими. Иначе элементы любого объекта, подвергающиеся нагрузкам на растяжение или изгиб, не смогут быть надежными при эксплуатации. Поэтому прочность считается одним из основных механических показателей. Силовая ненадежность проявляется в том, что любая нагрузка, превышающая порог прочности и усиливающаяся в точках концентрации напряжений, вызывает разрушение.

Какие же тогда самые прочные металлы? Те, что способны нивелировать силовые перегрузки локального и общего характера внутри материала, обеспечить оптимальную пластичность и надежность при использовании. Устоять перед разрушением под воздействием внешних нагрузок.

Надежность любого металла зависит от его вязкости, предельной и начальной прочности. Максимальное значение напряжения, оказываемое на металл до начала фазы его разрушения, принято считать пределом прочности (ПП). Кратковременная его величина определяется при исследованиях на деформацию, растяжение. Для сравнения приведены пределы кратковременой прочности для некоторых сталей по ДСТУ 7809:

Выделяют несколько ПП:

• на сжатие. Способность металла выдерживать нагрузки, провоцирующие его на уменьшение в размерах;
• на растяжение/разрыв. Сопротивляемость материала растягивающим нагрузкам;
• на изгиб. Максимальное напряжение, которое выдерживает металл при влиянии изгибающих нагрузок.

На величину предельной прочности влияет наличие/отсутствие в металле примесей, способных повысить/понизить ее значение.

Самый прочный металл и предел текучести (ПТ)

ПТ обозначает промежуточное стояние между конечным этапом упругой фазы и началом пластической деформации. Если порог ПТ превышен, формоизменение изделия становится необратимым (пластичным). Так как у холоднокатанной стали и многих других материалов ПТ выражен слабо, то для них оперируют условным пределом текучести – напряжением, вызывающим пластичную (необратимую) деформацию, степень которой составляет 0,2%.

Вольфрам

На земном шаре самый прочный металл, хотя и мало распространенный в его недрах, но входящий в состав инструментальных и самых тугоплавких сплавов, вольфрам (Wolframium) или W. В основе его кристаллического строения лежит объемно-центрированная кубическая решетка. 

Свойства

Вольфрам светло-серого цвета, похож на сталь. Характеристики позволяют использовать его для жаропрочных сверхтвердых сплавов и сталей, эксплуатируемых в предельно высокотемпературном поле. Другие физические характеристики:

Как видно, вольфрам имеет наименьший коэффициент линейного расширения, что объясняется постоянством атомной решетки. Прочность возрастает при холодной деформации. Из недостатков: низкая пластичность, высокая вероятность ломкости при отрицательных температурах, плохая свариваемость и обрабатываемость резанием, невысокая окалиноустойчивость. Нивелировать эти недостатки при легировании стали вольфрамом помогает добавление других химических элементов. 

Области применения

Металл востребован как в чистом виде, так и в твердых, жаропрочных, контактных и износостойких сплавах на основе карбида вольфрама. Коррозионная устойчивость способствует применению в жидкометаллических составах ртути, лития, натрия, калия, востребованных в энергоустановках. Вольфрам также незаменим и в других областях:

• как легирующий или основной компонент инструментальных, быстрорежущих сталей (Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3);
• при производстве сверл, фрез, пуансонов, штампов;
• как основной компонент для нитей накаливания, неплавящихся сварочных электродов дуговой сварки, катодов и деталей конструкций мощных электровакуумных приборов;
• в производстве сопловых вкладышей твердотопливных двигателей;
• при изготовлении деталей электростатического ионного двигателя из порошка вольфрама;
• в качестве заготовки – штабики/слитки – для проволоки, прутков, ленты, в виде мелкодисперсных порошков – для изготовления твердых сплавов.

В чистом виде вольфрам нашел применение в электронике, текстильной, горнодобывающей и химической промышленности, медицине, в производстве катодов и анодов электронных устройств.

Осмий

Наглядный представитель редчайших драгметаллов платиновой группы серебристо-голубого цвета (кристаллы) и темно-синего (в слитке) – осмий. Из-за хрупкости и высокой твердости в чистом виде в природе практически не встречается, присутствует в метеоритном металле. Состоит из соединений изотопов. Их 7, один из которых радиоактивный. Самый ценный, содержащийся в малом количестве (всего 1,6%), и дорогой, осмий-187.

Осмий существует в виде различных форм-соединений с другими химическими элементами. Наиболее распространенные его «компаньоны» – иридий и платина. Входит в состав медной, никелевой руды. Сопутствует натуральной платине. Выделяется из обогащенных пород, путем прокаливания в воздухе при высоких температурах (800-900°С). Из 10000 тонн сырья, содержащего платиновые металлы, добывается всего лишь 28 г осмия.

Свойства

Утверждать, что осмий самый крепкий металл, проблематично из-за его достаточно высокой хрупкости. Но то, что это второй по тяжести металл – факт бесспорный (тяжелее только иридий). Кроме высокой плотности и массы, компактный осмий можно рассматривать как химически устойчивый, довольно твердый материал. Он практически не поддается обработке.

Редкий и полезный металл труднодоступен. Его добыча обходится слишком дорого, а годовая производительность составляет несколько сотен килограммов. К тому же тетраоксид осмия OsO₄ характеризуется высокой агрессивностью, опасен для слизистых, дыхательных путей. В химические реакции со щелочной, кислотной средой, как и с водными осматами, не вступает. Зато взаимодействует с кислородом, парами серы, селеном и другими веществами, находясь в порошкообразном состоянии. Искусственно выращивают (выделяют) осмий методом газового транспорта. Он не поддается обработке давлением, плавится в вакуумных установках.

Области применения осмия

Небольшие партии добычи и уникальные свойства делают Os с атомным номером 76 востребованным лишь в крайних случаях, где его применение максимально оправдано:

• датировка, анализ кварцев пограничного слоя между Меловым и Третичным периодами;
• добавка в сплавы для повышения их износостойкости и долговечности;
• как покрытие на узлах механизмов, активно подвергающихся трению;
• осмий-187 – в аэрокосмической, военной области;
• производство точных деталей в машиностроении – в сплавах Osmium и Iridium;
• получение кардиостимуляторов (сплав, содержащий 90% Pt и 10% Os), медицинских инструментов;
• добавка в микродозах к сталям режущего типа для увеличения остроты лезвий ножей;
• чистый металл, как катализатор, при гидрировании органических соединений, для получения аммиака, лекарств;
• в нитях ламп накаливания, часовых механизмах и компасах;
• производство осей, опор и опорных гнезд в высокоточных измерительных приборах из твердого и немагнитного осмия.

Иридий

Химический элемент и металл – иридий (Ir) с плотностью 22,65 г/см³ – делит пальму первенства, как самый тяжелый и тугоплавкий элемент, с осмием. Но его можно характеризовать и как самый прочный металл, к тому же редкий: годовая добыча в мире не превышает 10 тысяч кг. По мнению ученых, основные запасы Ir находятся в земном или внешнем ядре. Драгметалл бело-золотого цвета, характеризуется высокой инертностью. Существует вид платоноида со смешанными двумя изотопами: 191 (доля Ir – 37,3 %) и 193 (Ir – 62,7 %). В природе находится в самородном состоянии, встречается как смесь с Pt или Os. Любое из таких соединений можно характеризовать, как самый твердый сплав, долговечный и крепкий. Существует закономерность: там где есть самородная платина, ищите осмистый иридий. Налажено также искусственное производство Ir из переработанной платиновой руды. Это побочный продукт при добыче никеля. Известны три синтетических изотопа (191,192,193).

Свойства

Иридий принадлежит к группе благородных металлов. Характеризуется высокой химической стойкостью. Не вступает в реакцию с водой, устойчив в воздушной среде. Инертен к царской водке, ко всем кислотам, а также их смесям в температурном поле до 100°C.

Применение иридия

Использование базируется на стойкости Ir к окислению при высоких температурах, сохранению первоначальных характеристик в любых химических растворах и смесях, при переплавке. Металл, в основном, используется в сплавах. Основное применение:

• усиление особо ответственных металлоконструкций путем легирования сплавов для их изготовления микродобавками иридия;
• изготовление посуды и хирургического инструмента;
• получение долговечных иридиевых свечей сгорания;
• производство нерастворимых анодов;
• приборостроение;
• покрытие сварочных узлов в строительстве (медно-иридиевый состав);
• производство топливных баков (смесь иридия с гафнием);
• термопары для замера сверхвысоких температур (≥2000°С) из смешанных компонентов – изотопного иридия и рения или вольфрама;
• производство катодов – комплексный состав: иридий + церий + лантан.

Хром

Хотя неправомерно утверждать, что хром – самый прочный металл в мире, то, что это самый твердый металл в мире – действительно так. Металла белой окраски с голубоватым отливом и довольно специфическими признаками в земной коре содержится довольно много – 0,02%. В природе находится чаще всего как элемент соединений, но встречается и в чистом виде. Получить чистый металлический хром можно методом алюминотермии, электролизом CrO₃ в водном растворе серной кислоты. Основное сырье для производства – хромовая шпинель переменного состава. Самый распространенный вид – хромит или хромистый железняк. Это хромовая руда, содержащая в себе железо.

Свойства

О том, что хром – это самый «сильный» металл и достаточно распространенный на нашей планете, – спорить трудно. Его физико-химические свойства говорят сами за себя. Металл легко обработать механическим способом. Особо ценными считаются его соединения – крокоит и железняк.

Применение хрома

Cr используется в металлургии для выплавки легированных сталей, а также:

• для производства антикоррозийных и эстетичных металлопокрытий (методом хромирования);
• как легирующий элемент, чтобы получить коррозионно-устойчивые, прочные сплавы;
• в качестве компонента сплавов в создании точных приборов и космического оборудования;
• для изготовления огнеупоров;
• при дублении кожи – хромовые квасцы KCr(SO₄). 

Рений

Первые месторождения были обнаружены в Германии. Занимает лидирующие позиции в рейтинге самых редких на Земле и самых дорогих металлов. В недрах его всего 2,6×10^-7%, а в океане 1,0×10^-10%. Встречается в чистом виде и в медном сырье. В метеоритном железе находится в свободном состоянии. Производится при восстановлении перренага калия (KRe0₄) с последующей доводкой спеканием до компактных форм.

Свойства

Принадлежит к группе переходных элементов. В таблице представлен ряд физических показателей рения:

Отмечается устойчивость характеристик при многократных циклах «нагрев-охлаждение», инертность по отношению к водороду, азоту. Не растворяется Re в кислотах: соляной и плавиковой.

Где применяется?

Дороговизна делает использование рения ограниченным. В виде сплава с другими металлами, в частности с молибденом и вольфрамом, востребован в создании ракетных установок и авиации. Кроме того, используется:

• с никелем при производстве лопаток турбин и камер сгорания;
• в нефтепереработке в составе защитных покрытий от агрессивных сред;
• в получении жаропрочных сплавов.

Титан

Металл, которого содержится в земной коре 0,66 процента, замыкает «десятку» по распространенности в природе. Добывается из руды, в основном, по запатентованной еще в прошлом веке технологии – магниетермической. Высокая прочность позволяет использовать титан в тех средах, где магниево-алюминиевые сплавы прекращают работать.

Свойства

Выясняя, какой самый прочный металл, не забудьте обратить внимание на физические характеристики титана. Они идеально подходят под это определение.

Применение титана

Раньше металл был затребован в основном в оборонной и военной промышленности. Сегодня его распространение в других сферах с каждым днем возрастает:

• конструкционный материал – в сплавах для обшивки специальных морских судов, газовых турбин авиадвигателей, деталей планерной части;
• легирующий компонент при производстве высокопрочных конструкционных и инструментальных сталей;
• в сплавах для комплектующих насосов и трубопроводов, создания глубоководных аппаратов и бурильных установок;
• в теплообменном оборудовании предприятий энергетической, химической и нефтехимической промышленности.

Железо и стали

Само по себе чистое железо, как самый жесткий металл, не позиционируется. Но в комбинации с легирующими и другими компонентами может составить достойную конкуренцию самым твердым и прочным металлам, поскольку становится более износостойким, твердым.

Определить, какая самая прочная сталь можно только для конкретных условий и сфер использования, по тому как добиться в одном сплаве высоких показателей сразу не получится. К тому же, в химическом определении сталь – не металл, а сплав углерода и железа. Поэтому, при стремлении достичь идеальных свойств всегда приходится чем-то жертвовать для улучшения других характеристик.

Какая самая прочная сталь: первая «пятерка»

Высокопрочным считается такой сплав, у которого ПП ≥1800-2000 МПа, а ударная вязкость ≥ 2 МДж/м². Это значит, что в стали выдержан баланс между высочайшей прочностью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению.

Уран

Серебристо-белый, блестящий радиоактивный элемент естественного происхождения. Известно около 100 минералов урана, но только 12 имеют промышленное значение. Находятся в свободном состоянии или в кислых осадочных породах оболочки земной коры. Локальные запасы сосредоточены в твердых скальных образованиях. Уран, если не самый прочный материал, то, по крайней мере, один из самых твердых. Получают его из урановых руд, содержащих 0,05–0,5% U.

Свойства

Легко поддается механической и термической обработке. Соединения радиационно и химически токсичны. Характеристики зависят от чистоты металла.

Где применяется уран?

Урановая промышленность сфокусирована на добыче и переработке урановых и других радиоактивных руд с целью получения соответствующих концентраторов для ядерной энергетики. Уран находит свое применение:

• как горючее в исследовательском и ядерном реакторе;
• в составе топливных элементов для АЭС;
• 238U – сырье для вторичного ядерного горючего – плутония и радия;
• в производстве флуоресцентных стекол;
• при изготовлении транспортных контейнеров для перевозки и хранения радиоактивных грузов и отходов;
• в оборонной промышленности.

Бериллий

Высокотоксичный щелочноземельный металл светло-серого цвета, устойчивый к коррозии. На воздухе быстро покрывается оксидной пленкой, защищающей его от дальнейших реакций окисления. Бериллий получают из минерала берилла. Несмотря на среднюю твердость 5,5 баллов по шкале Мооса, он довольно хрупкий, с низким электрическим сопротивлением.

Свойства

Металл химически активен: растворяется в большинстве кислых сред и водных щелочных растворах. С водой вступает в реакцию только после ее закипания.

Где применяется?

Основная сфера использования – тепловые экраны и системы наведения в аэрокосмической отрасли. Бериллий необходим также в создании:

• огнеупорных материалов (как легирующая добавка);
• сплавов для самолетов, спутников и ракет;
• твердотельных излучателей;
• ядерного оружия;
• субстрата для расплава солей;
• сплавов с высокой прочностью и коррозийной стойкостью;
• высокопрочных, упругих и долговечных пружин;
• окошек для рентгеновских ламп и детекторов;
• отражателей нейтронов.

Тантал

Уникальное сочетание твердости, пластичности, сверхвысокой температуры плавления нашло отражение в тантале (Та). Металл с плотностью 16,67 г/см³ – типичный представитель гранитной и щелочной магмы. Входит в ТОП самых тяжелых. Тугоплавкий, устойчив к коррозии. Добывается из минерала колтана. В техническом металле доля Та составляет 97%, W – до 2,5%.

Свойства

Особенность тантала – способность поглощать азот, кислород, водород. Другие свойства:

Где применяется тантал?

Востребован там, где нужна высокая коррозионная и химическая устойчивость:

• импланты в медицине;
• производство мощнейших конденсаторов, камер, электроники в автомобилях;
• сооружение ядерных реакторов;
• создание жаропрочных сплавов и загрузочных поддонов для печей;
• изготовление трудносплавного инструментария, резцов по обработке металлов;
• производство запчастей реактивных двигателей и теплообменников в приборостроении.

Определить, какая самая прочная сталь, можно только для конкретных условий, принимая в расчет несколько важных факторов: износостойкость, твердость, устойчивость к агрессивным средам и другие. Каждый из них должен быть высшей степени, чего достигнуть крайне сложно, так как часто усиление одного из параметров влечет за собой ухудшение других. Самая прочная в мире сталь может быть получена только при строго выверенном балансе между всеми характеристиками, что требует филигранного мастерства.

ООО «Метинвест-СМЦ» располагает обширной базой металлопроката различного сортамента. У нас вы найдете отвечающий европейским стандартам качества и самым строгим характеристикам металл для решения любых задач, в том числе и нестандартных.