Який метал найміцніший? Їх види та використання

На сьогодні людству відомі 118 хімічних елементів. Серед них 96 – це метали. Всі вони, за винятком ртуті, в природному стані знаходяться у твердому вигляді й характеризуються різною твердістю, добре проводять електричний струм. Якщо єдиний рідкий з них – ртуть, то який метал найміцніший?

Найміцніші метали у світі

Все відносно, в тому числі й аналіз міцності матеріалів. Порівняння потрібно проводити за єдиними критеріями, при дотриманні однакових умов. Зробити це практично неможливо. Ту ж відносну твердість можна розглядати як за шкалою Мооса, так і за методами Брінелля, Віккерса, Шора та ін. Існує ще ряд параметрів, що дозволяють зробити порівняльний аналіз різних матеріалів. Оцінювати, який найміцніший метал в світі, потрібно з урахуванням показників:

• межі міцності на розрив;
• модуля Юнга;
• відносної твердості;
• межі текучості й інших.

Від чого залежить міцність металів?

Якщо поняття «надійність» властиво для характеристик готових конструкцій, споруд або виробів, то метали або їх сплави повинні бути свідомо не крихкими. Інакше елементи будь-якого об'єкта, що піддаються навантаженням на розтягнення або вигин, не зможуть бути надійними при експлуатації. Тому міцність вважається одним з основних механічних показників. Силова ненадійність проявляється в тому, що будь-яке навантаження, що перевищує поріг міцності та посилюється в точках концентрації напружень, викликає руйнування.

Які ж тоді найміцніші метали? Ті, що здатні нівелювати силові перевантаження локального та загального характеру всередині матеріалу, забезпечити оптимальну пластичність й надійність при використанні. Встояти перед руйнуванням під впливом зовнішніх навантажень.

Надійність будь-якого металу залежить від його в'язкості, граничної та початкової міцності. Максимальне значення напруження, яке чиниться на метал до початку фази його руйнування, прийнято вважати межею міцності (ММ). Короткочасна її величина визначається при дослідженнях на деформацію, розтягнення. Для порівняння наведені межі короткочасної міцності для деяких сталей по ДСТУ 7809:

Виділяють кілька ММ:

• на стиснення. Здатність металу витримувати навантаження, що провокують його на зменшення в розмірах;
• на розтягення/розрив. Опірність матеріала навантаженням, що розтягують; 
• на вигин. Максимальне напруження, яке витримує металл під впливом згинаючих навантажень.

На величину граничної міцності впливає наявність/відсутність в металі домішок, здатних підвищити/знизити її значення.

Найміцніший метал і межа плинності (МП)

МП позначає проміжне стояння між кінцевим етапом пружної фази та початком пластичної деформації. Якщо поріг МП перевищено, формозмінення виробу стає незворотним (пластичним).Оскільки у холоднокатаної сталі та багатьох інших матеріалів МП виражена слабо, то для них оперують умовною межею плинності – напруженням, що викликає пластичну (незворотню) деформацію, ступень якої складає 0,2%.

Вольфрам

На земній кулі самий міцний метал, хоча й мало поширений в її надрах, але входить до складу інструментальних й самих тугоплавких сплавів, вольфрам (Wolframium) або W. В основі його кристалічній будови лежить об'ємноцентрована кубічна решітка. 

Властивості

Вольфрам світло-сірого кольору, схожий на сталь. Характеристики дозволяють використовувати його для жароміцних надтвердих сплавів й сталей, експлуатованих в гранично високотемпературному полі. Інші фізичні характеристики.

Як видно, вольфрам має найменший коефіцієнт лінійного розширення, що пояснюється постійністю атомної решітки. Міцність зростає при холодній деформації. З недоліків: низька пластичність, висока ймовірність ламкості при негативних температурах, погана зварюваність й оброблюваність різанням, невисока окаліностікість. Нівелювати ці недоліки при легуванні сталі вольфрамом допомагає додавання інших хімічних елементів.

Області застосування

Метал затребуваний як в чистому вигляді, так і в твердих, жароміцних, контактних та зносостійких сплавах на основі карбіду вольфраму. Корозійна стійкість сприяє застосуванню в рідиннометалевих складах ртуті, літію, натрію, калію, затребуваних в енергоустановках. Вольфрам також незамінний в інших областях:

• як легуючий або основний компонент інструментальних, швидкорізальних сталей (Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3);
• при виробництві свердл, фрез, пуансонів, штампів;
• як основний компонент для ниток розжарювання, неплавких зварювальних електродів дугового зварювання, катодів й деталей конструкцій потужних електровакуумних приладів;
• в виробництві соплових вкладишів твердопаливних двигунів;
• при виготовленні деталей електростатичного іонного двигуна з порошку вольфраму;
• в якості заготівлі – штабіки/злитки – для дроту, прутків, стрічки, у вигляді дрібнодісперсних порошків – для виготовлення твердих сплавів.

У чистому вигляді вольфрам знайшов застосування в електроніці, текстильній, гірничодобувній та хімічній промисловості, медицині, у виробництві катодів та анодів електронних пристроїв.

Осмій

Наочний представник рідкісних дорогоцінних металів платинової групи сріблясто-блакитного кольору (кристали) та темно-синього (в злитку) – осмій. Через крихкість та високу твердість в чистому вигляді в природі практично не зустрічається, присутній в метеоритному металі. Складається із з'єднань ізотопів. Їх 7, один з яких радіоактивний. Найцінніший, що міститься в малій кількості (всього 1,6%), та дорогий, осмій-187.

Осмій існує у вигляді різних форм-з'єднань з іншими хімічними елементами. Найбільш поширені його «компаньйони» – іридій та платина. Входить до складу мідної, нікелевої руди. Супроводжує натуральну платину. Виділяється зі збагачених порід, шляхом прожарювання в повітрі при високих температурах (800-900°С). З 10000 тон сировини, утримуючий платинові метали, видобувається лише 28 г осмію.

Властивості

Стверджувати, що осмій найміцніший метал, проблематично через його досить високу крихкість. Але те, що це другий за важкістю метал – факт безперечний (більш важкий тільки ірідій). Крім високої щільності й маси, компактний осмій можна розглядати як хімічно стійкий, досить твердий матеріал. Він практично не піддається обробці.

Рідкісний й корисний метал важкодоступний. Його видобуток обходиться занадто дорого, а річна продуктивність становить кілька сотень кілограмів. До того ж тетраоксид осмію OsO₄ характеризується високою агресивністю, небезпечний для слизових, дихальних шляхів. В хімічні реакції з лужним, кислотним середовищем, як і з водними осматами, не вступає. Зате взаємодіє з киснем, парами сірки, селеном та іншими речовинами, перебуваючи в порошкоподібному стані. Штучно вирощують (виділяють) осмій методом газового транспорту. Він не піддається обробці тиском, плавиться в вакуумних установках.

Області застосування осмію

Невеликі партії видобутку та унікальні властивості роблять Os з атомним номером 76 затребуваним лише в крайніх випадках, де його застосування максимально виправдано:

• датування, аналіз кварців прикордонного шару між Міловим і Третинним періодами;
• добавка в сплави для підвищення їх зносостійкості та довговічності;
• як покриття на вузлах механізмів, що активно піддаються тертю;
• осмій-187 – в аерокосмічній, військової області;
• виробництво точних деталей в машинобудуванні – у сплавах Osmium й Iridium;
• отримання кардіостимуляторів (сплав, що містит 90% Pt та 10% Os), медичних інструментів;
• добавка в мікродозах до сталей різального типу для збільшення гостроти лез ножів;
• чистий метал, як каталізатор, при гідруванні органічних сполук, для отримання аміаку, ліків;
• в нитках ламп розжарювання, годинникових механізмах й компасах;
• виробництво осей, опор й опорних гнізд у високоточних вимірювальних приладах з твердого та немагнітного осмію.

Іридій

Хімічний елемент і метал – іридій (Ir) з щільністю 22,65 г/см – ділить пальму першості, як найважчий й тугоплавкий елемент, з осмієм. Але його можна характеризувати й як найміцніший метал, до того ж рідкісний: річний видобуток в світі не перевищує 10 тисяч кг. На думку вчених, основні запаси Ir знаходяться в земному або зовнішньому ядрі. Дорогоцінний метал біло-золотого кольору, характеризується високою інертністю. Існує вид платоноіду зі змішаними двома ізотопами: 191 (частка Ir – 37,3%) і 193 (Ir – 62,7%). У природі знаходиться в саморідному стані, зустрічається як суміш з Pt або Os. Будь-яке з таких з'єднань можна характеризувати, як самий твердий сплав, довговічний та міцний. Існує закономірність: там де є саморідна платина, шукайте осмістий іридій. Налагоджено також штучне виробництво Ir з переробленої платинової руди. Це побічний продукт при видобутку нікелю. Відомі три синтетичних ізотопи (191,192,193).

Властивості

Іридій належить до групи благородних металів. Характеризується високою хімічною стійкістю. Не вступає в реакцію з водою, стійкий в повітряному середовищі. Інертний до царської горілки, до всіх кислот, а також їх сумішей в температурному полі до 100°C.

Використання іридію

Використання базується на стійкості Ir до окислення при високих температурах, збереженню початкових характеристик в будь-яких хімічних розчинах й сумішах, при переплавці. Метал, в основному, використовується в сплавах. Основне застосування:

• посилення особливо відповідальних металоконструкцій шляхом  легування сплавів для їх виготовлення мікродобавками іридію;
• виготовлення посуду й хірургічного інструменту;
• отримання довговічних іридієвих свічок згоряння;
• виробництво нерозчинних анодів;
• приладобудування;
• покриття зварювальних вузлів в будівництві (мідно-іридієвий склад);
• виробництво паливних баків (суміш іридію з гафнієм);
• термопари для виміру надвисоких температур (≥2000°С) зі змішаних компонентів – ізотопного іридію і ренію або вольфраму;
• виробництво катодів – комплексний склад: іридій + церій + латан.

Хром

Хоча неправомірно стверджувати, що хром – найміцніший метал в світі, те, що це самий твердий метал у світі – дійсно так. Металу білого забарвлення з блакитним відливом й досить специфічними ознаками в земній корі міститься досить багато – 0,02%. У природі знаходиться найчастіше, як елемент з'єднань, але зустрічається й в чистому вигляді. Отримати чистий металевий хром можна методом алюмінотермії, електролізом CrO₃ у водному розчині сірчаної кислоти. Основна сировина для виробництва – хромова шпінель змінного складу. Найпоширеніший вид – хромит або хромовий залізняк. Це хромова руда, що містить в собі залізо.

Властивості

Про те, що хром – це «найсильніший» метал і досить поширений на нашій планеті, – сперечатися важко. Його фізико-хімічні властивості говорять самі за себе. Метал легко обробити механічним способом. Особливо цінними вважаються його сполуки – крокоіт і залізняк.

Застосування хрому

Cr використовується в металургії для виплавки легованих сталей, а також:

• для виробництва антикорозійних й естетичних металопокриттів (методом хромування);
• як легуючий елемент, щоб отримати корозійностійкі, міцні сплави;
• в якості компонента сплавів в створенні точних приладів та космічного устаткування;
• для виготовлення вогнетривів;
• під час дублення шкіри – хромовий галун KCr (SO₄).

Реній

Перші родовища були виявлені в Німеччині. Займає лідируючі позиції в рейтингу найбільш рідкісних на Землі й найдорожчих металів. В надрах його всього 2,6×10^-7%, а в океані 1,0×10^-10%. Зустрічається в чистому вигляді й в мідній сировині. У метеоритному залізі знаходиться у вільному стані. Виробляється при відновленні перренага калію (KRe0₄,) з наступним доведенням спіканням до компактних форм.

Властивості

Належить до групи перехідних елементів. У таблиці представлен ряд фізичних показників ренію:

Відзначається стійкість характеристик при багаторазових циклах «нагрів-охолодження», інертність по відношенню щодо водню, азоту. Не розчиняється Re в кислотах: соляній та плавиковій.

Де застосовується?

Висока вартість робить використання ренію обмеженим. У вигляді сплаву з іншими металами, зокрема з молібденом та вольфрамом, затребуваний в створенні ракетних установок й авіації. Крім того, використовується:

• з нікелем при виробництві лопаток турбін й камер згоряння;
• у нафтопереробці в складі захисних покриттів від агресивних середовищ;
• в виробництві жароміцних сплавів.

Титан

Метал, якого міститься в земній корі 0,66 відсотка, замикає «десятку» за поширеністю в природі. Видобувається з руди, в основному, за запатентованою ще в минулому столітті технології – магніетермічній. Висока міцність дозволяє використовувати титан в тих середовищах, де магнієво-алюмінієві сплави припиняють працювати.

Властивості

З'ясовуючи, який найміцніший метал, не забудьте звернути увагу на фізичні характеристики титану. Вони ідеально підходять під це визначення.

Застосування титану

Раніше метал був затребуваний в основному в оборонній та військовій промисловості. Сьогодні його поширення в інших сферах з кожним днем ​​зростає:

• конструкційний матеріал – у сплавах для обшивки спеціальних морських суден, газових турбін авіадвигунів, деталей планерної частини;
• легуючий компонент при виробництві високоміцних конструкційних та інструментальних сталей;
• в сплавах для комплектуючих насосів й трубопроводів, створення глибоководних апаратів та бурильних установок;
• у теплообмінному обладнанні підприємств енергетичної, хімічної та нафтохімічної промисловості.

Залізо та сталь

Само по собі чисте залізо, як найжорсткіший метал, не позицінується. Але в комбінації з легуючими таі іншими компонентами може скласти гідну конкуренцію самим твердим та міцним металам, оскільки стає більш зносостійким, твердим.

Визначити, яка найміцніша сталь можна тільки для конкретних умов й сфер використання, бо домогтися в одному сплаві високих показників відразу не вийде. До того ж, в хімічному визначенні сталь – не метал, а сплав вуглецю та заліза. Тому, при прагненні досягти ідеальних властивостей завжди доводиться чимось жертвувати для поліпшення інших характеристик.

Яка найміцніша сталь: перша «п'ятірка»

Високоміцним вважається такий сплав, у якого ММ ≥1800-2000 МПа, а ударна в'язкість ≥ 2 МДж/м². Це означає, що в сталі витриманий баланс між високою міцністю та високим опором крихкому руйнуванню.

Уран

Сріблясто-білий, блискучий радіоактивний елемент природного походження. Відомо близько 100 мінералів урану, але тільки 12 мають промислове значення. Знаходяться у вільному стані або в кислих осадових породах оболонки земної кори. Локальні запаси зосереджені в твердих скельних утвореннях. Уран, якщо не найміцніший матеріал, то, примаймі, один із самих твердих. Отримують його з уранових руд, що містять 0,05-0,5% U.

Властивості

Легко піддається механічній та термічній обробці. З'єднання радіаційно й хімічно токсичні. Характеристики залежать від чистоти металу.

Де застосовується уран?

Уранова промисловість сфокусована на видобутку та переробленні уранових та інших радіоактивних руд з метою отримання відповідних концентратів для ядерної енергетики. Уран знаходить своє застосування:

• як пальне в дослідному і ядерному реакторі;
• у складі паливних елементів для АЕС;
• 238U – сировина для вторинного ядерного пального – плутонію і радію;
• у виробництві флуоресцентного скла;
• при виготовленні транспортних контейнерів для перевезення та зберігання радіоактивних вантажів й відходів;
• в оборонній промисловості.

Берилій

Високотоксичний лужноземельний метал світло-сірого кольору, стійкий до корозії. На повітрі швидко покривається оксидною плівкою, що захищає його від подальших реакцій окислення. Берилій отримують з мінералу берилу. Незважаючи на середню твердість 5,5 балів за шкалою Мооса, він досить крихкий, з низьким електричним опором.

Властивості

Метал хімічно активний: розчиняється в більшості кислих середовищ та водних лужних розчинах. З водою вступає в реакцію тільки після її закипання.

Де застосовується?

Основна сфера використання – теплові екрани та системи наведення в аерокосмічній галузі. Берилій необхідний також у створенні:

• вогнетривких матеріалів (як легируюча добавка);
• сплавів для літаків, супутників і ракет;
• твердотільних випромінювачів;
• ядерної зброї;
• субстрату для розплаву солей;
• сплавів високою міцністю і корозійною стійкістю;
• високоміцних, пружних й довговічних пружин;
• віконець для рентгенівських ламп та детекторів;
• відбивачів нейтронів.

Тантал

Унікальне поєднання твердості, пластичності, надвисокої температури плавлення знайшло відображення в тантале (Та). Метал з щільністю 16,67 г/см – типовий представник гранітної й лужної магми. Входить до ТОП найважчих. Тугоплавкий, стійкий до корозії. Видобувається з мінералу колтана. У технічному металі частка Та становить 97%, W – до 2,5%.

Властивості

Особливість танталу – здатність поглинати азот, кисень, водень. Інші властивості:

Де застосовується тантал?

Затребуваний там, де потрібна висока корозійна й хімічна стійкість:

• імпланти в медицині;
• виробництво найпотужніших конденсаторів, камер, електроніки в автомобілях;
• спорудження ядерних реакторів;
• створення жароміцних сплавів і завантажувальних піддонів для печей;
• виготовлення важкосплавного інструментарію, різців по обробці металів;
• виробництво запчастин реактивних двигунів і теплообмінників в приладобудуванні.

Визначити, яка найміцніша сталь, можна тільки для конкретних умов, беручи до уваги кілька важливих факторів: зносостійкість, твердість, стійкість до агресивних середовищ і інші. Кожен з них повинен бути вищого ступеня, чого досягти вкрай складно, бо часто посилення одного з параметрів тягне за собою погіршення інших. Найміцніша в світі сталь може бути отримана тільки при строго вивіреному балансі між усіма характеристиками, що вимагає філігранного майстерності.

ТОВ «Метінвест-СМЦ» має в своєму розпорядженні велику базу металопрокату різного сортаменту. У нас ви знайдете відповідаючий європейським стандартам якості та найсуворішим характеристикам метал для вирішення будь-яких завдань, в тому числі й нестандартних.