Ваш город
Киев
smc@metinvestholding.com
Написать письмо
smc@metinvestholding.com
0 800 30 30 70
Позвонить
0 800 30 30 70
Заказать звонок
Войти

Зарегистрироваться

Какой металл самый прочный? - Их виды и применение

  1. Главная
  2. Статьи
  3. Какой металл самый прочный? - Их виды и применение
Какой металл самый прочный? - Их виды и применение
Самый прочный металл в мире - вольфрам, осмий, иридий, хром и прочие. От чего зависит прочность металлов? Описание самых прочных металлов: их механические свойства, химический состав самых твердых металлов в мире и их применение.
Какой металл самый прочный? - Их виды и применение
Метинвест СМЦ
https://metinvest-smc.com/ru/articles/kakaya-stal-samaya-prochnaya-vidy-i-primenenie/
2020-09-15 10:14:22
Какой металл самый прочный? - Их виды и применение
12 Августа 2020

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 методу Бринелля. 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 изломостойкости, 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 7809:2015:

Металл

ПП(МПа)

Сталь 10

330

Сталь 20

410

Сталь 45

600

Выделяют несколько ПП.

  • На сжатие. Способность металла выдерживать нагрузки, провоцирующие его на уменьшение в размерах.
  • На разрыв. Свойство сохранять устойчивость характеристик при усилиях на удлинение материала.
  • На изгиб. Большинство твердых сплавов подвержены влиянию изгибающих нагрузок. Здесь величина ПП обратно пропорциональна твердости.
  • На растяжение. Граничный параметр статического или переменного механического напряжения. Его превышение деформирует или полностью разрушает изделие.

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, разрушение структуры становится необратимым (пластичным). Так как у холоднокатанной стали ПТ выражен слабо, то для нее и подобных металлов оперируют условным пределом текучести – напряжением, вызывающим пластичную (необратимую) деформацию.

Вольфрам

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

Свойства

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

Свойство

Параметр

Температура,(°С):

плавления

3422

кипения

5900

Жидкотекучесть, мм

100

Относительное удлинение,%

1

Теплота (кДж/моль):

плавления

35

испарения

824

Твердость, кгс/мм2

350

Плотность, (г/ см3)

19,3

Коэффициенты

линейного термического расширения (10 в минус 6) (м/мК)

 

4,32

Пуассона

0,29

Относительное сужение,%

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 помогает процесс легирования.

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, а также в других областях:

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

В чистом виде Wolframium 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, присутсвует в метиоритном 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 – 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 платиновых металлов добывается всего лишь 28 г руды осмия.

Свойства

Утверждать, что осмий самый крепкий металл, проблематично из-за его достаточно высокой хрупкости. Но то, что это самый тяжелый элемент – факт бесспорный. Кроме самой высокой плотности и массы, компактный осмий можно рассматривать, как химически устойчивый, довольно твердый материал. Он практически не поддается обработке.

Параметр

Единица измерения

Значение

Плотность (при н.у.)

г/см3

22,587 ± 0,009

Температура:

плавления

(°С)/К

3054/ 3327

кипения

(°С)/К

5027/ 5300

начала окисления

°С

500

Твердость (по Виккерсу/по Моосу)

ГПа/баллы

3-4/6-7

Теплоемкость молярная

Дж/(K·моль).

24,7

Теплота испарения

кДж/моль;

738

Электроотрицательность

э

1,3

Потенциал ионизации

эВ

8,7

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 оптимально 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 – сплав Osmium и Iridium;
  • получение кардиостимуляторов (сплав Pt (90%) и Os (10%)), 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 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.

Плотность

(н.у.)

г/см3

22,42

(жидкое состояние)

19,39

Атомная масса

u

199,217

Удельная теплоемкость

Дж/(K•моль)

0,133 

Форма кристаллической решетки

гранецентрированный куб

Электроотрицательность

э

1,4

Потенциал ионизации

эВ

9,2

t:

плавления

°С

2447

кипения

4577

Теплопроводность

Вт/(м•K)

147

Показатель линейного расширения

град.

6,5х10-6

Теплота испарения

кДж/моль

604

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 металлоконструкций путем добавления иридия в химические и физические соединения;
  • строительство дорог;
  • изготовление посуды и хирургического инструмента;
  • получение долговечных иридиевых свеч 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 + латан.

Хром

Хотя неправомерно утверждать, что хром – самый прочный металл в мире, но то, что он один из самых твердых, это 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. Считается самым твердым среди чистых металлов. Получить хром-металл 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

Что хром самый сильный металл и достаточно распространен 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.

t:

плавления

°C

1513-1920

кипения

2199

Плотность

г/см³

7,19

Теплопроводность

Вт/(м·K)

93,9

Твердость (шкала Мооса)

8,5

Удельная теплоемкость (при t = 0°С)

кДж/(кг·К)

0,448

Теплота испарения

кДж/моль

342

Применение хрома

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

  • производства антикоррозийных и эстетичных металлопокрытий;
  • как легирующий элемент, чтобы получить коррозионно-устойчивые, прочные металлы;
  • компонент сплавов в создании точных приборов и космического оборудования;
  • изготовление огнеупоров;
  • при дублении кожи – хромовые квасцы KCr(SO4);
  • хромирование при нанесении декоративных и защитных металлических покрытий.

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 группе переходных элементов. Прочность металлов в таблице представлена рядом физических показателей.

Характеристика

Параметр

Единицы измерения

Значение

t:

плавления

°С

3180

кипения

5596

Плотность (н.у. и t=20°С)

г/см3

21,02

Теплота (удельная):

плавления

кДж/моль

34

испарения

704

Твердость:

шкала Мооса

7

по Виккерсу

МПа

2450

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 – производство лопаток турбин и камер сгорания;
  • в нефтепереработке и как защитное покрытие 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.

Плотность (н.у.)

г/см3

4,54

Удельная прочность

Км

30-35

Уд. теплота испарения

кДж/моль

422,6

Уд. теплота плавления

18,8

Теплопроводность при 300 K

Вт/(м·К)

21,9

Электропроводность (твердая фаза)

См/м

2,5х106

Твердость:

шкала Мооса

6

по Виккерсу

МПа

970

t плавления

°C

1668

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 для обшивки морских судов, газовых турбин авиадвигателей, деталей планерной части;
  • комплектующие насосов и трубопроводов, создание глубоководных аппаратов;
  • теплообменное оборудование предприятий энергетической, химической и нефтехимической промышленности;
  • глубоководные бурильные установки, трубопроводы.

Железо и сталь

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.

Марка стали

Характеристика

Область применения

Н18К9М5ТЮ

Мартенситностареющая

Авиастроение

30ХГСНА

Среднеуглеродистая комплексно-легированная

Ответственные детали под тяжелой нагрузкой валы, фланцы, шестерни, кулачки

30Х5МСФА

Авиапромышленность

40ХГСН3ВА

Высокопрочные болты, сосуды высокого давления, тяжелонагруженные детали шасси самолетов

Р6М5Ф2К8

Высоколегированная быстрорежущая

Инструмент для резки трудных в обработке материалов: сверла, зенкеры, фрезы, метчики

ПНП-стали

Метастабильные высокопрочные аустенитные с высокой пластичностью

Производство проволоки, крепежа, тросов

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.

Параметр

Единицы измерения

Величина

Твердость:

по Роквеллу

100/200-300

по Моосу

4,0

Теплота испарения

ккал/моль

106,7

Теплопроводность (при 343°К)

Вт/(см·К)

0,29

Плотность (при +25°С)

г/см

19,04

Точки:

кипения

°С

3318

плавления

°С

1132

Энтальпия

ккал/моль

1521,4

Коэффициент Пуассона

0,25

Модуль упругой деформации

кПа

0,176

Где применяется уран?

В урановой промышленности (на выходе получаются бомбы и урановые отходы), а также:

  • как горючее в исследовательском и ядерном реакторе;
  • топливо для АЭС;
  • 238U – сырье для вторичного ядерного горючего – плутония и радия;
  • производство флуоресцентных стекол;
  • изготовление транспортных контейнеров для перевозки транспортировки радиоактивных грузов и отходов.

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, 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.

Параметр

Единицы измерения

Значение

Плотность

г/см3

1,816

t:

плавления

°С

1278-1283

кипения

2470

Молярная теплоемкость

Дж/(K·моль)

16,44

Теплопроводность

Вт/мК

216

Коэффициент Пуассона

0,07-0,18

Предел прочности при растяжении

МПа

370

Ударная вязкость

МПа

10,6-12,3

Модуль упругости

ГПа

303

Твердость по Роквеллу

75-85

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;
  • металлов с высокой прочностью и коррозийной стойкостью;
  • высокопрочных, упругих и долговечных пружин (сплава бериллия и стали);
  • 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:

Наименование

Единицы измерения

Значение

Плотность

кг/м3

16600

k теплов. расшир.(н.у)

°С

6,5*10-6

Предел текучести

МПа

170

Модуль упругости (по Юнгу)

ГПа

186

t:

плавления

°С

3017

кипения

5458

Молярный объем

см³/моль

10,9

Теплопроводность

Вт/(м·K)

57,5

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.