Який метал найміцніший? Їх види та використання

• Найміцніші метали у світі
• Від чого залежить міцність металів?
  • Вольфрам
  • Осмій
  • Іридій
  • Хром
  • Реній
  • Титан
  • Залізо та сталі
  • Уран
  • Берилій
  • Тантал
• Висновки

Метали завжди грали значну роль у розвитку матеріальної культури людського суспільства. Сьогодні людству відомо 118 хімічних елементів, із них 96 – метали. Всі вони, за винятком ртуті, у природному стані знаходяться у твердому вигляді та характеризуються різною твердістю, добре проводять електричний струм. Якщо єдиний рідкий із них – ртуть, то який метал найміцніший?

Найміцніші метали у світі

Все відносно, зокрема й аналіз міцності матеріалів. Порівняння потрібно проводити за єдиними критеріями, за дотримання 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 низка параметрів, що дозволяють зробити порівняльний аналіз різних матеріалів. Оцінювати, який найміцніший метал у світі, потрібно з урахуванням:

• міцності – здатністю металів чинити опір зовнішнім впливам без руйнування та незворотної зміни форми. З урахуванням умов застосування (високі та низькі температури, ударні навантаження, підвищений тимчасовий ресурс) та виду напруженого стану (вигин, стиснення, розтягування) професіонали враховують різні критерії міцності: межа міцності, тимчасовий опір, межа втоми, відносне подовження, тривала міцність та ін;
• межі міцності – параметру, що характеризує опір значним пластичним деформаціям і що виражає максимальне навантаження при розтягуванні, після якого починається руйнування металу з подальшим поділом цілого виробу на частини. Цей параметр також іноді називають тимчасовим опором руйнуванню;
• межі плинності – механічної характеристики, що виражає напругу металу, у якому деформації продовжують зростати без збільшення навантаження. Даний параметр також часто виступає базовим критерієм характеристик міцності;
• твердості – опору металів вдавлюванню. Даний параметр не є фізичною постійною, оскільки він залежить від міцності, пластичності та змін у структурі металу. При зміні температури, а також після різної термічної та механічної обробки величина твердості змінюється у тому напрямку, що й межа плинності.

Металопрокат на складі

Від чого залежить міцність металів?

Якщо поняття «надійність» властиве для характеристик готових конструкцій, споруд або виробів, то  метали  або їх сплави повинні бути свідомо міцними, стійкими до крихкості та тріщиноутворення. Інакше будь-які вироби, агрегати та об'єкти, створені з їх застосуванням, не зможуть бути надійними під час експлуатації. Які ж тоді найміцніші метали та сплави? Тут однозначної відповіді немає, а питання не зовсім некоректне, тому що у кожній галузі в нього вкладають особливий зміст. Наприклад, для робочих елементів спецтехніки важлива абразивна зносостійкість та стійкість до ударних навантажень, для атомної енергетики найміцніший метал – той, який зберігає свої властивості під впливом α-, β- та ϒ-випромінювання, а для інструменту використовуються матеріали підвищеної твердості. І якщо міцність та надійність металів залежить від кількості домішок, в'язкості, граничної та початкової міцності, то на міцність сталей впливає структура її металу та хімічний склад.

Висока міцність сталей досягається забезпеченням дрібнозернистої структури, бо при дрібному зерні внаслідок різного напрямку площин ковзання в окремих зернах утруднено утворення суцільних площин ковзання. До того ж наявність численних кордонів перешкоджає ковзанню через недосконалість кристалічних ґрат на межах зерен. Таким чином, подрібнення зерна підвищує опір відриву, мінімізує стійкість до тріщиноутворення та збільшує параметри ударної в'язкості.

Вольфрам

На земній кулі найміцніший метал, що має неймовірну стійкість до корозії та демонструє високу тугоплавкість. Хоча він і мало поширений у надрах, часто входить до складу інструментальних і тугоплавких сплавів.

Властивості

Через світло-сірий колір вольфрам схожий на сталь. Фізичні та хімічні властивості дозволяють використовувати його для легування сплавів та сталей, бо він гальмує зростання зерен аустеніту, знижує чутливість до охолодження після високого відпуску та різко зменшує високотемпературну відпускну крихкість. Інші фізичні властивості:

Вольфрам (W) має найменший коефіцієнт лінійного розширення, що пояснюється сталістю атомних ґрат. Міцність зростає за холодної деформації. З недоліків: низька пластичність, висока ймовірність ламкості при низьких температурах, погана зварюваність та оброблюваність різанням.

Області застосування

Метал використовується у чистому вигляді й входить до складу твердих, жароміцних та зносостійких сплавів. Корозійна стійкість сприяє застосуванню в рідкометалевих складах ртуті, літію, натрію, калію, що використовуються в енергоустановках. Вольфрам також незамінний:

• як компонент інструментальних, швидкорізальних сталей (Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3) і матеріалів для ниток розжарювання, неплавких зварювальних електродів, катодів і деталей потужних електровакуумних приладів;
• для виробництва твердопаливних та іонних двигунів.

Осмій

Наочний представник рідкісних дорогоцінних металів платинової групи. У злитках осмій має темно-синій колір, а його кристали відрізняються гарним сріблясто-блакитним відтінком. У чистому вигляді в природі практично не зустрічається через крихкість й високу твердість, але часто присутній у метеоритному металі. Має кілька ізотопів, найцінніший і найрідкісніший – 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. Отримують його зі збагачених порід: із 10000 тонн руди, що містить платинові метали, видобувається близько 28 грамів осмію.

Властивості

Через високу крихкість складно стверджувати, що осмій – найміцніший метал. Але те, що другий за тяжкістю – безперечний факт. Крім високої щільності та маси, осмій можна розглядати як хімічно стійкий, досить твердий матеріал, який практично не піддається обробці.

Рідкісний метал з великим потенціалом. Але його видобуток обходиться надто дорого і за рік становить кілька сотень кілограмів. Штучно синтезований осмій не піддається обробці тиском, плавиться у вакуумних установках.

Області застосування осмію

Невеликі партії видобутку та унікальні властивості зумовлюють застосуванням осмію (Os) у тих випадках, коли його застосування максимально доцільне. Це:

• датування, аналіз кварців прикордонного шару між Крейдовим та Третичним періодами;
• легування сплавів для підвищення їхньої зносостійкості та довговічності;
• створення покриття на вузлах механізмів, що активно піддаються тертю;
• аерокосмічна та військова область;
• виробництво точних деталей у машинобудуванні, медичних інструментів та кардіостимуляторів;
• каталізація процесів гідрування органічних сполук.

Іридій

Хімічний елемент і метал – іридій (Ir) із щільністю 22,65 г/см³ – ділить пальму першості, як найважчий та тугоплавкий елемент, з осмієм. Але його можна характеризувати і як найміцніший метал, до того ж рідкісний: річний видобуток у світі не перевищує 10 тисяч кг.

Драгметал біло-золотого кольору, що характеризується високою інертністю. У природі знаходиться в самородному стані, зустрічається як суміш із Pt або Os. Будь-яку з таких сполук можна характеризувати, як твердий сплав, довговічний і міцний. Існує закономірність: там, де є самородна платина, шукайте осмистий іридій. Налагоджено також штучне виробництво Ir із переробленої платинової руди.

Властивості

Іридій належить до групи благородних металів. Характеризується високою корозійною стійкістю та високою щільністю. Інертен до царської горілки, до всіх кислот, а також їх сумішей у температурному полі до 100°C.

Застосування іридію

Варіативне використання обумовлено стійкістю іридію до окислення при високих температурах, збереження початкових характеристик у будь-яких хімічних розчинах та сумішах, при переплавленні. Метал зазвичай використовується в сплавах. Основне застосування:

• легування сплавів для особливо відповідальних металовиробів;
• виготовлення посуду та хірургічного інструменту;
• виробництво іридієвих свічок згоряння, паливних баків, катодів та нерозчинних анодів;
• приладобудування;
• виготовлення термопар для надвисоких температур (≥2000°С).

Хром

Не можна однозначно стверджувати, що хром – найміцніший метал у світі. Але те, що це найтвердіший метал у світі справді так. Металу білого забарвлення з блакитним відливом та досить специфічними ознаками в земній корі міститься досить багато – 0,02%. У природі перебуває найчастіше у складі сполук, але зустрічвається й у чистому вигляді.

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 стійкий до корозії, високих температур. Особливо цінними вважаються його сполуки – крокоїт та залізняк.

Застосування хрому

Найбільш широко хром (Cr) використовується в металургії для легування сталей та сплавів, а також для:

• виробництва антикорозійних та декоративних покриттів;
• виготовлення вогнетривів;
• дублення шкіри (хромові квасці).

Реній

Перші родовища цього дуже щільного та твердого металу було виявлено у Німеччині. Реній займає лідируючі позиції у рейтингу рідкісних на Землі та найдорожчих металів. Зустрічається у чистому вигляді та у мідній руді. У метеоритному залозі перебуває у вільному стані.

Властивості

Належить до групи перехідних елементів. У таблиці представлений ряд фізичних властивостей ренію.

Відзначається стійкість характеристик при багаторазових циклах «нагрівання-охолодження», інертність по відношенню до водню, азоту. Реній (Re) не розчиняється у соляній та плавиковій кислоті.

Де застосовується?

Висока вартість робить використання ренію обмеженим і лише у вигляді сплаву з іншими металами, зокрема з молібденом та вольфрамом. Найбільш цінний для:

• ракетних та енергетичних установок;
• захисту від агресивних середовищ;
• авіації;
• хірургічного інструменту.

Титан

Метал, якого в земній корі знаходиться близько 0,66%, замикає десятку за поширеністю у природі. Видобувається з руди. Відрізняється унікальним поєднанням міцності, твердості та легковагості, що дозволяє використовувати його в тих середовищах, де магнієво-алюмінієві сплави припиняють працювати.

Властивості

З'ясовуючи, який міцний метал, особливу увагу слід звернути на фізичні властивості титану. Цей метал дуже пластичний, але зварюється лише в інертних середовищах.

Застосування титану

Раніше метал був затребуваний, в основному, в оборонній та військовій промисловості. Сьогодні його поширення в інших сферах зростає з кожним днем​​. Його широко використовують як легуючий елемент сталей і сплавів для:

• обшивки спеціальних морських суден, газових турбін авіадвигунів, деталей планерної частини;
• інструменту та конструкцій підвищеної надійності;
• комплектуючих насосів та трубопроводів;
• глибоководних апаратів та бурильних установок;
• теплообмінного обладнання та ін.

Залізо та сталі

Саме собою чисте залізо, як найжорсткіший метал, не позиціонується. Метал знайшов масове застосування в сплавах з вуглецем, для покращення й зміни механічних та технологічних властивостей яких вводять різні легуючі елементи. Сталі, хоч і є не металами, а сплавами, саме початок їхнього виробництва став основою для активної індустріалізації промисловості та сільського господарства. Завдяки їм створені великі виробничі підприємства та хмарочоси, планету обплутала мережа залізничного сполучення та магістральних трубопроводів, моря борознять великотоннажні танкери та шикарні туристичні лайнери, а в будинках з'явилася численна санітарно-технічна та побутова техніка.

Міцність вуглецевих сталей в основному залежить від масової частки вуглецю, що знаходиться в ній. Чим вища його концентрація, тим міцніше сталь. Але високий вміст вуглецю негативно позначається на зварюваності сталі та викликає значне зниження її пластичності, а також підвищує схильність до старіння. При цьому це досить дешева та загальнодоступна речовина, що є важливим економічним фактором та обумовлює широке застосування вуглецевих сталей підвищеної міцності у будівництві та інжинірингу.

У зв'язку з масовим використанням зварних сталевих конструкцій у різних галузях виникла потреба в зниженні масової частки вуглецю для виробництва високоміцних марок. Тому в тих випадках, коли зварюваність є ключовим параметром, підвищувати міцність сталі за рахунок збільшення вуглецю неприйнятно, і потрібних механічних параметрів досягають шляхом легування. Однак при цьому дуже важливо знайти шляхи для зниження витрат на виробництво, оскільки багато легуючих компонентів відносяться до дорогих матеріалів.

У XX столітті відзначалася стійка тенденція до підвищення міцності за рахунок легування недорогим марганцем. Але з розвитком металургійних технологій і металографічного аналізу дедалі ширше починають використовуватися й інші загальнодоступні й навіть дуже дефіцитні елементи, більшість із яких утворює із залізом та вуглецем карбіди і тим самим значно підвищують твердість і міцність сталей. Так компенсувати втрати міцності через зниження масової частки вуглецю можна додаванням:

• бору. Ця речовина навіть у дуже малих концентраціях істотно впливає на властивості сталей. Наприклад, зі збільшенням масової частки бору до 0,25% міцність сталі зростає 1,4 разу. Теплофізичні властивості бористих сталей майже такі самі, як і у нержавіючих, при цьому їх відрізняє низька пластичність та висока радіаційна стійкість;
• ванадію. Карбідоутворюючий елемент, що сильно подрібнює зерно аустеніту. Багаторазово підвищує міцність, в'язкість та стійкість до ударних навантажень. Застосовується для легування конструкційних та швидкорізальних інструментальних сталей;
• вольфраму. Найбільш часто додається до жароміцних хромистих і хромонікелевих марок і значною мірою мінімізує їх повзучість;
• кремнію. Один із найбільш значущих легуючих компонентів для забезпечення високої міцності сталей. Його введення дозволяє знизити вміст вуглецю, сірки та розчиненого в сталі кисню;
• кобальту. Благотворно впливає на механічні властивості високоміцних сталей. Збільшує рухливість дислокацій і зменшує концентрацію напруг;
• нікелю. Марки сталі, що містять Ni у кількості 3% і більше, відрізняються високим комплексом механічних властивостей, мають задовільну зварюваність та дуже високі показники корозійної стійкості навіть при контакті з морською водою;
• ніобію. Ніобієві сталі характеризуються дрібнозернистою структурою і високою межею плинності. Вони найчастіше виробляються у вигляді товстолистового прокату і знаходять застосування у конструкціях відповідального призначення, при виробництві труб для магістральних трубопроводів та в мостобудуванні;
• титану. Утворює міцні карбіди та нітриди, подрібнює зерно аустеніту. Знижує схильність до міжкристалічної корозії. Підвищує окалиностійкість та міцність;
• хрому. Введення цієї речовини в сталь значно підвищує її міцність. У поєднанні з нікелем хром не тільки покращує твердість та міцність, які особливо проявляються в загартованому та високовідпущеному стані, але й визначає високі антикорозійні властивості;
• церію. Він помітно впливає на механічні та технологічні властивості й при цьому виступає десульфатором та дегазатором. Підвищує рідкоплинність та зварюваність сталей.

Виробництво сталей високої міцності для зварних металевих конструкцій часто зводиться до отримання металу з подрібненою структурою шляхом термічної обробки при мінімальному легуванні. Тому більшість високоміцних марок легованої сталі містить не один, а кілька легуючих компонентів, але їх вміст часто не великий: хрому 0,5...1,5%, нікелю 1,0...4,0%, вольфраму 0,8...1,2 %, молібдену 0,2…0,4%.

Крім коригування хімічного складу та застосування термічної обробки підвищити якість та міцнісні характеристики сталей можна значною мінімізацією кількості неметалевих включень та кисню у процесі плавки. Цього можна досягти додаванням рідкісноземельних металів або мішметалу – сплаву церію, лантану, неодиму, празеодиму, що дозволяє скоротити кількість сірки та неметалевих включень більш ніж удвічі. Істотне значення для підвищення якості високоміцних сталей має застосування сучасних методів виплавки (електрошлакового, вакуумно-дугового, вакуумно-індукційного, конверторного тощо), а також вторинної обробки сталі на установках «ковш-піч», у вакууматорах та інших агрегатах.

Обробка заліза

Яка сталь міцна

Визначити яка найміцніша сталь можна тільки для конкретних умов застосування, бо у кожному випадку від матеріалу потрібні певні спеціальні властивості. Й якщо ще у середині XX століття до сталей високої міцності відносили марки з межею плинності не менше 270 Н/мм², то сьогодні найміцніша сталь може мати твердість, що сягає HB 700, межа плинності – до 1650 МПа, тимчасовий опір – до 2500 МПа .

Для деяких галузей промисловості найбільший інтерес нині представляють інноваційні розробки, у тому числі марки, що випускаються під брендом окремих металургійних компаній, наприклад:

• загартовані сталі високої твердості. Ці сталі, що характеризуються високою зносостійкістю, твердістю та міцністю, використовуються в умовах сильного абразивного зносу та ударного впливу. Звичайно, не можна заявляти, що це найміцніший метал, проте вони позитивно зарекомендували себе в різних сферах машинобудування, демонструють надтривалий термін служби та дозволяють легко досягти оптимального балансу між вагою, формою та експлуатаційними властивостями. До таких матеріалів відносяться сталі під брендом Hardox шведської компанії SSAB (Hardox 600, Hardox 450, Hardox HiTuf, Hardox HiAce та інші), шведські сталі групи Swebor, марки Dillidur німецької компанії Dillinger, сталі Miilux та багато інших;
• високоміцні сталі, що зварюються після загартування та відпуску. Ці сплави з межею плинності від 400 до 1300 МПа та тимчасовим опором до 1400…1700 МПа широко використовуються у промисловому та цивільному будівництві, створенні офшорних бурових платформ та веж вітрогенераторів, виробництві підземної та наземної техніки. До цієї групи належать будівельні сталі за стандартом EN 10025-6 (S690Q, S690QL, S890Q, S960Q та ін.), марки під брендами Strenx/Weldox, Xabo, Dillimax, aldur тощо;
• AerMet 100 та інші леговані ультраміцні мартенситні сталі, що мають виняткові механічні властивості, задовільну зварюваність, достатню стійкість до корозії;
• 16Х2ГБС, 16ХГМФТР, 25ХГСР та інші розробки українських металургів також потрібні на ринку. Вони широко використовуються для виготовлення зварних металоконструкцій відповідального призначення: резервуарів високого тиску, магістральних трубопроводів, мостових переходів;
• термомеханічно зміцнений прокат для будівництва (стандарт ДСТУ EN 10025-4) та машинобудування (стандарт EN 10149-2). Структура та властивості цих сталей формуються в результаті застосування спеціальних режимів на станах гарячої прокатки, що поєднують строгий контроль за ступенем обтискань, температурою кінця прокатки та швидкістю охолодження. Матеріал поєднує високу міцність та низький вуглецевий еквівалент, що дозволяє скоротити не тільки металомісткість без втрати експлуатаційної стійкості, але й заощадити на зварювальних матеріалах під час створення конструкцій, а також скоротити терміни зведення об'єктів.

Хімічний склад деяких сталей, що мають високі параметри міцності

Розробка конструкційних сталей з межею плинності вище 500 Н/мм² спрямована на підвищення технологічних та експлуатаційних характеристик. До них можна віднести зварюваність, ударну в'язкість, опір крихкому руйнуванню, хімічну та структурну однорідність. Через великі обсяги споживання таких сталей особливе значення має їх вартість, яку можна знизити в основному за рахунок економного легування та застосування різних режимів термообробки на зміцнення.

Фізико-механічні характеристики деяких сталей підвищеної та високої міцності

Де застосовують сталі високої міцності

Використання сталей з високими параметрами міцності дозволяє забезпечити необхідну надійність і малу металомісткість конструкцій, можливість їх тривалої та безперебійної експлуатації при низьких температурах і динамічних навантаженнях. Тому перехід на сталі підвищеної та високої міцності – злободенне питання для багатьох галузей промисловості, а найпрогресивніші компанії та підприємства вже широко використовують їх.

У цивільному, промисловому та військовому будівництві затребувані S420ML…S460ML, S690QL…S960QL, а також 15Г2СФ, 10Г2ФР, 16Г2АФ, 12ХГ2СМФ, 14ГСМФР. Для виготовлення різного високоміцного інструменту та технологічної оснастки застосовуються 3Х3М3Ф, Х12Ф1, Х12ВМ, 7Х3 та 3Х3М3Ф. Також сталі підвищеної та високої міцності дуже різноманітно використовуються для несучих та відповідальних металоконструкцій, виробництва обшивки та деталей машин та вагонів, ресор та шасі, робочих елементів землерийної та спецтехніки, кріплення та валів.

Використання металлу у будівництві

Уран

Сріблясто-білий блискучий радіоактивний елемент природного походження. Відомо близько 100 мінералів урану, але лише 12 мають промислове значення. Знаходяться у вільному стані або у кислих осадових породах оболонки земної кори. Локальні запаси зосереджені у твердих скельних утвореннях. Уран, якщо не найміцніший матеріал, то, принаймні, один із найтвердіших. Одержують його з уранових руд.

Властивості

Легко піддається механічній та термічній обробці. З'єднання радіаційно та хімічно токсичні. Властивості залежить від чистоти металу.

Де застосовується уран?

Уранова промисловість сфокусована на видобутку та переробці уранових та інших радіоактивних руд з метою одержання відповідних концентраторів для ядерної енергетики та військової галузі. Уран знаходить своє застосування:

• як паливо у дослідному та ядерному реакторі;
• у виробництві флуоресцентного скла;
• під час виготовлення транспортних контейнерів для радіоактивних вантажів та відходів.

Берилій

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

Властивості

Метал хімічно активний: розчиняється у більшості кислих середовищ та водних лужних розчинах. З водою входить у реакцію лише після її закипання.

Де застосовується?

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

• вогнетривких матеріалів;
• сплавів для літаків, супутників та ракет;
• твердотільних випромінювачів;
• відбивачів нейтронів та ядерної зброї;
• субстрату для розплаву солей.

Тантал

Унікальне поєднання твердості, пластичності, надвисокої температури плавлення відбилося у танталі (Та). Метал із щільністю 16,67 г/см³ – типовий представник гранітної та лужної магми. Входить у ТОП найважчих металів. Тугоплавкий, стійкий до корозії. Видобувається з мінералу колтану. У технічному металі частка Та становить 97%, W – до 2,5%.

Властивості

Особливість тантал у – здатність поглинати азот, кисень, водень. Через хорошу пластичність піддається штампуванню.

Де використовується тантал?

Затребуваний там, де потрібна висока корозійна та хімічна стійкість:

• медичні імплантати;
• найпотужніші конденсатори та елементи електроніки;
• спорудження ядерних реакторів;
• виробництво жароміцних сплавів;
• виготовлення важкосплавного інструменту та різців з обробки металів;
• виробництво запчастин реактивних двигунів та теплообмінників у приладобудуванні.

Висновки

Визначити який метал найміцніший або яка міцна сталь можна тільки для конкретних умов, враховуючи всі фактори: зносостійкість, твердість, міцність, стійкість до агресивних середовищ та інші. До того ж в умовах ринкової економіки важливе значення має рентабельність виробництва, що суттєво обмежує застосування дорогих та рідкісних металів, але відкриває колосальні перспективи для застосування високоміцних сталей у найрізноманітніших сферах: від освоєння космосу та вирощування пшениці.

Компанія «Метінвест-СМЦ», маючи велику базу металопрокату  різного сортаменту, завжди готова допомогти своїм клієнтам у виборі металопродукції зі сталей підвищеної та високої міцності з урахуванням характеру її застосування та умов експлуатації. Телефонуйте, наш телефон 0800-30-30-70.