Ваше місто
Київ
smc@metinvestholding.com
Написати листа
smc@metinvestholding.com
0 800 30 30 70
Подзвонити
0 800 30 30 70
Замовити дзвінок
Увійти

Зареєструватися

Який метал найміцніший? Їх види та використання

  1. Головна
  2. Статті
  3. Який метал найміцніший? Їх види та використання
Який метал найміцніший? Їх види та використання
Найміцніший метал в світі - вольфрам, осмій, іридій, хром та інші. Від чого залежить міцність металів? Опис найміцніших металів: їх механічні властивості, хімічний склад самих твердих металів в світі та їх застосування.
Який метал найміцніший? Їх види та використання
Метінвест СМЦ
https://metinvest-smc.com/ua/articles/kakaya-stal-samaya-prochnaya-vidy-i-primenenie/
2020-09-15 10:14:22
Який метал найміцніший? Їх види та використання
12 Серпня 2020

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 методом Брінелля. 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 зламостійкості, 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 7809:2015:

Метал

ММ (МПа)

Сталь 10

330

Сталь 20

410

Сталь 45

600

Виділяють кілька ММ.

  • На стиснення. Здатність металу витримувати навантаження, що провокують його на зменшення в розмірах.
  • На розрив. Властивість зберігати стійкість характеристик при зусиллях на подовження матеріалу.
  • На вигин. Більшість твердих сплавів схильні до впливу згинальних навантажень. Тут величина ММ зворотно пропорційна твердості.
  • На розтягнення. Граничний параметр статичного або змінного механічного напружння. Його перевищення деформує або повністю руйнує виріб.

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, руйнування структури стає незворотним (пластичним).Оскільки у холоднокатаної сталі МП виражена слабо, то для неї та подібних металів оперують умовною межею плинності – напруженням, що викликає пластичну (незворотню) деформацію.

Вольфрам

На земній кулі самий твердий метал, хоча й мало поширений в її надрах, але входить до складу інструментальних й самих тугоплавких сплавів, вольфрам (Wolframium) або W. В основі будови лежить об'ємноцентрована кубічна решітка, що дає можливість зберігати металу гнучкість.

Властивості

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

Властивість

Параметр

Температура,(°С):

плавлення 

3422

кипіння

5900

Рідиноплинність, мм

100

Відносне подовження,%

1

Теплота (кДж/моль):

плавлення 

35

випаровування

824

Твердість, кгс/мм2

350

Щільність, (г/ см3)

19,3

Коеффіцієнти

лінійного термічного розширення (10 в минус 6) (м/мК)

 4,32

Пуассона

0,29

Відносне звуження,%

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 допомагає процес легування.

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, а також в інших областях:

  • як легуючий або основний компонент інструментальних, швидкорізальних сталей (Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3);
  • виробництво свердел, фрез, пуансонів, штампів;
  • як основний компонент для ниток розжарювання, неплавких зварювальних електродів дугового зварювання, катодів й деталей конструкцій потужних електровакуумних приладів;
  • виробництво соплових вкладишів твердопаливних двигунів;
  • виготовлення деталей електростатичного іонного двигуна з порошку вольфраму;
  • заготівлі – штабіки/злитки – для дроту, прутків, стрічки.

У чистому вигляді Wolframium 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 – 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 платинових металів видобувається лише 28 г руди осмію.

Властивості

Стверджувати, що осмій найміцніший метал, проблематично через його досить високу крихкість. Але те, що це найважчий елемент – факт безперечний. Крім самої високої щільності й маси, компактний осмій можна розглядати, як хімічно стійкий, досить твердий матеріал. Він практично не піддається обробці.

Параметр

Одиниця виміру 

Значення 

Щільність (при н.у.)

г/см3

22,587 ± 0,009

Температура:

плавлення

(°С)/К

3054/ 3327

кипіння

(°С)/К

5027/ 5300

кипіння

°С

500

Твердість (за Виккерсу/за Моосу)

ГПа/балли

3-4/6-7

Теплоємність молярна

Дж/(K·моль).

24,7

Теплота випаровування

кДж/моль;

738

Електронегативність

е

1,3

Потенціал іонізації

еВ

8,7

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 оптимально 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 – сплав Osmium й Iridium;
  • отримання кардіостимуляторів (сплав Pt (90%) і Os (10%)), 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 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.

Щільність

(н.у.)

г/см3

22,42

(рідкий стан)

19,39

Атомна маса

u

199,217

Питома теплоємність 

Дж/(K•моль)

0,133 

Форма кристалічної решітки

гранецентрирований куб

Електрнегативність 

е

1,4

Потенциал ионизации

еВ

9,2

t:

плавлення

°С

2447

кипіння

4577

Теплопровідність

Вт/(м•K)

147

Показник лінійного розширення

град.

6,5х10-6

Теплота випаровування 

кДж/моль

604

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 металоконструкцій шляхом додавання іридію в хімічні та фізичні з'єднання;
  • будівництво доріг;
  • 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, але те, що він один з найбільш твердих, це 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. Вважається самим твердим серед чистих металів. Отримати хром-метал 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

Що хром 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.

t:

плавлення

°C

1513-1920

кипіння 

2199

Щільність

г/см³

7,19

Теплопровідність

Вт/(м·K)

93,9

Твердість (шкала Мооса)

8,5

Питома теплоємність (при t = 0°С)

кДж/(кг·К)

0,448

Теплота випаровування

кДж/моль

342

Застосування хрому

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

  • виробництва антикорозійних й естетичних металопокриттів;
  • як легуючий елемент, щоб отримати корозійностійкі, міцні метали;
  • компонент сплавів в створенні точних приладів та космічного устаткування;
  • виготовлення вогнетривів;
  • під час дублення шкіри – хромовий галун KCr (SO4);
  • хромування при нанесенні декоративних та захисних металевих покриттів.

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 групі перехідних елементів. Міцність металів в таблиці представлена ​​рядом фізичних показників.

Характеристика

Параметр

Одиниці виміру

Значення

t:

плавлення

°С

3180

кипіння

5596

Щільність (н.у. и t=20°С)

г/см3

21,02

Теплота (питома):

питома

кДж/моль

34

випаровування 

704

Твердість:

шкала Мооса

7

за Виккерсом

МПа

2450

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 – виробництво лопаток турбін й камер згоряння;
  • в нафтопереробці та як захисне покриття 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.

Щільність (н.у.)

г/см3

4,54

Питома міцність

Км

30-35

Уд. теплота випаровування

кДж/моль

422,6

Уд. теплота плавлення

18,8

Теплопровідність при 300 K

Вт/(м·К)

21,9

Електропровідність (тверда фаза)

См/м

2,5х106

Твердість:

шкала Мооса

6

за Вікерсом 

МПа

970

t  плавлення 

°C

1668

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 для обшивки морських суден, газових турбін авіадвигунів, деталей планерної частини;
  • комплектуючі насосів й трубопроводів, створення глибоководних апаратів;
  • теплообмінне обладнання підприємств енергетичної, хімічної та нафтохімічної промисловості;
  • глибоководні бурильні установки, трубогіни.

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.

Марка стали

Характеристика

Область застосування

Н18К9М5ТЮ

Мартенсітностаріюча

Авіабудування

30ХГСНА

Середньовуглецева комплексно-легована

Відповідальні деталі під важким навантаженням вали, фланці, шестерні, кулачки

30Х5МСФА

Авіапромисловість

40ХГСН3ВА

Високоміцні болти, судини високого тиску, важко навантажені деталі шасі літаків

Р6М5Ф2К8

Високолегована швидкорізальна

Інструмент для різання важких в обробці матеріалів: свердла, зенкери, фрези, мітчики

ПНП-стали

Метастабільні високоміцні аустенітні з високою пластичністю

Виробництво дроту, кріплення, тросів

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.

Параметр

Одиниці виміру 

Величина

Твердість:

по Роквеллу

100/200-300

по Моосу

4,0

Теплота випаровування 

ккал/моль

106,7

Теплопровідність (при 343°К)

Вт/(см·К)

0,29

Щільність (при +25°С)

г/см

19,04

Точки:

кипіння

°С

3318

плавлення

°С

1132

Ентальпія 

ккал/моль

1521,4

Коефіцієнт Пуассона

0,25

Модуль пружною деформації

кПа

0,176

Де застосовується уран?

В уранової промисловості (на виході отримують бомби й уранові відходи), а також:

  • як пальне в дослідному і ядерному реакторі;
  • паливо для АЕС;
  • 238U – сировина для вторинного ядерного пального – плутонію і радію;
  • виробництво флуоресцентного скла;
  • виготовлення транспортних контейнерів для перевезення транспортування радіоактивних вантажів й відходів.

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, 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.

Параметр

Одиниці виміру

Значення

Щільність

г/см3

1,816

t:

плавлення

°С

1278-1283

кипіння

2470

Молярна теплоємність

Дж/(K·моль)

16,44

Теплопровідність 

Вт/мК

216

Коефіцієнт Пуассона

0,07-0,18

Межа міцності при розтягуванні

МПа

370

Ударна в'язкість

МПа

10,6-12,3

Модуль пружності

ГПа

303

Твердість за Роквеллом

75-85

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;
  • металів з високою міцністю і корозійною стійкістю;
  • високоміцних, пружних й довговічних пружин (сплаву берилію і сталі);
  • 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:

Найменування 

Найменування 

 Значення

Щільність 

кг/м3

16600

k теплов. розшир. (н.у)

°С

6,5*10-6

Межа плинності

МПа

170

Модуль пружності (за Юнгом)

ГПа

186

t:

плавлення

°С

3017

кипіння

5458

Молярний об'єм

см³/моль

10,9

Теплопровідність

Вт/(м·K)

57,5

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.