10 самых крепких металлов в мире
Самый крепкий металл: 8 критериев отбора + 10 позиций в порядке возрастания прочности материала + физические/химические свойства материалов + их области применения.
Металл – основополагающий элемент современности. Тяжело представить, какой дорожкой пошла бы наша цивилизация, не начав люди выделять из природных ресурсов высокотвердые вещества, относящиеся к группам цветных и черных металлов.
В сегодняшней статье мы рассмотрим, какой самый крепкий металл нынче реально найти в природе + данные последних исследований в области металлических сплавов.
- 1 Как определяется самый крепкий металл: вопрос через призму физики
- 2 ТОП-10 самых крепких металлов в мире
- 2.1 1) Тантал
- 2.2 2) Бериллий
- 2.3 3) Уран
- 2.4 4) Железо/сталь
- 2.5 5) Титан
- 2.6 6) Рений
- 2.7 7) Хром
- 2.8 8) Иридий
- 2.9 9) Осмий
- 2.10 10) Вольфрам
Как определяется самый крепкий металл: вопрос через призму физики
Один из основополагающих вопросов – по какому признаку судить силу металлического вещества. Слово «крепкий» лишь косвенно дает понять, на сколько вещество соответствует представлениям человека в отношении прочности.
Важно: в научных кругах для расчета рейтинга «крепости» металла используется комплекс из 5-7 показателей физических величин. Средние значения в сумме указывают на общий предел прочности металла по отношению к прочим веществам.
Прочность в физике – это способность внутренней структуры элемента противостоять внешнему давлению за счет созданного напряжения. Чем оно выше, тем больше элемент способен противостоять природным/искусственным факторам влияния. Детальнее о параметрах для вычисления «крепости» металла расскажет таблица ниже.
Параметр Описание Популярность метода (из 5 ★) Шкала Мооса Специальная десятибалльная шкала по твердости, в основе которой лежат минералы. Используется для приблизительной оценки твердости путем нанесения царапин. В зависимости от глубины повреждения, делается вывод о количестве присваиваемых баллов элементу. Эталоном абсолютной твердости в таблице считается алмаз с показателем в 1 600 баллов. ★★★★ метод Шора Часто способ называют также методом «отскока». Хорошо себя показывает при исследовании металлических элементов. Суть – измерять высоту отскока бойка от испытуемого образца. Боек перемещается по трубке склерометра, а на его конце размещен мелкий алмаз. Метод не дает сверхточных значений из-за влияния вторичных параметров (толщина материала, шероховатость и так далее), но в промышленности вариант определения твердости металла более чем приемлем. ★★★ Метод Виккерса Официально признанный метод определения твердости металлических элементов + их сплавов. Имеется регламентация по ГОСТ 2999-75 и даже ISO 6507. Принцип измерения – вдавить в металл пирамидальной формы шип с алмазным напылением. Углы пирамиды между напротив лежащими гранями на уровне 136 градусов. Ключевыми измерительными показателями является прилагаемое давление и тайминг по выдержке от 12 до 16 секунд. ★★★★ Метод Роквелла Один из простейших методов просчета твердости металлов и прочих элементов таблицы Менделеева, поддающихся физической обработке. Суть схожа с методов Виккерса – в пластину определённой толщины вдавливается наконечник с алмазной головкой при одинаковом уровне нагрузки. Цифровые приборы Роквелла имеются у 80% технологов, заведующих металлургийными цехами, и отделами, связанными с обработкой черных/цветных металлов. ★★★★★ Метод Бринелля Метод относится к основным в области физики по отношению к выявлению уровня твердости материалов, в том числе чистых металлов и сплавов. По сути – это еще одна разновидность шкалы вдавливания. Образец подносят к индентору (шарики из сплавов твёрдых металлов), вдавливают на протяжении 3-7 секунд, и удерживают на пиковом значении давления до 15 секунд. После того, как материал убрали, производятся замеры диаметра вогнутой области на месте отпечатка. Расчёты производятся оп одному из 2 способов – восстанавливаемый или невосстанавливаемый отпечаток. ★★★★★ Модуль Юнга Это уже не метод, а физическая величина, являющаяся модулем упругости по продольной. То есть, на сколько сильно металлический элемент способен противостоять растяжению/сжатию в процессе деформации упругого типа. Величина измеряется в ньютонах/метр квадратный, либо через Паскали. ★★★★ Предел текучести Параметр относят к механической характеристике по металлическим веществам. Показываемое значение – это напряжение, при котором последующий процесс деформирования протекает без действия внешней нагрузки. Хорошо себя показывает с мягкими металлами. Измеряется в Паскалях. ★★★ Предел прочности Еще одна величина, основанная на механическом напряжении. Показывается пиковая допустимая нагрузка на вещество, после преодоления которой происходит разрушение кристаллической решетки материала. Выделяют 2 классификации предела прочности – статистический/динамический и на сжатие/растяжение. ★★★ Основным источником металлов является руда, встречающаяся в природе. Процесс имеет массу технологических особенностей, но, если говорить вкратце, путь твердого химического элемента проходит 3 больших этапа – поиск месторождения, добыча руды, и в конце извлечение металлических частиц с дальнейшей обработкой (плавка, прессовка, химические реакции и так далее).
ТОП-10 самых крепких металлов в мире
Оговоренные выше 8 показателей не являются единственно верной формулой просчета крепости металлов. Существует 10+ вспомогательных параметров, которые также реально включить в комплекс, но существенных изменений в наш топ прочности они не привнесут.
Ниже мы проанализируем, какой металл самый крепкий, а также рассмотрим 10 наиболее прочных металлов в чистом виде, найденных в мире. Начнем от самого «слабенького» и доберёмся до лидера прочности в конце статьи. Параллельно обозначим особенности каждого из веществ + расскажем в каких областях те применяются порядком на 2020 год.
1) Тантал
Распространенность ★★ (2.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★
3.0Стоимость ★★★★ (4.0 из 5.0) Применение ★★★ (3.0 из 5.0) В таблице Менделеева именуется как «Та». Внешне – это серебряный + белый оттенок и плотная оксидная плёнка. Открытие металла произошло В 1802 году Экебергом, но в чистом виде вещество смогли получить только спустя 42 года, и сделал это немец Розе. В отношении промышленности, первые шаги в данном направлении были сделаны вообще в 1922 году, а его активное распространение началось в период второй мировой.
Область применения тантала:
- при создании сплавов с высоким сопротивлением к коррозии и жару;
- лабораторная посуда и устойчивая к коррозии тех аппаратура в химической промышленности;
- оборудование для теплообмена для систем ядерной энергетики;
- хирургические расходники. Проволоку из тантала используют для сшивания нервных тканей;
- как составляющий элемент криотронов;
- как декоративный элемент для украшений.
Тантал относят к металлам с низким уровнем распространения в природе. Если брать в качестве точки отсчета земную поверхность, его долевое вхождение в кору земли менее двух миллионных процента – это сказывается и стоимости чистого металла. За один грамм тантала на рынке просят от 250 долларов. Основные физические свойства металла – высокая температура плавления (3000+ градусов) и пластичность (как у золота), хотя по твёрдости у материала конкурентов очень мало.
2) Бериллий
Распространенность ★★★★ (4.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★
4.0Стоимость ★★★★ (4.0 из 5.0) Применение ★★★★ (4.0 из 5.0) Химический элемент впервые открыт в 1798 году французом Вокленом. Средний показатель по объемам в земной коре – от 4 грамм на одну тонну. Если речь идет о щелочных породах, то его содержание повышается до 70 грамм на тонну. Основными месторождениями бериллия являются территории вблизи вулканов, где тот замещает в магматических породах такой материал, как кремний.
- твёрдость по Моосу в 5.5 балла;
- высокая хрупкость;
- большой модуль упругости;
- при контакте с воздухом покрывается оксидной пленкой;
- рекордсмен по звукопроводимости – от 12 500 метров в секунду;
- низкая реакционная способность.
В 2020 году основными поставщиками бериллия является Америка, Китай и Казахстан. Суммарный показатель добычи всех остальных стран по бериллию менее 1%. Среднегодовой объем добычи металла составляет всего 400 000 килограмм. В России планируется запустить комбинат по добыче данного металла, в том числе, но пока завод находится на стадии разработки, и не факт, что он будет запущен вообще.
Металл хорошо себя зарекомендовал в рентгенотехнике, ядерной энергетике, акустике и даже при разработке аэрокосмической технике. Благодаря высокой проводимости тепла в связке с его прочностью, материал часто используют для изготовления лабораторных тиглей и прочих специализированных компонентов, где требуются перечисленные свойства металла.
3) Уран
Распространенность ★★★★ (4.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★
4.0Стоимость ★★★★ (4.0 из 5.0) Применение ★★★★ (4.0 из 5.0) Уран относят к семейству актиноидов и является слабо реактивным элементом периодической системы Менделеева. Впервые об уране начали говорить всерьёз в 1789 году. В 1840 удалось выделить первый образец чистого вещества, а в 1896 был открыт всем печально известный радиоактивный распад, который послужил дальнейшему применению металла в оружейной сфере.
Физические свойства урана:
- тяжелый;
- поверхность глянцевая с серебристо-белым оттенком;
- в чистом виде имеет меньшую прочность нежели сталь, что делает его более гибким;
- небольшие парамагнитные свойства;
- температура плавления от 1 100 градусов.
В химических свойствах мы здесь разбираться не будем, ибо для понимания происходящего придется углубляться в недра атомной энергетики. Только отметим, что основная сфера использования урана в промышленности – это производство ядерного топлива. Изотопы урана могут применяться для синтеза в промышленной медицине, а геологическая ценность – выявление возраста минералов или горных пород.
Отмеченные на карте страны сосредотачивают в себе 94% всей добычи урана для промышленных целей. Если по странам, то лидирующие позиции по объемам находятся у Казахстана, Австралии и Канады, а Россия занимает твердое 4-е место.
4) Железо/сталь
Распространенность ★★★★★ (5.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★★
5.0Стоимость ★★★★★ (5.0 из 5.0) Применение ★★★★★ (5.0 из 5.0) Само по себе железо не имеет высокого запаса прочности, но в комбинации с другими металлами, можно получить невероятно прочные соединения. Именно потому мы дописали в оглавлении «/сталь». Известность железа «Fe» пришла к нам еще с древних времен. Металл одним из первых начали использовать в быту древние греки, а это 4 тысячи лет до нашей эры. По содержанию в земной коре, железо является одним из самых распространенных элементов таблицы – 5% в коре, до 12% в мантии и до 90% в ядре.
- сам по себе пластичен, но сталь может корректироваться в отношении хрупкости у уровня прочности;
- ярко выраженные магнитные свойства;
- полиморфизм, обусловленный 4мя кристаллическими модификациями;
- плавиться металл начинает при 1 500+ градусах, а закипает при 2 850+.
По последним исследованиям американцев, мировые запасы железа составляют почти 180 миллиардов тонн. Крупные месторождения имеются в Бразилии, Австралии, Швеции, Индии, Польше, Украине. На территории России железо копают в Курске. О применении железа можно писать диссертацию. Его доля в рамках всей промышленности составляет 95%. Элемент важен не только в производстве, но и для организма человека – является катализатором для процесса дыхания.
5) Титан
Распространенность ★★★★ (4.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★
4.5Стоимость ★★★★★ (5.0 из 5.0) Применение ★★★★ (4.0 из 5.0) Титан одновременно открыли 2 ученых – англичанин Грегор и немец Клапрот в 1791 году. Впервые в чистом виде металл был получен в 1825 году. Сделал это швед Берцелиус. Промышленное применение металла началось только после 1940 года, когда вышел патент на его восстановление из тетрахлорида.
По распространенности, элемент замыкает 10-ку. В земной коре содержание титана находится на уровне 0.5%. Крупные месторождения титана — это ЮАР, Россия, Украина, Канада и США, но «по мелочи», металл добывают в большинстве развитых стран.
Область применения титана:
- важный элемент сплавов в авиа –, судо- и ракетостроении;
- как материал для реакторов, трубопроводов и насосов в химии;
- броня жилетов и обшивка подлодок – титан;
- благодаря физиологической инертности металла, титан широко применяется в медицине, при разработке различных протезов и имплантатов;
- как добавка в легированных сталях.
Средняя стоимость 1 килограмма титана начинается с 6 долларов. Чем чище металл, тем дороже он обойдется. По физическим свойствам – это серебристо-белый металл с температурой плавления в 1 700 градусов. При температурах ниже 70, повышается хрупкость металла. Весьма пластичен, а его прочность сильно зависима от предварительной обработки. По Виккерсу показатель твердости достигает 800 МПа.
6) Рений
Распространенность ★★ (2.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★
2.5Стоимость ★★ (2.0 из 5.0) Применение ★★★ (3.0 из 5.0) Название металла обусловлено местом его первой добычи – река Рейн в Германии. Элемент относится к списку таковых, что были предсказаны Менделеевым. Официальное открытие рения в чистом виде датировано 1928 годом, а переход на промышленную добычу произошел после 1930 года. Установка добывала порядка 130 килограмм металла за год, и оговоренного объема вполне хватало, чтобы закрыть мировую потребность в данном металле.
- крайне высокая плотность – 21 грамм на сантиметр кубический;
- расплавить рений можно только при температурах выше 3 200 Цельсия;
- точка кипения – 5 600+ градусов, что дает возможность металлу занять твердое 2 место в рейтинге термоустойчивости;
- относится к тугоплавким металлам;
- при комнатной температуре обладает хорошей пластичностью;
- способен выдерживать многократный цикл нагрева-охлаждения без потери прочности.
По распространению, рений является одним из редчайших металлов на земле. Его массовая доля составляет 7*10 в минус 8 степени на всю массу земной коры. Главный источник извлечения металла – молибденовая руда. К слову, в России имеется одно из крупнейших месторождений данного металла с запасами в почти 20 тонн . Однако рений здесь также не чистый, а как составляющая минерала ринита. Цена одного килограмма рения от 1000 до 10 000 долларов. Металл используется в нефтеперерабатывающей промышленности, электротехнике/электронике и как элемент в сплавах в ракетостроении.
7) Хром
Распространенность ★★★★ (4.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★★
3.0Стоимость ★★★★ (4.0 из 5.0) Применение ★★ (2.0 из 5.0) Нет, это не браузер, а химический элемент из металлов. Шкала Мооса присуждает хрому место в пятерке лучших. Он уступает только бору, вольфраму и конечно же алмазу. Первое упоминание более-менее чистого вещества упоминается в 1797 году, когда француз Воклен смог получить карбид хрома. Одно из важнейших применений хрома в промышленности – хромирование деталей посредством электролитического покрытия.
Физические свойства хрома:
- металл с голубоватым оттенком и решеткой кубического объёмоцентрированного типа;
- при температурах ниже 37 градусов, хром становится антиферромагнетиком, а выше – становится парамагнитным веществом;
- по Моосу твердость хрома оценивается в 8.5 баллов из 10;
- хром высокой чистоты подвержен механической обработке довольно неплохо;
- не реагирует с азотными и серными кислотами;
- при сгорании на температуре 2000+ градусов, образуется зеленоватый порошок – оксид хрома.
Редким в природе хром назвать нельзя. Металл составляет порядка 3 сотых от массы земной коры. В чистом виде он не встречается. Основными соединениями в природе является хромит и крокоит. Крупнейшее месторождение хрома расположено в ЮАР. Далее идет Казахстан и Россия. Базовые месторождения хрома по территории РФ расположены в рамках Урала. Базовое применение хрома – это добавка в легированные стали. Порошок способен в 2-3 раза повысить прочность сплава и добавить материалу антикоррозийные свойства. Именно потому хромирование гальванических покрытий в РФ так популярно.
8) Иридий
Применение ★ (1.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★★
2.0Распространенность ★★ (2.0 из 5.0) Стоимость ★ (1.0 из 5.0) Что нужно знать рецензентам России в первую очередь – металл ставят в один ряд с драгоценными, а потому, его незаконное хранение, приобретение и сбыт в рамках РФ уголовно наказуемый проступок. Открытие металла произошло в 1803 году. Сделал это англичанин-химик Теннант. Происхождение самого названия от греческого, в переводе символизирующее радугу. Называть металл так стали из-за разноцветных солей, которые получались в осадке при реакциях с иридием.
Какими свойствами обладает иридий:
- из-за высокого показателя твердости, механической обработке почти не поддается;
- температура плавления металл составляет от 2 500+, а точка кипения достигается при температуре в 4 450+;
- одна из лучших коррозийных устойчивостей;
- сохраняет инертность на воздухе и при нагревании.
Особой значимости иридий в промышленности не имеет. Свечи зажигания, основа электродов и прочие мелочи применимы с иридием, но из-за его высокой стоимости, от 50 долларов за грамм, массовое производство оговорённых деталей низкорентабельно.
9) Осмий
Применение ★★★ (3.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★★
3.0Распространенность ★★★ (3.0 из 5.0) Стоимость ★★★★ (4.0 из 5.0) Металл открыт англичанином Теннантом в 1803 году. Его получили как осадок от растворения платины в царской водке. По своему внешнему виду, осмий является серо-голубым металлом высокой прочности. Высокая удельная масса + сохранении блеска даже при влиянии высоких температур в совокупности с оттенком голубого, делают химический элемент привлекательным внешне. Массовая доля осмия в природе — 5•10 в −6 степени % по массе.
Где можно найти осмий:
- растворы с иридием;
- полиметаллические руды;
- минералы платины;
- в переработках от золотосодержащих руд.
Главные точки добычи осмия сосредоточены в Сибири и Урале, если мы говорим о РФ. Немалый объем металла добывается также США, Колумбией, Канадой и некоторыми странами в Южной Африке.
Распространённость осмия в земной коре – 7 тысячных грамма на тонну, а его получение происходит через обогащение сырья от платиновых металлов через прокаливание при температурном режиме от 800 Цельсия. Тугоплавкость металла позволяет его использовать в узлах трения, а благодаря близким свойствам к драгоценным металлам, элемент используют для украшений.
Обзорное видео по самому крепкому металлу на земном шаре:
10) Вольфрам
Применение ★★★★ (4.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★★
4.0Распространенность ★★★ (3.0 из 5.0) Стоимость ★★★★★ (5.0 из 5.0) История вольфрама туманная. Его вывели еще в 1750 годах, но официальное признание произошло только после 1780, когда за исследование элемента всерьез взялись испанские химики-братья Элюар. В природе металл распространяется в нечистом виде (преимущественно окисленные сложные соединения), а как кларк в отношении 1.3 грамма на тонну земной массы. Крупнейшими месторождениями вольфрама являются Казахстан, Китай, США и Канада. Россия также имеет пару точек поставок. Годовой объем добычи самого крепкого металла в мире – до 50 000 тонн . Для обработки вольфрама приходится использовать метод порошковой металлургии. Проблема в прочности металла.
Химические/физические свойства вольфрама:
- плотность составляет 19.3 грамма на сантиметр кубический;
- самый термостойкий металл в мире. Плавиться начинает после достижения температуры в 2 450 градусов Цельсия. Точка кипения – 5 600 градусов (только вдумайтесь!);
- имеет парамагнитные свойства;
- твердость по Бринеллю 488 килограмм на миллиметр квадратный;
- хорошо проводит звук – от 4300 метров в секунду.
Ключевая область вольфрама – основа тугоплавких металлов в металлургии. Посмотрите на нить накаливания лампочки – она состоит из сплава с вольфрамом. Вакуумные трубки, электроды, прочие нагревательные элементы, где нужно выдерживать высокие температуры, представить без вольфрама нереально.
Таким образом, элемент не только самый крепкий метал в мире, но и один из незаменимых компонентов повседневной жизни и промышленности.
