Самая прочная сталь в мире. Самый прочный металл: какой он

Многих любителей интересных фактов интересует вопрос, какой металл самый твердый? И навскидку ответить на этот вопрос будет непросто. Конечно, любой учитель химии без труда скажет правильно, даже не задумываясь. Но среди рядовых граждан, которые последний раз занимались химией в школе, не многие смогут правильно и быстро дать ответ. Это связано с тем, что все с детства привыкли делать разнообразные игрушки из проволоки и хорошо запомнили, что медь и алюминий мягкие и хорошо поддаются сгибанию, а вот стали наоборот не так просто придать желаемую форму. С тремя названными металлами человек имеет дело чаще всего, поэтому остальные кандидатуры даже не рассматривает. Но сталь, конечно же, не является самым твердым металлом в мире. Справедливости ради стоит отметить, что это вообще не металл в химическом смысле, а соединение железа с углеродом.

Что такое титан?

Самым твердым металлом является титан. Впервые чистый титан был получен в 1925 году. Это открытие произвело фурор в научных кругах. На новый материал сразу же обратили внимание промышленники и по достоинству оценили преимущества от его использования. По официальной версии, самый твердый металл на Земле получил свое название в честь несокрушимых Титанов, которые согласно древнегреческой мифологии были основателями мира.

По оценкам ученых суммарные мировые запасы титана на сегодняшний день составляют около 730 миллионов тонн. При нынешних темпах добычи ископаемого сырья хватит еще на 150 лет. Титан занимает 10 место по природным запасам среди всех известных металлов. Крупнейшим в мире производителем титана является российская компания «ВСМПО-Ависма», которая удовлетворяет до 35% мировых потребностей. Предприятие занимается полным циклом переработки от добычи руды до изготовления различной продукции. Оно занимает порядка 90% российского рынка по производству титана. Около 70% готовой продукции идет на экспорт.

Титан - легкий металл серебристого цвета с температурой плавления 1670 градусов по Цельсию. Проявляет высокую химическую активность только при нагревании, в нормальных условиях не реагирует с большинством химических элементов и соединений. В природе не встречается в чистом виде. Распространен в виде рутиловых (двуокись титана) и ильменитовых (сложное вещество, состоящее из двуокиси титана и оксида двухвалентного железа) руд. Чистый титан выделяется путем спекания руды с хлором, а затем вытеснения более активным металлом (чаще всего магнием) из полученного тетрахлорида.

Промышленное применение титана

Самый твердый металл имеет довольно широкий спектр применения во многих отраслях. Аморфно расположенные атомы обеспечивают титану высочайший уровень прочности на растяжение и кручение, хорошую сопротивляемость ударному воздействию, высокие магнитные качества. Металл используется для изготовления корпусов воздушного транспорта и ракет. Он хорошо справляется с огромными нагрузками, которые испытывают на себе машины, находясь на огромной высоте. Также титан применяется при производстве корпусов для подводных лодок, так как способен выдерживать высокое давление на больших глубинах.

В медицинской отрасли металл используется при изготовлении протезов и зубных имплантатов, а также хирургических инструментов. В качестве легирующей добавки элемент добавляют в некоторые марки стали, что придает им повышенную прочность и стойкость к коррозии. Титан хорошо подходит для литья, так как позволяет получать идеально гладкие поверхности. Из него также изготавливают ювелирные украшения и декоративные изделия. Активно используются и соединения титана. Из диоксида изготавливают краски, белила, добавляют в состав бумаги и пластика.

Сложноорганические соли титана применяют в качестве затвердительного катализатора в лакокрасочном производстве. Из карбида титана изготавливают различные инструменты и насадки для обработки и сверления других металлов. В точном машиностроении из титанового алюминида производят износостойкие элементы, которые обладают высоким запасом прочности.

Самый твердый сплав металла был получен американскими учеными в 2011 году. В его состав вошли палладий, кремний, фосфор, германий и серебро. Новый материал был назван «металлическое стекло». Он соединил в себе твердость стекла и пластичность металла. Последнее не позволяет трещинам распространяться, как это происходит со стандартным стеклом. Естественно, в широкое производство материал запущен не был, так как его компоненты, особенно палладий, относятся к редким металлам и стоят очень дорого.

В данный момент усилия ученых направлены на поиски альтернативных компонентов, которые бы позволили сохранить полученные свойства, но значительно снизили стоимость производства. Тем не менее, отдельные детали для аэрокосмической отрасли уже производятся из полученного сплава. Если альтернативные элементы удастся внедрить в структуру и материал получит широкое распространение, то вполне возможно, что он станет одним из самых востребованных сплавов будущего.

Время прочтения: 5 мин.

Металлы сопровождают человечество почти всю его сознательную жизнь. Началось это, конечно же, с меди, так как это самый податливый к обработке материал и доступный в природе.

Эволюция помогла людям значительно развиться в техническом плане и со временем они начали изобретать сплавы, которые становились все прочнее и прочнее. В наше же время эксперименты продолжаются, и каждый год появляются новые прочные сплавы. Рассмотрим же наилучшие из них.

Титан

Титан является высокопрочным материалом, который пользуется широким спросом во многих отраслях. Наиболее распространенной областью применения является авиация. Всему виной удачное сочетание малой массы и высокой прочности. Также свойствами титана является большая удельная прочность, стойкость к физическим воздействиям, температурам и коррозии.

Уран

Один из наиболее прочных элементов. В природных условиях он является слабым радиоактивным металлом. Он может встречаться в свободном состоянии, весьма тяжелый и широко распространяется повсеместно благодаря своим парамагнитным свойствам. Уран гибок, имеет высокую податливость ковке и относительную пластичность.

Вольфрам

Наиболее тугоплавкий металл из ныне известных. Имеет серебристо-серый цвет является так называемым переходным элементом. Свойства вольфрама позволяют ему сопротивляться химическим воздействиям и поддаваться ковке. Наиболее известная область применения – используется в лампах накаливания.

Рений

Металл серебристо-белого цвета. В природе можно встретить в чистом виде, однако существует и молибденовое сырье, в котором он тоже встречается. Отличительной чертой рения тугоплавкость. Он относится к дорогим металлам, поэтому стоимость его тоже зашкаливает. Главная область применения – электроника.

Осмий

Осмий – это металл серебристо-белого цвета, который имеет небольшой голубой отлив. Относится он к платиновой группе и имеет необычайно большое сходство с иридием в таких свойствах как тугоплавкость, твердость и хрупкость.

Бериллий

Этот металл представляет собой элемент имеющий светло-серый оттенок и высокую токсичность. Имея такие необычные свойства материал нашел широкое применение в сфере ядерной энергетики и лазерной техники. Высокая прочность бериллия позволяет использовать его при изготовлении легирующих сплавов.

Хром

Голубовато-белый оттенок выделяет хром из общего перечня. Он стойкий к воздействию щелочей и кислот. В природе можно встретить в чистом виде. Хром часто используется для создания различных сплавов, которые в дальнейшем находят применение в области медицины и химического оборудования.

Стоит отметить феррохром – это сплав хрома и железа. Он используется в изготовлении инструментов для резки металлов.

Тантал

Это – серебристый металл, имеющий высокую твердость и плотность. Свинцовый оттенок на металле образуется из-за возникновения на поверхности оксидной пленки. Металл хорошо поддается обработке.

На сегодняшний день тантал успешно применяется в сооружении ядерных реакторов и металлургическом производстве.

Рутений

Серебристый металл, который принадлежит к платиновой группе. Он отличается необычным составом: в него входит мышечная ткань живых организмов. Еще одним отличительным фактом есть то, что рутений используется как катализатор для многих химических реакций.

Иридий

В нашем рейтинге этот металл занимает первую строчку. Он имеет серебристо-белый цвет. Иридий также относится к платиновой группе и имеет наибольшую твердость из вышеперечисленных металлов. В современном мире он применяется очень часто. В основном он добавляется к другим металлам для улучшения их сопротивляемости кислым средам. Сам по себе металл очень дорогой, так как очень плохо распространен в природе.

Читайте также:

В мире есть много одинаковых по показателям твёрдости металлов, но не все они широко используются в промышленности. Причин тому может быть несколько: редкость и потому дороговизна или же радиоактивность, которая препятствует использованию в человеческих нуждах. Среди самых твёрдых металлов можно выделить 6 лидеров, покоривших мир своими особенностями.

Твёрдость металлов принято измерять по шкале Мооса. В основе метода измерения твёрдости – оценка устойчивости к царапинам другими металлами. Таким образом, было определено, что наивысшей твёрдостью обладают уран и вольфрам. Однако есть металлы, которые больше используются в разных сферах жизни, хоть их твердость и не наивысшая по шкале Мооса. Поэтому, раскрывая тему о самых твёрдых металлах, неправильно будет не упомянуть об известном титане, хроме, осмии и иридии.

На вопрос, какой самый твёрдый металл, любой человек, изучающий химию и физику в школе, ответит: «Титан». Конечно, существуют сплавы и даже самородки в чистом виде, которые превосходят его по прочности. Но среди используемых в быту и производстве титану нет равных.

Чистый титан впервые был получен в 1925 году и тогда же был объявлен самым твёрдым металлом на Земле. Его сразу стали активно использовать в абсолютно разных сферах производства – от деталей ракет и воздушного транспорта до зубных имплантатов. Заслугой такой популярности металла стали несколько его главных свойств: высокая механическая прочность, стойкость к коррозиям и высоким температурам и низкая плотность. По шкале твёрдости металлов Мооса титан обладает степенью 4.5, что не является самым высоким показателем. Однако его популярность и задействованность в различных отраслях делает его первым по твёрдости среди часто используемых.

Титан самый твёрдый среди часто используемых в производстве металлов

Детальнее про применение титана в промышленности. Данный метал имеет широкий спектр использования:

• Авиационная промышленность – детали планерной части самолётов, газовые турбины, обшивки, силовые элементы, детали шасси, заклёпки и т.д;
• Космическая техника – обшивки, детали;
• Кораблестроение – обшивка судов, детали насосов и трубопроводов, навигационные приборы, турбинные двигатели, паровые котлы;
• Машиностроение – конденсаторы турбин, трубы, износостойкие элементы;
• Нефтегазовая промышленность – трубы для бурения, насосы, сосуды высокого давления;
• Автостроение – в механизмах клапанов и выхлопных систем, передаточных валов, болтов, пружин;
• Строительство – наружная и внутренняя обшивка зданий, кровельные материалы, лёгкие крепежные приспособления и даже памятники;
• Медицина – хирургические инструменты, протезы, имплантаты, корпусы для кардиологических приборов;
• Спорт – спортивный инвентарь, туристические принадлежности, детали для велосипедов.
• Товары народного потребления – ювелирные украшения, декоративные изделия, садовой инвентарь, наручные часы, кухонная утварь, корпуса электроники и даже колокола, а также добавляют в состав красок, белил, пластика и бумаги.

Можно увидеть, что титан востребован в абсолютно разных сферах промышленности за счет его физико-химических свойств. Пусть он и не самый твёрдый металл в мире по шкале Мооса, изделия из него куда прочнее и легче стали, меньше изнашиваются и более стойкие к раздражителям.

Титан считается самым твердым среди активно потребляемых металлов

Самым твёрдым в своем натуральном виде считается металл голубовато-белого цвета – хром. Он был открыт еще в конце 18 века и с тех пор широко используется в производстве. По шкале Мооса твёрдость хрома составляет 5. И не зря – им можно резать стекло, а при соединении с железом он способен резать даже металл. Также хром активно применяется в металлургии – его добавляют в сталь, чтобы улучшить ее физические свойства. Спектр использования хрома весьма разнообразен. Из него изготавливают стволы огнестрельного оружия, медицинское и химическое технологическое оборудование, бытовые принадлежности – кухонная утварь, металлические части мебели и даже корпусы подводных лодок.

Наивысшая твёрдость в чистом виде - хром

Хром используют в различных сферах, например, для производства нержавеющей стали, или для покрытия поверхностей – хромирования (техника, автомобили, детали, посуда). Часто этот метал используют при изготовлении стволов огнестрельного оружия. Также нередко этот металл можно встретить при производстве красителей и пигментов. Удивительным может показаться еще одна сфера его использования – это производство диетических добавок, а в создании технологического оборудования для химических и медицинских лабораторий без хрома никак нельзя обойтись.

Осмий и иридий – представители металлов платиновой группы, имеют почти одинаковую плотность. В своем чистом виде в природе встречаются невероятно редко, а чаще всего – в сплаве друг с другом. Иридий по природе своей обладает высокой твердостью, из-за чего плохо поддается металлообработке, как механической, так и химической.

Осмий и иридий обладают наивысшей плотностью

Активно применять иридий в промышленности стали сравнительно недавно. Раньше его использовали с осторожностью, поскольку его физико-химические характеристики были изучены не до конца. Теперь иридий используют даже в изготовлении ювелирных изделий (в качестве инкрустаций или в сплаве с платиной), хирургических инструментов и деталей для сердечных стимуляторов. В медицине металл просто незаменим: его биопрепараты могут помочь побороть онкологию, а облучение его радиоактивным изотопом может остановить процесс роста раковых клеток.

Две трети добываемого в мире иридия уходит в химическую промышленность, а остальное распределяется между другими отраслями производства – напыления в металлургической индустрии, товарах народного использования (элементы перьевых ручек, ювелирные изделия), медицине при производстве электродов, элементов кардиостимуляторов и хирургических инструментов, а также для улучшения физико-химических и механических свойств металлов.

Твёрдость иридия по шкале Мосса – 5

Осмий – серебристо-белый металл с голубоватым отливом. Он был открыт позже иридия на год, а сейчас его нередко находят в железных метеоритах. Помимо высокой твёрдости, осмий отличается своей дороговизной – 1 грамм чистого металла оценивается в 10 тысяч долларов. Еще одной его особенностью считается его вес – 1 литр расплавленного осмия равен 10 литрам воды. Правда, ученые еще не нашли применения этому свойству.

Из-за редкости и высокой стоимости осмий задействуется только там, где никакой другой металл не может быть использован. Широкого применения ему так и не нашли, да и нет смысла в поисках, пока поставки металла не станут регулярными. Сейчас осмий используется для изготовления инструментов, требующих высокой точности. Изделия из него почти не изнашиваются и обладают значительной прочностью.

Показатель твёрдости осмия достигает 5.5

Один из наиболее знаменитых элементов, который является одним из самых твёрдых металлов в мире, – уран. Это металл светло-серого цвета, обладающий слабой радиоактивностью. Уран считается одним из самых тяжелых металлов – его удельный вес в 19 раз превышает вес воды. Он также обладает относительной пластичностью, ковкостью и гибкостью, парамагнитными свойствами. По шкале Мосса твёрдость металла составляет 6, что считается очень высоким показателем.

Раньше уран почти не использовался, а встречался только как рудный отход при добыче других металлов – радия и ванадия. На сегодняшний день уран добывается в месторождениях, основными источниками являются Скалистые горы США, Республика Конго, Канада и Южно-Африканский Союз.

Несмотря на радиоактивность, уран активно потребляется человечеством. Наиболее востребован в атомной энергетике – его используют как топливо для ядерных реакторов. Также уран применяется в химической промышленности и в геологии – для определения возраста горных пород.

Не пропустила невероятные показатели удельного веса и военная инженерия. Уран регулярно используется для создания сердечников бронебойных снарядов, которые, за счет высокой прочности, отлично справляются с поставленной задачей.

Уран является самым твёрдым металлом, но он радиоактивный

Увенчивает наш список самых твёрдых металлов на Земле блестящий серебристо-серый вольфрам. По шкале Мооса твердость вольфрама равна 6, как и у урана, но, в отличие от последнего, он не является радиоактивным. Природная твёрдость, однако, не лишает его гибкости, потому вольфрам идеально подходит для ковки разных металлических изделий, а его устойчивость к высоким температурам позволяет применять его в осветительных приборах и электронике. Потребление вольфрама не достигает больших оборотов, и главной тому причиной является его ограниченное количество в месторождениях.

Благодаря высоким показателям плотности вольфрам широко используется в оружестроении для производства тяжеловесов и артиллерийских снарядов. Вообще вольфрам активно используется в военной инженерии – пули, противовесы, баллистические ракеты. Следующим по популярности использования этого метала является авиация. Из него изготавливают двигатели, детали электровакуумных приборов. В строительстве используют режущие инструменты из вольфрама. Также он является незаменимым элементом при производстве лаков и светоустойчивых красок, огнестойких и водонепроницаемых тканей.

Вольфрам считается наиболее тугоплавким и прочным

Изучив свойства и сферы потребления каждого металла, сложно однозначно сказать, какой же самый твердый металл в мире, если брать во внимание не только показатели шкалы Мооса. Каждый из представителей имеет ряд преимуществ. Например, титан, не обладающий сверхвысокой твердостью, прочно занял первое место среди самых используемых металлов. А вот уран, твердость которого достигает наивысшей отметки среди металлов, не так популярен из-за слабой радиоактивности. А вольфрам, который не излучает радиации и имеет наивысшую прочность и очень хорошие показатели податливости, не может быть активно использован из-за ограниченных ресурсов.

Распространенное мнение о твердости – это алмаз или булат / дамасская сталь. Если первый минерал превосходит все простые вещества, существующие на Земле, что создала природа, то, поражающими воображение свойствами клинков из редкой стали, они обязаны мастерству кузнецов-оружейников, добавкам из других металлов. Многие технические сплавы, применяемые, например, для производства сверхтвердых резцов в машиностроительной промышленности, создания прочного, надежного инструмента, обладающего уникальными свойствами, связаны с этими добавками в привычном симбиозе железа с углеродом, кратко, традиционно называемыми сталью, – хрому, титану, ванадию, молибдену, никелю. Когда читатели спрашивают, какой самый твердый металл в мире, то в ответ на страницах сайтов на них обрушивается шквал противоречивой информации. В этом амплуа, по мнению авторов различных статей, выступает то вольфрам или хром, то иридий с осмием, то титан с танталом.

Чтобы пробраться через дебри не всегда правильно истолкованных, пусть и точных фактов, стоит обратиться к первоисточнику – системе элементов, содержащихся как в составе , так и в остальных космических объектах, оставленной человечеству великим русским химиком и физиком Д.И. Менделеевым. Он обладал энциклопедическими знаниями, совершил много научных прорывов в знании об устройстве, составе, взаимодействии веществ, помимо знаменитой таблицы на основе открытого им фундаментального периодического закона, названной его именем.

Ближайшие к Солнцу планеты – Меркурий, Венеру, Марс, вместе с нашей планетой, причисляют к одной – земной группе. Основания для этого есть не только у астрономов, физиков и математиков, но и у геологов с химиками. Поводом для таких выводов у последних является в том числе и то, что все они, в основном, состоят из силикатов, т.е. различных производных элемента кремния, а также многочисленных соединений металлов из таблицы Дмитрия Ивановича.

В частности, наша планета большей частью (до 99%) состоит из десяти элементов:

Но человека, кроме необходимого для выживания и развития железа и сплавов на его основе, всегда куда больше привлекали драгоценные, часто уважительно называемые благородными, металлы – золото и серебро, позднее – платина.

С ней в одну, по научной классификации, принятой у химиков, платиновую группу входят рутений, родий, палладий и осмий с иридием. Все они также относятся к благородным металлам. По атомной массе их еще условно разделяют на две подгруппы:

Последние два и представляют особый интерес для нашего околонаучного расследования на тему, кто тут самый твердый. Связано это с тем, что большая, по сравнению с другими элементами, атомная масса: 190,23 - у осмия, 192,22 – у иридия, по законам физики, подразумевает и огромную удельную плотность, а, следовательно, твердость этих металлов.

Если плотные, тяжелые золото и свинец – это мягкие, пластичные вещества, несложные в обработке, то осмий и иридий, открытые в начале XIX века, на поверку оказались хрупкими. Здесь необходимо вспомнить, что мерило этого физического свойства – алмаз, которым можно без особых усилий нанести надпись на любом другом твердом материале природного или искусственного происхождения, также крайне хрупок, т.е. его достаточно несложно разбить. Хотя, на первый взгляд, это кажется практически невозможным.

Кроме того, осмий и палладий обладают еще многими интересными свойствами:

• Очень высокой тугоплавкостью.
• Не поддаются коррозии, окислению даже при нагревании до высокой температуры.
• Стойки к воздействию концентрированных кислот и других агрессивных соединений.

Поэтому наравне с платиной, в том числе в виде соединений с ней, они используются при производстве катализаторов многих химических процессов, высокоточных приборов, оборудования, инструментов в медицинской, научной, военной, космической отраслях деятельности человечества.

Именно осмий и иридий, а ученые после исследований считают, что это свойство у них примерно одинаково дано природой, являются самыми твердыми металлами в мире.



И все бы хорошо, да не очень-то. Дело в том, что как их наличие в земной коре, так и, соответственно, мировая добыча этих весьма полезных ископаемых ничтожны:

• 10 -11% – это их содержание в твердой оболочке планеты.
• Суммарное количество произведенного чистого металла в год в пределах: 4 т по иридию, 1 т – осмию.
• Цена осмия примерно равна цене золота.

Понятно, что эти редкоземельные, дорогие металлы, невзирая на их твердость, не могут даже ограничено использоваться в качестве сырья для производства; разве что как добавки в сплавы, соединения с другими металлами для придания уникальных свойств.

Кто за них?

Но человек не был собой, если бы не нашел замены иридию с осмием. Раз нецелесообразно, слишком дорого использовать их, то и внимание небезуспешно было обращено к другим металлам, нашедшим свое применение в разных ситуациях, отраслях для создания новых сплавов, композитных материалов, производства оборудования, машин и механизмов как гражданского, так и военного применения:

Хотясамый твердый металл в мире, а, вернее, целых два – иридий и осмий, показали свои уникальные свойства лишь в лабораторных условиях, а также в качестве ничтожных по процентному содержанию добавок в сплавы, других соединения для создания новых материалов, необходимых человеку, следует быть благодарными природе и за этот подарок. В то же время нет никаких сомнений, что пытливые умы талантливых ученых, гениальных изобретателей придумают новые вещества с уникальными свойствами, как это уже произошло с синтезом фуллеренов, которые оказались тверже алмаза, что уже удивительно.

Титан был открыт в конце XVIII века независимыми учеными из Англии и Германии. В периодической таблице элементов Д.И. Менделеева расположился в 4 группе с атомным номером 22. Довольно продолжительное время ученые не видели в титане никаких перспектив, поскольку он был очень хрупким. Но в 1925 году голландские ученые И. де Бур и А. Ван Аркель в лаборатории смогли получить чистый титан, который стал настоящим прорывом во всех отраслях.

Свойства титана

Чистый титан оказался невероятно технологическим. Он обладает пластичностью, малой плотностью, высокой удельной прочностью, коррозийной стойкостью, а также прочностью при воздействии на него высоких температур. Титан в два раза прочнее стали и в шесть раз прочнее . В сверхзвуковой авиации титан незаменим. Ведь на высоте 20 км развивает скорость, превышающую скорость звука в три раза. При этом температура корпуса самолета накаляется до 300оС. Такие условия выдерживают лишь титановые сплавы.

Титановая стружка пожароопасная, а титановая пыль вообще может взорваться. При взрыве температура вспышки может достигать 400оС.

Самый прочный на планете

Титан настолько легкий и прочный, что из его сплавов изготавливают корпуса самолетов и подводных лодок, бронежилеты и броню танков, а также применяют в ядерной технике. Еще одно замечательное свойство данного металла заключается в его пассивном воздействии на живые ткани. Только из делают остеопротезы. Из некоторых соединений титана изготавливают полудрагоценные камни и ювелирные украшения.

Химическая промышленность также не оставила титан без внимания. Во многих агрессивных средах металл не поддается коррозии. Диоксид титана используется для изготовления белой краски, при производстве пластика и бумаги, а также в качестве пищевой добавки Е171.

В шкале твердости металлов титан уступает лишь платиновым металлам и вольфраму.

Распространение и запасы

Титан довольно распространенный металл. В по этому показателю он занимает десятое место. В земной коре содержится порядка 0,57% титана. На данный момент ученым известно свыше ста минералов, в которых содержится металл. Его месторождения разбросаны практически по всему миру. Добычей титана занимаются в Китае, ЮАР, России, Украине, Индии и Японии.

Прогресс

Уже несколько лет ученые проводят исследования над новым металлом, который был назван «ликвид-металл». Данное изобретение метит на звание нового, самого прочного метала на планете. Но пока еще в твердом виде он не получен.