Сталь крепкая или нет
Можете ли вы представить, что произошло, если бы наши предки не обнаружили важные металлы, такие как серебро, золото, медь и железо? Наверное, мы бы до сих пор жили в хижинах, используя камень в качестве основного инструмента. Именно крепость металла сыграла важную роль в формировании нашего прошлого и теперь работают как основа, на которой мы строим будущее.
Некоторые из них очень мягкие и буквально тают в руках, как самый активный металл в мире. Другие - настолько твердые, что их невозможно согнуть, поцарапать или сломать без применения спецсредств.
А если вам интересно, какие металлы самые твердые и прочные в мире, мы ответим на этот вопрос, учитывая различные оценки относительной твердости материалов (шкала Мооса, метод Бринелля), а также такие параметры как:
- Модуль Юнга: учитывает эластичность элемента при растяжении, то есть способность объекта к сопротивлению при упругой деформации.
- Предел текучести: определяет максимальный предел прочности материала, после которого он начинает проявлять пластичное поведение.
- Предел прочности при растяжении: предельное механическое напряжение, после которого материал начинает разрушаться.
10. Тантал
У этого металла сразу три достоинства: он прочный, плотный и очень устойчив к коррозии. Кроме того, этот элемент относится к группе тугоплавких металлов, таких как вольфрам. Чтобы расплавить тантал вам придется развести огонь температурой 3 017 °C.
Тантал в основном используется в секторе электроники для производства долговечных, сверхмощных конденсаторов для телефонов, домашних компьютеров, камер и даже для электронных устройств в автомобилях.
9. Бериллий
А вот к этому металлическому красавцу лучше не приближаться без средств защиты. Потому что бериллий высокотоксичен, и обладает канцерогенным и аллергическим действием. Если вдыхать воздух, содержащий пыль или пары бериллия, то возникнет заболевание бериллиоз, поражающее легкие.
Однако бериллий несет не только вред, но и благо. Например, добавьте всего 0,5 % бериллия в сталь и получите пружины, которые будут упругими даже если довести их до температуры красного каления. Они выдерживают миллиарды циклов нагрузки.
Бериллий применяют в аэрокосмической промышленности для создания тепловых экранов и систем наведения, для создания огнеупорных материалов. И даже вакуумная труба Большого Адронного Коллайдера сделана из бериллия.
8. Уран
Это естественное радиоактивное вещество очень широко распространено в земной коре, но сконцентрировано в определенных твердых скальных образованиях.
Один из самых твердых металлов в мире имеет два коммерчески значимых применения - ядерное оружие и ядерные реакторы. Таким образом, конечной продукцией урановой промышленности являются бомбы и радиоактивные отходы.
7. Железо и сталь
Как чистое вещество железо не такое твердое по сравнению с другими участниками рейтинга. Но из-за минимальных затрат на добычу оно часто комбинируется с другими элементами для производства стали.
Сталь - это очень прочный сплав из железа и других элементов, таких как углерод. Это наиболее часто используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. И даже если вы не имеете к ним никакого отношения, то все равно используете сталь каждый раз, когда режете продукты ножом (если он, конечно, не керамический).
6. Титан
Титан - это практически синоним прочности. Он обладает впечатляющей удельной прочностью (30-35 км), что почти вдвое выше, чем аналогичная характеристика легированных сталей.
Будучи тугоплавким металлом, титан обладает высокой устойчивостью к нагреву и истиранию, поэтому является одним из самых популярным сплавов. Например, он может быть легирован железом и углеродом.
Если вам нужна очень твердая и при этом очень легкая конструкция, то лучше чем титан металла не найти. Это делает его выбором номер один для создания различных деталей в авиа- и ракетостроении и судостроении.
5. Рений
Это очень редкий и дорогой металл, который хотя и встречается в природе в чистом виде, обычно идет «довеском»-примесью к молибдениту.
Если бы костюм Железного человека был сделан из рения, он мог бы выдержать температуру в 2000 ° C без потери прочности. О том, что стало бы с самим Железным человеком внутри костюма после такого «фаер-шоу» мы умолчим.
Россия - третья страна в мире по природным запасам рения. Этот металл используется в нефтехимической промышленности, электронике и электротехнике, а также для создания двигателей самолетов и ракет.
4. Хром
По шкале Мооса, которая измеряет устойчивость химических элементов к царапинам, хром находится в пятерке лучших, уступая лишь бору, алмазу и вольфраму.
Хром ценится за высокую коррозионную стойкость и твердость. С ним легче обращаться, чем с металлами платиновой группы, к тому же он более распространен, поэтому хром является популярным элементом, используемым в сплавах, таких, как нержавеющая сталь.
А еще один из прочнейших металлов на Земле используется при создании диетических добавок. Конечно, вы будете принимать внутрь не чистый хром, а его пищевое соединение с другими веществами (например, пиколинат хрома).
3. Иридий
Как и его «собрат» осмий, иридий относится к металлам платиновой группы, и по внешнему виду напоминает платину. Он очень твердый и тугоплавкий. Чтобы расплавить иридий, вам придется развести костер температурой выше 2000 °C.
Иридий считается одним из самых тяжелых металлов на Земле, а также одним из самых устойчивых к коррозии элементов.
2. Осмий
Этот «крепкий орешек» в мире металлов относится к платиновой группе и обладает высокой плотностью. Фактически это самый плотный природный элемент на Земле (22,61 г/см3). По этой же причине осмий не плавится до 3033 ° C.
Когда он легирован другими металлами платиновой группы (такими как иридий, платина и палладий), он может использоваться во многих различных областях, где необходимы твердость и долговечность. Например, для создания емкостей для хранения ядерных отходов.
1. Вольфрам
Самый прочный металл, который только есть в природе. Этот редкий химический элемент также самый тугоплавкий из металлов (3422 ° C).
Впервые он был обнаружен в форме кислоты (триоксида вольфрама) в 1781 году шведским химиком Карлом Шееле. Дальнейшие исследования привели двух испанских ученых - Хуана Хосе и Фаусто д'Эльхуяра - к открытию кислоты из минерала вольфрамита, из которого они впоследствии изолировали вольфрам с помощью древесного угля.
Помимо широкого применения в лампах накаливания, способность вольфрама работать в условиях сильной жары делает его одним из наиболее привлекательных элементов для оружейной промышленности. Во время Второй мировой войны этот металл сыграл важную роль в инициировании экономических и политических отношений между европейскими странами.
Вольфрам также используется для изготовления твердых сплавов, а в аэрокосмической промышленности - для изготовления ракетных сопел.
Таблица предела прочности металлов
| Металл | Обозначение | Предел прочности, МПа |
|---|---|---|
| Свинец | Pb | 18 |
| Олово | Sn | 20 |
| Кадмий | Cd | 62 |
| Алюминий | Al | 80 |
| Бериллий | Be | 140 |
| Магний | Mg | 170 |
| Медь | Cu | 220 |
| Кобальт | Co | 240 |
| Железо | Fe | 250 |
| Ниобий | Nb | 340 |
| Никель | Ni | 400 |
| Титан | Ti | 600 |
| Молибден | Mo | 700 |
| Цирконий | Zr | 950 |
| Вольфрам | W | 1200 |
Сплавы против металлов
Сплавы представляют собой комбинации металлов, и основной причиной их создания является получение более прочного материала. Наиболее важным сплавом является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода.
Чем выше прочность сплава - тем лучше. И обычная сталь тут не является «чемпионом». Особенно перспективными представляются металлургам сплавы на основе ванадиевой стали: несколько компаний выпускают варианты с пределом прочности до 5205 МПа.
А самым прочным и твердым из биосовместимых материалов на данный момент является сплав титана с золотом β-Ti3Au.
Материаловедение: сталь
Что такое сталь? Каковы плотность, температура плавления и другие характеристики стали? В чем роль стального проката в производстве, и как объяснить неуклонный рост цен на сталь в последние годы? Обо всем этом и не только – в нашей новой статье.
Сталь – сплав железа (Fe) с углеродом (C). При этом доля углерода в составе мала: до 2,14% в теории и обычно не более 1,5% на практике. Как и в любых других сплавах, в сталях всегда присутствуют примеси (сера, фосфор, кремний), а для улучшения свойств могут вводиться легирующие элементы.
В силу высокой прочности, жесткости, а также из-за дешевизны сталь используется повсеместно и считается ключевым продуктом черной металлургии. Что важно в свете «зеленых» трендов: сталь можно перерабатывать практически бесконечно. По данным Всемирной ассоциации стали, 75% стальных изделий, выпущенных с момента появления мартеновской плавильной печи в 1864 году, до сих пор в обиходе.
Эти железосодержащие сплавы похожи и по составу, и способом получения. Принципиальное различие в доле углерода. Если его меньше 2,14% от состава, то это сталь; если больше – чугун. Во многом отсюда и разница в свойствах. Так, сталь легче в обработке, тверже и прочнее, ее не разбить ударом. Чугун же хрупче, тяжелее, но более теплоемкий (дольше держит тепло) и в отличие от стали подходит для литья, в том числе художественного. Отметим также, что чугун часто используется для передела в сталь.
Отметим, что у стали высокая температура плавления – это не ЦАМ, не свинец и уж тем более не олово, которые можно плавить у себя на кухне. Сами по себе стальные изделия увесистые – в 2,5 раза тяжелее аналогичных алюминиевых (плотность сплавов алюминия – 2400-2900 кг/м³). Ну и очевидное: все черные стали реагируют на магнит. Причем чем меньше в них углерода, тем лучше магнитные свойства.
Все знают: железо и его сплавы ржавеют. Сталь не исключение. Главная причина появления ржавчины – повреждение оксидной пленки. У тех же алюминия, хрома и никеля она тонкая, но плотная и прочная – настолько, что атомы кислорода не в состоянии диффундировать через нее. У сталей же оксидная пленка хоть и плотная, но непрочная и в любых условиях быстро растрескивается.
Для предотвращения окисления и развития ржавчины сталь покрывают химическим способом – например, оцинковкой, погружая заготовку в бак с расплавленным цинком. В этом случае молекулы цинка реагируют с молекулами железа, и на поверхности образуется защитный слой. Для закрепления эффекта его покрывают дополнительными слоями цинка. Идея способа основана на том, что отрицательный потенциал цинка выше, чем у железа, и в такой паре железо будет восстанавливаться, а цинк отважно послужит щитом для коррозии.
Чтобы металлические конструкции не ржавели, применяют стали, легированные хромом (12-20%) и некоторыми другими металлами, такими как никель, титан и молибден. Защита от ржавчины здесь заключается в формировании инертного слоя оксида хрома, способного к самовосстановлению.
Сразу развеем расхожий миф, что нержавеющая сталь якобы не магнитится. По факту это справедливо для хромникелевых и хромомарганцевоникелевых сталей, к которым относится всем известная пищевая нержавейка. В то же время техническая нержавеющая сталь, из которой делают клапаны, фитинги и трубы, на магнит вполне себе реагирует.
Впрочем, термообработка не ограничена одной закалкой. Есть еще как минимум отжиг, нормализация и отпуск. Отжигу сталь подвергают для улучшения обработки (принося в жертву твердость); нормализации – для выравнивания структуры и устранения зернистости. Отпуск нужен для снятия внутренних напряжений и снижения хрупкости (пусть, опять же, и в ущерб твердости). Отметим, что отпуск выполняется после закалки и считается важным этапом термообработки, тогда как без отжига и нормализации зачастую можно обойтись.
В любой марке стали есть примеси, пусть и в микроскопическом количестве. Некоторые, такие как кремний, даже улучшают свойства сплава. Однако вредных примесей больше; среди них сера, фосфор, а также газы: кислород, азот и водород.
• Хром (Cr). Придает износостойкость, способность к закаливанию и устойчивость к коррозии. Стали с содержанием хрома от 12% относят к нержавеющим.
• Марганец (Mn). Может присутствовать в виде примесей. Дополнительная присадка марганца улучшает прокаливаемость стали и нивелирует вредное воздействие серы.
• Молибден (Mo). Одна из главных упрочняющих легирующих добавок в жаропрочных сталях. Доля в составе незначительна: 0,15-0,8%.
• Ванадий (V). С ним сталь становится прочнее и устойчивее к износу. Содержание: 1,0-1,5% в штамповых сталях, 0,2-0,8% в специальных.
Содержат только железо, углерод и примеси. Определяющий элемент – углерод: чем его больше, тем сталь жестче и тверже. Чем меньше – тем сталь пластичней, ударопрочней, удобнее в обработке и сварке.
Легированные – это стали, которые кроме основных компонентов и примесей содержат специально вводимые легирующие добавки. По типу легирования такие стали подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромо-никель-кремний-марганцовистые и др. По доле легирующих элементов в составе – на низко- (<5% С), средне- (5-10% C) и высоколегированные (>10% C).
Качество стали определяется спецификой производственных процессов, перерабатываемым сырьем, видом плавки и другими факторами. Все это, в свою очередь, напрямую зависит от состава сплава и содержания в нем примесей.
Стали обыкновенного качества. Рядовые углеродистые стали, где углерода менее 0,6%, серы – в диапазоне 0,045-0,060%, фосфора – 0,04-0,07%. Являясь самыми дешевыми, такие стали уступают сталям остальных классов по всем ключевым свойствам.
Качественные стали. Могут быть углеродистыми (марки 08, 10, 15…) или легированными (0,8кп, 10пс…). Нормативы по примесям: серы – не более 0,04%, фосфора – 0,035-0,04%.
Высококачественные стали. Углеродистые или легированные. Содержание примесей: серы – не более 0,02%, фосфора – не более 0,03%. Примеры марок: стали 20А, 15Х2МА.
Особовысококачественные стали. Эти стали только легированные и содержат не более 0,015% серы и не более 0,025% фосфора. Примеры марок: 20ХГНТР-Ш, 18ХГ-Ш.
Идут на изготовление сварных строительных конструкций, узлов механизмов, деталей машин. Могут быть углеродистыми или легированными. Примеры марок: Ст1, Ст2, Ст3; 05, 10, 15; 15Г, 20Х, 45 ХН и др.
Из них делают режущие и ударные инструменты – от лезвия топора и губок плоскогубцев до напильника и сверла. Само собой, такие стали должны быть твердыми, поэтому содержание углерода в них не менее 0,7%. Примеры марок: У7, У8ГА, У10А (У – углеродистая; число – усредненное содержание углерода, выраженное в десятых долях процента; Г – повышенное содержание марганца; А – высококачественная сталь).
По большому счету, это те же конструкционные стали, но со специфическим составом, особым способом производства или обработки. Нержавеющие, жаропрочные, электротехнические, кислотостойкие стали – все они относятся к специальным.
Речь о том, сколько кислорода было выведено из жидкого металла при производстве стали и сколько его по итогу осталось. В целом: чем меньше в сплаве остается кислорода, тем чище состав и однородней структура.
Кипящие стали (кп). Раскисляются только марганцем. Обычно это низкоуглеродистые стали с большим количеством оксидов углерода – отсюда просадка в прочности и пластичности. Как следствие, кипящие стали склонны к разрушению, растрескиванию, плохо свариваются и поэтому идут в ход лишь в простых конструкциях. Из плюсов: кипящая сталь самая дешевая.
Спокойные стали (сп). Раскисляются в плавильных печах и ковшах алюминием, марганцем, кремнием. В отличие от кипящих, спокойные стали стабильны: содержат мало остаточного кислорода и затвердевают спокойно, без выделения газообразных примесей. Применение: конструкции ответственного назначения.
Полуспокойные стали (псп). Частично насыщенные кислородом стали, раскисляемые марганцем и алюминием. Всегда углеродистые. Среднепрочные, применяются в строительстве.
Нет более неудобного вопроса, чем «сколько стоит сталь»? Во-первых, какая и где – на бирже или у местных трейдеров металлопроката? Во-вторых, эта статья написана в марте 2022 года, когда экономику России (да и других стран мира) засосало в турбулентную фазу. Мы можем лишь констатировать, что в ближайшие год-два стоимость стали будет расти. Причем расти кратно, если сравнивать с допандемийным уровнем. Связано это с несколькими причинами:
• Первая волна коронавируса, во время которой приостанавливался сбор лома и ограничивалась работа сталеплавильных заводов. К осени 2020 года из-за лавины отложенного спроса и промедления трейдеров это привело к общемировому дефициту стали.
• Конфликт России с Украиной, последующие санкции, разрыв производственных и логистических цепочек. Это уже ускорило девальвацию рубля, а в перспективе может привести и к гиперинфляции, если конфликт окажется затяжным.
• Зеленые тренды в соответствии с определенными ООН целями в области устойчивого развития (ЦУР). Страны, включая мировую фабрику под названием Китай, уже сокращают выплавку стали ради снижения углеродного следа. Это в каком-то смысле парадоксально, ведь именно сталь – один из важнейших материалов для производства ветрогенераторов и электрокаров, так агрессивно насаждаемых на Западе.
В России фурнитуру для входных и межкомнатных дверей производят по большей части из низкоуглеродистой конструкционной стали. Одна из самых ходовых марок – Ст3 и ее аналоги. Из ее листов изготавливают дверные петли, корпуса и планки замков, розетки дверных ручек, задвижки и, например, крепеж. Подчеркнем: мы говорим о видимых элементах конструкции. Для тех же петельных подшипников есть инструментальные подшипниковые стали (например, ШХ-15). Для возвратных пружин в ручках и замках – средне- и высокоуглеродистая пружинная сталь.
(+) Прочность и антивандальность. Сталь крепче цветных металлов вроде алюминия, латуни и ЦАМ и дольше пилится. Вспомните корпуса гаражных навесных замков – там сплошь и рядом либо сталь, либо чугун.
(+) Дешевизна. Просто приценитесь, сколько стоят стальные дверные петли, а сколько – аналогичные по размерам латунные. Подсказка: первые дешевле в 3-5 раз.
(+) Магнитные свойства. Благодаря этому мы имеем счастье пользоваться такими чудесами инженерной мысли, как магнитные защелки и магнитные дверные стопоры.
(-) Низкие литейные качества. Снова обратимся к дверным петлям. В то время как латунные петли получают литьем под давлением, стальные – гибкой и штамповкой. Отсюда «побочные эффекты»: заметные швы и стыки, зазоры от 2 мм, неровные края, несоразмерность.
(-) Коррозия. Антикоррозийное покрытие рано или поздно повредится, и изделие начнет ржаветь. Кто-то возразит: но как же, есть же, скажем, дверные ручки из нержавеющей стали. А мы и не спорим. Но именно в России в частном секторе они не в ходу из-за дороговизны и ограниченности дизайна, продиктованной опять же низкими литейными качествами.
(-) Вес. Если вы подбираете небольшой и удобный в переноске навесной замок для багажа или противоугонного троса, то, возможно, есть смысл предпочесть алюминий. При одинаковых габаритах алюминиевый замок окажется в 2,5 раза легче стального. Тем более что упрочнение тела замка в данном случае неоправданно: в маленьких замках куда проще перекусить дужку, чем водить пилой по корпусу.
Особенности высокопрочных сталей
Знание особенностей высокопрочных сталей — в том числе и того, какая из них самая прочная, — очень полезно для заказчиков металлургической продукции. Внимание придется уделить конкретным маркам и расшифровке их маркировки. Также актуальными темами будут применение таких металлов и ГОСТ на них, состав и свойства сталей конкретного типа, их сварка.
Общее описание
Начать следует с определения того, что же, собственно, следует считать высокопрочными сталями. В России под таким термином подразумевают сплав железа с углеродом, который способен переносить более или менее длительное время нагрузку 1800—2000 МПа и выше. Помимо этого показателя, очень важен и другой момент — хорошая устойчивость к хрупкому разрушению. Дополнительно требуется контролировать пластичность и вязкость. Только при четком соблюдении всех этих моментов металлургии производители могут заявить, что они действительно делают высокопрочный металл.
Марки
Среди упрочненных сплавов популярностью пользуется низкоотпущенная сталь со средним легированием. В ней содержится от 0,25 до 0,4% углерода. Специалисты научились значительно повышать в таких сплавах вязкость и пластичность. Их состав включает:
Популярная марка 30ХГСА выпускается согласно различным ГОСТ — сообразно форме исполнения. Так, сортовой прокат должен соответствовать стандарту 4543 от 1971 года. Калиброванные прутки делают по ГОСТ 8559-75. А для полос применяют ГОСТ 103-2006, и это еще не полный перечень. Необходимая прочность поддерживается за счет старения мартенсита.
Такие мартенситно-стареющие стали имеют привлекательные технологические свойства. После закаливания они будут весьма пластичны и хорошо обрабатываемы режущим инструментом. Вырабатывают эти металлы в индукционных печах либо электрошлаковой плавкой. Мартенситно-стареющие стали имеют иногда высокую коррозионную устойчивость. Рассмотреть их состав уместно на примере маркировки 03Х9К14Н6М3Д.
В нее входят:
Также стоит обратить внимание на ПНП-стали, делящиеся на две подгруппы. Одна имеет полностью аустенитную структуру — и называется еще трип-сталями. В таком виде сплавов создается высокая концентрация никеля и прочих стабилизирующих аустенит компонентов. Это существенно удорожает продукцию. Свариваемость ПНП-металла ограничена, обработать его механически также будет весьма трудно.
Многофазные марки стали содержат аустенит, обогащаемый углеродом. В процессе деформации или при активном механическом воздействии он будет преобразовываться в мартенсит. Концентрация углерода составляет 0,2%. Доля марганца достигает 1,5%.
Подобные стали, наряду с высокой прочностью, имеют еще одно хорошее свойство — они легко деформируются, что позволяет получать конструкции со сложной геометрией.
Говоря про другие марки, надо упомянуть еще 20Х2Г2СНВМ. При концентрации углерода 0,18—0,25% она содержит также:
Среди трип-сталей выделяется 30Х9Н8М4Г2С. Это метастабильный аустенитный сплав. В его состав входят:
2% марганца и кремния.
Применение
Особо стойкие марки стали применяют не только для болтов и других крепежей. Тот же сплав 30ХГСА используют, чтобы делать:
прочие улучшаемые части, эксплуатируемые при температуре до 200 градусов;
сварные конструкции, применяемые для ответственных работ;
прочие изделия, рассчитанные на знакопеременные нагрузки.
Марка 35ХГСА после грамотного отпуска прочнее предыдущего сплава. Такой материал подойдет для получения:
сварных сложных деталей;
прочих изделий, рассчитываемых на особые нагрузки.
Примечательна сталь ЭИ643. Она подходит для дисков и валов. Из нее делают шестеренки редукторов и различные крепежи. Ее, наряду с 30ХГСА и ВЛ-1, используют даже в авиационной промышленности. Мартенситно-стареющая сталь представлена еще и сплавом Н18К9М5Т; здесь аналогами будут:
Мартенситно-стареющий металл может работать при охлаждении до — 196 градусов и при нагреве до 400 градусов. Допускается его эксплуатация в среде со слабой химической агрессивностью. Такие вещества имеют превосходную эрозионную стойкость. Хорошими примерами являются:
Такие металлы применяют, чтобы делать:
резервуары, рассчитанные на высокое давление;
зубчатые передачи различных моторов;
двигательные валы на вертолетах.
Сварка
Высокопрочные стали варят по особой технологии. Среднеуглеродистый легированный металл относительно вязок и пластичен. Рессорная сталь с легирующими компонентами варится при условии непременной предварительной термической обработки. В ходе самой работы требуется обеспечить подогрев. Но и после окончания сварки придется заниматься термообработкой.
Средние по содержанию углерода сплавы отличаются хорошей прокаливаемостью. Прогрев свариваемых изделий не понижает скорости падения температуры. Это приводит к ускоренному росту зерен. Вывод прост: варить подобный металл следует без заблаговременного подогрева.
Однако могут использоваться специализированные методики: блочная, каскадная сварка, работа на укороченных участках.
Иногда используются специальные приспособления, подогревающие шов. Это позволяет поддержать его дольше при заданной температуре. Чтобы перегреть сталь, исключая возникновение мартенситной структуры, могут применять отжигающие валики. Концентрация углерода в создаваемом шве должна составлять максимум 0,15%. Иначе обстоят дела при сварке на умеренно легируемых глубоко прокаленных сталях особой прочности.
Это требует подбора сварочных материалов, позволяющих формировать швы с повышенной деформационной способностью. Такое свойство должно достигаться при ограниченном насыщении ванны водородом. Недопустимо применение электродов с органическими покрытиями. В шве должно содержаться максимум:
1,5% хрома и марганца;
0,5% кремния и ванадия;
Среднеуглеродистый металл варят под аргоновой защитой. При этом используют неплавкий электрод. Присадочное вещество подбирают сообразно применяемому газу.
Улучшить работу помогает использование активирующего флюса. Он позволит отказаться от разделки кромок.
Какая сталь самая прочная в мире?
Наивысшую прочность имеет нитинол. Такая сталь известна также как SM-100. Изначально ее создавали для использования в ракетах в США. Этот металл весьма прочен и отличается жесткостью. Сегодня SM-100 применяют широко и для изготовления ножей.
Список самых прочных материалов, известных человеку
Но прочность — это довольно широкое понятие, под которым скрывается множество свойств и допущений. Например, материал может быть прочным только в одном направлении, а в других хрупким. Поэтому наш список нельзя считать полностью объективным.
Стекловолокно
В 1932 году Рассел Слейтер создал новый прочный материал и использовал его в качестве теплоизоляции для зданий.
Стекловолокно имеет сопоставимые механические свойства, как полимеры и углеродное волокно. Несмотря на то, что стекловолокно не так прочно, как углеродное, оно намного дешевле и менее хрупко при использовании в различных композитах.
Стекло из микролегированного палладия
В 2011 году исследователи материалов из Калифорнийского технологического института совместно с лабораторией Беркли разработали новый тип металлического стекла с широким спектром свойств, которое намного прочнее стали.
Как следует из названия, это металлическое стекло изготовлено из палладия — металла с высоким коэффициентом жёсткости. Палладий снижает хрупкость стекла, но увеличивает его прочность.
Титановые сплавы
Такие сплавы чрезвычайно лёгкие и обладают высокой стойкостью к коррозии. Из-за этих свойств сплавы широко используются в кораблестроении.
При всех достоинствах титановых сплавов, они очень дорогие, а потому применение сильно ограничено в гражданском производстве. В основном материал используют в производстве военных судов и ледоколов.
Карбид вольфрама
Соединение карбида вольфрама состоит из равных частей атомов углерода и вольфрама. Он в основном используется для создания тяжёлых промышленных режущих инструментов и пуль большого калибра.
Лонсдейлит
Это природный минерал, образующийся при падении на Землю метеоритов, содержащих графит. Во время удара о поверхность вырабатывается тепло, которое превращает графит в алмаз под высоким давлением. При таком превращении сохраняется гексагональная кристаллическая решётка графита.
Лонсдейлит был назван в честь прославленного кристаллографа, родом из Ирландии, Кэтлина Лонсдейла. В прессе часто сообщалось, что лонсдейлит на 58% твёрже алмаза. Но это оказалось мифом. По шкале Мооса твёрдость минерала составляет 7–8 единиц.
Мартенситностареющая сталь
Это особая разновидность сверхвысокопрочных сталей, прочность которых определяется интерметаллическими соединениями, а не углеродом. Такие стали известны своей прочностью и твёрдостью, не теряя пластичности.
Одним из основных элементов, используемых в мартенситностареющей стали, является 25-процентная массовая доля никеля. Его лучшее соотношение веса и прочности, чем у большинства других сталей, позволяет широко использовать мартенсит в ракетах и обшивках ракет.
Вектран
Производится только японской корпорацией «Kuraray», а представляет собой химически стабильный полиэстер с высокой прочностью и термостойкостью.
В основном используются для закрепления электрических кабелей, канатов, а также в качестве одного из композитных материалов для высококлассных велосипедных шин. Есть и недостаток. Имея высокую прочность, материал легко трескается.
Кевлар
Впервые был использован в 1970-х годах не в военной технике, а в качестве замены стали в гоночных шинах. Материал получил широкое применение в промышленности, так как он в 5 раз прочнее стали.
Сейчас кевлар широко применяется в производстве велосипедных шин, парусов для гоночных яхт, пуленепробиваемых жилетов. Получил широкое применение в аэрокосмической отрасли.
Паучий шёлк
Эти произведения искусства паука выступают одним из самых твёрдых материалов, встречающихся в природе.
Прочность паучьего шёлка зависит от вида и от ряда других внешних факторов, таких как температура и влажность, во время тестирования. Но при подходящих условиях эта нить в 10 раз прочнее кевлара на растяжение.
Это интересно: Если паучья нить была бы длиной 40 000 километров, что равно длине окружности экватора, она бы весила около 500 граммов.
Карбид кремния
На фото: Минерал муссанит, который является природной разновидностью карбида кремния.
Этот материал составляет основу брони многих боевых танков. Он обладает высокой твердостью и прочностью, а также очень устойчив к радиации и химическим соединениям.
Patella vulgata
Этот вид морских улиток, широко известный как «европейский блюдец», в основном встречается в Западной Европе. Их зубы — один из самых прочных материалов, обнаруженных в живой природе.
Исследование 2015 года, опубликованное в журнале «Royal Society Journal», показало, что зуб европейского моллюска может быть прочнее, чем паучий шёлк, который официально является самым прочным природным материалом на Земле.
Вюрцит борная нанотрубка
Вюрцит нитрит бора — одно из самых редких веществ в мире. Они либо обнаруживаются естественным путём, либо синтезируются вручную. Материал назвали в честь прославленного французского химика Шарля Вюрца.
Различные симуляции показали, что борные нанотрубки из вюрцита могут выдерживать на 18% большее напряжение, чем алмаз. В природе они образуются во время извержений вулканов, под воздействием высоких температур и давления.
Buckypaper
Уникальный материал был создан американскими и бразильскими учёными. Сделан он из углеродных нанотрубок. Считается, что этот материал примерно в 50 000 раз тоньше, чем средний человеческий волос, и в 500 раз прочнее стали.
Ещё одна интересная характеристика Buckypaper в том, что она может рассеивать тепло, как латунь или сталь, и проводить электричество, как медь или кремний.
Зилон (Zylon)
Зилон специально разработан американским независимым институтом «SRI International» как особая разновидность термореактивного жидкокристаллического полиоксазола. Он в 1,6 раза прочнее, чем кевлар.
Zylon используется в ряде областей, где требуется очень высокая прочность и отличная термическая стабильность. Теннисные ракетки, сноуборды — вот некоторые из его известных применений.
Углеродное волокно
Диаметр таких волокон равен 5–10 микрометров и состоят они в основном из атомов углерода. У таких волокон есть ряд преимуществ перед сталью и сплавами.
У этих волокон высокая жёсткость, высокая прочность на разрыв, малый вес и высокая химическая стойкость. Эти свойства сделали углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической, военной отраслях. Широко используют их в производстве спортивного снаряжения.
Волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (Dyneema)
Dyneema — это прочное и сверхлёгкое полиэтиленовое волокно, которое в основном используется в качестве композитных пластин для создания бронированных автомобилей. Оно легче воды, а останавливает пули и в 15 лучше стали.
Также используется для изготовления альпинистского снаряжения, рыболовных верёвок, тетивы для лука. Он имеет высокий предел текучести 2,4 ГПа и низкий удельный вес 0,97 г/см³.
Алмаз
Такие свойства алмаза человек стал применять в промышленности, в качестве изоляторов и полупроводников. А алмазная крошка просто незаменима при резке высокотвёрдых материалов.
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки, как алмаз и графит, являются производным аллотропов углерода в цилиндрической наноструктуре. Исключительная прочность и меньший вес являются причиной его ценности для электронной промышленности и нанотехнологий.
Кроме того, благодаря своей превосходной теплопроводности, электрическим и механическим свойствам углеродные нанотрубки являются основой многих отраслей промышленности.
Графен
Графен, пожалуй, самый прочный материал, известный людям. В нём один слой углерода, расположенный в треугольной решётке. Является основным структурным элементом древесного угля, графита и углеродных нанотрубок.
Хотя графен производится в небольших количествах уже более века, первое изолированное открытие материала было сделано К. Новоселовым и А. Геймом в 2004 году. Оба за свой вклад в развитие науки получили Нобелевскую премию в области физики.
Подведём итог
Подытоживая подборку уникальных материалов, отметим, что прочность любого материала измеряется его пределом прочности на разрыв, то есть сопротивлением любого материала перед разрушением под постоянным давлением. Сейчас в большинстве случаев прочность измеряют методом конечных элементов, который является самым эффективным.
12 самых прочных металлов на планете
Природа
Свинец
Свинец относительно мягкий, но его низкая температура плавления и высокая коррозионная стойкость делают его очень востребованным элементом во всех отраслях промышленности.
Свинец входит в ряд наиболее часто встречающихся элементов на планете. В настоящее время историки вместе с археологами доказали, что свинец был известен людям ещё в VI тысячелетии до нашей эры, и, предположительно, использовался для плавки.
Чаще всего свинец используют для производства разнообразных типов сплавов. Используют его в качестве красителя, окислителя в пластмассах, свечах, стекле и полупроводниках. Ещё в период Средневековья из него стали изготавливать пули.
Олово
Физически олово характеризуется как мягкий серебристо-белый металл, который одновременно пластичен и податлив. В условиях комнатной температуры он практически не окисляется и не поддаётся коррозии.
Олово наиболее широко используют в сплавах. Это мягкие припои олово-свинец, которые обычно состоят из 60% или более олова. Из-за своей низкой токсичности лужёные металлические банки популярны в пищевой промышленности.
По распространённости на Земле этот важный для жизни природный элемент обосновался на 49 месте.
Алюминий
Этот металл обладает особыми качествами, которые делают его незаменимым в производстве и жизни современного общества. Это один из наиболее широко используемых цветных металлов в мире.
Около 8% земной коры состоит из алюминия, а его концентрация в Солнечной системе составляет 3,15 части на миллион. Из-за своей низкой плотности и устойчивости к коррозии, алюминий является ключевым элементом в аэрокосмической и инфраструктурной промышленности.
Примечательно, что чистый алюминий имеет предел текучести около 15–120 МПа, его сплавы намного прочнее и имеют предел текучести от 200 до 600 МПа.
Золото
Один из самых ценных и востребованных минералов на Земле. Он одновременно очень пластичный и податливый. Высокая цена на золото обусловлена его редкостью.
Металл широко используется в ювелирном деле, электронике и медицине. Исторически золото использовалось для изготовления денег. Около 10% мирового производства золота идёт в электронную промышленность, где оно используется для изготовления коррозионно-стойких компонентов.
Геологи считают, что в недрах нашей планеты скрыто около 80% от общего запаса золота.
Серебро
Драгоценный металл, имеющий огромное значение для многих высокотехнологичных отраслей промышленности. Из всех металлов у серебра самые высокие показатели электрической и теплопроводности. По этой характеристике он превосходит медь.
Из-за высокой стоимости металл используется только в нескольких отраслях, например, в электронике. Серебряное покрытие различных схем и полупроводниковых устройств необходимо для их правильного функционирования. Помимо электроники и создания ювелирных шедевров, серебро широко используется в качестве антибиотического покрытия в медицинских инструментах и приборах.
Это великолепный катализатор для большинства процессов окисления. В годы Второй мировой войны почти 13 000 тонн серебра было использовано для обогащения урана.
Титан
Титан входит в десятку самых распространённых металлов земной коры и содержится в большинстве магматических пород в виде оксидов. Имеет высокое отношение прочности к массе.
Среди других характеристик следует отметить высокую температуру плавления и относительно низкую электропроводность по сравнению с большинством других металлов. Титан используется в качестве легирующего элемента в различных типах сплавов для достижения большей прочности.
Благодаря своей высокой коррозионной стойкости и прочности на разрыв титан стал основным материалом в аэрокосмической и судостроительной отрасли.
Твёрдый блестящий хром имеет одну из самых высоких температур плавления среди всех металлов. Хром известен своими необычными магнитными свойствами.
Он проявляет антиферромагнитные свойства при комнатной температуре, но при температуре выше 38°C превращается в парамагнитный металл. Хром занимает 22 место по распространённости элементом на Земле и в основном добывается из минералов, таких как кимберлит.
Почти 85% добытого хрома приходится на производство металлических сплавов, а остальное используется для окрашивания, нанесения покрытий, производства тугоплавких материалов, а также в качестве катализатора для обработки углеводородов.
Один из немногих элементов, которые встречаются в природе в пригодной для использования металлической форме, которую не нужно извлекать из какой-либо минеральной руды.
Благодаря этой особенности люди могли использовать медь ещё до 7 000 году до нашей эры. В 3 500 году до нашей эры медь сплавили с оловом для получения бронзы. Впервые в истории человечества один металл был сплавлен с другим. Сейчас основная часть мирового производства меди используется в кабельных проводах и электрических цепях. Используют в производстве сантехники, кровле.
В человеке находится от 1,4 до 2,1 мг меди на 1 кг своего веса. Чрезмерное накопление меди в печени может привести к серьёзному повреждению органа и нервно-психическим симптомам. Это состояние известно как болезнь Вильсона.
Никель
Никель — переходный элемент, жизненно важен для производства сплавов, так как почти 68% от общего объёма производства никеля в мире используется для производства нержавеющей стали. Другие области применения никеля включают гальванику, производство аккумуляторных батарей и чеканку монет.
В природе никель встречается в основном в минералах с большим содержанием мышьяка или серы, таких как никелин, пентландит и миллерит. Индонезия является крупнейшим производителем никеля в мире, за ней следуют Филиппины и Россия.
Никель также играет важную биологическую роль в организме человека и микроорганизмов. Исследование, проведённое в 2014 году, показало, что пациенты, страдающие диабетом 2 типа, имеют высокую концентрацию никеля в крови по сравнению с теми, у кого этого заболевания нет.
Тантал
Помимо того, что тантал — прочный металл, он также выступает одним из самых плотных материалов на Земле. Тантал известен своей способностью противостоять коррозии настолько, что он может выдерживать очень агрессивную царскую водку при температуре ниже 150°C.
Этот элемент принадлежит к особой группе металлов, которые чрезвычайно устойчивы к нагреванию и известны как тугоплавкие металлы. Они хоть и в небольших количествах, но применяются в производстве всевозможных сплавов.
Тантал широко используется в секторе электроники для производства прочных сверхмощных конденсаторов для телефонов, планшетов, компьютеров, фотоаппаратов и высокоточных устройств для автомобилей.
Железо
Удивительный металл, который составляет большую часть ядра Земли и является четвёртым по распространённости элементом земной коры.
Элемент в чистом виде является пластичным, но легко комбинируется с другими элементами для получения сплавов железа, таких как чугун и сталь. Широко используется в промышленности из-за прочности и относительно малой стоимости.
Современные стали можно разделить на четыре разновидности. Это углеродистая сталь, низколегированная, высокопрочная низколегированная и легированная сталь. В то время как углеродистая сталь состоит в основном из железа и углерода. Другие типы содержат различные количества других элементов, таких как молибден, марганец, хром или никель.
Сталь наиболее широко применяют в производстве тяжёлого оборудования машиностроения и в строительной индустрии. Несмотря на появление алюминия, сталь остаётся жизненно важной для производства автомобильных кузовов. Предел текучести сплавов с железом может достигать более 2 000 МПа.
Вольфрам
Известен вольфрам своей высочайшей температурой плавления и беспрецедентной прочностью. Впервые он был открыт в виде кислоты в 1781 году шведским химиком Карлом Шееле. Исследования испанских учёных Фаусто и Хосе Эльхуяра позволили сделать открытие. Они выделили такую же кислоту из минерала вольфрамита, из которого позже выделили вольфрам с помощью древесного угля.
Помимо широкого использования в лампах накаливания, способность вольфрама функционировать при экстремальных температурах делает его востребованным элементом в военной промышленности.
Во время Второй мировой войны вольфрам играл важную роль в проведении экономических и политических сделок между европейскими странами. Большие его запасы были сосредоточены в Португалии, что подняло международный авторитет страны.
В заключение
Человечество давно пришло к выводу, что без металлов существование цивилизации на планете было бы невозможно. Все минералы или металлы, обнаруженные на Земле, ценны для человека, но только несколько из них имеют чрезвычайное значение. Чистые металлы мягкие или слабые, но включение в их сплав других металлов и примесей делает их намного прочнее. Редакция TheBiggest будет рада вашим комментариям по теме статьи. напишите какие прочные металлы вы часто используете в жизни.
Читайте также: