Самые твердые металлы в мире. Создан самый износостойкий металлический сплав в мире Самый прочный сплав на земле

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.

Наш мир полон удивительных фактов, которые интересны множеству людей. Не являются исключением и свойства различных металлов. Среди этих элементов, которых в мире насчитывается 94, есть самые пластичные и ковкие, есть также с высокой электропроводностью или с большим коэффициентом сопротивления. В этой статье речь пойдет о самых твердых металлах, а также об их уникальных свойствах.

Первенство в перечне металлов, отличающихся наибольшей твердостью, занимает иридий. Его открыл в начале XIX века химик из Англии Смитсон Теннант. Иридий обладает следующими физическими свойствами:

имеет серебристо-белый цвет;
температура его плавления – 2466 о С;
температура кипения – 4428 о С;
сопротивление – 5,3·10−8Ом·м.

Поскольку иридий является твердейшим металлом на планете, он с трудом поддается обработке. Но его все же применяют в различных промышленных сферах. К примеру, из него изготавливаются небольшие шарики, которые используются в перьях для ручек. Из иридия изготавливают комплектующие к космическим ракетам, некоторые детали для автомобилей и другое.

В природе встречается очень мало иридия. Находки этого металла являются своего рода свидетельством того, что в месте, где он был обнаружен, падали метеориты. Эти космические тела содержат значительное количество металла. Ученые полагают, что наша планета также богата иридием, но его залежи находятся ближе к ядру Земли.

Вторая позиция в нашем списке достается рутению. Открытие этого инертного металла серебристого цвета принадлежит русскому химику Карлу Клаусу, которое было сделано в 1844 году. Этот элемент относится к платиновой группе. Он является редким металлом. Ученым удалось установить, что всего на планете имеется примерно 5 тыс. тонн рутения. В год удается добыть примерно 18 тонн металла.

Из-за ограниченного количества и высокой стоимости рутений редко применяется в промышленности. Его используют в следующих случаях:

его небольшое количество добавляют в титан, чтобы улучшить коррозийные свойства;
из его сплава с платиной делают электрические контакты, отличающиеся высокой стойкостью;
рутений часто используют в качестве катализатора для химических реакций.

Открытому в 1802 гуду металлу, названному танталом, достается третье место в нашем списке. Его обнаружил шведский химик А. Г. Экеберг. Долгое время считалось, что тантал тождественен ниобию. Но немецкому химику Генриху Розе удалось доказать, что это два разных элемента. Выделить тантал в чистом виде смог ученый Вернер Болтон из Германии в 1922 году. Это очень редкий металл. Больше всего залежей танталовой руды было обнаружено в Западной Австралии.

Благодаря своим уникальным свойствам, тантал является очень востребованным металлом. Он применяется в различных сферах:

в медицине из тантала изготавливают проволоку и другие элементы, которые могут скреплять ткани и даже выступать заменителем кости;
сплавы с этим металлом устойчивы к агрессивной среде, благодаря чему они используются при изготовлении авиакосмической техники и электроники;
тантал также применяют для создания энергии в атомных реакторах;
элемент широко применяется в химической промышленности.

Одним из самых твердых металлов является и хром. Его открыли в России в 1763 году в месторождении Северного Урала. Он имеет голубовато-белый цвет, хотя бывают случаи, что его считают черным металлом. Хром нельзя назвать редким металлом. Его залежами богаты следующие страны:

Казахстан;
Россия;
Мадагаскар;
Зимбабве.

Месторождения хрома есть и в других государствах. Этот металл широко применяется в различных отраслях металлургии, науки, машиностроения и других.

Пятая позиция в списке наиболее твердых металлов досталась бериллию. Его открытие принадлежит химику Луи Никола Воклену из Франции, которое было сделано в 1798 году. Этот металл имеет серебристо-белый цвет. Несмотря на свою твердость, бериллий является хрупким материалом, что сильно усложняет его обработку. Его применяют для создания высококачественных громкоговорителей. Он применяется для создания реактивного топлива, огнеупорных материалов. Металл широко используется при создании аэрокосмической техники и лазерных установок. Он также применяется в атомной энергетике и при изготовлении рентгенотехники.

В список твердейших металлов также входит осмий. Он является элементом, входящим в платиновую группу, и по своим свойствам схож с иридием. Этот тугоплавкий металл устойчив к воздействиям агрессивной среды, имеют большую плотность, и плохо поддается обработке. Открыл его ученый Смитсон Теннант из Англии в 1803 году. Этот металл широко применяется в медицине. Из него изготовлены элементы электрокардиостимуляторов, он также применяется при создании клапана легочного ствола. Он широко применяется также в химической промышленности и в военных целях.

Переходному серебристому металлу рению достается седьмая позиция в нашем списке. Предположение о существовании этого элемента были сделаны Д. И. Менделеевым в 1871 году, а открыть его удалось химикам из Германии в 1925 году. Уже через 5 лет после этого удалось наладить добычу этого редкого, прочного и тугоплавкого металла. На то время за год удавалось получить 120 кг рения. Сейчас количество ежегодной добычи металла увеличилось до 40 тонн. Он применяется для производства катализаторов. Из него также изготавливают электрические контакты, способные самоочищаться.

Серебристо-серый вольфрам является не только одним из наиболее твердых металлов, он также лидирует по тугоплавкости. Его удается расплавить только при температуре в 3422 о С. Благодаря такому свойству он используется для создания элементов накаливания. Сплавы из этого элемента обладают высокой прочностью и часто применяются в военных целях. Вольфрам также используется для производства хирургических инструментов. Из него также изготавливают контейнеров, в которых хранят радиоактивные материалы.

Одним из наиболее твердых металлов является уран. Его открыл в 1840 году химик Пелиго. Большой вклад в изучение свойств этого металла сделал Д. И. Менделеев. Радиоактивные свойства урана были выявлены ученым А. А. Беккерелем в 1896 году. Тогда химик из Франции выявленные излучения металла назвал лучами Беккереля. Уран часто встречается в природе. Странами, имеющими наибольшие месторождения урановой руды, являются Австралия, Казахстан и Россия.

Заключительное место в десятке твердейших металлов достается титану. Впервые этот элемент в чистом виде удалось получить химику Й. Я. Берцелиусу из Швеции в 1825 году. Титан является легким металлом серебристо-белого цвета, который отличается высокой прочностью и устойчивостью к коррозии и механическим воздействиям. Сплавы из титана применяются во многих отраслях машиностроения, медицины и химической промышленности.

Когда речь идет о твердом и прочном металле, то в своем воображении человек сразу же рисует воина с мечом и в доспехах. Ну или с саблей, и обязательно из дамасской стали. Но сталь, хоть и прочный, но не чистый металл, ее получают путем сплава железа с углеродом и некоторыми другими металлами-добавками. И при необходимости сталь подвергают обработке, чтобы изменить ее свойства.

Легкий прочный металл серебристо-белого цвета

Каждая из добавок, будь то хром, никель или ванадий, отвечают за определенное качество. А вот для прочности добавляют титан – получаются самые твердые сплавы.

По одной версии, металл получил свое название от Титанов, могучих и бесстрашных детей богини Земли Геи. Но по другой версии, серебристое вещество названо в честь королевы фей Титании.

Титан открыли немецкий и английский химики Грегор и Клапрот независимо друг от друга с разницей в шесть лет. Произошло это в конце 18-го века. Вещество тут же заняло место в периодической системе Менделеева. Спустя три десятилетия был получен первый образец металлического титана. И довольно долго металл не использовали из-за его хрупкости. Ровно до 1925 года – именно тогда, после ряда опытов, иодидным методом был получен чистый титан. Открытие стало настоящим прорывом. Титан оказался технологичным, на него тут же обратили внимание конструкторы и инженеры. И сейчас металл из руды получают, в основном, магниетермический способом, который предложили в 1940 году.

Если затрагивать физические свойства титана, то можно отметить его высокую удельную прочность, прочности при высоких температурах, маленькую плотность и коррозийную стойкость. Механическая прочность титана в два раза выше прочности железа и в шесть – алюминия. При высоких температурах, где легкие сплавы уже не работают (на основе магния и алюминия), на помощь приходят титановые сплавы. К примеру, самолет на высоте в 20 километров развивает скорость в три раза выше, чем скорость звука. И температура его корпуса при этом около 300 градусов по Цельсию. Нагрузки такие выдерживает только титановый сплав.

По распространенности в природе металл занимает десятое место. Титан добывают в ЮАР, России, Китае, Украине, Японии и Индии. И это далеко не полный перечень стран.

Титан - прочный и легкий металл в мире

Перечень возможностей применения металла вызывает уважение. Это военная промышленность, остепротезы в медицине, ювелирные и спортивные изделия, платы мобильных телефонов и многое другое. Постоянно возносят титан конструкторы ракето, авиа, кораблестроения. Даже химическая промышленность не оставила металл без внимания. Титан отличен для литья, ведь очертания при отливке точны и имеют гладкую поверхность. Расположение атомов в титане аморфное. И это гарантирует высокую прочность при растяжении, ударную вязкость, превосходные магнитные свойства.

Твердые металлы с наибольшей плотностью

Одними из самых твердых металлов, так же, являются осмий и иридий. Это вещества из платиновой группы, у них самая высокая, почти одинаковая, плотность.

Иридий открыли в 1803 году. Обнаружил металл химик из Англии Смитсон Теннат, во время исследования природной платины из Южной Америки. Кстати, с древнегреческого «иридий» переводится как «радуга».

Самый твердый металл добыть довольно сложно, поскольку в природе его почти нет. И часто металл находят в метеоритах, которые упали на землю. По словам ученых, на нашей планете содержание иридия должно быть намного больше. Но из-за свойств металла – сидерофильности – он находится на самой глубине земных недр.

Иридий довольно сложно обработать и термическим, и химическим способом. Металл не вступает в реакцию с кислотами, даже сочетаниями кислот при температуре меньше 100 градусов. При этом, вещество подвержено процессам окисления в царской водке (это смесь соляной и азотной кислот).

Интерес, как к источнику электрической энергии, представляет изотоп иридия 193 m 2. Поскольку период полураспада металла составляет 241 год. Нашел широкое применение иридий в палеонтологии и промышленности. Его используют при изготовлении перьев для ручек и определение возраста разных слоев земли.

А вот осмий открыли на год позже, чем иридий. Этот твердый металл нашли в химическом составе осадка платины, которая была растворена в царской водке. И название «осмий» получилось из древнегреческого слова «запах». Металл не подвержен механическому воздействию. При этом, один литр осмия в разы тяжелее, чем десять литров воды. Впрочем, это свойство пока осталось без применения.

Осмий добывают на американских и российских рудниках. Богато его месторождение и в ЮАР. Довольно часто металл находят в железных метеоритах. Для специалистов представляет интерес осмий-187, который экспортируется только из Казахстана. С его помощью определяют возраст метеоритов. Стоит отметить, что всего один грамм изотопа стоит 10 тысяч долларов.

Ну а используют осмий в промышленности. И не в чистом виде, а в виде твердого сплава с вольфрамом. Производят из вещества лампы накаливания. Осмий является катализатором при изготовлении нашатырного спирта. Редко из металла изготавливают режущие части для нужд хирургии.

Самый твердый металл из чистых

Самый твердый из чистейших металлов на планете – хром. Он отлично поддается механической обработке. Металл голубовато-белого цвета обнаружили в 1766 году в окрестностях Екатеринбурга. Минерал тогда получил название «сибирский красный свинец». Его современное название – крокоит. Через несколько лет после открытия, а именно, в 1797 году, французский химик Воклен выделил из металла новый металл, уже тугоплавкий. Специалисты сегодня полагают, что полученное вещество – карбид хрома.

Название этого элемента образовано от греческого «цвет», ведь сам металл славится разнообразием окраски своих соединений. Хром довольно просто встретить в природе, он распространенный. Найти металл можно в ЮАР, которая по добыче занимает первое место, а так же в Казахстане, Зимбабве, России и Мадагаскаре. Присутствуют месторождения в Турции, Армении, Индии, Бразилии и на Филиппинах. Специалисты особенно ценят некоторые соединения хрома – это хромистый железняк и крокоит.

Самый твердый металл в мире - вольфрам

Вольфрам – это химический элемент, самый твердый, если рассматривать его в ряду с другими металлами. Его температура плавления необычайно высока, выше – только у углерода, но это не металлический элемент.

Но природная твердость вольфрама в то же время не лишает его гибкости и податливости, что позволяет выковывать из него любые необходимые детали. Именно его гибкость и теплоустойчивость делает вольфрам идеально подходящим материалом для выплавки мелких деталей осветительных приборов и деталей телевизоров, например.

Используется вольфрам и в более серьезных областях, например, оружестроении - для изготовления противовесов и артиллерийских снарядов. Этим вольфрам обязан высокому показателю плотности, что делает его основным веществом тяжелых сплавов. Плотность вольфрама близка по показателю к золоту – всего несколько десятых составляют разницу.

На сайте сайт можно прочитать какие же металлы являются самыми мягкими , как их используют, и что из них делают.
Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен

Стекло из металла

Специалистами калифорнийского института технологий получен уникальный по своим свойствам материал - это самый прочный сплав на сегодняшний день - «металлическое стекло». Уникальность нового сплава в том, что металлическое стекло сделано из металла, но имеет внутреннюю структуру стекла. Сегодня ученые выясняют, что именно придает сплаву такие необычные свойства и каким образом их можно будет внедрить в сплавы из менее дорогостоящих материалов.

Аморфная структура стекла, в отличие от кристаллической структуры металла, не защищена от распространения трещин, чем и объясняется хрупкость стекла. Этим же недостатком обладают и металлические стекла, которые также достаточно легко разрушаются, образуя сдвиговые полосы, перерастающие в трещины.

Свойства сплава

Специалистами калифорнийского института было замечено, что появление большого числа сдвиговых полос дает высокое противодействие развитию трещин, благодаря чему достигается обратный эффект: материал изгибается, не разрушаясь. Именно такой материал, энергия выработки сдвиговых полос которого намного меньше энергии, требующейся для превращения их в трещины, они и создали. «Смешивая пять элементов, мы добивались того, что при охлаждении материал «не знает», какую структуру принять, и выбирает аморфную», - пояснил участник исследования Р. Ритчи.

Металлическое стекло

Самый прочный сплав - металлическое стекло - состоит из благородного палладия, кремния, фосфора, германия с небольшим добавлением серебра (формула: Pd79Ag3,5P6Si9,5Ge2).

Новый сплав показал себя в тестах как сочетание взаимоисключающих свойств - силы и выносливости на уровне, ранее не замеченной в каком-либо другом материале. В результате, новое металлическое стекло сочетает твёрдость, свойственную стёклам, с сопротивлением развитию трещин, характерным для металлов. Причем, уровень жесткости и прочности находится в пределах досягаемости.

Использование материала

Для конструкционного металла проведенное исследование значительно отодвинуло грани переносимости нагрузок. Но, по прогнозам ученых, широкое применение самый прочный сплав, ввиду редкости и дороговизны основного его компонента – палладия, может и не найти. Тем не менее, разработчики сообщили о возможном использовании данного материала в медицинских имплантатах (например, для внутричелюстных протезов), а также в качестве деталей в автомобильной или аэрокосмической отрасли.

Американские инженеры из Сандийских национальных лабораторий утверждают, что им удалось создать самый прочный металлический сплав, который по износостойкости в сто раз превосходит самую высокопрочную сталь. Известная комбинация платины и золота, но изготовленная по-новому, стала первым сплавом, который по своим свойствам . Кроме того, новый материал естественным образом производит смазку, затраты на которую в обычных условиях слишком высоки.

Интересно, что эксперименты с платиной и золотом проводились и ранее, но до сих пор такие сплавы не проверялись на прочность с достаточной пристальностью. Дело в том, что в традиционном представлении устойчивость материала к износу зависит от его твёрдости, а данное сочетание металлов не может похвастаться этим показателем.

Однако в новой работе Джон Карри (John Curry) и его коллеги разработали принципиально новый подход. Они создали сплав, содержащий привычные 90% платины и 10% золота, который определённым образом реагирует на нагрев, что позволяет ему длительное время не деформироваться при трении. Добиться этого удалось за счёт изменения энергии границ зёрен материала посредством сегрегации (данный процесс связан с изменением свойств, состава и структуры поверхностных слоёв атомов).

Специалисты воспользовались компьютерным моделированием для исследования возможной микроструктуры на уровне отдельных атомов при различном сочетании исходных материалов. На основании этого анализа они отобрали для реальных испытаний сплавы, устойчивые к температурному воздействию.

"При разработке многих традиционных сплавов увеличения прочности материала добивались за счёт уменьшения размера зерна, - рассказывает Карри в . - И всё же при экстремальном напряжении и температуре многие из них будут расширяться или размягчаться, особенно при накоплении усталости . Но в случае с нашим сплавом мы видим отличную механическую и термическую стабильность без значительного изменения микроструктуры в течение очень длительных периодов циклического напряжения, связанного с трением".

По словам авторов исследования, если бы из нового сплава были изготовлены шины для соревнований по дрифту, в ходе которых гонщики проходят повороты в управляемом заносе и очень быстро стирают покрышки, автомобиль на таких колёсах мог бы 500 раз объехать Землю по экватору.

Во время испытаний выяснилась ещё одна удивительная особенность нового материала. При трении на его поверхности сама собой образовалась чёрная плёнка, которая оказалась алмазоподобной модификацией углерода. Такое искусственное покрытие, одновременно гладкое, как графит, и твёрдое, как алмаз, обычно выступает в качестве очень эффективной смазки, но для его производства используются сложные высокотемпературные вакуумные камеры.

"Мы считаем, что стабильность и высокая устойчивость к износу позволяет углеродсодержащим молекулам из окружающей среды прилипать к сплаву, деградировать во время скольжения, и в конечном итоге формировать алмазоподобный углерод", — объясняет Карри.

Таким образом, это самопроизвольное возникновение смазки не только продлевает срок службы материала, но и может стать альтернативным способом её производства.