Рутений
Другой самый крепкий металл в мире, наименование которого произошло от названия нашей страны. Впервые его обнаружили на Урале. Вернее там нашли платину, в составе которой русские ученые позднее выявили новый металл. Это было 200 лет назад.
Благодаря своей красоте рутений нередко применяется в ювелирном деле, но не в чистом виде, ведь он очень редок
Рутений относится к благородным металлам. Он обладает не только твердостью, но и красотой. По твердости он лишь немного уступает кварцу. Но при этом он весьма хрупкий, его легко раскрошить в порошок или разбить, уронив с высоты. Кроме того, это самый легкий и прочный металл, его плотность едва ли составляет тринадцать граммов на сантиметр в кубе.
При всем своем плохом сопротивлении ударам рутений прекрасно противостоит высоким температурам. Чтобы его расплавить, необходимо нагреть более чем до 2300 градусов. Если сделать это при помощи электрической дуги, вещество может перейти сразу в газообразное состояние, миновав стадию жидкости.
В составе сплавов его применение чрезвычайно широко, даже в космической механике, к примеру, сплавы металлов рутения и платины были избраны для изготовления топливных элементов для искусственных спутников Земли.
Характеристики самого плотного металла
Ученые сошлись во мнении, что, несмотря на практически одинаковую плотность, иридий совсем чуть-чуть уступает самому тяжелому металлу. Однако полностью физико-химические свойства этих двух элементов пока не изучены.
Редкостью и трудозатратностью добычи обусловлена стоимость осмия – в среднем от $15 000 за грамм. Он внесен в группу платиновых и условно считается благородным, однако название металла противоречит статусу: по-гречески «осме» значит «запах». Из-за высокой химической активности осмий пахнет смесью чеснока или редьки с хлором.
Температура плавления самого тяжелого металла – 3033 °C, а кипит он при 5012 °C.
Застывая из расплава, осмий образует красивые кристаллы с интересным сине- или серебристо-голубым отливом. Но, несмотря на красоту, для изготовления драгоценных аксессуаров он не подходит, так как не обладает свойствами, необходимыми ювелирам: ковкостью и пластичностью.
Элемент ценен только из-за особой прочности. Сплавы, в которые добавляют совсем малые дозы самого тяжелого металла, становятся невероятно износостойкими. Обычно им покрывают узлы, подвергающиеся постоянному трению.
История открытия
1803—1804 годы стали для самого тяжелого металла поворотными: именно в это время его открытие проходило практически в условиях соревнований.
Сначала английский химик Смитсон Теннант и его ассистент Уильям Хайд Уолластон, совершившие не одно важное открытие, обнаружили в процессе эксперимента с платиновыми рудами и азотной и соляной кислотами необычный осадок с характерным запахом и поделились своей находкой с другими. Далее эстафету перехватили французские ученые Антуан де Фуркруа и Луи-Николя Воклен и на основе предыдущих и своих собственных исследований заявили об обнаружении нового элемента
Название ему дали «птен», что значит «летучий», так как в результате опытов они получали летучий черный дым
Далее эстафету перехватили французские ученые Антуан де Фуркруа и Луи-Николя Воклен и на основе предыдущих и своих собственных исследований заявили об обнаружении нового элемента. Название ему дали «птен», что значит «летучий», так как в результате опытов они получали летучий черный дым.
Однако и Теннант не спал: он продолжал свои исследования и не упускал из виду опыты французов. В итоге Смитсон добился более конкретных результатов и в официальном документе, отправленном Лондонскому королевскому обществу, указал, что разделил птен на два родственных элемента: иридий («радуга») и осмий («запах»).
Где применяют
Список сфер применения довольно обширен: авиация, военная и ракетная техника, аэрокосмическая промышленность, медицина. Хотя производители оружия уже задумываются, чем можно заменить самый тяжелый в мире металл, так как осмий слишком трудно обрабатывать.
Почти половина мировых запасов самого тяжелого металла отдана на нужды химической промышленности. Им окрашивают живые ткани под микроскопом, обеспечивая их сохранность. Кроме того, его применяют как краситель при росписи фарфора.
Изотопы самого тяжелого металла используют для изготовления тары для хранения ядерных отходов.
Места природного залегания
В чистом виде осмий обнаружить практически нереально. Обычно этот тяжелый элемент встречается в соединении с иридием. Вещество содержится в месторождениях платиновых руд и на месте падения или в самих попавших на Землю метеоритах.
Рений
Этот металл обладает очень прочной структурой. Сам он беловатого цвета, а при измельчении в порошок становится черным. Металл очень редок и добывается в совокупности с другими рудами и минералами. Концентрация рения в природе ничтожно мала.
Из-за невероятной дороговизны вещество используются лишь в случаях крайней необходимости. Ранее его сплавы благодаря своей жаростойкости использовались в авиации и ракетостроении, в том числе для оснащения сверхзвуковых истребителей. Именно эта сфера и была основным пунктом мирового потребления рения, сделав его материалом военно-стратегического назначения.
Из рения делают нити накаливания и пружины для измерительных приборов, самоочищающиеся контакты и специальные катализаторы, необходимые для получения бензина. Именно это в последние годы повысило спрос на рений в разы. Мировой рынок готов буквально сражаться за этот редкий металл.
Во всем мире есть лишь одно его полноценное месторождение, и находится оно в России, второе, гораздо меньше, — в Финляндии
Ученые изобрели новое вещество, которое по своим свойствам может стать прочнее известных металлов. Его назвали «Ликвид-металл». Эксперименты с ним начались совсем недавно, но он уже зарекомендовал себя. Вполне возможно, в скором времени «Ликвид-металл» потеснит так хорошо известные нам металлы.
Графен
Общая информация:
- Первооткрыватели – Гейм, Новоселов;
- Кристаллическая структура – гексагональная решетка;
- Теплопроводность – 1 ТПа.
Графен представляет собой двумерную аллотропную модификацию углерода, в которой атомы объединены в гексагональную решетку. Несмотря на высокую прочность графена, толщина его слоя составляет 1 атом.
Первооткрывателями материала стали русские физики, Андрей Гейм и Константин Новоселов. В своей стране ученые не заручились финансовой поддержкой и приняли решение о переезде в Нидерланды и Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии. В 2010 году ученым присудили Нобелевскую премию.
Графен
На листе графена, площадь которого равняется одному квадратному метру, а толщина – одному атому, свободно держатся предметы массой до четырех килограмм. Помимо того, что графен высокопрочный материал, он еще и очень гибкий. Из материала с такими характеристиками в будущем можно будет плести нити и другие веревочные структуры, не уступающие в прочности толстому стальному канату. При определенных условиях материал, открытый русскими физиками, может справляться с повреждениями в кристаллической структуре.
Механические свойства металлов.
Прочность
. Прочностью называют свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу. По прочности металлы можно разделить на следующие группы:
непрочные
(временное сопротивление не превышает 50 МПа) — олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы;
прочные
(от 50 до 500 МПа) — магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов;
высокопрочные
(более 500 МПа) — молибден, вольфрам, ниобий и др.
К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.
Временное сопротивление металлов указано в таблице 10.
Таблица 10. Прочность металлов
| Металл | Временное сопротивление, МПа | ||
| Титан | 580 | Цинк | 120-140 |
| Железо | 200-300 | Алюминий | 80-120 |
| Медь | 200-250 | Золото | 120 |
| Магний | 120-200 | Олово | 27 |
| Серебро | 150 | Свинец | 18 |
Пластичность
. Пластичность — это свойство твердых тел сохранять часть деформации при снятии нагрузок, которые их вызвали. В качестве показателя пластичности выборочно относительное удлинение, определяемое при тех же испытаниях, что и временное сопротивление.
По степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:
высокопластичные
— (относительное удлинение превосходит 40 %) — металлы, составляющие основу большинства конструкционных сплавов (алюминий, медь, железо, титан, свинец) и «легкие» металлы (натрий, калий, рубидий идр.);
пластичные
— (относительное удлинение лежит в диапазоне между 3% и 40%) — магний, цинк, молибден, вольфрам, висмут и др. (наиболее обширная группа);
хрупкие
— (относительное удлинение меньше 3%) — хром, марганец, кольбат, сурьма.
Высокая очистка хрупких металлов несколько повышает пластичность. Сплавы, полученные на их основе, почти не поддаются обработке давлением. Промышленные изделия из них часто получают путем литья. Относительное удлинение металлов характеризует таблица 11.
Таблица 11. Пластичность металлов.
| Металл | Относительное удлинение, % | Металл | Относительное удлинение, % |
| Золото | 65 | Титан | 50 |
| Серебро | 65 | Олово | 40 |
| Свинец | 65 | Алюминий | 30-40 |
| Медь | 50-60 | Цинк | 30 |
| Железо | 40-50 | Магний | 10-22 |
Твердость
. Твердость — это характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность, определяемая путем вдавливания шарика (метод Бринелля) или призмы (метод Виккерса). Количественный оценкой твердости является число твердости НВ, равное отношению нагружения (Н) к площади поверхности отпечатка (мм2). Значения твердости металлов по Бринеллю приведена в таблице 12.
Таблица 12. Твердость металлов.
| Металл | НВ | Металл | НВ |
| Титан | 160 | Алюминий | 16-25 |
| Железо | 70-80 | Серебро | 25 |
| Магний | 30-40 | Золото | 18 |
| Медь | 40 | Олово | 5 |
| Цинк | 33 | Свинец | 4 |
Модуль продольной упругости
. Модуль продольной упругости, или модуль Юнга, Е определяет жидкость металла , т.е. интенсивность увеличения напряжения по мере увеличения упругости деформации (таблица 13).
Таблица 13. Модуль Юнга металлов при 20 oС.
| Металл | Е * 10-5, МПа | Металл | Е * 10-5, МПа |
| Железо | 2,17 | Золото | 0,83 |
| Цинк | 1,30 | Алюминий | 0,72 |
| Медь | 1,25 | Олово | 0,55 |
| Титан | 1,08 | Магний | 0,45 |
| Серебро | 0,83 | Свинец | 0,18 |
Сталь и ее сплавы
Сталь — это прочный сплав железа и углерода, с добавками других элементов, таких как кремний, марганец, ванадий, ниобий и пр. Благодаря различным системам легирования стали можно получать совершенно разный комплекс свойств новых сплавов.
Так, высокоуглеродистая сталь — это сплав железа с высоким содержанием углерода — получается прочной, относительно дешевой, долговечной, она хорошо поддается обработке. Из недостатков стоит отметить низкую прокаливаемость и низкую теплостойкость, что делает углеродистую сталь уязвимой в агрессивной среде.
Сферы применения: из углеродистой стали изготавливают различные инструменты, детали машин и сложных механизмов, элементы металлоконструкций. Важным условием применения таких изделий является неагрессивная среда.
Сплав стали, железа и никеля – один из наиболее прочных сплавов. Существует несколько его разновидностей, но в целом легирование углеродистой стали никелем увеличивает предел текучести до 1420 МПа и при этом показатель предела прочности на разрыв доходит до 1460 МПа.
Сферы применения: сплавы на никелевой основе используют в конструкциях некоторых типов мощных атомных реакторов в качестве защитных высокотемпературных оболочек для предохранения от коррозии урановых стержней.
Нержавеющая сталь – коррозионностойкий сплав стали, хрома и марганца с пределом текучести до 1560 МПа и пределом прочности на разрыв до 1600 МПа. Как и все виды стали, этот сплав обладает высокой ударопрочностью и имеет средний балл по шкале Мооса.
Сферы применения: благодаря своим антикоррозийным свойствам нержавеющую сталь широко применяют в самых разных областях – нефтехимической промышленности, машиностроении, строительстве, электроэнергетике, кораблестроении, пищевой промышленности и для изготовления бытовых приборов.
Мартенситно-стареющая сталь
Общая информация:
- Ударная вязкость КСТ – 0,25-0,3 МДж/м2;
- Предел упругости – 1500 Мпа;
- KCU – 0,4-0,6 МДж/м2.
Мартенситно-стареющая сталь
Общая информация:
- Ударная вязкость КСТ – 0,25-0,3 МДж/м2;
- Предел упругости – 1500 Мпа;
- KCU – 0,4-0,6 МДж/м2.
Мартенситно-стареющие стали – сплавы железа, обладающие высокой прочностью при ударах, при этом не теряющие тягучести. Несмотря на такие характеристики, материал не держит режущую кромку. Полученные путем термообработки сплавы – это низкоуглеродистые вещества, берущие прочность от интерметаллидов. В состав сплава входит никель, кобальт и другие карбидообразующие элементы. Данная разновидность высокопрочной, высоколегированной стали легко поддается обработке, связано это с небольшим содержанием в ее составе углерода. Материал с такими характеристиками нашел применение в аэрокосмической области, его используют в качестве покрытия ракетных корпусов.
Уран
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
Осмий
Этот прочный металл еще более дорогой, чем иридий (а уступает лишь калифорнию). Однако применяется он в таких областях, где важнее результат, чем затраты на него: для производства медицинского оборудования в самые лучшие мировые клиники. Кроме того, может использоваться для изготовления электрических контактов, деталей измерительной техники и дорогих часов вроде «Ролекс», электронных микроскопов, военных боеголовок. Благодаря осмию они становятся прочнее и выдерживают более высокие температуры, вплоть до экстремальных.
Осмий не встречается в природе самостоятельно, только в паре с родием, так что после добычи предстоит задача разделить их атомы. Реже встречается осмий в «комплекте» с платиной, медью и некоторыми другими рудами.
В год на планете вырабатывается лишь несколько десятков килограммов вещества
Почему графен – материал будущего?
Графен – самый тонкий и прочный материал, известный человеку.
Графен – самый прочный материал, известный человеку. Будучи прозрачным, графен состоит из однослойного атома углерода, расположенного в треугольной решетке и является основным структурным элементом древесного угля, графита и углеродных нанотрубок. По своей прочности графен в 200 раз превосходит сталь. Многообразие химических и физических свойств этого самого прочного материала на Земле обусловлено кристаллической структурой и химической связью атомов углерода, которые и составляют графен. Используют этот поражающий воображение материал в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Конечно графен – не вибраниум, однако вполне способен составить ему конкуренцию, учитывая, что в будущем с помощью графена ученые наверняка совершат огромное количество самых разных открытий. Так, с помощью этого сверхпрочного и тонкого материала ученые смогут восстанавливать сломанные кости и даже предотвращать переломы.
Космос — удивительное место, способное удивить любого даже самого искушенного ученого. Так, метеорит из небольшого австралийского городка Уэддерберн на протяжении почти 60 лет является самым неизученным на планете минералом, приблизительный состав которого ученые пытаются выяснить с 1951 года. Как сообщает портал sciencealert.com, маленький 210-граммовый кусок странного на вид камня, который однажды упал с неба, до
Кратер Езеро — одно из наиболее возможных мест для будущей посадки нового марсохода NASA. Как сообщает портал phys.org, именно в этом марсианском кратере ученые смогли обнаружить минерал, который теоретически мог сохранить признаки наличия жизни на Марсе в его далеком прошлом. Из-за того, что район Езеро считается местом, где когда-то находилась дельта древней реки, ученые надеются
Можно предположить, что теперь бриллианты являются лучшими друзьями не только девушек, но и ученых. Однако не стоит забывать о том, что бриллиантом называется ограненный алмаз, а в данной статье речь пойдет о природном минерале. Студент университета Альберты (Канада) обнаружил новый, ранее неизвестный природе минерал внутри алмаза. Сам алмаз был найден в шахте на территории Южной
Медь
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.
Платина + золото – это самый прочный металлический сплав в мире
Платина + золото – это самый прочный металлический сплав в мире И сразу же к сути научного достижения – исследователи из американской Sandia National Laboratories разработали новый металлический сплав и охарактеризовали его как самый прочный сплав, когда-либо созданный учеными в лабораториях мира.
Разработанный новый материал, изготовленный из комбинации платины и золота, судя по предварительным оценкам, в 100 раз более износостойкий, чем высокопрочная сталь, что делает его первым сплавом металла в том же классе, что и алмазные поверхности.
Почему это так важно
Во всех отраслях жизнедеятельности человека требуются износоустойчивые сплавы. Просто представьте себе, что, например, шины для автомобиля из нового сплава будут изнашиваться только на один атомный слой на милю. И на таких шинах вы сможете «дрифтовать» на расстояние в 500 экваторов планеты – правда, звучит фантастически? Тем не менее – это и есть упрощенное объяснение сути технологического достижения.
Исследователи Sandia — Майкл Чандросс и Ник Аргибай, наблюдая за тестированием сплава с платиновым золотом, который теперь является самым прочным сплавом в мире
Обязательно необходимо отметить и тот факт, что новый сплав сам производит собственную смазку, которая является сложным и дорогостоящим компонентом при использовании других материалов. В упрощенном варианте объяснения содержания инженерного открытия формула сплава формально звучит так: 90% платины + 10% золота. Такие сплавы не являются революционными научными достижениями – это просто технологическая новизна, обеспечивающая долговременное сопротивление нагреву и трению. Более того, новый сплав отлично обеспечивает механическую и термическую стабильность в течении очень длительных периодов циклического напряжения.
Исследовательская лаборатория разработала новый сплав
Почему ученые гордятся новым сплавом
«Даже при наличии экстремальных напряжений и температур многие известные сплавы будут «смягчаться», особенно при длительных нагрузках. Мы увидели, что с нашим новым сплавом с «платиновым золотом» механическая и термическая стабильность сохраняется на отличном уровне и мы не увидели значительного изменения микроструктуры в течение очень длительных периодов циклического напряжения во время скольжения», – говорит руководитель исследований Джон Карри. Компьютерное моделирование помогает разработчикам «контролировать отдельные атомы» и получать прогнозируемые свойства новых материалов.
Золото + платина = прочный металлический сплав
Что особенного в новом сплаве – некая «черная пленка» формируется во время испытаний на прочность нового материала. Эта «пленка» представляет собой алмазоподобный углерод и является отличным смазочным материалом, который работает «сам по себе» и не требует сложных и дорогостоящих дополнительных процессов.
«Платиновое золото» Да, конечно, критика достижений исследователей очевидна – сплав золота и платины являетсяочень дорогостоящим материалом. Все верно, но ведь в некоторых отраслях жизнедеятельности человека цена ошибки в надежности функционирования устройств настолько велика, что расходы на золото и платину вообще не кажутся излишними и дорогими. Реальная экономика все расставит по своим местам, но новое достижение ученых обязательно найдет свое воплощение в сложных устройствах, обеспечивающих критические процессы жизнедеятельности цивилизации. Дорого, но очень прочный сплав Использованы материалы Newatlas
taratutenko.ru
Рассмотрим самые крепкие металлы и их сплавы, которые меньше всего поддаются деформации.
Прочные и тугоплавкие металлы: краткое описание самых популярных и востребованных
Описание самых прочных металлов, которые востребованы в различных отраслях:
- Хром — по прочности находится в пятерке лучших. Сплавы хрома очень твердые, устойчивы к коррозии, с ними проще обращаться, чем с сплавами металлов платиновой группы. При высоких характеристиках прочности, хром и его сплавы легко поддаются механической обработке, такой как резка металлов, лазерный и термический раскрой в условиях производства.
- Вольфрам — самый прочный и тугоплавкий металл, который существует в природе. Материал плохо поддается резке и свариванию, но эта проблема решается, если использовать металл в составе сплавов. Этот металл применяют для изготовления твердых сплавов, востребованных в аэрокосмической промышленности.
- Ванадий — металл с высокими показателями плавкости до 1920 градусов, используется как катализатор в разных процессах, применяется в энергетике, но не в чистом виде, а в составе сплава.
- Бериллий — токсичный металл, который в составе сплава при 0.5% вхождении обеспечивает высокую прочность материала.
- Тантал — тугоплавкий металла, как и вольфрам, выдерживает температуру плавления до 3000 градусов.
- Цирконий — один из самых дорогих металлов, сплавы которого используются в медицине, так как имеют прекрасную биологическую совместимость с кожей человека.
- Рений — очень редкий вид металла, справы которого используют в производстве ракетных двигателей.
- Иридий и осмий — металлы платиновой группы, являются самыми тяжелыми.
- Титан — по устойчивости к нагрузкам в два раза превосходит характеристики легированной стали. Сплав титана с золотом относится к самым прочным, безопасным и биосовместимым сплавам, что позволяет использовать его в медицине. Титан максимально устойчив к деформациям и сложно поддается раскройке.
Часто для экономии или с целью получения определенных характеристик материала используются металлы не в чистом состоянии, а их сплавы.