Какой самый легкий металл
Elton-zoloto.ru

Драгоценные металлы

Какой самый легкий металл

Какой металл самый легкий? Его свойства и особенности

Слово «металл» часто ассоциируется с тяжеловесностью. Это далеко не так. Все металлы обладают очень разными свойствами. Некоторые из них настолько лёгкие, что даже не тонут в воде. Какой металл самый легкий? Какие у него свойства? Давайте узнаем.

Самые легкие металлы в мире

Лёгкими называют металлы, которые обладают небольшой плотностью. Это отнюдь не редкое явление. Вещества с такими характеристиками составляют примерно 20 % от массы земной коры. Они активно добываются и широко применяются в промышленности.

Самым лёгким металлом является литий. Кроме наименьшей атомной массы, он обладает и наименьшей плотностью, которая в два раза ниже, чем у воды. После лития идут калий, натрий, алюминий, рубидий, цезий, стронций и т. д. В их число входит и титан, который обладает самой высокой прочностью среди металлов.

Легкостью и прочностью обладает также алюминий. В земной коре он третий по распространённости. Пока люди не научились получать его промышленным путём, металл был дороже золота. Сейчас килограмм алюминия можно купить примерно за 2 доллара. Его применяют как в ракетной технике и военной промышленности, так и для изготовления пищевой фольги и кухонных предметов.

Литий

Литий находится в первой группе периодической таблицы элементов. Он стоит под номером 3, после водорода и гелия, и обладает самой маленькой атомной массой среди всех металлов. Простое вещество – литий, при нормальных условиях имеет серебристо-белый цвет.

Это самый лёгкий щелочной металл с плотностью 0,534 г/см³. Из-за этого он всплывает не только в воде, но и в керосине. Для его хранения обычно используют парафин, газолин, минеральные масла или петролейный эфир. Литий очень мягкий и пластичный, легко режется ножом. Чтобы расплавить этот металл, его нужно нагреть до температуры 180,54 °C. Закипит он только при 1340 °C.

В природе существует только два стабильных изотопа металла: Литий-6 и Литий-7. Кроме них, есть 7 искусственных изотопа и 2 ядерных изомера. Литий является промежуточным продуктом в реакции превращения водорода в гелий, участвуя, таким образом, в процессе образования звёздной энергии.

Реакции с литием

Учитывая его щелочную природу, можно предположить, что он очень активен. Однако металл является самым спокойным представителем своей группы. При нормальной комнатной температуре литий слабо реагирует с кислородом и многими другими веществами. Свой «бурный нрав» он проявляет после нагревания, тогда он вступает в реакцию с кислотами, различными газами и основаниями.

В отличие от других щелочных металлов с водой он реагирует мягко, образуя гидроксид и водород. С сухим воздухом реакции практически нет. Но если он влажный, то литий медленно реагирует с его газами, образуя нитрид, карбонат и гидроксид.

При определённых температурах самый легкий металл активен с аммиаком, этиловым спиртом, галогенами, водородом, углеродом, кремнием, серой.

Сплавы лития

Свойства лития повышают отдельные качества металлов, из-за чего его часто используют в сплавах. Полезной является его реакция с окислами, водородом, сульфидами. При нагревании он образует с ними нерастворимые соединения, которые легко извлечь из расплавленных металлов, очистив их от этих веществ.

Для придания сплаву стойкости к коррозии и пластичности его смешивают с магнием и алюминием. Медь в сплаве с ним становится более плотной и менее пористой, лучше проводит электричество. Самый легкий металл повышает твёрдость и пластичность свинца. При этом он повышает температуру плавления многих веществ.

Благодаря литию металл становится прочным и устойчивым к разрушениям. При этом он не утяжеляет их. Именно поэтому сплавы на его основе применяются в космической инженерии и авиации. Главным образом используются смеси с кадмием, медью, скандием и магнием.

Нахождение в природе и значение

Самый легкий металл имеет около 30 собственных минералов, но только 5 из них используются в промышленности: пенталит, амблигонит, лепидолит, циннвальдит и сподумен. Кроме того, находится он в солёных озёрах. Всего в земной коре содержится 0,005 % этого металла.

Большие промышленные запасы лития находятся на всех континентах. Его добывают в Бразилии, Австралии, ЮАР, Канаде, США и других странах. После чего применяют его в электронике, металлургии, лазерных материалах, ядерной энергетике и даже медицине.

Большое содержание лития есть в гумусах, что говорит о его участии в круговороте природных веществ. Металл присутствует в организме животных, а также во многих растениях. Литием богаты персики, грибы, редис, картофель, морковь.

В нашем организме он содержится в печени, крови, лёгких, костях и других органов. Недостаток лития приводит к нарушениям в работе нервной системы и мозга. Он повышает устойчивость организма к болезням, активизирует деятельность ферментов. С помощью него борются с болезнью Альцгеймера, психическими расстройствами, склерозом, а также различными зависимостями.

Токсичность

Несмотря на важную биологическую роль лития в нашем организме, он может быть опасным. Самый легкий металл достаточно токсичен и способен вызывать отравления. При горении он провоцирует раздражение и отёки слизистых оболочек. Если на них попадет кусочек целого металла, произойдёт то же самое.

Литий нельзя брать в руки без перчаток. Взаимодействуя с влагой в воздухе или влагой на коже, он легко вызывает ожог. С расплавленным металлом нужно быть ещё осторожнее, так как его активность повышается в разы. При работе с ним нужно помнить, что это щелочь. Уменьшить его действие на кожу можно обычным уксусом.

В организме литий повышает устойчивость иммунной системы и улучшает работу нервной системы. Но его переизбыток сопровождается головокружением, сонливостью, потерей аппетита. Отравление металлом приводит к снижению либидо, слабости в мышцах, набору веса. При этом может ухудшиться зрение, память и наступить кома. Работать с литием нужно всегда в перчатках, защитном костюме и очках.

Какой металл самый легкий?

В сознании многих людей металлы ассоциируются с чем-то тяжелым и твердым. Но в то же время есть металлические элементы, которые легче воды и не тонут в ней, а плавают на поверхности. Это происходит из-за больших размеров атомов и как следствие малой плотности. Так какой же металл самый легкий? Достаточно взглянуть на периодическую систему Менделеева, чтобы понять, что это литий. Он почти вдвое легче воды.

Основные свойства лития

Плотность лития составляет всего 0,543 грамма на сантиметр кубический. Металл входит в щелочную группу, которая характеризуется очень высокой химической активностью. Поэтому в природе литий образует сложные многоэлементные соединения, входящие в состав горных пород. При этом литий является самым неактивным щелочным металлом, так что достаточно устойчиво проявляет себя после выделение в чистом виде. Физические свойства самого легкого металла на Земле выглядят следующим образом: в нормальных условиях серебристо-белый металл, мягкий (можно резать ножом), ковкий и пластичный. Температура плавления – 181 градус по Цельсию. Атомная масса – 6,941 грамм на моль.

Химические свойства характерны для металлов щелочной группы. Но литий, в отличие от остальных щелочных элементов при комнатной температуре медленно реагирует с кислородом и другими веществами. Зато при нагревании вступает в реакцию с газами, кислотами и основаниями. При нагревании до 300 градусов по Цельсию литий самовоспламеняется и горит красно-синим пламенем. В отличие от остальных элементов щелочной группы покрывается устойчивой оксидной пленкой и перестает реагировать с кислородом.

Литий не хранят в керосине, так как из-за малой плотности он плавает на поверхности. Для его длительного хранения используют петролейный эфир, парафин, газолин или минеральное масло. В качестве емкости применяют жестяные банки с герметично закрывающимися крышками. Литий является токсичным веществом и при попадании на открытые участки кожи вызывает зуд, раздражение и ожоги, поэтому при работе с ним необходимо использовать специальную защитную одежду. Пары лития обжигают верхние дыхательные пути, так что нужно позаботиться и о защите органов дыхания.

Технология производства лития

Производство самого легкого металла в мире сводится к разложению его природных соединений. Это достаточно трудоемкая процедура ввиду большого количества составных элементов. Содержание лития в добываемом сырье в среднем составляет 21 грамм на одну тонну. В промышленном производстве используют три метода разложения соединений лития: известковый, сульфатный и сернокислотный. Первые два подразумевают спекание руды с оксидом/карбонатом кальция или сульфатом калия.

Протекает процедура при температуре 250-300 градусов. Затем полученную массу обрабатывают водой, получая карбонат или сульфат лития. После этого проводится процедура хлорирования с целью получения хлорида лития. И, наконец, окончательную процедуру разделения проводят при помощи электролиза расплава в присутствии хлорида калия или бария, которые понижают температуру плавления литиевого хлорида. Чистый металл оседает на катоде, откуда его можно собирать для дальнейшей переработки.

Читать еще:  Как закалить металл в домашних условиях

Сернокислотный способ подразумевает растворение руды в серной кислоте с образованием сульфата лития. Дальнейшая процедура протекает по указанной выше схеме. Самый легкий металл применяется для производства эффективных полупроводников в сплавах с другими металлами, из него изготавливают аноды, используемые затем в процедурах электролиза, литий входит в состав ракетного топлива, в металлургии применяется в качестве сильного восстановителя менее активных металлов. В качестве различных соединений литий используется в производстве продукции для многих отраслей промышленности и народного хозяйства.

Алюминий

Если же брать самый крепкий и легкий металл, то им принято считать алюминий. Его плотность составляет 2,7 грамм на сантиметр кубический. Этот металл достаточно распространен в природе и получил широкое применение в промышленности. Многие сплавы алюминия прочнее стали и при этом гораздо легче нее. Уже сейчас использование алюминиевых конструкций в строительной сфере вышло на новый уровень.

К тому же этот элемент гораздо более стойко переносит воздействие коррозии и не требует для этого дополнительной закалки. Алюминий входит в состав авиационных сплавов, из которых изготавливают обшивку самолетов. Некоторые ученые предполагают, что в будущем его сплавы смогут полностью вытеснить сталь.

К тому же не прекращаются опыты по выделению новых элементов, сочетающих в себе положительные черты существующих веществ, но лишенные их природных недостатков. Так что возможно вскоре будет открыт новый самый легкий и прочный металл, который заявит о себе во всеуслышание.

Самый легкий металл

Когда мы говорим «металл», в нашем воображении представляется материал, который имеет высокую твердость и немалый вес. Но в мире есть такие металлы, плотность которых небольшая, а по этой причине они не тонут в воде. Давайте же узнаем, какой металл самый легкий. Именно таким считается литий (в два раза легче воды).

Характеристики лития

Самый легкий металл в мире обладает плотностью, равной 0,542 г/см3. Он является представителем металлов из щелочной группы, обладающих высочайшей химической активностью. По сути, в природе этот материал представляет собой сложнейшие соединения, состоящие из множества элементов. При нормальных условиях этот самый легкий металл, имеющий серебристо-белый цвет, является очень пластичным и пригодным для ковки. Плавление лития осуществляется при 181-ом градусе.

Данному металлу присущи характеристики, отличающие материалы щелочной группы. Однако он имеет свою особенность – под воздействием комнатной температуры в реакцию с кислородом или иными веществами вступает плохо. Однако стоит его нагреть, как он достаточно легко взаимодействует с кислотами и газами. Если нагреть самый легковесный металл до трехсот градусов, то он будет самовоспламеняться, а пламя будет иметь красно-синий цвет.

Легкий материал, помещенный в керосин, находится на поверхности жидкости ввиду своей малой плотности. Поэтому хранить его в такой жидкости не следует, а для этих целей лучше пользоваться минеральным маслом, парафином, петролейным эфиром. Емкостями для хранения лития выступают банки из жести, которые выполнены с герметично закрывающимися крышками. При работе с литием важно применять индивидуальные средства защиты и следовать инструкциям по технике безопасности, поскольку этот металл является токсичным. Пары лития спокойно могут обжечь органы дыхания, поэтому необходимо заботиться и о средствах защиты органов дыхания.

Где применяют литий?

Широко этот металл используется в сплавах. Например, когда идет процесс легирования алюминия, добавляет литий, что позволяет снизить плотность и улучшить степень упругости сплава. При изготовлении щелочных аккумуляторов применяют гидроксид лития. Наверняка, многим из вас знаком такой термин, как «литий-ионная батарея».

Керамика на основе силиката и алюмината лития используется в металлургической промышленности и для изготовления военной техники. Солями лития в медицинской сфере благополучно лечат заболевания, связанные с психическими расстройствами, так как карбонат лития обладает способностью стабилизировать человеческое настроение.

Текстильная, фармацевтическая и пищевая промышленности применяют для изготовления определенных товаров соединения лития. В сочетании с окислителями металл применяют для производства топлива для ракет. Нитрат лития просто необходим для создания пиротехнических средств. Оптическая отрасль пользуется фторидом лития. Из данного металла даже производят стекло, которое имеет определенный сорт.

Как производится литий?

При изготовлении этого материала осуществляется такой процесс, при котором раскладываются природные соединения лития. Из-за немалого числа входящих в состав компонентов данная процедура является довольно трудоемкой. В результате на 1000 килограммов получаемого путем добычи сырья приходится только двадцать один грамм лития.

Чтобы разложить соединения лития, пользуются тремя способами – сульфатным, известковым, сернокислотным. Первый и второй осуществляют способом спекания руды с оксидом кальция либо сульфатом калия. При этом все происходит при температуре от 250 до 300 градусов. После обработки получившейся массы водой осуществляется процесс хлорирования. В завершении проводится электролиз массы при использовании хлорида калия либо бария. Осевший на катодах литий забирается оттуда для последующей переработки.

Третий метод заключается в растворении полученного сырья в серной кислоте. Затем все осуществляется точно так же, как было описано выше. После получения чистого лития он отправляется в различные отрасли промышленности для изготовления необходимых изделий.

Передовые технологии: что еще легче лития?

Наука не стоит на одном месте, даря промышленности все более уникальные технологии. Так ученые получили металл, который гораздо легче по весу, чем литий. Такой металл получил название «микролаттис». Благодаря его невероятной легкости можно положить его на одуванчик, а растение при этом не деформируется.

Несмотря на свою легкость, микролаттис может выдерживать огромные нагрузки, а также восстанавливать первоначальную форму при нанесении ударов. Также материал легче полистирола в сто раз. При этом прочность его на высоте. Благодаря таким характеристикам металл используется в различных сферах – автопромышленность, аэрокосмическая промышленность, производство электродов для батарей и т.д.

Какой самый легкий металл

В группу легких металлов включаются металлы с плотностью ρ до 4,5 г/см3. Легкими металлами, важнейшими для технического применения (преимущественно как основа сплава), являются Al, Mg, Ti и Be. Если даже Al-сплавы по распространению представляют наиболее значительную группу среди легких металлов, то все же для специфических целей применения предлагают материалы Ti и Be, комплексы свойств которых заслуживают внимания для будущих разработок материалов. Магниевые сплавы уже очень давно нашли техническое применение, например, в строительстве дирижаблей и самолетов, но из-за их проблематичной обрабатываемости и их воспламеняемости были вытеснены. Очень незначительная плотность (ρ = 1,74 г/см3) снова выдвигает в последнее время магний как основу сплава на передний план.

В актуальном развитии сплавы Al-Li из-за своей легкости и хороших прочностных качеств пользуются все большим вниманием.

В мировом потреблении алюминия, %, наиболее интенсивно участвует упаковочная промышленность, особенно для банок с напитками:

В машиностроении наряду со сталью алюминий со своими сплавами стал одним из важнейших конструкционных материалов. Соответственно велико многообразие алюминиевых сплавов, которые соответствуют большому количеству необходимых требований. Рациональное разделение сплавов производится на литейные и деформируемые. Оба типа сплавов можно разделить на способные и не способные к дисперсионному твердению сплавы.

Алюминий не проявляет аллотропного преобразования, т.е. в противоположность к стали он не подвержен наклепу в результате фазового превращения., В качестве мер для повышения прочности этого материала могут применяться:

– наклеп;
– упрочнение легированием (упрочнение твердого раствора добавками и многофазностью);
– дисперсионное твердение (старение).

Так как стареющие алюминиевые сплавы, в частности типа AlCuMg, для достижения оптимальных характеристик требуют хорошего измельчения, то применяется термообработка для дисперсионного старения преимущественно у деформируемых сплавов; она пригодна также при высокопрочных качествах отливки для улучшения прочностных характеристик.

Литейные сплавы. К самым важным техническим литейным сплавам относятся сплавы Al-Si. Система Al-Si образует простую эвтектическую систему с эвтектической точкой при 11,7 % Si и 577 °C (рис. 9.4.29). Близкие к эвтектическим сплавы с содержанием от 11 до 13 % Si известны также как силуминовое литье. При медленном охлаждении (литье в песчаные формы) заэвтектического сплава с 13 % Si первично выделяющийся твердый раствор Si образует большие, угловатые, пластинчатые в шлифе, преимущественно игольчатые кристаллы. Эта неблагоприятная структура ведет к ярко выраженной хрупкости таких сплавов (рис. 9.4.30).

Нежелательной хрупкости можно избежать благодаря так называемому облагораживанию металлов. Путем добавки примерно 0,1 % Na при 720—780 °C в плавку неблагоприятно деформируемые кристаллы кремния очищаются, округляются и образуют тонкодиспергированную эвтектику (рис. 9.4.31). Эвтектическая температура снижается благодаря добавлению Na от 577 до 564 °C, причем эвтектическая концентрация сдвигается на 14 %. Заэвтектический сплав затвердевает, таким образом, доэвтектически, причем натрий, кроме того, вероятно, затормаживает диффузию.

Читать еще:  Как паять микросхемы обычным паяльником

При быстром охлаждении, которое существует в кокильном литье, достигается действие, подобное действию при облагораживании металлов. Здесь также сдвигается эвтектическая точка с помощью переохлаждения. Возникает очень чистая эвтектическая структура, так что при кокильном литье можно отказаться от облагораживания металлов натрием (см. рис. 9.4.29).

Предел прочности при растяжении необлагороженного литья в песчаные формы составляет от 100 до 120 Н/мм2. Он повышается благодаря облагораживанию металлов натрием до 240 Н/мм2 при показателях удлинения от 10 до 15 %. В кокильном литье прочность сплава составляет с 13 % Si до 260 Н/мм2.

Для поршневых сплавов повышается содержание Si и добавляется Cu. Маркированный поршневой сплав имеет 25 % Si и 5 % Cu.

Содержание меди в таких сплавах может увеличиваться до 14 %. Уже 1 % Cu повышает предел прочности при растяжении алюминия от 140 до 210 Н/мм2.

Особое значение имеет Cu при более высоком содержании для стареющих деформируемых алюминиевых сплавов. Для поршневых сплавов важна незначительная величина усадки — только 1,2%. Другим важным легирующим злементом для Al вообще, но особенно для литейных сплавов, является Mg (до 10 %). Такие сплавы отличаются хорошей устойчивостью против коррозии. Следует еще упомянуть легирующие элементы Mn (до 15 %), Zn (до 6 %), а также в небольших количествах Cr (до 0,4 %) и Ti (до 0,3 %).

Сплавы AlMn все шире применяются вместо чистого алюминия, так как эти сплавы объединяют очень хорошую устойчивость против коррозии с прочностью, более высокой по сравнению с чистым алюминием.

Деформируемые сплавы. Содержание легирующих составных частей, а также примесей в деформируемых сплавах в целом меньше, чем в литейных. В то время как литейные сплавы часто производятся с применением скрапа (вторичные сплавы), повышенные требования к деформируемым сплавам требуют преимущественно их выплавки из металлургического алюминия (первичные сплавы). Нестареющими деформируемыми сплавами являются AlMg-сплавы, у которых высокая твердость из-за легирования и прочность не уменьшаются от отжига и сварки. Принципиально диаграмма состояния AlMg-сплавов с уменьшающейся, растворимостью Mg в Al при снижении температуры имеет необходимые предпосылки к дисперсионному твердению (рис. 9.4.32). Однако здесь оказывается, что эти необходимые предпосылки сами по себе еще недостаточны, а что вид форма выделения при распаде играют существенную роль. К этой группе не способных к дисперсии сплавов относятся AlMn-сплавы с содержанием Mn до 2 %. Более высокого содержания Mn избегают из-за выделения повышенно хрупких А16Мn-кристаллов.

Возможность повышения прочности алюминиевых сплавов благодаря механизму старения металла значительно расширяет область применения этой группы материалов и придает обработке дисперсионным твердением такое же значение, каким обладает изменение твердости в результате фазового превращения у железных материалов, но особенно у стали. Важные подвергающиеся старению сплавы принадлежат к типу AlSi. Нестареющие AlMg-сплавы становятся стареющими вследствие добавок Cu (дюралюминий), Si и Zn.

Новое поколение высокопрочных Al-сплавов представляют Al—Li-силавы например Al—Li—Cu—Mg-сплавы, способные к дисперсии.
Литий является самым легким металлом вообще, его плотность составляет только 20 % плотности алюминия. По сравнению с обычными высокопрочным А1-сплавами Al—Li-сплавы примерно на 10 % легче. Вместе с более высокой (на 10 %) жесткостью можно достигнуть экономии массы на 15 % в конструкционной детали. У аэробусов такие сплавы конкурируют с углеродоволокнистыми комбинированными материалами. Более новые разработки благодаря сильному легированию сплавов типа Al—Li-материалов позволяют избежать незначительной вязкости и раннего образования трещин.

Механизм дисперсионного твердения, термообработка и достигаемое повышение прочности обсуждаются на примере группы AlCu-сплавов в разделе 13.3. Многократно сплавляемые подвергнутые дисперсионному твердению Al-сплавы достигают по прочности уровня высококачественных сталей.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) (SAP). Изготовленные из Аl-порошка спеченные материалы обеспечивают набор требований, которые нельзя достигнуть с помощью обычных алюминиевых сплавов. Спеченный материал, состоящий из чистого Al-порошка, содержит от 6 до 14 % тонкого поверхностного слоя Al2O3, который размещается вокруг мельчайших зерен порошка. Порошок из сплава алюминия с Fe и Cr, а также 0,5 % Al2O3 превосходит по пределу термической текучести даже Ti в области от 300 до 500 °С. Этот материал применяется для лопастей компрессоров, теплообменников, а также в ядерных реакторах.

Самыми важными легирующими элементами для магния, который не пригоден в чистом виде как конструкционный материал, являются Al, Mn и/или Zn. Затвердевающий в гексагональной структуре Mg плохо деформируется в холодном состоянии и имеет неблагоприятную устойчивость против коррозии. Вместе с Zn посредством дальнейшего легирования от 0,5 до 0,7 % Zr и Ce достигаются беспористая отливка, измельчение зерна и благодаря этому улучшенная деформируемость. Благодаря Th повышается жаропрочность. Новые разработки связаны с литейными сплавами Mg-Y, которые имеют очень хорошую механическую твердость, около 290 Н/мм2, последняя снижается при 300 °C только до примерно 200 Н/мм2.

Различные магниевые сплавы известны под названием “электрон”. Магниевая отливка имеет благоприятное отношение Rm к р. По сравнению с серым литьем при применении магниевой отливки образуется экономия массы от 60 до 80 %, а в отличие от высококачественного алюминиевого литья всегда создается экономия от 15 до 20 %. Деформируемые сплавы, например, с 8 % Cd, 6 % Al, 2 % Zn, достигают при горячей или холодной прокатке прочности Rm≥4000 Н/мм2.

Из-за ограниченной устойчивости против коррозии и трудностей при обработке применение Mg-сплавов сегодня ограничивается менее сильнонагруженными деталями, такими как корпус и покрытие.

Из диаграммы состояния (рис. 9.4.33) можно было бы ожидать до содержания сплава 10% Al структуру из первичных δ-твердых растворов с γ-сегрегациями. Благодаря незначительной скорости диффузии появляются, однако, нарушения , равновесия, так что также сплавы с менее чём 12,6 % Al показывают (δ+γ-эвтектику вырожденной формы. Кристаллы Al2Mg3 образуют характерные пластины, которые создают структуру, подобную перлитному эвтектоиду у стали. Длительный отжиг вблизи линии растворимости приводит фазу Al2Mg3 к столбчатому выделению на плоскости базиса (0001) гексагональных δ-твердых растворов.

Титан является невзаимодействующим и используется как плакирующий материал в строительстве химических установок. Он отличается высокой устойчивостью против коррозии, окисляющих водных коррозионных сред. Высокая антикоррозийность образуется вследствие очень стабильного пассивированного оксидного слоя, который может быстро образоваться при слабых средствах окисления.

Титановые сплавы отличаются высокой прочностью, прежде всего высокой жаропрочностью. Титановые сплавы с соответствующей термообработкой достигают прочности от 1200 до 1400 Н/мм2. Титановые сплавы применяются до температуры 500 °С, а кратковременно даже до 1000 °C и, таким образом, заполняют пробел между Al-сплавами, которые применяются до примерно 150 °C, и жаропрочными сталями.

Очень благоприятное отношение прочности на разрыв к плотности Rm/p делает титановый сплав весьма подходящим для облегченных деталей конструкций, подвергающихся сильной нагрузке, как это можно наглядно видеть на примере шатуна для высокомощного двигателя.

Высокая цена, обусловленная дорогостоящим производством титана, противостоит широкому применению, которое имеется у Al-сплавов, но при легких конструкциях он часто выгоднее прочных и очень высокопрочных сталей.

Как и железо, титан также обладает аллотропным превращением. До температуры 882 °C титан обладает гексагональной структурой, выше нее — о.ц.к. β-структурой с уменьшенным на 0,55 % объемом. Как и для стали, легирующие элементы для титана можно разделить на те, которые стабилизируют; α-структуру, и те, которые расширяют область β-фазы. Гексагональная; α-структура обладает ограниченной деформируемостью, которая при высоких температурах благодаря склонности к восприятию Н, O и N уменьшается дальше. Модуль E сравнительно незначителен.

Наряду с Al важнейшими легирующими элементами в технических титановых сплавах являются V, Sn, Mo, Zr, Nb. и Cr. Al стабилизирует β-фазу и его содержание составляет у технических сплавов ниже 10 %. Структуры технических титановых сплавов имеются в виде α-, (α + β)- или β-структуры, иногда с интерметаллическими соединениями. Очень различающаяся растворимость легирующих элементов в β- и α-фазе создает благодаря превращению перенасыщенный a-твердый раствор, который можно упрочнить путем отжига.

Чрезвычайно благоприятное отношение Rm/p и очень высокая теплоемкость вызывают определенный интерес к бериллию для особых целей. Бериллий имеет в 1,5 раза большую жесткость, чем сталь. Тормозные диски из бериллий вследствие высокой теплоемкости при одинаковых условиях остаются существенно более холодными, чем диски из стали. Если при одинаковых опытных условиях температура диска из стали после двухминутной тормозной нагрузки достигает 560 °С, то диска из бериллия — лишь 390 °C.

Читать еще:  Чтo тakoe чиcтoтa и цвeт бpиллиaнтa?

Однако гексагональный бериллий имеет склонность к крупнокристаллическому затвердеванию. Он чрезвычайно хрупок и имеет структурно обусловленную четко выраженную анизотропию. В агломерированной чистой форме, однако, можно хорошо осуществлять горячую деформацию. В воздухоплавании b космоплавании применяются сплавы бериллия с примерно 25 % Al, Mg и Si.

В строительстве реакторов бериллий имеет значение из-за нейтронной проницаемости.

Бериллиевые окна применяются в рентгенотехнике и рентгеноаналитике, так как они поглощают лишь малое ионизирующее излучение. Как легирующий материал бериллий используется в медных материалах для изготовления высокообжигаемых литейных и деформируемых сплавов. Для материалов с бериллием, однако, установлены четкие границы применяемости из-за его вреда здоровью и окружающей среде. Бериллиевая пыль чрезвычайно ядовита и ведет к заболеваниям легких и кожным повреждениям. (Подобные границы необходимо соблюдать также при применении тяжелых металлов, в частности кадмия, обладающего очень большой антикоррозионной устойчивостью, но ядовитость его нельзя недооценивать.)

Самые прочные металлы в мире: топ-10

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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector