Какой металл на Земле самый прочный

Спор о самом прочном металле не имеет одного ответа — и не потому, что наука чего-то не знает, а потому, что прочность измеряют минимум тремя разными способами. В одном зачёте побеждает вольфрам, в другом хром, в третьем титан, который вообще не самый твёрдый, зато почти вдвое легче стали при той же нагрузке.

Три разные прочности

Предел прочности на разрыв показывает, какую нагрузку материал выдержит, прежде чем порвётся. Предел текучести — при каком напряжении он перестанет пружинить и останется погнутым навсегда. Твёрдость по шкале Мооса измеряет третье: способность царапать и не царапаться. Металл может лидировать в одной графе и проваливаться в соседней.

Есть и вторая развилка — считать только чистые элементы или допускать сплавы. От этого ответ меняется полностью.

Вольфрам: рекорд среди чистых металлов

По пределу прочности на разрыв среди чистых металлов первенство у вольфрама — около 980 МПа, или 142 тысячи фунтов на квадратный дюйм. У него же самая высокая температура плавления: 3422 °C, почти 3695 кельвинов. Отсюда классическое применение — нити накаливания, электроды, детали, которые работают там, где остальные металлы уже испарились бы.

По твёрдости он при этом всего 7,5 по Моосу — примерно как кварц. Зато карбид вольфрама, соединение с углеродом, дотягивает до 9–9,5, и именно из него делают свёрла, фрезы и резцы для обработки других металлов. А чистый вольфрамовый пруток при комнатной температуре хрупок: его можно сломать, а не согнуть.

Хром царапает всех, осмий не сжимается

Если под прочностью понимать твёрдость, победитель другой. Хром даёт 8,5 по Моосу — больше, чем любой другой металл. Он же почти не окисляется на воздухе, поэтому хромирование пережило все смены автомобильной моды, а десять с лишним процентов хрома в составе превращают обычную сталь в нержавеющую.

Осмий берёт плотностью: 22,59 г/см³, тяжелее не бывает среди природных элементов. Кубик со стороной десять сантиметров весит больше двадцати килограммов. Практической пользы от этого немного — металл настолько хрупкий, что крошится при обработке, и его добавляют к иридию и платине микродозами: контакты, иглы, кончики перьев дорогих ручек.

Прочность и цена почти не связаны: вольфрам стоит копейки против платиновой группы, а самый дорогой металл на планете — родий — идёт в автомобильные катализаторы граммами и ничего особенного по прочности не показывает.

Сталь — не металл, а рецепт

Сталь остаётся самым прочным конструкционным материалом на планете, но сравнивать её с вольфрамом напрямую нельзя: это не элемент, а семейство сплавов железа с углеродом. Доли процента углерода меняют характер металла до неузнаваемости — от мягкой проволоки до пружины, которую не согнёшь руками.

Мартенситностареющие стали, где углерода почти нет, зато есть никель, кобальт и молибден, выдают за 2000 МПа — вдвое больше вольфрама. Из них делают корпуса ракетных двигателей, валы центрифуг и стойки шасси. Цена вопроса — стоимость легирующих металлов и сложная термообработка.

Титан: прочность, поделённая на вес

Чистый титан примерно равен стали по прочности и при этом на 45 процентов легче: плотность 4,5 против 7,8 г/см³. По отношению прочности к массе титановые сплавы не обошёл никто, и это решает всё там, где каждый килограмм летит вместе с конструкцией. В Airbus A380 около 70 тонн титана, большая часть — в двигателях.

Промышленным металл стал не сразу. В 1791 году британский священник и минералог-любитель Уильям Грегор набрал в ручье в корнуолльском приходе Маннакан чёрный песок: часть его притягивалась магнитом и оказалась оксидом железа, а остаток не совпадал ни с одним известным минералом. Немецкий химик Мартин Генрих Клапрот независимо описал тот же оксид в 1795-м и дал элементу имя титанов — божеств, предшествовавших олимпийцам. Отделить чистый металл от оксида сумели только в 1910 году: американец Мэтью Хантер нагрел тетрахлорид титана с натрием в запаянном стальном сосуде. Массовое производство пошло с 1940-х, когда Вильгельм Кролль заменил натрий на магний — процесс Кролля работает и сегодня, почти без изменений.

Почему титан не ржавеет

Коррозия — это перехват электронов кислородом, и большинство металлов она разъедает насквозь. Титан ведёт себя иначе: на воздухе он мгновенно покрывается плёнкой диоксида титана толщиной в несколько нанометров, и дальше кислороду не пройти. Плёнка восстанавливается сама, стоит её поцарапать.

Морская вода, кислоты, щёлочи — всё это титан переносит спокойно, поэтому из него делают гребные винты, судовые трубопроводы и теплообменники, работающие на солёной воде.

Тот же оксидный слой сделал титан главным материалом хирургии. Он не токсичен, не вызывает аллергии и не отторгается: костная ткань прирастает прямо к поверхности импланта — этот эффект называют остеоинтеграцией. Титановые корни зубных имплантов, накостные пластины, эндопротезы суставов, штифты, сердечные клапаны, крепления для глазных и ушных протезов. Дополнительный аргумент — упругость титана ближе к упругости кости, чем у стали, и он не перегружает соседние участки скелета.

Металла всего пять процентов

Из примерно 6,3 миллиона тонн титанового сырья, которое перерабатывают за год, в металл идёт около пяти процентов. Остальное превращается в тот самый диоксид — белый пигмент. Он вытеснил свинцовые белила, когда стала понятна цена их применения для здоровья, и разошёлся по краскам, зубной пасте, таблеткам, солнцезащитным кремам и белой глазури для тортов.

Показатель преломления у диоксида титана выше, чем у алмаза, отсюда особая яркость белого. Он же отражает инфракрасное излучение — по этой причине купола солнечных обсерваторий красят титановыми белилами: рассеянное тепло смазывает изображение.

В середине 1990-х титан добрался до спорта. Первым громким товаром стал драйвер Callaway Great Big Bertha — клюшка стоила дорого, но продавалась так, что за титан взялись производители ракеток, велосипедных рам, лыж и даже подков для скаковых лошадей.

Фрэнк Гери обшил титаном музей Гуггенхайма в Бильбао: 33 тысячи панелей, каждая толщиной около 0,38 миллиметра. На ветру они едва заметно колышутся, и здание меняет цвет вместе с погодой.