Es ist für Wissenschaftler und Ingenieure nützlich, Metalle vom stärksten zum schwächsten zu gruppieren, aber das Haupthindernis, dies sinnvoll zu tun, besteht darin, dass die Festigkeit durch mehrere Eigenschaften definiert wird. Vor diesem Hintergrund stehen Stahl und seine Legierungen normalerweise ganz oben auf der Liste der allgemeinen Festigkeit. Wolfram ist im Allgemeinen die Nummer eins auf Listen, die auf natürliche Metalle beschränkt sind, obwohl Titan ein enger Konkurrent ist. Keines dieser Metalle ist so hart wie Diamant oder so zäh wie Graphen, aber diese Kohlenstoffgitterstrukturen sind keine Metalle.
Vier Stärke-Determinanten
Bei der Bewertung der Festigkeit eines Metalls können Sie über eine von vier Eigenschaften sprechen:
-
Zugfestigkeit ist ein Maß dafür, wie gut ein Metall dem Auseinanderziehen widersteht. Plätzchenteig und alberner Kitt haben beide eine geringe Zugfestigkeit, während Graphen eine der höchsten jemals gemessenen Zugfestigkeiten aufweist.
-
Druckfestigkeit oder Härte misst, wie gut ein Material dem Zusammendrücken widersteht. Eine Möglichkeit, dies zu bestimmen, besteht darin, die Mohs-Skala mit Werten von 0 bis 10 zu verwenden, wobei 10 die härteste ist.
-
Streckgrenze bezieht sich darauf, wie gut ein Stab oder ein Balken aus einem bestimmten Metall Biegen und dauerhaften Verformungen widersteht. Dies ist eine wichtige Maßnahme für Statiker.
-
Schlagfestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Stößen zu widerstehen, ohne zu zerbrechen. Obwohl der Diamant 10 Ionen auf der Moh-Skala erreicht, kann er zerbrechen, wenn er von einem Hammer getroffen wird. Stahl ist nicht so hart wie Diamant, aber man kann ihn nicht so leicht zertrümmern.
Legierungen vs. Naturmetalle
Legierungen sind Kombinationen von Metallen, und der Hauptgrund für die Herstellung von Legierungen ist die Herstellung eines stärkeren Materials. Die wichtigste Legierung ist Stahl, der eine Kombination aus Eisen und Kohlenstoff ist und viel härter ist als jeder seiner beiden elementaren Bestandteile. Metallurgen stellen Legierungen der meisten Metalle her, sogar Stahl, und sie gehören auf die Liste der härtesten Metalle.
Eine Liste der stärksten Metalle
Da so viele Faktoren zusammenwirken, um die Stärke eines Metalls zu bestimmen, ist es schwierig, eine geordnete Liste vom stärksten zum schwächsten zu erstellen. Die folgende ungeordnete Liste enthält die stärksten natürlichen Metalle und Legierungen der Welt, aber die Reihenfolge würde sich ändern, je nachdem, welche Eigenschaft als am wichtigsten angesehen wird.
Kohlenstoffstahl – Diese gängige Legierung aus Eisen und Kohlenstoff wird seit Jahrhunderten hergestellt und punktet in allen vier Qualitäten, die Festigkeit definieren. Es hat eine Streckgrenze von 260 Megapascal (Mpa) und eine Zugfestigkeit von 580 MPa. Es erreicht etwa 6,0 auf der Mohs-Skala und ist sehr schlagfest.
Stahl-Eisen-Nickel-Legierung – Es gibt einige Variationen dieser Legierung, aber im Allgemeinen erhöht das Legieren von Kohlenstoffstahl mit Nickel die Streckgrenze auf bis zu 1.420 MPa und die Zugfestigkeit auf bis zu 1.460 MPa.
Rostfreier Stahl - Eine Legierung aus Stahl, Chrom und Mangan ergibt ein korrosionsbeständiges Metall mit einer Streckgrenze von bis zu 1.560 MPa und einer Zugfestigkeit von bis zu 1.600 MPa. Wie alle Stahlsorten ist diese Legierung sehr schlagzäh und schneidet auf der Mohs-Skala im mittleren Bereich ab.
Wolfram – Mit der höchsten Zugfestigkeit aller natürlich vorkommenden Metalle wird Wolfram oft mit Stahl und anderen Metallen kombiniert, um noch stärkere Legierungen zu erhalten. Wolfram ist jedoch spröde und zerbricht beim Aufprall.
Wolframkarbid – Als Legierung aus Wolfram und Kohlenstoff wird dieses Material häufig für Werkzeuge mit Schneidkanten wie Messer, Kreissägeblätter und Bohrer verwendet. Wolfram und seine Legierungen haben typische Streckgrenzen von 300 bis 1.000 MPa und Zugfestigkeiten von 500 bis 1.050 MPa.
Titan – Dieses natürlich vorkommende Metall hat das höchste Verhältnis von Zugfestigkeit zu Dichte aller Metalle, was es Pfund für Pfund stärker macht als Wolfram. Auf der Mohs-Härteskala schneidet es jedoch schlechter ab. Titanlegierungen sind stark und leicht und werden häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet.
Titanaluminid – Diese Legierung aus Titan, Aluminium und Vanadium hat eine Streckgrenze von 800 MPa und eine Zugfestigkeit von 880 MPa.
Inconel – Als Superlegierung aus Austenit, Nickel und Chrom behält Inconel seine Stärken in extremen Bedingungen und hohen Temperaturen, wodurch es für schnelllaufende Turbinen und Kernreaktoren geeignet ist Anwendungen.
Chrom – Definiert man die Festigkeit eines Metalls einfach nach seiner Härte, dann steht Chrom mit 9,0 auf der Mohs-Skala ganz oben auf der Liste. An sich ist es in Bezug auf Streckgrenze und Zugfestigkeit nicht so stark wie andere Metalle, wird jedoch häufig Legierungen zugesetzt, um sie härter zu machen.
Eisen - Als einer der Bestandteile von Stahl und seit Jahrhunderten das bevorzugte Metall für Werkzeug- und Waffenhersteller, vervollständigt Eisen die Liste der stärksten Metalle der Welt. Gusseisen wird auf der Mohs-Skala mit etwa 5 bewertet, und seine Streckgrenze und Zugfestigkeit betragen etwa 246 bzw. 414 MPa.