Het is handig voor wetenschappers en ingenieurs om metalen te groeperen van sterk naar zwak, maar het belangrijkste obstakel om dit zinvol te doen, is dat sterkte wordt bepaald door verschillende eigenschappen. Met dit in gedachten, staan staal en zijn legeringen meestal bovenaan de meeste lijsten voor algemene sterkte. Wolfraam is over het algemeen nummer één op lijsten die beperkt zijn tot natuurlijke metalen, hoewel titanium een goede kanshebber is. Geen van deze metalen is zo hard als diamant of zo taai als grafeen, maar deze koolstofroosterstructuren zijn geen metalen.
Vier sterktedeterminanten
Bij het evalueren van de sterkte van een metaal, zou je het kunnen hebben over een van de vier eigenschappen:
-
Treksterkte: is een maat voor hoe goed een metaal bestand is tegen het uit elkaar trekken. Koekjesdeeg en domme stopverf hebben beide een lage treksterkte, terwijl grafeen een van de hoogste treksterkten heeft die ooit zijn gemeten.
-
Druksterkte of hardheid meet hoe goed een materiaal bestand is tegen samenknijpen. Een manier om dit te bepalen is om de Mohs-schaal te gebruiken, met waarden van 0 tot 10, waarbij 10 het moeilijkst is.
-
Opbrengststerkte verwijst naar hoe goed een staaf of balk van een bepaald metaal bestand is tegen buigen en permanente vervorming. Dit is een belangrijke maatregel voor bouwkundig ingenieurs.
-
slagvastheid: is het vermogen van een materiaal om schokken te weerstaan zonder te versplinteren. Hoewel diamant 10 op de schaal van Moh scoort, kan het versplinteren als het door een hamer wordt geraakt. Staal is niet zo hard als diamant, maar je kunt het niet zomaar verbrijzelen.
Legeringen versus Natuurlijke metalen
Legeringen zijn combinaties van metalen en de belangrijkste reden voor het maken van legeringen is om een sterker materiaal te produceren. De belangrijkste legering is staal, dat een combinatie is van ijzer en koolstof en veel harder is dan een van de twee elementaire componenten. Metallurgen maken legeringen van de meeste metalen, zelfs staal, en ze horen thuis op lijsten van de hardste metalen.
Een lijst met de sterkste metalen
Omdat zoveel factoren samen de sterkte van een metaal bepalen, is het moeilijk om een geordende lijst te rangschikken van sterk naar zwak. De volgende ongeordende lijst bevat 's werelds sterkste natuurlijke metalen en legeringen, maar de volgorde kan veranderen afhankelijk van welke eigenschap het belangrijkst wordt geacht.
Koolstofstaal – Deze veel voorkomende legering van ijzer en koolstof wordt al eeuwenlang geproduceerd en scoort hoog op alle vier de eigenschappen die kracht definiëren. Het heeft een vloeigrens van 260 mega pascal (Mpa) en een treksterkte van 580 Mpa. Het scoort ongeveer 6,0 op de schaal van Mohs en is zeer slagvast.
Staal-ijzer-nikkellegering – Er zijn een paar variaties op deze legering, maar in het algemeen verhoogt het legeren van koolstofstaal met nikkel de vloeigrens tot wel 1420 MPa en de treksterkte tot maar liefst 1460 Mpa.
Roestvrij staal - Een legering van staal, chroom en mangaan produceert een corrosiebestendig metaal met een vloeigrens tot 1.560 Mpa en een treksterkte tot 1.600 Mpa. Zoals alle staalsoorten is deze legering zeer slagvast en scoort hij gemiddeld op de schaal van Mohs.
Wolfraam - Met de hoogste treksterkte van alle natuurlijk voorkomende metalen, wordt wolfraam vaak gecombineerd met staal en andere metalen om nog sterkere legeringen te creëren. Wolfraam is echter broos en versplintert onder invloed.
Wolfraamcarbide – Een legering van wolfraam en koolstof, dit materiaal wordt veel gebruikt voor gereedschappen met snijkanten, zoals messen, cirkelzaagbladen en boren. Wolfraam en zijn legeringen hebben typische vloeigrenswaarden van 300 tot 1.000 Mpa en treksterkten van 500 tot 1.050 Mpa.
Titanium - Dit van nature voorkomende metaal heeft de hoogste treksterkte tot dichtheidsverhouding van alle metalen, waardoor het, pond-voor-pond, sterker is dan wolfraam. Het scoort echter lager op de Mohs-schaal van hardheid. Titanium legeringen zijn sterk en licht van gewicht en worden vaak gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie.
Titanium aluminide – Deze legering van titanium, aluminium en vanadium heeft een vloeigrens van 800 Mpa en een treksterkte van 880 Mpa.
Inconel – Een superlegering van austeniet, nikkel en chroom, inconel behoudt zijn sterke punten in extreme omstandigheden en hoge temperaturen, waardoor het geschikt is voor hogesnelheidsturbines en kernreactoren toepassingen.
chroom – Als je de sterkte van een metaal definieert op basis van hoe hard het is, dan zou chroom, dat een score van 9,0 op de schaal van Mohs heeft, bovenaan je lijst staan. Op zichzelf is het niet zo sterk als andere metalen in termen van opbrengst en treksterkte, maar het wordt vaak toegevoegd aan legeringen om ze harder te maken.
IJzer – Een van de componenten van staal, en het favoriete metaal voor gereedschaps- en wapenmakers door de eeuwen heen, ijzer maakt de lijst van 's werelds sterkste metalen compleet. Gietijzer scoort ongeveer 5 op de schaal van Mohs en de vloei- en treksterkte zijn respectievelijk ongeveer 246 en 414 Mpa.