金属之最的桂冠花落谁家？_风闻

原创：中科院物理所

要评价地球上最坚固的金属是什么，首先我们需要探讨一个合适的评价体系。我们要知道的一个基本事实是，对于金属不同方面的强度性质，评判的标准有各有不同。衡量一种材料的力学性质的指标包括：抗拉强度、屈服强度、硬度等。其中，抗拉强度，单位是磅/平方英寸(psi)，反映了材料在不断裂的情况下所能承受的最大载荷。屈服强度则衡量引起永久变形所需的应力大小。

由弗兰克·盖里（Frank O.Gehry）设计的古根海姆博物馆分馆坐落于西班牙毕尔巴鄂，该建筑由钛合金和玻璃打造而成 | TIM GRAHAM/GETTY IMAGES

钨是所有纯金属中屈服强度和抗拉强度最高的，可以说是世界上最坚固的金属。然而，它不是最硬的金属元素，甚至不是密度最大的金属。说到纯金属，寻找最强金属也会带来一个问题：最强金属必须是天然的金属单质（非合金金属）吗？多种不同金属的合金其实也可以。钢被认为是地球上最坚固的合金。

让我们来看看地球上最坚固的金属以及它们令人惊讶的用途。

金属大横评钨相较于其他金属单质，金属钨具有最高的熔点（3695K）和最极限的抗拉强度（142000psi）。钨及其合金长期以来被用来制造白炽灯泡，也被用做电视灯管的灯丝。就其本身而言，钨这种金属的莫氏硬度为7.5(金刚石为10)，但化合物碳化钨的硬度要高得多(9.5)，并且碳化钨常被用于制造工具。

合金钢合金钢是由铁（金属）和碳（非金属）按照一定配比形成的。不同类型的合金钢中，铁、碳元素以及其他添加元素的比例各不相同。例如，要制造不锈钢，就要向钢中掺入铬元素。碳素钢含有较高比例的碳，比其他合金钢更加坚固。

锇锇是世界上密度最大的天然金属之一。然而，锇很脆，所以锇很少被用于合金中。你可以在电路元件中找到锇。

铬如果我们仅把金属的硬度作为衡量金属强度的唯一标准，那么就可以认为铬是世界上最强的金属。铬的莫氏硬度为8.5，是地球上最硬的金属。它还能抵抗腐蚀，因此镀铬用于金属防锈蚀的方法非常多见。

钛钛这种元素是以希腊神话中巨人泰坦的名字命名的。钛具有最高的单位质量抗拉强度。钛合金（由钛和其他金属元素组成）拥有比地球上任何金属都要高的抗拉强度质量比。纯钛和钢一样坚固，但纯钛的重量比钢轻45%。

钛具有特别高的强度质量比，是飞机发动机和飞机机身、火箭、导弹的首选材料——任何一处需要尽可能坚韧并且轻便的金属部件的地方。虽然钛不是一种特别稀有的金属，但由于开采和生产钛的成本很高，金属钛的价格也水涨船高。世界上最大的客机，空客A380使用了70公吨钛，主要被应用在了A380发动机的制造中。由于20世纪30年代出现了被称为“诺克斯工艺”的冶金技术的创新，钛的商业锻造技术在20世纪40年代和50年代进入了全面发展阶段。钛合金被首先应用在了军用飞机和潜艇中（美国和俄罗斯军队中都使用了钛），然后在20世纪60年代，商用飞机也逐步应用上了钛合金。

金属钛的发现早在1791年，一位对矿物研究富有兴趣的英国牧师威廉·格雷戈尔（William Gregor）在康沃尔镇附近的一条小溪里打捞到了一些奇怪的黑色沙子。其中有些沙子具有磁性，格雷戈尔断定这是氧化铁，但是不清楚另一种物质是哪一种材料。格雷戈尔认为它肯定是另一种氧化物，但这种物质不在皇家地质学会的记录中。1795年，德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗斯（Martin Heinrich Klaproth）也独立发现了这种奇怪的氧化物，并以希腊神话中泰坦神的名字将其命名为氧化钛。

尽管18世纪晚期人们就发现了钛的氧化物，但直到1910年，为通用电气工作的美国化学家马修·亨特（Matthew Hunter）才从氧化物中分离出纯钛。马修·亨特发现利用密封的高温高压腔体从氧化物分离出来钛这种银色的金属的方法。

钛不会生锈腐蚀是一种电化学过程，随着时间的推移，绝大部分金属会因为腐蚀过程的进行而被破坏。当金属暴露在氧气中，无论是在空气中还是在水下，氧气都会从金属原子中夺取电子，形成我们所说的金属“氧化物”。最常见的腐蚀得到的氧化物之一是氧化铁，也就是常见的铁锈。

但并不是所有的金属都会发生持续的腐蚀过程。当钛与氧气接触时，钛的表面会首先被氧化，并形成一层薄薄的二氧化钛氧化层。这个氧化层非常严密，实际上保护了更深层的钛免受大多数酸、碱、污染和盐水的腐蚀。

钛具有先天的优异防腐性能。这使其不仅是制造飞机的理想材料，也是制造暴露在高腐蚀性海水中的金属部件的理想材料。船舶的螺旋桨几乎都是由钛制造的，船舶的内部压舱物、管道系统以及暴露在海水中的船舶硬件也是如此。

钛可以存在于我们的身体中保护钛免受腐蚀的二氧化钛薄层也使金属钛成为植入人体最安全的材料。钛具有优异的“生物相容性”，这意味着钛对于人类而言无毒、无过敏性，甚至可以与人体组织和骨骼融合。

钛是外科手术的首选材料，常被作为骨和关节植入物、颅板、牙植入物的根部、人造眼睛和耳朵的支架、心脏瓣膜、脊柱融合物，甚至尿道支架的基本材料。研究表明，钛植入物会触发人体免疫系统，使骨骼直接在钛的表面上生长，这一过程被称为骨整合。

钛金属常被作为髋关节置换术和骨折手术中固定针的首选材料，除了因为“生物相容性”，另一大原因是钛金属具有极高的强度质量比，因此钛金属植入物通常很轻，并且还和人类骨头具有几乎相同的韧性。

钛合金也是高尔夫杆和其他运动器材的首选材料随着纯钛的价格在20世纪后期下降，制造商开始为这种神奇的金属寻找更多的商业应用。钛以轻的重量就可实现的高强度使其非常适合体育用品。最早的钛制高尔夫球杆是在20世纪90年代中期上市的，其中包括一根来自卡拉威的巨型高尔夫球杆，名为Great Big Bertha。与钢制或木制球杆相比，这些球杆价格昂贵，但这些钛制球杆的成功促使其他体育用品制造商开始涉足钛合金。现在，你可以在任何轻盈、高强度和耐用性都很关键的运动器材中找到钛:网球拍、长曲棍球棒、滑雪板、自行车架、棒球棒、远足和登山设备、露营装备，甚至是专业赛马的马蹄铁。

白颜料（包括食品添加剂）中也含有钛元素每年生产的570万公吨的钛中，只有5%钛被锻造成了金属。绝大多数生产的钛都被用于合成二氧化钛，没错，还是那个天然形成保护钛不被腐蚀的二氧化钛。在全世界范围内，二氧化钛被广泛用作油漆、化妆品、药品和食品的无毒白色颜料，包括白色蛋糕糖衣。

白色油漆过去是用含铅的颜料制成的，但当人们逐步了解到了铅对健康的危害后，白色油漆产品中铅的成分就被二氧化钛取代了。事实证明，白色颜料中采用二氧化钛代替铅带来了意想不到的效果。

房屋油漆选择以二氧化钛为原料的白色油漆，因为这种颜料具有优异的防腐蚀作用，并且寿命更长。同时，二氧化钛对光线的反射率很高，因此能够反射出比钻石更自然的光芒，并产生一种特别明亮的白色色调。

二氧化钛还能反射红外光，这就是为什么太阳观测装置的外部总会采用钛基涂料来散射影响成像的红外光。

参考文献

[1] Ed. Jonathan Law and Richard Rennie. A Dictionary of Chemistry (8 ed.). 2020. (Oct. 10, 2023). https://www.oxfordreference.com/display/10.1093/acref/9780198841227 .001.0001/acref-9780198841227

[2] Deziel, Chris. “What Are the Top 10 Strongest Metals on Earth?” Sciencing. Mar. 13, 2018. (Oct. 10, 2023). https://sciencing.com/top-10-strongest-metals-earth-2595.html

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[4] “Tensile strength.” Encyclopedia Britannica. Sept. 22, 2023. (Oct. 10, 2023). https://www.britannica.com/science/tensile-strength.

[5] “Tungsten, W.” MatWeb. (Oct. 10, 2023). https://www.matweb.com/search/ datasheet_print.aspx?matguid=41e0851d2f3c417ba69ea0188fa570e3

[6] WebElements. (Oct. 10, 2023). https://www.webelements.com/

作者：Dave Roos & Sascha Bos

翻译：*0

审校：利有攸往

原文链接：What Is the Strongest Metal on Earth?