要評(píng)價(jià)地球上最堅(jiān)固的金屬是什么，首先我們需要探討一個(gè)合適的評(píng)價(jià)體系。我們要知道的一個(gè)基本事實(shí)是，對(duì)于金屬不同方面的強(qiáng)度性質(zhì)，評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)有各有不同。衡量一種材料的力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)包括：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度等。其中，抗拉強(qiáng)度，單位是磅 / 平方英寸 (psi)，反映了材料在不斷裂的情況下所能承受的最大載荷。屈服強(qiáng)度則衡量引起永久變形所需的應(yīng)力大小。

鎢是所有純金屬中屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高的，可以說(shuō)是世界上最堅(jiān)固的金屬。然而，它不是最硬的金屬元素，甚至不是密度最大的金屬。說(shuō)到純金屬，尋找最強(qiáng)金屬也會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：最強(qiáng)金屬必須是天然的金屬單質(zhì)（非合金金屬）嗎？多種不同金屬的合金其實(shí)也可以。鋼被認(rèn)為是地球上最堅(jiān)固的合金。

讓我們來(lái)看看地球上最堅(jiān)固的金屬以及它們令人驚訝的用途。

金屬大橫評(píng)

鎢

相較于其他金屬單質(zhì)，金屬鎢具有最高的熔點(diǎn)（3695K）和最極限的抗拉強(qiáng)度（142000psi）。鎢及其合金長(zhǎng)期以來(lái)被用來(lái)制造白熾燈泡，也被用做電視燈管的燈絲。就其本身而言，鎢這種金屬的莫氏硬度為 7.5 (金剛石為 10)，但化合物碳化鎢的硬度要高得多 (9.5)，并且碳化鎢常被用于制造工具。

合金鋼

合金鋼是由鐵（金屬）和碳（非金屬）按照一定配比形成的。不同類(lèi)型的合金鋼中，鐵、碳元素以及其他添加元素的比例各不相同。例如，要制造不銹鋼，就要向鋼中摻入鉻元素。碳素鋼含有較高比例的碳，比其他合金鋼更加堅(jiān)固。

鋨

鋨是世界上密度最大的天然金屬之一。然而，鋨很脆，所以鋨很少被用于合金中。你可以在電路元件中找到鋨。

鉻

如果我們僅把金屬的硬度作為衡量金屬?gòu)?qiáng)度的唯一標(biāo)準(zhǔn)，那么就可以認(rèn)為鉻是世界上最強(qiáng)的金屬。鉻的莫氏硬度為 8.5，是地球上最硬的金屬。它還能抵抗腐蝕，因此鍍鉻用于金屬防銹蝕的方法非常多見(jiàn)。

鈦

鈦這種元素是以希臘神話(huà)中巨人泰坦的名字命名的。鈦具有最高的單位質(zhì)量抗拉強(qiáng)度。鈦合金（由鈦和其他金屬元素組成）擁有比地球上任何金屬都要高的抗拉強(qiáng)度質(zhì)量比。純鈦和鋼一樣堅(jiān)固，但純鈦的重量比鋼輕 45%。

鈦具有特別高的強(qiáng)度質(zhì)量比，是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)機(jī)身、火箭、導(dǎo)彈的首選材料 —— 任何一處需要盡可能堅(jiān)韌并且輕便的金屬部件的地方。雖然鈦不是一種特別稀有的金屬，但由于開(kāi)采和生產(chǎn)鈦的成本很高，金屬鈦的價(jià)格也水漲船高。世界上最大的客機(jī)，空客 A380 使用了 70 公噸鈦，主要被應(yīng)用在了 A380 發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中。由于 20 世紀(jì) 30 年代出現(xiàn)了被稱(chēng)為“諾克斯工藝”的冶金技術(shù)的創(chuàng)新，鈦的商業(yè)鍛造技術(shù)在 20 世紀(jì) 40 年代和 50 年代進(jìn)入了全面發(fā)展階段。鈦合金被首先應(yīng)用在了軍用飛機(jī)和潛艇中（美國(guó)和俄羅斯軍隊(duì)中都使用了鈦），然后在 20 世紀(jì) 60 年代，商用飛機(jī)也逐步應(yīng)用上了鈦合金。

金屬鈦的發(fā)現(xiàn)

早在 1791 年，一位對(duì)礦物研究富有興趣的英國(guó)牧師威廉?格雷戈?duì)枺╓illiam Gregor）在康沃爾鎮(zhèn)附近的一條小溪里打撈到了一些奇怪的黑色沙子。其中有些沙子具有磁性，格雷戈?duì)枖喽ㄟ@是氧化鐵，但是不清楚另一種物質(zhì)是哪一種材料。格雷戈?duì)栒J(rèn)為它肯定是另一種氧化物，但這種物質(zhì)不在皇家地質(zhì)學(xué)會(huì)的記錄中。1795 年，德國(guó)化學(xué)家馬丁?海因里希?克拉普羅斯（Martin Heinrich Klaproth）也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這種奇怪的氧化物，并以希臘神話(huà)中泰坦神的名字將其命名為氧化鈦。

盡管 18 世紀(jì)晚期人們就發(fā)現(xiàn)了鈦的氧化物，但直到 1910 年，為通用電氣工作的美國(guó)化學(xué)家馬修?亨特（Matthew Hunter）才從氧化物中分離出純鈦。馬修?亨特發(fā)現(xiàn)利用密封的高溫高壓腔體從氧化物分離出來(lái)鈦這種銀色的金屬的方法。

鈦不會(huì)生銹

腐蝕是一種電化學(xué)過(guò)程，隨著時(shí)間的推移，絕大部分金屬會(huì)因?yàn)楦g過(guò)程的進(jìn)行而被破壞。當(dāng)金屬暴露在氧氣中，無(wú)論是在空氣中還是在水下，氧氣都會(huì)從金屬原子中奪取電子，形成我們所說(shuō)的金屬“氧化物”。最常見(jiàn)的腐蝕得到的氧化物之一是氧化鐵，也就是常見(jiàn)的鐵銹。

但并不是所有的金屬都會(huì)發(fā)生持續(xù)的腐蝕過(guò)程。當(dāng)鈦與氧氣接觸時(shí)，鈦的表面會(huì)首先被氧化，并形成一層薄薄的二氧化鈦氧化層。這個(gè)氧化層非常嚴(yán)密，實(shí)際上保護(hù)了更深層的鈦免受大多數(shù)酸、堿、污染和鹽水的腐蝕。

鈦具有先天的優(yōu)異防腐性能。這使其不僅是制造飛機(jī)的理想材料，也是制造暴露在高腐蝕性海水中的金屬部件的理想材料。船舶的螺旋槳幾乎都是由鈦制造的，船舶的內(nèi)部壓艙物、管道系統(tǒng)以及暴露在海水中的船舶硬件也是如此。

鈦可以存在于我們的身體中

保護(hù)鈦免受腐蝕的二氧化鈦薄層也使金屬鈦成為植入人體最安全的材料。鈦具有優(yōu)異的“生物相容性”，這意味著鈦對(duì)于人類(lèi)而言無(wú)毒、無(wú)過(guò)敏性，甚至可以與人體組織和骨骼融合。

鈦是外科手術(shù)的首選材料，常被作為骨和關(guān)節(jié)植入物、顱板、牙植入物的根部、人造眼睛和耳朵的支架、心臟瓣膜、脊柱融合物，甚至尿道支架的基本材料。研究表明，鈦植入物會(huì)觸發(fā)人體免疫系統(tǒng)，使骨骼直接在鈦的表面上生長(zhǎng)，這一過(guò)程被稱(chēng)為骨整合。

鈦金屬常被作為髖關(guān)節(jié)置換術(shù)和骨折手術(shù)中固定針的首選材料，除了因?yàn)椤吧锵嗳菪浴?，另一大原因是鈦金?strong>具有極高的強(qiáng)度質(zhì)量比，因此鈦金屬植入物通常很輕，并且還和人類(lèi)骨頭具有幾乎相同的韌性。

鈦合金也是高爾夫桿和其他運(yùn)動(dòng)器材的首選材料

隨著純鈦的價(jià)格在 20 世紀(jì)后期下降，制造商開(kāi)始為這種神奇的金屬尋找更多的商業(yè)應(yīng)用。鈦以輕的重量就可實(shí)現(xiàn)的高強(qiáng)度使其非常適合體育用品。最早的鈦制高爾夫球桿是在 20 世紀(jì) 90 年代中期上市的，其中包括一根來(lái)自卡拉威的巨型高爾夫球桿，名為 Great Big Bertha。與鋼制或木制球桿相比，這些球桿價(jià)格昂貴，但這些鈦制球桿的成功促使其他體育用品制造商開(kāi)始涉足鈦合金?，F(xiàn)在，你可以在任何輕盈、高強(qiáng)度和耐用性都很關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)器材中找到鈦: 網(wǎng)球拍、長(zhǎng)曲棍球棒、滑雪板、自行車(chē)架、棒球棒、遠(yuǎn)足和登山設(shè)備、露營(yíng)裝備，甚至是專(zhuān)業(yè)賽馬的馬蹄鐵。

白顏料（包括食品添加劑）中也含有鈦元素

每年生產(chǎn)的 570 萬(wàn)公噸的鈦中，只有 5% 鈦被鍛造成了金屬。絕大多數(shù)生產(chǎn)的鈦都被用于合成二氧化鈦，沒(méi)錯(cuò)，還是那個(gè)天然形成保護(hù)鈦不被腐蝕的二氧化鈦。在全世界范圍內(nèi)，二氧化鈦被廣泛用作油漆、化妝品、藥品和食品的無(wú)毒白色顏料，包括白色蛋糕糖衣。

白色油漆過(guò)去是用含鉛的顏料制成的，但當(dāng)人們逐步了解到了鉛對(duì)健康的危害后，白色油漆產(chǎn)品中鉛的成分就被二氧化鈦取代了。事實(shí)證明，白色顏料中采用二氧化鈦代替鉛帶來(lái)了意想不到的效果。

房屋油漆選擇以二氧化鈦為原料的白色油漆，因?yàn)檫@種顏料具有優(yōu)異的防腐蝕作用，并且壽命更長(zhǎng)。同時(shí)，二氧化鈦對(duì)光線的反射率很高，因此能夠反射出比鉆石更自然的光芒，并產(chǎn)生一種特別明亮的白色色調(diào)。

二氧化鈦還能反射紅外光，這就是為什么太陽(yáng)觀測(cè)裝置的外部總會(huì)采用鈦基涂料來(lái)散射影響成像的紅外光。

參考文獻(xiàn)

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• [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

翻譯：*0

審校：利有攸往

原文鏈接：What Is the Strongest Metal on Earth?

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Dave & Sascha

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總結(jié)

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