Общая характеристика металлов и сплавов

Металлы и их сплавы повсеместно используются для конструкций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики,
клеев, металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Hg, Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра – 13,5 т, золота – 112 кг.

Из 109 открытых элементов, представленных в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, 22 являются неметаллами. Все элементы, расположенные левее жирной
ступенчатой линии, проведенной от бора до астата (от № 5 до № 85) относятся к металлам, а правее – к неметаллам. Эта граница не является абсолютно строгой, среди элементов, расположенных вблизи гранцы, находятся и элементы, промежуточные между металлами и неметаллами, иногда называемые по­луметаллами.

Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют чер­ными металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными. Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы:

• легкие металлы Mg, Ве, Al, Ti с плотностью до 5 г/см³;
• тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотно­стью, превышающей 10 г/см³;
• легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления соответственно 232, 327, 410 °С;
• тугоплавкие металлы W, Mo, Та, Nb с температурой плавле­ния существенно выше, чем у железа (> 1536 °С);
• благородные металлы Аu, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;
• урановые металлы, или актиноиды (актиниды), используе­мые в атомной технике;
• редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды, применяе­мые для модифицирования стали;
• щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Са в сво­бодном состоянии применяются в качестве жидкометалличе­ских теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искус­ственного каучука, а литий – для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолето­строении.

Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при темпе­ратуре -38,8 °С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С (T_пл = 3410 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют ха­рактерные общие свойства. К ним относятся:

• высокая пластичность;
• высокие тепло- и электропроводность;
• положительный температурный коэффициент электрическо­го сопротивления, означающий рост сопротивления с повы­шением температуры, и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;
• хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);
• термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;
• кристаллическое строение в твердом состоянии.