Общие понятия о металлах и их свойствах

В середине XVIII в. великий русский ученый М. В. Ломоносов в книге «Первые основания металлургии или рудных дел» дал металлу следующее определение: «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно». Исходя из этого определения, М. В. Ломоносов насчитывал всего шесть металлов: золото, серебро, медь, железо, свинец и олово. Известные ранее ртуть и сурьма не подходили под это определение, так как ртуть при нормальных условиях является жидкостью, а сурьма настолько хрупка, что ее нельзя ковать.

Позднее металлам стали приписывать и другие свойства, например электрические и теплопроводные, непрозрачность в не слишком тонком слое, характерный металлический блеск и др.

В настоящее время техническое определение металла не претерпело существенных изменений: металлы — это вещества, обладающие в твердом состоянии высокими электрои теплопроводностью, а также ковкостью (пластичностью), специфическим блеском и другими свойствами, обусловленными наличием свободных электронов.

С точки зрения химии под металлами понимают определенную группу элементов в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Эти элементы при химическом взаимодействии с элементами, являющимися неметаллами, отдают им свои внешние (валентные) электроны, которые непрочно связаны с ядром. У металлов на наружных электронных оболочках содержится меньшее количество электронов, чем у неметаллов.

Можно дать еще одно определение металла и с физической точки зрения: «Металл — это твердое тело, обладающее поверхностью Ферми» [15]. Под поверхностью Ферми понимают модель картины движения электронов в металле. По виду модели поверхности Ферми можно описать свойства данного металла и его поведение в различных условиях. Однако это сложная задача, требующая еще своего решения в целях объяснения и предсказания комплекса физико-механических свойств различных металлов.

Металлы принято делить на две группы: черные и цветные.

Железо (Fe) и сплавы на его основе (стали, чугуны) называют черными металлами, а остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и др.) и их сплавы цветными.

Черные металлы наиболее широко используются в промышленности. Примерно 90% всех конструкционных и инструментальных материалов производятся на основе железа. Стоимость черных металлов ниже стоимости цветных, что является одной из причин широкого распространения первых.

Цветные металлы, но сходным свойствам подразделяются на легкие металлы, обладающие малой плотностью (Be, Mg, Al, Ti); легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Sn, Sb, Ilg, Pb, Bi); тугоплавкие металлы с температурой плавления выше, чем у железа (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V, Re и др.); благородные металлы, обладающие химической инертностью (Pd, Ag, 0 $, Pt, Au и др.); урановые металлы, используемые в атомной энергетике (U, Th, Р1); редкоземельные металлы, используемые в качестве присадок к различным сплавам (Се, Pr, Nb, Cm и др.); щелочноземельные металлы, используемые в качестве теплоносителей в атомных реакторах (Li, Na, К, Cs и др.).

В машиностроении также широко используются черные (в основном) и цветные металлы. Например, в котлоагрегатах (углеродистые, низколегированные и высоколегированные стали), турбоагрегатах (жаропрочные стали и сплавы).

Следует отметить, что перечисленными выше свойствами могут обладать не только чистые металлы, но и многочисленные металлические сплавы. В большинстве случаев сплавы превосходят по своим служебным свойствам чистые металлы в условиях воздействия рабочих нагрузок, температуры, агрессивной среды и других эксплуатацию и 11 ых факторов.

Разнообразие свойств металлов и их сплавов является главной причиной их широкого использования в технике. Наличие тех или иных свойств в металлах и сплавах зависит от особенностей их внутреннего строения. Основные свойства металлов и сплавов можно подразделить на физические, химические, механические, технологические и специальные.

К физическим свойствам относятся магнитные, электрои теплопроводные, а также плотность, теплоемкость, температура плавления и др.

Химические свойства характеризуют специфику межатомного взаимодействия металла с другими веществами, в том числе с окружающей средой, например коррозию.

Среди механических свойств следует назвать прежде всего такие, как прочность, твердость, пластичность, трещииостойкость.

От физических, химических и механических свойств зависят технологические и специальные свойства металлов и сплавов. К технологическим свойствам относятся литейные, ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом, а к специальным — жаропрочность, жаростойкость, износостойкость, коррозионная стойкость и др.

К специальным относятся также такие свойства, как служебные или эксплуатационные, которые характеризуют работоспособность и долговечность деталей и конструкций, изготовленных из металлов и сплавов.

Эксплуатационные свойства зависят от комплекса различных свойств (механических, физических, химических и др.).

Среди механических свойств прочность занимает особое место, так как от нее прежде всего зависит неразрушаемость изделий. Учение о прочности и разрушении металлов является важной частью металловедения. Современные представления о природе прочности и физических механизмах разрушения позволяют обоснованно сделать выбор металла для изготовления деталей и конструкций в зависимости от эксплуатационных воздействий.