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.