金属について、単一の単純な定義は存在しません。しかし、一般的には、「金属的性質」、すなわち金属の特徴を示す化学元素はすべて、金属に分類されます。典型的な金属的性質としては、光沢、優れた熱伝導性および電気伝導性、そして室温で恒久的に成形・変形できる性質などが挙げられます。 金属のこれらの性質には幅広いばらつきがあるが、それこそが、日常生活においてこれほど多くの用途に適している理由なのである。
こうした典型的な金属の性質を持たない化学元素は、非金属に分類される。半金属として知られる少数の元素は、時には金属のように振る舞い、また時には非金属のように振る舞うことがある。この中間的なグループの例としては、炭素、リン、ケイ素、硫黄などが挙げられる。
2種類以上の金属を混ぜ合わせることで、それぞれの異なる特性を組み合わせることができ、合金と呼ばれる物質が生成されます。純粋な元素状の金属は、多くの場合、柔らかすぎて実用的な用途には適さないため、冶金学の多くは有用な合金の開発に焦点を当てています。 特定の組成を持つ合金を作製することで、あらかじめ定められた用途に合わせて、特定の金属特性、あるいは一連の特性を得ることが可能になります。
例えば、鋼は鉄に少量の炭素やその他の元素を混ぜたものです。真鍮（銅と亜鉛）や青銅（銅とスズ）などの他の合金は、成形しやすく、見た目も美しいものです。青銅は、海水による腐食に強いことから、造船でも頻繁に使用されています。
個々の金属や合金の特性によって、その用途が決まります。チタンは鋼よりもはるかに軽く、密度も低いにもかかわらず、同等の強度を持っています。 アルミニウムと比べると重くなりますが、強度は2倍あります。また、チタンは耐食性にも優れており、これらの金属的特性を兼ね備えているため、優れた材料となっています。チタン合金は、航空機、船舶、宇宙船だけでなく、塗料、自転車、さらにはノートパソコンなどにも使用されています。
銅は電気伝導性に優れ、延性もあるため、電気ケーブルに広く使用されています。金や銀は展性・延性に優れ、化学的にほとんど反応しないため、精巧な宝飾品の素材として理想的です。 金は変色しないため、この用途に特に適しており、酸化しない電気接続にも使用できます。
鉄と鋼はどちらも硬くて強いため、橋や建物の建設に使われています。鉄の欠点の1つは錆びやすいことですが、ほとんどの鋼も錆びるものの、錆びないよう配合を調整することができます。 アルミニウムは熱伝導率が高く、展性にも優れているため、鍋やアルミホイルのほか、その非常に軽い重量のおかげで航空機の機体にも有用です。
過酷な環境下では、材料の選定が特に重要になります。耐食性が不可欠な場面ではステンレス鋼や亜鉛メッキ鋼が使用され、強度と軽量性を兼ね備えることが求められる用途では、アルミニウム合金やマグネシウム合金が選ばれます。
特に過酷な条件では、モネルなどの銅ニッケル合金が、腐食性の極めて高い環境や非磁性用途に使用されます。 インコネルなどのニッケル基超合金は、ターボチャージャー、圧力容器、熱交換器などの高温用途に使用されます。温度が極めて高い場合、クリープを最小限に抑えるために単結晶合金が使用されます。
図1：金属の特性、性能上の利点、および工学的な応用との関連性
物性とは、金属がどのように振る舞うかを示すものですが、その由来や実際の活用方法を知って初めて、その真価が理解できます。当サイトの「金属」シリーズにある他のガイドでは、その全体像を明らかにしています。 『金属の組成』では、そもそも材料の化学組成がどのようにその特性を決定づけるかを解説し、『金属のグレード』では、それらの材料が、実際に指定・購入されるファミリーにどのように分類されるかを示しています。材料の要件がどのように文書化され、正式に合意されるかについては、『金属の仕様』および『金属の規格』をお読みください。これらでは、定義文書とその背後にあるシステムについて解説しています。 最後に、『金属の等価性および相互参照』では、あるシステムにおけるグレードが別のシステムの等価品とどのように対応付けられるかを解説しています。これは、ここで説明した特性に直接基づいています。
金属の代表的な特性としては、光沢、優れた熱伝導性および電気伝導性、そして室温で恒久的に成形・変形できることが挙げられます。これらの特性に違いがあるからこそ、さまざまな金属がそれぞれの用途に適しているのです。
金属は典型的な金属的性質を示すのに対し、非金属にはそうした性質が見られない。半金属は、時には金属のように振る舞い、時には非金属のように振る舞う元素であり、この2つの間の中間的な位置を占めている。
純粋な元素金属は、実用上、柔らかすぎる場合が多い。2種類以上の金属を組み合わせることで合金が生まれ、その組成を調整することで、特定の用途に合わせて特定の特性、あるいは複数の特性を兼ね備えた合金を作り出すことができる。鋼、真鍮、青銅などが代表的な例である。
ステンレス鋼や亜鉛メッキ鋼は、耐食性が重要な場面で広く使用されています。青銅は海水による腐食に強く、造船分野で広く用いられている一方、モネルなどの銅ニッケル合金は、腐食性の極めて強い環境下で優れた性能を発揮します。
インコネルなどのニッケル基超合金は、ターボチャージャー、圧力容器、熱交換器といった高温用途に使用されています。極めて高温の環境では、クリープを最小限に抑えるために単結晶合金が用いられます。
チタンは、低密度でありながら高い強度と優れた耐食性を兼ね備えています。鋼よりも軽量でありながら同等の強度を持ち、アルミニウムの約2倍の強度があるため、航空機、船舶、宇宙船、自転車、その他多くの製品に使用されています。