Nie ma jednej, prostej definicji metalu. Ogólnie rzecz biorąc, za metal uznaje się jednak każdy pierwiastek chemiczny wykazujący „właściwości metaliczne”, czyli właściwości charakterystyczne dla metali. Do typowych właściwości metali należą połysk, dobra przewodność cieplna i elektryczna oraz możliwość trwałego kształtowania lub odkształcania w temperaturze pokojowej. To właśnie duża różnorodność tych właściwości metali sprawia, że nadają się one do tak wielu różnych zastosowań w życiu codziennym.
Pierwiastki chemiczne, które nie wykazują tych typowych właściwości metali, zalicza się do niemetali. Niewielka liczba pierwiastków, znanych jako metaloidy, czasami zachowuje się jak metal, a czasami jak niemetal. Przykładami tej grupy pośredniej są węgiel, fosfor, krzem i siarka.
Różne właściwości metali można łączyć, mieszając ze sobą dwa lub więcej z nich, co prowadzi do powstania substancji zwanej stopem. Ponieważ czyste metale pierwiastkowe są często zbyt miękkie, by nadawały się do praktycznego zastosowania, znaczna część metalurgii skupia się na opracowywaniu użytecznych stopów. Tworząc stop o określonym składzie, można uzyskać konkretną właściwość metalu lub zestaw właściwości dostosowanych do z góry określonego zastosowania.
Na przykład stal jest mieszaniną żelaza z niewielkimi ilościami węgla i innych pierwiastków. Inne stopy, takie jak mosiądz (miedź i cynk) oraz brąz (miedź i cyna), łatwo się formują i mają atrakcyjny wygląd. Brąz jest również często stosowany w przemyśle stoczniowym, ponieważ jest odporny na korozję spowodowaną działaniem wody morskiej.
Właściwości poszczególnych metali i stopów decydują o tym, gdzie są one stosowane. Tytan jest znacznie lżejszy i ma mniejszą gęstość niż stal, a jednocześnie jest równie wytrzymały. W porównaniu z aluminium jest cięższy, ale dwukrotnie wytrzymalszy. Tytan jest również bardzo odporny na korozję, a wszystkie te właściwości sprawiają, że jest to doskonały materiał. Stopy tytanu są wykorzystywane w samolotach, statkach i statkach kosmicznych, a także w farbach, rowerach, a nawet laptopach.
Miedź jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego i charakteryzuje się plastycznością, dlatego jest szeroko stosowana w produkcji kabli elektrycznych. Złoto i srebro są bardzo kowalne, plastyczne i w dużej mierze nieaktywne chemicznie, co sprawia, że idealnie nadają się do tworzenia skomplikowanej biżuterii. Złoto nadaje się do tego celu szczególnie dobrze, ponieważ nie matowieje, a ponadto można je stosować do tworzenia połączeń elektrycznych odpornych na utlenianie.
Żelazo i stal są zarówno twarde, jak i wytrzymałe, dlatego wykorzystuje się je do budowy mostów i budynków. Jedną z wad żelaza jest to, że ma skłonność do rdzewienia, a chociaż większość stali również rdzewieje, można je tak skomponować, aby były odporne na rdzę. Aluminium jest dobrym przewodnikiem ciepła i jest plastyczne, co sprawia, że nadaje się do produkcji rondli i folii aluminiowej, a także kadłubów samolotów, dzięki swojej bardzo niskiej masie.
Wybór materiału nabiera szczególnego znaczenia w trudnych warunkach eksploatacji. Stal nierdzewna i stal ocynkowana znajdują zastosowanie tam, gdzie niezbędna jest odporność na korozję, natomiast stopy aluminium i magnezu wybiera się do zastosowań wymagających zarówno wytrzymałości, jak i niewielkiej masy.
W przypadku szczególnie agresywnych warunków stosuje się stopy miedzi i niklu, takie jak Monel, w środowiskach o wysokiej korozyjności oraz w zastosowaniach niemagnetycznych. Nadstopy na bazie niklu, takie jak Inconel, znajdują zastosowanie w warunkach wysokotemperaturowych, m.in. w turbosprężarkach, zbiornikach ciśnieniowych i wymiennikach ciepła. W przypadku ekstremalnie wysokich temperatur stosuje się stopy monokrystaliczne w celu zminimalizowania pełzania.
Rysunek 1: Związek między właściwościami metali, korzyściami eksploatacyjnymi a zastosowaniami inżynieryjnymi
Właściwości opisują zachowanie metalu, ale najlepiej je zrozumieć, gdy dowiesz się, skąd się biorą i jak są wykorzystywane. Pozostałe przewodniki z naszej serii poświęconej metalom uzupełniają ten obraz. W przewodniku „Skład metali” wyjaśniono, w jaki sposób skład chemiczny materiału determinuje jego właściwości, a w przewodniku „Gatunki metali” pokazano, jak materiały te są klasyfikowane w grupy, które faktycznie określasz i kupujesz. Aby dowiedzieć się, w jaki sposób wymagania dotyczące materiału są spisywane i formalnie uzgadniane, przeczytaj przewodniki „Specyfikacje metali” oraz „Normy dotyczące metali”, które omawiają dokumenty definiujące oraz systemy leżące u ich podstaw. Wreszcie przewodnik „Metal Equivalents and Cross-Referencing” wyjaśnia, w jaki sposób gatunek w jednym systemie jest dopasowywany do jego odpowiednika w innym systemie, co zależy bezpośrednio od właściwości opisanych w niniejszym przewodniku.
Do typowych właściwości metali należą połysk, dobra przewodność cieplna i elektryczna oraz możliwość trwałego kształtowania lub odkształcania w temperaturze pokojowej. To właśnie zróżnicowanie tych właściwości sprawia, że różne metale nadają się do różnych zastosowań.
Metale wykazują typowe właściwości metaliczne, podczas gdy niemetale ich nie posiadają. Półmetale to pierwiastki, które czasami zachowują się jak metale, a czasami jak niemetale, zajmując pozycję pośrednią między nimi.
Czyste metale w postaci pierwiastkowej są często zbyt miękkie, by można je było wykorzystać w praktyce. Połączenie dwóch lub więcej metali pozwala uzyskać stop, którego skład można dostosować tak, aby zapewnić określoną właściwość lub kombinację właściwości odpowiednią do konkretnego zastosowania. Typowymi przykładami są stal, mosiądz i brąz.
Stal nierdzewna i stal ocynkowana znajdują szerokie zastosowanie tam, gdzie ważna jest odporność na korozję. Brąz jest odporny na korozję spowodowaną wodą morską i jest popularny w przemyśle stoczniowym, natomiast stopy miedzi i niklu, takie jak Monel, sprawdzają się dobrze w środowiskach o wysokim stopniu korozyjności.
Superstopy na bazie niklu, takie jak Inconel, znajdują zastosowanie w warunkach wysokich temperatur, np. w turbosprężarkach, zbiornikach ciśnieniowych i wymiennikach ciepła. W przypadku ekstremalnie wysokich temperatur stosuje się stopy monokrystaliczne, aby zminimalizować pełzanie.
Tytan łączy w sobie niską gęstość z wysoką wytrzymałością i doskonałą odpornością na korozję. Jest lżejszy od stali, ale ma porównywalną wytrzymałość i jest około dwa razy wytrzymalszy od aluminium, dlatego znajduje zastosowanie w samolotach, statkach, statkach kosmicznych, rowerach i wielu innych produktach.