Единого простого определения металла не существует. Однако, как правило, любой химический элемент, обладающий «металлическими свойствами», классифицируется как металл. К типичным свойствам металлов относятся блеск, хорошая тепло- и электропроводность, а также способность к постоянной формовке или деформации при комнатной температуре. Именно широкий диапазон этих свойств металлов делает их пригодными для столь многообразного применения в повседневной жизни.
Химические элементы, не обладающие этими типичными свойствами металлов, относятся к группе неметаллов. Небольшое количество элементов, известных как полуметаллы, иногда ведут себя как металлы, а иногда — как неметаллы. Примерами этой промежуточной группы являются углерод, фосфор, кремний и сера.
Различные свойства металлов можно объединить, смешивая два или более из них, в результате чего получается вещество, называемое сплавом. Поскольку чистые элементарные металлы зачастую слишком мягки для практического применения, значительная часть металлургии сосредоточена на разработке полезных сплавов. Создавая сплав с определённым составом, можно добиться конкретного свойства металла или набора свойств для заданного применения.
Например, сталь представляет собой смесь железа с небольшими добавками углерода и других элементов. Другие сплавы, такие как латунь (медь и цинк) и бронза (медь и олово), легко поддаются формовке и имеют привлекательный внешний вид. Бронза также широко используется в судостроении, поскольку она устойчива к коррозии под воздействием морской воды.
Свойства отдельных металлов и сплавов определяют сферу применения каждого из них. Титан намного легче и менее плотный, чем сталь, но при этом обладает такой же прочностью. По сравнению с алюминием он тяжелее, но в два раза прочнее. Титан также обладает высокой коррозионной стойкостью, и все эти свойства делают его превосходным материалом. Титановые сплавы используются в авиации, судостроении и космонавтике, а также в производстве красок, велосипедов и даже ноутбуков.
Медь является хорошим проводником электричества и обладает пластичностью, поэтому широко используется для изготовления электрических кабелей. Золото и серебро обладают высокой ковкостью, пластичностью и практически не вступают в химические реакции, что делает их идеальным материалом для изготовления сложных ювелирных изделий. Золото особенно подходит для этой цели, поскольку оно не тускнеет, а также может использоваться для изготовления электрических соединений, не подверженных окислению.
Железо и сталь обладают высокой прочностью и твердостью, поэтому их используют для строительства мостов и зданий. Одним из недостатков железа является его склонность к ржавлению, и хотя большинство сталей также подвержено ржавлению, их можно изготовить так, чтобы они не ржавели. Алюминий хорошо проводит тепло и обладает ковкостью, что делает его полезным для изготовления кастрюль и фольги, а также корпусов самолетов благодаря его очень малому весу.
Выбор материала приобретает особое значение в сложных условиях эксплуатации. Нержавеющая и оцинкованная сталь используются там, где важна коррозионная стойкость, а алюминиевые и магниевые сплавы выбирают для применений, требующих как прочности, так и малой массы.
В условиях особо агрессивной среды в высококоррозионных средах и для немагнитных применений используются медно-никелевые сплавы, такие как «Монель». Суперсплавы на основе никеля, такие как инконель, применяются в условиях высоких температур, в том числе в турбокомпрессорах, сосудах под давлением и теплообменниках. При чрезвычайно высоких температурах для минимизации ползучести используются монокристаллические сплавы.
Рисунок 1: Взаимосвязь между свойствами металлов, эксплуатационными преимуществами и техническими применениями
Физико-химические свойства дают представление о том, как ведет себя металл, но их значение становится понятным только тогда, когда вы понимаете, откуда они берутся и как применяются на практике. Другие руководства из нашей серии «Металлы» помогают составить полную картину. В руководстве «Состав металлов» объясняется, как химический состав материала определяет его свойства, а в руководстве «Марки металлов» показано, как эти материалы классифицируются по группам, которые вы фактически указываете в технических заданиях и приобретаете. Чтобы узнать, как формулируются и официально согласовываются требования к материалам, ознакомьтесь с руководствами «Технические условия на металлы» и «Стандарты на металлы», в которых рассматриваются нормативные документы и лежащие в их основе системы. Наконец, в руководстве «Эквиваленты металлов и перекрестные ссылки» объясняется, как марка в одной системе соотносится со своим эквивалентом в другой, что напрямую зависит от свойств, описанных здесь.
К типичным свойствам металлов относятся блеск, хорошая тепло- и электропроводность, а также способность к постоянной деформации при комнатной температуре. Именно различия в этих свойствах определяют пригодность различных металлов для разных областей применения.
Металлы обладают типичными металлическими свойствами, в то время как неметаллы их не имеют. Металлоиды — это элементы, которые то ведут себя как металлы, то как неметаллы, занимая промежуточное положение между ними.
Чистые металлы в элементарном виде зачастую слишком мягкие для практического применения. При смешивании двух или более металлов получается сплав, состав которого можно подобрать таким образом, чтобы обеспечить определенное свойство или набор свойств для конкретного применения. Сталь, латунь и бронза являются типичными примерами.
Нержавеющая сталь и оцинкованная сталь широко используются там, где важна коррозионная стойкость. Бронза устойчива к коррозии под воздействием морской воды и широко применяется в судостроении, а медно-никелевые сплавы, такие как «Монель», демонстрируют хорошие характеристики в условиях высокой коррозионной активности.
Суперсплавы на основе никеля, такие как «Инконель», применяются в условиях высоких температур, например, в турбокомпрессорах, сосудах под давлением и теплообменниках. При чрезвычайно высоких температурах используются монокристаллические сплавы, позволяющие свести к минимуму ползучесть.
Титан сочетает в себе низкую плотность с высокой прочностью и превосходной коррозионной стойкостью. Он легче стали, но обладает сопоставимой прочностью и примерно в два раза прочнее алюминия, поэтому его используют в авиации, судостроении, космонавтике, производстве велосипедов и многих других отраслях.