Металлы и сплавы

Металлы представляют собой химические элементы, обладающие высокой электрической и теплопроводностью, характерной металлической связью и способностью образовывать кристаллические решётки. Их можно классифицировать по различным признакам:

• По химической активности: активные (например, щелочные и щёлочноземельные металлы), среднеактивные (железо, медь), малоактивные (платина, золото).
• По структуре кристаллической решётки: кубическая гранецентрированная (Fe при высоких температурах), кубическая объемноцентрированная (α-Fe), гексагональная (Mg, Zn).
• По применению: конструкционные (сталь, алюминий), цветные (медь, латунь, бронза), редкие и драгоценные (платина, золото).

Физические свойства металлов

Металлы обладают комплексом физических свойств, обусловленных металлической связью:

• Пластичность и ковкость — способность деформироваться без разрушения, позволяет прокатывать металлы в листы и вытягивать в проволоку.
• Высокая плотность — зависит от атомной массы и упаковки кристаллической решётки.
• Электропроводность и теплопроводность — обусловлены наличием свободных электронов.
• Температура плавления и кипения — варьируется от низких значений у щелочных металлов до высоких у переходных и редкоземельных.

Химические свойства металлов

Химические свойства металлов определяются их электроотрицательностью и энергией ионизации:

• Взаимодействие с кислородом: активные металлы (Na, K, Ca) образуют оксиды при комнатной температуре; менее активные (Fe, Zn) — при нагревании.
• С водородом: многие металлы образуют гидриды (CaH₂, MgH₂).
• С кислотами: металлы, расположенные в ряду активности выше водорода, вытесняют его из кислот.
• С солями других металлов: активные металлы способны вытеснять менее активные из их соединений.

Металлическая связь и кристаллическая структура

Металлическая связь представляет собой коллективное взаимодействие атомов через «электронный газ», что объясняет уникальные свойства металлов. Кристаллическая структура влияет на механические и физические характеристики:

• Кубическая гранецентрированная (ГЦК) — высокая пластичность, например у меди и алюминия.
• Кубическая объемноцентрированная (ОЦК) — высокая прочность, но меньшая пластичность (железо при низкой температуре).
• Гексагональная (ГП) — высокая твёрдость и умеренная пластичность (титан, магний).

Сплавы и их классификация

Сплавы — материалы, получаемые смешением двух и более металлов или металла с неметаллом, с целью улучшения механических, химических или технологических свойств.

• По количеству компонентов:

  • Двухкомпонентные: бронза (Cu + Sn), латунь (Cu + Zn).
  • Многокомпонентные: нержавеющая сталь (Fe + Cr + Ni), высоколегированные алюминиевые сплавы.

• По характеру применения:

  • Конструкционные — сталь, алюминиевые сплавы для строительных и машиностроительных целей.
  • Износостойкие и термостойкие — специальные стали, бронза для подшипников и деталей высокой нагрузки.
  • Декоративные и ювелирные — золото, серебро, медные сплавы с улучшенной коррозионной устойчивостью.

Свойства сплавов

Сплавы обладают комплексом свойств, не присущих отдельным металлам:

• Повышенная прочность — достигается за счёт твердых растворов и дисперсных фаз.
• Улучшенная коррозионная устойчивость — легирующие элементы, такие как Cr и Ni, образуют пассивные оксидные плёнки.
• Регулируемая пластичность и твердость — достигается термообработкой (закалка, отпуск, отжиг).
• Специальные свойства — магнитные (Fe-Ni сплавы), жаропрочные (титановые и никелевые сплавы).

Методы обработки металлов и сплавов

Металлы и сплавы подвергаются различным методам обработки для придания необходимой формы и свойств:

• Механическая обработка — ковка, прокатка, штамповка, волочение.
• Термическая обработка — закалка, отпуск, отжиг, цементация.
• Химико-термическая обработка — нитроцементация, хромирование, фосфатирование.
• Литейные методы — получение деталей путем заливки расплавленного металла в форму.

Коррозия металлов и защита

Коррозия — это разрушение металлов под действием внешней среды, преимущественно химической или электрохимической. Основные виды:

• Химическая коррозия — взаимодействие с сухими газами или окислителями.
• Электрохимическая коррозия — протекание электрохимических процессов в присутствии электролитов.
• Механическая коррозия — совместное действие напряжений и химической среды (коррозионное растрескивание).

Методы защиты: покрытие краской, гальваническая защита, легирование металлов, пассивация поверхности.

Заключение по металлам и сплавам

Металлы и сплавы представляют собой фундаментальные материалы современной промышленности. Их свойства определяются электронной структурой, кристаллической решёткой и составом сплава. Контроль за составом и структурой позволяет получать материалы с заданными механическими, химическими и эксплуатационными характеристиками.