Металлы — основные понятия.
Химические элементы по своей классификации подразделяются на три основных категории: металлы, неметаллы и металлоиды. В периодической системе химических элементов, металлы представляют наиболее многочисленную группу насчитывающую на данный момент больше 80-ти элементов.
Простые металлы и их сплавы обладают рядом характерных отличительных признаков таких как:
— металлический блеск с достаточной отражательной способностью;
— хорошая деформируемость – характеризуется способностью металлов изменяться под воздействием внешних сил (ковкость и тягучесть);
— высокая теплопроводность и электропроводность, которая имеет свойство повышаться при снижении температуры, большое количество металлов являются сверхпроводниками, при достижении температуры абсолютного нуля, их электросопротивление уменьшается скачкообразно до очень малых величин;
— кристаллическое строение тела, состоящее из множества зерен (кристаллов), внутри которых закономерно расположенные атомы, образуют в пространстве правильную кристаллическую решетку.
Пространственно кристаллическая решетка любого металла состоит из множества взаимодействующих друг с другом элементарных ячеек, в которых атомы располагаются в строго определенном порядке. Существуют три основных формы высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов, в которые кристаллизуются большинство металлов:
— кубическая объемноцентрированная решетка — атомы располагаются по углам куба и один атом в центре куба (натрий, калий, барий, …);
— кубическая гранецентрированная решетка — атомы располагаются в углах куба и в центре каждой грани (алюминий, медь, серебро, …);
— гексагональная решетка — атомы расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости (магний, цинк, кадмий, …).
Некоторые металлы могут кристаллизоваться в нескольких полиморфных формах. Расстояние между ближайшими центрами атомов в ячейке называют периодом решетки, которое выражается в нанометрах, нм. Период решетки почти всех металлов варьируется в диапазоне 0,1 – 0,7 нм.
Как правило, металл встречается в твердом состоянии и представляет собой скопление большого числа зерен кристаллические решетки, которые располагаются по отношению друг к другу в случайном порядке. Значительный рост температуры приводит к росту амплитуды колебаний атомов, которая при определенном нагреве достигает критической величины, вследствие чего начинается хаотическое движение атомов и разрушение кристаллической решетки, соответственно происходит преобразование металла из твердого в жидкое состояние. Обратное превращение в твердую структуру называется кристаллизацией, при достижении температуры затвердевания, в нескольких точках образуются центры кристаллизации. Из этих центров начинается рост кристаллов во всех направлениях до соприкосновения с поверхностями других кристаллов, из-за чего они, как правило, имеют неправильную форму, образуя беспорядочно ориентированные конгломераты. При определенных условиях, контролируя отведение тепла и создавая только одну точку кристаллизации можно получить монокристалл, т.е. кусок металла, состоящий из одного кристалла. По своим свойствам монокристаллы более текучи, мягче и менее прочны, чем поликристаллические структуры.
В жидком состоянии многие металлы растворяются друг в друге, образуя однородные расплавы, при кристаллизации которых получают разнообразные сплавы. Металлы и сплавы широко используются в промышленности, строительстве и быту. Все наиболее ответственные детали изготавливаются из металлов для обеспечения необходимой надежности. Наиболее важные свойства, которыми обладают материалы, в том числе и металлы – механические свойства. Металлы в чистом виде по своим характеристикам не всегда соответствуют предъявляемым им требованиям, ряд свойств таких как жаропрочность, повышенное сопротивление коррозии, высокая надежность и механическая прочность, больше характерны для сплавов металлов друг с другом и другими веществами.
Механические свойства металлов характеризуются поведением металлов и изменением их свойств под воздействием внешних сил и нагрузок. От металла как от конструкционного материала требуется высокое сопротивление упругой и пластической деформации (прочность), высокое сопротивление разрушению (надежность), сопротивление разрушению при приложении циклических нагрузок (долговечность). Высококачественные конструкционные материалы в части металлов и сплавов, обладают всеми этими признаками – надежностью, прочностью и долговечностью.