Классификация металлов. Характеристика металлов и области применения

реализует изделия из металлопроката собственного производства. Наши консультанты ответят на интересующие вас вопросы и помогут сориентироваться в ассортименте. А познавательный минимум из краткого курса по металловедению даст представление о требованиях к материалу при выборе варианта для конкретной цели. Область применения и способ работы диктуют закреплённые в государственных стандартах конструкционные свойства материалов. Все металлы делятся на черные и цветные, а разные химические элементы двух типов с уникальными свойствами могут соединяться в сплавы.

В группу металлов входят:

• чистое железо;
• сплавы;
• металлиды;
• интерметаллиды.

В последних двух случаях речь идёт о сложных соединениях элементов, повышающих прочность материала. В зависимости от задач, металлы и сплавы могут быть литейными, порошковыми и деформируемыми.

Общая характеристика

Металлами называют группу элементов, в виде простых веществ, которые обладают металлическими свойствами (пластичность, ковкость, блеск, электронная проводимость и т. д.)

Основное отличие элементов-металлов – они обладают только восстановительными свойствами, а в реакциях могут только окисляться. В соединениях они могут иметь только положительные степени окисления как в элементарных положительно заряженных ионах, так и в сложных ионах, где они образуют положительные центры.

Рис. 1. Список металлов.

Как правило, на внешнем уровне элементов металлов находится небольшое число электронов (1-3), значения электроотрицательности невысокие. К металлам относятся все s-элементы (кроме водорода и гелия), d- и f-элементы, а также p-элементы под чертой бор-астат. Для типичных металлов характерен большой размер атомов, что способствует легкости отдачи валентных электронов. Образующиеся положительные ионы устойчивы, так как имеют завершенную внешнюю электронную оболочку.

Медь и сплавы с медью

В чистом виде имеет розовато-красный цвет, маленькое удельное сопротивление, небольшую плотность, хорошую теплопроводность, отличную пластичность, обладает стойкостью к коррозии. Находит широкое применение как проводник электрического тока. Для технических нужд используют два вида сплавов из меди: латуни (медь с цинком) и бронзы (медь с алюминием, оловом, никелем и другими металлами). Латунь используется для изготовления листов, лент, труб, проволоки, арматуры, втулок, подшипников. Из бронзы изготавливают плоские и круглые пружины, мембраны, разную арматуру, червячные пары.

Таблица «Металлы»

В следующей таблицы представлены группы основных металлов:

Металлы пластичны и ковки, особенно если на внешнем электронном уровне атомов по одному электрону: слои атомов перемещаются относительно друг друга без разрушения кристаллической решетки (щелочные металлы, медь, серебро, золото). В атомах непластичных хрупких металлов хрома и марганца – большое число валентных электронов.

Плотность, твердость, температура плавления металлов изменяются в широком диапазоне и зависят от атомной массы, строения атома и геометрии кристаллической решетки. Самый легкий металл – литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжелый – осмий (плотность 22,5 г/см3). Металлы с плотностью больше 5 г/см3 относят к тяжелым, меньше 5 г/см3 – к легким металлам.

Самая низкая температура плавления у ртути (-39 градусов по Цельсию), самый тугоплавкий металл – вольфрам (температура плавления 3410 градусов по Цельсию.) Энергия атомизации вольфрама составляет 836 кДж/моль, а температура кипения его 5930 градусов.

Металлы вступают в реакцию как с простыми, так и со сложными веществами. Как типичные восстановители металлы реагируют почти со всеми неметаллами-окислителями (кислород, сера, азот и т. д.):

4Al+3O2=Al2O3

Также металлы реагируют с такими сложными веществами, как оксиды и гидроксиды, разбавленные растворы кислот, с растворенными в воде щелочами.

В пределах одного и того же периода металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются; в пределах одной и той же группы (в главной подгруппе) металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают

Рис. 3. Металлы главных подгрупп.

Категории черных вторичных металлов

К отходам черных металлов предъявляют определенные требования. Для отправки сплавов в сталеплавильные печи потребуются определенные операции по их обработке. Перед подачей заявки на перевозку отходов необходимо ознакомиться с ГОСТом черных металлов для определения его стоимости. Черный вторичный лом классифицируют на стальной и чугунный. Если в составе присутствуют легирующие добавки, то его относят к категории «Б». В категорию «А» включены углеродистые: сталь, чугун, присад.

Металлурги и литейщики из-за ограниченности первичной сырьевой базы проявляют активный интерес к вторичному сырью. Использование лома черных металлов вместо металлической руды – это ресурсное, а также энергосберегающее решение. Вторичный черный металл используют как охладитель конвертерной плавки.

Диапазон применения металлов невероятно широк. Черные и цветные неограниченно используются в строительной и машинной индустрии. Не обойтись без цветных металлов и в энергетической промышленности. Редкие и драгоценные идут на изготовление украшений. В искусстве и медицине находят применение как цветные, так и черные металлы. Невозможно представить жизнь человека без них, начиная от хозяйственных принадлежностей и до уникальных приборов и аппаратов.

Нахождение металлов и способы их получения

Самый распространенный на земле элемент-металл – алюминий. За ним следуют железо, кальций, натрий.

Некоторые металлы встречаются в природе в самородном состоянии (золото, ртуть, платина), но в основном они находятся в природе в виде оксидов и солей.

Получение металлов происходит с помощью металлургии (получение из руд), пирометаллургии (получение с помощью реакции восстановления при высокой температуре), гидрометаллургии (извлечение из руд в виде растворимых соединений), электрометаллургии (получение металлов электролизом расплавов и растворов их соединений).

Свойства элементов

Когда вы изучали алфавит в начальной школе, вы обнаружили, что все буквы имеют свой собственный уникальный набор свойств. Например, у некоторых были прямые линии, у некоторых — кривые, а у других были линии обоих типов. То же самое можно сказать и об элементах. Каждый из них имеет уникальный набор физических и химических свойств. Физические свойства — это качества, присущие определенным веществам. Блестящий или нет, насколько он хорошо проводит тепло и электричество, при какой температуре тает, насколько большую имеет плотность.

Химические свойства включают те качества, которые наблюдаются при реагировании на воздействие кислородом, если они будут гореть (то, насколько сложно им будет удерживать их электроны во время химической реакции). Различные элементы могут иметь общие свойства. Например, железо и медь являются одновременно элементами, которые проводят электричество. Однако они не имеют одинаковых свойств. Например, когда железо подвергается воздействию влажного воздуха, оно покрывается ржавчиной, но когда медь оказывается под действием тех же условий, она приобретает специфический зеленый налет. Вот почему статуя Свободы зеленая, а не ржавая. Она сделана из меди, а не железа).

Классификация в ГОСТ

Наконец следует различать:

• Литейные сплавы и металлы;
• Деформируемые давлением;
• Порошковые.

Из этой классификации уже становится видно, для каких целей служит тот или иной материал. Далее следует ещё более подробная классификация:

• Металлы с хорошими антикоррозионными свойствами;
• С хорошими антифрикционными свойствами;
• Криогенные;
• Магнитные и немагнитные;
• Пружинные;
• Пластичные металлы;
• Автоматные сплавы для обработки на станках;
• Ковочные сплавы;
• Жаропрочные;
• Свариваемые без ограничений или ограниченно свариваемые;
• Лёгкие (для применения в авиационной промышленности);
• С хорошей электропроводностью и теплопроводностью, и многие другие.

Кроме того различаются металлы по области применения:

• Конструкционные сплавы и металлы – применяются при обшивок и несущих элементов конструкций;
• Электротехнические – для изготовления деталей электротехники;
• Инструментальные — для изготовления инструментов.

Всё же эти определения даются относительно в рамках сплавов на основе какого-то одного металла, или в рамках всего многообразия выбора, что нередко приводит к путанице. Поэтому полную картину можно получить, только при детальном сравнении различных сплавов. При этом важнейшими параметрами будут являться: прочность, упругость, вязкость, пластичность, твёрдость, теплопроводность и электропроводность. Кроме того следует различать номинальные характеристики и конструкционные свойства металлов. Например, прочность на растяжение не говорит о высокой конструкционной прочности, а при некоторых температурных значениях свойства металлов изменяются. Только опираясь на точный анализ можно прийти к заключению о целесообразности применения того или иного материала в тех или иных целях.

Как найти нужный сплав в классификаторе ГОСТ

Исчерпывающая информация касательно этих качеств и возможностей применения дана в государственных стандартах, на которые и следует опираться в дальнейшей работе. Чтобы найти нужную информацию, достаточно:

• Определить основной элемент металла;
• Сплав или металл будет рассматриваться;
• Литейный, деформируемый давлением или порошковый;
• И если Вы ещё не нашли нужного металла в классификаторе ГОСТ, нужно узнать про область применения металла и не является ли этот сплав специальным.

Словом, классификация металлов крайне сложна, и в зависимости от области применения разных материалов и будет образовываться определённая структура знаний. Поэтому в каждом конкретном случае, необходимо выбирать узкую понятийную сферу для определения видов металлов, чтобы не вникать во все подробности в целом.

Гальваномагнитные и термомагнитные явления

Ес­ли ме­тал­лич. об­ра­зец, по ко­то­ро­му те­чёт элек­трич. ток, по­мес­тить в по­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле, то в нём воз­ни­ка­ют яв­ле­ния, обу­слов­лен­ные ис­крив­ле­ни­ем тра­ек­то­рий элек­тро­нов в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной ${\bf H}$, что при­во­дит к из­ме­не­нию ки­не­тич. ко­эф­фи­ци­ен­тов (ко­эф. элек­тро- и те­п­ло­про­вод­но­сти, тер­мо­элек­трич. ко­эф. и др.) и к ря­ду но­вых яв­ле­ний: Хол­ла эф­фек­ту, маг­ни­то­со­про­тив­ле­нию и др. На за­ви­си­мость ки­не­тич. ко­эф­фи­ци­ен­тов от ${\bf H}$ влия­ют осо­бен­но­сти элек­трон­но­го энер­ге­тич. спек­тра M., в ча­ст­но­сти то­по­ло­гия по­верх­но­сти Фер­ми (см. Галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния, Тер­мо­галь­ва­но­маг­нит­ные яв­ле­ния). Да­же не слиш­ком силь­ное маг­нит­ное по­ле при низ­ких темп-pax (по­ряд­ка 1 К) мо­жет из­ме­нить ки­не­тич. свой­ст­ва M., напр. в де­сят­ки ты­сяч раз уве­ли­чить по­пе­реч­ное (от­но­си­тель­но на­прав­ле­ния ${\bf H}$) со­про­тив­ле­ние (у $\ce{Bi}$) или прак­ти­че­ски пол­но­стью «вы­клю­чить» по­пе­реч­ную элек­трон­ную те­п­ло­про­вод­ность ме­тал­ла.

Классификация в химии

Мы можем только попытаться дать классификацию данных объектов, но единой картины предложить по этому поводу невозможно, так как во многом она будет зависеть от профессиональной точки зрения, удобной для применения в той или иной научной или производственной области. На самом же элементарном уровне классификация даётся в периодической системе элементов, но даже в химии существуют разногласия по этому поводу.

В химии принято классифицировать металлы по количеству уровней электронной оболочки атомов и конечному уровню заполнения оболочки электронами. По этому признаку вещества делятся на –s –p -f -d металлы. Кроме того различают щелочные, щелочноземельные, переходные и постпереходные металлы. Но данная классификация неприменима в больше случаев, так как не затрагивает многие важные утилитарные вопросы, которые интересуют, прежде всего, науку металлургию.

Mеталлы в электромагнитных полях

Пе­ре­мен­ный элек­трич. ток час­то­ты $ω$ те­чёт по по­верх­но­сти М., про­ни­кая в не­го на глу­би­ну скин-слоя тол­щи­ной $δ=c\sqrt{2πσω}$, где $c$ – ско­рость све­та (см. Вы­со­ко­час­тот­ная про­во­ди­мость); напр., для $\ce{Cu}$ $δ≈$ 6·10–6 м при $ω=$ 6·10–8 Гц. При па­де­нии элек­тро­маг­нит­ной вол­ны на по­верх­ность M. часть элек­тро­маг­нит­ной энер­гии по­гло­ща­ет­ся в скин-слое, а др. часть пе­ре­из­лу­ча­ет­ся элек­тро­на­ми и от­ра­жа­ет­ся от по­верх­но­сти M. Коэф. от­ра­же­ния (для $\ce{Cu}≈$ 2·10–5).

При па­де­нии на М., по­ме­щён­ный в силь­ное по­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле, элек­тро­маг­нит­ных волн, час­то­та ко­то­рых рав­на или крат­на цик­ло­трон­ной час­то­те элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти, в М. на­блю­да­ют­ся ре­зо­нанс­ные яв­ле­ния (см. Цик­ло­трон­ный ре­зо­нанс). В не­ко­то­рых M. (напр., ще­лоч­ных) мож­но на­блю­дать элек­трон­ный па­ра­маг­нит­ный ре­зо­нанс на элек­тро­нах про­во­ди­мо­сти и спи­но­вые вол­ны.

M., по­ме­щён­ный в дос­та­точ­но силь­ное маг­нит­ное по­ле при низ­кой темп-ре, об­ла­да­ет мн. свой­ст­ва­ми, ха­рак­тер­ны­ми для плаз­мы: в нём мо­гут рас­про­стра­нять­ся раз­но­об­раз­ные сла­бо­за­ту­хаю­щие вол­ны (ге­ли­ко­ны, маг­ни­то­плаз­мен­ные вол­ны, до­п­ле­ро­ны и др.) (см. Плаз­ма твёр­дых тел).

Классификация по структуре кристаллической решётки

Очевидными являются различия в строении кристаллической решётки для различных металлов в твёрдом состоянии. Для них характерно наличие одного из трёх типов устройства:

• Объёмоцентрированная кубическая решётка с 8 равноудалёнными атомами от взятого в качестве точки отсчёта атома и ещё 6 соседями на большем расстоянии;
• Плотноупакованная кубическая решётка с 12 равноудалёнными соседями;
• Плотноупакованная гексагональная решётка с 12 равноудалёнными соседями.

Для металлов в расплавленном и газообразном состоянии эти свойства не играют большой роли, так как кристаллическая структура атомов в этих состояниях становится неупорядоченной.