1. Строение материалов

1. Металлы, их классификация и основные физические свойства

Что такое металл? М.В. Ломоносов в своем труде «Первые основания металлургии или рудных дел» дал металлам такое определение: «Металлы суть ковкие блестящие тела». Позже, объясняя понятие «Металлы», стали называть и другие металлические свойства. В энциклопедическом словаре Мейера о металлах говорится следующее: «Элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:

• высокой тепло- и электропроводностью;

• положительным температурным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладает сверхпроводимостью – у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление падает скачкообразно практически до нуля);

• термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электроны при нагреве;

• хорошей отражательной способностью (металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском);

• повышенной способностью к пластической деформации.

Эти свойства металлов обусловлены их электронным строением. Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, если при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т.е. коллективизируются и свободно перемещаются по определенным энергетическим уровням между положительно заряженными и периодически расположенными в пространстве ионами. Устойчивость металла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется электрическим взаимодействием между положительно заряженными ионами и коллективизированными электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом получило название металлической связи.

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстояния один от другого, чтобы энергия взаимодействия была минимальной. Этому положению соответствует равновесное расстояние d₀ (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Силы взаимодействия двух атомов

Сближение атомов (ионов) на расстояние, меньшее d ₀, или удаление на расстояние больше d ₀, осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения.

Каждый металл отличается строением и свойством от других, но по некоторым признакам их можно объединить в группы (рис. 1.2).

Металлы делятся на две большие группы – черные и цветные. Черные металлы делятся на:

• Железные – железо, кобальт, никель, марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали;

• Тугоплавкие – температура плавления выше, чем железа (выше 1539 ⁰С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов;

• Урановые – актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики;

• Редкоземельные – лантан, церий, неодим и др. объединяемые под названием лантаноиды. Эти металлы обладают близкими химическими свойствами, но различными физическими (температура плавления и т.д.). Их применяют как присадки к сплавам др. элементов;

• Щелочноземельные – в свободном металлическом состоянии не применяются.

Цветные металлы подразделяются на:

• Легкие – бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью;

• Благородные – серебро, золото, металлы платиновой группы. Обладают высокой устойчивостью против коррозии;

• Легкоплавкие металлы – цинк, олово, свинец и др.

3 Li Литий

Щелочно- земельные металлы

4 Be Бериллий

Легкие металлы

39 Y Иттрий

Редко- земель-ные металлы

11 Na Натрий

12 Mg Магний

13 Al Алюминий

57 La Лантан

19 K Калий

20 Ca Кальций

21 Sc Скандий

58-71 Лантаноиды

37 Rb Рубидий

38 Sr Стронций

22 Ti Титан

23 V Ванадий

24 Cr Хром

Тугоплавкие

55 Cs Цезий

56 Ba Барий

40 Zr Цирконий

41 Nb Ниобий

42 Mo Молибден

43 Tc Технеций

металлы

87 Fr Франций

88 Ra Радий

72 Hf Гафний

73 Ta Тантал

74 W Вольфрам

75 Re Рений

89 Ac Актиний

Урановые металлы

25 Mn Марганец

26 Fe Железо

27 Co Кобальт

28 Ni Никель

Металлы группы железа

90-103 Актиноиды

Легкоплавкие металлы

Благородные металлы

29 Cu Медь

30 Zn Цинк

31 Ga Галлий

32 Ge Германий

33 As Мышьяк

44 Ru Рутений

45 Rh Родий

46 Rd Палладий

47 Ag Серебро

48 Cd Кадмий

49 In Индий

50 Sn Олово

51 Sb Сурьма

76 Os Осмий

77 Ir Иридий

78 Pt Платина

79 Au Золото

80 Hg Ртуть

81 Tl Таллий

82 Pb Свинец

83 Bi Висмут

Рис. 1.2. Классификация металлов периодической системы Д.И. Менделеева