Классификация металлов. Характеристика металлов и области применения

Металлы – обобщенное название химических элементов, объеденных по ряду признаков. В периодической таблице они занимают большую часть, однако до сих пор не существует документа, позволяющего разделить их на классы.

Отличаются металлы в первую очередь своими качественными характеристиками. Какие-то имеют высокую теплопроводимость, другие выдерживают высокие нагрузки на разрыв и растяжение. В зависимости от этих качеств определяется и сфера применения, но металлы в природном виде, даже очищенные, не обладают необходимыми показателями в достаточном виде, поэтому применяется технология сплавов, то есть соединения нескольких элементов в одну молекулярную решетку. Это позволяет существенно улучшить характеристики, и придать сплаву необходимые качества.

Простой пример: возьмем распространенный в промышленности сплав бронзу. Это соединение, где основным элементом выступает медь. В качестве легирующего, то есть улучшающего качество, компонента используется олово. В результате соединения получается новый металл, более твердый и упругий по сравнению с чистой медью, который часто используют для изготовления крепежа.

Признаки металлов

Различают следующие основные механические свойства:

• Твердость – определяет возможность одного материала противодействовать проникновению другого, более твердого.
• Усталость – количество, а также время циклических воздействий, которое может выдержать материал без изменения целостности.
• Прочность. Заключается в следующем: если приложить динамическую, статическую или знакопеременную нагрузку, то это не приведет к изменению формы, строения и размеров, нарушению внутренней и наружной целостности металла.
• Пластичность – это способность удерживать целостность и полученную форму при деформации.
• Упругость – это деформация без нарушения целостности под воздействием определенных сил, а также после избавления от нагрузки возможность к возращению первоначальной формы.
• Стойкость к трещинам – под влиянием внешних сил в материале они не образуются, а также сохраняется наружная целостность.
• Износостойкость – способность сохранять наружную и внутреннюю целостность при продолжительном трении.
• Вязкость – сохранение целостности при увеличивающихся физических воздействиях.
• Жаростойкость – противостояние изменению размера, формы и разрушению при воздействии высоких температур.

Изготовление продукции из металла (сплава)

К освоению металлургии человечество подошло 4000 лет назад. Плавят сталь и обрабатывают металл люди уже 30 столетий. Совершенствованию технологий нет предела, и сегодня нам доступны как традиционные, так и инновационные способы обработки металла: токарная, механическая, термическая, фрезерная и др. Выполняем высокоточную резку, аргонно-дуговую сварку и гибку металлопроката с обеспечением проектной формы и размера. О наших технологических возможностях говорят такие характеристики: точность газовой, плазменной и гильотинной резки — 0,5-16 мм, а гибку листов производим до 2 мм. Все заводские металлоизделия производим из сертифицированного металлопроката, в соответствии с требованиями ГОСТ.
Наши козыри — хорошая техническая оснащенность и высококвалифицированный инженерно-конструкторский состав. Благодаря развитой инфраструктуре, высокотехнологичному оборудованию, профессионализму сотрудников и поэтапному контролю качества, производитель может ручаться за выпускаемые металлоизделия, предоставляя на них долгосрочную гарантию. Наша продукция надежная, качественная, разнообразная и недорогая. Покупатель может быть уверен в своевременном выполнении заказа —на высоком уровне и любого объема.

Классификация металлов

К металлам относятся материалы, обладающие совокупностью механических, технологических, эксплуатационных, физических и химических характерных свойств:

• механические подтверждают способность к сопротивлению деформации и разрушению;
• технологические свидетельствуют о способности к разному виду обработки;
• эксплуатационные отражают характер изменения при эксплуатации;
• химические показывают взаимодействие с различными веществами;
• физические указывают на то, как ведет себя материал в разных полях – тепловом, электромагнитном, гравитационном.

По системе классификации металлов все существующие материалы подразделяются на две объемные группы: черные и цветные. Технологические и механические свойства также тесно связаны. К примеру, прочность металла может являться результатом правильной технологической обработки. Для этих целей используют так называемую закалку и «старение».
Химические, физические и механические свойства тесно взаимосвязаны между собой, так как состав материала устанавливает все остальные его параметры. Например, тугоплавкие металлы являются самыми прочными. Свойства, которые проявляются в состоянии покоя, называются физическими, а под воздействием извне – механическими. Также существуют таблицы классификации металлов по плотности — основному компоненту, технологии изготовления, температуре плавления и другие.

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.

Черные металлы

Материалы, относящиеся к этой группе, обладают одинаковыми свойствами: внушительной плотностью, большой температурой плавления и темно-серой окраской. К первой большой группе черных металлов принадлежат следующие:

1. Железные – кобальт, марганец, никель, железо. Применяются в качестве основы или добавок к сплавам.
2. Тугоплавкие – хром, вольфрам, молибден, титан. Все они имеют температуру плавления, превышающую уровень, при котором плавится железо. Используются как основа или добавка для получения легированных сталей.

3. Урановые – актиноиды и металлы, полученные в результате синтеза. Большое применение находят в атомной энергетике.
4. Редкоземельные – неодим, церий, лантан. Все металлы обладают родственными химическими свойствами, но совершенно разными физическими параметрами. Находят свое применение как присадки к сплавам.
5. Щелочноземельные – кальций, натрий, литий. В свободном виде практического применения не имеют.

Инертные (благородные) газы

Группа VIII(18). Атомы элементов этой группы имеют полностью «укомплектованный» внешний электронный слой. Поэтому им «не надо» принимать электроны. И отдавать их они «не хотят». Отсюда — элементы этой группы очень «неохотно» вступают в химические реакции. Долгое время считалось, что они вообще не вступают в реакции (отсюда и название «инертный», т.е. «бездействующий»). Но химик Нейл Барлетт открыл, что некоторые из этих газов при определенных условиях все же могут вступать в реакции с другими элементами.

Электронные конфигурации:

• Ne — 1s22s22p6;
• Ar — 1s22s22p63s23p6;
• Kr — 1s22s22p63s23p64s23d104p6

Подробнее об инертных (благородных) газах см. Атомы элементов 0 группы: общая характеристика…

Цветные металлы

Вторая по величине группа имеет небольшую плотность, хорошую пластичность, невысокую температуру плавления, преобладающие цвета (белый, желтый, красный) и состоит из следующих металлов:

• Легкие – магний, стронций, цезий, кальций. В природе встречаются только в прочных соединениях. Применяются для получения легких сплавов разного назначения.
• Благородные. Примеры металлов: платина, золото, серебро. Они обладают повышенной устойчивостью к коррозии.
• Легкоплавкие – кадмий, ртуть, олово, цинк. Имеют невысокую температуру плавления, участвуют в производстве разных сплавов.

Низкая прочность цветных металлов не позволяет их использовать в чистом виде, поэтому в промышленности их применяют в виде сплавов.

Дизайн интерьера и архитектура

Для успешного создания декоративных изделий необходимо знать основные свойства исходного материала, а также технологию работы с ним.

В наши дни для изготовления посуды, украшений и различных предметов дизайна интерьера могут использоваться как металлы в чистом виде, так и их сплавы.

Художественное изделие — ваза из серебра

Все металлы и сплавы, созданные на их основе, делятся на две большие группы, обладающие различными свойствами:

• Черные металлы — сталь
• Цветные металлы — медь, бронза, латунь, цинк, олово, алюминий, свинец и серебро.

Именно эти виды металлов наиболее часто используются для изготовления декоративных предметов, посуды и многого другого. Поэтому давайте рассмотрим их свойства и особенности обработки металлов.

Сталь

Сталь относится к черным металлам. Для художественной обработки лучше всего подходит углеродистая сталь, которая представляет собой сплав железа с углеродом и другими элементами. Сталь обладает высокими качественными характеристиками, среди которых можно назвать следующие:

• Упругость
• Прочность
• Способность к закаливанию — кусок стали нагревается при высокой температуре докрасна, а затем опускают в воду. Благодаря этому металл приобретает различные степени твердости и упругости.
• Возможность » отпускания» посредством нагревания до красного каления и последующего медленного охлаждения.
• Способность к обработке кузнечным молотом в нагретом состоянии, так как сталь отлично куется.
• Возможность к разрезанию металла на тонкие полосы.

Мягкость стали прямо пропорциональная количеству углерода в ее составе. Чем меньше в металле углерода, тем он мягче и легче в обработке. Мягкость стали повышается при отжиге, то есть » отпускании» металла. Для этого сталь нагревают докрасна, а затем подвергают процедуре медленного охлаждения.

Сталь для изготовления различных изделий и художественной обработки производят в виде сортового материала. Для гравирования и чеканки чаще всего используют стали У8 и У10, где буквой » У» обозначено количество углерода в составе сплава.

Лезвие ножей изготовлено из нержавеющей углеродистой стали

Цветные металлы

Цветные металлы стоят намного дороже черных, потому что они обладают множеством уникальных свойств. Главным из них является отсутствие реакции с магнитом, то есть цветные металлы не притягиваются и не намагничиваются. Кроме этого, большинство из них практически не поддаются окислению, поэтому изделия характеризуются длительностью срока службы.

Выпуск цветных металлов для художественной обработки осуществляется в различных видах:

• Ленты
• Полосы
• Чушки
• Трубки
• Проволока
• Прутки
• Листы

Давайте рассмотрим характерные особенности наиболее популярных среди мастеров цветных металлов:

• Медь — достаточно мягкий металл красивого красно — оранжевого оттенка, характеризующийся повышенной способностью к ковке и обладающий большой электропроводностью и способностью проводить тепло. Обработка меди не представляет особой сложности, но мастер должен иметь в виду большую вязкость данного металла.

Медь можно паять с помощью олова и твердого припоя, Листовая медь является основным материалом для выполнения чеканки и граверных работ. Медная проволока используется для изготовления декоративных изделий и ажурных скульптур.

Медная раковина

• Бронза — это сплав меди с оловом. Количественное содержание олова влияет на цвет сплава, который может приобретать розовые, красные, желтые или серые оттенки. Если бронзовое изделие покрыть слоем патины ( декоративным налетом из оксида меди), то она приобретает благородный дымчато — зеленоватый оттенок и выглядит старинной и по — настоящему дорогой. Бронза чаще всего используется для инкрустации и литейных работ.

Листовая бронза

• Латунь — это сплав меди с цинком. Оттенок металла зависит от количества цинка. По своим качественным характеристикам латунь является более твердым сплавом, чем чистая красная медь, поэтому степень ее ковкости значительно ниже. По сравнению с медью латунь обладает некоторой хрупкостью, но вместе с тем она более упруга.

Латунь легко поддается различным видам обработки, в частности, ее можно использовать для изготовления тонких деталей в инкрустациях, а также украшений различной конфигурации. Для чеканных работ используется в листовом виде.

Чеканка на латуни

• Цинк — прекрасно подходит для литья как в чистом виде, так и в сплавах с другими металлами. Чистый цинк куется плохо, однако его легко паять, гравировать и обрабатывать различными инструментами. Температура плавления составляет 419* С.

Листовой цинк

• Олово — цветной металл, с давних пор известный своей мягкостью и пластичностью. Температура его плавления составляет всего 252* С. В качестве компонента олово входит в состав различных видов бронзы. На изломе олово издает характерный, узнаваемый хруст. Чистое олово и его сплавы идеально подходят для изготовления инкрустаций. А еще олово используется для лужения и пайки посуды как в чистом виде, так и в сплавах со свинцом. При этом продукты его окисления безвредны.

Набор оловянных солдатиков

• Алюминий — цветной металл серебристо — белого цвета, который плавится при температуре около 658* С. Характерной особенностью алюминия является его легкость и простота в обработке металла. Литой алюминий достаточно хрупкий, а в прокатном ( отожженном) виде он приобретает желаемую пластичность.

Алюминиевые изделия ремесленников Мадагаскара

• Свинец — мягкий цветной металл, имеющий синевато — серый оттенок. Он плавится при температуре 327* С, и хорошо противостоит коррозии. Однако следует отметить, что оксиды свинца являются ядовитыми. Свинец пригоден для литейных работ и изготовления формовых изделий.

Свинец ( эталон)

• Серебро — также относится к цветным, но при этом является еще и драгоценным металлом. Чистое серебро слишком мягкое, и поэтому его неудобно обрабатывать. Для изготовления изделий применяется в виде сплавов с медью. Серебряные вставки используются в инкрустациях, в гравировке, чеканке и черни.

Антикварные серебряные изделия

Свойства металлов

Рассмотрим некоторые свойства металлов, влияющие на качество выполнения художественных изделий:

• Ковкость металла — ковкие пластичные металлы требуют большей силы резания, но при этом необходимо учитывать их вязкость. Кусок меди или свинца нужно рубить до конца, а латунь, цинк или сталь можно надколоть зубилом, а после просто сломать. Более твердая латунь при обточке дает гладкую поверхность, в то время как алюминий или медь как бы тянутся за резцом.
• Хрупкость — это способность твердых материалов разрушаться вследствие механического воздействия без заметной пластической деформации. Это свойство противоположно пластичности. Сильно закаленная сталь, а также многие сорта латуни и бронзы являются очень хрупкими, и от сильных ударов раскалываются на куски. Хрупкость металла не всегда является признаком его твердости, например, отливка из цинка хрупкая, но не твердая. Закаленный стальной нож одновременно и тверд, и хрупок.
• Упругость — это свойство металлов восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или нагревания, вызвавших деформацию. В большой степени этим свойством обладают специальные сорта стали.
• Плавление при нагревании — способность металла плавиться при нагревании является важным качеством, так как плавление считается одним из самых доступных и дешевых способов получения изделий из металла. Детали огромных машин и маленькие металлические скульптуры изготовляются одинаковым способом.

Если возникает необходимость закалить деталь, и при этом сохранить вязкость металла, мастера используют токи высокой частоты. При этом деталь закаляется в глубину на несколько миллиметров. Однако вся остальная масса металла внутри изделия остается без изменений. И, наконец, металлические детали можно обрабатывать без нагревания — например, способом гравировки и резьбы по металлу.

Серебряные изделия

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.

Магний, титан и их сплавы

Магний неустойчив к коррозии, зато не существует легче металла, используемого для технических нужд. В основном его добавляют в сплавы с другими материалами: цинком, марганцем, алюминием, которые прекрасно режутся и являются достаточно прочными. Из сплавов с легким металлом магнием изготавливают корпусы фотоаппаратов, различных приборов и двигателей. Титан нашел свое применение в ракетной отрасли, а также машиностроении для химической промышленности. Титаносодержащие сплавы имеют небольшую плотность, прекрасные механические свойства и стойкость к коррозии. Они хорошо поддаются обработке давлением.

Антифрикционные сплавы

Такие сплавы определены для увеличения срока службы поверхностей, испытывающих трение. Они сочетают в себе следующие характеристики металла – хорошую теплопроводность, маленькую температуру плавления, микропористость, слабый коэффициент трения. К антифрикционным относят сплавы, основой которых является свинец, алюминий, медь или олово. К самым применяемым относятся:

• баббит. Его изготовляют на основе свинца и олова. Используют в производстве вкладышей для подшипников, которые работают на больших скоростях и при ударных нагрузках;
• алюминиевые сплавы;
• бронза;
• металлокерамические материалы;
• чугун.

Физические свойства

В условиях комнатной температуры и без применения давления все вещества обладают твердым состоянием. Но есть галлий, он уже при 30 градусах тепла начинает деформироваться, тает в руках. Можно отметить характеристики:

• Высокая пластичность. Хрупкие только марганец, олово и цинк.
• Могут быть легкие и тяжелые. Сравни алюминий с осмием.
• Температура плавления очень большая. Есть и исключения, например, ртуть, именно по этой причине ее используют в классических термометрах.
• Цвет – серый, серебристый, голубоватый. Редкими являются цветные изделия, например, желтые или красные.
• Увеличенная проводимость тепла и электричества, особенно у меди, поэтому имеют популярность медные провода.

Мягкие металлы

По системе классификации металлов это золото, медь, серебро, алюминий, но среди самых мягких выделяют цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Золото сильно распылено в природе. Оно есть в морской воде, организме человека, а также его можно встретить практически в любом осколке гранита. В чистом виде золото имеет желтый с оттенком красного цвет, так как металл мягкий — его можно поцарапать даже ногтем. Под влиянием окружающей среды золото достаточно быстро разрушается. Этот металл является незаменимым для электрических контактов. Несмотря на то что серебра в двадцать раз больше, чем золота, он также является редким.

Используется для производства посуды, ювелирных украшений. Легкий металл натрий также получил широкое распространение, востребован практически в каждой отрасли промышленности, в том числе химической — для производства удобрений и антисептиков.

Металлом является ртуть, хоть и находится в жидком состоянии, поэтому считается одним из самых мягких в мире. Этот материал используется в оборонной и химической промышленности, сельском хозяйстве, электротехнике.

Неметаллы (реакционные)

При нормальных условиях бор, углерод, фосфор, сера, селен — твёрдые вещества различных цветов. Каждое их них имеет различные формы кристаллической решетки (аллотропные модификации), например красный, желтый, черный, белый фосфор, которая очень сильно влияет на их химическую активность (например, графит гораздо менее активен обычного угля) и физические свойства (алмаз самое твердое вещество в природе и это прозрачный материал, а графит хрупкий, мягкий, непрозрачный).

Азот и кислород — газы. При этом азот достаточно химически инертен, кислород напротив является очень активным окислителем.

Галогениды имеют разные физические свойства (фтор, хлор — газы, бром — жидкость, иод — твердое вещество). Астат получен только в крайне малых количествах как и теннессин, их свойства изучены плохо. Химически галогениды — очень сильные окислители (фтор самый сильный в Таблице Менделеева). С металлами образуют как правило соли с ионной решеткой, а с водородом очень сильные кислоты. С неметаллами так же образуют множество многоатомных соединений как правило с ковалентными связями.

Твердые металлы

В природе практически нет самых твердых металлов, поэтому добыть их очень сложно. В большинстве случаев их находят в упавших метеоритах. Хром принадлежит к тугоплавким металлам и является самым твердым из чистейших на нашей планете, к тому же он легко поддается механической обработке.

Вольфрам – это химический элемент. Считается самым твердым при сравнении с другими металлами. Имеет чрезвычайно высокую температуру плавления. Несмотря на твердость, из него можно выковывать любые нужные детали. Благодаря теплоустойчивости и гибкости это наиболее подходящий материал для выплавки небольших элементов, используемых в осветительных приборах. Тугоплавкий металл вольфрам – основное вещество тяжелых сплавов.

Сравнение свойств

Вторая часть элементов в периодической системой отличается многообразием характеристик, поэтому почти невозможно привести полную сводную таблицу. Мы предлагаем таблицу, на которой представлено 4 отличительные черты:

Мы рассказали про металл, что это за материал, как он используется. Если вам нужны станки по металлообработке, закажите их в . У нас в наличии и на заказ имеются ручные и полуавтоматические ленточнопильные станки, а также маятниковые, вертикальные и двухстоечные агрегаты. Цена на товары снижена в 1.5 — 2 раза по сравнению с зарубежными аналогами. Чтобы уточнить интересующую вас информацию, свяжитесь с менеджерами, мы с радостью поможем в выборе оборудования.

Металлы в энергетике

Металлы, в состав которых входят свободные электроны и положительные ионы, считаются хорошими проводниками. Это довольно востребованный материал, характеризующийся пластичностью, высокой электропроводностью и способностью легко отдавать электроны.

Из них делают силовые, радиочастотные и специальные провода, детали для электрических установок, машин, для бытовых электроприборов. Лидерами применения металлов для изготовления кабельной продукции считаются:

• свинец — за большую устойчивость к коррозии;
• медь — за высокую электропроводность, легкость в обработке, стойкость к коррозии и достаточную механическую прочность;
• алюминий — за небольшой вес, устойчивость к вибрациям, прочность и температуру плавления.

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.