Часть 2. Основы материаловедения

3. Металлы и сплавы

3.1. Использование металлов и сплавов в технике

Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электро- и теплопроводностью; способностью отражать электромагнитные волны, что определяет их блеск и непрозрачность; пластичностью. В периодической системе элементов Д.И. Менделеева из 105 химических элементов 83 являются металлами и только 22 - неметаллы.

Благодаря таким свойствам, как прочность, твердость, пластичность, коррозионная стойкость, жаропрочность и др., металлы играют громадную роль в современной технике, причем число металлов, находящих практическое применение, постоянно растет. Характерно, что до начала 20-го века многие важнейшие металлы (алюминий, ванадий, вольфрам, молибден, титан, уран, цирконий и др.) либо не производились вообще, либо выпускались в очень ограниченных количествах.

Такие металлы, как бериллий, ниобий, тантал, начали сравнительно широко использоваться лишь накануне второй мировой войны. В 70-ых годах текущего столетия в промышленности стали применяться практически все металлы, встречающиеся в природе.

Все металлы и образованные из них сплавы делят на черные (к ним относятся железо и сплавы на его основе; на их долю приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции) и цветные, или, точнее, не железные, то есть все остальные металлы и сплавы.

Большое число не железных металлов и широкий диапазон их свойств не позволяют классифицировать их по какому-либо единому признаку. В технике принята условная классификация, по которой эти металлы разделены на несколько групп по различным признакам (физическим и химическим свойствам, характеру залегания в земной коре), специфичным для той или иной группы: легкие металлы, например, алюминий, магний; тяжелые (медь, свинец); тугоплавкие (вольфрам, молибден); благородные (золото, платина); рассеянные (галлий, индий); редкоземельные (скандий, лантан и лантаноиды); радиоактивные (радий, уран).

Металлы, которые производят и используют в ограниченных масштабах, называются редкими металлами. К ним относятся все рассеянные, редкоземельные и радиоактивные металлы, большую часть тугоплавких и некоторые легкие металлы.

Способность металлов к образованию многочисленных соединений разного типа, к различным фазовым превращениям создает благоприятные условия для получения сплавов, характеризующихся требуемым сочетанием полезных свойств. Число используемых в технике сплавов уже превысило 10 тыс. Значение сплавов как конструкционных и электротехнических материалов, материалов с особыми физическими свойствами (например, прецизионных сплавов) непрерывно растет. В то же время в связи с развитием полупроводниковой и ядерной техники расширяется производство ряда особо чистых металлов (с чистотой, например, 99,9999 % и выше).

Применение того или иного металла или сплава в значительной мере определяется практической ценностью его свойств, однако, существенное значение имеют и другие обстоятельства: природные запасы металла, доступность и рентабельность его добычи.

Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий (8,8 %), железо (4,65 %), магний (2,2 %), титан (0,63 %). Природные ресурсы весьма важных металлов измеряются сотыми долями процента (например, медь, марганец, хром, ванадий, циркон) и даже тысячными долями (цинк, олово, свинец, никель, кобальт, ниобий).

Некоторые ценные металлы присутствуют в земной коре в еще меньших количествах. Так, содержание урана – важнейшего металла для ядерной промышленности – оценивается в 0,0003 %; вольфрама, являющегося основой твердых сплавов, - 0,0001 % и т.д. Особенно бедна природа благородными и редкими металлами.

Взаимосвязь состава, строения и свойств металлов и сплавов, а также закономерности их изменения в результате теплового, химического или механического воздействия изучает наука, называемая металловедением.