W przyrodzie występują takie pierwiastki, które można podzielić na metale i niemetale. Metale to pierwiastki chemiczne charakteryzujące się obecnością w sieci krystalicznej elektronów swobodnych (niezwiązanych). W przeważającej większości wykazują one następujące własności: tworzenie połyskliwej, gładkiej powierzchni w stanie stałym (bardziej reaktywne metale tworzą na powierzchni warstwę tlenków), ciągliwość i kowalność, dobre przewodnictwo cieplne, szybkie wypromieniowywanie ciepła, bardzo dobre przewodnictwo elektryczne (za przewodnictwo odpowiedzialne są ujemnie naładowane cząsteczki czyli elektrony , które poruszają się w sieci krystalicznej między jonami dodatnimi. Jest to typ wiązania metalicznego), skłonność do tworzenia związków chemicznych o właściwościach raczej zasadowych i nukleofilowych niż kwasowych i elektrofilowych, stały stan skupienia (wyjątkiem jest rtęć) i z reguły dość wysoka temperatura topnienia, bezwonność. Metale charakteryzują się wiązaniem metalicznym. Układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka, charakteryzujące się przewagą wiązania metalicznego tworzą stopy metali.
Pierwiastki metaliczne występują w przyrodzie przeważnie w postaci rud, które są przerabiane na czyste metale na drodze różnych procesów metalurgicznych. Z powodu swoich bardzo dobrych własności mechanicznych metale są powszechnie wykorzystywane do produkcji maszyn, urządzeń i wielu innych wyrobów, a także jako materiały konstrukcyjne w budownictwie.
Olbrzymia większość pierwiastków w układzie okresowym to właśnie metale. Ze względu na własności i miejsce w układzie okresowym tradycyjnie rozróżnia się: metale alkaliczne, metale ziem alkalicznych, metale przejściowe, metale ziem rzadkich.
Stop to tworzywo składające się z metalu stanowiącego osłonę, do którego wprowadzono co najmniej jeden pierwiastek e celu zmiany jego właściwości w żądanym kierunku. W stanie ciekłym składniki stopów rozpuszczają się zwykle bez ograniczeń tworząc roztwory ciekłe o nieograniczonej rozpuszczalności.
Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami. Procesy metalurgiczne polegają zwykle na redukcji prowadzącej do ekstrakcji metalu z rudy oraz na rafinacji, usuwającej z metalu pozostałe zanieczyszczenia. Elementy metalowe zwykle wykonywane są metodami odlewniczych, przeróbki plastycznej lub obróbki skrawaniem, a często także metalurgii proszków. Własności metali i stopów są kształtowane metodami obróbki cieplnej, a powierzchnia elementów metalowych często jest uszlachetniana metodami inżynierii powierzchni, zwiększającymi m.in. odporność na korozję lub odporność na zużycie.
Najczęściej używanymi spośród materiałów metalowych są stale, czyli stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, a także stopy odlewnicze żelaza, tzn. staliwa i żeliwa. Liczną grupę stosowanych materiałów metalowych stanowią również metale nieżelazne i ich stopy.
WŁAŚĆIWOŚCI FIZYCZNE METALI I STÓP
Do właściwości fizycznych metali i stóp zaliczamy:
* gęstość (stosunek masy ciała do objętości), zgodnie z obowiązującym układem jednostek SI — w kg/m3 lub t/m3; Małą gęstością wyrajają się odznaczają się metale lekkie i ich stopy np. lit, magnez, aluminium i ich stopy a dużą gęstością ciężkie metale np. żelazo, platyna.
* temperaturę topnienia (wyrażana jest w °C) to temperatura, w której dane ciało stałe topnieje, czyli zamienia się w ciecz; wszystkie metale są topliwe a ich temperatura topnienia waha się w szerokich granicach. Można podzielić metale na łatwo topliwe, których temperatura topnienia wynosi do 650°C. Są to cyna, cynk, kadm, magnez itp. Metale trudno topliwe maja temperaturę topnienia do 2000°C (chrom, kobalt, nikiel, żelazo...). Natomiast do metali trudno topliwych zalicza się molibden, tantal, wolfram. Ich temperatura topnienia tych metali wynosi ponad 2000°C.
Metale mają stałą temperaturę topnienia, natomiast temperatura topnienia stopów jest zwykle niższa od temperatury topnienia składnika o najwyższej temperaturze topnienia.
* temperaturę wrzenia dla większości metali jest dość wysoka. Łatwo wrzącymi metalami są kadm (767°C) i cynk (907°C).
* ciepło właściwe to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 g danego ciała o jeden stopień (1°C ). Ciepło właściwe mierzy się zazwyczaj w dżulach na kilogram i kelwin (J/(kg*K)) lub w kilodżulach na kilogram i kelwin (kJ/(kg-K)).
Zależy ono od rodzaju substancji, temperatury i sposobu ogrzewania.
* przewodność elektryczną czyli zdolność przewodzenia prądu. Najlepszym przewodnikiem prądu jest srebro, także miedź, aluminium, złoto. Dlatego nie używa się tych materiałów na przewody elektryczne. Przewodność maleje wraz ze wzrostem temperatury przewodnika.
* właściwości magnetyczne (zdolność magnesowania się) najlepsze właściwości magnetyczne maja żelazo, nikiel, kobalt, a ze stopów stal. Buduje się z nich magnesy trwałe.
* rozszerzalność cieplna przejawia się we wzroście wymiarów liniowych i objętości pod wpływem wzrostu temperatury i kurczeniu się podczas chłodzenia. Największą rozszerzalność cieplną wykazuje kadm, a najmniejszą wolfram.
Zjawisko rozszerzalności cieplnej ma duże znaczenie podczas konstruowania mostów, urządzeń pracujących w zmiennych temperaturach i silnikach cieplnych.
* przewodnictwo cieplne najlepszym przewodnikiem ciepła jest srebro, także miedź, złoto, aluminium. Najgorzej ciepło przewodzi kadm, bizmut, nikiel, ołów, tantal.
Miarą przewodnictwa cieplnego jest ilość ciepła, jaka przepływa przez przewodnik o długości 1 metra o przekroju 1m2 w ciągu jednej godziny przy różnicy temperatury 1°C.
WŁAŚĆIWOŚCI MECHANICZNE METALI I STÓP
(zdolność do przeciwstawiania się działaniu sił zewnętrznych i zmian temperatury. Pod wpływem działania tych sił mogą nastąpić odkształcenia, a nawet zniszczenia danej części.
Zalicza się do nich:
* wytrzymałość na rozciąganie to odporność materiału na działanie sił zewnętrznych rozciągających. Za pomocą badań mechanicznych sprawdza się, czy własności wytrzymałościowe danego metalu odpowiadają zamierzonemu przeznaczeniu. Analogicznie określa się wytrzymałość na ściskanie, zginanie, skręcanie, ścinanie i wyboczenie.
* twardość to odporność materiału na odkształcenia trwałe, występujące pod wpływem sił skupionych działających na małą powierzchnię (zazwyczaj zaciskanie odpowiednio ukształtowanego, twardego wgłębnika w materiał o mniejszej twardości). Twardość jest ważną własnością metalu. Na ogół im twardszy jest metal, tym większą wykazuje odporność na ścieranie. Twardość metalu można mierzyć różnymi sposobami i każdemu z tych sposobów odpowiadają inne jednostki twardości. Próby twardości dokonuje się sposobem Brinella, Rockwella, Vickersa.
* udarność to odporność metalu na uderzenia. Badania udarności, w odróżnieniu od poprzednio opisanych prób statycznych, wchodzą w zakres zadań dynamicznej wytrzymałości materiałów. Udarność określa się w megadżulach na metr kwadratowy (MJ/ma) lub w kilodżulach na metr kwadratowy (kJ/m8).
WŁAŚĆIWOŚCI TECHNOLOGICZNE METALI I STÓP
Właściwości technologiczne danych metali i stóp określają przydatność tego materiału w danym procesie produkcyjnym danego przedmioty.
Do tych właściwości zaliczamy:
lejność: zdolność ciekłego metalu lub stopu do wypełniania formy odlewnicze, zależy od składu chemicznego, struktury i temperatury ciekłego metalu. Dla określenia lejności stosuje się próbę odlewania spirali o znormalizowanych wymiarach. Im większa jest lejność metalu, tym dłuższy odcinek spirali zostaje w czasie odlewania wypełniony metalem.
plastyczność metalu to zdolność do zmiany jego kształtu pod wpływem siły zewnętrznej oraz do zachowania nowego kształtu po ustaniu działania siły odkształcającej. Umożliwia ona kształtowanie metalu stosownie do potrzeb.
skrawalność czyli podatność materiału do obróbki skrawaniem. Bada się ją stosując próby, podczas których określa się powierzchnię skrawaną oraz rodzaj wiórów.
WŁAŚĆIWOŚCI CHEMICZNE METALI I STÓP
Do własności chemicznych zalicza się:
* odporność metalu na korozję atmosferyczna czyli na działania składników chemiczny powietrza
* odporność na działanie wysokiej temperatury
* odporność na działanie czynników chemiczny
Ujemną własnością metali w procesach spawalniczych jest skłonność do szybkiego utleniania się, zwłaszcza gdy znajdują się w stanie nagrzania. Utlenianie jest procesem chemicznym, polegającym na łączeniu się tlenu z niektórymi metalami. W wyniku tego procesu tworzy się tlenek (np. utleniające się żelazo - tlenek żelaza). Proces utleniania zależy od warunków, w jakich metal się znajduje. Na wolnym powietrzu proces ten odbywa się znacznie wolniej, niż w podwyższonej temperaturze. Tlenek jest zazwyczaj bardzo twardy i dlatego przy pracach spawalniczych utlenienia jest procesem szkodliwym.