Металлы: классификация, свойства и основные марки

Существует множество металлов для специфических задач. Добывают руду из недр, извлекают металл из руды промышленными методами. Наша цель — классификация, свойства и популярные марки.

Механические свойства: твердость, предел усталости (устойчивость к циклическим нагрузкам), вязкость, ковкость. Часто обусловлены дефектами кристаллической решетки.

Классификация металлов

• По содержанию железа;
• По атомной структуре (периодическая таблица);
• По магнитным свойствам.

По содержанию железа

Черные металлы (ферристы) — содержат железо. Железо дает магнитные свойства и склонность к коррозии во влажной среде.

Цветные металлы (неферристы) — без железа. Не магнитны. Примеры: алюминий, свинец, латунь, медь, цинк.

По атомной структуре

Группы в периодической таблице: щелочные, щелочноземельные, переходные металлы. В одной группе — схожие химические свойства.

По магнитным свойствам

• Ферромагнитные: сильно притягиваются (Fe, Ni, Co);
• Парамагнитные: слабое взаимодействие;
• Диамагнитные: слабое отталкивание.

Ключевые факторы выбора металла

• Температура плавления;
• Стоимость и обрабатываемость;
• Габариты/место;
• Запас прочности;
• Температурный коэффициент;
• Плотность;
• Тепло- и электропроводность.

Основные металлы и сплавы

Железо (Iron)

5% земной коры — железо. Чистое железо нестабильно: окисляется на воздухе (оксид). Получают в доменной печи → чугун → дальше в сталь и сплавы. Черные металлы ~90% производства.

Чистое железо сильное, но некоррозионностойкое и очень тяжелое (высокая плотность). Добавление углерода → углеродистая сталь: прочнее, полезные свойства.

Сталь (Steel)

Высокая предел прочности на разрыв, высокое отношение прочность/вес → идеальный строительный материал. Меньшие и крепкие конструкции. Долговечна, вязка — можно формировать без потери свойств. По содержанию углерода — три категории.

Классификация углеродистой стали

• Низкоуглеродистая (Low carbon / Mild steel): до 0,25% C. Трубы среднего давления, арматура, двутавры, корпуса кораблей. Там, где нужно много стали без сложной формовки.
• Среднеуглеродистая (Medium carbon): ~0,25–0,6% C. Высокая прочность и вязкость. Шестерни, валы, колесные пары, балки мостов и зданий.
• Высокоуглеродистая (High carbon): >0,6% C. Тверже, хрупче. Стамески, режущие инструменты, штамповки, сверла — высокая износостойкость.

К легированным добавкам: хром (коррозия), марганец (закалимость, прочность).

Легированные стали (Alloy Steel)

Множество легирующих элементов: Mn, Cu, Si, Ti, Ni, Al в разных пропорциях. Лучше закалимость, коррозионная стойкость, сварbarkeit, вязкость, технологичность. Применение: подшипники, нагревательные элементы, электродвигатели, пружины, трубопроводы, шестерни.

Нержавеющая сталь (Stainless Steel)

Много хрома → в 200 раз коррозионнее мягкой стали. Посудा, трубопроводы, стоматология/хирургия. Не требует покрытия — декоративная поверхность.

Инструментальная сталь (Tool Steel)

Для режущих/сверлящих инструментов — высокая твердость. Содержит Mo, V, Co, W.

Цветные металлы (Non-ferrous)

Алюминий (Aluminum)

Из боксита. Легкий, прочный, долговечный, коррозионностойкий, хорошая электропроводность, легко легируется, не магнитен, хорошо обрабатывается. Самый распространенный металл на Земле.

Медь (Copper)

Долгая история, легко деформируется. В природе не в чистом виде — выплавляют из руды. Лучший проводник после серебра → электрические цепи. Высокая теплопроводность → посуда.

Свинец (Lead)

Коррозионностойкий, хорошо обрабатывается. Антидетонационная добавка в бензине (исторически), трубы, краска, аккумуляторы, радиационная защита, обоймы кабелей, грузы.

Латунь (Brass)

Сплав меди и цинка (+ Al, Pb, Mn по требованию свойств). Низкое трение → сантехника, музыкальные инструменты, подшипники, замки, фитинги. Безопасность: без искровое — для взрывоопасных сред.

Титан (Titanium)

Легкий, прочный, высокая тепловая стабильность (до 480 °C). Авиакосмическая, военная, медицинская отрасли (биоинертность, коррозионная стойкость). Химическое и спортивное оборудование.

Бронза (Bronze)

Сплав меди с оловом (не цинком). Допуски: Mn, P, Si, Al. Твердая, хрупкая, усталостностойкая, хорошая электро-/теплопроводность, коррозионная стойкость. Зеркала, рефлекторы, электроконтакты, подводные части судов, арматура.

Цинк (Zinc)

Медицина, промышленность. Главное — оцинковка стали (катодная защита). Литье под давлением (авто, электроника, сантехника). Низкий электрохимический потенциал → жертвенные аноды для защиты клапанов, баков, трубопроводов в море.

Заключение

Металлы — основа цивилизации. Рассмотрена классификация (черные/цветные, атомная, магнитная), ключевые свойства выбора, основные марки: железо, стали (углеродистые, легированные, нержавейки, инструментальные), цветные металлы (Al, Cu, Pb, Brass, Ti, Bronze, Zn). Знание свойств позволяет подбирать материал под задачу.