Металл состоит из атомов одного или нескольких химических элементов, соединённых металлической связью. В твёрдом состоянии атомные центры обычно образуют упорядоченную кристаллическую решётку, а часть внешних электронов свободно перемещается по всему объёму. Чистая медь содержит в основном атомы меди, железо – атомы железа, а сталь является сплавом железа с углеродом и другими добавками. Реальный кусок металла также имеет зёрна, дефекты, примеси и поверхность с оксидной плёнкой.
Атомы – основа любого металла
Каждый химический элемент определяется числом протонов в ядре. У атома железа их 26, у меди – 29, у алюминия – 13. Нейтральный атом содержит столько же электронов. Подробное устройство ядра и электронной оболочки раскрывает статья из чего состоит атом.
Когда множество атомов сближается в металлическом куске, они не остаются отдельными шариками с жёсткими границами. Их внешние электронные состояния перекрываются. Валентные электроны оказываются не привязаны к одному конкретному атому и могут перемещаться через материал. Положительно заряженные атомные остатки удерживаются общим электронным облаком.
Это упрощённая модель металлической связи. В современной физике свойства описывают энергетическими зонами и квантовым поведением электронов. Но образ решётки с подвижными электронами хорошо объясняет, почему металл проводит ток, передаёт тепло и способен деформироваться без немедленного разрушения.
Кристаллическая решётка
В жидкости атомы постоянно меняют соседей. При затвердевании большинство металлов образует кристаллы – повторяющиеся пространственные структуры. Распространены объёмноцентрированная кубическая, гранецентрированная кубическая и гексагональная плотноупакованная решётки.
Названия описывают расположение атомов в условной элементарной ячейке. Железо меняет тип решётки при нагревании, что используется в термической обработке стали. Алюминий и медь имеют гранецентрированную кубическую структуру, позволяющую сравнительно легко скользить слоям атомов, поэтому эти металлы хорошо поддаются пластической обработке.
Кусок проволоки обычно не является одним идеальным кристаллом. Он состоит из множества микроскопических зёрен разной ориентации. Границы между ними влияют на прочность, коррозию и распространение трещин. Размер зёрен меняют охлаждением, нагревом и деформацией.
Почему металл проводит электричество и тепло
Подвижные электроны реагируют на электрическое поле и создают направленный ток. Они также переносят энергию между участками материала. Поэтому многие металлы являются хорошими проводниками электричества и тепла, хотя значения сильно различаются.
Серебро проводит электричество особенно хорошо, медь немного уступает и широко применяется в проводах, а некоторые сплавы специально имеют повышенное сопротивление. Наличие примесей, дефектов и колебание решётки при высокой температуре мешают движению электронов.
Высокая теплопроводность объясняет, почему металл кажется холоднее дерева при одинаковой температуре: он быстрее отводит тепло от кожи. Ощущение связано со скоростью обмена теплом, а не с ошибкой термометра.
Чистый металл и сплав
Чистым называют материал, где подавляющее большинство атомов относится к одному элементу. Абсолютная чистота практически недостижима, поэтому указывается доля основного вещества, например 99,9 или 99,99 процента. Даже небольшая примесь способна заметно изменить электрические, механические и химические свойства.
Сплав содержит два или больше компонентов, причём основой обычно остаётся металл. В латуни к меди добавляют цинк, в бронзе – чаще олово, в стали к железу – углерод. Атомы добавки могут занимать места атомов основы либо располагаться в промежутках решётки.
Сплав не похож на механическую смесь песчинок. Его компоненты взаимодействуют на атомном уровне и могут образовывать разные фазы. Именно состав и микроструктура позволяют получить нержавеющую сталь, жаропрочный сплав, лёгкий алюминиевый корпус или упругую пружину.
Что такое фазы и микроструктура
Фаза – область материала с определёнными составом и строением. В одном сплаве одновременно могут существовать несколько фаз. Их форма, размер и распределение определяют свойства не меньше химической формулы.
В стали при разных содержании углерода и режимах охлаждения возникают феррит, аустенит, цементит, перлит, мартенсит и другие структуры. Быстрое охлаждение способно сделать сталь очень твёрдой, но хрупкой. Последующий отпуск уменьшает внутренние напряжения и меняет баланс прочности и пластичности.
Поэтому на вопрос о составе металлической детали недостаточно ответить перечнем элементов. Две стали с одинаковой химической долей углерода могут вести себя по-разному после различной обработки.
Дефекты не всегда являются браком
В реальной решётке есть вакансии – места без атома, внедрённые атомы, дислокации и границы зёрен. Идеальный кристалл существовал бы только как модель. Дислокации позволяют слоям сдвигаться постепенно, благодаря чему металл можно ковать и прокатывать.
Упрочнение часто направлено на то, чтобы затруднить движение дислокаций. Холодная деформация увеличивает их количество, мелкие зёрна создают больше границ, а атомы примеси и частицы другой фазы мешают скольжению. Материал становится прочнее, но иногда теряет пластичность.
Металлургия научилась управлять этими невидимыми особенностями задолго до появления атомных микроскопов. История началась с самородной меди и золота, затем люди освоили выплавку и сплавы. Об этом рассказывает материал о том, когда люди научились обрабатывать металлы. Многие инструменты и процессы собраны также в разделе величайших изобретений.
Что находится на поверхности
Поверхность отличается от внутреннего объёма. Атомы там имеют меньше соседей и активно взаимодействуют с кислородом, водой, солями и загрязнениями. На алюминии быстро образуется тонкая защитная оксидная плёнка. Железные сплавы во влажной среде могут покрываться рыхлой ржавчиной, не останавливающей дальнейшее разрушение.
Механизм этого процесса подробно описан в статье о том, почему появляется ржавчина. Краска, цинкование, легирование хромом и электрохимическая защита меняют контакт металла со средой.
На поверхности также остаются масло, пыль и продукты реакции кожи. Поэтому характерный «металлический» запах часто создают органические вещества, образовавшиеся при контакте металла с кожным жиром, а не испаряющиеся атомы железа.
Металл не обязательно тяжёлый, твёрдый и магнитный
Литий значительно легче железа, ртуть при комнатной температуре жидкая, а чистое золото мягкое. Большинство металлов не притягивается обычным магнитом так заметно, как железо. Эти исключения показывают, что бытовые признаки не являются строгим определением.
Химически металлы склонны отдавать электроны и образовывать положительные ионы, но граница с неметаллами не всегда резкая. При огромном давлении свойства вещества также меняются. Поэтому металл – это класс материалов с общими типами связи и свойств, а не один состав.
Итак, металл на нескольких уровнях состоит из ядер и электронов, атомной решётки, кристаллических зёрен, фаз, дефектов и поверхностных слоёв. Название элемента сообщает основу, состав сплава – добавки, а технология обработки – то, как всё это организовано. Именно сочетание состава и структуры превращает одни и те же элементы в мягкий лист, прочный рельс или жаростойкую турбину.
