3.2. Общие свойства металлов и сплавов

Большинство металлов кристаллизуется в относительно простых структурах: кубических (объемно-центрированная и гранецентрированная решетки) и гексагональных, соответствующих наиболее плотной упаковке атомов. Многие металлы в зависимости от внешних условий (температуры и давления) могут существовать в виде двух или более кристаллических модификаций (полиморфизм). Полиморфные превращения иногда связаны с потерей металлических свойств, например, превращение белого олова (S_n) в серое олово (S_n).

Однако свойства металлов не абсолютны. Например, металлический блеск присущ только компактным образцам, но тончайшие листки серебра или золота (толщина до 110^-4 мм) при просвечивании обладают голубовато-зеленым цветом. Мельчайшие порошки металлов часто имеют черный или черно-серый цвет. Некоторые металлы (олово, висмут, сурьма) при комнатной температуре хрупки и становятся пластичными при нагревании.

Таким образом, отмеченные выше характерные свойства металлов присущи их типичным представителям (таким, как медь, золото, серебро, железо и т.п.) при обычных условиях (атмосферном давлении и комнатной температуре). При очень высоких давлениях (10⁴-10⁵ Мпа) свойства металлов могут существенно измениться, а неметаллы могут приобрести металлические свойства.

Металлические сплавы по своим свойствам имеют много общего с металлами, поэтому в технической литературе сплавы также относятся к металлам.

Многие металлы обладают комплексом механических свойств, обеспечивающим им широкое использование в технике, например, в качестве конструкционных материалов: это, в первую очередь, сочетание высокой пластичности со значительной прочностью и сопротивляемостью деформации. При этом соотношение этих свойств может регулироваться в широком диапазоне с помощью механической и термической обработки металлов, а также получением из них сплавов различного состава.

Исходной характеристикой механических свойств металлов является модуль упругости (при растяжении-сжатии Е, при сдвиге G, объемный К), определяющий сопротивление кристаллической решетки упругому деформированию и непосредственно отражающий величину сил связи. В монокристаллах эта величина, как и другие механические характеристики, анизотропна (то есть меняется в зависимости от направления структурных связей в кристалле) и коррелирует с температурой плавления металлов: например, средний модуль сдвига G изменяется от 0,1810⁴ Мпа для легкоплавкого натрия до 2,710⁵ Мпа для тугоплавкого рения; для стали G  0,810⁵ Мпа.

В идеальных кристаллах металлов сопротивление деформации примерно в 10 раз ниже указанных выше значений модуля упругости. Но в реальных кристаллах упругие характеристики, как и все механические свойства, определяются наличием дефектов, представляющих собой дислокации, или линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Перемещения дислокаций по плотноупакованным плоскостям приводит к элементарному акту скольжения – основному механизму пластической деформации металлов.

Сопротивляемость пластической деформации, по крайней мере, в металлах с гранецентрированной кубической и гексагональной решетками, связано с взаимодействием движущихся дислокаций с другими дефектами кристаллов, а также с другими возможными дислокациями, примесными атомами, внутренними поверхностями раздела. При этом взаимодействие дефектов определяется искажениями решетки вблизи них и является пропорциональным модулю упругости. Для отожженных монокристаллов начальное сопротивление пластической деформации (предел текучести) обычно составляет 10^-310^-4 от модуля упругости.

Процесс разрядки дислокационной плотности ускоряется при повышении температуры и может привести к релаксации, т.е. снижению напряжения при постоянной деформации, и значительному восстановлению свойств кристаллов металла. Однако, если сопротивление движению дислокаций растет, то релаксационная способность материала падает, что при наличии нагрузки приводит к развитию трещин, то есть к хрупкому разрушению, когда практически отсутствует видимая пластическая деформация.

Железосодержащие углеродистые сплавы, содержащие менее 2 % углерода, называются сталями, а сплавы с содержанием углерода более 2 % относятся к чугунам.