Большая Советская Энциклопедия (МЕ)

Большая Советская Энциклопедия

Обработка металлов давлением также известна людям очень давно (ковка железа была, например, необходимым элементом процесса переработки крицы). Кузнечно-штамповочное производство и прессование являются важнейшими составными частями машиностроения. Прокатка — основной способ обработки металлов и сплавов давлением на современныхы металлургических заводах (см. Прокатное производство ). Прокатный стан, впервые предложенный, по-видимому, ещё Леонардо да Винчи (1495), превратился в мощный высокоавтоматизированный агрегат, производительность которого достигает несколько млн. т металла в год. Наряду с листовым и сортовым металлом с помощью прокатных станов получают трубы, гнутые и периодические профили (см. Прокатный профиль ), биметалл и др. виды изделий. Для изготовления проволоки в современной М. широко применяют волочение .

Термическая обработка, обеспечивающая получение наиболее благоприятной структуры металлов и сплавов, также имеет весьма древнее происхождение. Такие процессы, как цементация , закалка , отжиг и отпуск металлов , были известны и хорошо освоены на практике уже в глубокой древности. Научные основы термической обработки металлов и сплавов были разработаны Д. К. Черновым (см. Металловедение ). В современной технике термическая обработка металлов и сплавов, а также др. виды обработки (см. Термомеханическая обработка , Химико-механическая обработка , Химико-термическая обработка ) имеют очень широкое применение. Кроме готовых деталей, которые подвергаются обработке на машиностроительных предприятиях, её проходят многие виды продукции и на металлургических заводах. Это относится, например, к стальным рельсам (объёмная закалка или закалка головки), к толстым листам и арматурной стали (упрочняющая обработка), к тонкому листу из трансформаторной стали (отжиг для улучшения магнитных свойств) и т.д.

Большое значение в современной М. приобретают процессы нанесения на металл различных защитных покрытий. К таким процессам относятся лужение , цинкование , нанесение пластмассовых и др. покрытий, значительно повышающих качество и срок службы металла.

Значение М. в создании современной цивилизации исключительно велико. Материальная культура человеческого общества немыслима без металлов; она базируется на них в производстве средств производства, средств транспорта и связи, в строительстве, в военном деле. Большую роль играют металлы в сельском хозяйстве и в производстве предметов потребления. Данные об объёме и динамике производства стали, чугуна, важнейших цветных металлов и др. сведения о М. как отрасли промышленности приведены в статьях Чёрная металлургия , Цветная металлургия .

Лит.: Основы металлургии, т. 1—6, М., 1961—73; Металловедение и термическая обработка стали. Справочник, 2 изд., М., 1961—62; Прокатное производство. Справочник, т. 1—2, М., 1962; Доменное производство. Справочник, т. 1—2, М., 1963; Сталеплавильное производство. Справочник, т. 1—2, М., 1964; Aitchison L., A history of metals, v. 1—2, L., 1960.

А. Я. Стомахин.

Рис. 1. Плавка металла в Древнем Египте (дутьё подаётся мехами, сшитыми из шкур животных).

Рис. 3. Каталонский горн с водяной воздуходувной трубой: 1 — клапан; 2 — отверстия для воздуха; 3 — труба; 4 — слив воды; 5 — дутьё; 6 — фурма; 7 — руда и древесный уголь; 8 — крица; 9 — шлак; 10 — выпуск шлака.

Рис. 2. Домница (штюкофен) в Германии 15—16 вв.

Металлы

Мета'ллы, простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. М. в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. В парообразном состоянии М. одноатомны.

Перечисленные выше характерные свойства М. обусловлены их электронным строением. Атомы М. легко отдают внешние (валентные) электроны. В кристаллической решётке М. не все электроны связаны со своими атомами. Некоторая их часть (~ 1 на атом) подвижна. Эти электроны могут более или менее свободно перемещаться по М. Существование свободных электронов (электронов проводимости) в М. объясняется зонной теорией (см. Твёрдое тело ). М. можно представить себе в виде остова из положительных ионов, погруженного в «электронный газ». Последний компенсирует силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывает их в твёрдое тело (металлическая связь).

Из известных (1974) 105 химических элементов 83 — М. и лишь 22 — неметаллы . Если в длинном или «полудлинном» варианте периодической системы элементов Менделеева провести прямую линию от бора до астата (табл. 1), то можно считать, что неметаллы расположены на этой линии и справа от неё, а М. — слева.

Не следует, однако, абсолютизировать ни свойства, характерные

для М., ни их отличия от неметаллов. Металлический блеск присущ только компактным металлическим образцам. Тончайшие листки Ag и Au (толщиной 10^{– 4}мм ) просвечивают голубовато-зелёным цветом. Мельчайшие порошки М. часто имеют чёрный или черно-серый цвет. Некоторые металлы (Zn, Sb, Bi) при комнатной температуре хрупки и становятся пластичными только при нагревании.

Вся совокупность перечисленных выше свойств присуща типичным М. (например, Cu, Au, Ag, Fe) при обычных условиях (атмосферном давлении, комнатной температуре). При очень высоких давлениях (~ 10⁵ —10⁶ам ) свойства М. могут существенно измениться, а неметаллы приобрести металлические свойства.

Многие простые вещества по одним свойствам можно отнести к М., по др. — к неметаллам. Особенно много такого рода «нарушений» имеет место вблизи границы, проведённой в табл. 1. Так, Ge по внешнему виду — М., в химическом отношении проявляет себя скорее как М. (легче отдаёт электроны, чем принимает), а по величине и характеру электропроводности Ge — полупроводник. Сурьма Sb имеет электросопротивление слишком большое для М., однако температурный коэффициент сопротивления у Sb положительный и большой, как у М.; по способности отдавать электроны Sb также относится к М. As, Sb и Bi иногда называют полуметаллами . Po по внешнему виду — М., в химическом отношении ему присущи свойства и М., и неметалла — наряду с положительной валентностью (точнее окислительным числом) проявляется и отрицательная (— 2).

Металлические сплавы по свойствам имеют много общего с М., поэтому в физической, технической и экономической литературе нередко к М. относят также и сплавы .

Историческая справка. Термин «металл» произошёл от греческого слова m'etallon (от metall'euo — выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 в. до н. э.). То, что добывалось в рудниках, Платон называл metall'eia. В древности и в средние века считалось, что существует только 7 М.: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть (см. Знаки химические ). По алхимическим представлениям, М. зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото (см. Алхимия ). Алхимики полагали, что М. — вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой М. состоят из земли и «начала горючести» — флогистона. М. В. Ломоносов насчитывал 6 М. (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) и определял М. как «светлое тело, которое ковать можно». В конце 18 в. А. Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что М. — простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 М. (Sb, Ag, As, Bi, Со, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных М. возрастало. В 1-й половине 19 в. были открыты спутники Pt, получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные М., положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные М. при химическом анализе минералов. В 1860—63 методом спектрального анализа были открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование М., предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона. Открытие радиоактивности в конце 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивных М., увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений начиная с середины 20 в. были искусственно получены радиоактивные М., в частности трансурановые элементы .

В конце 19 — начале 20 вв. получила физико-химическую основу металлургия — наука о производстве М. из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств М. и их сплавов в зависимости от состава и строения (см. Металловедение , Металлофизика ).

Химические свойства. В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов (табл. 1), различают М. главных и побочных подгрупп. М. главных подгрупп (подгруппы а) называют также непереходными. Эти М. характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s- и р-электронных оболочек. В атомах М. побочных подгрупп (подгруппы б), называют переходными, происходит достраивание d- и f-оболочек, в соответствии с чем их делят на d-группу и две f-группы — лантаноиды и актиноиды . В подгруппы а входят 22 М.: Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (I a); Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (II a); Al, Ga, In, Tl (III a); Ge, Sn, Pb (IV a); Sb, Bi (V a); Po (VI а). В подгруппы б входят: 1) 33 переходных металла d-группы [Cu, Ag, Au (I б), Zn, Cd, Hg (II б); Sc, Y, La, Ac (III б); Ti, Zr, Hf, Ku (IV б); V, Nb, Ta, элемент с Z = 105 (V б), Cr, Mo, W (VI б), Mn, Te, Re (VII б), Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, 0s, lr, Pt (VIII б)]; 2) 28 М. f-группы (14лантаноидов и 14 актиноидов).