Metale dzieli się przede wszystkim na żelazne, nieżelazne oraz szlachetne. Różnią się składem chemicznym, właściwościami fizycznymi i zastosowaniem. Osobną kategorię stanowią stopy, czyli materiały otrzymywane przez połączenie metalu z innymi pierwiastkami w celu poprawy jego parametrów.
Czym są metale i jak je klasyfikujemy?
Metale to pierwiastki lub materiały metaliczne wyróżniające się zazwyczaj dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym, połyskiem oraz plastycznością. Można je odkształcać bez natychmiastowego pękania, choć zakres tej właściwości zależy od rodzaju metalu, jego czystości i obróbki.
Najczęściej stosowany podział materiałoznawczy rozróżnia metale żelazne i nieżelazne. Wśród nieżelaznych wyróżnia się także metale szlachetne, a według gęstości można mówić o metalach lekkich i ciężkich. Te klasyfikacje częściowo się uzupełniają, ponieważ jeden materiał może należeć do kilku grup jednocześnie.
Metale żelazne – wytrzymałość konstrukcyjna
Metale żelazne zawierają żelazo jako główny składnik. Najważniejsze przykłady to stal oraz żeliwo. Ich popularność wynika z wysokiej wytrzymałości mechanicznej, odporności na obciążenia i możliwości modyfikowania właściwości za pomocą dodatków stopowych.
Stal węglowa jest szeroko wykorzystywana w budownictwie, produkcji maszyn i motoryzacji. Żeliwo ma dobrą lejność, dlatego stosuje się je do wykonywania skomplikowanych odlewów i elementów maszyn. W porównaniu ze stalą jest jednak bardziej kruche.
Do najważniejszych cech metali żelaznych należą:
- duża wytrzymałość mechaniczna i odporność na obciążenia,
- możliwość uzyskania różnych parametrów przez obróbkę i dodatki stopowe,
- stosunkowo szeroka dostępność i korzystny koszt wielu gatunków,
- większa podatność na korozję niż w przypadku wielu metali nieżelaznych.
Podatność na korozję nie dotyczy wszystkich gatunków w takim samym stopniu. Zależy między innymi od składu stopu, środowiska pracy i zastosowanych zabezpieczeń. Stal nierdzewna, dzięki dodatkom stopowym, może wykazywać znacznie większą odporność niż zwykła stal węglowa.
Metale nieżelazne, czyli kolorowe
Metale nieżelazne, nazywane także kolorowymi, nie zawierają żelaza jako głównego składnika. W tej grupie znajdują się między innymi aluminium, miedź, cynk i tytan. Wiele z nich wyróżnia się mniejszą masą, dobrą odpornością na korozję albo wysokim przewodnictwem elektrycznym.
Aluminium jest lekkie i łatwe do formowania, dlatego wykorzystuje się je w transporcie, budownictwie oraz produkcji obudów. Miedź przewodzi prąd i ciepło, co sprawia, że stosuje się ją w kablach, instalacjach oraz elementach urządzeń. Cynk służy między innymi do ochrony stali przed korozją, a tytan znajduje zastosowanie w lotnictwie, medycynie i przemyśle chemicznym.
Najczęściej wskazywane zalety metali nieżelaznych to:
- mniejsza masa w porównaniu z wieloma materiałami żelaznymi,
- podwyższona odporność na korozję i utlenianie,
- dobre przewodnictwo elektryczne lub cieplne, zależnie od gatunku,
- łatwość precyzyjnej obróbki i możliwość tworzenia lekkich konstrukcji.
Nie oznacza to, że każdy metal nieżelazny jest lekki albo odporny na każde środowisko. Ołów i miedź mają dużą gęstość, a właściwości konkretnego materiału mogą znacząco zmieniać się po dodaniu innych pierwiastków.
Metale szlachetne i stopy
Metale szlachetne, takie jak złoto, srebro, platyna i pallad, wyróżniają się dużą stabilnością chemiczną oraz odpornością na korozję. Są rzadkie i mają wysoką wartość gospodarczą, ale ich znaczenie nie ogranicza się do biżuterii. Srebro wykorzystuje się także ze względu na bardzo dobre przewodnictwo, natomiast złoto i platyna mogą być stosowane w elektronice, aparaturze oraz technologiach wymagających odporności na agresywne środowisko.
Stop to materiał powstały przez połączenie co najmniej dwóch pierwiastków, z których przynajmniej jeden jest metalem. Stopy tworzy się wtedy, gdy czysty metal nie zapewnia wymaganej twardości, wytrzymałości, odporności na korozję, obrabialności albo właściwości odlewniczych. Przykładami są stal nierdzewna, mosiądz i brąz.
Główne grupy metali można porównać w następujący sposób:
| Grupa | Główne cechy | Przykłady i zastosowania |
|---|---|---|
| Metale żelazne | Wysoka wytrzymałość, podatność części gatunków na korozję | Stal i żeliwo w budownictwie, maszynach oraz infrastrukturze |
| Metale nieżelazne | Mała masa, przewodnictwo lub odporność na korozję zależnie od gatunku | Aluminium, miedź, cynk i tytan w transporcie, elektronice i instalacjach |
| Metale szlachetne | Stabilność chemiczna, rzadkość i wysoka wartość | Złoto, srebro i platyna w elektronice, medycynie oraz jubilerstwie |
Podział według gęstości również ma znaczenie techniczne. Aluminium, magnez i tytan zalicza się do metali lekkich, dlatego wykorzystuje się je tam, gdzie trzeba ograniczyć masę konstrukcji, na przykład w lotnictwie. Miedź, cynk, cyna i ołów należą do metali cięższych, cenionych między innymi za stabilność, przewodnictwo lub właściwości technologiczne.
Dobór materiału zależy od wymagań konkretnej aplikacji. W budownictwie najczęściej liczy się nośność i odporność na obciążenia, natomiast w elektronice większe znaczenie mogą mieć przewodnictwo, mała masa i stabilność chemiczna. Dlatego nowoczesna inżynieria materiałowa korzysta zarówno z czystych metali, jak i ze stopów projektowanych pod określone warunki pracy.
