По своим свойствам они отличаются от неметаллов: сочетают высокую прочность и твердость с хорошей пластичностью, обладают литейными свойствами и возможностью механической обработки, хорошо проводят тепло и электричество, но плохо пропускают рентгеновские лучи и отражают световые волны.

Эти свойства обуславливаются особенностями внутриатомного строения металлов.

У металлов  электроны на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами.

Так как эти электроны подвижны аналогично  частицам  газа,  то используется  термин «электронный газ».

Металлургический тип связи характерен тем, что нет непосредственного соединения атомов друг с другом,  нет между ними прямой связи.

Атомы в металлах размещаются закономерно, образуя кристаллическую решетку.

Кристаллическая решетка - это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения.

В итоге образуются фигуры правильной геометрической формы - кристаллическая решетка.

Расстояния (а,b,с) между атомами, т.е. параметры кристаллической решетки, находятся в пределах 2...6Аº (1Аº=10^-8 см).

В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а  в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства.

Тип кристаллической решетки  зависит от металла, температуры и давления.

Это используется при термообработке металлов для   упрочнения их.

Реальные металлы состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют правильного расположения, здесь скапливаются примеси,  дефекты и включения.

Экспериментально установлено, что внутреннее кристаллическое  строение зерен не является правильным.
В решетках имеются различные дефекты ( несовершенства ), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Для того чтобы оценить качество материалов и изготовленных из них деталей, поведение их в конкретных узлах, деталях и машинах в изменяющихся условиях эксплуатации, для прогнозирования использования, ремонта и технической эксплуатации машиностроительных и строительных конструкций необходимо знать их свойства.

Свойства металлов определяются различными методами: физическими, химическими и технологическими.
Твердость характеризует сопротивляемость материалов пластическим деформациям.

Чем выше твердость, тем больше прочность и меньше износ детали.

Особенно это имеет большое значение для рабочих органов (лапа, лемех, нож) строительных и дорожных машин, работающих в условиях абразивного ( песок, щебень...) изнашивания.

Твердость определяется по вдавливанию шарика, алмазного конуса или алмазной пирамидки в металл. Значение твердости характеризуется диаметром отпечатка или глубиной внедрения индентора (закаленного шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды).

Естественно, чем тверже материал, тем меньше будет его деформация, соответственно, меньше диаметр и глубина отпечатка ).

Чаще всего используются три основных метода определения твердости: по Брюнеллю, Роквеллу и Виккерсу.

Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец, бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун).

В чистом виде металлы используются редко, а в основном - в виде сплавов.

Чугун и сталь это сплавы железа с углеродом, в которых неизбежно наличие примесей других химических элементов:
Сталь: Fe + С ( < 2 % ) + примеси ( относительно немного);
Чугун: Fe + С ( > 2 % )+ примеси ( больше, чем у стали).

Что общего и в чем различия между этими сплавами?

Основа одна — железо.

Главное отличие заключается в том, что чугун имеет повышенное содержание углерода (свыше 2 % в чугунах и до 2 % в сталях).

Граница между этими сплавами проходит по содержанию углерода в сплаве.

Так же больше во многих чугунах марганца, серы, фосфора и кремния.

Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие.

Чугуны же более хрупкие, но обладают хорошими литейными свойствами.

Сталь является производной от чугуна, т.к. производство её в основном двухстадийное: из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.

Чугун выплавляется в домнах.

Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5...10 лет.
Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда , флюсы и кокс, а снизу подается воздух.

Кокс служит для нагревания и расплавления руды, а также участвует в восстановлении железа из окислов руды.

В коксе должно быть минимум серы и фосфора.

Флюсы (известняки, кремнеземы,...) необходимы для получения шлаков.

При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа.

Восстановление железа происходит от высших окислов к низшим и, в конечном итоге, к металлу: Fe₂O₃ - Fe₃O₄ - Fe O - Fe окисью углерода СО и твердым углеродом С.

Восстановление марганца, кремния и других элементов выполняется также коксом.

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем количество углерода, марганца, серы и фосфора.

Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.
Жидкий чугун (1250...1400 °С), полученный в домне, с помощью ковша заливают в конвертер.

Для получения шлака добавляют в конвертор железную руду и известь, боксит и плавиковый шпат. В конвертор снизу подается воздух, или сверху –кислород.

Процесс получения стали проходит быстро, при этом отчетливо видны три периода.

В первые 4...5 минут процесса окисляется железо: Fe + O₂ - FeO.

Далее, образовавшаяся окись железа окисляет кремний и марганец : Si + FeO - SiO₂ + Fe, Mn+ FeO - MnO₂ + Fe.
Кремний и марганец окисляются также и кислородом: Si + O2 - SiO₂, Mn + O₂ - MnO₂.

При окислении углерода, кремния, марганца и др. примесей выделяется большое количество тепла, температура расплава увеличивается, а окислы образуют шлак.
После того, как выгорят почти полностью Si и Mn наступает второй период бурного выгорания углерода C + FeO - Fe + CO, характерный тем, что пока окись углерода горит CO + O₂ - CO₂ над горловиной будет яркое пламя.

Третий период наступает, когда над горловиной появляется бурый дым-признак того, что начало окисляться железо и процесс получения стали завершен.

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь.

Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750...1800 °С.

Газ и воздух предварительно подогреваются ( до 1200...1250 °С) в регенераторах.
Два регенератора: один работает, а другой накапливает тепловую энергию.

Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом.

Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное –алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше.
Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционных электропечах.

Процесс примерно такой же как и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь, содержащую хром, вольфрам и др.

Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы.

Для этого вводят флюс, состоящий из извести и плавикового шпата.
Индукционная плавка применяется обычно для переплавки сталей и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях вакуума или специальной регулируемой атмосферы.

Металлические сплавы — это сложные по составу вещества на основе металлов, сохраняющие их основные свойства: высокую электро-и теплопроводность, литейные свойства, ковкость и др.

Сплав может быть в жидком и твердом состоянии.

В жидком состоянии существует только одна жидкая фаза, а в твердом у сплавов может быть несколько фаз в виде твердых растворов, химических соединений и механических смесей.
Химические соединения могут быть в виде металлов с неметаллами (Fe₃C ) или металлов с металлами (CuAl₂, CuNi).

Они обладают конкретными физико - механическими свойствами.

Например, цементит (Fe₃C ) имеет высокую твердость, повышенную хрупкость и низкую электропроводность.

Механические смеси состоят из нескольких компонентов, которые при затвердевании (кристаллизации) не взаимодействуют друг с другом.

Каждая из фаз сохраняет свою кристаллическую решетку.

Например, у сталей могут одновременно быть смеси феррита и аустенита, или перлита и цементита.

Диаграммы состояния строятся  на основе кривых нагрева и охлаждения.

Структурные составляющие железо - углеродистых сплавов представлены в виде твердых растворов ( феррит и аустенит), химического соединения (цементит) и механических смесей ( перлит,  ледобурит...).

Феррит это твердый раствор внедрение углерода в a—железо.

Он очень мягкий и пластичный, хорошо проводит тепло и электричество, сильно магнитен.

Углерода в нем очень мало ( около 0,002 % ).

В микроструктурах металла цементит имеет белый цвет.

Углерод замещает центральный атом объемно - центрированной кубической решетки (a—железо) или вакансии кристаллической решетки.

Фазовые превращения происходят по мере изменения температуры.

При нагреве до 768 °С  a—железо теряет свои магнитные свойства, но кристаллическая решетка не меняется.

При 898 °С – эта решетка превращается в гранецентрированную кубическую решетку, называемую g—железом.

Аустенит это твердый раствор внедрения углерода в y –железо.

Он не магнитен, сравнительно мягкий, углерода содержится в нем максимально  до 2 %.

При 1401 °С  g—железо превращается в s—железо с объемно- центрированной решеткой, существующей до температуры плавления железа (1539 °С ).

Цементит — это химическое соединение (карбид железа Fe₃C), содержащее 6,67 % углерода и имеющее высокую твердость и хрупкость, плохо проводящее электрический ток и тепло.

Цементная сетка является светлой  на микроструктурах сплава.

Цементит является неустойчивым  химическим  соединением и при высоких температурах  происходит его распад на железо и углерод: Fe₃ C- Fe +С

Ледебурит—это механическая смесь ( эвтектика ), состоящая из аустенита и цементита и содержащая 4,3 % углерода, образуется при температурах ниже 1147 °С, имеет высокую твердость и хрупкость.

Перлит – механическая смесь (эвтектоид), состоящая из тонких пластинок или зерен цементита и феррита, образуется в результате распада аустенита при температурах ниже 727 °С.

Углерода в перлите 0,8 %.

Сразу после затвердевания структура сталей состоит из аустенита, а чугунов  из смесей: аустенит + ледебурит; цементит + ледебурит.