Wat is metaal? Definitie, eigenschappen, typen en toepassingen

Wat is metaal? Een materiaalwetenschappelijke gids voor definitie, eigenschappen en classificatie

Metalen zijn overal - van de balken die worden gebruikt om bruggen te ondersteunen, tot de bedrading die binnen wordt gebruikt, tot de behuizing die in uw telefoon wordt gebruikt. Hoewel u misschien bekend bent met de namen en het gebruik, zouden de meeste mensen hard worden geduwd om op atomair niveau uitleg te geven over wat een materiaal tot een metaal maakt. Deze gids heeft tot doel precies uit te leggen: wat is metaal, welke eigenschappen stellen het in staat om in aanmerking te komen voor de classificatie, op welke manieren verschillen de hoofdcategorieën en wat zijn hun favoriete industrieën? Hieronder volgt een compilatie van vele bronnen van materiaalgegevens, die de nodige informatie moeten opleveren voor een beginnende productie-ingenieur of een materiaalwetenschapper in de planningsfase.

Wat is metaal? Definitie en atoomstructuur

Een metaal is een stof - hetzij in zijn elementaire vorm, hetzij een legering of verbinding - die elektriciteit geleidt, warmte geleidt, licht reflecteert en die vervormd kan worden zonder te breken Van de 118 elementen opgesomd door IUPAC op het periodiek systeem zijn er doorgaans ongeveer 91 van metaal-diverse afkomst, met een uitgebreid bereik.

Waar zijn metalen van gemaakt op atomair niveau? alle atomen van metaalatomen hebben een kern (protonen en neutronen) omgeven door elektronenschillen, maar het is het feit dat het atoom zijn valantie-elektronen losjes vasthoudt, waardoor het een metallisch element is, en wanneer grote aantallen atomen aggregatie, de gedelokaliseerde vrije elektronen hun moederatoom kunnen verlaten en een collectief getal kunnen binnengaan, het ‘elektronsea’-model genaamd, dat begin jaren 1900 door natuurkundige Paul Drde werd voorgesteld.

Vanwege de uniforme aard van de elektronsea die het ionenrooster in alle richtingen centreert, hebben metalen de neiging om in hun vaste vorm te zijn bij gebruik bij kamertemperatuur. Er is een uitzondering op Mercurius, met ongewoon slappe metaalbindingen waardoor het smelt bij slechts 38,83 C.

Belangrijkste eigenschappen van metalen Fysisch en chemisch

Metaaleigenschappen vallen in grote lijnen in fysische en chemische classificaties Studie van de eigenschappen van het metaal helpt ontwerp en productie ingenieur beslissen welke materialen het meest geschikt zijn voor elk project.

Fysieke eigenschappen

Hoge thermische en elektrische geleidbaarheid van metalen heeft een gemeenschappelijke verklaring: gedelokaliseerde elektronen kunnen de lading met weinig weerstand dragen wanneer spanning wordt aangelegd; zilver heeft de hoogste elektrische geleidbaarheid van alle elementen bovenaan de lijst met 6,30,10 S/m. Het kost echter 10 tot 1/100ste van de koperprijs per kilogram en is dus niet commercieel haalbaar voor gebruik in bijvoorbeeld elektrische bedrading. Koper blijft een van de belangrijkste geleiders van elektriciteit en warmte in de industrie en levert vergelijkbare prestaties tegen een fractie van de kosten.

De brandbaarheid en ductiliteit zijn afhankelijk van de kristalstructuur van het materiaal Metalen die bestaan met een face-centered cubic (FCC) structuur, zoals goud, zilver, koper en aluminium, hebben meer slipsystemen, dat is hoeveel van zijn atoomvlakken kunnen glijden Metalen die bestaan met een body-centered cubic (BCC) structuur zoals wolfraam en ijzer hebben minder slip systemen, die, hoewel ze harder dan FCC metalen, niet een proces zoals koud werk mogelijk maakt, wat ze op hun beurt minder ductiel maakt Metalen met een hexagonale dicht-verpakte (HCP) structuur zoals zink en titanium staan op een kruising tussen de twee hierboven.

Chemische eigenschappen

Op chemisch vlak hebben metalen de neiging elektronen te verliezen wanneer ze reacties ondergaan, waardoor positief geladen ionen ontstaan. Deze processen worden oxidatie genoemd. Alkalimetalen zoals natrium en kalium zijn extreem reactief, vooral met water, terwijl goud of zilver bijna volledig bestand zijn tegen corrosie. Het blok elementgroepen dat bekend staat als overgangsmetalen, waarbij alle elektronen met de hoogste energie zich in d-orbitalen bevinden, vertegenwoordigt het grootste deel van het periodiek systeem en omvat chroom, koper en molybdeen. Hun combinatie van reactiviteit en stabiliteit levert de werkpaarden van industriële metallurgieën op. Metalen worden gerangschikt van meest naar minst reactief in de reactiviteitsreeks.

Soorten metalen 'ferro', non-Ferro' en legeringen

Industriële metalen kunnen grofweg worden ingedeeld in twee, of zeldzamer drie, groepen, afhankelijk van of het ferrometalen, non-ferrometalen of legeringen zijn. De vereisten voor het gebruik van elk type zijn dan toepassingsspecifiek met betrekking tot kosten, gewicht, sterkte en corrosieweerstand.

Ferro Metalen

Ferrometalen bevatten gevarieerde legeringen van ijzer Veel voorkomende zijn gietijzer, (een ijzer-koolstoflegering met een koolstofgehalte van ongeveer 4,5%), (met een samenstelling van ongeveer 0,002-2,14% (of 0,02-21,4 g/kg of 20-21400 ppm) koolstof die de eigenschappen van het voornamelijk ijzer). Rapport World Steel Association 2024 ziet de jaarlijkse wereldwijde productie van ruwstaal 1.885 miljoen metrische ton bereiken Koolstofstaal wordt gevormd met 0.2-2.1% per gewicht van koolstof in de vergelijking (via ASTM A941) en giet het koolstofgehalte van meer dan 2% creëert een productie van gietijzer, dat bros maar zeer gietbaar is.

Non-ferrometalen

Non ferro bevat geen ijzer Ze omvatten aluminium, koper, zink, titanium, nikkel en goud, zilver. Het is waarschijnlijk dat de grootste veruit aluminium is dat in 2024 met 1183,9 miljard dollar groeide en in 2033 1746,9 miljard dollar bereikte bij een CAGR van 4,2%. De drijvende kracht achter de stijging is de vraag in de auto- en ruimtevaartindustrie, waar de lichtheid ervan, bestaande uit een dichtheid van 2,70 g/cm2 onder die van 7,85 g/cm2, zorgt voor verlichting van voertuigen, aangezien deze de fusie delen van een ons dat aan gewicht bespaard wordt met een potentieel van (afgelegde kilometers. Marktrapport van de IMARC Group).

Legeringen

Gevormd wanneer twee of meer elementen in een specifieke gespecificeerde verhouding worden gemengd, waarbij ten minste één element een metaal is, worden legeringen zo ontworpen dat ze de gewenste kwaliteit of intensiteit hebben die moeilijk te bereiken is met eigenschappen van één enkel element. Messing biedt bijvoorbeeld eigenschappen die harder zijn dan koper of zink afzonderlijk, samen met een betere corrosieweerstand, waarbij brons een legering van tin en koper is, en toevoeging van chroom (10,5%) aan staal om roestvrij staal te verkrijgen betekent dat er een laag beschermend oxide ontstaat waardoor het metaal zelf niet zal roesten.

Veel voorkomende metaalvoorbeelden en industriële toepassingen

Verschillende soorten metalen voldoen aan verschillende constructie-eisen, zoals hieronder weergegeven voor verschillende voorbeelden.

Metaalrecycling is een gestaag groeiend deel van de mondiale toeleveringsketen. Gegevens van het Bureau of International Recycling (BIR) voor 2024 stel voor dat jaarlijks ongeveer 630 miljoen ton gerecycled staal nieuw staal gaat maken; deze recycling voorkomt het vrijkomen van 950 miljoen ton CO-uitstoot Alleen al in de VS vormt gerecycled staal 69,2% van de productie van ruwstaal, een van de hoogste niveaus van gerecycled staal onder de grote economieën ter wereld.

Op dezelfde manier heeft op het non-ferrogedeelte recycling van non-ferrometalen zoals aluminium, koper zijn aandeel gewonnen Terwijl ferro-materiaal, tijdens recycling, licht oxideert en in kwaliteit afneemt, kunnen non-ferrometalen tot in het oneindige worden gerecycled zonder enige materiële degradatie Recycling van aluminium zou ongeveer slechts 5% van de energie die wordt gebruikt om aluminium uit het bauxieterts en de smelterij te verkrijgen, in beslag nemen.

Metalen versus niet-metalen versus metalloïden

Alle elementen op periodiek systeem liggen in drie brede categorieën die metalen, niet-metalen en metalloïden zijn Een traptrede die diagonaal loopt van boor (B, nummer 5) naar polonium (Po, nummer 84) verdeelt het periodiek systeem in twee delen Links liggen de metalen, rechts de niet-metalen langs de bovenkant, onderste deel van de diagonaal behoren de metalloïden.

Uinter-alian.

Metalloïden zijn vooral interessant omdat ze twee domeinen verbinden Silicium-elektrisch heeft een geleidbaarheid van ongeveer 1,56 10 S/m Dat (of welk overgangselement dan ook) heeft een geleidbaarheid decennium dat van koper (5,96 10 S/m), maar miljoenen keren dat van zwavel (bijna nul geleiding) impliceert geen middelmatigheid; het biedt de mogelijkheid om de wereld te bedraden met een laag silicium de prijs van een motel. de wereldwijde siliciumindustrie was meer waard dan US $600 miljard.

Hoe metalen worden gevormd CNC-bewerking en metaalproductie

Ruw metaal kan het eindproduct worden door verschillende fabricageprocessen - gieten, smeden, lassen, machinaal bewerken Vooral gunstig voor het maken van metaalproducten met strakke maattoleranties is CNC (Computer Numerical Control) machinale bewerking Het bewerkingsproces omvat het verwijderen van metaal uit een massief blok metaal langs digitaal gegenereerde gereedschapspaden, het produceert toleranties van ±0,005 mm.

Elk metaaltype dicteert zijn eigen bewerkingsparameters Aluminium, dat een hardheid van slechts 2,75 Mohs heeft, wordt machinaal bewerkt door middel van snijden met verzonken kop, ideaal verzonken met uitgebreide en snelle warmteafvoer door hoge thermische geleidbaarheid. Titanium heeft ter vergelijking een zeer hoge chemische reactiviteit bij hoge temperaturen, en werkharden die leiden tot minder dan ideale snij- en voedingssnelheden met zeer stijf gereedschap. Aan de andere kant is roestvrij staal, voor een corrosiebestendige laag chroomoxide, erg hard, dus krachtig scherp gereedschap en silica-gekoeld worden beide gebruikt bij het bewerken.

Wanneer een project vereist CNC metaalbewerkingsdiensten, de aanvankelijke technische beslissing is om een geschikte metaallegering te vinden die past bij de toepassingsbehoeften: sterkte, gewicht, corrosieomgeving, tolerantieklasse. Het technische team van Le Creator werkt met aluminium, staal, roestvrij staal, messing, koper en titanium voor toepassingen in de automobielsector, de medische sector en de elektronica.

Veelgestelde vragen