Актуальность темы. Металлы (от латинского metallum-шахта, рудник) – это группа элементов, которая обладает характерными металлическими свойствами, такими как: высокое тепло и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск [1, с. 30]. Они занимают существенное место среди современных материалов. К значимым достоинствам металлов как конструкционных, так и отделоочных материалов, относятся хорошие показатели механических свойств (прочности, твердости, вязкости, пластичности, упругости), универсальность и технологичность. Чрезвычайную важность в современном строительстве приобрели легкие металлические конструкции зданий и сооружений, применение которых способствует уменьшению трудоёмкости, продолжительности и стоимости их монтажа [2, с. 129].
Классификация металлов. Обычно в строительстве применяют не чистые металлы, а сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы на основе черных металлов (~ 94 %), а также сплавы цветных металлов (~ 6 %) [3, с. 288]. К черным металлам, имеющим темно-серый цвет, относятся железо и сплавы на его основе (сталь, чугун и ферросплавы). Остальные металлы и сплавы составляют группу цветных (не железных) металлов. Чистые металлы применяются редко в любых промышленных областях. Для изменения свойств металлов их плавят с другими элементами. Такие соединения или системы, состоящие из двух или нескольких металлов, и называют сплавами, а элементы входящие в их состав – компонентами. При увеличении содержания углерода в углеродистой стали повышается прочность, износоустойчивость и твёрдость, но понижается пластичность и ударная вязкость, ухудшается свариваемость [4, с. 324]. Механические характеристики стали зависят от формы и толщины проката. Углеродистые стали обыкновенного качества применяют без термообработки [4, с. 318]. Сталь, в соответствии с требованиями, может поставляться в термически обработанном состоянии (отожженная, нормализованная, высокоотпущенная) [4, с. 327]. При введении в углеродистые стали специальных легирующих добавок (Cr, Mn, Ni, Si, W, Мо, Ti, Со, V) достигается значительное улучшение их физико-механических свойств (например, повышение предела текучести без снижения пластичности и ударной вязкости) [3, с. 293]. По назначению легированные стали разделяют на три класса: конструкционные (машиноподелочные и строительные), инструментальные и стали с особыми физико-химическими свойствами. Легированные стали достаточно прочны и пластичны, а так же обладают повышенной стойкостью к атмосферной коррозии [5, с. 163].
Строение металлов. Металлы – это кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки, которые состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных на расстоянии нескольких нанометров друг от друга. Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1, 2, реже 3) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью [6, с. 298]. Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток двух видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную решетку [2, с. 169]. Железо, олово, титан, а так же другие металлы обладают свойствами аллотропии, что означает способность одного и того же химического элемента при разной температуре иметь различную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения металлов сопровождаются выделением или поглощением теплоты [7, с. 325]. Все металлы находятся в твёрдом состоянии до определённой температуры. Когда металл нагревают, то амплитуда колебаний атомов достигает некоторой критической величины. Происходит разрушение кристаллической решетки и переход металлов из твердого состояния в жидкое [3, с. 324]. В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают неправильную форму и очертания, их называют кристаллитами или зернами. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем меньше зёрна, тем прочнее металл. В целом металлы и сплавы можно считать условно «изотропными телами» [7, с. 326].
Свойства металлов. Химические свойства. В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов, различают металлы главных и побочных подгрупп. Металлы главных подгрупп составляют подгруппу «а». Атомы металлов побочных подгрупп (подгрупп «б») называются переходными. В подгруппу «а» входят 22 металла из периодической системы. В подгруппы «б» входят: 1) 33 переходных металла d-подгрупп; 2) 28 металлов f-подгрупп (14 лантаноидов и 14 актиноидов). Электронная структура атомов некоторых d-элементов (1 и 6 группы побочной подгруппы) имеет некоторую особенность в том, что один из электронов внешнего уровня переходит на d-подуровень предпоследнего уровня, достраивая этот подуровень до устойчивого состояния из 5 или 10 электронов [8, с. 89]. Если расположить металлы в последовательности их электродных потенциалов, то получим так называемый ряд напряжений, или ряд активностей. Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу: от щелочных и щёлочноземельных металлам к Pt и Аu – происходит уменьшение отрицательного значения потенциалов. Металлы от Li по Na вытесняют Н2 из Н2О на холоде, а от Mg по Тl – при нагревании. Большинство металлов, стоящих в ряду напряжений левее Н2, вытесняют его из разбавленных кислот (на холоде или при нагревании). Металлы, стоящие правее Н2, растворяются только в кислотах-»окислителях»(концентрированная H2SO4 при нагревании или HNO3), a Pt и Аи – только в «царской водке» (Ir не растворим и в ней) [7, с. 283].
Металлы от Li по Na легко реагируют с О2 на холоде; последующие члены ряда соединяются с О2 только при нагревании, a Ir, Pt, Аu в прямое взаимодействие с О2 не вступают. О прочности соединений металлов с кислородом (и др. неметаллами) можно судить по разности их электроотрицательностей : чем она больше, тем прочнее соединение [6, с. 133].
Физические свойства. Большое количество металлов кристаллизуется в простых структурах – кубических и гексагональных, соответствующих наиболее плотной упаковке атомов. Лишь небольшое количество металлов имеет более сложные типы кристаллических решёток. Многие металлы в зависимости от внешних условий (температуры, давления) могут существовать в виде двух или более кристаллических модификаций [4, с. 258]. Характерным свойством металлов как проводников электрического тока является линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрического поля. Носителями тока в металлах являются электроны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Существование у металлов электросопротивления является результатом нарушения периодичности кристаллической решётки. Эти нарушения могут быть связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и др. дефектов в кристаллах. На тепловых колебаниях и дефектах происходит рассеяние электронов. При нагревании металлов до высоких температур наблюдается «испарение» электронов с поверхности металлов (термоэлектронная эмиссия). В металлах наблюдаются явления фотоэлектронной эмиссии, вторичной электронной эмиссии и ионно-электронной эмиссии. Перепад температуры вызывает в металлах появление электрического тока или разности потенциалов [6, с. 311].
Значение тепловых эффектов реакций образования химических соединений, как и другие их свойства, находятся в периодической зависимости от атомных номеров элементов, образующих эти химические соединения. Теплопроводность металлов осуществляется электронами проводимости [6, с. 348].
Магнитные свойства. Переходные металлы с недостроенными f- и d-электронными оболочками являются парамагнетиками. Некоторые из них при определённых температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние. Магнитное упорядочение влияет на все свойства металлов, в частности на электрические свойства. Магнитная восприимчивость (X) большинства металлов относительно мала (X~10-6) и очень слабо зависит от температуры [3, с. 348].
Механические свойства. Большинство металлов обладают комплексом механических свойств, обеспечивающее их широкое применение в качестве конструкционных материалов. В первую очередь, это сочетание высокой пластичности с прочностью и сопротивлением деформации. Причём соотношение этих свойств может регулироваться в большом диапазоне с помощью механической и термической обработки, а также получением сплавов различного состава [3, с. 325].
Применение металлов в строительстве. В строительстве сталь используют для изготовления конструкций, армирования железобетонных изделий, устройства кровли, ограждений. Правильный выбор марки стали обеспечивает её экономный расход и успешную работу конструкции. Сталь для конструкций, работающих при динамических и вибрационных нагрузках и предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур, должна дополнительно проверяться на ударную вязкость при отрицательных температурах. К стали для мостовых конструкций предъявляют специальные требования (ГОСТ 6713-75) по однородности и мелкозернистости, отсутствию внешних дефектов, а так же прочностным и деформационным свойствам. В отдельных случаях для повышения механических свойств сталь обрабатывают наклёпом и применяют термическое воздействие [2, с. 227].
Чугуны – железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы. Высокопрочные (модифицированные) чугуны превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отлива ответственных деталей [4, с. 234].
Сплавы цветных металлов применяют для изготовления деталей, которые работают в условиях агрессивной среды, подвергающихся трению, требующие большой теплопроводности, электропроводности и уменьшенной массы (медь, латунь, бронза, алюминий, титан) [8, с. 382]. Титан в последнее время начал применяться в разных отраслях техники благодаря ценным свойствам: высокой коррозийной стойкости, меньшей плотности (4500 кг/м3) по сравнению со сталью, высоким прочностным характеристикам, повышенной теплостойкости [2, с. 158].
По мнению экспертов рынка, в России металлостроительная индустрия не представляет собой целостную область, а является элементом строительной отрасли. Слово «металл» все чаще применяется как синоним стали, ведь именно её можно назвать металлом нового поколения. Из стали стало возможным создать любой элемент здания: фундамент, несущие конструкции, кровлю, облицовку, декор, мебель и т.д. В то же время в строительстве применяются цветные металлы и неметаллы. А их сплавы зачастую обладают более ценными свойствами, чем те металлы, из которых они состоят [3, с. 247].