金属

金属

金属(metal)とは、金属元素によって金属結合によってできた物質である。陽イオンが自由電子を媒介として強固な結合をしている。延性、展性に優れており、塑性変形が大きく機械加工を可能とする。電気や熱を伝えやすく、また、金属独特の光沢をもつのが特徴である。展性、塑性(延性)に富み、機械加工に優れているため、機械として主に使われる。また、電気および熱の良導体であり、金属光沢という特有の光沢を持つ。金属は個相(個体)、液相(液体)、気相(気体)の形態をもつ。

目次

金属と歴史

金属の発展は人類史の発展とともにその歴史を歩んできた。もともと人類は石器を使い、次に青銅を扱うようになり、次第に金属を使うようになるが、金属の製造は生産革命を促した。人類の死亡率の低下や金属器の使い方は、社会を安定化することに成功した。特に18世紀の産業革命は、人々の生活を大きく変化させ、現代の産業革命を及ぼした。

金属特性

金属の一般的に下記の特性をもち、機械材料として広く利用されている。

  • 常温で固体
  • 硬度が高い
  • 通電性がある
  • 伝熱性がある
  • 塑性変形が大きく加工性に優れている
  • 表面に光沢をもつ

複合材料

金属は純度100%の純金属で使用されることは少なく、求める材料性質を得るため、金属に他の元素を混合・溶融して複合材料として利用する。代表的なものに合金があり、身近な金属の多くは合金で構成されている。

結晶

金属は結晶粒と呼ばれる小さい結晶の粒の集まりで構成されている。結晶粒の多くが集まって結晶または結晶体をなす。結晶体は原子や分子がある規則的な配列に集合した固体であり、その結晶構造は、面心立方格子、体心立方格子、稠密六方格子の三種類に分かれる。

金属の結晶構造
  • 面心立方格子の金属は展延性に富むが、強さは劣る傾向にある。
  • 体心立方格子の金属は硬度が強く、融点が高温でなる。
  • 稠密六方格子の金属は脆く、展延性に劣る傾向にある。

面心立方格子をもつ金属

  • 鉄(γ):Fe
  • アルミニウム:Al
  • ニッケル:Ni
  • 金:Au
  • 銀:Ag
  • 銅:Cu
  • 鉛:Pb
  • 白金:Pt

体心立方格子をもつ金属

  • 鉄(α):Fe
  • クロム:Cr
  • タングステン:W

稠密六方格子をもつ金属

  • 亜鉛:Zn
  • コバルト:Co
  • チタン:Ti
  • マグネシウム:Mg
  • モリブデン:Mo

変態

変態とは、温度変化にともない結晶が変化することである。鉄の場合、常温では、鉄(Fe)は体心立方格子であるが、高温になると、鉄(Fe)は高温になると一定の温度で瞬間的に面心立方格子に変化する。

結晶粒

金属は、結晶格子を形作る単位胞が無数に集合して結晶体となる。さらに結晶体が集まって多結晶体を作り、それぞれが結晶粒を形成する。なお、結晶粒の境界は結晶粒界を作る。

塑性変形

金属は塑性変形すると、結晶粒を構成している原子が正規の配列から移動して乱れる。結晶粒にひずみが生じ、小さい外力がかかった場合は、原子の配列は外力が解放したときに元に戻り弾性変形のみで終わるが、大きい外力の場合は塑性変形を起こす。


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