Metalli

Fysikaaliset ominaisuudet

Kiinteitä metalleja pitää koossa atomien välinen metallisidos. Metallien yleensä hyvät sähkön- ja lämmönjohto-ominaisuudet perustuvat ns. vapaiden elektronien liikkeeseen. Myös metallinen kiilto on seurausta vapaista elektroneista, jotka estävät fotonien kulun metallihilan läpi.

Metallit ja metalliseokset ovat yleensä kiteisiä mikrorakenteeltaan kiinteässä olomuodossa toisin kuin esimerkiksi amorfinen lasi. Useimpien metallien kiderakenne on joko tilakeskinen kuutiollinen (body-centered cubic, BCC), pintakeskinen kuutiollinen (PKK, face-centered cubic, FCC) tai heksagonaalinen tiivispakkaus (hexagonal close-packing, HCP).

Kemialliset ominaisuudet

Metalliatomeilla on seuraavia ominaisuuksia

Uloimman kuoren elektronien luku on pienempi kuin koordinaatioluku
Ionisoitumisenergia on pieni

Metallit ovat yhdisteissään tavallisimmin positiivisina kationeina, eli ne ovat luovuttaneet valenssielektronejaan epämetalleille. Jotkin metallit voivat kuitenkin muodostaa myös kovalenttisia sidoksiassassa epämetallien kanssa, tai olla jopa osana useammasta atomista koostuneessa negatiivisessa anioni, esimerkiksi mangaani permanganaatti-ionissa MnO₄^-.

Metallit voidaan järjestää sähkökemialliseksi sarjaksi niiden jalouden mukaan. Jaloilla metalleilla on heikoin taipumus muodostaa yhdisteitä. Luonnossa kulta ei muodosta yhdisteitä, siksi se esiintyy puhtaana metallina. Myöskään palladium ja platina eivät reagoi ilman hapen kanssa. Muut metallit muodostavat enemmän tai vähemmän pysyviä yhdisteitä kuten oksideja, sulfideja sekä eri happojen suoloja kuten klorideja, sulfaatteja, sulfiitteja ja nitraatteja. Metallien oksidit ovat emäksisiä, sillä ne reagoivat veden kanssa muodostaen hydroksidejajaja, kun taas monet epämetallien oksidit muodostavat veden kanssa reagoidessaan happo. Voimakkaimmin hapen kanssa reagoivat alkalimetallit, sen jälkeen voimakkaimmin maa-alkalimetallit. Jotkin metallit (alumiini ja titaani) muodostavat pinnalleen suojaavan oksidikerroksen, mikä estää hapettumisen. Oksidikerros ei kuitenkaan suojaa metallia korkeissa lämpötiloissa.

Sähköä johtavissa vesiliuoksissa eri metallit muodostavat keskenään sähkökemiallisia pareja. Sinkki epäjalompana suojaa rautaa muodostamalla sen pinnalle uhrautuvan anodin. Tähän perustuu galvaaninen korroosionesto.

Metallisten materiaalien lujittumismekanismit

Metallisten materiaalien lujittumismekanismit voidaan jakaa viiteen eri osaprosessiin, jotka ovat:

Liuoslujittuminen, eli seosainelujitus

Liuoslujittumisella tarkoitetaan matriisimetallin hilaan liuenneiden seosaineatomien aiheuttamaa lujittumista. Seosaineatomit, jotka ovat sijoittuneet atomihilaan korvausatomeiksi, lujittavat metallia, koska kokoero seosaine- ja matriisiatomien välillä aiheuttaa jännityskentän hilaan. Tämän vuoksi metalliseokset ovat usein kovempia kuin niissä olevat metallit puhtaina. Mikäli seosaineatomi on sijoittunut välitilaan on sen aiheuttama lujitus 10–100-kertainen verrattuna korvausatomien aiheuttamaan lujittamiseen. Välisija-atomien aiheuttama lujittaminen perustuu niin ikään niiden aiheuttamaan jännityskentään metallihilassa. Lisäksi välisija-atomeilla on taipumus suotatua dislokaatioihin, jolloin ne lukittuvat.

Dislokaatiolujittuminen, eli muokkauslujittuminen

Metallia kylmämuokatessa tapahtuu lujittumista ja muodonmuutoskyvyn heikkenemistä. Monirakeisessa kappaleessa on aktiivisena useita liukutasoja. Liukuminen toisiaan leikkaavilla liukutasoilla synnyttää kiteeseen esteitä, jotka vaikeuttavat dislokaatioiden liikkumista. Näitä kutsutaan dislokaatiometsiksi. Kun dislokaatiometsän aiheuttama paine kasvaa suuremaksi kuin Frank-Reedin generaattorin käyntiinpanovastus, generaattorin toiminta pysähtyy.

Raerajalujittuminen, eli pienemmän raekoon aiheuttama lujitus

Raerajat vastustavat dislokaatioiden liikettä. Rakenne, jonka tilavuudesta on mahdollisimman paljon raerajaa, on luja. Useimmissa tapauksissa pyritään metalleissa rakenteeseen, missä raerajan suhteellinen määrä on mahdollisimman suuri - eli raekoko on pieni.

Erkautuslujittuminen, eli rakenteessa olevien partikkelien aiheuttama lujittuminen

Erkautuslujitetun metalliseoksen lujuus perustuu erkautuneen faasin kykyyn hidastaa tai jopa kokonaan estää dislokaatioiden liike. Koherenteilla erkaumilla on suurempi lujittava vaikutus kuin epäkoherenteilla erkaumilla, jotka eivät synnytä matriisissa ympärilleen jännityskenttää.

Transformaatiolujittuminen

Transformaatiolujittuminen on terästen hallitsevin lujittumismekanismi ja siihen perustuu esimerkiksi teräksen karkaisu.

Yhteistä näille lujittumisprosesseille on se, että niiden vaikutuksesta dislokaatioiden liike vaikeutuu.

Harvoin materiaalilta vaaditaan pelkästään lujuutta. Muidenkin materiaaliominaisuuksien, kuten sähkönjohtavuuden, sitkeyden, kuumalujuuden tai korroosionkestävyyden, tulee olla optimissaan.

Metallinkäsittelytaidon kehitys

Metallinkäsittely keksittiin mahdollisesti Lähi-idässä. Ensimmäinen muokattu metalli oli kulta, joka esiintyy luonnossa metallisena. Kuparia opittiin valmistamaan sulattamalla kuparipitoista malmia, valamaan sitä muotteihin. Kupariasta tehtiin muun muassa vasarakirveitä. Niiden malli kopioitiin pohjolan kivisiin vasarakirveisiin. Kuparia myös taottiin kuumana. Kupariin opittiin sekoittamaan tina ja sinkkiä, jolloin syntyi kuparia huomattavasti lujempi ja kovempi pronssi. Näin keksitty, aikaisempia tunnettuja teknisesti käyttökelpoisempi lejeerinki antoi nimen kokonaiselle historialliselle aikakaudelle, pronssikaudelle.

Metallurgiset valmistusprosessit

Metallurgia käsittelee metallien valmistustekniikoita ja käyttöominaisuuksia.

Esimerkkejä metalleista

Metalli	Lyhenne	Sulamispiste
Alumiini	Al	660,4 °C
Elohopea	Hg	−38,9 °C
Hopea	Ag	961,8 °C
Kromi	Cr	1907 °C
Kulta	Au	1063 °C
Kupari	Cu	1085 °C
Lyijy	Pb	327,5 °C
Molybdeeni	Mo	2623 °C
Nikkeli	Ni	1455 °C
Platina	Pt	1772 °C
Rauta	Fe	1538 °C
Sinkki	Zn	419.5 °C
Tina	Sn	231,9 °C

Tähtitieteessä

Tähtitieteessä ja astrofysiikassa metallilla usein tarkoitetaan mitä tahansa heliumia raskaampaa alkuainetta. Tämä jako perustuu siihen käsitykseen, että vety, helium ja vähäinen määrä litiumissaia olivat ensimmäiset alkuräjähdyksen synnyttämät alkuaineet, ja edelleenkin tähdissä on vetyä ja heliumia monin verroin enemmän kuin kaikkia muita alkuaineita yhteensä. Raskaammat alkuaineet ovat syntyneet myöhemmin tähtien sisäisissä fuusioreaktio tai supernovissa.

Katso myös

siirtymämetalli
metallisidos
metalliesineiden erilaiset valmistustekniikat

Aiheesta muualla

Lindroos, Sulonen, Veistinen: Uudistettu Miekk-ojan Metallioppi ISBN 951-666-216-1