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金屬材料知識背景
2020年11月18日    閱讀量:5518    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

金屬材料知識背景 中國建材網,cnprofit.com

鋼鐵是鐵與C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所組成的合金。其中除Fe外,C的含量對鋼鐵的機械性能起著主要作用,故統稱為鐵碳合金。它是工程技術中最重要、用量最大的金屬材料中國建材網cnprofit.com。

按含碳量不同,鐵碳合金分為鋼與生鐵兩大類,鋼是含碳量為0.03%~2%的鐵碳合金。碳鋼是最常用的普通鋼,冶煉方便、加工容易、價格低廉,而且在多數情況下能滿足使用要求,所以應用十分普遍。按含碳量不同,碳鋼又分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。隨含碳量升高,碳鋼的硬度增加、韌性下降。合金鋼又叫特種鋼,在碳鋼的基礎上加入一種或多種合金元素,使鋼的組織結構和性能發生變化,從而具有一些特殊性能,如高硬度、高耐磨性、高韌性、耐腐蝕性,等等。經常加入鋼中的合金元素有Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等。我國合金鋼的資源相當豐富,除Cr、Co不足,Mn品位較低外,W、Mo、V、Ti和稀土金屬儲量都很高。21世紀初,合金鋼在鋼的總產量中的比例將有大幅度增長。

含碳量2%~4.3%的鐵碳合金稱生鐵。生鐵硬而脆,但耐壓耐磨。根據生鐵中碳存在的形態不同又可分為白口鐵、灰口鐵和球墨鑄鐵。白口鐵中碳以Fe3C形態分布,斷口呈銀白色,質硬而脆,不能進行機械加工,是煉鋼的原料,故又稱煉鋼生鐵。碳以片狀石墨形態分布的稱灰口鐵,斷口呈銀灰色,易切削,易鑄,耐磨。若碳以球狀石墨分布則稱球墨鑄鐵,其機械性能、加工性能接近于鋼。在鑄鐵中加入特種合金元素可得特種鑄鐵,如加入Cr,耐磨性可大幅度提高,在特種條件下有十分重要的應用。


(2)鋁合金


鋁是分布較廣的元素,在地殼中含量僅次于氧和硅,是金屬中含量最高的。純鋁密度較低,為2.7g/cm3,有良好的導熱、導電性(僅次于Au、Ag、Cu),延展性好、塑性高,可進行各種機械加工。鋁的化學性質活潑,在空氣中迅速氧化形成一層致密、牢固的氧化膜,因而具有良好的耐蝕性。但純鋁的強度低,只有通過合金化才能得到可作結構材料使用的各種鋁合金。

鋁合金的突出特點是密度小、強度高。鋁中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蝕性,良好的塑性和較高的強度,稱為防銹鋁合金,用于制造油箱、容器、管道、鉚釘等。硬鋁合金的強度較防銹鋁合金高,但防蝕性能有所下降,這類合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近開發的高強度硬鋁,強度進一步提高,而密度比普通硬鋁減小15%,且能擠壓成型,可用作摩托車骨架和輪圈等構件。Al-Li合金可制作飛機零件和承受載重的高級運動器材。

目前高強度鋁合金廣泛應用于制造飛機、艦艇和載重汽車等,可增加它們的載重量以及提高運行速度,并具有抗海水侵蝕,避磁性等特點。


(3)銅合金



純銅呈紫紅色,故又稱紫銅,有極好的導熱、導電性,其導電性僅次于銀而居金屬的第二位。銅具有優良的化學穩定性和耐蝕性能,是優良的電工用金屬材料。

工業中廣泛使用的銅合金有黃銅、青銅和白銅等。

Cu與Zu的合金稱黃銅,其中Cu占60%~90%、Zn 占40%~10%,有優良的導熱性和耐腐蝕性,可用作各種儀器零件。再如在黃銅中加入少量Sn,稱為海軍黃銅,具有很好的抗海水腐蝕的能力。在黃銅中加入少量的有潤滑作用的Pb,可用作滑動軸承材料。

青銅是人類使用歷史最久的金屬材料,它是Cu-Sn合金。錫的加入明顯地提高了銅的強度,并使其塑性得到改善,抗腐蝕性增強,因此錫青銅常用于制造齒輪等耐磨零部件和耐蝕配件。Sn較貴,目前已大量用Al、Si、Mn來代替Sn而得到一系列青銅合金。鋁青銅的耐蝕性比錫青銅還好。鈹青銅是強度最高的銅合金,它無磁性又有優異的抗腐蝕性能,是可與鋼相競爭的彈簧材料。

白銅是Cu-Ni合金,有優異的耐蝕性和高的電阻,故可用作苛刻腐蝕條件下工作的零部件和電阻器的材料。

二、金屬材料·鋁的性質和用途

物質的用途在很大程度上取決于物質的性質。由于鋁有多種優良性能,因而鋁有著極為廣泛的用途。

(1)鋁的密度很小,僅為2.7g/cm3,雖然它比較軟,但可制成各種鋁合金,如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等。這些鋁合金廣泛應用于飛機、汽車、火車、船舶等制造工業。此外,宇宙火箭、航天飛機、人造衛星也使用大量的鋁及其合金。例如,一架超音速飛機約由70%的鋁及其合金構成。船舶建造中也大量使用鋁,一艘大型客船的用鋁量常達幾千噸。

(2)鋁的導電性僅次于銀、銅,雖然它的導電率只有銅的2/3,但密度只有銅的1/3,所以輸送同量的電,鋁線的質量只有銅線的一半。鋁表面的氧化膜不僅有耐腐蝕的能力,而且有一定的絕緣性,所以鋁在電器制造工業、電線電纜工業和無線電工業中有廣泛的用途。

(3)鋁是熱的良導體,它的導熱能力比鐵大3倍,工業上可用鋁制造各種熱交換器、散熱材料和炊具等。

(4)鋁有較好的延展性(它的延展性僅次于金和銀),在100℃~150℃時可制成薄于0.01 mm的鋁箔。這些鋁箔廣泛用于包裝香煙、糖果等,還可制成鋁絲、鋁條,并能軋制各種鋁制品。

(5)鋁的表面因有致密的氧化物保護膜,不易受到腐蝕,常被用來制造化學反應器、醫療器械、冷凍裝置、石油精煉裝置、石油和天然氣管道等。

(6)鋁粉具有銀白色光澤(一般金屬在粉末狀時的顏色多為黑色),常用來做涂料,俗稱銀粉、銀漆,以保護鐵制品不被腐蝕,而且美觀。

(7)鋁在氧氣中燃燒能放出大量的熱和耀眼的光,常用于制造爆炸混合物,如銨鋁炸藥(由硝酸銨、木炭粉、鋁粉、煙黑及其他可燃性有機物混合而成)、燃燒混合物(如用鋁熱劑做的炸彈和炮彈可用來攻擊難以著火的目標或坦克、大炮等)和照明混合物(如含硝酸鋇68%、鋁粉28%、蟲膠4%)。

(8)鋁熱劑常用來熔煉難熔金屬和焊接鋼軌等。鋁還用做煉鋼過程中的脫氧劑。鋁粉和石墨、二氧化鈦(或其他高熔點金屬的氧化物)按一定比率均勻混合后,涂在金屬上,經高溫煅燒而制成耐高溫的金屬陶瓷,它在火箭及導彈技術上有重要應用。

(9)鋁板對光的反射性能也很好,反射紫外線比銀強,鋁越純,其反射能力越好,因此常用來制造高質量的反射鏡,如太陽灶反射鏡等。

(10)鋁具有吸音性能,音響效果也較好,所以廣播室、現代化大型建筑室內的天花板等也采用鋁。

三、金屬材料·特種合金

目前工業上應用的合金種類數以千計,現只簡要地介紹其中幾大類。

(1)耐蝕合金

金屬材料在腐蝕性介質中所具有的抵抗介質侵蝕的能力,稱金屬的耐蝕性。純金屬中耐蝕性高的通常具備下述三個條件之一:

①熱力學穩定性高的金屬。通??捎闷錁藴孰姌O電勢來判斷,其數值較正者穩定性較高;較負者則穩定性較低。耐蝕性好的貴金屬,如Pt、Au、Ag、Cu等就屬于這一類。

②易于鈍化的金屬。不少金屬可在氧化性介質中形成具有保護作用的致密氧化膜,這種現象稱為鈍化。金屬中最容易鈍化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等。

③表面能生成難溶的和保護性能良好的腐蝕產物膜的金屬。這種情況只有在金屬處于特定的腐蝕介質中才出現,例如,Pb和Al在H2SO4溶液中,Fe在H3PO4溶液中,Mo在鹽酸中以及Zn在大氣中等。

因此,工業上根據上述原理,采用合金化方法獲得一系列耐蝕合金,一般有相應的三種方法:

①提高金屬或合金的熱力學穩定性,即向原不耐蝕的金屬或合金中加入熱力學穩定性高的合金元素,使形成固溶體以及提高合金的電極電勢,增強其耐蝕性。例如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即屬此類。不過這種大量加入貴金屬的辦法,在工業結構材料中的應用是有限的。

②加入易鈍化合金元素,如Cr、Ni、Mo等,可提高基體金屬的耐蝕性。在鋼中加入適量的Cr,即可制得鉻系不銹鋼。實驗證明,在不銹鋼中,含Cr量一般應大于13%時才能起抗蝕作用,Cr含量越高,其耐蝕性越好。這類不銹鋼在氧化介質中有很好的抗蝕性,但在非氧化性介質如稀硫酸和鹽酸中,耐蝕性較差。這是因為非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,同時對氧化膜還有溶解作用。

③加入能促使合金表面生成致密的腐蝕產物保護膜的合金元素,是制取耐蝕合金的又一途徑。例如,鋼能耐大氣腐蝕是由于其表面形成結構致密的化合物羥基氧化鐵[FeOx·(OH)3-2x],它能起保護作用。鋼中加入Cu與P或P與Cr均可促進這種保護膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大氣腐蝕的低合金鋼。

金屬腐蝕是工業上危害最大的自發過程,因此耐蝕合金的開發與應用,有重大的社會意義和經濟價值。

(2)耐熱合金

這類合金又稱高溫合金,它對于在高溫條件下的工業部門和應用技術領域有著重大的意義。

一般說,金屬材料的熔點越高,其可使用的溫度限度越高。這是因為隨著溫度的升高,金屬材料的機械性能顯著下降,氧化腐蝕的趨勢相應增大,因此,一般的金屬材料都只能在500℃~600℃下長期工作。能在高于700℃的高溫下工作的金屬通稱耐熱合金?!澳蜔帷笔侵钙湓诟邷叵履鼙3肿銐驈姸群土己玫目寡趸?。

提高鋼鐵抗氧化性的途徑有兩條:一是在鋼中加入Cr、Si、Al等合金元素,或者在鋼的表面進行Cr、Si、Al合金化處理。它們在氧化性氣氛中可很快生成一層致密的氧化膜,并牢固地附在鋼的表面,從而有效地阻止氧化的繼續進行。二是用各種方法在鋼鐵表面形成高熔點的氧化物、碳化物、氮化物等耐高溫涂層。

提高鋼鐵高溫強度的方法很多,從結構、性質的化學觀點看,大致有兩種主要方法:

一是增加鋼中原子間在高溫下的結合力。研究指出,金屬中結合力,即金屬鍵強度大小,主要與原子中未成對的電子數有關。從周期表中看,ⅥB元素金屬鍵在同一周期內最強。因此,在鋼中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳。

二是加入能形成各種碳化物或金屬間化合物的元素,以使鋼基體強化。由若干過渡金屬與碳原子生成的碳化物屬于間隙化合物,它們在金屬鍵的基礎上,又增加了共價鍵的成分,因此硬度極大,熔點很高。例如,加入W、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC等碳化物,從而增加了鋼鐵的高溫強度。

利用合金方法,除鐵基耐熱合金外,還可制得鎳基、鉬基、鈮基和鎢基耐熱合金,它們在高溫下具有良好的機械性能和化學穩定性。其中鎳基合金是最優的超耐熱金屬材料,組織中基體是Ni-Cr-Co的固溶體和Ni3Al金屬化合物,經處理后,其使用溫度可達1000℃~1100℃。

(3)鈦合金

鈦是周期表中第IVB類元素,外觀似鋼,熔點達1672℃,屬難熔金屬。鈦在地殼中含量較豐富,遠高于Cu、Zn、Sn、Pb等常見金屬。我國鈦的資源極為豐富,僅四川攀枝花地區發現的特大型釩鈦磁鐵礦中,伴生鈦金屬儲量約達4.2億噸,接近國外探明鈦儲量的總和。

純鈦機械性能強,可塑性好,易于加工,如有雜質,特別是O、N、C等元素存在,會提高鈦的強度和硬度,但會降低其塑性,增加脆性。

鈦是容易鈍化的金屬,且在含氧環境中,其鈍化膜在受到破壞后還能自行愈合。因此,鈦對空氣、水和若干腐蝕介質都是穩定的。鈦和鈦合金有優異的耐蝕性,只能被氫氟酸和中等濃度的強堿溶液所侵蝕。特別是鈦對海水很穩定,將鈦或鈦合金放入海水中數年,取出后,仍光亮如初,遠優于不銹鋼。

鈦的另一重要特性是密度小。其強度是不銹鋼的3.5倍,鋁合金的1.3倍,是目前所有工業金屬材料中最高的。

液態的鈦幾乎能溶解所有的金屬,形成固溶體或金屬化合物等各種合金。合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入,可改善鈦的性能,以適應不同部門的需要。例如,Ti-Al-Sn合金有很高的熱穩定性,可在相當高的溫度下長時間工作;以Ti-Al-V合金為代表的超塑性合金,可以50%~150%地伸長加工成型,其最大伸長可達到2000%。而一般合金的塑性加工的伸長率最大不超過30%。

由于上述優異性能,鈦享有“未來的金屬”的美稱。鈦合金已廣泛用于國民經濟各部門,它是火箭、導彈和航天飛機不可缺少的材料。船舶、化工、電子器件和通訊設備以及若干輕工業部門中要大量應用鈦合金,只是目前鈦的價格較昂貴,限制了它的廣泛使用。

(4)磁性合金

材料在外加磁場中,可表現出三種情況:①不被磁場所吸引的,叫反磁性材料;②微弱地被磁場所吸引的,叫順磁性材料;③強烈地被磁場吸引的,稱鐵磁性材料,其磁性隨外磁場的加強而急劇增高,并在外磁場移走后,仍能保留磁性。金屬材料中,大多數過渡金屬具有順磁性;只有Fe、Co、Ni等少數金屬是鐵磁性的。

金屬中組成永磁材料的主要元素是Fe、Co、Ni和某些稀土元素。目前使用的永磁合金有稀土-鈷系、鐵-鉻-鈷系和錳-鋁-碳系合金。

磁性合金在電力、電子、計算機、自動控制和電光學等新興技術領域中,有著日益廣泛的應用。

四、銅是人類應用最早的金屬

銅是人類認識并應用最早的金屬之一。我國是最早使用銅器的國家之一。到目前為止,發現的中國最早的青銅器出自新石器時代后期,相當于中原夏代的一些文化遺址中。在商代早期遺址中出土了較大型的青銅器。

中國商代早期的大型青銅器還很粗陋,器壁厚,外形多模仿陶器,花紋多為線條的獸面紋。1939年在安陽市出土的禮器“司母戊鼎”是殷代前期青銅器的代表作,是商王為其母鑄造的,重達875 kg,高 133 cm,橫長 110 cm,寬 78 cm。經檢測,銅占 84.11%,錫占11.64%,鉛占2.79%,是世界上最大的出土青銅器。

又如湖南出土的盛酒器“四羊方尊”,造型逼真,結構復雜,分布在四角的四支羊頭上長著卷曲的羊角,還有突出的龍頭,鏤空的扉邊。重34.5 kg,身高58.3 cm,口邊長52.4 cm。它采用分鑄和嵌鑄等復雜的鑄造工藝,充分反映出了殷代青銅器的高超熔鑄技藝。

青銅器除了禮器等外,更多是用于制造兵器,此外也有一些青銅農具出土。

戰國時期,齊國工匠已了解到隨著用途不同,青銅器材料的性能也應有所變化,為此可以改變青銅中各種金屬成分的比例。

我國古代很早就認識到銅鹽溶液里的銅能被鐵取代,從而發明了“水法煉銅”的新途徑,這一方法以我國為最早,是濕法冶金技術的起源,在世界化學史上是一項重大貢獻。

在現代,銅仍舊有著極其廣泛的用途。銅的導電性僅次于銀,居金屬中的第二位,大量用于電氣工業。

銅易與其他金屬形成合金,銅合金種類很多,例如,青銅質堅韌,硬度高,易鑄造;黃銅廣泛用于制作儀器零件;白銅主要用作刀具。

銅和鐵、錳、鉬、硼、鋅、鈷等元素都可用作微量元素肥料。微量元素是植物正常生命活動所不可缺少的,它可以提高酶的活性,促進糖、淀粉、蛋白質、核酸、維生素和酶的合成,有利于植物的生長。

銅在生命系統中有重要作用,人體中有30多種蛋白質和酶含有銅元素,現已知銅的最重要生理功能是人血清中的銅藍蛋白,它有催化鐵的生理代謝過程功能。銅還可以提高白細胞消滅細菌的能力,增強某些藥物的治療效果。銅雖然是生命攸關的元素,但如果攝入過多,會引起多種疾病。


標簽:今日頭條,建材應用,技術中心,建筑基材,建筑材料,金屬材料
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