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合金是啥?

来源:学生作业帮 编辑:搜搜做题作业网作业帮 分类:化学作业 时间:2021/12/03 12:52:21
合金是啥?
由金属与其它一种以上的金属或非金属所组成的具有金属通性的物质.我国是世界上最早研究和生产合金的国家之一,在商朝(距今3000多年前)青铜(铜锡合金)工艺就已非常发达;公元前6世纪左右(春秋晚期)已锻打(还进行过热处理)出锋利的剑(钢制品).
合金主要类型是:
(1)共熔混合物,如焊锡、铋镉合金等;
(2)固熔体,如金银合金等;
(3)金属互化物,如铜锌组成的黄铜等.合金的许多性能优于纯金属,故在应用材料中大多使用合金(参看铁合金、不锈钢).
各类型合金都有以下通性:
(1)多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点;
(2)硬度比其组分中任一金属的硬度大;
(3)合金的导电性和导热性低于任一组分金属.利用合金的这一特性,可以制造高电阻和高热阻材料.还可制造有特殊性能的材料,如在铁中掺入15%铬和9%镍得到一种耐腐蚀的不锈钢,适用于化学工业.
(4)有的抗腐蚀能力强(如不锈钢)
2.常用合金
(1)钢铁
钢铁是铁与C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所组成的合金.其中除Fe外,C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用,故统称为铁碳合金.它是工程技术中最重要、用量最大的金属材料.
按含碳量不同,铁碳合金分为钢与生铁两大类,钢是含碳量为0.03%~2%的铁碳合金.碳钢是最常用的普通钢,冶炼方便、加工容易、价格低廉,而且在多数情况下能满足使用要求,所以应用十分普遍.按含碳量不同,碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢.随含碳量升高,碳钢的硬度增加、韧性下降.合金钢又叫特种钢,在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素,使钢的组织结构和性能发生变化,从而具有一些特殊性能,如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性,等等.经常加入钢中的合金元素有Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等.我国合金钢的资源相当丰富,除Cr、Co不足,Mn品位较低外,W、Mo、V、Ti和稀土金属储量都很高.21世纪初,合金钢在钢的总产量中的比例将有大幅度增长.
含碳量2%~4.3%的铁碳合金称生铁.生铁硬而脆,但耐压耐磨.根据生铁中碳存在的形态不同又可分为白口铁、灰口铁和球墨铸铁.白口铁中碳以Fe3C形态分布,断口呈银白色,质硬而脆,不能进行机械加工,是炼钢的原料,故又称炼钢生铁.碳以片状石墨形态分布的称灰口铁,断口呈银灰色,易切削,易铸,耐磨.若碳以球状石墨分布则称球墨铸铁,其机械性能、加工性能接近于钢.在铸铁中加入特种合金元素可得特种铸铁,如加入Cr,耐磨性可大幅度提高,在特种条件下有十分重要的应用.
(2)铝合金
铝是分布较广的元素,在地壳中含量仅次于氧和硅,是金属中含量最高的.纯铝密度较低,为2.7 g/cm3,有良好的导热、导电性(仅次于Au、Ag、Cu),延展性好、塑性高,可进行各种机械加工.铝的化学性质活泼,在空气中迅速氧化形成一层致密、牢固的氧化膜,因而具有良好的耐蚀性.但纯铝的强度低,只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金.
铝合金的突出特点是密度小、强度高.铝中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蚀性,良好的塑性和较高的强度,称为防锈铝合金,用于制造油箱、容器、管道、铆钉等.硬铝合金的强度较防锈铝合金高,但防蚀性能有所下降,这类合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系.新近开发的高强度硬铝,强度进一步提高,而密度比普通硬铝减小15%,且能挤压成型,可用作摩托车骨架和轮圈等构件.Al-Li合金可制作飞机零件和承受载重的高级运动器材.
目前高强度铝合金广泛应用于制造飞机、舰艇和载重汽车等,可增加它们的载重量以及提高运行速度,并具有抗海水侵蚀,避磁性等特点.
(3)铜合金
纯铜呈紫红色,故又称紫铜,有极好的导热、导电性,其导电性仅次于银而居金属的第二位.铜具有优良的化学稳定性和耐蚀性能,是优良的电工用金属材料.
工业中广泛使用的铜合金有黄铜、青铜和白铜等.
Cu与Zu的合金称黄铜,其中Cu占60%~90%、Zn占40%~10%,有优良的导热性和耐腐蚀性,可用作各种仪器零件.再如在黄铜中加入少量Sn,称为海军黄铜,具有很好的抗海水腐蚀的能力.在黄铜中加入少量的有润滑作用的Pb,可用作滑动轴承材料.
青铜是人类使用历史最久的金属材料,它是CuSn合金.锡的加入明显地提高了铜的强度,并使其塑性得到改善,抗腐蚀性增强,因此锡青铜常用于制造齿轮等耐磨零部件和耐蚀配件.Sn较贵,目前已大量用Al、Si、Mn来代替Sn而得到一系列青铜合金.铝青铜的耐蚀性比锡青铜还好.铍青铜是强度最高的铜合金,它无磁性又有优异的抗腐蚀性能,是可与钢相竞争的弹簧材料.
白铜是Cu-Ni合金,有优异的耐蚀性和高的电阻,故可用作苛刻腐蚀条件下工作的零部件和电阻器的材料.
3.特种合金
目前工业上应用的合金种类数以千计,现只简要地介绍其中几大类.
(1)耐蚀合金
金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力,称金属的耐蚀性.纯金属中耐蚀性高的通常具备下述三个条件之一:
①热力学稳定性高的金属.通常可用其标准电极电势来判断,其数值较正者稳定性较高;较负者则稳定性较低.耐蚀性好的贵金属,如Pt、Au、Ag、Cu等就属于这一类.
②易于钝化的金属.不少金属可在氧化性介质中形成具有保护作用的致密氧化膜,这种现象称为钝化.金属中最容易钝化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等.
③表面能生成难溶的和保护性能良好的腐蚀产物膜的金属.这种情况只有在金属处于特定的腐蚀介质中才出现,例如,Pb和Al在H2SO4溶液中,Fe在H3PO4溶液中,Mo在盐酸中以及Zn在大气中等.
因此,工业上根据上述原理,采用合金化方法获得一系列耐蚀合金,一般有相应的三种方法:
①提高金属或合金的热力学稳定性,即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素,使形成固溶体以及提高合金的电极电势,增强其耐蚀性.例如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即属此类.不过这种大量加入贵金属的办法,在工业结构材料中的应用是有限的.
②加入易钝化合金元素,如Cr、Ni、Mo等,可提高基体金属的耐蚀性.在钢中加入适量的Cr,即可制得铬系不锈钢.实验证明,在不锈钢中,含Cr量一般应大于13%时才能起抗蚀作用,Cr含量越高,其耐蚀性越好.这类不锈钢在氧化介质中有很好的抗蚀性,但在非氧化性介质如稀硫酸和盐酸中,耐蚀性较差.这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,同时对氧化膜还有溶解作用.
③加入能促使合金表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素,是制取耐蚀合金的又一途径.例如,钢能耐大气腐蚀是由于其表面形成结构致密的化合物羟基氧化铁〔FeOx·(OH)23-2x〕,它能起保护作用.钢中加入Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大气腐蚀的低合金钢.
金属腐蚀是工业上危害最大的自发过程,因此耐蚀合金的开发与应用,有重大的社会意义和经济价值.
(2)耐热合金
这类合金又称高温合金,它对于在高温条件下的工业部门和应用技术领域有着重大的意义.
一般说,金属材料的熔点越高,其可使用的温度限度越高.这是因为随着温度的升高,金属材料的机械性能显著下降,氧化腐蚀的趋势相应增大,因此,一般的金属材料都只能在500 ℃~600 ℃下长期工作.能在高于700 ℃的高温下工作的金属通称耐热合金.“耐热”是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性.
提高钢铁抗氧化性的途径有两条:一是在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素,或者在钢的表面进行Cr、Si、Al合金化处理.它们在氧化性气氛中可很快生成一层致密的氧化膜,并牢固地附在钢的表面,从而有效地阻止氧化的继续进行.二是用各种方法在钢铁表面形成高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等耐高温涂层.
提高钢铁高温强度的方法很多,从结构、性质的化学观点看,大致有两种主要方法:
一是增加钢中原子间在高温下的结合力.研究指出,金属中结合力,即金属键强度大小,主要与原子中未成对的电子数有关.从周期表中看,ⅥB元素金属键在同一周期内最强.因此,在钢中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳.
二是加入能形成各种碳化物或金属间化合物的元素,以使钢基体强化.由若干过渡金属与碳原子生成的碳化物属于间隙化合物,它们在金属键的基础上,又增加了共价键的成分,因此硬度极大,熔点很高.例如,加入W、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC等碳化物,从而增加了钢铁的高温强度.
利用合金方法,除铁基耐热合金外,还可制得镍基、钼基、铌基和钨基耐热合金,它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性.其中镍基合金是最优的超耐热金属材料,组织中基体是NiCrCo的固溶体和Ni3Al金属化合物,经处理后,其使用温度可达1 000 ℃~1 100 ℃.
(3)钛合金
钛是周期表中第IVB类元素,外观似钢,熔点达1 672 ℃,属难熔金属.钛在地壳中含量较丰富,远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属.我国钛的资源极为丰富,仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中,伴生钛金属储量约达4.2亿吨,接近国外探明钛储量的总和.
纯钛机械性能强,可塑性好,易于加工,如有杂质,特别是O、N、C等元素存在,会提高钛的强度和硬度,但会降低其塑性,增加脆性.
钛是容易钝化的金属,且在含氧环境中,其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合.因此,钛对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的.钛和钛合金有优异的耐蚀性,只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀.特别是钛对海水很稳定,将钛或钛合金放入海水中数年,取出后,仍光亮如初,远优于不锈钢.
钛的另一重要特性是密度小.其强度是不锈钢的3.5倍,铝合金的1.3倍,是目前所有工业金属材料中最高的.
液态的钛几乎能溶解所有的金属,形成固溶体或金属化合物等各种合金.合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入,可改善钛的性能,以适应不同部门的需要.例如,Ti-Al-Sn合金有很高的热稳定性,可在相当高的温度下长时间工作;以Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金,可以50%~150%地伸长加工成型,其最大伸长可达到2 000%.而一般合金的塑性加工的伸长率最大不超过30%.
由于上述优异性能,钛享有“未来的金属”的美称.钛合金已广泛用于国民经济各部门,它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料.船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金,只是目前钛的价格较昂贵,限制了它的广泛使用.
(4)磁性合金
材料在外加磁场中,可表现出三种情况:①不被磁场所吸引的,叫反磁性材料;②微弱地被磁场所吸引的,叫顺磁性材料;③强烈地被磁场吸引的,称铁磁性材料,其磁性随外磁场的加强而急剧增高,并在外磁场移走后,仍能保留磁性.金属材料中,大多数过渡金属具有顺磁性;只有Fe、Co、Ni等少数金属是铁磁性的.
金属中组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钴系、铁铬钴系和锰铝碳系合金.
磁性合金在电力、电子、计算机、自动控制和电光学等新兴技术领域中,有着日益广泛的应用.
(5)钾钠合金
[英] Sodium Potaddium Al
[别]钠钾合金
[缩]JNHJ
【化学结构】
4K-Na
【化学特性】
银色的软质固体或液体. 遇酸、二氧化碳、潮气及水发生剧烈反应, 放出氢气, 立即自燃, 有时甚至会爆炸. 密度: 0.847克/毫升(100℃) (K78%,Na22%); 0.886克/毫升(100℃)(K56%,Na44%) 熔点: -11℃(K78%,Na22%); 19℃(K56%, Na44%);
【极限参数】
沸点: 784℃(K78%,Na22%); 825℃(K56%, Na44%);
【应用】液态金属核反应堆用的冷却剂是钠钾合金,常温下液态.
钠钾合金的熔点
钠 钾 熔点
20% 80% -10 ℃
22% 78% -11 ℃
24% 76% -3.5 ℃
40% 60% 5 ℃