1、标识常用材料各种合金介绍12-17 标识中国网1.概述由金属与另一种(或几种)金属或非金属所组成的具有金属通性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。中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)。根据结构的不同，合金主要类型是：(1)混合物合金（共熔混合物） ，当液态合金凝固时，构成合金的各组分分别结晶而成的合金，如焊锡、铋镉合金等；(2)固熔体合金，当液态合金凝固时形成固溶体的合金，如金银合金等；
2、(3)金属互化物合金，各组分相互形成化合物的合金，如铜、锌组成的黄铜（-黄铜、-黄铜和 -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。
3、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
4、、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
5、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
6、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 Zn 的合金称
7、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
8、 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：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。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
9、等。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：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。加入易钝化合金元素，如 Cr、Ni、M
10、o 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。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
11、 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
12、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，B 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
13、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 NiCrCo 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、P
14、b 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.
15、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
16、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：不被磁场所吸引的，叫反磁性材料；微弱地被磁场所吸引的，叫顺磁性材料；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
17、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
