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金属材料 (4)

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1、相关知识课题1金属材料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

2、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、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。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)3-2x，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

3、属材料都只能在500600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，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

4、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10001100。(3)钛合金钛是周期表中第IVB类元素，外观似钢，熔点达1672，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

5、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，TiAlSn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TiAlV合金为代表的超塑性合金，可以50150地伸长加工成型，其最大伸长可达到2000。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：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。

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