杰哥 | 金屬材料—鐵合金+鋁合金+新型合金+稀土金屬

1??合金基本概念

概念：由兩種或兩種以上的金屬（或金屬和非金屬）熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)

硬度：硬度一般高于它的成分金屬

熔點(diǎn)：熔點(diǎn)一般低于它的成分金屬

性能：與純金屬材料相比，合金具有優(yōu)良的物理、化學(xué)或機(jī)械性能。合金的性能可以通過所添加的合金元素的種類、含量和生成合金的條件等來加以調(diào)節(jié)。

在純金屬內(nèi)加入其他元素形成合金以后，結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，使合金的性能與純金屬有很大的差異。例如，常見的一些合金的硬度比其成分金屬的大，是因?yàn)樵诩兘饘賰?nèi)，所有原子的大小和形狀都是相同的，原子的排列十分規(guī)整;加入或大或小的其他元素的原子后，改變了金屬原子有規(guī)則的層狀排列，使原子層之間的相對滑動變得困難，導(dǎo)致合金的硬度變大。

2??鐵合金

1. 生鐵

（1）生鐵的含碳量：2%~4.3%

（2）性能及用途：生鐵硬度大、抗壓，性脆、可以鑄造成型，是制造機(jī)座、管道的重要材料

2. 鋼：鋼是用量最大，用途最廣的合金

（1）鋼的含碳量：0.03%~2%

（2）性能及用途：鋼有良好的延展性，機(jī)械性能好，可以鍛軋和鑄造，廣泛用于制造機(jī)械和交通工具等

鋼是用量最大、用途最廣的合金，根據(jù)化學(xué)成分，可分為兩大類：碳素鋼和合金鋼

1. 碳素鋼根據(jù)含碳量不同可分為高碳鋼、中碳鋼和低碳鋼，其性能和用途如下

低碳鋼

• 含碳量：低于0.3%
• 性能及用途：韌性、焊接性好，但強(qiáng)度低，用于制造鋼板，鋼絲和鋼管等

中碳鋼

• 含碳量：0.3%~0.6%
• 性能及用途：強(qiáng)度高，韌性及加工性好，用于制造鋼軌、車輪和建材等

高碳鋼

• 含碳量：高于0.6%
• 性能及用途：硬而脆，熱處理后彈性好，用于制造器械、彈簧和刀具等

2. 合金鋼也叫特種鋼，是在碳素鋼里適量地加入一種或幾種合金元素，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使鋼具有各種特殊性能，如強(qiáng)度、硬度大，可塑性、韌性好，耐磨，耐腐蝕等

不銹鋼

• 主要合金元素：鉻、鎳
• 主要特性：大氣中比較穩(wěn)定，不容易生銹，具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力
• 主要用途：醫(yī)療器材、廚房用具和餐具、地鐵列車的車體材質(zhì)等

超級鋼

• 主要合金元素：Mn、C、Al、V
• 主要特性：強(qiáng)度很大，在應(yīng)用時能夠?qū)崿F(xiàn)鋼板的輕薄化
• 主要用途：汽車、航空和航天等領(lǐng)域

錳鋼

• 主要合金元素：錳
• 主要特性：韌性好，硬度大
• 主要用途：鋼軌、軸承、鋼模、挖掘機(jī)鏟斗、坦克裝甲

硅鋼

• 主要合金元素：硅
• 主要特性：導(dǎo)磁性好
• 主要用途：變壓器、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)中的鐵芯

鎢鋼

• 主要合金元素：鎢
• 主要特性：耐高溫、硬度大
• 主要用途：刀具

3??鋁合金

1. 鋁是地殼中含量最多的金屬元素
2. 鋁是一種活潑金屬，在常溫下就能與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，表面生成一層致密的氧化鋁薄膜覆蓋在鋁表面，防止鋁進(jìn)一步被氧化，因此鋁在空氣中表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性
3. 鋁制品的表面處理：在空氣中，鋁的表面自然形成的氧化膜很薄，耐磨性和抗蝕性還不夠強(qiáng)。為了使鋁制品適應(yīng)于不同的用途，常采用化學(xué)方法對鋁的表面進(jìn)行處理，如增加膜的厚度，對氧化膜進(jìn)行著色等。例如，化學(xué)氧化（用鉻酸作氧化劑）可以使氧化膜產(chǎn)生美麗的顏色等。市場上有不少鋁制品是經(jīng)過這種方法處理的。

4??鋁合金的性質(zhì)和用途

1. 純鋁的硬度和強(qiáng)度較小，不適合制造機(jī)器零件等。向鋁中加入少量的合金元素，如Cu、Mg、Si、Mn、Zn及稀土元素等，可制成鋁合金。鋁合金是目前用途廣泛的合金之一。例如，硬鋁（一種鋁合金）中含Cu 4%、Mg 0.5%、Mn 0.5%、Si 0.7%，它的密度小、強(qiáng)度高，具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，是制造飛機(jī)和宇宙飛船的理想材料。
2. 與其他金屬（或非金屬）熔合形成鋁合金，鋁的合金具有密度小、強(qiáng)度高、塑性好、制造工藝簡單、成本低、抗腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn)，主要用于建筑業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)以及電子行業(yè)。鋁合金可做建筑外墻材料及房屋的門窗，可制成汽車車輪骨架和飛機(jī)構(gòu)件，還可用于制造電子元件等
3. 利用其導(dǎo)電性，制造電線、電器元件等
4. 利用其強(qiáng)的還原性，冶煉熔點(diǎn)高的金屬、焊接鋼軌等

5??鋁合金的性質(zhì)和用途使

用鋁制品應(yīng)注意的問題

1. 鋁制品耐用是因?yàn)楸砻嬗兄旅艿难趸X保護(hù)膜，Al?O?是兩性氧化物，既可以與酸反應(yīng)又可以與堿反應(yīng)，所以鋁制品不宜盛放顯酸性或堿性的物質(zhì)。
2. 含氯化鈉的物質(zhì)不能用鋁制品盛放。這是因?yàn)殇X制品表面雖然有致密的氧化膜保護(hù)層，但若遇到氯化鈉溶液，其中的氯離子會破壞氧化膜的結(jié)構(gòu)，加速鋁制品的腐蝕。因此，鋁制品不宜用來長時間盛放咸菜等腌制食品。

6??新型合金

近年來，為滿足某些尖端技術(shù)發(fā)展的需要，人們又設(shè)計和合成了許多新型合金。

例如，氫能是人類未來的理想能源之一，氫能利用存在兩大難題：制取和儲存。H?是一種易燃易爆的氣體，要利用H?，關(guān)鍵要解決H?的安全儲存和運(yùn)輸問題。一般情況下，H?采用氣態(tài)或液態(tài)儲存，如在高壓下把H?壓入鋼瓶，但運(yùn)送笨重的鋼瓶既不方便也不安全。儲氫合金是一類能夠大量吸收H?，并與H?結(jié)合成金屬氫化物的材料。具有實(shí)用價值的儲氫合金要求儲氫量大，金屬氫化物既容易形成，稍稍加熱又容易分解，室溫下吸、放氫的速率快，如Ti-Fe合金和La-Ni合金等。新型儲氫合金材料的研究和開發(fā)將為氫氣作為能源的實(shí)際應(yīng)用起到重要的推動作用。

此外，鈦合金、耐熱合金和形狀記憶合金等新型合金廣泛應(yīng)用于航空航天、生物工程和電子工業(yè)等領(lǐng)域。

用途廣泛的稀土金屬

在金屬元素中，有一類性質(zhì)相似，并在自然界共生在一起的稀土元素，它們是元素周期表中原子序數(shù)從57~71（從鑭至镥，稱為鑭系元素）的15種元素以及鈧和釔，共17種元素。稀土金屬在科技、生產(chǎn)中有廣泛的用途，被譽(yù)為新材料的寶庫。

稀土金屬既可單獨(dú)使用，也可用于生產(chǎn)合金。在合金中加入適量稀土金屬，能大大改善合金的性能。因而，稀土元素又被稱為“冶金工業(yè)的維生素”。例如，在鋼中加入稀土元素，可以增加鋼的塑性、韌性、耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性和抗氧化性等。因此，稀土金屬廣泛應(yīng)用在冶金、石油化工、材料工業(yè)(電子材料、熒光材料、發(fā)光材料、永磁材料、超導(dǎo)材料、染色材料、納米材料、引火合金和催化劑等)、醫(yī)藥及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

我國是稀土資源大國。到目前為止，我國的稀土儲量、稀土產(chǎn)量、稀土用量和稀土出口量均居世界第一位。我國化學(xué)家徐光憲院士與其研究團(tuán)隊在稀土元素的分離及應(yīng)用中作出了重要貢獻(xiàn)。

隨著稀土資源的不斷開采，如何合理利用和保護(hù)我國的稀土資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，已經(jīng)引起社會各界的高度重視。