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| 金属材料 | |||||
作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2004-10-4  |
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金属材料的发展有悠久的历史，人类在很早以前就懂得使用铜和铜合金，后来发展到铁和铁合金。产业革命后钢铁的大规模发展和应用，使金属在材料中占了绝对优势。第二次世界大战后，随着合成高分子材料、无机非金属材料和各种复合材料的发展，部分取代了金属材料，极大地冲击了金属材料的主导地位。尽管如此，金属材料在一个国家的国民经济中仍占有举足轻重的位置，原因是金属材料的资源比较丰富，已积累有一整套相当成熟的生产技术，有组织大规模生产的经验，产品质量稳定，价格低廉、性能优异。例如金属材料的模量比高分子材料高，韧性比陶瓷材料高，还具有导电性和磁性等。此外，金属材料自身还在不断发展，传统的钢铁工业在冶炼、浇铸、加工和热处理等方面不断出现新工艺。新型的金属材料如高温合金、形状记忆合金、贮氢合金、永磁合金、非晶态合金等相继问世。因此在发展中国家，金属材料仍然占有材料工业的主导地位，如中国年产钢铁近9000万吨。
7.2.1 金属键和纯金属的晶体结构
元素周期系中111种元素，金属元素约占80%。金属具有金属光泽，传热、导电性和延展性。延性是指金属能被拉伸成金属丝，展性是指金属能被捶打展成金属薄片。金属具有优异的机械性能，可被加工成各种材料，广泛应用于国民经济的各个部门。 金属的优异性能来源于金属内部的结构。金属内部结构是由金属原子做规整的周期性排列所决定的。由于金属原子的电离能和电负性都比较小，最外层的价电子容易脱离原子的束缚而在金属中自由地运动，这种电子被称为自由电子。金属原子失去了价电子后成为金属正离子，周期性排列的金属正离子在自由电子的氛围中，两者紧密地胶合在一起，形成金属晶体。金属中这种结合力称为金属键，这就是金属键的自由电子理论。 金属的一般性质与自由电子的存在密切相关。由于自由电子可以吸收各种波长的可见光，随即又发射出来，因而使金属具有光泽，不透明；自由电子可以在整块金属内自由运动，所以金属的导电性和传热性都非常好；金属键没有方向性和饱和性，金属原子以高配位的密堆积方式排列，密置层之间可以滑动，使金属有优异的延展性。 实际上整块金属可以看做一个巨大的分子，例如一块金属钠是由N个钠原子形成的巨大分子，N数值很大（6.02×1023）。Na原子的电子层结构为1s22s22p63s1，N个Na原子中能量相同的原子轨道通过线性组合，形成N个分子轨道，分子轨道的能级非常接近，能级间隙极小，所以N个分子轨道能级形成一个能带。金属Na中有1s能带、2s能带、2p能带和3s能带。内层原子轨道形成较窄的能带，外层原子轨道形成的能带较宽。各个能
带按能量高低排列起来，成为能带结构。图7－1为金属Na和Mg的能带结构示意图。已填满电子的能带叫满带，没有电子的能带叫空带，尚未填满电子的能带叫导带。金属Na中1s，2s，2p能带是满带，3s能带是导带。具有导带的金属能导电。金属Mg的3s能带是满带，似乎不能导电，但从图7－1中看到，金属Mg的3s能带与3p能带有交叠，所以还是可以导电。 绝缘体的能带结构有满带和空带，满带和空带之间的能量间隙Eg≥5eV，故不能导电。半导体的能带结构与绝缘体类似，也只有满带和空带，但能量间隙Eg＜3eV，电子容易从满带被激发到空带，此时，空带得到了电子变为导带，满带失去了部分电子，产生了空穴，也成了导带，所以可以导电。例如Si的能量间隙（也称禁带宽度）为 1.1eV，Ge为0.72eV，GaAs为1.4eV。图7－2为导体、绝缘体和半导体的能带结构特点示意图。
研究纯金属的结构，最简单的是用球密堆积的模型。设想金属原子都是刚性圆球，则在一个平面上，等径圆球最紧密的排列只有一种方式，即每个圆球的周围与6个圆球相邻接，并出现6个三角形空隙，这样的一层称为密置层，如图7－3（a）所示，而7－3（b）则为非密置层。 六方最密堆积 有两个密置层，分别记为A和B。A和B怎样堆积才是最紧密呢？把B层的圆球放在A层的空隙上，则A，B两层的相对位置错开了60度。然后按AB|AB|…重复堆积。这种堆积称为六方最密堆积，见图7－4，从这种最密堆积中可取出一个六方晶胞。六方最密堆积也称为A3型堆积。
立方最密堆积 有3个密置层，分别记为A，B，C。A，B两层按上述方式堆积好以后，C层位置既不同于A，也不同于B，构成ABC|ABC|…重复堆积。这种堆积称为立方最密堆积，可从中取出一个面心立方晶胞，也称A1型堆积。图7－5为立方最密堆积示意图。 在一个密置层中只有三角形空隙，当两个密置层堆积起来后，原来的三角形空隙变为四面体空隙或八面体空隙，如图7－6所示。 A1和A3型堆积是等径圆球堆积得最紧密的两种形式，它们的堆积密度均为74.05%，配位数12，这是两种最重要的堆积方式。 体心立方堆积 图7－7示出体心立方堆积，记为A2型堆积，它不是密置层的堆积，堆积密度比A1， A3型低，只有68.02%。
自然界中有80多种金属元素，经实验测定它们的单质结构大多数为A1，A2和A3三种结构形式，因为这三种结构是密堆积，所以是稳定结构。表7－1示出金属单质的结构。
7.2.2 钢铁
地壳中部分元素的含量（也称丰度）按质量百分数计为：
铁排列第4，说明地壳中铁的资源是比较丰富的。地壳中铁主要以氧化物、硫化物和碳酸盐形式存在。重要的矿石有赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（FeO·Fe2O3）、褐铁矿（Fe2O3·2Fe（OH）3）、菱铁矿（FeCO3）和黄铁矿（FeS2）等。 欲将铁矿石中的铁提炼出来，可置铁矿石于高炉中冶炼，冶炼过程实为还原反应，以焦炭为还原剂，再加一些石灰石和二氧化硅等作助熔剂。冶炼时先将处于高炉下层的焦炭点燃，使其生成CO2，CO2与灼热的焦炭起反应生成CO，反应可表示如下： C+O2→CO2 CO2+C→2CO 一氧化碳气体能将铁矿石中的铁还原出来： Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2 由于炉中温度很高，还原出来的铁被熔化为铁水，铁水可从高炉中放出。因为在炉中铁水和碳接触，铁水中含碳量较高，约有3%～4%，这种铁称为生铁。生铁性脆，一般只能浇铸成型，又称铸铁。生铁中还含硫、磷、硅、镁等其他杂质。处于熔融状态的铁水，其中碳以Fe3C的形式存在，待铁水慢慢冷却，Fe3C则分解为铁和石墨，此时的铁其断口呈灰色，故称灰口铁。若将熔融的铁水快速冷却，Fe3C来不及分解而保留下来，此时铁的断口呈白色，称白口铁。白口铁质硬且脆，不宜加工，一般用来炼钢。灰口铁柔软，有韧性，可以切削加工或浇铸零件。若在铁水中加入0.05%镁，使生铁中的碳变成球状，得到的是球墨铸铁。球墨铸铁可使灰口铁的强度提高一倍，塑性提高20倍，它具有高的强度、塑性、韧性和热加工性能，又保留了灰口铁易切削加工等优点。由于球墨铸铁的综合性能好，在工业上得到广泛应用。 从高炉冶炼得到的生铁，含铁约95%左右，要得到纯铁（含铁99.9%以上）可采用电解还原铁盐的方法。纯铁是银白色且有金属光泽，性软，有延展性，熔点为1535℃，沸点为3000℃。纯铁除了作为分析试剂外，其他用途很少。纯铁在室温下是体心立方结构，称为α－Fe。将纯铁加热，当温度到达910℃时，由α－Fe转变为γ－Fe，γ－Fe是面心立方结构。继续升高温度，到达1390℃时，γ－Fe转变为δ－Fe，它的结构与α－Fe一样，是体心立方结构。纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为相变。发生结构转变时的温度称为相变温度。图7－8示出Fe的体心立方和面心立方两种结构。
钢铁是铁和碳的合金体系总称。其特点是强度高、价格便宜、应用广泛，钢铁约占金属材料产量的90%，是世界上产量最大的金属材料。钢铁中含碳量大于2.0%的叫生铁，小于0.02%的叫纯铁，在这两者之间的称为钢。钢中含碳量小于0.25%的称低碳钢，介于0.25%～0.60%的称中碳钢，大于0.60%的称高碳钢。 所谓炼钢，其实质是控制生铁中的含碳量达到钢的要求，同时除去危害钢的性能的一些杂质，如S，P等。若想得到特殊性能的合金钢，当然还要加入一些其他金属。 金属间隙结构 金属单质结构大都采取A1，A2和A3三种结构形式，在这些结构中存在许多四面体和八面体空隙，使半径较小的非金属原子如硼、碳、氮、氢等可填入空隙中，形成金属间隙化合物或金属间隙固溶体，通称为金属间隙结构。在具有这类结构的物质中同时存在金属键和共价键，原子间结合得特别牢固，因此它们往往具有高强度、高熔点和高硬度等优异性能。 钢中铁和碳形成金属间隙结构。铁有α－Fe，γ－Fe和δ－Fe三种同素异构体，小的碳原子可填入它们的空隙中形成下列四种物相。 奥氏体 它是碳在γ－Fe中的间隙固溶体，碳原子占据八面体空隙，如图7－9（a）所示。
铁素体 它是碳在α－Fe中的间隙固溶体，由于铁素体含碳量极微，与纯铁甚为相近。渗碳体 它是铁和碳形成的化合物，化学式为Fe3C，含碳量6.67%。渗碳体是硬而脆的化合物。 马氏体 它是碳在α－Fe中过饱和间隙固溶体，铁原子按体心四方分布，碳原子填入变形八面体空隙中，如图7－9（b）所示。 钢铁的性能既与化学组成有关，也与钢中上述四种物相的相组成和分布有关。在炼钢过程中通过改变化学组成、调节和控制钢中的相组成及分布，可以获得人们所需要的钢材。 金属间隙结构不但对钢铁有意义，对其他金属也显得愈来愈重要。表7－2列出了一些金属碳化物和氮化物，它们有很高的熔点和硬度，可以做很好的耐高温材料、高级磨料和切削刀具材料等。
合金钢 根据人们的需要可以制备不同性能的合金钢，合金钢品种繁多，性能各异。如不锈钢，钢中加入一定量的铬，可提高钢的抗腐蚀性，不生锈；加入锰特别硬，称为锰钢。
7.2.3 铝合金和铝锂合金
金属材料分为黑色金属和有色金属两大类，除了铁、锰、铬之外，周期表中其他金属都归于有色金属。有色金属又可分为轻金属如Li，Be，Mg，Al，Ti；重金属如Cu，Zn，Cd，Hg，Pb；高熔点金属或难熔金属如W，Mo，Zr，V；稀土金属如La，Ce，Pr，Nd等；稀散金属如Ga，In，Ge；贵金属如Au，Ag，Pt，Pd等。但作为结构材料的有色金属，主要有铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、镍合金和锌合金等。这方面的内容很多，本节主要介绍铝合金。 铝是自然界含量最多的金属元素，在地壳中以复硅酸盐形式存在。主要的矿石有铝土矿（Al2O3·nH2O）、粘土[H2Al2（SiO4）2H2O]、长石（KAlSi3O8）、云母[H2Kal3（SiO4）3]、冰晶石（Na3AlF6）等。 制备金属铝常用电解法。在矿石中铝和氧结合形成Al2O3，它是非常稳定的化合物。在高温下对熔融的氧化铝进行电解，氧化铝被还原为金属铝并在阴极上析出，其反应如下：
熔融的金属铝冷却后成为铝锭。 铝是银白色金属，熔点为659.8℃，沸点为2270℃，密度为2.702g·cm-3，仅为铁的三分之一。铝的导电、导热性好，可代替铜做导线。在大气中金属铝表面与氧作用形成一层致密的氧化膜保护层，所以有很好的抗蚀性。金属铝中铝原子是面心立方堆积，层与层之间可以滑动，因此铝有优良的延展性，可拉伸抽成丝，也可捶打成铝箔。铝的主要用途是做铝合金，大量用于航空工业、汽车工业及建筑业。 铝合金 金属铝的强度和弹性模量较低，硬度和耐磨性较差，不适宜制造承受大载荷及强烈磨损的构件。为了提高铝的强度，常加入一些其他元素，如镁、铜、锌、锰、硅等。这些元素与铝形成铝合金后，不但提高了强度，而且还具有良好的塑性和压力加工性能，如铝镁合金、铝锰合金。常见的铝铜镁合金称为硬铝，铝锌镁铜合金称为超硬铝。铝合金强度高、相对密度小、易成型，广泛用于飞机制造业。 铝锂合金 若把锂掺入铝中，就可生成铝锂合金。由于锂的密度比铝还低（0.535g·cm-3），如果加入1%锂，可使合金密度下降3%，弹性模量提高6%。近年来发展了一种铝锂合金，含锂2%～3%，这种铝锂合金比一般铝合金强度提高20%～24%，刚度提高19%～30%，相对密度降低到2.5～2.6。因此用铝锂合金制造飞机，可使飞机质量减轻15%～20%，并能降低油耗和提高飞机性能。铝锂合金是很有发展前途的合金。
7.2.4 新型金属材料
新型金属材料种类繁多，它们都属合金。 形状记忆合金 形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。形状记忆合金为什么能具有这种不可思议的“记忆力”呢？目前的解释是因这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体结构转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。 最早研究成功的形状记忆合金是Ni－Ti合金，称为镍钛脑（Nitanon）。它的优点是可靠性强、功能好，但价格高。铜基形状记忆合金如 Cu－Zn－Al和 Cu－Al－Ni，价格只有Ni－Ti合金的10%，但可靠性差。铁基形状记忆合金刚性好，强度高，易加工，价格低，很有开发前途。表7－3列出一些形状记忆合金及其相变温度。
形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。 形状记忆合金问世以来，引起人们极大的兴趣和关注，近年来发现在高分子材料、铁磁材料和超导材料中也存在形状记忆效应。对这类形状记忆材料的研究和开发，将促进机械、电子、自动控制、仪器仪表和机器人等相关学科的发展。 高温合金 涡轮叶片是飞机和航天飞机涡轮喷气发动机的关键部件，它在非常严酷的环境下运转。涡轮喷气发动机工作时，从大气中吸入空气，经压缩后在燃烧室与燃料混合燃烧，然后被压向涡轮。涡轮叶片和涡轮盘以每分钟上万转的速度高速旋转，燃气被喷向尾部并由喷筒喷出，从而产生强大的推力。在组成涡轮的零件中，叶片的工作温度最高，受力最复杂，也最容易损坏。因此极需新型高温合金材料来制造叶片。一般选用镍基和钴基高温合金作材料制造叶片，随着加工工艺和技术的不断进步，取得愈来愈好的效果。较早时采取多晶铸造工艺，让熔融的合金在铸型中逐渐冷却凝固，一开始就产生无数的晶粒，随着温度降低，晶粒不断长大，最后充满整个叶片。由于合金冷却时散热的方向未加控制，晶粒的长大是随意的，因此得到的晶粒形状接近球形，称为等轴晶，如图7－10（a）所示。晶粒之间的界面称为晶界，通常晶界上容易出现杂质和缺陷，因此晶界是叶片中最薄弱的易破坏区，必须采取相应的技术措施净化晶界，提高晶界的结合强度。 （1）柱晶合金 柱晶合金是采用定向凝固工艺来铸造涡轮叶片。当合金在铸型内冷却时，控制散热方向，使晶粒按预定的方向生长，这样得到的不是等轴晶，而是长条形的柱晶，如图7－10（b）所示。柱晶涡轮叶片的最大特点是不存在横向晶界，当涡轮叶片高速旋转时，最大的离心应力与柱晶中的晶界平行，减少了晶界断裂的机会，从而提高了强度，使叶片的工作温度提高了约50℃，喷气发动机的寿命提高了1倍。
（2）单晶合金 柱晶合金仍存在晶界，只有单晶合金才能完全消除晶界的影响。单晶涡轮叶片铸造工艺是在定向凝固柱晶叶片铸造的基础上发展起来的。常用种晶法，即预先在铸型的底部植入一粒籽晶，当铸型内的熔融合金凝固时，控制散热方向，只允许籽晶长大，直到完全占有整个铸型空间。这当然要求合金有很高的纯度，铸型是非常洁净的，不能引进杂质，否蛟又士赡艹晌Ш耍斐啥嗑АＳ猛恢指呶潞辖鸩牧希捎诓捎眯鹿ひ眨ゾ新忠镀构ぷ魑露扔痔岣吡?00℃以上，喷气发动机的寿命延长了4倍。 贮氢合金 氢是21世纪要开发的新能源之一。氢能源的优点是发热值高、没有污染和资源丰富。氢气燃烧将放出大量热能，其反应如下：
每千克氢气燃烧产生的热能是煤的4倍以上。燃烧产物是水，没 有任何污染气体产生。氢来源于水的分解，可以利用光能或电能分解水，而水是取之不尽的。
氢若作为常规能源必须解决氢的贮存和输送问题。传统上氢采用气态或液态贮存，前者在高压下把氢气压入钢瓶，后者在－253℃低温下将氢气液化，然后灌入钢瓶，但运送笨重的钢瓶很不方便。 贮氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。金属都是密堆积的结构，结构中存在许多四面体和八面体空隙，可以容纳半径较小的氢原子。在贮氢合金中，一个金属原子能与2个、3个甚至更多的氢原子结合，生成金属氢化物。但不是每一种贮氢合金都能作为贮氢材料，具有实用价值的贮氢材料要求贮氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速度快，使用寿命长和成本低。目前正在研究开发的贮氢合金主要有三大系列：镁系贮氢合金如MgH2，Mg2Ni等；稀土系贮氢合金如LaNi5，为了降低成本，用混合稀土 Mm代替La，推出了MmNiMn， MmNiAl等贮氢合金；钛系贮氢合金如TiH2，TiMn1.5。表7－4列出了一些贮氢合金。
贮氢合金用于氢动力汽车的试验已获得成功。随着石油资源逐渐枯竭，氢能源终将代替汽油、柴油驱动汽车，并一劳永逸消除燃烧汽油、柴油产生的污染。贮氢合金的用途不限于氢的贮存和运输，它在氢的回收、分离、净化及氢的同位素的吸收和分离等其他方面也有具体的应用。 非晶态合金 非晶态也称玻璃态。非晶态物质中原子没有周期性重复排列，因而没有确定的熔点。与X射线作用只产生散射，没有衍射，表明非晶态物质中原子排列是长程无序的，但短程可以有序。图7－11为物质的晶态和非晶态示意图。
熔融状态的合金缓慢冷却得到的是晶态合金，因为从熔融的液态到晶态需要时间使原子排列有序化。如果将熔融状态的合金以极高的速度骤冷，不给原子有序化排列的时间，把原子瞬间冻结在像液态一样的无序排列状态，得到的是非晶态合金。这种结构与玻璃的结构极为相似，所以常把非晶态合金称为金属玻璃。非晶态合金是从熔融液态急冷凝固得到的，合金整体呈现均匀性和各向同性，因而具有优良的力学性能，如拉伸强度大，强度、硬度都比一般晶态合金高。由于非晶态合金中原子是无序排列，没有晶界，不存在晶体滑移、位错、层错等缺陷，使合金具有高电阻率、高导磁率、高抗腐蚀性等优异性能。非晶态合金的电阻率一般要比晶态合金高2～3倍，这可以大大减少涡流损失，故特别适合做变压器和电动机的铁芯材料。采用非晶态合金做铁芯，效率为97%，比用硅钢高出10%左右，所以得到推广应用。此外，非晶态合金在脉冲变压器、磁放大器、电源变压器、漏电开关、光磁记录材料、高速磁泡头存储器、磁头和超大规模集成电路基板等方面均获得应用。 |
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| 文章录入：Leo 责任编辑：Leo | |||||
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