金属材料
化学试剂,九料化工商城 / 2020-11-06
钢铁
在地壳中含量最多的10种元素及其所占的质量百分数(％)列出于下：
O Si Al Fe Ca Na Mg K Ti H
46.4 27.2 8.3 5.6 4.2 2.4 2.3 2.1 0.57 0.14
由上可见，铁在地売中的含量仅次于氧、硅和铝居第4位，它主要以+2和+3价的氧化物和硫化物等矿物形态存在。铁的氧化物有3种:氧化亚铁(FeO)、三氧化二铁(Fe2O3)和四氧化三铁(Fe2O4)。FeO是黑色晶体，不稳定，在空气中受热会氧化成Fe3O4。
Fe2O3是红棕色晶体，俗称赤铁矿。Fe3O4是具有磁性的黑色晶体，俗称磁铁矿。赤铁矿和磁铁矿都称铁矿石，是炼铁的主要原料.
钢铁是铁和碳形成的合金体系的总称，是用量最大、对国计民生最重要的金属材料。它的优势地位源于下列因素:
(1)铁在地壳中含量多，许多地方铁矿富集，易于开采
(2)铁矿石可通过热化学方法治炼成金属，成本低
(3)金属铁富延展性及其他优良的物理性质
(4)容易在治炼中添加其他物料，得到适应各种用途需要的合金
(5)可通过浇铸、压模、锻打、冷轧和溶火等多种处理工艺，改变其组成、形状和物性，满足使用的要求。
大量的铁是在炼铁高炉中用焦炭还原铁矿石得到的.治炼时为了除去杂质和造渣的需要，需加石灰石和二氧化硅等原料。为了能源的充分利用和降低成本，炼铁高炉规模很大，是人工制造的最大的化学反应器，一个大型高炉每天可生产一万多吨生铁，而且一旦开炉治炼，就要求日夜不停地生产，不能停顿冷却。图5.1.1示出炼铁高炉的结构及其中不同高度上主要的化学反应。
纯铁是一种银灰色光泽的金属。常压下熔点为1538℃沸点2738℃。在20℃时，密度为7.87g/Cm³。铁是磁性物质，这源于原子结构中3d轨道上存在的未成对电子。纯铁质软、强度差，只有把铁炼成钢并除去硫和磷等杂质，才有较高的硬度和强度。钢中的含碳量是影响钢的性质的关键钢铁中含碳量＜0.02％的叫纯铁，＞2.0％叫生铁，在这中间的叫钢。钢中含碳＜0.25％为低碳钢，介于0.25％-0.60％者为中碳钢，＞0.6％者为高碳钢。从高炉出来的铁含碳约3％-4％，是生铁。
钢的化学性质和物理性质，例如耐腐蚀性、磁性、强度和韧性等依赖于它的化学组成和热处理工艺。在碳钢中加入定数量的一种或多种其他元素，形成品种多样的合金钢，它的品种数目超过千种。治金化学家根据用户订货时所要求的钢的性能，以及炼铁和炼钢时所用原料的化学成分，精心地进行配料、设计治炼和热处理工艺，以达到用户所需的性能。下面举几类不同用途的合金钢工具钢:适用于制作刀、斧、锉等，钢的性能要硬度高、耐磨性好。通常是在高碳钢中加人钼、钨等元素。
结构钢:适用于架设桥梁铁轨和建造房屋等，要求具有坚和韧的特点，坚是指它能经得起各种应力的考验，初是指它在承受巨大负荷的情况下也不断裂，只是发生一点塑性变形。通常是在中碳钢中加入锰、硅等元素形成。
超高强度钢:适用于制造装甲车、坦克和潜艇等，它能较好地抵抗枪弹和炮弹。生产这类钢材，除选用合适的化学成分的钢外，特别要注意热处理工艺。
不锈钢:在海水或酸性溶液中不会生锈的钢，它具有耐热性和抗氧化性，抗腐蚀能力高，适用于制造化工厂中的反应器、海水净化装置及多种家用设备。耐酸不锈钢中通常含Cr16％-18％，Ni6％-8％及其他元素。
硅钢:用于制造电力变压器中的铁芯，它含硅量高。
钢铁材料的生产从19世纪起产量不断增加，成本不断降低。在材料工业中，一直占统治性的主导地位。20世纪60年代，合成高分子材料的发展，部分取代了钢铁材料。但不同国家情况差别较大，到20世纪末，美国钢铁生产进入饱和期后，他们从经济和环境保护出发，减少本国钢产量，进口部分钢铁，并大力发展新材料。日本和欧共体也开始进人饱和期。在21世纪，我国钢产量跃居世界第一，现在钢铁(成品的钢和铁)年产量超过6亿吨，约占全球产量的40％，这为我国经济和社会的高速发展提供了雄厚的物质基础。
在未来我国钢铁材料的生产中，化学仍起重要作用，要考虑原料的可持续供应;要努力降低能耗、降低二氧化碳和污染物的排放;要开发生产自主品牌新的超细晶、高均匀性高性能的优质特种钢材。
铝材
铝是地表蕴藏量最多的金属元素。由于铝是活泼金属，极易和氧气反应结合，治金化学家采用电解熔融氧化物生产。三氧化二铝(晶体名称为刚玉)熔点很高，2050℃，需熔化在冰晶石(Na3AIF。)中，在950°-960℃进行电解得到金属铝。铝是一种银白色金属，熔点660℃，沸点2519℃，密度2.702g/m2，仅为铁的1/3，其比强度可与合金钢相比。铝的导电性、电热性及耐蚀性均较优良。铝在大气中虽极易与氧气作用，但生成一层牢固而致密的三氧化二铝薄膜，即可防止铝继续氧化，使铝材稳定光亮，而不会出现像钢材生锈的现象。铝没有低温脆性，而有可塑性和较好的延展性;在0℃以下，随着温度降低，其强度和塑性却均有提高，而不降低;铝无磁性，冲击铝材不会产生火花。由于金属铝具有上述特性，以及铝-镁系、铝-锰系合金的成分和组织比较简单，塑性好，焊接性好，特别是耐腐蚀性好;铝镁锌系、铝镁铜系、铝镁一硅系等系列合金的强度较高。化学家在研究以铝为基础的各种合金体系的组成、结构和性能，制作出成本低廉、性能优异的金属材料方面，已作出重大贡献。现在航空电子、汽车、火车、建筑等各行各业已广泛地采用由铝合金通过冷热加工而得的薄板、管材、线材、箔材和棒材铝中加入少量锂(及其他元素)所制成的铝锂合金，具有质轻而比强度和比刚度高的特点，是航空、航天的理想结构材料。例如，一架大型民航客机的蒙皮改用铝锂合金，飞机重量可减轻50kg，为提高航速、节约燃油作出很大贡献。
钛合金
钛具有其他金属难以比拟的特性，它熔点高达1668℃密度较小，为4.5g/cm3，介于铝和铁之间;线膨胀系数小，为8.5×10-6/℃，是铝的1/3，铁的2/3;金属钛受热时热应力小;导热性差，仅为铁的1/5，铝的1/13。钛的强度高，加入适量的合金元素，可得强度极高的合金，在一253℃-600℃之间，比强度居常用金属材料之首。钛的表面容易形成一层致密的氧化物保护膜，因而具有优异的抗腐蚀性能。对海水的抗腐蚀性特别强，钛在常温下不和无机酸、有机酸和碱起反应，但能溶于热盐酸、热硝酸及各种浓度的氢氟酸。钛合金的耐蚀性比金属钛更优异。
上述高强度、低密度的钛合金材料，在航空工业和军事工业中备受关注重用。一架波音-777型飞机用钛合金材料达57吨，一架美国F15战斗机用钛合金24.5吨。钛合金是重要的战略物资材料。
钛材料的耐蚀性，在医疗、化工、石油等行业得到广泛应用，如生产尿素的反应塔、氯碱和氯酸盐电解的电极、纯碱工业、海水淡化中的诸多设备都要用钛合金。甚至个人生活中
所戴的高品位的眼镜框架也用钛合金制造。
钛合金具有优秀的生物兼容性，耐腐蚀、无磁性等优良性质，使它成为重要的生物医用材料，用以制造植入人体的人造骨和关节。
钛-镍合金具有形状“记忆”功能，通称形状记忆合金。用这种合金加工成一定的形状后，加热到一定温度再冷却、用外力将它变成另一种形状，随后再加热到一定温度，它又自动恢复到原先加工成的形状。这种形状记忆合金有重要的应用。例如，我国嫦娥一号登月卫星的太阳能电池板采用形状记忆合金制作成伸展形的两翼，卫星发射前将它加热冷却，折叠成层状，紧贴在卫星表面的外侧，待卫星发射升空后加热，它就会自动伸展成平整的两翼。又如用形状记忆合金作合金管的接头，先将该管加工成内径稍小于待接管外径的套管，在接管前将此套管在室温下加以机械扩管，使其内径稍大于待接管的外径，将它和待接管套接在一起，将接头加热，接管外径恢复到原来较小的内径，将两管牢固而紧密地连接在一起。
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