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钢铁、铝合金和钛合金


实验室k / 2018-07-21

钢铁
    钢铁是铁碳合金的总称。根据含碳量的不同,铁碳合金分为钢与铸铁两大类,钢是含碳量小于1.8%的铁碳合金。碳钢是最常用的普通钢,冶炼方便、加工容易,在多数情况下可满足使用要求。按照含碳量的不同,碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。随含碳量的升高,碳钢的硬度增加、韧性下降。在碳钢的基础上加入一些合金元素,如Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等,可使钢的组织结构和性能发生变化,从而具有一些特殊性能。如加入一定量的Cr和Ni等可炼成不锈钢,加入Mn可炼成特别硬的锰钢。

钢铁、铝合金和钛合金

    炼钢实际上调整铁中碳的含量,同时除去一些有害的杂质,如硫、磷等。碳在钢中的存在方式是填充在铁晶格的孔隙中,形成间隙合金。碳以四种方式存在于铁晶格中,形成奥氏体、马氏体、滲碳体和铁素体四种物相。奥氏体是碳原子间充在γ-Fe晶格间隙位置上的间隙固溶体(图6-2(a));马氏体是碳原子在α-Fe中形成的过饱和的间隙固溶体(图6-2(b));渗碳体是铁和碳形成的间隙化合物(Fe3C);铁素体是碳在α-Fe中形成的间隙固溶体。

 

铝合金
    铝在地壳中的含量仅次于氧和硅,是金属中含量最高的。纯铝的密度较低,为2.7g/cm3,是钢密度的1/3。纯铝有着良好的导电、导热性(仅次于Au、Ag、Cu),延展性。铝还具有良好的耐腐蚀性。铝与氧的亲和力很大,在大气中常温下即能与氧化合,形成一层致密的Al2O3薄膜,保护内层金属不再氧化。
    纯铝的机械性能不高,不适宜作承受较大载荷的结构件。为了提高铝的机械性能能,在纯铝中加入某些合金元素,如Cu、Mg、Zn、Si、Mn和稀土元素等,制成铝合金。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合金有很好的耐腐蚀性、良好的塑性和较高的强度,称为防锈合金,用于制造油箱、容器、管道和铆钉等。铝中加入Cu、Mg、Zn等形成的Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mg-Zn系合金的强度较防锈铝合金高,称为硬铝合金,但防烛性能下降。新近开发的高强度硬铝,强度进一步提高,而密度比普通硬铝合金减小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荷的高级运动器材。目前,高强铝合金广泛用于飞机、舰艇和载重汽车等制造,可增加载重量,提高运行速度,并具有抗海水腐蚀、避磁性等优点。
   

钛合金

    钛是地壳中储藏量最丰富的元素之一,含量占地壳质量的0.61%,在诸元素的分布序列中居第九位。金属钛为银白色,外观似钢,熔点达1672℃,比铁和镍的熔点都高,属难熔金属,是一种很好的热强合金材料。钛的优良性能是密度小、强度高。钛的韧性强于铁,而密度只有铁的一半多一点,而且不会生锈。钛的密度比铝大不到2倍,强度却比铝高3倍,而且耐热性优于铝。
    液态钛几乎能溶解所有的金属,形成固溶体或金属化合物等多种合金。钛合金在治金、电力、化工、石油、航空航天及军事工业中有着广泛应用。例如Ti-6Al-4V合金具有较高的机械性能和高温变形能力,稳定性高,可在较宽的温度范围内使用,而用于制造波音747飞机主起落架的承力结构件;Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo、Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb合金可在500℃以上长期工作而用于制造汽车排气阀;Ti-5Al-2.5Sn(低氧)和Ti-6Al-4V(低氧)又是重要的低温材料,它们的使用温度分别可达到-253℃和-196℃,可用作宇宙飞船中的液氢容器和低温高压容器。此外,钛及其合金的耐腐蚀性也尤为突出,如Ti-0.2Pd和Ti-0.8Ni-0.3Mo在浓度为20%的盐酸中年腐蚀速率只有0.255mm,是纯钛年腐蚀速率的1/100。由于钛及其合金具有许多优异的性能,因而钛享有“第三金属”和“未来的金属”的美称。


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