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专题一 金属材料 一、传统金属材料 （一）纯金属材料 1．稀土元素的定义 元素周期镧系元素— 镧（La）、 铈（Ce） 、 镨(Pr) 、 钕 (Nd) 、 钷(Pm) 、 钐(Sm) 、 铕(Eu) 、钆(Gd)、 铽(Tb) 、 镝(Dy) 、 钬(Ho)、 铒(Er)、 铥(Tm) 、 镱(Yb) 、 镥(Lu)， 钪Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素（Rare Earth）。 图2-7 稀土金属 2-8 内蒙古白云鄂博铁－ 铌－稀土超大型矿床 2．稀土元素的用途 稀土元素具有独特的物理性质和化学性质，常常 在材料中掺入少量稀土元素来改变材料的性能。 如在压电材料、电热材料、磁阻材 料、发光材料（兰粉）、贮氢材料、 光学玻璃、激光材料里加入少量镧， 可获得质的飞跃； 将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防 止大量汽车废气排到空气中； 铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线 与红外线，现已被大量应用于汽车 玻璃。 在我国不仅稀土资源丰富，而且稀土研究也 居世界领先水平，是材料领域的一朵奇葩。 图2-9 稀土矿物 视频稀土金属及其 用途 19分钟 （二）传统合金材料 1．铁合金 生铁冶炼所得产物常见两种： ①铸铁 ②合金钢 ①铸铁 含碳量大于2.0%的铁碳合金称为铸铁，是以铁、碳、 硅（一般含有2.5%～4%的碳、0.6%～1.4%的锰、1.0%～ 2.5%的硅，还有少量的硫、磷等）为主要成分，是一种重 要的工业铸造合金。铸铁中的碳常以石墨形态存在，根据 碳在铸铁中存在的形态和石磨形状不同，铸铁常有以下三 种类型：白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁。 图2-10 球墨铸铁电信盖板 ②合金钢 含碳量一般小于2%的铁碳合金，称为钢。为了提高 钢的某些性能，以满足使用上的需要，必须在钢中加入 一定量的一种或几种其他元素，这样的钢被称为合金钢。 如在工业生产中，常常会遇到各种腐蚀介质，如各种强 酸、盐溶液及含有腐蚀性气体和水蒸汽等，对生产流程 中应用的容器、管道、反应塔、泵等会发生各种腐蚀作 用，所以，各种类型的耐蚀不锈钢得到广泛地应用。 表2-1 钢中主要合金元素及其作用 合金 元素 主要作用 铬 增强耐磨性和抗氧化性 增强高温强度 提高高碳钢的耐磨性 锰 防止硫引起的脆性 增强钢的强度和韧性 镍 增强低温时的韧性 改变高铬钢的内部结构 硅 提高低合金钢的强度和硬度 增强高温时的抗氧化性 提高钢在弱磁场中磁感强度 钨 提高高温时的强度和硬度 增强工具钢的耐磨性 钴 提高红热时的硬度和耐磨性 用于制造磁性合金 钼 加深硬化层，提高在还原性酸、盐中的抗腐蚀性 缓和回火脆 性 提高高温强度、红热时的硬度和耐磨性 稀土 元素 对钢中氧和硫具有净化作用 细化钢的凝固组织 提高钢的耐蚀性、韧性和耐磨性，改善钢的抗疲劳性能 2．铜合金 （1） 铜合金性能及应用 铜和铜合金具有优越的导电性能，并能在恶劣环境下 工作，是制造热交换器不可缺少的材料。 耐腐蚀性好是铜和铜合金的又一个优点，使它特别 适合在海洋工程和化工设备中应用。 铜和铜合金还有许多特殊的用途。例如，铜合金在低温下能保 持良好的韧性，是低温工程中理想的结构材料；有些铜合金具有 优良的弹性，是制造仪器仪表中弹性元件的重要材料；铍青铜工 具不但坚强，而且冲击时不迸发火花，可以完全地在石化和矿山 等易爆环境中使用。 （2） 铜合金种类 黄铜是铜锌合金。在加入其他合 金元素后，形成多元黄铜。 白铜是以镍为主要合金元素 的铜合金。 图2-11 黄铜合金 青铜是铜和锡、铝、铍、硅、锰、 铬、镉、锆及钛等元素组成的合金 图2-12 白铜合金 的统称。锡青铜是历史上应用最早 的合金。 二、新型合金材料 1、铝 合 金 由于铝具有质轻、导电导热性好、抗腐蚀、耐用、 可塑性强、外观漂亮等优点，大到楼房建筑、车辆、 飞机及宇宙飞船，小到锅、碗、瓢、盆、包装袋、饮 料罐和微型仪表等，在生产和生活中有着广泛地应用。 香港的最高建筑——香港上海银 行（HSBC）大厦. 用铝达3600t 1957年，前苏联发射的 第一颗人造卫星用火箭，海 湾战争中使用的飞毛腿和爱 国者导弹，其主要材料都是 铝合金； 美国阿波罗宇宙飞船所用 金属的75%为铝合金； 最近生产的A201和A206铝 合金，拉力强度极高，用于 制造高级飞机部件。 图2-14铝合金中空涡轮 图2-15 铝合金轮圈 2、钛 合 金 钛及钛合金发展至今，已有50多年历史。由于它具有 很高的比强度和耐腐蚀性，是世界上各国大力发展的轻 金属材料。 美国注重宇航用钛合金 及其他方面的应用，同时 开发新的领域；日本则注 重发展非宇航领域用新型 钛合金。 图2-16 航天工业中大量使用钛合金 钛具有不寻常的综合优点。它比钢轻得多（它 的密度只有钢的1/2强），比铝和钢更加结实（以 同等重量而论），能抗腐蚀，还能耐高温。因为 这些优点，钛现在已被用于飞机、轮船、导弹以 及一切需要具有这些特点的场合。 如蒸汽涡轮叶片、深海压力容器、电磁烹调器 具、高尔夫球棒头（在美国1995年的高尔夫球棒 头市场需求就超过140万kg）、民用汽车、钟表、 眼镜架等。 3、 镁及其合金 镁是自然界第4大丰富的金属元素（仅次于Al、Fe、 Ca）。它只能以化合物形式存在，于1775年被发现。 1808年戴维（H.Davy）以汞为阴极电解氧化镁，然后 将汞蒸馏制得镁。真正实用的炼镁法是德国的本生 （R.Bunsen）于1852年电解熔融无水氯化镁得到金属镁 以后才确定的。第一次世界大战和第二次世界大战期间， 镁的生产和产量与战争中飞机工业和其他军事工业关系如 此密切，以致人们把镁称作“战争的晴雨表”。 镁是最轻的结构金属，常作铝合金中的合金元素，全世界 约300多种铝合金中几乎都含有镁，因此，它们一起被广泛 地用于航天、航空工业。 图2-17 铝镁合金金属质感外壳 图2-18 镁合金制品 另外，镁合金也越来越多地用于汽车、钢铁（球墨铸铁 的球化剂和钢铁冶炼的脱硫剂等）、金属防腐、工具制造 等。特别是在汽车市场，镁合金具有广阔的应用前景。例 如，轿车重量每下降100kg，每升汽油可使汽车多行驶5km， 统计表明，车重减轻10%，耗油量减少5%，因此，减轻汽车 重量具有节约能源和减少废气污染的双重功效，而镁合金 在减轻汽车重量方面具有很大的潜力。 4、新型金属功能材料 金属的功能材料同金属工程材料相比，往往具有优良的 电学、磁学、光学、热学、声学等物理性能，特殊的机械 性能，以及优异的化学、生物学性能。 较早期的硅钢片、铜、铝导线材料，对电力工业的 发展起到关键作用。20世纪50年代，与微电子技术密切 相关的半导体材料迅速发展。20世纪60年代，激光技术 中以光导纤维为代表的光学材料得到广泛研究与开发应 用。20世纪80年代，能源技术又促进了贮能材料的发展。 近来新型功能材料更是不断涌现。 1）减振合金 噪音是社会公害，它的重要起因之一是机械振动。 减振降噪的方法主要有两种： 一是通过改进机械装置的结构设计、提高零件的加工装 配精度，尽量减低装置的震动； 二是设法将已发生的震动，吸收转换成其他形式的能量。 附加减振器或吸（隔）音器就是采取第二种方法减振降 噪的，时常采用高阻尼的减振合金制作零件。 减振合金的发现据说是偶然的，人们发现含锰80%的锰铜 合金铸块掉到地上，只发出微弱的响声，才开始研究减振 合金的。 目前，凿岩机钻杆、链条运输机用的链条导轨、蒸汽 透平及和汽车凸轮轴齿轮等都用到了减振合金。 图2-19 汽车减振器 图2-20 测试汽车减振器 2）．贮氢合金 氢能是人类未来的理想能源之一，要利用氢气，首先要 找到廉价、安全、方便的氢气储运方式，贮氢合金的研究 开发为氢气作为能源的实际应用起到重要的推动作用。 贮氢合金是一类能够大量吸收氢气并与之结合成金属氢 化物的材料，当温度升高到一定程度时，氢化物分解，将 氢气重新释放出来，实现氢气的安全储运。贮氢材料的性 能要求包括，氢气储存量大，吸收与释放速度快，并且氢 气离解温度应较低。