第7章无机材料

第7章无机材料内容摘要：

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 %。 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。 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（ Al2O3nH2O）、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 ℃ ，沸点为 2270℃ ，密度为 cm3，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（ cm3），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 ～。 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。 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，否则杂质可能成为晶核，造成多晶。 用同一种高温合金材料，由于采用新工艺，单晶涡轮叶片使工作温度又提高了 100℃ 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。