工程化学教案第八章

工程化学教案第八章内容摘要：

• • 13 些位置，例如 Cu、 Zn 形成的黄铜合金就属于这种类型。 在间隙固溶体中，溶质原子比溶剂原子小得多，其半径至少小 40%，因此，前者可进入后者的晶格间隙中所示。 例如，Fe 中形成的铁素体，就是间隙固溶体。 间隙固溶体中，溶质数量常被限制在百分之几内。 2. 金属化合物（金属互化物） 如两种组分原子半径和电负性相差较大时，则易形成金属化合物。 碳与许多金属在合金中可形成间隙化合物。 这类化合物一般硬而脆，熔点较高。 铁碳合金中形成的化合物组成为 Fe3C，称渗碳体。 俄罗斯科学家最近合成 Al Ti 的金属化合物，比强度大，耐磨性好，耐蚀性比不锈钢高 100 倍。 用于制造超音速飞机的机翼，不需氧化保护即可抵抗 1300℃高温侵袭；用以制作叶轮和无冷却装置的喷口，可使发动机的拉力提高 25%，重量减轻 40%；用以制作气缸套、涡轮机部件，可使废气排出量减少一半，使用品质较低的燃料，发动机的使用寿命也将大大提高。 现已广泛用于船舶制造、电力传输和化工部门等领域。 3. 机械混合物 两种金属在熔融时互溶，但凝固时分别结晶，整个合金组织不均匀而且成分不同的微晶体的机械混合物。 在钢中，渗碳体和铁 素体相间存在，形成的就是一种机械混合物。 四、常用合金 1. 钢铁 钢铁是铁与 C、 Si、 Mn、 P、 S 以及少量的其他元素所组成的合金。 其中除 Fe 外， C的含量对钢铁的机械性质起着主要作用，故统称为铁碳合金。 它是工程技术中最重要的、用量最大的金属材料。 按含碳量不同，铁碳合金分为钢与铸铁两大类，钢是含碳量小于 %的铁碳合金。 碳钢是最常用的普通钢，冶炼方便、加工容易、价格低廉、而且在多数情况下能满足使用要求，所以应用十分普遍。 按含碳量不同，碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。 随含碳量升高，碳钢的硬度增加，韧性下降。 合金钢又叫特种钢，在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素，使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性等等。 经常加入钢中的合金元素有 Si、 W、 Mn、 Cr、• • 14 Ni、 Mo、 V、 Ti 等。 我国合金钢的资源相当丰富，除 Cr、 Co 不足， Mn 品位较低外， W、Mo、 V、 Ti 和稀土金属储量都很高。 预计到 21 世纪初，合金钢在钢的总产量中的比例将有大幅度增长。 合碳量 2%～ %的铁碳含金称生铁。 生铁硬而脆，但耐压耐磨。 根据生铁中碳存在的形态不同又可分为白口铁、灰口铁和球墨铸铁。 白口铁 中碳以 Fe3C 形态分布，断口呈银白色，质硬而脆，不能进行机械加工，是炼钢的原料，故又称炼钢生铁。 碳以片状石墨形态分布的称灰口铁，断口呈银灰色，易切削，易铸，耐磨。 若碳以球状石墨分布则称球墨铸铁，其机械性能、加工性能接近于钢。 在铸铁中加入特种合金元素可得特种铸铁，如加入 Cr，耐磨性可大幅度提高，在特种条件下有十分重要的应用。 2. 铝合金 铝是分布较广的元素，在地壳中含量仅次于氧和硅，是金属中含量最高的。 纯铝密度较低，为 178。 cm3，有良好的导热、导电性（仅次于 Au、 Ag、 Cu），延展性好、塑性高 ，可进行各种压力加工。 铝的化学性质活泼，在空气中迅速氧化形成一层致密、牢固的氧化膜，而具有良好耐蚀性，但纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。 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合金有很好的耐蚀性，良好的塑性和较高的强度，称为防锈铝合金，用于制造油箱、容器、管道、铆钉等。 硬铝合金的强度较防锈铝合金高，但防蚀性能有所下降，这类合金有 Al Cu Mg 系和 Al Cu Mg Zn 系。 新近开发的高强度硬铝，强度进一步提高，而密度比普通硬铝减小 15%，且能挤压成型，可用作摩托车骨架和轮圈等构件。 AlLi 合金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应用于飞机、舰艇和载重的汽车等制造，可增加载重量及提高运行速度，并具有抗海水侵蚀，避磁性等特点。 3. 铜合金 纯铜呈紫红色，故称紫铜。 有极好的导热、导电性，其导电性仅次于银而居金属中的第二位。 有优良的化学稳定性和耐蚀性能，是优良的电工用金属材料。 工业中广泛使用的铜合金有黄铜、青铜和白铜等。 工程化学教案 第八章 • • 15 Cu 与 Zn 的合金称黄铜，其中 Cu 占 60%~90%、 Zn 占 40%~10%，有优良的导热性和耐腐蚀性，用作各种仪器零件。 加入少量 Sn，具有很好的抗海水腐蚀的能力，被称为海军黄铜。 在黄铜中加入少量的润滑作用的 Pb，可用作滑动轴承材料。 青铜是人类使用历史最久的金属材料，它是 Cu Sn 合金，锡的加入明显地提高了铜的强度，并使其塑性得到改善，抗腐蚀性增强，因此锡青铜多于齿轮等耐磨零件和耐蚀配件。 Sn 较贵，目前已大量用 Al、 Si、 Mn 来代替 Sn，而得到一系列青铜合金。 铝青铜的耐蚀性比锡青铜还好。 铍青铜的强度最高的铜合金，它无磁性又有优异的抗腐蚀性能，是可与钢相竞争的弹簧材料。 白铜是 Cu Ni 合金，有优异的耐蚀 性和高的电阻，故用作苛刻腐蚀条件下工作的零件和电阻器的材料。 五、特种合金 目前工业上应用的合金种类数以千计。 本节只能简要介绍其中几个大类。 1. 耐蚀合金 金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力，称金属的耐蚀性。 纯金属中耐蚀性高的通常具备下述三个条件之一： (1) 热力学稳定性高的金属通常可用其标准电极电势来判断，其数值较正者稳定性较高；较负者则稳定性较低。 耐蚀性好的贵金属，如 Pt、 Au、 Ag、 Cu 等就属于这一类。 (2) 易于钝化的金属不少金属可在氧化性介质中形成具有保护作用的致密氧化膜，这种现象称为钝化，金属中最容易钝化的是 Ti、 Zr、 Ta、 Nb、 Cr、 Al 等。 (3) 表面能生成难溶的和保护性良好的腐蚀产物膜的金属这种情况只有在金属处于特定的腐蚀介质中出现，例如， H2SO4 溶液中的 Pb 和 Al,H3PO4 中的 Fe,盐酸溶液中的 Mo以及大气中的 Zn 等。 因此，工业上根据上述原理，采用合金化方法获得一系列耐蚀合金。 一般也有相应的三种方法。 (1) 提高金属或合金的热力学稳定性，即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素，使形成固溶体以及提高合金的电极电势，增强耐蚀性。 如 Cu 中加入 Au，Ni 中加入 Cu、 Cr 等。 即属此类。 不过这种大量加入贵金属的办法，在工业结构材料的• • 16 应用是有限的。 (2) 加入易钝化合金元素，如 Cr、 Ni、 Mo 等，可提高基体金属的耐蚀性。 钢中加入适量的 Cr，即可制得铬系不锈钢。 实验证明，在不锈钢中，含 Cr 量一般应大于 13%时才能起抗蚀作用， Cr 含量越高，其耐蚀性越好。 这类不锈钢在氧化介质中有很好的抗蚀性，但在非氧化性介质如稀硫酸和盐酸中，耐蚀性较差。 这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜，同时对氧化膜还有溶解作用。 (3) 加入能促使合金表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元 素，是制取耐蚀合金的又一途径。 例如钢能耐大气腐蚀是由于其表面形成结构致密的化合物羟基氧化铁［ FeOx178。 （ OH） 32x］的保护作用。 钢中加入 Cu 与 P 或 P 与 Cr 均可促进这种保护膜的生成，由此可用 Cu、 P 或 P、 Cr 制成耐大气腐蚀的低合金钢。 金属腐蚀是工业上危害最大的自发过程，因此耐蚀合金的开发与应用，有重大的社会意义和经济价值。 2. 耐热合金 这类合金又称高温合金，它对于在高温条件下的工业部门和应用技术，有着重大的意义。 一般说，金属材料的熔点越高，其可使用的温度限度越高。 如用热力学温度表示熔点，则金属熔点 Tm 的 60%，被定义为理论上可使用温度上限 Tc，即 Tc=。 这是因为随着温度的升高，金属材料的机械性能显著下降，氧化腐蚀的趋势相应增大，因此，一般的金属材料都只能在 500~600℃下长期工作，能在高于 700℃的高温下工作的金属通称耐热合金，“耐热”是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性。 提高钢铁抗氧化性的途径有二： (1) 在钢中加入 Cr、 Si、 Al 等合金元素，或者在钢的表面进行 Cr、 Si、 Al 合金化处理。 它们在氧化性气氛中可很快生成一层致密的氧化膜，并牢固地附在钢的表面，从而有效地阻止氧化 的继续进行； (2) 在钢铁表面，用各种方法形成高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等耐高温涂层。 提高钢铁高温强度的方法很多，从结构、性质的化学观点看，大致有两种主要方法： (1) 增加钢中原子间在高温下的结合力。 研究指出，金属中结合力，即金属键强度大小，主要与原子中未成对的电子数有关。 从周期表中看，Ⅵ B 元素金属键在同一周期内最强。 工程化学教案 第八章 • • 17 因此，在钢中加入 Cr、 Mo、 W 等原子的效果最佳。 (2) 加入能形成各种碳化物或金属间化合物的元素，以使钢基体强化。 由若干过渡金属与碳原子生成的碳化物属于间隙化合物，它们在金属键的基 础上，又增加了共价键的成分，因此硬度极大，熔点很高。 例如，加入 W、 Mo、 V、 Nb 可生成 WC、 W2C、 MoC、 Mo2C、VC、 NbC 等碳化物，从而增加了钢铁的高温强度。 利用合金方法，除铁基耐热合金外，还可制得镍基、钼基、铌基和钨基耐热合金，它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性。 其中镍基合金是最优的超耐热金属材料，组织中基体是 Ni Cr Co 的固溶体和 Ni3Al 金属化合物，经处理后，其使用温度可达 1000~1100℃。 3. 钛合金 钛是周期表中第Ⅳ B 元素，外观似钢，熔点达 1672℃，属难熔金属。 钛在地 壳中较丰，远高于 Cu、 Zn、 Sn、 Pb 等常见金属。 我国钛的资源极为丰富，仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量达 亿吨，接近国外探明钛储量的总和。 纯钛机械性能强，可塑性好，易于加工。 如有杂质，特别是 O、 N、 C 等元素存在，会提高钛的强度和硬度，但可降低其塑性，增加脆性。 钛是容易钝化的金属，且在含氧环境中，其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。 因此，对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的，与 Au、 Ag 等到贵金属较近。 钛和钛合金有优异的耐蚀性，仅为氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。 特别是其对海水 稳定，将钛或钛合金放入海水中数年，取出后，仍光亮如初，远优于不锈钢。 钛的另一个重要特性是密度小。 其比强度是不锈钢的 倍，铝合金的 倍，是目前所有工业金属材料中最高的。 液态的钛几乎能溶解所有的金属，形成固溶体或金属化合物等各种合金。 合金元素如 Al、V、 Zr、 Sn、 Si、 Mo 和 Mn 等的加入，可改善钛的性能，以适应不同部门的需要。 例如Ti Al Sn 合金有很高的热稳定性，可在相当高的温度下长时间工作；以 Ti AlV 合金为代表的超塑性合金，可以 50%~150%地伸长加工成型，其最大伸长可达 2020%。 而一般合金的塑性加工的伸长率最大不超过 30%。 由于上述优异性能，钛享有“未来的金属”的美称。 钛合金已广泛用于国民经济各• • 18 部门，它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料；船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金。 只是目前钛的价格较昂贵，限制了它的普遍使用。 4. 磁性合金 材料在外加磁场中，可表现出三种情况：①不被磁场吸引的，叫反磁性材料；②微弱地被磁场所吸引的物质，叫顺磁性材料；③被磁场强烈地吸引的物质，称铁磁性材料，其磁性随外磁场的加强而急剧增高，并在外磁场移走后，仍能保留磁性。 金 属材料中，大多数过渡金属具有顺磁性；只有 Fe、 Co、 Ni 等少数金属是铁磁性的。 物质的磁性与其内部电子结构有关。 反磁性金属的原子中都已成对，正、反自旋的电子数目相等，由电子自旋而产生的磁矩互相抵消，因此原子磁矩为零，故不为外磁场所吸引。 顺磁性金属原子中，正反自旋的电子数目不等，原子的磁矩不为零。 由于无规则的热运动，原子磁矩的方向各异。 放入磁场时，原子磁矩沿磁场方向取向而略有偏转，表现出微弱的磁化，除去外磁场，原子磁矩又混乱分布，磁化消失。 铁材料中的磁畴铁磁性的起源和顺磁性相似，来自原子中未成对的电子。 但在 铁磁性材料内部还存在着称为“磁畴”的许多局部小区域，在这些小区域内，相邻的原子磁矩取向一致，趋于相互平行的排列；而各磁畴间的自发磁化方向是无序的，因此整块材料的宏观磁矩为零，对外不显示磁性。 当处于磁场中时，各磁畴的磁矩会在一定程度上沿磁场方向排列，这样，一个磁畴沿磁场顺排一次就相当于许多原子磁矩的顺排。 因此铁磁性材料与。