金屬材料
化學試劑,九料化工商城 / 2020-11-06
鋼鐵
在地殼中含量最多的10種元素及其所占的質量百分數(shù)(％)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
由上可見，鐵在地売中的含量僅次于氧、硅和鋁居第4位，它主要以+2和+3價的氧化物和硫化物等礦物形態(tài)存在。鐵的氧化物有3種:氧化亞鐵(FeO)、三氧化二鐵(Fe2O3)和四氧化三鐵(Fe2O4)。FeO是黑色晶體，不穩(wěn)定，在空氣中受熱會氧化成Fe3O4。
Fe2O3是紅棕色晶體，俗稱赤鐵礦。Fe3O4是具有磁性的黑色晶體，俗稱磁鐵礦。赤鐵礦和磁鐵礦都稱鐵礦石，是煉鐵的主要原料.
鋼鐵是鐵和碳形成的合金體系的總稱，是用量最大、對國計民生最重要的金屬材料。它的優(yōu)勢地位源于下列因素:
(1)鐵在地殼中含量多，許多地方鐵礦富集，易于開采
(2)鐵礦石可通過熱化學方法治煉成金屬，成本低
(3)金屬鐵富延展性及其他優(yōu)良的物理性質
(4)容易在治煉中添加其他物料，得到適應各種用途需要的合金
(5)可通過澆鑄、壓模、鍛打、冷軋和溶火等多種處理工藝，改變其組成、形狀和物性，滿足使用的要求。
大量的鐵是在煉鐵高爐中用焦炭還原鐵礦石得到的.治煉時為了除去雜質和造渣的需要，需加石灰石和二氧化硅等原料。為了能源的充分利用和降低成本，煉鐵高爐規(guī)模很大，是人工制造的最大的化學反應器，一個大型高爐每天可生產一萬多噸生鐵，而且一旦開爐治煉，就要求日夜不停地生產，不能停頓冷卻。圖5.1.1示出煉鐵高爐的結構及其中不同高度上主要的化學反應。
純鐵是一種銀灰色光澤的金屬。常壓下熔點為1538℃沸點2738℃。在20℃時，密度為7.87g/Cm³。鐵是磁性物質，這源于原子結構中3d軌道上存在的未成對電子。純鐵質軟、強度差，只有把鐵煉成鋼并除去硫和磷等雜質，才有較高的硬度和強度。鋼中的含碳量是影響鋼的性質的關鍵鋼鐵中含碳量＜0.02％的叫純鐵，＞2.0％叫生鐵，在這中間的叫鋼。鋼中含碳＜0.25％為低碳鋼，介于0.25％-0.60％者為中碳鋼，＞0.6％者為高碳鋼。從高爐出來的鐵含碳約3％-4％，是生鐵。
鋼的化學性質和物理性質，例如耐腐蝕性、磁性、強度和韌性等依賴于它的化學組成和熱處理工藝。在碳鋼中加入定數(shù)量的一種或多種其他元素，形成品種多樣的合金鋼，它的品種數(shù)目超過千種。治金化學家根據用戶訂貨時所要求的鋼的性能，以及煉鐵和煉鋼時所用原料的化學成分，精心地進行配料、設計治煉和熱處理工藝，以達到用戶所需的性能。下面舉幾類不同用途的合金鋼工具鋼:適用于制作刀、斧、銼等，鋼的性能要硬度高、耐磨性好。通常是在高碳鋼中加人鉬、鎢等元素。
結構鋼:適用于架設橋梁鐵軌和建造房屋等，要求具有堅和韌的特點，堅是指它能經得起各種應力的考驗，初是指它在承受巨大負荷的情況下也不斷裂，只是發(fā)生一點塑性變形。通常是在中碳鋼中加入錳、硅等元素形成。
超高強度鋼:適用于制造裝甲車、坦克和潛艇等，它能較好地抵抗槍彈和炮彈。生產這類鋼材，除選用合適的化學成分的鋼外，特別要注意熱處理工藝。
不銹鋼:在海水或酸性溶液中不會生銹的鋼，它具有耐熱性和抗氧化性，抗腐蝕能力高，適用于制造化工廠中的反應器、海水凈化裝置及多種家用設備。耐酸不銹鋼中通常含Cr16％-18％，Ni6％-8％及其他元素。
硅鋼:用于制造電力變壓器中的鐵芯，它含硅量高。
鋼鐵材料的生產從19世紀起產量不斷增加，成本不斷降低。在材料工業(yè)中，一直占統(tǒng)治性的主導地位。20世紀60年代，合成高分子材料的發(fā)展，部分取代了鋼鐵材料。但不同國家情況差別較大，到20世紀末，美國鋼鐵生產進入飽和期后，他們從經濟和環(huán)境保護出發(fā)，減少本國鋼產量，進口部分鋼鐵，并大力發(fā)展新材料。日本和歐共體也開始進人飽和期。在21世紀，我國鋼產量躍居世界第一，現(xiàn)在鋼鐵(成品的鋼和鐵)年產量超過6億噸，約占全球產量的40％，這為我國經濟和社會的高速發(fā)展提供了雄厚的物質基礎。
在未來我國鋼鐵材料的生產中，化學仍起重要作用，要考慮原料的可持續(xù)供應;要努力降低能耗、降低二氧化碳和污染物的排放;要開發(fā)生產自主品牌新的超細晶、高均勻性高性能的優(yōu)質特種鋼材。
鋁材
鋁是地表蘊藏量最多的金屬元素。由于鋁是活潑金屬，極易和氧氣反應結合，治金化學家采用電解熔融氧化物生產。三氧化二鋁(晶體名稱為剛玉)熔點很高，2050℃，需熔化在冰晶石(Na3AIF。)中，在950°-960℃進行電解得到金屬鋁。鋁是一種銀白色金屬，熔點660℃，沸點2519℃，密度2.702g/m2，僅為鐵的1/3，其比強度可與合金鋼相比。鋁的導電性、電熱性及耐蝕性均較優(yōu)良。鋁在大氣中雖極易與氧氣作用，但生成一層牢固而致密的三氧化二鋁薄膜，即可防止鋁繼續(xù)氧化，使鋁材穩(wěn)定光亮，而不會出現(xiàn)像鋼材生銹的現(xiàn)象。鋁沒有低溫脆性，而有可塑性和較好的延展性;在0℃以下，隨著溫度降低，其強度和塑性卻均有提高，而不降低;鋁無磁性，沖擊鋁材不會產生火花。由于金屬鋁具有上述特性，以及鋁-鎂系、鋁-錳系合金的成分和組織比較簡單，塑性好，焊接性好，特別是耐腐蝕性好;鋁鎂鋅系、鋁鎂銅系、鋁鎂一硅系等系列合金的強度較高?；瘜W家在研究以鋁為基礎的各種合金體系的組成、結構和性能，制作出成本低廉、性能優(yōu)異的金屬材料方面，已作出重大貢獻?，F(xiàn)在航空電子、汽車、火車、建筑等各行各業(yè)已廣泛地采用由鋁合金通過冷熱加工而得的薄板、管材、線材、箔材和棒材鋁中加入少量鋰(及其他元素)所制成的鋁鋰合金，具有質輕而比強度和比剛度高的特點，是航空、航天的理想結構材料。例如，一架大型民航客機的蒙皮改用鋁鋰合金，飛機重量可減輕50kg，為提高航速、節(jié)約燃油作出很大貢獻。
鈦合金
鈦具有其他金屬難以比擬的特性，它熔點高達1668℃密度較小，為4.5g/cm3，介于鋁和鐵之間;線膨脹系數(shù)小，為8.5×10-6/℃，是鋁的1/3，鐵的2/3;金屬鈦受熱時熱應力小;導熱性差，僅為鐵的1/5，鋁的1/13。鈦的強度高，加入適量的合金元素，可得強度極高的合金，在一253℃-600℃之間，比強度居常用金屬材料之首。鈦的表面容易形成一層致密的氧化物保護膜，因而具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。對海水的抗腐蝕性特別強，鈦在常溫下不和無機酸、有機酸和堿起反應，但能溶于熱鹽酸、熱硝酸及各種濃度的氫氟酸。鈦合金的耐蝕性比金屬鈦更優(yōu)異。
上述高強度、低密度的鈦合金材料，在航空工業(yè)和軍事工業(yè)中備受關注重用。一架波音-777型飛機用鈦合金材料達57噸，一架美國F15戰(zhàn)斗機用鈦合金24.5噸。鈦合金是重要的戰(zhàn)略物資材料。
鈦材料的耐蝕性，在醫(yī)療、化工、石油等行業(yè)得到廣泛應用，如生產尿素的反應塔、氯堿和氯酸鹽電解的電極、純堿工業(yè)、海水淡化中的諸多設備都要用鈦合金。甚至個人生活中
所戴的高品位的眼鏡框架也用鈦合金制造。
鈦合金具有優(yōu)秀的生物兼容性，耐腐蝕、無磁性等優(yōu)良性質，使它成為重要的生物醫(yī)用材料，用以制造植入人體的人造骨和關節(jié)。
鈦-鎳合金具有形狀“記憶”功能，通稱形狀記憶合金。用這種合金加工成一定的形狀后，加熱到一定溫度再冷卻、用外力將它變成另一種形狀，隨后再加熱到一定溫度，它又自動恢復到原先加工成的形狀。這種形狀記憶合金有重要的應用。例如，我國嫦娥一號登月衛(wèi)星的太陽能電池板采用形狀記憶合金制作成伸展形的兩翼，衛(wèi)星發(fā)射前將它加熱冷卻，折疊成層狀，緊貼在衛(wèi)星表面的外側，待衛(wèi)星發(fā)射升空后加熱，它就會自動伸展成平整的兩翼。又如用形狀記憶合金作合金管的接頭，先將該管加工成內徑稍小于待接管外徑的套管，在接管前將此套管在室溫下加以機械擴管，使其內徑稍大于待接管的外徑，將它和待接管套接在一起，將接頭加熱，接管外徑恢復到原來較小的內徑，將兩管牢固而緊密地連接在一起。
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