《特种合金》教学素材-word文档

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《特种合金》教学素材
目前工业上应用的合金种类数以千计，现只简要地介绍
其中几大类。
(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。研究表明，耐蚀性高的金属通常符合下列
一个或几个条件：
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和Al等。
③表面能生成难溶的腐蚀产物保护膜的金属。这种情况只
有在金属处于特定的介质中才出现，例如，Pb和Al在H2S04
溶液中，Fe在H3P04溶液中，Mo在盐酸中以及Zn在大气中
等。
根据上述原理，工业上采用合金化方法获得一系列耐蚀合
金，一般有相应的三种方法：
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，增强其耐蚀性。如在Cu中加Au，
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在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，在大量使用的工业结构材料中的应用是有限的。
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。在钢中加入适量的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。这类不锈钢在氧化性
介质中有很好的抗蚀性，但在稀硫酸和盐酸中，耐蚀性较差，
这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜，还对氧化膜有
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，是制造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羟基氧化铁
[FeOx·(OH)(3-2x)]，它能起保护作用。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
和应用技术领域有着重大的意义。
一般说，金属材料的熔点越高，其可使用的温度限度越高。
一般的金属材料都只能在500～600℃下长期工作，这是因为
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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。能在高于700℃下工作的金属材料通称耐
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：
一是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，ⅥB元素金属键在同一周期内最强。
因此，在钢中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳。
二是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。
提高钢铁抗氧化性的途径有两条：一是在钢中加入Cr、
Si、Al等合金元素，或在钢的表面进行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。
二是用各种方法在钢铁表面形成高熔点的氧化物、碳化物、
氮化物等耐高温涂层。
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除上述铁基耐热合金外，利用合金方法，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ⅣB族元素，外观似钢，熔点达1672℃，
属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富，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，伴生钛金属储量约达4.2亿吨，
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，当钛中含有杂质
时，特别是O、N、C等元素存在时，会提高钛的强度和硬度，
但会降低其塑性，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，钛对空气、水和若干腐蚀介质
都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性，只能被氢氟酸和
中等浓度的强碱溶液所侵蚀。特别是钛对海水很稳定，将钛
或钛合金放人海水中数年，取出后，仍光亮如初，远优于不
锈钢。
钛的另一重要特性是密度小而强度高，其强度是不锈钢的
3.5倍，铝合金的1.3倍，常用于制造性能优异的轻质合金。
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液态的钛能溶解几乎所有的金属，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-Al-V合金为代表的超塑性合金，可以50%～
150%地伸长加工成型，其最大伸长可达到2019%。而一般合
金的塑性加工的伸长率不超过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、电子器件和通信设备以及若
干轻工业部门中也要应用钛合金，如蒸汽涡轮叶片、深海压
力容器、钟表、眼镜架、高尔夫球棒头等。
(4)磁性合金
材料在外加磁场中，可表现出三种情况：①不被磁场所吸
引的，叫反磁性材料;②微弱地被磁场所吸引的，叫顺磁性
材料;③强烈地被磁场吸引的，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，Fe、Co、Ni和某些稀土元素是金属
中组成永磁材料的主要元素。目前使用的永磁合金有稀土─
钴系、铁─铬─钴系和锰─铝─碳系合金。
磁性合金在电力、电子、计算机、自动控制和电光学等新
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兴技术领域中，有着日益广泛的应用。