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合金,是由兩種或兩種以上的金屬與非金屬經一定方法所合成的具有金屬特性的物質。一般通過熔合成均勻液體和凝固而得。根據組成元素的數目,可分為二元合金、三元合金和多元合金。中國是世界上最早研究和生產合金的國家之一,在商朝(距今3000多年前)青銅(銅錫合金)工藝就已非常發達;公元前6世紀左右(春秋晚期)已鍛打(還進行過熱處理)出鋒利的劍(鋼製品)。

1概述

我們常將兩種或兩種以上的金屬元素或以金屬為基添加其他非金屬元素通過合金化工藝(熔煉、機械合金化、燒結、氣相沉積等等)而形成的具有金屬特性的金屬材料叫做合金。但合金可能只含有一種金屬元素,如鋼。(鋼,是對含碳量質量百分比介於0.02%至2.00%之間的鐵合金的統稱)
這裡我們需要注意,合金不是一般概念上的混合物,甚至可以是純凈物,如單一相的金屬互化物合金,所添加合金元素可以形成固溶體、化合物,併產生吸熱或放熱反應,從而改變金屬基體的性質。
合金的生成常會改善元素單質的性質,例如,鋼的強度大於其主要組成元素鐵。合金的物理性質,例如密度、反應性、楊氏模量、導電性和導熱性可能與合金的組成元素尚有類似之處,但是合金的抗拉強度和抗剪強度卻通常與組成元素的性質有很大不同。這是由於合金與單質中的原子排列有很大差異。
少量的某種元素可能會對合金的性質造成很大的影響。例如,鐵磁性合金中的雜質會使合金的性質發生變化。
不同於純凈金屬的是,多數合金沒有固定的熔點,溫度處在熔化溫度範圍間時,混合物為固液並存狀態。因此可以說,合金的熔點比組分金屬低。參見低共熔混合物。
常見的合金中,黃銅是由銅和鋅的合金;青銅是錫和銅的合金,用於雕象、裝飾品和教堂鍾。一些國家的貨幣都會使用合金(如鎳合金)。

2分類

根據合金中含量較大的主要金屬的名稱而分類稱作某某合金,如銅含量高的為銅合金,其性能主要保持銅的性能。
合金的通性
各類型合金都有以下通性
(1)多數合金熔點低於其組分中任一種組成金屬的熔點;
(2)硬度一般比其組分中任一金屬的硬度大;(特例:鈉鉀合金是液態的,用於原子反應堆里的導熱劑)
(3)合金的導電性和導熱性低於任一組分金屬。利用合金的這一特性,可以製造高電阻和高熱阻材料。還可製造有特殊性能的材料。
(4)有的抗腐蝕能力強(如不鏽鋼)如在鐵中摻入15%鉻和9%鎳得到一種耐腐蝕的不鏽鋼,適用於化學工業
簡介
鋼鐵是鐵與C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所組成的合金。其中除Fe外,C的含量對鋼鐵的機械性能起著主要作用,故統稱為鐵碳合金。它是工程技術中最重要、用量最大的金屬材料。
關於生鐵
含碳量2%~4.3%的鐵碳合金稱生鐵。生鐵硬而脆,但耐壓耐磨。根據生鐵中碳存在的形態不同又可分為白口鐵、灰口鐵和球墨鑄鐵。白口鐵中碳以Fe3C形態分佈,斷口呈銀白色,質硬而脆,不能進行機械加工,是鍊鋼的原料,故又稱鍊鋼生鐵。碳以片狀石墨形態分佈的稱灰口鐵,斷口呈銀灰色,易切削,易鑄,耐磨。若碳以球狀石墨分佈則稱球墨鑄鐵,其機械性能、加工性能接近於鋼。在鑄鐵中加入特種合金元素可得特種鑄鐵,如加入Cr,耐磨性可大幅度提高,在特種條件下有十分重要的應用。

3硅鐵

硅鐵是以焦炭、鋼屑、石英(或硅石)為原料,用電爐冶鍊製成的。硅和氧很容易化合成二氧化硅。所以硅鐵常用於鍊鋼作脫氧劑,同時由於SIO2生成時放出大量的熱,在脫氧同時,對提高鋼水溫度也是有利的。硅鐵作為合金元素加入劑。廣泛用於低合金結構鋼、合結鋼、彈簧鋼、軸承鋼、耐熱鋼及電工硅鋼之中,以外硅鐵在鐵合金生產及化學工業中,常用作還原劑。含硅量達95%--99%。純硅常用製造單晶硅或配製有色金屬合金。

4錳鐵

錳鐵是以錳礦石為原料。在高爐或電爐中熔煉而成的。錳鐵也是鋼中常用的脫氧劑,錳還有脫硫和減少硫的有害影響的作用。因而在各種鋼和鑄鐵中,幾乎都含有一定數量的錳。錳鐵還作為重要的合金劑。廣泛地用於結構鋼。工具鋼、不銹耐熱鋼。耐磨鋼等合金鋼中。

5鋁合金

特點與性質
鋁合金的突出特點是密度小、強度高。鋁中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蝕性,良好的塑性和較高的強度,稱為防鏽鋁合金,用於製造油箱、容器、管道、鉚釘等。硬鋁合金的強度較防鏽鋁合金高,但防蝕性能有所下降,這類合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近開發的高強度硬鋁,強度進一步提高,而密度比普通硬鋁減小15%,且能擠壓成型,可用作摩托車骨架和輪圈等構件。Al-Li合金可製作飛機零件和承受載重的高級運動器材。
簡介
純銅呈紫紅色,故又稱紫銅,有極好的導熱、導電性,其導電性僅次於銀而居金屬的第二位。銅具有優良的化學穩定性和耐蝕性能,是優良的電工用金屬材料。
簡介
以鋅為基加入其他元素組成的合金。常加的合金元素有鋁、銅、鎂、鎘、鉛、鈦等。鋅合金熔點低,流動性好,易熔焊,釺焊和塑性加工,在大氣中耐腐蝕,殘廢料便於回收和重熔;但蠕變強度低,易發生自然時效引起尺寸變化。熔融法製備,壓鑄或壓力加工成材。按製造工藝可分為鑄造鋅合金和變形鋅合金。
分類
鉛錫合金按用途分為:
①鉛基或錫基軸承合金。與鉛基軸承合金統稱為巴氏合金。含銻3%~15%,銅3%~10%,有的合金品種還含有10%的鉛。銻、銅用以提高合金的強度和硬度。其摩擦係數小,有良好的韌性、導熱性和耐蝕性,主要用以製造滑動軸承。
②鉛錫焊料。以錫鉛合金為主,有的錫焊料還含少量的銻。含鉛38.1%的錫合金俗稱焊錫,熔點約183℃
鋁錫合金

  鋁錫合金

,用於電器儀錶工業中元件的焊接,以及汽車散熱器、熱交換器、食品和飲料容器的密封等。
③鉛錫合金塗層。利用錫合金的抗蝕性能,將其塗敷於各種電氣元件表面,既具有保護性,又具有裝飾性。常用的有錫鉛系、錫鎳系塗層等。
④鉛錫合金(包括鉛錫合金,無鉛錫合金)可以用來生產製作各種精美合金飾品、合金工藝品,如戒指、項鏈、手鐲、耳環、胸針、紐扣、領帶夾、帽飾、工藝擺飾、合金相框、宗教徽志、微型塑像、紀念品等。
耐蝕合金
耐蝕合金

  耐蝕合金

金屬材料在腐蝕性介質中所具有的抵抗介質侵蝕的能力,稱金屬的耐蝕性。純金屬中耐蝕性高的通常具備下述三個條件之一:
①熱力學穩定性高的金屬。通常可用其標準電極電勢來判斷,其數值較正者穩定性較高;較負者則穩定性較低。耐蝕性好的貴金屬,如Pt、Au、Ag、Cu等就屬於這一類。
②易於鈍化的金屬。不少金屬可在氧化性介質中形成具有保護作用的緻密氧化膜,這種現象稱為鈍化。金屬中最容易鈍化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等。
③表面能生成難溶的和保護性能良好的腐蝕產物膜的金屬。這種情況只有在金屬處於特定的腐蝕介質中才出現,例如,Pb和Al在H2SO4溶液中,Fe在H3PO4溶液中,Mo在鹽酸中以及Zn在大氣中等。
因此,工業上根據上述原理,採用合金化方法獲得一系列耐蝕合金,一般有相應的三種方法:
①提高金屬或合金的熱力學穩定性,即向原不耐蝕的金屬或合金中加入熱力學穩定性高的合金元素,使形成固溶體以及提高合金的電極電勢,增強其耐蝕性。例如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即屬此類。不過這種大量加入貴金屬的辦法,在工業結構材料中的應用是有限的。
②加入易鈍化合金元素,如Cr、Ni、Mo等,可提高基體金屬的耐蝕性。在鋼中加入適量的Cr,即可製得鉻系不鏽鋼。實驗證明,在不鏽鋼中,含Cr量一般應大於13%時才能起抗蝕作用,Cr含量越高,其耐蝕性越好。這類不鏽鋼在氧化介質中有很好的抗蝕性,但在非氧化性介質如稀硫酸和鹽酸中,耐蝕性較差。這是因為非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,同時對氧化膜還有溶解作用。
③加入能促使合金表面生成緻密的腐蝕產物保護膜的合金元素,是製取耐蝕合金的又一途徑。例如,鋼能耐大氣腐蝕是由於其表面形成結構緻密的化合物羥基氧化鐵[FeOx·(OH)23-2x],它能起保護作用。鋼中加入Cu與P或P與Cr均可促進這種保護膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr製成耐大氣腐蝕的低合金鋼。
金屬腐蝕是工業上危害最大的自發過程,因此耐蝕合金的開發與應用,有重大的社會意義和經濟價值。
鈦合金
鈦合金

  鈦合金

鈦是周期表中第IVB類元素,外觀似鋼,熔點達1 672 ℃,屬難熔金屬。鈦在地殼中含量較豐富,遠高於Cu、Zn、Sn、Pb等常見金屬。中國鈦的資源極為豐富,僅四川攀枝花地區發現的特大型釩鈦磁鐵礦中,伴生鈦金屬儲量約達4.2億噸,接近國外探明鈦儲量的總和。
純鈦機械性能強,可塑性好,易於加工,如有雜質,特別是O、N、C 提高鈦的強度和硬度,但會降低其塑性,增加脆性。
鈦是容易鈍化的金屬,且在含氧環境中,其鈍化膜在受到破壞后還能自行癒合。因此 干腐蝕介質都是穩定的。鈦和鈦合金有優異的耐蝕性,只能被氫氟酸濃度的 侵蝕。特別是 穩定,將鈦或鈦合金放 取出后,仍光亮如初,遠優於不鏽鋼。
鈦的另一重要特性是密度小。其強度是不鏽鋼的3.5倍,鋁合金的1.3倍,是目前所有工業金屬材料中最高的。
液態的鈦幾乎能溶解所有的金屬,形成固溶體或金屬化合物等各種合金。合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入,可改善鈦的性能,以適應不同部門的需要。例如,Ti-Al-Sn合金有很高的熱穩定性,可在相當高的溫度下長時間工作;以Ti-Al-V合金為代表的超塑性合金,可以50%~150%地伸長加工成型,其最大伸長可達到2 000%。而一般合金的塑性加工的伸長率最大不超過30%。
由於上述優異性能,鈦享有「未來的金屬」的美稱。鈦合金已廣泛用於國民經濟各部門,它是火箭、導彈和太空梭不可缺少的材料。船舶、化工、電子器件和通訊設備以及若干輕工業部門中要大量應用鈦合金,只是鈦的價格較昂貴,限制了它的廣泛使用。
鉀鈉合金
鉀鈉合金

  鉀鈉合金

[英] Sodium Potaddium Al
[別]鈉鉀合金
[縮]JNHJ
【化學結構】
4K-Na
【化學特性】
銀色的軟質固體或液體. 遇酸、二氧化碳、潮氣及水發生劇烈反應, 放出氫氣, 立即自燃, 有時甚至會爆炸. 密度: 0.847克/毫升(100℃) (K78%,Na22%); 0.886克/毫升(100℃)(K56%,Na44%) 熔點: -11℃(K78%,Na22%); 19℃(K56%, Na44%);
【極限參數】
沸點: 784℃(K78%,Na22%); 825℃(K56%, Na44%);
【應用】液態金屬核反應堆用的冷卻劑是鈉鉀合金,常溫下液態。
鈉鉀合金的熔點
鈉 鉀 熔點
20% 80% -10 ℃
22% 78% -11 ℃
24% 76% -3.5 ℃
40% 60% 5 ℃

6新型合金

隨著科技的發展,新型合金的種類日益增多,這裡介紹主要的幾種。
儲氫合金
由於石油和煤炭的儲量有限,而且在使用過程中會帶來環境污染等問題,尤其是20世紀70年代全球石油危機,使氫能作為新的清潔燃料成為研究熱點。在氫能利用過程中,氫的儲運是重要環節。1969年荷蘭飛利浦公司研製出LaNi5儲氫合金,具有大量的可逆地吸收、釋放氫氣的性質,其合金氫化物LaNi5H6中氫的密度與液態氫相當,約為氫氣密度的1 000倍。
儲氫合金是由兩種特定金屬構成的合金,其中一種可以大量吸氫,形成穩定的氫化物,而另一種金屬雖然與氫的親和力小,但氫很容易在其中移動。Mg、Ca、Ti、Zr、Y和La等屬於第一種金屬,Fe、Co、Ni、Cr、Cu和Zn等屬於第二種金屬。前者控制儲氫量,後者控制釋放氫的可逆性。通過兩者合理配製,調節合金的吸放氫性能,製得在室溫下能夠可逆吸放氫的較理想的儲氫材料。
形狀記憶合金
它們具有高彈性、金屬橡膠性能、高強度等特點,在較低溫度下受力發生塑性變形后,經過加熱,又恢復到受熱前的形狀。如Ni-Ti、Ag-Cd、Cu-Cd、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Zn等合金,可用於調節裝置的彈性元件(如離合器、節流閥、控溫元素等)、熱引擎材料、醫療材料(牙齒矯正材料)等。
形狀記憶效應來源於一種熱彈性馬氏體相變。一般的馬氏體相變作為鋼的淬火強化的方法,就是把鋼加熱到某個臨界溫度以上保溫一段時間,然後迅速冷卻,例如直接插入冷水中(稱為淬火),這時鋼轉變為一種馬氏體的結構,並使鋼硬化。後來,在某些合金中發現了不同於上述的另一種所謂熱彈性馬氏體相變,熱彈性馬氏體一旦產生便可以隨著溫度降低繼續長大。相反,當溫度回升時,長大的馬氏體又可以縮小,直至恢復到原來的狀態,即馬氏體隨著溫度的變化可以可逆地長大或縮小。熱彈性馬氏體相變時隨之伴有形狀的變化。
新型金屬功能材料除上述幾類以外,還有能降低噪音的減振合金;具有替代、增強和修復人體器官和組織的生物醫學材料;具有在材料或結構中植入感測器、信號處理器、通信與控制器及執行器,使材料或結構具有自診斷、自適應,甚至損傷自癒合等智能功能與生命特徵的智能材料等。

7合金加工

【1】中碳鋼:代表鋼種有30、35、40、45,也有ML30、ML35、ML40、ML45,有較穩定的室溫性能,用於中小結構件、緊固件、傳動軸、齒輪等。
  【2】錳鋼:代表鋼種40Mn2、50Mn2。有過熱敏感性、高溫回火脆性,水淬易開裂,淬透性較碳鋼高。
  【3】硅錳鋼:代表鋼種35SiMn、42SiMn。疲勞強度高,有脫碳和過熱敏感性及回火脆性。用於製造中速、中高等負荷但衝擊不大的齒輪、軸、轉軸、連桿、蝸桿等,也可製造400℃以下緊固件。
  【4】硼鋼:代表鋼種40B、45B、50BA、ML35B。淬透性高,綜合機械性能高於碳鋼,與40Cr相當用於製造截面尺寸不大的零件、緊固件等。
  【5】錳硼鋼:代表鋼種40MnB。淬透性稍高於40Cr,高的強度、韌性及低溫衝擊韌性,有回火脆性。40MnB常用來代替40Cr製造大截面零件,代替40CrNi製造小件;45MnB代替40Cr、45Cr;45Mn2B代替45Cr和部份代替40CrNi、45CrNi作重要的軸,也有ML35 MnB用於緊固件生產。
  【6】錳釩硼鋼: 代表鋼種20 MnVB 、40MnVB、。調質性能和淬透性優於40Cr,過熱傾向小,有回火脆性。常用來代替40Cr、45Cr、38CrSi、42CrMo及40CrNi製造重要的調質件,也有用中小規格10.9級以下螺栓的、ML20 MnVB。
  【7】錳鎢硼鋼:代表鋼種40MnWB。良好的低溫衝擊性能,無回火脆性。與35CrMo、40CrNi相當,用於製造70mm以下的零件。
  【8】硅錳鉬鎢鋼: 代表鋼種35SiMn2MoW。有較高的淬透性,以50%馬氏體計算,水淬直徑180,油淬直徑100;淬裂傾向、回火脆性傾向小;具有高強度和高韌性。可代替35CrNiMoA、40CrNiMo,用於製造大截面、重負荷的軸、連桿及螺栓。
  【9】硅錳鉬鎢釩鋼:代表鋼種37SiMn2MoWVA。水淬直徑100,油淬直徑70;良好的回火穩定性、低溫衝擊韌性,較高的高溫強度,回火脆性也較小,用於製造大截面的軸類零件。
  【10】鉻鋼: 以40Cr合金鋼管及ML40Cr為代表。淬透性較好,水淬28-60mm,油淬15-40mm。較高的綜合機械性能,良好的低溫衝擊韌性,低的缺口敏感性,有回火脆性。用於製造軸、連桿、齒輪及螺栓。
  【11】鉻硅鋼: 代表鋼種38CrSi。淬透性優於40Cr,強度和低溫衝擊較高,回火穩定性較好,回火脆性傾向較大。常用於製造30-40mm的軸、螺栓以及模數不大的齒輪。
  【12】鉻鉬鋼:代表鋼種30CrMoA、42CrMo、ML30CrMo、ML42CrMo。水淬30-55mm,油淬15-40mm;高的室溫機械性能和較高的高溫強度,良好的低溫衝擊;無回火脆性。用於製造截面較大的零件,高負荷的螺栓、齒輪及500℃以下的法蘭盤、螺栓;400℃以下的導管、緊固件。42CrMo淬透性較30CrMoA高,用於製造強度更高、截面更大的零件。
  【13】鉻錳鉬鋼:代表鋼種40CrMnMo。油淬直徑80mm,具有較高的綜合機械性能,回火穩定性好。用於製造截面較大的重負荷齒輪及軸類零件。
  【14】錳鉬釩鋼:代表鋼種30Mn2MoWA。具有良好的淬透性:水淬達到150mm,心部組織為上、下貝氏體加少量馬氏體;油淬70mm,心部95%以上的馬氏體;良好的低溫衝擊韌性,低的缺口敏感性及較高的疲勞強度。用於製造80mm以下的重要件。
  【15】鉻錳硅鋼:代表鋼種30CrMnSiA。水淬40-60mm(95%的馬氏體),油淬25-40mm。強度、衝擊韌性高,有回火脆性。用於製造高壓鼓風機葉片、閥板、離合器摩擦片、軸及齒輪等。
  【16】鉻鎳鋼: 代表鋼種40CrNi和45CrNi。水淬達到40mm,油淬15-25mm;良好的綜合機械性能,良好的低溫衝擊韌性,回火脆性傾向小。30CrNi3A淬透性較高,綜合機械性能好,有白點敏感性和回火脆性。用於製造截面較大的曲軸、連桿、齒輪、軸及螺栓等。
  【17】鉻鎳鉬鋼:代表鋼種40CrNiMoA。具有優良的綜合機械性能,低溫衝擊韌性高,缺口敏感性低,無回火脆性。用於製造較大的曲軸、軸、連桿、齒輪、螺栓及其它受力較大、形狀複雜的零件。
  【18】鉻鎳鉬釩鋼: 代表鋼種45CrNiMoVA。強度高,回火穩定性好,油淬達到60mm(95%馬氏體)。用於製造振動載荷下的重型汽車彈性軸及扭力軸等。

8鑄造性能

合金的鑄造性能(castability,castingproperty)是指合金在鑄造時表現出來的工藝性能,主要指合金的流動性及合金的收縮等。這些性能對於是否獲得健全的鑄件是非常重要的。
(一)流動性
流動性(fluidity,liquidity)是指液態合金充填鑄型的能力。
合金液的流動性好,容易澆滿型腔,獲得輪廓清晰、尺寸完整的鑄件,相反合金的流動性不好,則易產生澆不足、冷隔、氣孔和夾渣等缺陷。
在常用的合金中,灰口鑄鐵、硅黃銅的流動性最好,鑄鋼流動性最差。
影響流動性的因素很多,其中主要是合金的化學成分、澆注溫度和鑄型的填充條件等。
(二)收縮性(contractibility)
液態合金在冷卻凝固過程中體積和尺寸不斷減小的現象稱為收縮(contraction,shrinkage)。收縮是鑄造合金本身的物理性質,是鑄件中許多缺陷(縮孔、縮松、內應力、變形和裂紋等)產生的基本原因。合金液從澆入型腔冷卻到室溫要經歷三個階段:
1.液態收縮(liquidcontraction):從澆注溫度冷卻到開始結晶的液相線溫度之間的收縮。
2.凝固收縮(solidificationcontraction):從開始結晶溫度冷卻到結晶完畢的固相線溫度的收縮。
3.固態收縮(solidcontraction):從結晶完畢的溫度冷卻到室溫之間的收縮。
合金的液態收縮和凝固收縮表現為合金的體積縮小,通常用體積收縮率來表示,它們是鑄件產生縮孔、縮松缺陷的基本原因。合金的固態收縮雖然也是體積變化,但它只引起鑄件外部尺寸的變化,因此,通常用線收縮率來表示。固態收縮是鑄件產生內應力、變形和裂紋等缺陷的根源。
合金的化學成分、澆注溫度、鑄型條件及鑄件結構是影響合金收縮的主要因素。鑄件的形狀、尺寸和工藝條件不同,實際收縮量也有所不同。
另外,合金液在冷卻成鑄件的過程中出現的各部分化學成分不均勻的現象即偏析性,吸氣性和氧化性均對鑄造性能有著不利影響。
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