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合金

补充:0  浏览:16428  发布时间:2012-11-22
  由两种或多种化学组分构成的固溶体或化合物形式的材料或物质。
  合金,是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目,可分为二元合金、三元合金和多元合金。中国是世界上最早研究和生产合金的国家之一,在商朝(距今3000多年前)青铜(铜锡合金)工艺就已非常发达;公元前6世纪左右(春秋晚期)已锻打(还进行过热处理)出锋利的剑(钢制品)。
  概述
  定义
  我们常将两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成具有金属特性的物质叫做合金。但合金可能只含有一种金属元素,如钢。(钢,是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.04%之间的铁合金的统称)
  这里我们需要注意,尽管常见是合金一般是混合物,但是合金可以是纯净物,例如金属互化物
  合金的生成常会改善元素单质的性质,例如,钢的强度大于其主要组成元素铁。合金的物理性质,例如密度、反应性、杨氏模量、导电性和导热性可能与合金的组成元素尚有类似之处,但是合金的抗拉强度和抗剪强度却通常与组成元素的性质有很大不同。这是由于合金与单质中的原子排列有很大差异。
  少量的某种元素可能会对合金的性质造成很大的影响。例如,铁磁性合金中的杂质会使合金的性质发生变化。
  不同于纯净金属的是,多数合金没有固定的熔点,温度处在熔化温度范围间时,混合物为固液并存状态。因此可以说,合金的熔点比组分金属低。参见低共熔混合物。
补充
  常见的合金中,黄铜是由铜和锌的合金;青铜是锡和铜的合金,用于雕象、装饰品和教堂钟。一些国家的货币都会使用合金(如镍合金)。
  合金的分类及通性
  合金的分类
  根据合金中含量较大的主要金属的名称而分类称作某某合金,如铜含量高的为铜合金,其性能主要保持铜的性能。 
  根据结构的不同,合金主要类型是:
  (1)混合物合金(共熔混合物),当液态合金凝固时,构成合金的各组分分别结晶而成的合金,如焊锡、铋镉合金等;
  (2)固熔体合金,当液态合金凝固时形成固溶体的合金,如金银合金等;
  (3)金属互化物合金,各组分相互形成化合物的合金,如铜、锌组成的黄铜(β-黄铜、γ-黄铜和ε-黄铜)等。
  合金的许多性能优于纯金属,故在应用材料中大多使用合金(参看铁合金、不锈钢)。
合金的通性
  各类型合金都有以下通性:
  (1)多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点;
  (2)硬度一般比其组分中任一金属的硬度大;(特例:钠钾合金是液态的,用于原子反应堆里的导热剂)
  (3)合金的导电性和导热性低于任一组分金属。利用合金的这一特性,可以制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能的材料。
  (4)有的抗腐蚀能力强(如不锈钢)如在铁中掺入15%铬和9%镍得到一种耐腐蚀的不锈钢,适用于化学工业
  2.常见合金
  球墨铸铁、锰钢、不锈钢、黄铜、青铜、白铜、焊锡、硬铝、18K黄金、18K白金。
  几种新型合金
  随着科技的发展,新型合金的种类日益增多,这里介绍主要的几种。
(1)轻质合金
  铝锂合金具有高比强度(断裂强度/密度)、高比刚度且相对密度小的特点,如用作现代飞机蒙皮材料,一架大型客机可减轻重量50 kg。以波音747为例,每减轻1 kg,一年可获利2 000美元。钛合金比钢轻、耐腐蚀、无磁性、强度高,是用于航空和舰艇的理想材料。
(2)储氢合金
  由于石油和煤炭的储量有限,而且在使用过程中会带来环境污染等问题,尤其是20世纪70年代全球石油危机,使氢能作为新的清洁燃料成为研究热点。在氢能利用过程中,氢的储运是重要环节。1969年荷兰飞利浦公司研制出LaNi5储氢合金,具有大量的可逆地吸收、释放氢气的性质,其合金氢化物LaNi5H6中氢的密度与液态氢相当,约为氢气密度的1 000倍。
  储氢合金是由两种特定金属构成的合金,其中一种可以大量吸氢,形成稳定的氢化物,而另一种金属虽然与氢的亲和力小,但氢很容易在其中移动。Mg、Ca、Ti、Zr、Y和La等属于第一种金属,Fe、Co、Ni、Cr、Cu和Zn等属于第二种金属。前者控制储氢量,后者控制释放氢的可逆性。通过两者合理配制,调节合金的吸放氢性能,制得在室温下能够可逆吸放氢的较理想的储氢材料。
(3)超耐热合金
  镍钴合金能耐1 200 ℃的高温,可用于喷气飞机和燃气轮机的构件。镍钴铁非磁性耐热合金在1 200 ℃时仍具有高强度、韧性好的特点,可用于航天飞机的部件和原子反应堆的控制棒等。寻找符合耐高温、可长时间运行(10 000 h以上)、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料,仍是今后研究的方向。
(4)形状记忆合金
  它们具有高弹性、金属橡胶性能、高强度等特点,在较低温度下受力发生塑性变形后,经过加热,又恢复到受热前的形状。如Ni-Ti、Ag-Cd、Cu-Cd、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Zn等合金,可用于调节装置的弹性元件(如离合器、节流阀、控温元素等)、热引擎材料、医疗材料(牙齿矫正材料)等。
  形状记忆效应来源于一种热弹性马氏体相变。一般的马氏体相变作为钢的淬火强化的方法,就是把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间,然后迅速冷却,例如直接插入冷水中(称为淬火),这时钢转变为一种马氏体的结构,并使钢硬化。后来,在某些合金中发现了不同于上述的另一种所谓热弹性马氏体相变,热弹性马氏体一旦产生便可以随着温度降低继续长大。相反,当温度回升时,长大的马氏体又可以缩小,直至恢复到原来的状态,即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小。热弹性马氏体相变时随之伴有形状的变化。
  新型金属功能材料除上述几类以外,还有能降低噪音的减振合金;具有替代、增强和修复人体器官和组织的生物医学材料;具有在材料或结构中植入传感器、信号处理器、通信与控制器及执行器,使材料或结构具有自诊断、自适应,甚至损伤自愈合等智能功能与生命特征的智能材料等。

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