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金属的用途 “大地之子”-钛 钛是一种银白色的金属，早在1791年，英国科学家威廉姆格里戈尔在英国密那汉郊区找到这种神奇的元素时，首先发现了这种新元素。过了4年，德国化学家克拉普洛特又从匈牙利布伊尼克的一种红色矿石中，发现了这种元素，便以希腊神话中的英雄来命名。钛的意思是“地球的儿子”。钛的外形很像钢铁，但远比钢铁坚硬，且体重只有铁的一半。在常温下，钛可以安然无恙地“躺”在各种强酸、强碱中；就连最凶猛的酸- 王水，也不能腐蚀它。有人曾把一块钛片扔进大海，经过5年以后取出来，仍然闪闪发亮，没有半点锈斑。俗话说:“真金不怕火炼”。可是钛的熔点比黄金还高出 600多摄氏度。正因为钛的本领非凡，所以有着广泛用途。现在，钛是制造飞机、坦克、军舰、潜艇不可缺少的金属。在宇宙飞船和导弹中，也大量用钛代替钢铁。钛与氮、碳结合生成的氮化钛、碳化钛，也是非常坚硬的化合物，它们的耐热本领甚至还比钛高1倍。这样坚硬而耐热的材料，可以代替超级钢，制造高速切削刀具。钛的许多特殊性能，还在化工、超声波和超导技术中得到应用。然而，钛有个最大的缺点，就是提炼比较困难。这主要是因为钛在高温下可以与氧、碳、氮以及其他许多元素化合。所以人们曾把钛当作“稀有金属”,其实，钛的含量约占地壳重量的6，比铜、锡、锰、锌的总和还要多10多倍。在世界上，我国钛的储藏量最多，四川的攀枝花，钛的储藏量占全国90%以上，是世界上罕见的大钛矿。 铝的外衣 将银白色的铝放在空气中，没有多久，便穿上了一件极薄的、近乎透明的白色外衣氧化膜。 真使人难以相信，铝的这件外衣，同光彩夺目的红、蓝宝石的主要成分竟是一个东西，都是氧化铝(A1203)。它们的区别，只是晶体的结构不同。然而，你可别瞧不起铝的这件貌不惊人的外衣，它对于铝的使用却作出了杰出的贡献哩! 大家都知道，钢铁是具有多种宝贵性能的材料。将钢铁放在空气中，也会穿上一件外衣铁锈(主要成分是氧化铁)。可是钢铁的这件外衣结构很疏松，大气中的氧、水蒸气、二氧化碳分子都能穿过这件外衣的无数孔隙，深入到钢铁内部，继续把钢铁变成铁锈，直至整块钢铁都变成无用的“烂铁”为止。所以，为了保护钢铁不被锈蚀，人们常让钢铁制品另外穿上一件保护衣防锈物质。 铝的外衣与钢铁的外衣不同，它虽然非常薄，但是却“天衣无缝”，非常致密。即使把铝块拉长、压扁、扭转或弯曲，它也不会松掉、脱落，仍能牢牢地裹在铝的表面。氧气、水蒸气、二氧化碳分子对它都无可奈何，钻不过去。 铝的外衣氧化铝不溶于水，熔点高达2050。把铝制品加热到660时，金属铝已熔化成为液体，可是氧化铝仍然覆盖在液态铝表面，防止氧气与铝接触。 铝的外衣称得上是一副不怕水浸、火烧，能够保护自己免受大气腐蚀的盔甲。 但是，铝的外衣也有关中不足之处：一是天然形成的这件防护衣太薄了，厚度只有万分之二到万分之四毫米，一张普通的纸也比它厚五百倍，因此经不起机械的损伤；二是怕酸、怕碱。如果这件外衣能够再厚一些，能更坚硬、耐磨损、耐腐蚀，就更好了。 为了使铝的外衣增厚，人们想到，铝的外衣氧化铝膜，是锅与空气中的氧发生氧化反应生成的。如果用比氧具有更强的氧化性物质来和铝发生氧化反应，那末，生成的氧化铝膜岂不是可以更厚实一些了吗? 于是，人们先用磷酸钠(Na3PO4)、氢氧化钠(NaOH)、硅酸钠(Na2SiO3)等溶液洗去铝制品表面的油污，再让它在热水中洗个澡，然后浸在铬酸钠(Na2CrO4)、碳酸钠(Na2CO3)及氢氧化钠混和液中进行氧化处理。由于铬酸钠是一种强氧化剂，铝的外衣一氧化铝膜果然大大增厚了。 在工业上，人们将铝制品浸在电解质溶液中作阳极，通入直流电使铝氧化，也生成了较厚的氧化铝膜。人工加厚的氧化铝膜比天然形成的厚八十多倍，达00150017毫米。 有趣的是，人工加厚的铝制品外衣，还真象人穿的衣服一样可以染上各种颜色。这样，铝制品就不再是一律穿银白色的外衣了，而是可以穿上金黄、大红、宝蓝、翠绿等五光十色的漂亮衣服。你们看到的逗人喜爱的金黄色笔套、彩色金属钮扣、打火机等等铝制品，它们穿的就是染了色的氧化铝外衣。 灯泡的化学 当我们轻轻一按开关，亮起书桌上的台灯来温习时，我们又对这个助手有多少认识呢？ 想一想 你知道一个普通灯泡怎样发光吗？ 灯泡所以能够发光，是因为电流经过钨的金属丝（又称钨丝）时产生高热所引致的。我 们所以选用钨丝，是因为它是熔点最高的金属（其熔点为3422oC），在摄氏1000多度的环境下仍旧保持不变，而其他金属在这环境下早已熔掉了。 钨和很多金属一样，在高温时很快便会被氧化和烧断，所以灯泡里不能存有氧气。但如果抽出所有空气令灯泡真空，高温的钨又很容易蒸发成为气体，缩减了灯泡的寿命。那怎么办呢？为了延长灯泡的寿命，灯泡里会载满氩这种惰性气体，并且加了点压力，以减低蒸发的机会。此外，灯泡里还加点碘，同样是为了减慢钨蒸发的速度。这是因为钨和碘在约1000oC 的环境下会变成碘化钨，但当碘化钨再接触高热的钨丝时，又再变回钨和碘。这样，便可以使灯泡的寿命延长一点了。 水不能扑救哪些物质造成的火灾 当火灾发生时，很多人会习惯的用水去灭火，但事实上有些时候却不能这么做，下面这些着火的情况便不能用水去灭火，否则变成了“火上浇油”。 （1）碱金属不能用水扑救。因为水与碱金属（如金属钾、钠）作用后能使水分解而生成氢气和放出大量热,容易引起爆炸。 （2）碳化碱金属、氢化碱金属不能用水扑救。如碳化钾、碳化钠、碳化铝和碳化钙以及氢化钾、氢化镁等遇水能发生化学反应，发出大量热，可能引着火和爆炸。 （3）密度小于水的和不溶水的易燃液体，原则上不可以用水扑救。 （4）熔化的铁水、钢水不能用于扑救。因为铁水、钢水温度约在1 600 ，而水蒸气在1 000 以上时便能分解出氢气和氧气，有引起爆炸危险。 （5）高压电器装置火灾，在没有良好接地设备或没有切断电流的情况下，一般不能用水扑救。 钢铁和合金 钢铁和合金统称为金属材料。金属材料一般利用它们的物理性质，如延展性、硬度、抗拉强度、导热性、导电性等。有时也利用它们的化学性质，如抗氧化、抗酸碱性等。除了作导线、仪器仪表的零部件、厨房用具等外，很少用金属单质，常用的是它们的合金，因为合金的性能和使用价值都比单质高。 通常所指的合金是有色合金的泛称，如铜合金、铝合金等。实际上钢也是合金，普通的钢材是铁和碳的合金，所以也叫碳素钢。钢里除铁、碳外，加入其他的元素，就叫合金钢。另加入一种元素的合金钢，即是三元合金钢。如锰钢、硅钢（也叫矽钢，矽是硅过去的中文名称）等。另外加入两种或两种以上元素的叫多元合金钢。合金钢还常按用途命名，如工具钢、高速钢、不锈钢等。 我国的钢铁工业发展较快，特别是一些大型钢铁厂的建成投产，钢的年产量迅速增加（目前宝钢的年产量为600万吨，到1999年可达1000万吨），1993年已达8688万吨，居世界第三位。 下面介绍一些重要的钢种。 在碳素钢中有一般碳素钢和优质碳素钢。前者含碳量在0.4以下的用作铁丝、铆钉、钢筋等建筑材料，含碳量0.40.5的用作车轮、钢轨等，含碳量 0.50.6的用来制造工具、弹簧等。后者含硫、磷等杂质比一般碳素钢低，常用作机械零件，在机械制造业中应用最多。 在合金钢中有锰钢、硅钢等。锰钢一般含锰1.41.8，用于制造汽车、柴油机上的连杆螺栓、半轴、进汽阀和机床的齿轮等。硅钢是含硅量高的钢，具有很高的电阻，在电气工业中有广泛应用。例如，变压器用的钢即是含碳量小于0.02、含硅3.84.5的硅钢。 在按用途命名的钢中，常见的有工具钢、高速钢和不锈钢。 工具钢是用作车刀、刨刀、锉刀、锯条、拉丝工具等的合金钢。常用的有铬铝工具钢（含铬1.21.5、含铝1.01.5）、铬钼钒工具钢（含铬 1112、含钼0.40.6、含钒0.150.3）、铬锰钼工具钢（含铬0.60.9、含锰1.21.6、含钼0.150.3）等。 高速钢也叫锋钢，是含钨的合金钢，用于制造高速运转的切削工具。它一般含钨8.519、含铬3.84.4、含钒14。 不锈钢主要指含铬、镍的合金钢，品种很多，常见的有含铬1720、含镍811。如果再加入钛（1左右），钢的耐酸能力更强。 重要的有色金属合金中，铜合金较多，下面介绍其中的5种。铝青铜含铜9095、铝510，用作装饰品和用具。 青铜含铜6789、锌233、锡09（不含锡的也叫无锡青铜）、铅02，用作制造机械零件。此外还有特种青铜，如磷青铜、铍青铜、硅青铜等，具有耐腐蚀、高导电性能，用于仪表工业。 黄铜含铜6673、锌2734，常用于制造船舶机械零件。 铝黄铜含铜6870、锌2731、铝13，用于制造船的推进机翼、舵等。 德国银含铜4562、锌2030、镍1518，呈银色、硬度高、电阻大，用来制作装饰品和电热器。 铝合金中主要有坚铝和铝镁合金。坚铝含铝95.5、铜3、锰1、镁0.5，坚硬而轻，用于制造汽车和飞机。 铝镁合金含铝9094、镁610，可制作仪器及天平梁。 易熔合金有铸字合金、巴比特合金、伍德合金和焊锡等。铸字合金（也称活字金）含铅70、锑18、锡10、铜2，用于制造铅字。 巴比特合金含锡7090、锑724、铜222，它是包含坚硬晶体的过冷液体，受到压力时会自动调整而减少磨损，用于制造机械的轴承。 伍德合金含铋3850、铅2531、锡12.515、镉12.516，熔点低（6070），用于制作汽锅的安全阀等。 焊锡含铅67、锡33，熔点为275，用于熔接金属。 此外，含镍6075、铁1226、铬1115、锰12的镍铬合金，电阻大、耐腐蚀，常用作电热丝（镍铬丝）。 返回 新型金属材料 新型金属材料种类繁多，它们都属合金。 形状记忆合金形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。形状记忆合金为什么能具有这种不可思议的“记忆力”呢？目前的解释是因这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体结构转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。 最早研究成功的形状记忆合金是NiTi合金，称为镍钛脑（Nitanon）。它的优点是可靠性强、功能好，但价格高。铜基形状记忆合金如 CuZnAl和 CuAlNi，价格只有NiTi合金的10%，但可靠性差。铁基形状记忆合金刚性好，强度高，易加工，价格低，很有开发前途。表73列出一些形状记忆合金及其相变温度。 形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。 在茫茫无际的太空，一架美国载人宇宙飞船，徐徐降落在静悄悄的月球上。安装在飞船上的一小团天线，在阳光的照射下迅速展开，伸张成半球状，开始了自己的工作。是宇航员发出的指令，还是什么自动化仪器使它展开的呢?都不是。因为这种天线的材料，本身具有奇妙的“记忆能力”，在一定温度下，又恢复了原来的形状。 多年来，人们总认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有这种能力的。可是，美国科学家在五十年代初期偶然发现，某些金属及其合金也具有一种所谓“形状记忆”的能力。这种新发现，立即引起许多国家科学家的重视。研制出一些形状记忆合金，广泛应用于航天、机械、电子仪表和医疗器械上。 为什么这些合金不“忘记”自己的“原形”呢?原来，这些合金都有一个转变温度，在转变温度之上，它具有一种组织结构，面在转变温度之下，它又具有另一种组织结构。结构不同性能不同，上面提及美国登月宇宙飞船上的自展天线，就是用镍钛型合金作成的，它具有形状记忆的能力。这种合金在转变温度之上时，坚硬结实，强度很大;而低于转变温度时，它却十分柔软，易于冷加工。科学家先把这种合金做成所需的大半球形展开天线，然后冷却到一定温度下，使它变软，再施加压力，把它弯曲成一个小球，使之在飞船上只占很小的空间。登上月球后，利用阳光照射的温度，使天线重新展开，恢复到大半球的形状。 形状记忆合金问世以来，引起人们极大的兴趣和关注，近年来发现在高分子材料、铁磁材料和超导材料中也存在形状记忆效应。对这类形状记忆材料的研究和开发，将促进机械、电子、自动控制、仪器仪表和机器人等相关学科的发展。 高温合金涡轮叶片是飞机和航天飞机涡轮喷气发动机的关键部件，它在非常严酷的环境下运转。涡轮喷气发动机工作时，从大气中吸入空气，经压缩后在燃烧室与燃料混合燃烧，然后被压向涡轮。涡轮叶片和涡轮盘以每分钟上万转的速度高速旋转，燃气被喷向尾部并由喷筒喷出，从而产生强大的推力。在组成涡轮的零件中，叶片的工作温度最高，受力最复杂，也最容易损坏。因此极需新型高温合金材料来制造叶片。 贮氢合金氢是21世纪要开发的新能源之一。氢能源的优点是发热值高、没有污染和资源丰富。贮氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。金属都是密堆积的结构，结构中存在许多四面体和八面体空隙，可以容纳半径较小的氢原子。如镁系贮氢合金如MgH2，Mg2Ni等；稀土系贮氢合金如LaNi5，为了降低成本，用混合稀土 Mm代替La，推出了MmNiM