新材料科学导论：第二节金属材料化学

1、第二节 金属材料化学,一、金属在周期表中的位置及分类 按其物理性质可分为：轻金属（密度小于5g/cm)和脆性，展性以及低熔点金属。 按金属的性能特点分为：碱土金属、轻金属、稀土金属、易熔金属、难熔金属、铁族金属、锕系金属和贵金属。 按金属的原子结构特点分：s区金属、p区金属、d区金属、ds区金属。 二、各类金属材料的特点和性能 1、 s区金属 s区金属包括A碱金属和A碱土金属共12种，其中钫和镭是放射性元素。 特点：少（价电子数少）、大（原子半径大）、轻（密度小于5g/cm ）、软（硬度较小）、易熔（铍的熔点高达1278除外）、活泼（易失去电子）,元素周期表,s区金属,s区金属都有活泼性较高的

2、自由电子，因而都具有较高的导电性，碱金属以Na最高，碱土金属中Mg的导电性最好。碱金属受到光照射时，电子会从金属表面逸出，而产生电流，这种现象称为光电效应。利用这种效应，铷和铯常用于制造各种光电管中的光电阴极材料，广泛应用于过程的自动控制和调节等现代技术领域。钡等金属在受热时也能逸出电子，这种现象称为热电子发射。如在电子管阴极材料上涂覆钡盐，则能在不太高的温度下，发射出强电子流，给仪器提供信号。 基于s区金属都为轻金属，常用作制造金，其合金的特点为单位质量材料强度高，能承受较大的冲击裁荷，具优良的机械加工性能。,s区金属应用,锂（密度仅为0.5g/cm3 ）是常温下最轻的固体单质，铍锂合金称为

3、超轻合金，是金属结构材料中最轻的一种。 铍铝合金（含铍、铝），具有质量轻、耐高温、强度大，加式性能好等优点，应用于导弹、火箭、超音速飞机的结构部件，电子计算机、核燃料包壳。 镁合金是镁和铝、锌、锰等的合金。用于制造仪器、仪表零件，飞机起落架等。,、p区金属,p区金属包括（铝Al、锗Ge、铟In、铊Tl）（锡Sn、铅Pb）（锑Sb、铋Bi）等. (1) p区金属唯有铝较活泼，但它是易“钝化”的金属，有很大的延展性和韧性、导热导电性好。密度（2.702g/cm3）只有铁或铜的三分之一。铝中加入少量的铜、锰、镁、锌等合金元素后形成的合金，强度达到并超过钢材的强度，而质量却仅为钢材的四分之一左右。因此

4、铝合金可代替钢铁和铜，用作航空、航天飞行器的主要结构材料。此外，铝还具有良好的导电性（导电率为铜的），常用来代替铜制造导电材料，特别是高压电缆。,p区金属,（）锡Sn、铅Pb、锑Sb、铋Bi的共同特点是熔点较低、密度较大，硬度较小、金属性较弱，属于低熔点金属。制造各种低熔合金，是铅、锡、锑、铋四种金属共同的重要应用。汞（熔点-38.8 )在室温时呈液态，且在 时体积膨胀系数均匀，常用作温度计、气压计中的液柱。铋（熔点. )的某些合金的熔点在以下，如由铋、铅、锡、镉组成的“伍德合金”，其熔点为 ，应用于自动灭火设备、锅炉安全装置以及信号仪表等。由铅和锡组成的合金熔点为 ，用于制造焊锡。铅的锑、铋

5、合金是电路保险丝的重要材料。锡、铅和锑的合金，有冷胀性，用作印刷铸字合金。,附：铝及其性质,铝在周期表中是第13号元素，相对原子量是26.98.其固体密度为2.7g cm-3.熔点660，而单质外观如左图。,1S22S22P63S23P1,13,其原子核外的电子排 布如右图所示。 所以，铝的核 外电子构型表示为:,铝及其性质,纯铝的“空间群” 结构如右图。其晶体结构为紧密型立方体，单质的晶体结构如右图所示。由于铝具有较小的,密度，所以，它的质 地较轻，其合金被广 泛用于装潢材料、家 居生活的容器及超音 速飞机的制造中。,铝的发现与崛起,自100多年前科学家发现“铝”后, 其产量便立刻突飞猛进，

6、很快超过了有几千年历史的铜,成为断钢铁之后的“年轻金属”。 铝在地壳中的丰度是7.4%，仅次于氧和硅，是贮量最多的元素之一。但由于自然界尚有游离态的铝，都以化合态(长石、云母、高岭土、铝土矿等)形式存在,而从铝化合物中炼出金属铝非常困难，所以它的开发与利用较迟。,铝的发现与崛起,1827年，德国化学家维勒以铝土矿和熔融的钾反应，得到少量的铝，1854年法国化学家德维尔又以铝土矿和熔融的钠反应，也得到少量的铝。由于钾和钠均极难制得,所以,当时其价格比黄金还要昂贵。,法国皇帝拿破仑三世,曾用铝制做了一顶头盔,以显示自己的富有。所以,铝曾被列为“稀有金属”。,铝制头盔,铝的工业化生产,1886年美国

7、的豪尔和法国的海朗分别以电解铝土矿和冰晶石的混合物而制得金属铝，由此便奠定了今天大规模生产铝的基础。也使铝的价格一落千丈。,铝电解槽示意图,电解铝生产车间,铝及其合金的应用,除纯铝之外，铝合金是现代生活和现代化技术中不可缺少的材料。大到宇宙飞船、航天飞机，小到居家生活用品，都有铝合金的“身影”。它已以经完全渗透到了我们生活的方方面面。所以，铝被称为咄咄逼人的“年轻人”。,铝及其合金的应用,铝对人类最大的贡献，就在于航天航空事业。虽然其单质的密度小，强度不大，但与一些金属形成合金后，就具有了轻而结实的优越性能。所以航空、航天工业上发挥了极大的作用。 用铝合金代替飞机上的钢铁部件，可大大减轻飞机的

8、自重，同时也就提高了飞机的载重能力。目前，一架超音速飞机，铝合金的用量已占用材的70%。,铝及其合金的应用,在各种航天器上也大量使用铝合金，目的自然是减轻其自重，以能携带更多的科学实验仪器。我国第一颗人造地球卫星东方红I号”的外壳，就是全,东方红I号人造卫星,阿波罗II号宇宙飞船,部用铝合金制成的,美国 “阿波罗号” 宇宙飞船使用的金属材料中,75%以上是铝合金。,铝及其合金的应用,若将铝粉、石墨及氧化钛等物质按一定比例混合,涂在火箭、导弹的金属外壳表面,再经高温处理后，可使火箭与导弹“穿”了一层特殊的“外衣”,经能保护火箭与导弹在飞行过程中不会因与空气摩擦而烧毁。,俄罗斯KH29空地导弹,美

9、国AGM86B巡航导弹,中国长征运载火箭,美国中程空对空导弹,铝及其合金的应用,由于铝燃烧时会发出耀眼的白光，故节日的焰火就有铝的身影;装潢家居的“银粉”实际上就是铝粉;用铝粉制作反光镜;利用铝的延展性，可制成铝箔;铝有良好的热与电的传导性，所以可制造热交换器、散热板、家用炊具及电线等。既轻又便宜，还可省去紧缺价高的铜材。,铝及其合金的应用,当铝与一些金属氧化物(如铁、铬及钒的氧化物)一起引燃后，可制得熔融状态的铁、铬、钒，既可用以修补铁轨，又可冶炼这些难熔金属。同时，铝又是“抗酸能力”。由于常温下，浓硫酸或浓硝酸会在铝表面形成一层致密的氧化层保护膜，因而，用铝制成的桶、罐，是盛放两种浓酸的最

10、佳容器。,铝元素的危害,铝的发现与应用为人类生活做出了很大贡献。但近年来的研究表明，过量的铝元素进入人体后，给人造成诸如痴呆、骨痛、贫血、甲,镰刀细胞地中海贫血,脑底模型与脑痴呆,状腺功能降低、胃液分 泌减少等疾病。而对脑 组织及智力的损害更为 严重。,铝元素的危害,1970年，美国杜诺德博士用AAS法分析了健康人与衰老者的脑组织中铝的含量，结果是后者是前者的4倍。,脑海马结构图,人脑右视图,1980年美国波尔 博士用X-Ray 分析老年 痴呆者脑内海马神经纤 维中有铝的沉积。,预防措施,减少食用水中的含铝量 明矾是含铝化合物,它常用于作净化自来水的沉淀剂;而铝制水管或贮水容器也会使水中铝。,

11、减少烹调过程铝的摄入 用铝炊具烧饭，估计日铝的摄入量为56毫克。应尽量改用不锈钢和玻璃炊具。,明矾,铝炊具,预防措施,减少从药物中摄入铝 口服氢氧化凝胶的病人,每天摄铝量高达1000 mg, 吸收率达25%,相当于每天向血液中加入250mg铝；治疗胃病的药物中多也含氢氧化铝或铝酸盐。 所以,服用这些药物时,势必导致铝的体内污染。,防止从食物中摄入铝 在制作面粉加工中的发酵粉(磷铝酸钠,一茶匙含铝70mg) (可改用酵母菌)、油条、粉条、粉丝、凉粉及腌菜时要加明矾，因而铝的含量很高。长期食用这些食物,都会引起体内铝的积淀。,、过渡金属,元素周期表中d区、ds区元素，通称为过渡元素或过渡金属。 d

12、区金属元素的密度均大于 5g/cm3 ，属重金属。大多是高熔点金属且硬度较大，这些元素形成的金属键很强。因此它们是合金材料的重要组成部分。 （）耐蚀金属及合金：能很好地抵抗大气及其它侵蚀性介质腐蚀的金属材料，称耐蚀金属。主要有三种情况： 、因热力学稳定而耐蚀。Cu、Ag、Pd、Rh、Pt和At等贵金属具有较好的热力学稳定性。但它们价格较贵，仅用于特殊场合中。 、因钝化而耐蚀。其中最易钝化的金属是Ti、Zr、Nb、Ta、Cr和Al等。 、在金属表面形成难溶和保护性能良好的腐蚀产物膜而耐蚀。,附：钛及其性质,钛在周期表中是第22号元素，相对原子量是47.867.其固体密度为4.5g cm-3.熔点

13、1668，而单质外观如左图。,22,1s22s22p63s23p64s24p2,其原子核外的电子排布如右图所示。 所以，钛的核外电子构型表示为：,钛的贮量与赋存形态,钛有如此生命力的另一外原因是因为它在地球上分布很广，地壳中的丰度为0.6%，仅次于铝、钙、钠、钾和镁，比铜、锡、锰、锌等金属多。所以，钛不是稀有金属。 钛的主要赋存形式是钛铁矿、钒钛矿及金红石(TiO2)。我国四川省攀枝花地区已发现了储量约为15亿吨的钒钛铁矿。,钛的发现与工业化,英国化学家格里戈尔于1791年首次发现了钛的存在。但直到1910年，美国化学家亨特才用化学方法制得纯度99.9%、总量不足1克的钛。前后历经约120年。

14、 1947年钛的提炼工业化，当时产量只有2吨。但不到10年，其产量增至2万吨,到1972年,年产量达20万吨。,钛及其性质,钛原子的“空间群” 结构(局部)如右图，而其单质的晶体结构如下图所示。,由于其结构上的特殊 性，所以钛具有神奇 的耐超低温和耐超高 温的性质。,钛的应用性能,钛与铝比, 硬度是其2倍，制成合金则比铝高出24倍。而与钢相比钛的密度仅相当于钢(7.8g/cm3)的57%，但强度与硬度与之接近。 所以，钛同时兼有钢(高强度)和铝(质地轻)的优点。在原来使用钢材和铝材的地方，它可以而代之；而在钢和铝不能胜任的地方，钛则能“轻松应对”。,钛合金的性能与应用,钛的某些合金硬度特别大,

15、可用来制造切削刀具；用钛制造的外科手术器械锋利、轻巧而不变形；利用一些钛合金的“吸氢”本领，可以贮存氢气，对新能源的开发意义重大； 有的钛合金有“可塑性”，可以容易加工成任意形状；有的钛合金具有神奇的“记忆”能力,总之，钛能“上九天揽月，下五洋捉 鳖”,21世纪必将创造更加灿烂的奇迹。,钛制高尔夫球杆,钛合金制自行车,钛合金制螺丝、螺帽,钛氧化物的特性,钛的氧化物为TiO2，雪白色粉末，它是最好的白色颜料，俗称“钛白粉”。1克钛白粉可以将,450多平方厘米的面积 涂的雪白。因此, TiO2 是世界上最白的颜料。,上九天揽月,钛是制造宇宙飞船的关键材料。由于太空的温度低达零下100200，这个环

16、境中的飞船所需要的液氢和液氧燃料，必须贮藏在用耐超低温的容器中。但大多数金属罐均会破裂，而钛制成的容器非但不破,且强度还会增加.,所以，液氢和液氧是贮藏在用钛制成罐中。,美国航天飞机,上九天揽月,当美国航天飞机从太空返回地球时，必须穿过大气层。但由于高速摩擦会使航天飞机表面温度高达1000。一般金属及其合金都难以抵抗，也只有钛合金作为其“蒙皮”，才能担此重任。,上九天揽月,钛材同时也是现代飞机的主要材料。以前飞机的外壳都用铝合金，但当飞机的速度超过音速的2.2倍时, 飞机外壳与空气的剧烈摩擦而产生很高的温度。一般铝合金在300以上强度便大大下降。而钛合金在650以上仍泰然无事。,上九天揽月,因

17、而制造超音速飞机的外壳材料就非钛莫属了。 美国制造的著名“黑鸟”战机，其飞行速度已达3200千米/小时, 是音速的2.5倍以上，其表面材料即为钛合金。,“黑鸟”军用飞机,上九天揽月,利用钛重量轻的特点，可用它来替代钢制部件，不仅使飞机的强度增大，且可使其自重大大降低。同时也就增加了飞机的载重量,节约了燃料。目前时速在3320千米、高度近10万米、有效载重达100吨的“巨无霸”飞机,钛的用量都在其机身的93%以上。,US隐形战斗机,法国阵风战斗机,普通钢铁制成的船体易被海水侵蚀，且海水深度每增加10米，压力就增大1个大气压。潜艇或军舰须用超强耐腐蚀材料来制造。而钛及其合金长期浸泡在海水中不被,下

18、五洋捉鳖,海狼号核动力攻击潜艇,英国大刀级导弹护卫舰,腐蚀，且由于其没有磁性， 故用钛合金制造的舰船，可 免受磁性水雷的攻击。所以 美国的深海潜艇就是用钛合 金制成的，它能够在4500米 深海中航行。,钛在生活中的应用,钛金计算机,钛金插座板,钛金支架托,钛金水笼头,钛金手机,钛金直角锅,钛在医学上的应用,钛是一种纯性金属，也就是说,因为钛的耐腐蚀性、稳定性高，使它在和人长期接触以后也不影响其本质，所以不会造成人的过敏，被人们称为“亲生物金属”。由于钛的密度与人骨相近，所,以,钛在医学上有着独特的用途。医学上“钛 骨”就如真的骨头一样，甚至可以用钛制人,钛种植体-骨界面的高分辨透射电镜图,造骨

19、头来代替人骨治疗骨折。,钛在医学上的应用,股骨远端髁 支持接骨板,纯钛腕关节 融合接骨板,4.5mm髋部 钩状接骨板,锁定加压 接 骨 板,空心钛螺钉,钛合金髋 动力螺钉,钛骨植入物 X 光透视图,（）耐热合金,能在高温（ ）下工作的金属，通称为耐热金属，“耐热”是指金属在高温下能保持足够的强度和良好的抗氧化性。它们广泛地应用于制造航空涡轮发动机，各种燃气轮机热端部件，应用领域涉及航艇、火车、汽车、火箭发动机、核反应堆等高技术领域。 耐热金属主要集中于周期表的中部，、元素，其中钨的熔点最高（ ），通常将熔点高于铬（熔点 ）的金属，叫做高熔点金属或难熔金属。 工业上常用的高熔点金属，主要有Mo、

20、W、Nb、Ta等金属及其合金，但它们的价格高，数量少。常采用合金化的方法提高金属的耐热性。即在钢铁中添加某些元素，制成耐热抗氧化的合金钢，合金元素有W、Mo、Cr、V、Nb、Al、Si等 耐热合金目前有铁基、钴基、镍基、钼基、铌基、钽基和钨基合金等。,(3)磁性合金,大多数过渡金属具有顺磁性，而铁、钴、镍等少数金属是铁磁性的，因此在铁、钴、镍的基础上发展出许多铁磁性的合金材料。磁性合金在电机、电子、计算机技术和信息控制等领域中有十分重要的应用。 铁磁性合金材料可分为软磁性材料和硬磁性材料两大类。 软磁性材料磁导率高，易于磁化和消磁，适用于制造变夺压器的铁芯、电机和机电器等、常见的有硅钢片、铁镍

21、合金和铁钴合金等。,(3)磁性合金,硬磁性材料在磁场中化后，除去外磁场时仍能对外产生较强的磁场，成为永久磁性体，故名为永磁材料。这类材料中主要有碳钢、铬、钨、钴合金钢、铝铁镍合金和稀土永磁材料等。 稀土永磁材料因为有未成对的f电子，显示出很好的顺磁性和铁磁性，是极有希望的永磁材料。年代开发成功的钕铁硼是第三代永磁材料，其中主要成分是铁（约占），成本显著降低，性能更好。我国目前生产的钕铁硼合金的磁性性能，在国际上处于领先的地位。,（）稀土金属,稀土金属包括种元素，即元素周期表中中的钪、钇和镧系的种元素。 稀土金属质地较软，可以切开，熔点较高，但导电性并不良好，比碱金属和碱土金属都差。 室温时，稀土金属可吸收大量的氢，形成固溶体或化合物，高温时可逆放氢，因此，是相当理想的吸氢贮氢材料。 在冶金工业中，稀土是很好的脱氧、脱硫剂。钢铁中少量的稀土，能大大地改善其热加工性，韧性和高温性能，提高其抗氧化、耐腐蚀性等，其综合作用是任何其它金属所不及的。,稀土金属,在电子工业中，稀土及其化合物是制造激光、荧光、电磁、电极材料的重要物质。Eu和Y的氧化物用作发光材料，是彩色电视机中红色荧光体，光亮度强、性能稳定。 化学工业中，稀土及其化合物是性能极好的催化剂；陶瓷制品中应用稀土配成钕紫，铒红、铈黄和镨铽锆绿等，产品色泽明亮鲜艳，十分稳定。,三、新型金属材料,、形状记忆合金。形状记忆合金是一种新