金属材料化学P38

第五章金属材料化学/sundae_meng

由金属或由以金属元素为主形成的具有一般金属特性的材料称为金属材料。金属单质合金

由一种金属与其它金属或非金属融合在一起形成的具有金属特性的物质。如:钢、铝合金

金属材料/sundae_meng5.1金属概论

金属的存在金属的分类金属的性质/sundae_meng

1金属的存在

在自然界中，除金、银、铂等少数金属以单质形式存在外，大多数金属以各种矿物形式存在。

金属的提炼预处理精炼冶炼/sundae_meng2.金属的分类（1）按化学活泼性分类活泼金属(s区、IIIB族)中等活泼金属(d区、ds区、p区)不活泼金属(d区)/sundae_meng（2）工程技术分类

轻金属铁、锰、铬及其合金

黑色金属有色金属密度小于5g·cm-3的金属重金属密度大于5g·cm-3的金属贵金属地壳中含量少，开采提取困难,

价格贵的金属包括金、银和铂族元素。稀有金属在自然界分布较少，发现较迟，提取难，工业应用较晚。放射性金属原子核能自发放射出射线的金属。/sundae_meng3.金属的性质(1)物理性质①光泽大多数金属呈银白色光泽。②密度除锂、钠、钾比水轻外，其余金属的密度都大于1g·

cm-3。

最轻的金属是锂，最重的金属是锇。/sundae_meng③熔点S区金属原子半径较大，多数熔点较低。

d区金属熔点大都较高。

VB-VIIB族金属(除锰外)是高熔点金属。VB-VIIB族金属熔点较高与它们的价电子较多且原子半径较小有关；IIB金属熔点较低与其无未成对电子有关；P区金属则是它们的晶体结构由原子晶体向分子晶体逐渐转变的趋势。熔点最高的金属是钨，熔点最低的金属是汞。IIB族和P区金属是低熔点金属。/sundae_meng④导电性金属一般是良导体，尤其ds区的银、铜和p区的铝。金属的导电性一般随温度的升高而下降，杂质对金属的导电性能力影响很大，一般说来，金属纯度越高，导电性越好。⑤导热性

导电性好的金属一般导热性能也较好。⑥延展性

延展金属时，虽然发生了变形，但并不破坏金属键，故不发生断裂。/sundae_meng⑦热膨胀性如镓、锑：“热缩冷胀”⑧磁性铁磁材料顺磁材料逆磁材料铁、钴、镍等锰、铬、钼、钨等铜、锡、铅、锌等居里点铁磁材料加热到某一温度时失去磁性，此点称为居里点。绝大多数都是热胀冷缩，但少数金属例外。/sundae_meng

金属单质的化学性质主要表现为还原性。

M→Mn++ne-(2)化学性质①金属与氧(空气)的作用

绝大多数金属都能与氧作用。金属性越强，与氧的反应越激烈。有的氧化物结构疏松不能阻止氧化反应的继续进行，而有的结构非常致密，有效防止金属的进一步氧化而使金属钝化。通式mM+O2→MmOnn2/sundae_meng②金属与水的作用

金属与水作用的难易程度与两个因素有关：

a.金属电极电势

b.反应产物的性质M(s)+nH2O(l)→M(OH)n(s)

+H2(g)

n2

周期系主族中活泼金属都能与水作用，反应的激烈程度符合周期中金属活泼性自上而下、自右而左增强的规律。/sundae_meng③金属与酸、碱的作用

金属与酸的反应用金属活动序或电极电势来判断。a.金属活动序与周期系中元素周期性递变的规律不完全一致。b.由于钝化膜，有些活泼金属难溶于浓硫酸和浓硝酸。

金属能否与强碱反应，主要取决于两个因素：a.在强碱介质中金属能否与水作用。b.生成的氢氧化物是否可溶于碱（既生成的氢氧化物是否具有两性）。/sundae_meng5.2周期系中的金属元素

主族金属元素过渡金属元素稀土金属元素/sundae_meng1主族金属元素(1)s区金属元素外层电子构型ns1~2ⅠA碱金属

LiNaKRbCs

Fr

氧化数+1ⅡA碱土金属

BeMgCaSrBa

Ra

氧化数+2/sundae_mengGeSnSbBi出现过渡型晶体结构

（2）p区金属元素外层电子构型ⅢAAlGaInTlⅣAGeSnPbⅤASbBiⅥA

Pons2np1~4/sundae_meng2.过渡金属元素过渡元素:

过渡元素,分别位于第4、5、6周期中部.由于同周期元素性质相近，又将过渡元素分为三个系列:

周期系中d和ds区元素(不包括镧系和锕系元素)

第一过渡系列ScTiVCrMnFeCoNiCuZn

第二过渡系列YZrNbMoTcRuRhPdAgCd

第三过渡系列LaHfTaWReOsIrPtAuHg/sundae_meng外层电子构型:(n-1)d1~10ns1~2(1)价电子依次填充在次外层d电子层上，最外层只有一个或两个电子。(2)单质都是金属，其金属性比同周期p区元素强，但较s区元素弱。

例外:Pd4d10共同特点:(3)过渡金属的水合离子大都具有特征的颜色。(4)过渡金属离子都有未充满的(n-1)d轨道、

ns和np轨道。另外，离子半径也较小，因而易接受配位体形成配离子。/sundae_meng3.稀土金属元素ⅢB族的钪、钇和镧系元素性质非常相似，而且在矿物中也常常共生，因而把它们统称为“稀土元素”。镧系元素:周期系57号元素的位置上，另有14种元素，即从58号铈到71号镥，与镧一起称为镧系元素(用Ln表示)。稀土元素:/sundae_meng4f1~146s2外层电子构型:(1)价电子依次填充在次次外层4f亚层上，最后增加的电子也有填充到5d轨道上。(2)一般+3氧化数比较稳定。(3)镧系金属+3价离子在水溶液中大多数有颜色。(4)镧系金属是强还原剂，其电极电势相当于金属镁。(5)与水作用产生氢，遇酸强烈反应，但不与碱作用。共同特点:/sundae_meng

应用领域

用途及特性稀土金属可以作为脱氧剂、脱硫剂、吸氢剂和球化剂冶金工业在难熔金属或合金中加入稀土，可以大大改善金属合金的延展性，提高温度抗氧化能力提高。石油化工作为催化剂广泛用于有机合成，也可用于汽车尾气处理，使CO转化率达88%。玻璃陶瓷CeO2精密光学玻璃的抛光剂，含La2O3的光学玻璃有很高的折射率。其它磁性材料、发光材料、储氢、超导、核燃料的稀释等

稀土金属的一些工业应用/sundae_meng

5.3合金

合金的结构和类型合金材料/sundae_meng1.合金的结构和类型

合金从结构上可分为以下三种基本类型：（1）混合物合金两种或多种金属的机械混合物。

熔融:完全或部分互溶凝固:金属各自结晶

混合物合金的导电、导热等性质与组分金属有很大的不同。/sundae_meng

（2）固溶体合金

两种或多种金属不仅熔融时能相互溶解，而且凝固时也能保持互溶状态的固态溶液。纯金属的晶格取代固溶体的晶格

间隙固溶体的晶格溶剂原子溶质原子/sundae_meng（3）金属化合物合金两种金属元素原子的外层电子结构、电负性和原子半径差别较大时所形成的金属化合物。通常分为正常价化合物和电子化合物。正常价化合物：金属原子间通过化学键形成，成分固定，符合氧化数规则。电子化合物：金属原子间通过金属键形成，成分在一定范围内变化，不符合氧化数规则。/sundae_meng2合金材料（1）铁的合金

—钢

铁:地壳中藏量4.2%，仅次与铝。

Fe3O4磁铁矿磁性化合物Fe2O3赤铁矿紫红色

2Fe2O3·3H2O褐铁矿棕黄色

FeS2黄铁矿金黄色/sundae_meng1970年，前苏联空间站“月亮-16”首先从月球上带回铁矿石样品，含极微小的纯铁颗粒。金属表面处理方法：

用人为的粒子流冲击金属表面。从月球矿石提取铁的特殊装置，可日产1吨铁。/sundae_meng

熟铁

铁按含碳量多少可分为：

碳素钢

生铁(<0.25%)韧性好,强度低,焊接性能优良

薄铁皮、铁丝铁管等低碳钢

中碳钢高碳钢<0.1%韧性好,可锻打成型锻铁

铁勺,锅铲

(0.25~0.6%)强度较高,韧性较好

铁轨车轮等

(0.6~1.7%)硬而脆，弹性较好

医疗器具，弹簧工具等

(1.7~4.5%)硬而脆,可浇铸成型铸铁

机床车身,内燃机汽缸/sundae_meng镍钢

含镍36%,几乎不热胀冷缩,可制造精密仪器零件。钨钢

含钨18%,即使赤热仍坚硬制造高速切削车床的车刀。钒钢

(少量)钢的弹性增加1倍，制造各种弹簧。硅钢含硅2.5%，用作变压器的铁心。不仅减少其发热，还节省能源。不锈钢含铬,锰等,抗蚀性能优良。含铬>12%合金钢：/sundae_meng①铝合金

（2）轻质合金铝:地壳中藏量为7.45%,是含量最多的金属。目前年产量仅次于铁。

密度小，导电性好，常用铝代替铜制造电线。

硬铝合金:加入少量铜、锰、镁等金属，再经过热处理使其强度大为提高。俗称“钢精”。

轻盈美观不易生锈

铝合金强度可与钢媲美，但却比其轻近1/4，可广泛用于航空航天业.

/sundae_meng钛:拉丁文“Titanium”特点：a.密度较小b.钛合金强度高c.抗蚀性好d.工作温度范围宽(-200

~500℃)②钛合金/sundae_meng

由于钛合金抗蚀性好，工作温度范围宽，可用作液氮或液氦等的低温容器。

钛合金强度高，几乎是铝合金的5倍。热处理后，它的强度与高强度钢相当，但密度仅为钢的57%。“空间金属”美国新式战斗机含钛量大于90%“深海金属”1977年，前苏联用3500多吨钛制造当时航行速度最快的核潜艇。

/sundae_meng1910年,世界钛生产量0.2克

1947年,世界钛生产量2吨

1955年,世界钛生产量2万吨

1962年,世界钛生产量10万吨

1972年,世界钛生产量20万吨目前，每年用于航天业的钛大于1千吨。未来的钢铁，21世纪的金属