合金

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合金,是由两种或两种以上的金属与金属或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。 人类生产合金是从制作青铜器开始,世界上最早生产合金的是古巴比伦人,6000年前古巴比伦人已开始提炼青铜(红铜与锡的合金)。中国也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...

合金简介

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合金,是由两种或两种以上的金属与金属或 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。

人类生产合金是从制作青铜器开始,世界上最早生产合金的是古巴比伦人,6000年前 古巴比伦人已开始提炼青铜(红铜与锡的合金)。中国也是世界上最早 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。

合金

制作合成

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常将两种或两种以上的金属元素或以金属为基添加其他非金属元素通过合金化工艺( 熔炼、机械合金化、 烧结、 气相沉积等等)而形成的具有 金属特性的金属材料叫做 合金。但合金可能只含有一种金属元素,如。(钢,是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.00%之间的 铁合金的统称)

这里我们需要注意,合金不是一般概念上的混合物,甚至可以是纯净物,如 单一相的 金属互化物合金,所添加合金元素可以形成固溶体、化合物,并产生吸热或放热反应,从而改变金属基体的性质。

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。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)。

物理分类

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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。

合金类型

  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

常见合金

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球墨铸铁、 锰钢、不锈钢、黄铜、青铜、白铜、焊锡、硬铝、 18K黄金、18K白金等等。

钢铁

简介

钢铁是铁与C、 Si、 Mn、P、 S以及少量的其他元素所组成的合金。其中除Fe外,C的含量对钢铁的 机械性能起着主要作用,故统称为 铁碳合金。它是 工程技术中最重要、用量*的金属材料。

分类及性质

按含碳量不同,铁碳合金分为钢与 生铁两大类,钢是含碳量为0.03%~2%的铁碳合金。 碳钢是最常用的普通钢,冶炼方便、加工容易、价格低廉,而且在多数情况下能满足使用要求,所以应用十分普遍。按含碳量不同,碳钢又分为低碳钢、 中碳钢和高碳钢

随含碳量升高,碳钢的硬度增加、 韧性下降。 合金钢又叫 特种钢,在碳钢的基础上加入一种或多种 合金元素,从而具有一些特殊性能,如高硬度、高耐磨性、高韧性、 耐腐蚀性,等等。经常加入钢中的合金元素有Si、W、Mn、Cr、Ni、 Mo、V、Ti等。我国合金钢的资源相当丰富,除Cr、Co不足,Mn品位较低外,W、Mo、V、Ti和 稀土金属储量都很高。

关于生铁

生铁硬而脆,但耐压耐磨。灰口铁和球墨铸铁。白口铁中碳以Fe3C断口呈银白色,质硬而脆,不能进行机械加工,是炼钢的原料,故又称炼钢生铁。

碳以片状石墨形态分布的称灰口铁,断口呈银灰色,易切削,易铸,耐磨。若碳以球状石墨分布则称球墨铸铁,其性能、加工性能接近于钢。在铸铁中加入特种合金元素可得特种铸铁,如加入Cr,耐磨性可大幅度提高,在特种条件下有十分重要的应用。

硅铁

硅铁是以焦炭、钢屑、石英(或硅石)为原料,用电炉冶炼制成的。硅和氧很容易化合成二氧化硅。所以硅铁常用于炼钢作脱氧剂,同时由于SIO2生成时放出大量的热,在脱氧同时,对提高钢水温度也是有利的。硅铁作为合金元素加入剂。

广泛用于低合金结构钢、合结钢、弹簧钢轴承钢、耐热钢及电工硅钢之中,以外硅铁在铁合金生产及化学工业中,常用作还原剂。含硅量达95%--99%。纯硅常用制造单晶硅或配制有色金属合金。

锰铁

锰铁是以锰矿石为原料。在高炉或电炉中熔炼而成的。锰铁也是钢中常用的脱氧剂,锰还有脱和减少硫的有害影响的作用。因而在各种钢和铸铁中,几乎都含有一定数量的锰。锰铁还作为重要的合金剂。广泛地用于结构钢。工具钢、不锈耐热钢。耐磨钢等 合金钢中。

铝合金

简介

铝是分布较广的元素,在地壳中含量仅次于 氧和 硅,是金属中含量最高的。 纯铝密度较低,为2.7 g/cm3,有良好的导热、 导电性(仅次于Au、Ag、Cu), 延展性好、 塑性高,可进行各种机械加工。铝的化学性质活泼,在空气中迅速氧化形成一层致密、牢固的 氧化膜,因而具有良好的耐蚀性。但纯铝的强度低,只有通过 合金化才能得到可作 结构材料使用的各种铝合金

特点与性质

铝合金的突出特点是密度小、强度高。铝中加入Mn、 Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蚀性,良好的塑性和较高的强度,称为 防锈铝合金,用于制造油箱、容器管道铆钉等。 硬铝合金的强度较防锈铝合金高,但防蚀性能有所下降,这类合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近开发的高强度硬铝,强度进一步提高,而密度比普通 硬铝减小15%,且能 挤压成型,可用作摩托车骨架和 轮圈等构件。Al-Li合金可制作飞机零件和承受载重的高级运动器材。

应用

高强度铝合金广泛应用于制造飞机、舰艇和载重汽车等,可增加它们的 载重量以及提高运行速度,并具有抗海水侵蚀,避磁性等特点。

铜合金

简介

纯铜呈紫红色,故又称 紫铜,有极好的导热、 导电性,其导电性仅次于银而居金属的第二位。铜具有优良的 化学稳定性和耐蚀性能,是优良的电工用金属材料。

分类

工业中广泛使用的铜合金有黄铜、青铜和白铜等。

Cu与 Zn的合金称黄铜,其中Cu占60%~90%、Zn占40%~10%,有优良的导热性和耐腐蚀性,可用作各种仪器零件。再如在黄铜中加入少量Sn,称为海军黄铜,具有很好的抗 海水腐蚀的能力。在黄铜中加入少量的有润滑作用的 Pb,可用作 滑动轴承材料。

青铜是人类使用历史最久的金属材料,它是Cu、Sn合金。锡的加入明显地提高了铜的强度,并使其塑性得到改善,抗腐蚀性增强,因此 锡青铜常用于制造 齿轮等耐磨零部件和耐蚀配件。Sn较贵,已大量用Al、Si、Mn来代替Sn而得到一系列青铜合金。 铝青铜的耐蚀性比锡青铜还好。 铍青铜是强度最高的铜合金,它无磁性又有优异的抗腐蚀性能,是可与钢相竞争的弹簧材料。

白铜是Cu-Ni合金,有优异的耐蚀性和高的电阻,故可用作苛刻腐蚀条件下工作的零部件和电阻器的材料。

黄铜含锌及少量的锡、铅、铝等。

锌合金

简介

以锌为基加入其他 元素组成的合金。常加的合金元素有 铝、铜、镁、镉、铅、钛等。锌合金熔点低,流动性好,易熔焊,钎焊和 塑性加工,在大气中耐腐蚀,残废料便于回收和重熔;但 蠕变强度低,易发生自然时效引起尺寸变化。 熔融法制备,压铸或压力加工成材。按制造工艺可分为铸造锌合金和变形锌合金。

应用及其他

锌合金的主要添加元素有铝,铜和镁等,锌合金按加工工艺可分为形变与铸造锌合金两类,铸造锌合金流动性和耐腐蚀性较好,适用于压铸仪表,汽车零件外壳等。

铅锡合金

分类

铅锡合金按用途分为:

  1. 铅基或锡基轴承合金。与铅基轴承合金统称为巴氏合金。含锑3%~15%,铜3%~10%,有的合金品种还含有10%的铅。锑、铜用以提高合金的强度和硬度。其摩擦系数小,有良好的韧性、 导热性和耐蚀性,主要用以制造滑动轴承。
  2. 铅锡焊料。以锡铅合金为主,有的锡焊料还含少量的锑。含铅38.1%的锡合金俗称焊锡,熔点约183℃ ,用于电器仪表工业中元件的焊接,以及汽车散热器、热交换器、食品饮料容器的密封等。
  3. 铅锡合金涂层。利用锡合金的抗蚀性能,将其涂敷于各种电气元件表面,既具有保护性,又具有装饰性。常用的有锡铅系、锡镍系涂层等。
  4. 铅锡合金(包括铅锡合金,无铅锡合金)可以用来生产制作各种精美合金饰品、合金工艺品,如戒指项链、手镯、 耳环胸针、纽扣、领带夹、帽饰、工艺摆饰、合金相框、宗教徽志、微型塑像、纪念品等。

特点

铅锡合金(用作合金饰品、合金工艺品材料)的特点

  1. 铅锡合金性能稳定,熔点低,流动性好,收缩性小。
  2. 铅锡合金晶粒幼细,韧性良好,软硬适宜,表面光滑,无砂洞,无疵点,无裂纹,磨光及电镀效果好。
  3. 铅锡合金离心铸造性能好,韧性强,可以铸造形状复杂、薄壁的精密件,铸件表面光滑。
  4. 铅锡合金产品可进行表面处理:电镀、喷涂、喷
  5. 铅锡合金晶体结构致密,在原料方面确保铸件尺寸公差小,表面精美,后处理瑕疵少。

新型合金

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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。

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。

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1000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*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。

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。

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。

铸造性能

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合金的铸造性能(castability,castingproperty)是指合金在铸造时表现出来的工艺性能,主要指合金的流动性及合金的收缩等。这些性能对于是否获得健全的铸件是非常重要的。

流动性

流动性(fluidity,liquidity)是指液态合金充填铸型的能力。

合金液的流动性好,容易浇满型腔,获得轮廓清晰、尺寸完整的铸件,相反合金的流动性不好,则易产生浇不足、冷隔、气孔和夹渣等缺陷。

在常用的合金中,灰口铸铁、硅黄铜的流动性xxx,铸钢流动性最差。

影响流动性的因素很多,其中主要是合金的化学成分、浇注温度和铸型的填充条件等。

收缩性

液态合金在冷却凝固过程中体积和尺寸不断减小的现象称为收缩(contraction,shrinkage)。收缩是铸造合金本身的物理性质,是铸件中许多缺陷(缩孔、缩松、内应力、变形和裂纹等)产生的基本原因。合金液从浇入型腔冷却到室温要经历三个阶段:

  1. 液态收缩(liquidcontraction):从浇注温度冷却到开始结晶的液相线温度之间的收缩。
  2. 凝固收缩(solidificationcontraction):从开始结晶温度冷却到结晶完毕的固相线温度的收缩。
  3. 固态收缩(solidcontraction):从结晶完毕的温度冷却到室温之间的收缩。

合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金的体积缩小,通常用体积收缩率来表示,它们是铸件产生缩孔、缩松缺陷的基本原因。合金的固态收缩虽然也是体积变化,但它只引起铸件外部尺寸的变化,因此,通常用线收缩率来表示。固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹等缺陷的根源。

合金的化学成分、浇注温度、铸型条件及铸件结构是影响合金收缩的主要因素。铸件的形状、尺寸和工艺条件不同,实际收缩量也有所不同。

另外,合金液在冷却成铸件的过程中出现的各部分化学成分不均匀的现象即偏析性,吸气性和氧化性均对铸造性能有着不利影响。

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词条目录
  1. 合金简介
  2. 制作合成
  3. 物理分类
  4. 合金类型
  5. 合金的通性
  6. 常见合金
  7. 钢铁
  8. 硅铁
  9. 锰铁
  10. 铝合金
  11. 铜合金
  12. 锌合金
  13. 铅锡合金
  14. 新型合金
  15. 轻质合金
  16. 储氢合金
  17. 超耐热合金
  18. 形状记忆合金
  19. 铸造性能
  20. 流动性
  21. 收缩性

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