铝合金与钢：通用大量应用的重要合金

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在工农业生产和日常生活中，我们使用的金属材料都是纯金属的吗？

在工农业生产和日常生活中，我们很少使用纯金属，主要使用的是合金。青铜是人类历史上使用最早的合金，至今已有四千多年的历史。铝合金、钢是最常见的、用量较大的合金。

合金是由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的一类物质。但一般来说，合金的性质并不是各成分金属性质的总和。合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在许多方面优于纯金属。例如，与它的成分金属比较，一般来说，合金的硬度大，熔点低，导电、导热性能差。合金的化学性质也与成分金属不同。例如，Fe-Cr-Ni合金（不锈钢）就不易生锈。

合金的性质不但决定于合金的结构和组成原料的性质，而且还与原料的配比以及生成条件有关，因此，根据人类生活、工农业生产、国防和科学技术发展的需要，可以制得不同性能和用途的合金。

1.铝合金、铜合金

金属铝的强度较低、耐磨性差，加入其他元素，如铜、镁、锌、锂、硅等，就形成了各种性能优良的铝合金。

铝合金具有密度小、强度高、塑性好、易于成型、制造工艺简单、成本低廉等特点，并且因表面易形成致密的氧化物保护膜而具有一定的抗腐蚀能力，可用于制造能承受大载荷及强烈磨损的构件。

图4-30　铝合金在客机上的应用

图4-31　青铜制后母戊鼎

铝合金主要用于建筑业、容器和包装业、交通运输以及电子行业。例如，用铝合金材料制成的汽车车轮的骨架，质轻、强度大且热变形性小；用铝合金做散热材料制成的硬盘抽取盒，既坚固耐用，散热效果又好。另外，铝合金还广泛用于制造飞机构件。

常见的铜合金有黄铜（Cu-Zn合金）和青铜（Cu-Sn合金）等。早在三千多年前的商代，我国就已经制造和使用青铜器了，至今铜和铜合金仍然被广泛应用。

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常见的合金的组成、性质和用途

表4-6列出了几种常见合金的组成、性质和用途。

表4-6　常见合金的组成、性质和用途

2.钢铁材料

铁在人类的生产和生活中有着十分重要的作用。铁的应用，经历了“铁—普通钢—不锈钢等特种钢”的演变过程。由铁矿石炼得的生铁虽然硬度很大，但较脆，不易进行机械加工，人们便设法减少生铁里的碳元素并增加硅、锰等元素，把铁转化为钢，改善了铁的性能，使钢铁称为工业社会的支柱。但是，由于其中残留着其他杂质，钢铁很容易生锈，尽管采取了大量的防护措施，每年仍然有大量的钢铁被锈蚀掉，于是不锈钢应运而生。

不锈钢是在普通钢的基础上，加入铬、镍等多种元素炼成的钢材，它在空气中能保持金属光泽，也就是具有不锈钢的特性。不锈钢有多种类型，其共同的特征是含铬量一般在12%以上。铬元素的加入，使钢材表面形成致密且坚固的氧化膜，防止内部的铁与外界物质接触。镍元素的加入，使不锈钢在多种酸、碱、盐的水溶液中也具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性。不锈钢具有的优良性能，使它在化工生产、医疗器械制造、建筑装饰业及人类生活中得到广泛的应用。例如，不锈钢在高温下仍具有很强的韧性，用它制成的手术器械可以进行高温消毒。

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铬（Cr）是质硬、性脆、有光泽的银白色金属，常温下对一般腐蚀剂的抗腐蚀性强。(www.xing528.com)

镍（Ni）是一种银白色金属，质硬且坚韧，具有优良的耐腐蚀性。

金属材料的开发一直是材料科学的研究热点，一些新的金属材料相继被开发出来并应用于工农业生产和高科技领域。例如，铀（U）用作核电厂反应堆的核燃料，镅（Am）在烟雾探测器中用作烟雾监测材料。特别是被荣誉为“21世纪的金属”——钛（Ti）的应用前景更为广阔。

图4-32　在手术中应用的不锈钢医疗器械

图4-33　金属镅在烟雾探测器中用作烟雾监测材料

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21世纪的金属——钛

图4-34　钛制人造关节

钛是一种活泼金属，但因其表面容易形成致密的氧化物保护膜使它不易与其他物质反应，而具有一定的抗腐蚀能力。除此之外，它还具有熔点高、硬度大、可塑性强、密度小等优点。

金属钛具有优良的性能且储藏量大，可广泛用于制造飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、化工设备、纺织机械、医疗器械等。例如，在电影胶片的制作中，需要使用多种强酸、强碱等试剂，如果使用钛材料，设备可以长时间地连续运转。再如，钛可以制成“人造骨骼”。在骨头损坏的地方，用钛片与钛螺丝钉修补，过几个月，骨头就会生长在钛片的小孔里与螺丝钉上，新的肌肉纤维会包在钛的薄片上。钛骨骼宛如真正的骨骼与血肉相连，起到支撑与加固作用。所以，钛被认为是一种“亲生物金属”，使得金属钛的应用广泛。

目前，金属钛的冶炼技术还不是很成熟，生产成本还比较高，使得金属钛的应用受到限制。我们相信，随着研究的深入，钛将成为继铝、铁之后的“第三金属”而被广泛应用。

3.复合材料

金属材料、无机非金属材料以及各种有机合成材料各有其优势和缺陷。为了克服单一材料存在的问题，满足人类生产和生活对材料越来越高的要求，人们尝试将不同类型的材料通过复合工艺组合成新型材料，使其既能保持或发展原来材料的长处，又能弥补它们的不足。迅猛发展的科学技术使这一努力变成现实，由此产生了复合材料。

复合材料是将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的，它由两部分组成，一部分称为基体，在复合材料中起黏结作用；另一部分称为增强体，在复合材料中起骨架作用。

运动员在撑竿跳项目中使用的撑杆，既不是金属材料、无机非金属材料，也不是有机合成材料，而是复合材料。

图4-35　运动员在撑竿跳

复合材料既保持了原有材料的特点，又使各组分之间协同作用，形成了优于原材料的特性。例如，金属材料易被腐蚀，有机合成材料易老化、不耐高温，陶瓷材料易破碎，这些缺点都可以通过复合的方法予以改善和克服。

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