合金材料及其应用-普通化学

对于一般溶剂如水、乙醇、乙醚等，并不能溶解金属。但在熔融状态下，不同的金属却能相互溶解，形成合金。合金是指将两种或两种以上金属元素元素熔合成液体，通过凝固组成均匀而具有金属特性的物质，其结构比纯金属更为复杂。

1.合金的结构类型

根据合金中组成元素之间的相互作用情况差异，可将合金分为以下3 种不同的结构类型。

1）固溶体合金

固溶体合金是一种均匀的组织，它是组分元素按任意百分比彼此互溶，在特定温度范围凝固形成的固溶体。例如，银和金形成的合金就属于固溶体合金。纯银的熔点是960.2℃，随着银中加入金的含量的增多，银金固溶体合金的熔点随之升高，直至全部为纯金时熔点为1 063℃。所以，银金固溶体合金随组分元素的不同熔点介于960.2~1 063℃之间。固溶体合金的强度、硬度高，耐磨性好，常被用作结构材料。

2）低共熔混合物合金

当液体合金凝固时，各组分按特定百分比同时析出极细微的晶体并相互紧密混合形成低共熔合金，其析出温度（称最低共熔温度）低于任一纯组分的熔点温度。例如，焊锡就是锡和铅的低共熔混合物合金，由Sn 和Pb 在183.3℃下形成（其中Sn 占比63%，Pb 占比37%），即该合金的熔化温度为183.3℃，低于纯锡231.9℃，也低于纯铅327.4℃。

3）金属互化物合金

金属互化物合金是各组分相互形成化合物的合金。例如，镁和铅可组成一种金属互化物合金Mg2Pb（Mg 含量为19%、Pb 含量为81%），该金属互化物合金的熔点为551℃。又如，铜和锌可形成多种金属互化物合金CuZn、CuZn3、Cu5Zn8，由此可得各种不同规格的黄铜。金属互化物合金一般具有硬度和熔点高、性脆的特性，常用做功能材料，难以做结构材料。

显然，合金的性质有别于纯金属，一方面，多数合金的熔点低于形成它的任何一种组分金属的熔点，如前述的焊锡；另一方面，合金的硬度一般比各组分金属的硬度都大，例如，将1%的Be 加入至Cu 中所得到的合金硬度比纯铜大7 倍。此外，合金的导电性和导热性通常低于纯金属。

2.几种重要的合金材料

一般而言，合金的性质将随着组分元素的不同、组分元素相对含量的多少及形成条件的差异等诸多因素的变化而改变。在日常生活和化学工业上常用的合金材料有轻金属合金材料、硬质合金材料、低温合金材料、高温合金材料、超导合金材料及形状记忆合金材料等。

1）轻金属合金材料

轻金属合金主要是由锂、镁、铝、钛等密度较小的金属所形成的合金，常见的轻金属合金有以下3 种。

（1）铝合金。铝的密度较小，约为2.7 g·cm-3，纯铝具有良好的导电、导热性，但其强度和硬度低，耐磨性差。铝合金中加入的金属元素主要有Mg、Mn、Cu、Zn 等，将Mg和Al 按一定比例形成的合金具有良好的耐腐蚀性能和低温性能，易于加工成型；Mn 的加入能改善铝合金的耐蚀性，并提高合金的强度；Al 中加入一定的Mg、Cu 便得到主要用于建筑的硬铝合金，在硬铝合金中再加入5%~7%的Zn，可得到超硬铝合金，它具有强度高、密度小等特点，是良好的航空结构轻质材料。

（2）钛合金。钛的密度也不大，约为4.5 g·cm-3，但强度高于铝和铁。在纯钛中加入金属元素Al、V、Cr、Mn、Sn、Mo 等即可形成钛合金，在一定程度上可以提高钛合金的强度、耐热性和耐蚀性能。例如，Al 的加入可改善合金的抗氧化能力；Mo 的加入可提高合金对还原性强酸的耐蚀性，从而被广泛应用于各种强酸环境中的反应器、高压釜、泵、电解槽等。钛合金还被用于飞机制造、火箭发动机、人造卫星外壳和宇宙飞船等方面的结构材料。但常规钛合金在高温下易燃烧，并快速氧化，使钛零件完全烧尽。因此，提高钛合金的阻燃性是目前研究的主要目标。

（3）锂铝合金。加入1%的锂可使合金的质量减轻3%，刚度提高6%。用锂铝合金制造飞机可使机体质量减少10%~20%，提高飞机性能。但锂铝合金中锂的化学性质活泼，易与氧、水、氮、氢等化合，因此目前还没有广泛应用，但其应用前景值得期待。

2）硬质合金

不仅金属间可以组成合金，金属与非金属也能组成合金，所谓硬质合金指的是ⅣB族、ⅤB 族、ⅥB 族的金属与原子半径小的C、N、B 等非金属形成的间隙化合物，具有特别高的硬度和熔点。硬质合金的高强度性是因为合金中半径小的原子填充在金属晶格的间隙中，这些原子的价电子可以进入金属元素的空轨道形成一定程度的共价键，金属元素的空轨道越多，合金的共价程度就越大，间隙结构越稳定。

在高温条件下，硬质合金仍保持良好的热硬度及抗腐蚀性，因此硬质合金是制造高速切削、钻探工具，金属的模具及各种耐磨部件的优良材料。例如，硬质合金刀具的切削速率要比高速刀具高4 倍以上。Ti、Cr、Co、Nb、Ta、W 等金属元素的碳化物是十分重要的硬质合金材料，如碳化钛因具有高硬度、高熔点、高抗温氧化、密度小等优良特性广泛应用于航空、舰船、兵器等重要工业制造中。(www.xing528.com)

3）低温合金

低温合金有镍钢、奥氏体不锈钢、钛合金、铝合金、铜合金等，目前人们正在研制性能优异的铁锰铝合金钢。低温合金具有十分重要的使用价值，如N2、O2在分别低至90K和77 K 的温度下才能液化，液化气需要耐低温的合金；泰坦尼克号游轮撞到冰川而沉没的重要原因是，当时用于制造轮船的钢铁中含S 量较高，在低温下容易脆裂。

4）高温合金

高温合金是ⅤB 族、ⅥB 族、ⅦB 族、ⅧB 族的高熔点金属经组合得到的合金，目前的高温合金主要有铁基与镍基合金等。铁与镍的熔点分别为1 812 K 和1 726 K，它们的合金工作温度为1 323~1 373 K，若要获得更高的工作温度，则需要使用W（3 672 K）、Ta（3 303 K）、Mo（2 893 K）、Nb（2 838 K）等金属的合金，但这些合金的加工较困难。

5）超导合金

有一定电阻的金属在某一超低温度（Tc）条件下，其电阻将消失，电子的运动因此变得畅通无阻，出现超导现象。具有超导电性的金属材料为超导材料。

超导材料除具有零电阻现象外，还有完全抗磁性。当超导材料处于超导态时，在外加磁场的作用下，表面产生一个感应电流，该电流产生的磁场恰好与外加磁场大小相等，方向相反，因而总合成磁场为零。当外加磁场强度超过某一临界值（Hc）时，可以破坏超导材料的超导电性，使其由超导态转变为正常态，电阻重新恢复。因此，超导材料的超导电性受温度、外加磁场和电流的控制。

以金属作为超导材料的元素有50 种。在常压下有27 种超导元素，其中临界温度最高的为Nb，其Tc=9.26 K。由于大部分超导元素的临界磁场很低，其超导态易受磁场的影响而遭受到破坏，因此基本无实用价值。

超导合金具有塑性好、易大量生产和成本低等优点，并具有较高的Tc和特别高的Hc和Ic（临界电流密度），故具有较高的实用价值。常见的超导合金有Nb-Ti、Nb-Zr-Ti、Nb-Ti-Ta 等。

超导材料的应用前景十分广阔。利用超导电性可以制造发电机、电动机，并能降低能耗，使其小型化。将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大提高它的隐蔽性和作战能力。超导材料用于微波器件可以改善卫星通信质量。利用超导材料的体积小、质量轻、抗磁性、超导磁铁与铁路路基导体间所产生的磁性斥力等特点可将其用于负载能力强、速度快的超导悬浮列车和超导船。

6）形状记忆合金

具有一定形状的固体材料，在低温下被施加应力产生变形，应力去除后，形变并没有消失，但通过加热会逐渐消除形变，又恢复到高温下的形状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的合金材料称为形状记忆合金。

早在1964 年，布赫列等人就发现了Ti-Ni 合金具有形状记忆效应，自此以后，有关形状记忆合金的科学研究和开发利用便受到了人们的极大关注和重视。目前，被人们发现的形状记忆合金已超过50 种，可分为3 大类：

（1）Ti-Ni 系：包括Ti-Ni、Ti-Ni-Nb 等；

（2）Cu 基系：Cu-Zn、Cu-Zn-Ni、Cu-Zn-Al、Cu-Al-Si 等；

（3）Fe 基系：Fe-Mn、Fe-Pt、Fe-Pd、Fe-Mn-C 等。

其中比较成熟且应用较多的形状记忆合金为Ti-Ni 合金和Cu-Zn-Al 合金。

形状记忆合金是一种具有新型功能的特殊材料，其应用十分广泛。例如，在智能应用方面，形状记忆合金可以用于多种自动调节和控制装置，如自动启闭的电源开关、自动电子干燥箱、火灾自动报警器等。又如，在医学工程方面，形状记忆合金由于强度高、耐磨蚀、抗疲劳、无毒副作用、生物相容性好，可以埋入人体内作为生物硬组织的修复材料，并能用于制造人工关节、人工心脏和人工肾脏等，疗效较好。此外，形状记忆合金还可以用于制造人造卫星天线，将合金板制成的天线卷入卫星体内，当卫星进入轨道后，通过太阳能或其他热源加热就可以在太空中展开，并用于通信。