合金

  合金,是由两种或两种以上的金属与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。中国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(钢制品)。

简介

合金
                   合金
  我们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。(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)。

分类

  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。
  (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。
  合金的许多性能优于纯金属,故在应用材料中大多使用合金(参看铁合金、不锈钢)。

·特种合金

  工业上应用的合金种类数以千计,现只简要地介绍其中几大类。
  耐蚀合金
  金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力,称金属的耐蚀性。纯金属中耐蚀性高的通常具备下述三个条件之一:
  ①热力学稳定性高的金属。通常可用其标准电极电势来判断,其数值较正者稳定性较高;较负者则稳定性较低。耐蚀性好的贵金属,如Pt、Au、Ag、Cu等就属于这一类。
  ②易于钝化的金属。不少金属可在氧化性介质中形成具有保护作用的致密氧化膜,这种现象称为钝化。金属中最容易钝化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等。
  ③表面能生成难溶的和保护性能良好的腐蚀产物膜的金属。这种情况只有在金属处于特定的腐蚀介质中才出现,例如,Pb和Al在H2SO4溶液中,Fe在H3PO4溶液中,Mo在盐酸中以及Zn在大气中等。
  因此,工业上根据上述原理,采用合金化方法获得一系列耐蚀合金,一般有相应的三种方法:
  ①提高金属或合金的热力学稳定性,即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素,使形成固溶体以及提高合金的电极电势,增强其耐蚀性。例如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即属此类。不过这种大量加入贵金属的办法,在工业结构材料中的应用是有限的。
  ②加入易钝化合金元素,如Cr、Ni、Mo等,可提高基体金属的耐蚀性。在钢中加入适量的Cr,即可制得铬系不锈钢。实验证明,在不锈钢中,含Cr量一般应大于13%时才能起抗蚀作用,Cr含量越高,其耐蚀性越好。这类不锈钢在氧化介质中有很好的抗蚀性,但在非氧化性介质如稀硫酸和盐酸中,耐蚀性较差。这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,同时对氧化膜还有溶解作用。
  ③加入能促使合金表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素,是制取耐蚀合金的又一途径。例如,钢能耐大气腐蚀是由于其表面形成结构致密的化合物羟基氧化铁[FeOx·(OH)23-2x],它能起保护作用。钢中加入Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大气腐蚀的低合金钢。
  金属腐蚀是工业上危害最大的自发过程,因此耐蚀合金的开发与应用,有重大的社会意义和经济价值。
  耐热合金
  耐热合金合金又称高温合金,它对于在高温条件下的工业部门和应用技术领域有着重大的意义。
  一般说,金属材料的熔点越高,其可使用的温度限度越高。这是因为随着温度的升高,金属材料的机械性能显著下降,氧化腐蚀的趋势相应增大,因此,一般的金属材料都只能在500 ℃~600 ℃下长期工作。能在高于700 ℃的高温下工作的金属通称耐热合金。“耐热”是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性。
  提高钢铁抗氧化性的途径有两条:一是在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素,或者在钢的表面进行Cr、Si、Al合金化处理。它们在氧化性气氛中可很快生成一层致密的氧化膜,并牢固地附在钢的表面,从而有效地阻止氧化的继续进行。二是用各种方法在钢铁表面形成高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等耐高温涂层。
  提高钢铁高温强度的方法很多,从结构、性质的化学观点看,大致有两种主要方法:
  一是增加钢中原子间在高温下的结合力。研究指出,金属中结合力,即金属键强度大小,主要与原子中未成对的电子数有关。从周期表中看,ⅥB元素金属键在同一周期内最强。因此,在钢中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳。
  二是加入能形成各种碳化物或金属间化合物的元素,以使钢基体强化。由若干过渡金属与碳原子生成的碳化物属于间隙化合物,它们在金属键的基础上,又增加了共价键的成分,因此硬度极大,熔点很高。例如,加入W、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC等碳化物,从而增加了钢铁的高温强度。
  利用合金方法,除铁基耐热合金外,还可制得镍基、钼基、铌基和钨基耐热合金,它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性。其中镍基合金是最优的超耐热金属材料,组织中基体是Ni?Cr?Co的固溶体和Ni3Al金属化合物,经处理后,其使用温度可达1 000 ℃~1 100 ℃。
  钛合金
  钛是周期表中第IVB类元素,外观似钢,熔点达1 672 ℃,属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富,远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。我国钛的资源极为丰富,仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中,伴生钛金属储量约达4.2亿吨,接近国外探明钛储量的总和。
  纯钛机械性能强,可塑性好,易于加工,如有杂质,特别是O、N、C 提高钛的强度和硬度,但会降低其塑性,增加脆性。
  钛是容易钝化的金属,且在含氧环境中,其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。因此 干腐蚀介质都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性,只能被氢氟酸浓度的 侵蚀。特别是 稳定,将钛或钛合金放 取出后,仍光亮如初,远优于不锈钢。
  钛的另一重要特性是密度小。其强度是不锈钢的3.5倍,铝合金的1.3倍,是目前所有工业金属材料中最高的。
  液态的钛几乎能溶解所有的金属,形成固溶体或金属化合物等各种合金。合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入,可改善钛的性能,以适应不同部门的需要。例如,Ti-Al-Sn合金有很高的热稳定性,可在相当高的温度下长时间工作;以Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金,可以50%~150%地伸长加工成型,其最大伸长可达到2 000%。而一般合金的塑性加工的伸长率最大不超过30%。
  由于上述优异性能,钛享有“未来的金属”的美称。钛合金已广泛用于国民经济各部门,它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金,只是钛的价格较昂贵,限制了它的广泛使用。
  磁性合金
  材料在外加磁场中,可表现出三种情况:①不被磁场所吸引的,叫反磁性材料;②微弱地被磁场所吸引的,叫顺磁性材料;③强烈地被磁场吸引的,称铁磁性材料,其磁性随外磁场的加强而急剧增高,并在外磁场移走后,仍能保留磁性。金属材料中,大多数过渡金属具有顺磁性;只有Fe、Co、Ni等少数金属是铁磁性的。
  金属中组成永磁材料的主要元素是Fe、Co、Ni和某些稀土元素。使用的永磁合金有稀土?钴系、铁?铬?钴系和锰?铝?碳系合金。
  磁性合金在电力、电子、计算机、自动控制和电光学等新兴技术领域中,有着日益广泛的应用。
  钾钠合金
  化学结构:4K-Na
  化学特性:银色的软质固体或液体. 遇酸、二氧化碳、潮气及水发生剧烈反应, 放出氢气, 立即自燃, 有时甚至会爆炸. 密度: 0.847克/毫升(100℃) (K78%,Na22%); 0.886克/毫升(100℃)(K56%,Na44%) 熔点: -11℃(K78%,Na22%); 19℃(K56%, Na44%);
  极限参数
  沸点: 784℃(K78%,Na22%); 825℃(K56%, Na44%);
  应用:液态金属核反应堆用的冷却剂是钠钾合金,常温下液态。
合金
                   合金
  钠钾合金的熔点
  钠 钾 熔点
  20% 80% -10 ℃
  22% 78% -11 ℃
  24% 76% -3.5 ℃
  40% 60% 5 ℃

·新型合金

  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,使氢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1 000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等属于第一种金属,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。

性能

  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。
  (一)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、硅黄铜的流动性最好,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。
  (二)收缩性(contractibility)
  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。

加工

合金
                   合金
  中碳钢:代表钢种有30、35、40、45,也有ML30、ML35、ML40、ML45,有较稳定的室温性能,用于中小结构件、紧固件、传动轴、齿轮等。
  锰钢:代表钢种40Mn2、50Mn2。有过热敏感性、高温回火脆性,水淬易开裂,淬透性较碳钢高。
  硅锰钢:代表钢种35SiMn、42SiMn。疲劳强度高,有脱碳和过热敏感性及回火脆性。用于制造中速、中高等负荷但冲击不大的齿轮、轴、转轴、连杆、蜗杆等,也可制造400℃以下紧固件。
  硼钢:代表钢种40B、45B、50BA、ML35B。淬透性高,综合机械性能高于碳钢,与40Cr相当用于制造截面尺寸不大的零件、紧固件等。
  锰硼钢:代表钢种40MnB。淬透性稍高于40Cr,高的强度、韧性及低温冲击韧性,有回火脆性。40MnB常用来代替40Cr制造大截面零件,代替40CrNi制造小件;45MnB代替40Cr、45Cr;45Mn2B代替45Cr和部份代替40CrNi、45CrNi作重要的轴,也有ML35 MnB用于紧固件生产。
  锰钒硼钢: 代表钢种20 MnVB 、40MnVB、。调质性能和淬透性优于40Cr,过热倾向小,有回火脆性。常用来代替40Cr、45Cr、38CrSi、42CrMo及40CrNi制造重要的调质件,也有用中小规格10.9级以下螺栓的、ML20 MnVB。
  锰钨硼钢:代表钢种40MnWB。良好的低温冲击性能,无回火脆性。与35CrMo、40CrNi相当,用于制造70mm以下的零件。
  硅锰钼钨钢: 代表钢种35SiMn2MoW。有较高的淬透性,以50%马氏体计算,水淬直径180,油淬直径100;淬裂倾向、回火脆性倾向小;具有高强度和高韧性。可代替35CrNiMoA、40CrNiMo,用于制造大截面、重负荷的轴、连杆及螺栓。
  硅锰钼钨钒钢:代表钢种37SiMn2MoWVA。水淬直径100,油淬直径70;良好的回火稳定性、低温冲击韧性,较高的高温强度,回火脆性也较小,用于制造大截面的轴类零件。
  铬钢:以40Cr合金钢管及ML40Cr为代表。淬透性较好,水淬28-60mm,油淬15-40mm。较高的综合机械性能,良好的低温冲击韧性,低的缺口敏感性,有回火脆性。用于制造轴、连杆、齿轮及螺栓。
  铬硅钢:代表钢种38CrSi。淬透性优于40Cr,强度和低温冲击较高,回火稳定性较好,回火脆性倾向较大。常用于制造30-40mm的轴、螺栓以及模数不大的齿轮。
  铬钼钢:代表钢种30CrMoA、42CrMo、ML30CrMo、ML42CrMo。水淬30-55mm,油淬15-40mm;高的室温机械性能和较高的高温强度,良好的低温冲击;无回火脆性。用于制造截面较大的零件,高负荷的螺栓、齿轮及500℃以下的法兰盘、螺栓;400℃以下的导管、紧固件。42CrMo淬透性较30CrMoA高,用于制造强度更高、截面更大的零件。
  铬锰钼钢:代表钢种40CrMnMo。油淬直径80mm,具有较高的综合机械性能,回火稳定性好。用于制造截面较大的重负荷齿轮及轴类零件。
  锰钼钒钢:代表钢种30Mn2MoWA。具有良好的淬透性:水淬达到150mm,心部组织为上、下贝氏体加少量马氏体;油淬70mm,心部95%以上的马氏体;良好的低温冲击韧性,低的缺口敏感性及较高的疲劳强度。用于制造80mm以下的重要件。
  铬锰硅钢:代表钢种30CrMnSiA。水淬40-60mm(95%的马氏体),油淬25-40mm。强度、冲击韧性高,有回火脆性。用于制造高压鼓风机叶片、阀板、离合器摩擦片、轴及齿轮等。
  铬镍钢: 代表钢种40CrNi和45CrNi。水淬达到40mm,油淬15-25mm;良好的综合机械性能,良好的低温冲击韧性,回火脆性倾向小。30CrNi3A淬透性较高,综合机械性能好,有白点敏感性和回火脆性。用于制造截面较大的曲轴、连杆、齿轮、轴及螺栓等。
  铬镍钼钢:代表钢种40CrNiMoA。具有优良的综合机械性能,低温冲击韧性高,缺口敏感性低,无回火脆性。用于制造较大的曲轴、轴、连杆、齿轮、螺栓及其它受力较大、形状复杂的零件。
  铬镍钼钒钢: 代表钢种45CrNiMoVA。强度高,回火稳定性好,油淬达到60mm(95%马氏体)。用于制造振动载荷下的重型汽车弹性轴及扭力轴等。