常见的金属和合金材料

1. 轻金属和轻合金

轻金属集中于周期系中的 s 区以及与其相邻的某些元素。除铍和镁外， 其余 s 区金属单质都比较软且很活泼，所以工程上使用的主要是由镁、铝和

钛等金属以及由它们所形成的合金。藉助于轻合金的密度小的优势，在交通运输、航空航天等领域中得到广泛的应用，并且是重要的轻型结构材料。

1. 镁和镁合金 镁的密度仅 1.738g·cm-3，是工业上常用的金属中最轻的一种。纯镁的机械强度很低。镁的化学性质活泼，在空气中极易被氧化， 且镁的氧化膜结构疏松，不能起保护作用。纯镁的主要用途是配制合金，其次用于化学工业和制造照明弹、烟火等。镁合金中的加入元素主要有铝、锌和锰等。

在一定的含量范围内，铝和锌的加入都能使镁合金的晶粒细化，强度提高，锰的加入可提高材料的抗蚀能力。镁合金的密度小，单位质量材料的强度(比强度)高，能承受较大的冲击载荷，具有优良的机械加工性能。一般用于制造仪器、仪表零件，飞机的起落架轮，纺织机械中的线轴、卷线筒以及轴承体等。

1. 铝和铝合金 铝具有良好的导电、导热性能，铝表面生成的氧化膜十分稳定，具有保护作用，藉阳极氧化制作的人工氧化膜，其耐蚀性更高。铝主要用于制作建筑材料、导电材料以及食品包装等。铝合金中的加入元素主要有镁、锰、铜、锌和硅等。

铝合金通过一定温度的热处理后快速冷却，产生的过饱和固溶体，放置一段时间后，会逐渐析出金属化合物，此时合金的强度将有显著的提高(这种现象称为“时效硬化”)。含有铜、镁为主的铝合金(例如含质量分数 3.8％～ 4.9％的铜、1.2％～1.8％的镁和 0.3％～0.9％的锰)通过上述处理时效硬化后的硬铝在飞机制造工业中用作蒙皮、构件和铆钉等。也可以用来制造内燃机活塞、汽缸等。

1. 钛和钛合金 纯钛具有较高的熔点和强度，密度为 4.54g·cm-3，尤其是单位质量材料的强度特别高，且可以在极为广阔的温度范围内保持其机械强度，在 600℃以下具有良好的抗氧化性，对海水及许多酸具有良好的耐蚀性。此外，地壳中钛的储量极为丰富。工业钛是制造化工设备、船舶用零件等的优良材料。钛的合金中加入元素主要有铝、钒、铬、钼、锰和铁等。这些合金元素能与钛形成置换固溶体或金属化合物而使合金强度提高。

此外，铝的加入还能改善合金的抗氧化能力，钼可显著提高合金对盐酸的耐蚀性，锡能提高合金的抗热性。钛合金是制造飞机、火箭发动机、人造卫星外壳和宇宙飞船船舱等的重要结构材料。例如，火箭发动机壳材料广泛使用的钛合金中含有质量分数 6％的铝和 4％的钒。

钛和钛合金已成为一种极有发展前途的新型结构材料，它们的年产量有迅速上升的趋势。我国钛的产量列居世界前茅。

1. 合金钢和硬质合金

处于周期系 d 区的副族金属具有熔点高、硬度大的特点，它们作为合金元素加入碳钢中制成合金钢，以满足某种特殊的性能要求。也可以利用它们与硼、碳、氮等非金属元素形成高熔点、高硬度的碳化物、氮化物和硼化物制成硬质合金。

合金钢中常用的合金元素有 d 区的钛、锆、钒、铌、铬、钼、钨、锰、钴、镍以及 p 区的铝和硅等。

这些元素在碳钢中能形成固溶体或金属化合物。由于合金元素的原子半径和晶格类型与碳钢中碳的原子半径和晶格类型不同，合金元素的加入，会引起碳钢晶格的畸变，因而可提高钢的抗变形能力；同时钢的硬度、强度增

大，而韧性、塑性下降。合金钢与含碳量相同的普通碳钢相比，具有晶粒细致、耐磨性和韧性良好，以及更高的机械性能和其他特殊性能(如耐酸、耐热、高强度)。例如，一般工具钢刀具当温度高达 300℃以上时硬度就显著降低， 使切削过程不能进行。但高速钢(又称为锋钢)①刀具当温度接近 600℃时，仍能保持着足够的硬度和耐磨性，因而在较高的切削速度下，仍能进行切削， 并提高了寿命。这主要是由于在高速钢中含有大量钨、钼、钒等碳化物的缘故。又如，含铬质量分数大于 12％的不锈钢具有良好的抗蚀能力；钢中加入铬、铝和硅，由于能生成具有保护性的氧化膜，这种合金钢具有良好的耐热性，称为高温合金；加入质量分数为 12％锰的锰钢具有很高的耐磨性。

合金钢的用途十分广泛。我国是铬、镍资源较为贫乏的国家，开拓和研究含锰等金属元素的合金钢是重要课题。

第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族金属与碳、氮、硼等所形成的间隙化合物，由于硬度和熔点特别高，因而统称为硬质合金。例如，YG6 是含质量分数 94％WC 和 6

％Co(Co 用作“粘结剂”)的钨钴硬质合金，YT14 是含质量分数 78％WC、14

％TiC 和 8％Co 的钨钴钛硬质合金。硬质合金即使在 1000～1100℃还能保持其硬度，硬质合金刀具的切削速率可比高速刀具的高 4～7 倍或更多，所以硬质合金是制造高速切削和钻探等工具主要部位的优良材料。

一种称为“万能硬质合金”的是在钛钨类硬质合金的基础上，加入碳化钽或碳化铌而制造成的。它可以在更高的工作温度下保持高硬度，同时耐磨性更好，适合于制作加工各种钢和铸铁的刀具，用途广泛。

1. 低熔金属和低熔合金

从图 6.1 中可以看出，第Ⅰ主族、第Ⅱ副族以及 p 区金属单质大多数是熔点较低的金属。但由于第Ⅰ主族金属活泼，p 区的镓、铟、铊等资源稀少， 常用的有汞、锡、铅、锑和铋等低熔金属及其合金。

由于汞在室温时呈液态，而且在 0～200℃时的体积膨胀系数很均匀，又不浸润玻璃，因而常用作温度计、气压计中的液柱。汞也可作恒温设备中的电开关接触液。当恒温器加热时，汞膨胀并接通了电路从而使加热器停止加热；当恒温器冷却时，汞便收缩，断开电路使加热器再继续工作。

锌、镉、汞的晶体结构都较特殊，尤其是汞。汞的晶体结构较不规则， 晶格变形较大，格点上微粒之间距离也较长，相互的作用力较小，这大概是汞熔点低的原因。汞容易与许多种金属形成合金。汞的合金叫做汞齐。

必须指出，汞有一定的挥发性，汞的蒸气有毒。由于汞的密度较大(13.546g·cm-3)，又是液体，使用时如果不小心，就易溅失。对溅失的汞滴， 必须谨慎地收集起来。由于锡容易与汞形成合金，锡箔能被汞浸润，可以用来回收遗留在缝隙处的汞。汞与硫黄也容易直接化合，因此，把滴散的汞回收以后，在可能尚留有汞的地方应撒上一层硫黄，使其生成硫化汞。汞与铁几乎不生成汞齐，所以除瓷瓶外，汞也可以用铁罐来贮运。

铋的某些合金的熔点在 100℃以下，例如，由质量分数 50％铋、25％铅、13％锡和 12％镉组成的所谓伍德(Wood)合金，其熔点为 71℃，应用于自动灭火设备、锅炉安全装置以及信号仪表等。用质量分数 37％铅和 63％锡组成的合金的熔点为 183℃，用于制造焊锡。铅很软，在铅中加入锑可以增加铅的硬度和强度。含锑质量分数为 12％的铅合金较硬，可用于制造枪弹等。一种

① 如 W18Cr4V（表示含质量分数约 18％钨、约 4％铬和 1％钒的合金钢）、W6Mo5Cr4V2 钢等。

含质量分数 80％铅、15％锑和 5％锡的铅合金，熔点为 240℃，不仅易于熔铸，硬度较大，而且当它凝固时体积会膨胀，用于熔铸铅字可以得到字迹清晰的字模。锡中加入适量锑而组成的轴承合金(例如含质量分数 82％锡、14

％锑和 4％铜)，质硬且耐磨，是制造轴承的良好材料。

顺便提及，还有一种熔点仅为-12.3℃的液体合金，含质量分数 77.2％ 钾和 22.8％钠，目前用作原子能反应堆的冷却剂。

1. 金属电工材料

金属作为电工材料，主要是利用它具有较高的导电性，作为导电材料。导电材料可分为常用导电材料和特殊导电材料两大类。常用导电材料常指用于电流的输送，要求材料具有良好的导电性能，并具有一定的机械强度和抗腐蚀性；而特殊导电材料则具有某种特殊的电性能以及电量与其他物理量相互转换的功能。

1. 常用导电材料 铜和铝是目前最常用的导电材料，一般选用它们的纯金属。导电用铜常选用含铜质量分数为 99.90％的工业纯铜，在某些电子仪器用零件以及高精密仪器、仪表中还需用无氧铜或无磁性高纯铜。在某些仪器、仪表的特殊零件等场合，除要求具有良好导电性能外，还要求提高机械强度、弹性和韧性以及电阻随温度变化的稳定性，需用铜合金，如银铜合金、铬铜合金、铍铜合金等。导电用铝常选用含铝质量分数在 99.5％以上的工业纯铝，也有使用铝合金的，以提高材料的强度和耐热性。

2. 特殊导电材料 电阻合金是特殊导电材料中的一种。与常用导电材料相比，电阻合金具有较大的电阻率，此外，一般还要求具有不大的电阻温度系数①、电阻值的稳定可靠以及能在恶劣的环境下工作的能力(要求耐热、耐湿、耐蚀)等。常用的电阻合金有铜锰、铜镍和铜铬等合金。例如，一种铜锰合金的平均电阻温度系数为 2×10-6，电阻值几乎不受温度变化的影响。与此相反，对温度敏感的热敏电阻器则希望具有更高的电阻温度系数。用铂金属制作的铂热敏电阻器，它在温度为 0～100℃范围内的平均电阻温度系数为3.927×10-3，可以用作温度的测量。国际上以标准铂电阻温度计作为国际温标自 13.81K 到 903.89K 温度范围内的基准器，它的精度可达 0.001K，甚至0.0001K。

高电阻值的电阻合金，通过其电阻将电能转换为热能而用于制造各种发热电阻元件。这类电热材料要求电阻率高、耐高温和高温下的抗氧化能力， 它们有贵金属及其合金(如铂、铂铱等)，高熔点金属及其合金(如钨、钼、钽等)以及铁、镍合金(如铁铬铝、镍铬、镍铬铁等)。

具有一定热电特性的导电材料还可以制作热电偶，用于温度的测量和控制。热电偶是将两种不同成分的热电材料的一端焊接在一起，若其焊接的一端与另一端处于不同温度下，这两种热电材料的两端就会因温度差而产生温差电势，测定热电偶所产生的温差电势值即可获得对应的温度值，这种温度测量的方法还便于加热炉内温度的自动控制。适合较低温度测量的有铜和康铜合金② (0～300℃)等，用于中等温度测量的有镍铬和镍铝合金(200～1100

℃)等，用于高温测量的有铂铑合金和铂(0～1450℃)、铱铑合金和铱(800～ 2000℃，铱是在 2000℃以上时唯一不被氧化的金属)等。

① 电阻温度系数是指温度每改变 1K 时电阻值的相对变化。

② 康铜合金是质量分数 60％的铜与 40％的镍组成的合金。

1. 阴极材料 从图 6.4 中可以看出，s 区金属的导电性一般较好。值得注意，它们不仅在外电场下能导电，而且有些金属如铯经光照射后会逸出电子，产生电流。这是由于铯原子的最外层只有 1 个 s 电子，且原子半径较大， 它的电离能很小。这样，电子从其表面逸出所需要的能量也小。当铯受到光照射时，电子就会从其表面逸出。这种现象称为光电效应。铯、铷和钾都具有这种产生光电效应的性能，它们可用来制造光电管中光电阴极的材料。由于光电管能把光信号迅速而灵敏地转变为电信号，因此在科学技术中得到广泛应用。

热的激发也可使某些 s 区金属逸出电子，这种因热能激发金属而放射出的电子称为热电子，s 区中的钡在不太高的温度下就能有热电子的发射，用它可以制造电子仪器中的电子管阴极。一般热电子发射是在高温下产生的， 温度越高，发射的热电子也越多，所以阴极常由耐高温的金属如钨、钼(掺有少量碳和硅等杂质)等制造的。但为了使热电子发射的温度不致太高而损耗阴极和耗费电能，常在阴极金属丝上涂覆一层碳酸钡(实际上常用碳酸钡和碳酸锶或碳酸钙的混合物)，当通电加热阴极时，碳酸盐将发生分解，如：

BaCO3 BaO+CO2

产生的 BaO 又可与阴极金属丝中的碳、硅等发生反应：

BaO+C Ba+CO 2BaO+Si 2Ba+SiO2

析出的钡紧附在阴极上。由于钡参与了阴极的热电子发射，因而可达到降低阴极的热电子发射温度的目的。

1. 超导材料

一般金属材料的导电率将随温度的下降而增大，而当温度接近绝对零度的温度范围内，随着温度的下降，其导电率趋近于一有限的常数。而对某些纯金属或合金等有所例外，它们在某一特定的温度附近，其导电率将突然增至无穷大，这种现象称为超导电性。具有超导电性的材料称为超导材料。超导材料从一有限导电率的正常状态向无限大导电率的超导态转变时的温度称为临界温度，常用 Tc 表示。

除温度对超导电性有影响外，外加磁场和通过电流的强度也会影响材料的超导电性。将处于超导态的材料置于一定强度的磁场中时，其磁感应强度将为零，呈完全的抗磁性①。而当外加磁场强度超过某临界值②时，或通过超导体的电流强度超过某临界值时，都将会使材料从超导态回到正常态。这种磁场强度和电流强度的临界值分别称为临界磁场(用 Hc 表示)和临界电流(用Ic 表示)。所以，材料的超导电性是受温度以及外加磁场和电流限制的。

材料的超导电性将给科学技术的发展带来一次新的革命，为国民经济各领域中的应用展示了美好的前景。例如，利用超导材料的超导电性，可制造超导发电机、电动机，大大减轻其重量、体积并提高其输出功率。利用超导材料的抗磁性，超导磁铁与铁路路基导体间所产生的磁性斥力，可制成超导悬浮列车。它具有阻力小、能耗低、无噪声和时速大(目前这类试验性列车的运行速率可达到 600km·h-1)等优点，是一种很有发展前途的交通工具。

① 能被磁场所排斥的物质称为抗磁性物质。

② 在目前所发现的超导材料中，有些具有两个临界磁场。

最早发现超导现象的是荷兰物理学家昂纳斯(H.K.Onnes)。他在 1911 年发现汞在 4.15K 时出现了零电阻，但在这样低的温度(液氦的温度范围)下工作给超导材料的应用带来严重的障碍。半个多世纪以来，人们在寻找具有更高 Tc、Hc 和 Ic 的超导材料过程中发现，约近 30 种元素的金属单质以及数千种合金和化合物都可具有超导性能，但直到 1973 年为止，得到的最高临界温度的超导材料是 Nb3Ge，它的 Tc 为 23.2K。近年来，对化合物超导材料的研究有了可喜的长进。我国在这方面的成就已跻身于国际先进之列。一类稀土(如钇-钡-铜-氧)超导化合物的 Tc 可达 125K 左右(液氮的温度范围)。