第三章金属材料

第三章金属材料江西农业大学理学院

刘倩材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料世界各国对材料的分类不尽相同，但就大的类别可以分为四大类：一架波音767大型飞机约由70%的铝及其合金构成。应用广泛的金属材料金属材料，尤其是钢铁材料在国民经济建设的各个方面都有重要的作用，它们的发现和应用，开创了人类物质文明的新纪元，加速了人类社会发展的历史进程。可以毫不夸张地说，离开了金属材料的“钢筋铁骨”，世界将变得面目全非。第三章金属材料3.1金属特性与金属键3.2金属单质结构3.3合金结构3.4金属材料3.5新型合金材料3.6稀土材料3.1金属特性与金属键金属材料则是指由金属元素或以金属元素为主组成的具有金属特性的工程材料，它包括纯金属和合金两类。金属:是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性的并具有光泽的物质，如铜、锌和铁等。●这么大的相变焓，说明它不是范德华力●电负性差值只有0.97，说明不能形成离子键●晶体是体心立方晶体，排除了是共价键的可能Li(g)→Li(c),△H=-161.5kJ·mol-1反映出金属锂的化学键：因此，我们把金属中原子（自由电子与金属正离子）之间的作用力叫做金属键.例如对于金属锂：周期表中4/5的元素为金属元素，除汞外，其它金属室温下均为晶体.但它们的性质却显示出与离子型化合物和共价型化合物不同.那么它们中间的化学键是什么呢？金属：钠钾铷铯钙铜锌铁原子化热：108908278177340131416kJ/mol熔点：371337312302111213566931808K金属键的强度并不象共价键那样用键级来衡量，而是用原子化热来衡量。原子化热——1mol金属晶体完全气化成互相远离的气态原子所吸收的能量金属键是一种遍布整个晶体的离域化学键。金属晶体是以金属键为基本作用力的晶体。金属的许多性质和原子化热有关：小，熔点低，硬度小1、自由电子理论：金属键理论基本要点（1）价电子数少，电负性小，电离能较低→电子易脱落下来。（2）脱落下来的价电子为整个金属所有，可在金属的三维空间内自由运动（自由电子→离域电子→共用电子）（3）金属离子与自由电子以静电力吸引在一起形成金属晶体，这种作用力——金属键。所有电子属于金属晶体，或说为整个金属大分子所共有，不再属于哪个原子。我们称电子是离域的。金属键有一种形象的描述：“金属离子浸在电子的海洋中”（电子海模型）。电子气理论可以定性地解释金属的延展性和可塑性、良好的导电、导热性等性质。电子气理论的缺点是定量关系差。自由电子理论对金属晶体性质的解释:（1）光泽和不透明性金属中的自由电子在三维空间内自由运动，无特征能量限制，可以在较宽的波长内吸收可见波，并随即放出→不透明，有光泽（2）导电性自由电子外电场定向流动形成电流（3）传热金属原子离子的振动热运动扩展温度均一化（传热）（4）延展性当在外力的作用下，一层原子在相邻一层原子上滑动，但仍然在自由电子三维空间内（海洋中），故金属键未被破坏→延展性、可塑性。（5）熔沸点自由电子和金属离子的胶合作用强，且在整个晶体范围内作用→破坏金属晶体需较高的能量→熔沸点高，硬度大，少数例外2、能带理论：非完全自由电子模型分子轨道理论法价键理论方法非完全自由电子模型实际晶体中，电子并非完全自由导带，满带，空带，禁带能带理论对金属导体，半导体和绝缘体的说明导体：因能差很小，电子容易跃迁，导电，Li、Na、Be、Mg半导体(Si,Ge)：禁带宽度Eg<3eV光照或外电场等条件下，电子可跃迁形成新导体而导电，（原满带留下空穴）从而导电绝缘体：禁带宽度Eg>5eV电子不能跃迁，故不能导电。Eg>5eVEg<5eV是分子轨道理论的扩展分子轨道理论将金属晶体看作一个巨大分子，结合在一起的无数个金属原子形成无数条分子轨道，某些电子就会处在涉及构成整块金属原子在内的轨道.这样就产生了金属的能带理论（金属键的量子力学摸型）.1s；2s,2p；3s,3p；3d；4s,4p；4d；4f；5s,5p；5d…轨道全充满（p6，d10，f14）原子轨道能级顺序：分子轨道理论法

Na2

有分子轨道3s3s3s3s*也可以写成3s3s3s3s*Na晶体中，n个3s轨道组成n条分子轨道。这n条分子轨道之间能量差小，电子跃迁所需能量小。这些能量相近的能级组成能带。能带的能量范围很宽，有时可达数百kJ∙mol－1。Na的n个3s轨道，形成n个Na金属的分子轨道——3s能带。……..能带如下图所示以Li为例，1s22s12p0

满带、导带和空带1s轨道充满电子，故组成的能带也充满电子，称为满带。2s轨道电子半充满，组成的能带电子也半满，称为导带。2p能带中无电子，称为空带。能级最高的满带叫价带从满带顶到导带底(或空带底)的能量间隔很大，电子跃迁困难。这个能量间隔称为禁带。3n个2pn个2sn个1s禁带其宽度称为禁带宽度Eg能带重叠相邻近的能带，有时可以重叠。即能量范围有交叉。如Be的2s能带和2p能带，可以部分重叠。Be的2s能带是满带，通过重叠电子可以跃迁到2p空带中去。3n个2pn个2s导体的能带有两种情形，一种是有导带，另一种是满带和空带有部分重叠，如Be，也相当于有导带。电子可以在导带中跃迁，进入空轨道中，故金属铍导电。导电性Li为什么能导电？Question金属Mg是导体么？为什么？能带理论认为,Mg原子的3p空轨道形成一个空能带，该能带与3s能带发生部分重叠.这样一来，3s能带上的电子就可向3p能带移动了.因而事实上金属镁的确能导电.Mg，1s22s22p63s2

金属Na的能带结构3s2p2s1sNa的能带结构:1s、2s、2p能带都是满带，而3s能带中只填充了其中N／2个轨道，是部分填充电子的能带，即导带。3s与3p金属Mg的能带结构Mg的3s能带虽已填满，但与3p空带重叠，总体看来也是导带。金属光泽：电子在能带中跃迁，能量变化的覆盖范围相当广泛。放出各种波长的光，故大多数金属有光泽。

金属能带理论中，成键的实质是，电子填充在低能量的能级中，使晶体的能量低于金属原子单独存在时的能量。n个1s

延展性：受外力时，金属能带不被破坏。

金属能带理论属于分子轨道理论类型。用能带理论解释金属钠和镁的导电性复旦考博题：价键理论方法即用鲍林的价键理论处理金属键金属中是以单电子键和双电子键共振的方式存在于相邻原子之间。LiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLi3.2金属单质结构金属晶体的结构是：原子以紧密堆积的形式排列紧密堆积：原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互配位数高，能充分利用空间的堆积密度最大的排列方式。密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。金属原子近似看作圆球,同种金属看作等径圆球密置列、密置层和密置双层(1)密置列：沿直线方向将等径圆球紧密排列成一列叫做密置列，它只有一种排列方式。若把每个球作为一个结构基元，则可抽象出一直线点阵。等径圆球以最密集的方式排成一列(密置列)，进而并置成一层(密置层)，再叠成两层(密置双层)：(2)密置层：沿二维空间伸展的等径圆球的最密堆积形式叫密置层，它只有一种排列方式。在密置层中每个球都与周围六个球紧密接触，配位数为6。非密置层配位数为４密置层配位数为６(3)密置双层：将两个密置层（分别称为A层和B层）叠加起来作最密堆积称为密置双层，只有一种叠合方式。叠合过程为：将第二层球的球心投影到第一层中由三个球所围成的三角形空隙的中心上，及上、下两层密置层相互接触并平行地互相错开在密置双层中可形成两种空隙：四面体空隙(3个相邻的A球+1个B球或3B+A)八面体空隙(由3个A球和3个B球结合而成，连接这六个球的球心得到一个正八面体3A+3B)。面心立方最密堆积（A1）六方最密堆积（A3）体心立方密堆积（A2）最密堆积非最密堆积等径圆球的三维密堆积的常见形式在一个层中，最紧密的堆积方式，是一个球与周围6个球相切，在中心的周围形成6个凹位，将其算为第一层。123456下面用等径刚性球模型来讨论堆积方式：第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准1，3，5位。(或对准2，4，6位，其情形是一样的)123456123456关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。

下图是此种六方紧密堆积的前视图ABABA第一种是将球对准第一层的球123456于是每两层形成一个周期，即ABAB堆积方式，形成六方紧密堆积。

配位数12(同层6，上下层各3)（A3型）第三层的另一种排列方式，是将球对准第一层的2，4，6位，不同于AB两层的位置，这是C层。123456123456123456123456此种立方紧密堆积的前视图ABCAABC第四层再排A，于是形成ABCABC三层一个周期。得到面心立方堆积。

配位数12，(同层6，上下层各3)（A1）BCAABCABC形式的堆积，为什么是面心立方堆积？ABC面心立方晶胞ABBBBBCCCCCＡＢＡＣＢＡ镁型铜型金属晶体的两种最密堆积方式A1A3这两种堆积都是最紧密堆积，空间利用率74.05%金属钾K的立方体心堆积还有一种空间利用率稍低的堆积方式，体心立方堆积（A2）

：立方体8个顶点上的球互不相切，但均与体心位置上的球相切。

配位数8，空间利用率为68.02%。形成简单立方晶胞，空间利用率较低52％，金属钋（Po）采取这种堆积方式。堆积模型典型代表空间利用率配位数晶胞简单立方Po52%6钾型(体心立方)K68%8镁型(A3)Mg74%12铜型(A1)Cu74%12面心立方六方A1、A3型堆积：空隙数目和大小也相同，N个球，有2N个四面体空隙；N个八面体空隙。都是最紧密堆积，每个球的配位数都为12，空间利用率74.05%金属原子半径定义：金属中最邻近原子间距离的一半。原子半径与配位数有关：Goldschmidt(哥希密特)提出：同一种元素配位数越高,原子半径越大。配位数1286421相对半径比1.000.970.960.880.810.72ⅠA01氢ⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA氦2锂铍硼碳氮氧氟氖3钠镁ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧⅠBⅡB铝硅磷硫氯氩4钾钙钪钛钒铬锰铁钴镍铜锌镓锗砷硒溴氪5铷锶钇锆铌钼锝钌铑钯银镉铟锡碲锑碘氙6铯钡镧铪钽钨铼锇铱铂金汞铊铅铋钋砹氡7钫镭锕……金属原子半径变化规律：1、同一族元素原子半径随着原子序数增加而增加。2、同一周期主族元素原子半径随着原子序数增加而下降。3、同一周期过渡元素原子半径随着原子序数增加开始稳定下降，而后稍有增大。4、“镧系收缩”效应。随着z的增加，电子进入4f轨道，屏蔽效应降低，以致原子半径明显减少。ⅠA,ⅡA,ⅢA,ⅣA,ⅤA,ⅥA,ⅦA3.3合金结构合金是两种或两种以上的金属经过熔合后所得的生成产物。合金一般都具有一定的金属性能。工业中应用的金属材料大多是合金。合金的特性：1、一般地说，合金的熔点比它的各成分金属的熔点都低。2、合金的强度和硬度一般比组成它们的纯金属更高，抗腐蚀性能等也更好。3、合金是具有金属特征的混合物。常见合金的主要成分、性能和用途合金主要成分性能用途不锈钢黄铜18K黄金焊锡硬铝铁、铬、镍

抗腐蚀性好

医疗器械、炊具、容器、反应釜

铜、锌

强度高、可塑性好、易加工、耐腐蚀

机器零件、仪表、日用品

锡、铅

熔点低

焊接金属

铝、铜、镁、硅

强度和硬度好

火箭、飞机、轮船等制造业

金、银、铜

光泽好、耐磨、易加工

金饰品、钱币、电子元件

按合金的结构和相图的特点,一般可将合金分为两类：金属固溶体,金属化合物一、金属固溶体溶液两种或多种组元(元素)混合所形成的一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。(1)DefinitionSolvent溶剂Solute溶质一个组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。溶质可以是金属，也可以是少数非金属(H,B,C,N等)②

有一定的成分范围①溶质和溶剂原子占据一个共同的晶体点阵，点阵类型和溶剂的点阵类型相同。

③具有比较明显的金属性质（对金属固溶体来说）固溶体基本特征结合键主要是金属键形成金属固溶体的倾向有三个因素决定：物理性质和化学性质接近(电负性相近)原子半径接近单质的结构型式类似如：Ag-Cu;Ni-Pd;Mo-W当两种金属元素的电负性、化学性质和原子大小接近时,容易生成金属固溶体。按溶质原子在点阵中的位置置换固溶体填隙型固溶体固溶体分类：由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点位置所组成。置换固溶体：IonicsolidsolutionMgO的结构中Mg2+离子被Fe2+离子所取代。1.半径相近 2.电荷数相同填隙型固溶体在溶剂的晶格间隙内有溶质的原子填入（溶入）形成的固溶体。原子半径：H:0.046nmB:0.097nmC:0.077nmN:0.071nm金属和非金属元素H，B，C，N等形成的固溶体一般都是间隙式形成填隙型固溶体的条件杂质质点大小

即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。结构中间隙的大小一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。

Examples为什么高温下碳易于填入铁晶格的空隙？晶格结构的空隙越大，越有利于形成固溶体。912ºC以下，体心立方，空隙小；912ºC以上的一段温度，面心立方，有一个相当大的格子空隙或“洞”存在于单胞的中心，所以碳原子容易填入。无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。固溶体的性能一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。二、金属化合物固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相金属化合物：组元之间形成的新相，其结构不同于任何组元。若新相的晶体结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等。在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的金属键及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合物。当两种金属结构型式、电负性和原子半径差别大(>25%),生成金属化合物的倾向就大。电子化合物正常价化合物金属化合物正常价化合物形成：电负性差起主要作用，符合原子价规则。键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。组成：AB或AB2。

这是一种符合化合物原子价规律，成分固定并有严格分子式的金属化合物。通常由在元素周期表上相距较远、电化学性质相差很大的两种元素化合而成。例如：强金属元素与非金属或类金属元素(Sb、Bi、Sn、Ph等)形成的化合物Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。电子化合物形成：电子浓度起主要作用，不符合原子价规则。键型：金属键（金属－金属）。组成：电子浓度对应晶体结构电子浓度：价电子数目与原子数目n之比称为电子浓度。这是一类不遵守原子价规律而服从电子浓度规律的化合而成。电子化合物的晶体结构主要取决于电子浓度。当电子浓度为21／14、21／13、21／12时，则分别形成体心立方的电子化合物、复杂体心立方的电子化合物，密排立方体。（1）力学性能：当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工具钢、高速钢等钢中的重要组成相。（2）物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等。金属化合物的特性3.4金属材料3.4.1轻质金属材料3.4.2钢铁的金属结构与性能3.4.3铜及其合金3.4.1轻质金属材料铝合金镁合金钛合金铝合金铝金属：密度较小，约为2.7g/cm3（轻金属）

；相应合金叫轻合金。铝合金：导电、导热性好，价格低廉铝材是应用仅次于钢铁的第二大金属材料法国皇帝拿破仑三世,曾用铝制做了一顶头盔,以显示自己的富有。所以,铝曾被列为“稀有金属”。铝制头盔1827年，德国化学家维勒以铝土矿和熔融的钾反应，得到少量的铝，1854年法国化学家德维尔又以铝土矿和熔融的钠反应，也得到少量的铝。由于钾和钠均极难制得,所以,当时其价格比黄金还要昂贵。在各种航天器上也大量使用铝合金，目的自然是减轻其自重，以能携带更多的科学实验仪器。我国第一颗人造地球卫星东方红I号”的外壳，就是全部用铝合金制成的东方红I号人造卫星阿波罗II号宇宙飞船美国“阿波罗Ⅱ号”宇宙飞船使用的金属材料中,75%以上是铝合金。防锈铝合金硬铝合金超强度硬铝合金铸造铝合金铝合金防锈铝合金防锈铝合金中主要合金元素是锰和镁。锰提高抗蚀能力，并起固溶强化作用。镁固溶强化，同时降低比重。防锈铝合金锻造退火后是单相固溶体，抗蚀性能高，塑性好。抗蚀性和强度比纯铝高,有良好的塑性和焊接性能,但因太软而切削加工性能不良。用于焊接件、容器、管道，或需用深延伸、弯曲等方法制造的低载荷零件、制品以及铆钉等。硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金,另含有少量锰。它们可以进行时效强化，属于可热处理强化的铝合金。硬铝合金时效强化：固溶处理后得到的组织是不稳定的，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效强化。在室温下进行的称自然时效；在加热条件下进行的称人工时效。①低合金硬铝：Mg、Cu含量较低,塑性好,强度低。采用固溶处理和自然时效提高强度和硬度，时效速度较慢。主要用于制作铆钉，常称铆钉硬铝。②标准硬铝：合金元素含量中等，强度和塑性属中等水平。③高合金硬铝：合金元素含量较多，强度和硬度较高，塑性及变形加工性能较差。用于制作航空模锻件和重要的销、轴等零件。超强度硬铝合金超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金,含有少量的铬和锰。锌、铜、镁与铝形成固溶体和多种复杂的第二相(例如MgZn2、Al2CuMg、AlMgZnCu等)，合金经固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度和硬度，是强度最高的一类铝合金。超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、起落架等。锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。合金的元素种类多但用量少，有良好的热塑性、铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件，通常要进行固溶处理和人工时效。铸造铝合金铝硅合金仅适于制造形状复杂但强度要求不高的铸件，例如仪表、水泵壳体以及一些承受低载荷的零件。加入镁、铜的铝—硅系合金还有较好的耐热性与耐磨性，是制造内燃机活塞的合适材料。铝的发现与应用为人类生活做出了很大贡献。但近年来的研究表明，过量的铝元素进入人体后，给人造成诸如痴呆、骨痛、贫血、甲状腺功能降低、胃液分泌减少等疾病。而对脑组织及智力的损害更为严重。镰刀细胞地中海贫血脑底模型与脑痴呆铝元素的危害1970年，美国杜诺德博士用AAS法分析了健康人与衰老者的脑组织中铝的含量，结果是后者是前者的4倍。脑海马结构图人脑右视图1980年美国波尔博士用X-Ray分析老年痴呆者脑内海马神经纤维中有铝的沉积。预防措施1.减少食用水中的含铝量明矾是含铝化合物,它常用于作净化自来水的沉淀剂;而铝制水管或贮水容器也会使水中铝2.减少烹调过程铝的摄入用铝炊具烧饭，估计日铝的摄入量为5～6毫克。应尽量改用不锈钢和玻璃炊具。3.防止从食物中摄入铝在制作面粉加工中的发酵粉(磷铝酸钠,一茶匙含铝70mg)(可改用酵母菌)、油条、粉条、粉丝、凉粉及腌菜时要加明矾，因而铝的含量很高。长期食用这些食物,都会引起体内铝的积淀。镁合金1、镁资源丰富，是地壳中仅次于铝、铁的第三种最为丰富的金属元素，其储量占地壳的2.5%；2、密度低，1.7g/cm3（轻金属）只有铝的2/3，使镁合金在许多性能上可与铝合金相媲美，在许多飞机零件和航天器中越来越多地使用镁合金3.化学性质活泼（阻碍应用）1755年，英国D.BLACK正式确定镁的存在；1808年，英国H.DAVY制得镁汞齐；1828年，法国A.BUSSY用钾还原制得纯镁；1930年，德国ALDER工厂将镁合金用于汽车零件；1936年，苏联将镁合金用于飞机零件；第一次世界大战期间，镁合金大量用于军事上；第二次世界大战期间，镁合金用量激增。战后镁合金主要用于汽车上；20世纪70年代镁合金应用出现回落；20世纪80年代由于能源危机，镁合金的应用开始回升，并有了长足的进步。镁及镁合金研究发展历程从1998年到2000年在汽车上的镁合金用量：北美由5.93万吨增至7.85万吨；欧洲由1.68万吨增至2.68万吨；日本由0.63万吨增至0.73万吨。西方目标：在每辆轿车上用镁合金30~40Kg。西方汽车商已把单量轿车用镁合金零件的多少作为衡量汽车科技含量的重要指标。向纯镁中加入一些合金元素制成镁合金。镁合金中常加入的合金元素有Al、Zn、Mn、Zr及稀土元素等。

添加Al：产生固溶强化，同时沉淀析出强化相Mg17Al12，增加了合金强度和塑性；

添加Mn：提高合金的耐热性和抗蚀性，并改善焊接性；

添加少量Zr和稀土元素：细化晶粒，提高耐热性并改善镁合金的工艺性能等多方面作用。

杂质元素：Fe、Ni、Cu等元素对Mg合金性能危害很大，作为杂质必须严格控制其在合金中的含量。

添加Zn：产生固溶强化，其沉淀析出相Mg2Zn3或MgZn2，强化效果不及Mg17Al12元素，故一般Zn元素用于配合其他合金元素来强化Mg；镁合金镁合金根据生产方式的不同分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。

镁合金的分类目前，主要是采用传统铸造工艺生产镁合金变形镁合金的发展是长远的目标和计划。大量镁合金产品采用铸造工艺进行生产。尤其是采用压铸工艺生产。压铸工艺生产镁合金具有生产效率高、精度高、凝固组织优良和可生产薄壁及复杂形状铸件。最常见的压铸镁合金是Mg-Al系合金，用铝合金化可提高合金的强度并具有更好的铸造性能。通过控制杂质含量，可通过压铸工艺生产出力学、耐腐蚀等综合性能优良的镁合金铸件。铸造镁合金金属镁化学性质活泼，温度在723K以上时氧化开始加剧。熔融状态下，镁液极易和空气中的氧、氮、水气发生化学反应，在接近1073K温度时会很快氧化燃烧。因此，镁合金熔炼铸造过程中需要进行保护。镁合金阻燃抗氧化方法(1)熔剂保护阻燃法：在镁合金整个熔炼过程中，在熔剂保护下隔绝大气进行。镁合金采用熔剂保护防燃使用最早也最广泛，具有工业应用价值。(2)气体保护阻燃法。常用气体为SF6、CO2和SO2。其中SF6为无色无味无毒气体，是最常用的镁合金保护气氛。但SF6、CO2等气体具有强烈的“温室效应”，由于它们对环境的污染需要找到一种合适的替代气体。(3)添加合金元素阻燃法。在镁合金中加少量的Be、Ca，可制备出燃点很高的阻燃镁合金。但Be、Ca的加入量需要严格控制，否则会强烈恶化组织，造成晶粒长大和热裂倾向加大。我国八个牌号的铸造镁合金又分为高强度铸造镁合金和耐热铸造镁合金两大类。

高强度铸造镁合金有Mg-Al-Zn系（ZM5）和Mg-Zn-Zr系，其有高的室温强度，塑性好且工艺性能优异，但耐热性差（<150℃使用），可用于制造飞机发动机，卫星中承受较高载荷的铸造结构件。

耐热铸造镁合金是Mg-RE-Zr系，合金工艺性能好，可在温度(200～250)℃长期使用，短期使用温度达(300～350)℃，但其常温强度和塑性较低。应用于更高温度下的耐热镁合金研发：

钍是提高镁合金高温性能最有效的合金元素，但钍的低放射性限制了Mg-Th合金的应用。

添加钪、钇对镁合金的有益影响是一个非常重要的发现，Drits等开发了一系列耐热高强WE型镁合金。该类合金良好的力学性能使其广泛应用于赛车及飞行器变速箱壳体上。变形镁合金与铸造镁合金相比，变形镁合金材料比铸造镁合金材料具有更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多样的结构件的需求。研究与开发新型变形镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，是国际镁协会（IMA）在2000年提出的发展镁合金材料的最重要、最具挑战性且是最长远的目标和计划。我国目前的变形镁合金主要为Mg-Mn系，Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系三类。Mg-Mn系合金有良好的耐蚀性和焊接性能，其板材用于制作焊接结构件Mg-Al-Zn系合金强度较高，塑性好，多用于制造有中等力学性能要求的零件；Mg-Zn-Zr系强度最高，属高强镁合金，在航空等工业应用最多，使用时应进行人工时效强化。发达国家十分重视镁合金研究与开发：美国的镁合金材料体系研制较为完备，合金系列有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE（稀土）、Mg-Li、Mg-Th等，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶态镁合金及镁基复合材料等。日本也着重研究镁的新合金、新工艺，开发出超高强变形镁合金材料和可冷压加工的镁合金板材。德国于1997年由政府教育部组织，全国60余家企业，6所大学耗资2500万马克制订了“高新制造技术发展计划”，以解决镁合金生产中各种技术难题。英国开发出Mg-Al-B挤压镁合金用于Magnox核反应堆燃料罐。以色列最近也研制出用于航天飞行器上兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金。法国和俄罗斯都生产出鱼雷动力电池用变形镁合金阳极薄板材料。我国镁合金材料开发与研究情况：镁资源世界第一；原镁产量世界第一；原镁出口世界第一（80%作为初级原材料出口）；镁及镁合金深加工应用规模和技术相对薄弱。我国是镁资源大国和生产大国，但不是镁强国※国家科技部把镁的产业化列入国家十·五重大攻关项目，把镁的开发列入国家863计划项目；※国家计委把镁产业的发展列入国家高新技术发展新材料专项；五位工程院院士联名上书，希望将镁合金的生产应用作为国家发展的重点。在新世纪，镁及镁合金材料研究和应用的快速发展已成为必然趋势！轿车用镁合金轮毂直升机变速箱壳体镁合金曲轴发动机左、右箱体盖；镁合金曲轴发动机后盖；镁合金前、后轮毂；镁合金后扶手；镁合金锁扣。全镁概念摩托车：12个零部件用镁合金替代（减重6Kg）兵器（减重）镁合金高比强度、良好电磁屏蔽和散热能力，优越的装饰及易于回收的特点，是制造电子产品外壳的理想材料。全镁合金手机、笔记本电脑等3C产品钛合金钛的密度小，为4.5g/cm3,熔点高，为1668℃；钛的强度相当于优质钢，比强度高，热膨胀系数很小，在加热和冷却过程中产生的热应力小；钛的导热性差，磨擦系数大，因而切削、磨削加工性能和耐磨性能差；钛在大气、高温气体以及中性、氧化性及海水等介质中具有极高的耐蚀性；钛在不同浓度的硝酸、铬酸以及碱溶液和大多数有机酸中也有良好的耐蚀性，但氢氟酸对钛有很大的腐蚀作用。钛合金架钛金属腕表耐腐蚀：即使把它们放在海水中数年，取出后仍光亮如新，其抗腐蚀性能远优于不锈钢，因此被广泛用于火箭、导弹、航天飞机船舶、化工和通讯设备等医用钛合金材料的优点机械强度高抗疲劳性能好加工工艺简单力学相容性好性价比高医用钛合金材料的用途人工关节内固定板牙根种植体固定螺钉等人造骨工业纯钛由于其比强度高、耐热性好、抗腐蚀性能优异等优点，是航空、船舶、化工等工业中常用的一种α-Ti合金，其板材和棒材可以制造350℃以及下工作的零件，如飞机蒙皮、隔热板、热交换器等。工业用钛合金按其退火组织可分为α、β和α+β三大类，分别称之为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金。钛中加入铝、硼等α稳定化元素获得α钛合金。α钛合金的室温强度低于β钛合金和（α＋β）钛合金，但高温(500～600℃)强度比它们的高，并且组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。主要用于制造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣和各种模锻件等，也可用于制造超低温用的容器。钛中加入钼、铬、钒等β稳定化元素得到β钛合金。钛合金有较高的强度、优良的冲压性能。适于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件等。钛中同时加入β稳定化元素和α稳定化元素，使α相和β相都得到强化而得到的（α＋β）钛合金，塑性很好，容易锻造、压延和冲压。这类合金是航空工业中应用比较广泛的一种钛合金。“黑鸟”军用飞机美国制造的著名“黑鸟”战机，其飞行速度已达3200千米/小时,是音速的2.5倍以上，其表面材料即为钛合金。以前飞机的外壳都用铝合金，但当飞机的速度超过音速的2.2倍时,飞机外壳与空气的剧烈摩擦而产生很高的温度。一般铝合金在300℃以上强度便大大下降。而钛合金在650℃以上仍泰然无事。因而制造超音速飞机的外壳材料就非钛莫属了。利用钛重量轻的特点，可用它来替代钢制部件，不仅使飞机的强度增大，且可使其自重大大降低。同时也就增加了飞机的载重量,节约了燃料。目前时速在3320千米、高度近10万米、有效载重达100吨的“巨无霸”飞机,钛的用量都在其机身的93%以上。US隐形战斗机法国阵风战斗机

海狼号核动力攻击潜艇英国大刀级导弹护卫舰普通钢铁制成的船体易被海水侵蚀，且海水深度每增加10米，压力就增大1个大气压。潜艇或军舰须用超强耐腐蚀材料来制造。而钛及其合金长期浸泡在海水中不被腐蚀，且由于其没有磁性，故用钛合金制造的舰船，可免受磁性水雷的攻击。所以美国的深海潜艇就是用钛合金制成的，它能够在4500米深海中航行。钛金计算机钛金插座板钛金支架托钛金水笼头钛金手机钛金直角锅钛在生活中的应用钛在医学上的应用钛是一种纯性金属，也就是说,因为钛的耐腐蚀性、稳定性高，使它在和人长期接触以后也不影响其本质，所以不会造成人的过敏，被人们称为“亲生物金属”。由于钛的密度与人骨相近，所以,钛在医学上有着独特的用途。医学上“钛骨”就如真的骨头一样，甚至可以用钛制人造骨头来代替人骨治疗骨折。钛种植体-骨界面的

高分辨透射电镜图

股骨远端髁支持接骨板纯钛腕关节融合接骨板4.5mm髋部钩状接骨板锁定加压接骨板空心钛螺钉钛合金髋动力螺钉钛骨植入物X光透视图钛在医学上的应用3.4.2钢铁的金属结构与性能钢和铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。世界第一钢铁高塔——埃菲尔铁塔钢材：钢经塑性变性后，具有一定形状和物理、化学性能的材料。钢：碳含量（0.02—2%）的铁碳合金钢的分类：按碳含量分:低碳钢:(0.02%<C<0.25%)中碳钢:(C:0.25%--0.6%)高碳钢:(0.6%<C<2%)

生铁：碳含量>2%的铁碳合金

纯铁：碳含量<0.02%的铁碳合金

铁（α-Fe、β-Fe、γ-Fe、δ-Fe）炒菜用的铁锅、下水井盖是由生铁铸造的钢铁中的物相：合金元素的存在方式：石墨奥氏体铁素体渗碳体马氏体C在γ-Fe的空隙形成的间隙固溶体相极少量的C在α-Fe中形成的固溶体相Fe与C为3:1的化合物,Fe3C1.6%的C在α-Fe中形成的过饱和固溶体相3.4.3铜及其合金纯铜：即工业纯铜（也叫紫铜或电解铜）

合金：黄铜（铜锌二元合金）；青铜（锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、锰青铜等）；白铜纯铜：是玫瑰红色金属，但表面形成氧化铜故呈紫色，所以叫紫铜具有良好的导电性、导热性和耐蚀性(1)黄铜：锌与铜的合金称为黄铜。(2)白铜：镍与铜的合金（呈银白色）称为白铜。(3)青铜：以前把铜与锡的合金（呈青灰色）称作青铜，现在则把除了黄铜和白铜以外的铜合金称作青铜。常用的有锡青铜、铝青铜和硅青铜等。合金:青铜是人类历史上一项伟大发明，是金属治铸史上最早的合金1975年甘肃东乡林家马家窑文化遗址（约公元前3000左右）出土一件青铜刀，这是目前在中国发现的最早的青铜器，是中国进入青铜时代的证明。宋青铜辟邪风铃宋青铜莲花钵在人体保健上的应用：铜是人体健康不可缺少的微量营养素（含量位居第二），对于血液、中枢神经和免疫系统，头发、皮肤和骨骼组织以及脑子和肝、心等内脏的发育和功能有重要影响。铜缺乏可引起如下疾病：1、贫血（表现为头晕、乏力、易倦、耳鸣、眼花。皮肤黏膜及指甲等颜色苍白，体力活动后感觉气促、心悸）2、骨骼改变（临床表现为骨质疏松，易发生骨折）3、铜与冠心病

4、引起白癜风病5、女性不孕症

过多的铜进入体内可出现恶心、呕吐、上腹疼痛、急性溶血和肾小管变形等中毒现象。（注:可溶性铜盐都有毒,主要因为铜离子能使蛋白质变性,失去生理活性）世界卫生组织建议，为了维持健康，成人每公斤体重每天应摄入0.03毫克铜。缺铜可以服用含铜补剂和药丸来加以补充。（葡萄糖酸铜）铜主要从日常饮食中摄入：许多天然植物中含有丰富的铜，如坚果类（核校，腰果），豆类（蚕豆，豌豆），谷类（汪麦，黑麦），蔬菜，动物的肝脏，肉类及鱼类等。通常10片全麦面包约含铜1毫克。一般肉类食物平均含铜2．5毫克／公斤，动物肝脏以及贝类含铜量高，平均超过20毫克／公斤。K金:商店里出售的金首饰，上面都标有K数。K数是表示金的纯度指标，K数越高，表示含金量越高，价格也越高。24K表示含金量达99.5%以上，这种金很软，强度也较差；18K金表示含金量在75%左右，这种金比纯金的硬度和强度大；有些金笔尖是14K金（含金58.3%），硬度就更大一些，也更耐磨。什么是24K金、什么是18K金？附加：金合金3.5新型合金材料1.储氢合金2.形状记忆合金3.高性能合金

储氢的传统方法液化钢瓶

储氢金属或合金——能吸收H2的金属或合金。储氢金属或合金为什么能储存氢气？，氢元素较活泼，原子半径又小，它很容易钻进金属空隙中去并和金属

起化学反应生成金属氢化物。金属结构中存在着很多空隙1.储氢合金在储氢合金中，一个金属原子能与2-3个甚至更多个氢原子结合，生成金属氢化物。所以储氢合金的储氢能力很强，

一单位体积的储氢合金能储存1000—1300单位体积的氢。在储氢合金中，氢原子密度要比同样温度和压力条件下的气态氢大1000倍，也就是说，相当于储存1000个大气压的高压氢气。

放热

金属（合金）+H2储氢金属或合金

吸热

一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相等的氢气，其重量只有氢气瓶的1/3，而体积却不到氢气瓶的1/10。因此，用储氢合金储氢是一种很理想的储氢手段。例镁系

钛系储氢合金

铁系

稀土

应用

氢能汽车、高速飞机燃料传热介质

镍氢电池

紧急救生材料…2.形状记忆合金形状记忆合金：合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

人们利用同一种成分的材料可以有不同的“相”，就能演出一幕幕“相”变戏，即改变外界条件如温度,使材料由一种晶体结构变成另一种晶体结构，材料的力学性能和物理或化学性能也就随之改变，当温度恢复时材料的晶体结构也恢复到原来的状态，性质也随之复原。

在实际应用中，形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来开发其形状记忆功能的。形状记忆合金记忆原理：形状记忆合金的结构和性能：形状记忆效应可用下图所示的简单实验演示，原本弯弯曲曲的形状记忆合金丝（a）经拉直后（b），只要放入盛有热水的烧杯中，合金丝就会迅速恢复到和原来一摸一样的弯弯曲曲的形状（c）。(a)原始形状(b)拉直(c)加热后恢复永不忘本的金属形状记忆合金不仅单次“记忆”能力几乎可达百分之百，即恢复到和原来一模一样的形状，更可贵之处在于这种“记忆”本领即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳断裂。因此，形状记忆合金享有“永不忘本”、“百折不挠”等美誉，被比作一个人应具有的永不变节、坚贞不屈的精神和气节。实现月、地之间的信息沟通1969年7月20日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下的第一个人类的脚印，谛听着这位勇士从月宫里传回的富于哲理的声音：“对我个人来说，这只是迈出的一小步；但对全人类来说，这是跨了一大步”。阿姆斯特朗当时的图像和声音就是通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面的。

月球上使用的形状记忆合金天线

（a）原始形状（b）折成球形装入登月舱（c）太阳能加热后科学家用当时刚刚发现不久的形状记忆合金丝制成了如图（a）所示的抛物线形天线。在宇宙飞船发射之前，首先将抛物面天线折叠成一个小球，如图（b）所示，这样很容易就能装进宇宙飞船上的登月舱内。当登月舱在月球上成功着陆后，只需利用太阳的辐射能对小球加温，折叠成球形的天线因具有形状“记忆”功能便会自然展开，恢复到原始的抛物面形状，如图（c）所示。在医学上的应用形状记忆合金在现代临床医疗领域内已获得广泛应用，正扮演着不可替代的重要角色。例如，各类人体腔内支架、心脏修补器、血栓过滤器、口腔正畸器、人造骨骼、伤骨固定加压器、脊柱矫形棒、栓塞器、节育环、医用介入导丝和手术缝合线等等，都可以用形状记忆合金制成。

医用腔内支架的应用原理示意

（a）预压缩（b）受热扩张后（c）植入腔道内效果作为一类新兴的功能材料，形状记忆合金的很多新用途正不断被开发。记忆合金还可以制成任意变形的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复