金屬的用途
“大地之子”-----鈦
鈦是一種銀白色的金屬，早在1791年，英國科學(xué)家威廉姆·格里戈爾在英國密那漢郊區(qū)找到這種神奇的元素時，首先發(fā)現(xiàn)了這種新元素。過了4年，德國化學(xué)家克拉普洛特又從匈牙利布伊尼克的一種紅色礦石中，發(fā)現(xiàn)了這種元素，便以希臘神話中的英雄來命名。鈦的意思是“地球的兒子”。鈦的外形很像鋼鐵，但遠(yuǎn)比鋼鐵堅硬，且體重只有鐵的一半。在常溫下，鈦可以安然無恙地“躺”在各種強酸、強堿中；就連最兇猛的酸------ 王水，也不能腐蝕它。有人曾把一塊鈦片扔進(jìn)大海，經(jīng)過5年以后取出來，仍然閃閃發(fā)亮，沒有半點銹斑。俗話說:“真金不怕火煉”?？墒氢伒娜埸c比黃金還高出 600多攝氏度。正因為鈦的本領(lǐng)非凡，所以有著廣泛用途?，F(xiàn)在，鈦是制造飛機、坦克、軍艦、潛艇不可缺少的金屬。在宇宙飛船和導(dǎo)彈中，也大量用鈦代替鋼鐵。鈦與氮、碳結(jié)合生成的氮化鈦、碳化鈦，也是非常堅硬的化合物，它們的耐熱本領(lǐng)甚至還比鈦高1倍。這樣堅硬而耐熱的材料，可以代替超級鋼，制造高速切削刀具。鈦的許多特殊性能，還在化工、超聲波和超導(dǎo)技術(shù)中得到應(yīng)用。然而，鈦有個最大的缺點，就是提煉比較困難。這主要是因為鈦在高溫下可以與氧、碳、氮以及其他許多元素化合。所以人們曾把鈦當(dāng)作“稀有金屬”,其實，鈦的含量約占地殼重量的6‰，比銅、錫、錳、鋅的總和還要多10多倍。在世界上，我國鈦的儲藏量最多，四川的攀枝花，鈦的儲藏量占全國90%以上，是世界上罕見的大鈦礦。
鋁的外衣
將銀白色的鋁放在空氣中，沒有多久，便穿上了一件極薄的、近乎透明的白色外衣——氧化膜。
真使人難以相信，鋁的這件外衣，同光彩奪目的紅、藍(lán)寶石的主要成分竟是一個東西，都是氧化鋁(A1203)。它們的區(qū)別，只是晶體的結(jié)構(gòu)不同。然而，你可別瞧不起鋁的這件貌不驚人的外衣，它對于鋁的使用卻作出了杰出的貢獻(xiàn)哩!
大家都知道，鋼鐵是具有多種寶貴性能的材料。將鋼鐵放在空氣中，也會穿上一件外衣——鐵銹(主要成分是氧化鐵)?？墒卿撹F的這件外衣結(jié)構(gòu)很疏松，大氣中的氧、水蒸氣、二氧化碳分子都能穿過這件外衣的無數(shù)孔隙，深入到鋼鐵內(nèi)部，繼續(xù)把鋼鐵變成鐵銹，直至整塊鋼鐵都變成無用的“爛鐵”為止。所以，為了保護(hù)鋼鐵不被銹蝕，人們常讓鋼鐵制品另外穿上一件保護(hù)衣——防銹物質(zhì)。
鋁的外衣與鋼鐵的外衣不同，它雖然非常薄，但是卻“天衣無縫”，非常致密。即使把鋁塊拉長、壓扁、扭轉(zhuǎn)或彎曲，它也不會松掉、脫落，仍能牢牢地裹在鋁的表面。氧氣、水蒸氣、二氧化碳分子對它都無可奈何，鉆不過去。
鋁的外衣——氧化鋁不溶于水，熔點高達(dá)2050℃。把鋁制品加熱到660℃時，金屬鋁已熔化成為液體，可是氧化鋁仍然覆蓋在液態(tài)鋁表面，防止氧氣與鋁接觸。
鋁的外衣稱得上是一副不怕水浸、火燒，能夠保護(hù)自己免受大氣腐蝕的盔甲。
但是，鋁的外衣也有關(guān)中不足之處：一是天然形成的這件防護(hù)衣太薄了，厚度只有萬分之二到萬分之四毫米，一張普通的紙也比它厚五百倍，因此經(jīng)不起機械的損傷；二是怕酸、怕堿。如果這件外衣能夠再厚一些，能更堅硬、耐磨損、耐腐蝕，就更好了。
為了使鋁的外衣增厚，人們想到，鋁的外衣——氧化鋁膜，是鍋與空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)生成的。如果用比氧具有更強的氧化性物質(zhì)來和鋁發(fā)生氧化反應(yīng)，那末，生成的氧化鋁膜豈不是可以更厚實一些了嗎?
于是，人們先用磷酸鈉(Na3PO4)、氫氧化鈉(NaOH)、硅酸鈉(Na2SiO3)等溶液洗去鋁制品表面的油污，再讓它在熱水中洗個澡，然后浸在鉻酸鈉(Na2CrO4)、碳酸鈉(Na2CO3)及氫氧化鈉混和液中進(jìn)行氧化處理。由于鉻酸鈉是一種強氧化劑，鋁的外衣一—氧化鋁膜果然大大增厚了。
在工業(yè)上，人們將鋁制品浸在電解質(zhì)溶液中作陽極，通入直流電使鋁氧化，也生成了較厚的氧化鋁膜。人工加厚的氧化鋁膜比天然形成的厚八十多倍，達(dá)0．015—0．017毫米。
有趣的是，人工加厚的鋁制品外衣，還真象人穿的衣服一樣可以染上各種顏色。這樣，鋁制品就不再是一律穿銀白色的外衣了，而是可以穿上金黃、大紅、寶藍(lán)、翠綠等五光十色的漂亮衣服。你們看到的逗人喜愛的金黃色筆套、彩色金屬鈕扣、打火機等等鋁制品，它們穿的就是染了色的氧化鋁外衣。
燈泡的化學(xué)
當(dāng)我們輕輕一按開關(guān)，亮起書桌上的臺燈來溫習(xí)時，我們又對這個助手有多少認(rèn)識呢？
想一想 你知道一個普通燈泡怎樣發(fā)光嗎？
燈泡所以能夠發(fā)光，是因為電流經(jīng)過鎢的金屬絲（又稱鎢絲）時產(chǎn)生高熱所引致的。我 們所以選用鎢絲，是因為它是熔點最高的金屬（其熔點為3422oC），在攝氏1000多度的環(huán)境下仍舊保持不變，而其他金屬在這環(huán)境下早已熔掉了。
鎢和很多金屬一樣，在高溫時很快便會被氧化和燒斷，所以燈泡里不能存有氧氣。但如果抽出所有空氣令燈泡真空，高溫的鎢又很容易蒸發(fā)成為氣體，縮減了燈泡的壽命。那怎么辦呢？為了延長燈泡的壽命，燈泡里會載滿氬這種惰性氣體，并且加了點壓力，以減低蒸發(fā)的機會。此外，燈泡里還加點碘，同樣是為了減慢鎢蒸發(fā)的速度。這是因為鎢和碘在約1000oC 的環(huán)境下會變成碘化鎢，但當(dāng)?shù)饣u再接觸高熱的鎢絲時，又再變回鎢和碘。這樣，便可以使燈泡的壽命延長一點了。
水不能撲救哪些物質(zhì)造成的火災(zāi)
當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，很多人會習(xí)慣的用水去滅火，但事實上有些時候卻不能這么做，下面這些著火的情況便不能用水去滅火，否則變成了“火上澆油”。
（1）堿金屬不能用水撲救。因為水與堿金屬（如金屬鉀、鈉）作用后能使水分解而生成氫氣和放出大量熱,容易引起爆炸。
（2）碳化堿金屬、氫化堿金屬不能用水撲救。如碳化鉀、碳化鈉、碳化鋁和碳化鈣以及氫化鉀、氫化鎂等遇水能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)出大量熱，可能引著火和爆炸。
（3）密度小于水的和不溶水的易燃液體，原則上不可以用水撲救。
（4）熔化的鐵水、鋼水不能用于撲救。因為鐵水、鋼水溫度約在1 600 ℃，而水蒸氣在1 000 ℃以上時便能分解出氫氣和氧氣，有引起爆炸危險。
（5）高壓電器裝置火災(zāi)，在沒有良好接地設(shè)備或沒有切斷電流的情況下，一般不能用水撲救。
鋼鐵和合金
鋼鐵和合金統(tǒng)稱為金屬材料。金屬材料一般利用它們的物理性質(zhì)，如延展性、硬度、抗拉強度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性等。有時也利用它們的化學(xué)性質(zhì)，如抗氧化、抗酸堿性等。除了作導(dǎo)線、儀器儀表的零部件、廚房用具等外，很少用金屬單質(zhì)，常用的是它們的合金，因為合金的性能和使用價值都比單質(zhì)高。
通常所指的合金是有色合金的泛稱，如銅合金、鋁合金等。實際上鋼也是合金，普通的鋼材是鐵和碳的合金，所以也叫碳素鋼。鋼里除鐵、碳外，加入其他的元素，就叫合金鋼。另加入一種元素的合金鋼，即是三元合金鋼。如錳鋼、硅鋼（也叫矽鋼，矽是硅過去的中文名稱）等。另外加入兩種或兩種以上元素的叫多元合金鋼。合金鋼還常按用途命名，如工具鋼、高速鋼、不銹鋼等。
我國的鋼鐵工業(yè)發(fā)展較快，特別是一些大型鋼鐵廠的建成投產(chǎn)，鋼的年產(chǎn)量迅速增加（目前寶鋼的年產(chǎn)量為600萬噸，到1999年可達(dá)1000萬噸），1993年已達(dá)8688萬噸，居世界第三位。
下面介紹一些重要的鋼種。
在碳素鋼中有一般碳素鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼。前者含碳量在0.4％以下的用作鐵絲、鉚釘、鋼筋等建筑材料，含碳量0.4～0.5％的用作車輪、鋼軌等，含碳量 0.5～0.6％的用來制造工具、彈簧等。后者含硫、磷等雜質(zhì)比一般碳素鋼低，常用作機械零件，在機械制造業(yè)中應(yīng)用最多。
在合金鋼中有錳鋼、硅鋼等。錳鋼一般含錳1.4～1.8％，用于制造汽車、柴油機上的連桿螺栓、半軸、進(jìn)汽閥和機床的齒輪等。硅鋼是含硅量高的鋼，具有很高的電阻，在電氣工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。例如，變壓器用的鋼即是含碳量小于0.02％、含硅3.8～4.5％的硅鋼。
在按用途命名的鋼中，常見的有工具鋼、高速鋼和不銹鋼。
工具鋼是用作車刀、刨刀、銼刀、鋸條、拉絲工具等的合金鋼。常用的有鉻鋁工具鋼（含鉻1.2～1.5％、含鋁1.0～1.5％）、鉻鉬釩工具鋼（含鉻 11～12％、含鉬0.4～0.6％、含釩0.15～0.3％）、鉻錳鉬工具鋼（含鉻0.6～0.9％、含錳1.2～1.6％、含鉬0.15～0.3％）等。
高速鋼也叫鋒鋼，是含鎢的合金鋼，用于制造高速運轉(zhuǎn)的切削工具。它一般含鎢8.5～19％、含鉻3.8～4.4％、含釩1～4％。
不銹鋼主要指含鉻、鎳的合金鋼，品種很多，常見的有含鉻17～20％、含鎳8～11％。如果再加入鈦（1％左右），鋼的耐酸能力更強。
重要的有色金屬合金中，銅合金較多，下面介紹其中的5種。鋁青銅含銅90～95％、鋁5～10％，用作裝飾品和用具。
青銅含銅67～89％、鋅2～33％、錫0～9％（不含錫的也叫無錫青銅）、鉛0～2％，用作制造機械零件。此外還有特種青銅，如磷青銅、鈹青銅、硅青銅等，具有耐腐蝕、高導(dǎo)電性能，用于儀表工業(yè)。
黃銅含銅66～73％、鋅27～34％，常用于制造船舶機械零件。
鋁黃銅含銅68～70％、鋅27～31％、鋁1～3％，用于制造船的推進(jìn)機翼、舵等。
德國銀含銅45～62％、鋅20～30％、鎳15～18％，呈銀色、硬度高、電阻大，用來制作裝飾品和電熱器。
鋁合金中主要有堅鋁和鋁鎂合金。堅鋁含鋁95.5％、銅3％、錳1％、鎂0.5％，堅硬而輕，用于制造汽車和飛機。
鋁鎂合金含鋁90～94％、鎂6～10％，可制作儀器及天平梁。
易熔合金有鑄字合金、巴比特合金、伍德合金和焊錫等。鑄字合金（也稱活字金）含鉛70％、銻18％、錫10％、銅2％，用于制造鉛字。
巴比特合金含錫70～90％、銻7～24％、銅2～22％，它是包含堅硬晶體的過冷液體，受到壓力時會自動調(diào)整而減少磨損，用于制造機械的軸承。
伍德合金含鉍38～50％、鉛25～31％、錫12.5～15％、鎘12.5～16％，熔點低（60～70℃），用于制作汽鍋的安全閥等。
焊錫含鉛67％、錫33％，熔點為275℃，用于熔接金屬。
此外，含鎳60～75％、鐵12～26％、鉻11～15％、錳1～2％的鎳鉻合金，電阻大、耐腐蝕，常用作電熱絲（鎳鉻絲）。
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新型金屬材料
新型金屬材料種類繁多，它們都屬合金。
形狀記憶合金形狀記憶合金是一種新的功能金屬材料，用這種合金做成的金屬絲，即使將它揉成一團，但只要達(dá)到某個溫度，它便能在瞬間恢復(fù)原來的形狀。形狀記憶合金為什么能具有這種不可思議的“記憶力”呢？目前的解釋是因這類合金具有馬氏體相變。凡是具有馬氏體相變的合金，將它加熱到相變溫度時，就能從馬氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體結(jié)構(gòu)，完全恢復(fù)原來的形狀。
金屬[1]是一種具有光澤(即對可見光強烈反射)、富有延展性、容易導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性質(zhì)的物質(zhì)。 金屬的上述特質(zhì)都跟金屬晶體內(nèi)含有自由電子有關(guān)。
最早研究成功的形狀記憶合金是Ni－Ti合金，稱為鎳鈦腦（Nitanon）。它的優(yōu)點是可靠性強、功能好，但價格高。銅基形狀記憶合金如 Cu－Zn－Al和 Cu－Al－Ni，價格只有Ni－Ti合金的10%，但可靠性差。鐵基形狀記憶合金剛性好，強度高，易加工，價格低，很有開發(fā)前途。表7－3列出一些形狀記憶合金及其相變溫度。
形狀記憶合金由于具有特殊的形狀記憶功能，所以被廣泛地用于衛(wèi)星、航空、生物工程、醫(yī)藥、能源和自動化等方面。
在茫茫無際的太空，一架美國載人宇宙飛船，徐徐降落在靜悄悄的月球上。安裝在飛船上的一小團天線，在陽光的照射下迅速展開，伸張成半球狀，開始了自己的工作。是宇航員發(fā)出的指令，還是什么自動化儀器使它展開的呢?都不是。因為這種天線的材料，本身具有奇妙的“記憶能力”，在一定溫度下，又恢復(fù)了原來的形狀。
多年來，人們總認(rèn)為，只有人和某些動物才有“記憶”的能力，非生物是不可能有這種能力的。可是，美國科學(xué)家在五十年代初期偶然發(fā)現(xiàn)，某些金屬及其合金也具有一種所謂“形狀記憶”的能力。這種新發(fā)現(xiàn)，立即引起許多國家科學(xué)家的重視。研制出一些形狀記憶合金，廣泛應(yīng)用于航天、機械、電子儀表和醫(yī)療器械上。
為什么這些合金不“忘記”自己的“原形”呢?原來，這些合金都有一個轉(zhuǎn)變溫度，在轉(zhuǎn)變溫度之上，它具有一種組織結(jié)構(gòu)，面在轉(zhuǎn)變溫度之下，它又具有另一種組織結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)不同性能不同，上面提及美國登月宇宙飛船上的自展天線，就是用鎳鈦型合金作成的，它具有形狀記憶的能力。這種合金在轉(zhuǎn)變溫度之上時，堅硬結(jié)實，強度很大;而低于轉(zhuǎn)變溫度時，它卻十分柔軟，易于冷加工?？茖W(xué)家先把這種合金做成所需的大半球形展開天線，然后冷卻到一定溫度下，使它變軟，再施加壓力，把它彎曲成一個小球，使之在飛船上只占很小的空間。登上月球后，利用陽光照射的溫度，使天線重新展開，恢復(fù)到大半球的形狀。
形狀記憶合金問世以來，引起人們極大的興趣和關(guān)注，近年來發(fā)現(xiàn)在高分子材料、鐵磁材料和超導(dǎo)材料中也存在形狀記憶效應(yīng)。對這類形狀記憶材料的研究和開發(fā)，將促進(jìn)機械、電子、自動控制、儀器儀表和機器人等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。
高溫合金渦輪葉片是飛機和航天飛機渦輪噴氣發(fā)動機的關(guān)鍵部件，它在非常嚴(yán)酷的環(huán)境下運轉(zhuǎn)。渦輪噴氣發(fā)動機工作時，從大氣中吸入空氣，經(jīng)壓縮后在燃燒室與燃料混合燃燒，然后被壓向渦輪。渦輪葉片和渦輪盤以每分鐘上萬轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)，燃?xì)獗粐娤蛭膊坎⒂蓢娡矅姵觯瑥亩a(chǎn)生強大的推力。在組成渦輪的零件中，葉片的工作溫度最高，受力最復(fù)雜，也最容易損壞。因此極需新型高溫合金材料來制造葉片。
貯氫合金氫是21世紀(jì)要開發(fā)的新能源之一。氫能源的優(yōu)點是發(fā)熱值高、沒有污染和資源豐富。貯氫合金是利用金屬或合金與氫形成氫化物而把氫貯存起來。金屬都是密堆積的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中存在許多四面體和八面體空隙，可以容納半徑較小的氫原子。如鎂系貯氫合金如MgH2，Mg2Ni等；稀土系貯氫合金如LaNi5，為了降低成本，用混合稀土 Mm代替La，推出了MmNiMn， MmNiAl等貯氫合金；鈦系貯氫合金如TiH2，TiMn1.5。貯氫合金用于氫動力汽車的試驗已獲得成功。隨著石油資源逐漸枯竭，氫能源終將代替汽油、柴油驅(qū)動汽車，并一勞永逸消除燃燒汽油、柴油產(chǎn)生的污染。
非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金又稱為金屬玻璃，具有拉伸強度大，強度、硬度高，高電阻率、高導(dǎo)磁率、高抗腐蝕性等優(yōu)異性能。適合做變壓器和電動機的鐵芯材料。采用非晶態(tài)合金做鐵芯，效率為97%，比用硅鋼高出10%左右，所以得到推廣應(yīng)用。此外，非晶態(tài)合金在脈沖變壓器、磁放大器、電源變壓器、漏電開關(guān)、光磁記錄材料、高速磁泡頭存儲器、磁頭和超大規(guī)模集成電路基板等方面均獲得應(yīng)用。
加載中...
