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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,金属材料化学,第1页,第1页,由金属或由以金属元素为主形成含有普通金属特性材料称为金属材料。,金属单质,合 金,由一个金属与其它金属或非金属融合在一起形成含有金属特性物质。,如:钢、铝合金,金属材料,第2页,第2页,5.1 金属概论,金属存在,金属分类,金属性质,第3页,第3页,1 金属存在,在自然界中，除金、银、铂等少数金属以单质形式存在外，大多数金属以各种矿物形式存在。,金属提炼,预处理,精炼,冶炼,第4页,第4页,2.金属分类,（1）,按化学活泼性分类,活泼金属,(s区、IIIB族),中档活泼金属,(d区、ds区、p区),不活泼金属,(d区),第5页,第5页,（2）工程技术分类,轻金属,铁、锰、铬及其合金,黑色金属,有色金属,密度小于5 g,cm,-3,金属,重金属,密度不小于5 g,cm,-3,金属,贵金属,地壳中含量少，开采提取困难,价格,贵金属包括金、银和铂族元素。,稀 有 金 属,在自然界分布较少，发觉较迟，提,取难，工业应用较晚。,放射性金属,原子核能自发放射出射线金 属。,第6页,第6页,3.金属性质,(1)物理性质,光泽,大多数金属呈银白色光泽。,密度,除锂、钠、钾比水轻外，其余金属密,度都不小于1 g,cm,-3,。,最轻金属是锂，最重金属是锇。,第7页,第7页,熔点,S区金属原子半径较大，多数熔点较低。,d 区金属熔点大都较高。,VB-VIIB族金属(除锰外)是,高熔点金属。,VB-VIIB族金属熔点较高与它们价电子较多且原子半径较小相关；IIB金属熔点较低与其无未成对电子相关；P区金属则是它们晶体结构由原子晶体向分子晶体逐步转变趋势。,熔点最高金属是钨，熔点最低金属是汞。,IIB族和P区金属是,低熔点金属。,第8页,第8页,导电性,金属普通是良导体，尤其ds区,银、铜 和,p区,铝,。,金属导电性普通随温度升高而下降，杂质对金属导电性能力影响很大，普通说来，金属纯度越高，导电性越好。,导热性,导电性好金属普通导热性能也较好。,延展性,延展金属时，即使发生了变形，但并不破坏金属键，故不发生断裂。,第9页,第9页,热膨胀性,如 镓、锑：,“热缩冷胀”,磁性,铁磁材料,顺磁材料,逆磁材料,铁、钴、镍等,锰、铬、钼、钨等,铜、锡、铅、锌等,居里点,铁磁材料加热到某一温度时失去磁性，此点称为居里点。,绝大多数都是热胀冷缩，但少数金属例外。,第10页,第10页,金属单质化学性质主要表现为,还原性,。,M,M,n+,+ne,-,(2)化学性质,金属与氧(空气)作用,绝大多数金属都能与氧作用。金属性越强，与氧反应越激烈。有氧化物结构疏松不能制止氧化反应继续进行，而有结构非常致密，有效预防金属进一步氧化而使金属钝化。,通式,mM+O,2,M,m,O,n,n,2,第11页,第11页,金属与水作用,金属与水作用难易程度与两个原因相关：,a.金属,电极电势,b.反应产物性质,M,(s),+nH,2,O,(l),M(OH),n,(s),+H,2,(g),n,2,周期系主族中活泼金属都能与水作用，反应激烈程度符合周期中金属活泼性自上而下、自右而左增强规律。,第12页,第12页,金属与酸、碱作用,金属与酸反应用金属活动序或电极电势来判断。,a.金属活动序与周期系中元素周期性递变规律,不完全一致。,b.由于钝化膜，有些活泼金属难溶于浓硫酸和,浓硝酸。,金属能否与强碱反应，主要取决于两个原因：,a.在强碱介质中金属能否与水作用。,b.生成氢氧化物是否可溶于碱（既生成氢氧,化物是否含有两性）。,第13页,第13页,5.2 周期系中金属元素,主族,金属元素,过渡金属元素,稀土金属元素,第14页,第14页,1 主族,金属元素,(1)s,区金属元素,外层电子构型,ns,12,A,碱金属,Li Na K Rb Cs,Fr,氧化数 +1,A,碱土金属,Be Mg Ca Sr Ba,Ra,氧化数 +2,第15页,第15页,Ge Sn Sb Bi 出现,过渡型晶体结构,（2）p,区金属元素,外层电子构型,A,Al Ga In Tl,A,Ge Sn Pb,A,Sb Bi,A,Po,ns,2,np,14,第16页,第16页,2.过渡金属元素,过渡元素:,过渡元素,分别位于第4、5、6周期中部.由于同周期元素性质相近，又将过渡元素分为三个系列:,周期系中d和ds区元素(不包括镧系和锕系元素),第一过渡系列 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn,第二过渡系列 Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd,第三过渡系列 La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg,第17页,第17页,外层电子构型:,(n-,1,)d,110,ns,12,(1)价电子依次填充在次外层d电子层上，最外,层只有一个或两个电子。,(2)单质都是金属，其金属性比同周期p区元素,强，但较s区元素弱。,例外:Pd 4d,10,共同特点:,(3)过渡金属水合离子大都含有特性颜色。,(4)过渡金属离子都有未充斥(n-1)d轨道、,ns和np轨道。另外，离子半径也较小，因,而易接受配位体形成配离子。,第18页,第18页,3.,稀土金属元素,B族钪、钇和镧系元素性质非常相同，并且在矿物中也经常共生，因而把它们统称为“稀土元素”。,镧系元素:,周期系57号元素位置上，另有14种元素，即从58号铈到71号镥，与镧一起称为镧系元素(用Ln表示)。,稀土元素:,第19页,第19页,4f,114,6s,2,外层电子构型:,(1)价电子依次填充在次次外层4f亚层上，,最后,增长电子也有填充到5d轨道上。,(2)普通+3氧化数比较稳定。,(3),镧系金属+3价离子在水溶液中大多数有颜色。,(4),镧系金属是强还原剂，其电极电势相称于金,属镁。,(5)与水作用产生氢，遇酸强烈反应，但不与碱,作用。,共同特点:,第20页,第20页,应用,领域,用 途 及 特 性,稀土金属能够作为脱氧剂、脱硫剂、吸氢剂和球化剂,冶金工业 在难熔金属或合金中加入稀土，能够大大改进金属合,金延展性，提升温度抗氧化能力提升。,石油化工 作为催化剂广泛用于有机合成，也可用于汽车尾气处,理，使CO转化率达88%。,玻璃陶瓷 CeO,2,精密光学玻璃抛光剂，含La,2,O,3,光学玻璃有,很高折射率。,其 它 磁性材料、发光材料、储氢、超导、核燃料稀释等,稀土金属一些工业应用,第21页,第21页,5.3 合金,合金结构和类型,合金材料,第22页,第22页,1.合金结构和类型,合金从结构上可分为下列三种基本类型：,（1）混合物合金,两种或各种金属机械混合物。,熔融:完全或部分互溶,凝固:金属各自结晶,混合物合金导电、导热等性质与组分金属有很大不同。,第23页,第23页,（2）固溶体合金,两种或各种金属不但熔融时能互相溶解，,并且凝固时也能保持互溶状态固态溶液。,纯金属晶格,取代固溶体晶格,间隙固溶体晶格,溶剂原子,溶质原子,第24页,第24页,（3）金属化合物合金,两种金属元素原子外层电子结构、电负性和原子半径差别较大时所形成金属化合物。,通常分为,正常价化合物,和,电子化合物,。,正常价化合物：,金属原子间通过化学键形成，成份固定，符合氧化数规则。,电子化合物：,金属原子间通过金属键形成，成份在一定范围内改变，不符合氧化数规则。,第25页,第25页,2 合金材料,（1）铁合金,钢,铁:,地壳中藏量4.2%，仅次与铝。,Fe,3,O,4,磁铁矿 磁 性,化合物 Fe,2,O,3,赤铁矿 紫红色,2Fe,2,O,3,3H,2,O 褐铁矿 棕黄色,FeS,2,黄铁矿 金黄色,第26页,第26页,1970年，前苏联空间站“月亮-16”首先从月球上带回铁矿石样品，含极微小纯铁颗粒。,金属表面处理办法：,用人为粒子流冲击金属表面。,从月球矿石提取铁特殊装置，可日产1吨铁。,第27页,第27页,熟 铁,铁按含碳量多少可分为：,碳素钢,生 铁,(0.25%)韧性好,强度低,焊接性能优良,薄铁皮、铁丝铁管等,低碳钢,中碳钢,高碳钢,12%,合金钢：,第29页,第29页,铝合金,（2）轻质合金,铝,:地壳中藏量为7.45%,是含量最多金属。,当前年产量仅次于铁。,密度小，导电性好，惯用铝代替铜制造电线。,硬铝合金,:加入少许铜、锰、镁等金属，再通过热处,理使其强度大为提升。俗称“钢精”。,轻盈美观 不易生锈,铝合金强度可与钢媲美，但却比其轻近1/4，,可广泛用于航空航天业.,第30页,第30页,钛,:拉丁文 “Titanium”,特 点：,a.密度较小,b.钛合金强度高,c.抗蚀性好,d.工作温度范围宽(,-,200,500,),钛合金,第31页,第31页,由于钛合金抗蚀性好，工作温度范围宽，,可用作液氮或液氦等低温容器。,钛合金强度高，几乎是铝合金5倍。热处理后，它强度与高强度钢相称，但密度仅为钢57%。,“空间金属”,美国新式战斗机含钛量不小于90%,“深海金属”,1977年，前苏联用3500多吨钛制造,当初航行速度最快核潜艇。,第32页,第32页,19,世界钛生产量 0.2克,1947年,世界钛生产量 2 吨,1955年,世界钛生产量 2万吨,1962年,世界钛生产量 10万吨,1972年,世界钛生产量 20万吨,当前，每年用于航天业钛不小于1千吨。,未来钢铁，21世纪金属,第33页,第33页,（3）硬质合金,以硬质化合物为硬质相，以金属或合金作,粘接相复合材料。,第,B金属与C、N、B所形成,间隙化合物，如 WC。,第34页,第34页,形状记忆合金简称，指在一定外力作用,下，使其几何形态发生改变。但当加热到某一温,度时，它又能够完全恢复到变形前几何形态。,在医疗器械，减震消噪，生活用具等方面具,有辽阔应用前景。,（4）记忆合金,第35页,第35页,形状记忆合金,欧洲航天计划研制出来数种被称作形状记忆合金奇异材料，这些材料能够像橡皮筋同样拉伸，但是能够记住初始形状，拉伸之后一旦加热到一定温度就会变回本来形状。,形状记忆合金能够用作航天器上轻型温度控制调整器。在太空中形状记忆合金能够被用来在航天器发射之后释放太阳能电池板；形状记忆合金在医学领域有诸多应用，其中一项应用就是控制牙齿移动正牙弹簧。另外一个使用形状记忆合金技术医学仪器就是一个非常细管子，这个管子能够插入血管里，到达损坏血管之后再变回本来大小。,第36页,第36页,两种特定金属合金，一个能够大量吸进H,2，,形成稳定氢化物；而另一个金属与氢亲和力小，使氢很容易在其中移动。,是开发利用氢能源、分离精制高纯氢抱负材料。,（5）储氢合金,第37页,第37页,本章结束,第38页,第38页,
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