精品材料化学课件第5章 金属材料.ppt

本章教学要点知识要点 掌握程度 相关知识金属材料的概论及金属单质结构熟悉金属材料的分类、主要特性，了解金属键、金属的晶体结构、金属单质结构概况黑色金属、有色金属、立方最紧密堆积、六方最紧密堆积、体心立方密堆积、金属的性质 掌握金属的物理性质和金属的化学性质金属的光泽、导电性、导热性、延展性、金属的氧化反应、与水、酸、碱的反应合金的结构 了解金属固溶体及金属化合物的分类、特性及主要作用置换固溶体、间隙固溶体、缺位固溶体、正常价化合物、电子化合物、间隙化合物金属材料的制备掌握钢铁、有色金属冶炼的分类，了解相应的制备原理及工艺脱碳、脱磷、脱硫、脱氧、炼铁、炼钢，铜、铝的冶炼常见金属材料 熟悉钢铁、铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金、铜及铜合金的分类、特性及主要应用范围。奥氏体、铁素体、渗碳体、马氏体、铝合金、镁合金、钛合金、铜合金新型合金材料 了解储氢合金、形状记忆合金、超耐热合金、超低温合金、超塑性合金、减振合金、硬质合金的特性及应用。储氢合金、形状记忆合金、超耐热合金、超低温合金、超塑性合金、减振合金、硬质合金【引例】Ti-Ni合金等一些金属具有神奇的形状记忆性能，故被称为“金属中的魔术师”，在许多工业和民用部门发挥着重要的作用。在工业生产记忆合金管连接接头（图5-1），只要把常温下轻松连接的记忆合金连接件放入热水里，过一会再取出来，就会发现两根管子已经紧紧地连接在一起了。在抗压实验中发现，先被击破的是钢管，形状记忆合金则完好无损。在汽车工业中，可以制造出“可复原”的汽车外壳，即使被撞扁，只要用80的热水一浇便可恢复原状。美国曾用Ti-Ni记忆合金制成飞船的发射和接收天线。此天线被折叠后发射到月球上，可 减少飞船的体积。在月球上，由于吸收太阳的辐射而升温，又恢复成抛物面的形状。人们利用这种超弹性开发出手机天线、高级眼镜架（图5-2）等。在医学方面，也常应用记忆合金。如对脊椎骨弯曲的患者进行脊椎校直时，可用形状记忆合金制成的器件固定在脊椎骨上，受热时因器件伸长，而使脊椎被校直。可用Ni-Ti形状记忆合金制造人造牙和牙床。传统治疗血管狭窄的办法是开刀手术，若用形状记忆合金的腔内支架，只需开一个小口，用导管把支架植入血管既可，大大减少了病人的痛苦。图5-1 记忆合金管连接接头 图5-2 高级眼镜架5.1 金属材料概论 金属是人类最早认识和开发利用的材料之一，在自然界的分布也非常广泛，在人类已发现的109种元素中，金属元素大约占80%。金属通常可分为黑色金属与有色金属两大类，黑色金属包括铁、锰、铬及其合金，主要是铁碳合金(钢铁)，常作为结构材料使用；有色金属通常指除钢铁之外的所有金属，常作为功能材料来使用。黑色金属和有色金属相辅相成，共同构成现代金属材料体系。有色金属按其密度、价格、在地壳中的储量、分布情况及被人们发现和使用的早晚分为五大类:(1)轻有色金属 一般指密度小于4.5gcm-3的有色金属，包括铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡等。这类金属的共同特点是：密度小，化学性质活泼，在自然界中多以氯化物、碳酸盐、硅酸盐等形式存在。(2)有色金属 一般指密度大于4.5gcm-3的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、钴、锡、锑、汞、镉等。(3)贵金属 一般指价格昂贵的金属，包括金、银和铂族元素(锇、铱、铂、钉、姥、钯)。由于它们在地壳中的含量少，开采和提取比较困难，故价格比一般金属贵，因而得名贵金属。它们的特点是密度大(10.422.4gcm-3)、熔点高(11893273K)、化学性质稳定。(4)准金属 一般指硼、硅、锗、硒、砷、碲、钋，其物理化学性质介于金属与非金属之间，在元素周期表中处于金属向非金属过渡的位置。(5)稀有金属 通常是指在自然界中含量很少、分布稀散、发现较晚、难以从原料中提取或在工业上制备及应用较晚的金属。这类金属包括：锂、铷、铯、铍、钨、钼、钽、稀土元素及人造超铀元素等。要注意，普通金属与稀有金属之间没有明显的界限，大部分稀有金属在地壳中并不稀少，许多稀有金属比铜、镉、银、汞等普通金属还多5.2 金属单质结构5.2.1 金属键 金属原子很容易形成阳离子，金属正是依靠阳离子和自由电子之间的相互吸引而结合起来的。金属键没有方向性，改变阳离子间的相对位置不会破坏电子与阳离子间的结合力，因而金属具有良好的塑性；金属之间具有溶解(或固溶)能力，即金属阳离子被另一种金属阳离子取代时也不会破坏结合键。此外，金属的导电性、导热性以及金属晶体中原子的密集排列等也都是由金属键的特点所决定的。5.2.2 金属的晶体结构 金属键由数目众多的s 轨道组成，s 轨道没有方向性，可以和任何方向的相邻原子的s 轨道重叠，同时相邻原子的数目在空间因素允许的条件下并无严格限制。金属键也没有饱和性，金属离子应按最紧密的方式堆积，使各个s 轨道得到最大程度的重叠，从而形成最为稳定的金属结构。金属阳离子可以视为圆球，一个圆球周围最靠近的圆球数目称作配位数。大多数金属单质采取的密堆积型式有三种，其中两种为最紧密堆积，另一种为次密堆积，如图5-3 所示。1.立方最紧密堆积 第一层的每一个球都和相邻六个球相切，第二层球放在第一层球的空隙上，第三层球放在第一层球末被占用的空隙上方，称为ABC 堆积，以后的堆积则按ABCABC 重复下去，重复周期为三层，图5-3（a）为这种堆积的侧面图。从ABC 堆积中可以划出立方面心晶胞，如图5-3（b）所示，故称这种堆积为立方最紧密堆积，通常用A1 表示，英文缩写为ccp。2.六方最紧密堆积 如果第三层的每个圆球都正对着第一层球，称为AB堆积，以后的堆积则按ABAB重复下去，重复周期为两层，图5-3（c）为这种堆积的侧面图。从AB堆积中可以划出六方晶胞（d），故称这种堆积为六方最紧密堆积，通常用符号A3表示，英文缩写为hcp。两种最紧密堆积中，每个圆球都和相邻的12个球相接触，故配位数均为12，空间利用率均为74.05%，图5-3（e）、（f）分别为立方最紧密堆积和六方最紧密堆积的配位。3.体心立方密堆积 除了Al、A3两种最密堆积以外，在金属晶体中还常出现体心立方密堆积，配位数为8-14，如图5-3（g）、（h）、（i）所示，与这种堆积方式相对应的晶胞为立方体心。这种次密堆积的空间利用率为68.02%，用符号A2表示，英文缩写为bcp。金属的晶体结构属于Al型的有Ca、Sr、Al、Cu、Ag、Au等 属于A2型的有Li、Na、K、Rb、Cs、Ba等。属于A3型的有Be、Mg、Ca、Sc、Y、La、Ce、Zn、Cd等。其中有的金属有两种不同的构型。4.其它结构型式 除以上三种典型型式外，少数金属单质还可采取其他型式的结构，图5-4 示出了一些较复杂的最紧密堆积结构形式，分别是：CAB，重复周期为4层；ABCACB，重复周期为6层；ABCBCACAB,重复周期为9层；ACBCBACACBAB，重复周期为12层。图5-5 等径圆球堆积的几种型式 非最紧密堆积还有简单立方、简单六方、体心四方、金刚石型堆积等多种形式。表5-1 几种非最密堆积与三种典型堆积型式对比堆积名称 结构型式记号 空间利用率（堆积系数）配位数 实例金刚石型堆积A4 34.01 4 Sn简单立方堆积-52.36 6-Po简单六方堆积-60.04 8-体心立方堆积A2 68.02 8-14 K体心四方堆积A6 69.81 10 Pa立方最密堆积Al 74.05 12 Cu六方最密堆积A3 74.05 12 Mg5.3 金属的性质5.3.1 金属的物理性质 自由电子的存在和紧密堆积的结构使金属具有许多共同的性质，如良好的导电性、导热性、延展性以及金属光泽等。1.金属光泽 由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光线投射到其表面时，自由电子吸收所有频率的光，并迅速放出，使绝大多数金属呈现钢灰色至银白色的光泽。此外，金呈黄色，铜呈赤红色，铋为淡红色，铂为淡黄色以及铅是灰蓝色，这是因为它们较易吸收某一些频率的光所致。金属光泽只有在整块金属时才能表现出来，在粉末状时，一般金属都呈暗灰色或黑色。这是因为在粉末状时，晶格排列得不规则，把可见光吸收后辐射不出去，所以呈黑色。许多金属在光的照射下能放出电子，其中在短波辐射照射下能放出电子的现象称为光电效应；在加热到高温时能放出电子的现象称为热电现象。2.金属的导电性和导热性 根据金属键的概念，所有金属中都有自由电子。在外加电场作用时，自由电子有了一定的运动方向，形成电流，显示出金属的导电性。其与电解质水溶液和熔融盐的导电机理不同，当温度升高时，金属离子和金属原子的振动增加，自由电子的运动受阻碍程度增加，因此金属的导电性就降低。金属的导热性也与自由电子的存在密切相关，当金属中有温度差时，运动的自由电子不断与晶格结点上振动的金属离子相碰撞而交换能量，因此使金属具有较高的导热性。大多数金属具有良好的导电性和导热性。常见金属导电、导热能力由大到小的顺序如下：Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，Fe，Pb，Hg 金属和其他类型固体的导电性有很大差别，常以电导率表示，详见表5-2。表5-2 各种固体的导电性物 质 键的类型电导率/-lcm-lAg金属键63l05Cu金属键60l05Na金属键2.4105Zn金属键1.7105NaCl离子键10-7金刚石 大分子共价键10-14石 英 大分子共价键10-143.金属的延展性 金属有延性，可以抽成细丝；金属又有展性，可以压成薄片。金属的延展性也可以从金属的结构得到解释。当金属受到外力作用时，金属内原子层之间容易作相对位移，而金属离子和自由电子仍保持着金属键的结合力，金属发生形变而不易断裂，因此金属具有良好的变形性。金属延展性的强弱顺序如下：延性 Pt、Au、Ag、Al、Cu、Fe、Ni、Zn、Sn、Pb；展性 Au、Ag、Al、Cu、Sn、Pt、Pb、Zn、Fe、Ni 由于金属的良好延展性，作为材料使用的金属可以经受切削、锻压、弯曲、铸造等加工。也有少数金属，如锑、铋、锰等，性质较脆，没有延展性。4.金属的密度 锂、钠、钾密度很小，其他金属密度较大。20 金属按密度（gcm-3）由大到小的顺序排列如下：金属锇 铂 金 汞 铅 银 铜 镍 铁 锡 锌 铝 镁 钙 钠 钾 锂密度22.5721.4519.3213.611.3510.58.968.9 7.877.3 7.132.7 1.741.550.970.860.535.金属的硬度 金属的硬度一般都较大，但不同金属间有很大差别。有的坚硬如钢，如铬、钨等；有的很软如钠、钾等，可用小刀切割。现以金刚石的硬度作为10，将一些金属按相对硬度比较，由大到小的排列顺序如下：金属 铬 钨 镍 铂 铁 铜 铝 银 锌 金 镁 锡 钙 铅 钾 钠硬度9 7 5 4.3 4-5 3 2.9 2.7 2.5 2.5 2.1 1.8 1.5 1.5 0.5 0.46.金属的熔点 不同金属的熔点差别很大，最难熔的是钨，最易熔的是汞、铯和嫁。汞在常温下是液体，铯和嫁在手上就能熔化，几种金属的熔点如下：金属 钨 铼 铂 钛 铁 镍 铍 铜 金 银熔点/3410 3080 1772 1668 1535 1453 1278 1083 1064 962金属 钙 铝 镁 锌 铅 锡 钠 钾 镓 铯 汞熔点/839660649 42032723298 64 30 28-397.金属的内聚力 内聚力指物质内部质点间的相互作用力。对金属来说，是指金属键的强度。金属的内聚力可以用升华热衡量。升华热是指lmol金属由结晶态转变为自由原子(M晶体M气体)所需的能量，也是拆散金属晶格所需的能量。金属键越强，内聚力越大，升华热就越高。一些金属在25时的升华热见表7-3。表5-3 25 时一些金属的升华热金属 升华热/kJmol-1熔点/K 沸点/KLi 161 454 1620Na 108 371 1156K 90 337 1047Rb 82 312 961Cs 78 302 951Be 326 1551 3243Mg 149 922 1363Ca 177 1112 1757Sr 164 1042 1657Ba 178 998 1913B 565 2573 2823Al 324 933 2740Ga 272 303 2676Sc 326 1812 3105Ti 473 1941 3560V 515 2173 3653金属 升华热/kJmol-1熔点/K 沸点/KCr 397 2148 2945Mn 281 1518 2235Fe 416 1808 3023Co 425 1768 3143Ni 430 1726 3005Cu 340 1356 2840Zn 131 693 1180 从表5-3可以看出，从Li到Cs的升华热是递减的，这表明金属的升华热与金属的原子半径或核间距成反比。因为从Li到Cs，随着原子半径加大，原子核对电子的束缚力下降，因此拆散金属晶格所需的能量降低，升华热随之下降。在同一周期中，硼族金属的升华热大于碱土金属，碱土金属又大于碱金属，这暗示金属键的强度与价电子的数目有关。过渡金属的s层、次外层d轨道上的电子均可参加成键，所以过渡金属金属键的强度都较大，内聚力都较高，在性能上表现为都具有较高的硬度、熔点、沸点，并且能彼此间或与非金属材料间形成具有多种特性的合金，因而过渡金属及其合金广泛地用作结构材料。如铬、锰和铁形成的合金钢一般具有抗拉强度高、硬度大、耐 腐蚀、耐高温等特性，可用在制造超音速飞机和导弹上。钛对海水有特别强的耐蚀能力，因此用于航海造船工业等。由于金属材料具有上述特性，使金属类元素在材料工业中具有非常重要的地位。除了上面所说的过渡金属多数可作为结构材料使用外，像镁、铝等轻金属也广泛地用作结构材料，尤其在航空领域具有非常重特殊地位。金、银、铜、铂等有色金属广泛用作导体材料，铝由于密度小、导电性能较好、价格便宜等也大量用作导体材料。5.3.2 金属的化学性质 金属最主要的化学性质是易失去最外层的电子变成金属阳离子，因而表现出较强的还原性。各种金属原子失去电子的难易不同，因此金属还原性的强弱也不同。在水溶液中金属失去电子的能力可用标准电极电势来衡量，按标准电极电势数值由负到正排成金属活动顺序，并将在材料工业中具有重要地位的几种金属的化学性质归纳在表5-4中。表5-4 金属的主要化学性质金属活动顺序Mg Al Mn Zn Fe Ni Sn PbH Cu HgAg Pt Au失去电子能力在溶液中失去电子的能力依次减小，还原性减弱在空气中与氧的反应常温时氧化加热时氧化不被氧化和水的反应加热时取代水中氢不能从水中取代出氢和酸的反应能取代稀酸（盐酸、硫酸）中氢能与硝酸及浓硫酸反应难与硝酸及浓硫酸反应，可与王水反应和碱的反应仅铝、锌等两性金属与碱反应和盐的反应前面的金属可以从盐中取代后面的金属离子1.金属的氧化反应 金属与氧气等非金属反应的难易程度，和金属活动顺序大致相同。位于金属活动顺序表前面的金属很容易失去电子，常温下就能被氧化或自燃；位于金属活动顺序表后面的金属则很难失去电子。金属与氧的反应情况和金属表面生成的氧化膜的性质也有很大的关系，有些金属如铝、铬形成的氧化物结构紧密，它紧密覆盖在金属表面，防止金属继续氧化。这种氧化物的保护作用叫钝化，所以常将铁等金属表面镀铬、渗铝，起到美观且防腐的效果。在空气中铁表面生成的氧化物，结构疏松，因此铁在空气中易被腐蚀。2.金属与水、酸的反应 金属与水、酸反应的情况：与反应物的本性有关，即与金属的活泼性、酸的性质有关；与生成物的性质有关；与反应温度、酸的浓度有关。常温下纯水中氢离子的浓度为10-7molL-1，(H+/H2)=-0.41V。因此电极电势(H+/H2)-0.41V的金属都可能与水反应。性质活泼的金属，如钠、钾在常温下就与水激烈地反应；钙的作用比较缓和；铁则需在炽热的状态下与水蒸气发生反应.有些金属如镁等与水反应生成的氢氧化物不溶于水，覆盖在金属表面，在常温下反应难于继续进行，因此镁只能与沸水起反应。一般为负值的金属都可以与非氧化性酸反应放出氢气。但有的金属由于表面形成了很致密的氧化膜而钝化，例如铅与硫酸作用生成PbSO4覆盖在铅表面，因而难溶于硫酸。为正值的金属一般不容易被酸中的氢离子氧化，只能被氧化性的酸氧化，或在氧化剂存在下与非氧化性酸作用。有的金属如铝、铬、铁等在浓HNO3、浓H2SO4中由于钝化而不发生作用。3.金属与碱的反应 金属除了少数显两性以外，一般都不与碱起作用，锌、铝与强碱反应，生成氢和锌酸盐或铝酸盐，反应如下:Zn+2NaOH+2H2O=Na2Zn(OH)4+H2 2A1+2NaOH+6H2O=2NaAl(OH)4+3H2 此外，铍、嫁、铟、锡等也能与强碱反应。活泼性强的金属还可以将活泼性弱的金属从其盐溶液中置换出来。在金属参加的化学反应中，都是金属原子失去电子，被氧化，是还原剂；非金属原子、氢离子或较不活泼的金属阳离子得电子，被还原。5.4 合金的结构 合金是指由两种或两种以上的金属元素（或金属元素与非金属元素）组成的具有金属性质的物质。例如，碳素钢和铸铁主要是由铁和碳组成的合金；黄铜是由铜和锌组成的合金；硬铝是由铝、铜、镁组成的合金。与组成它的纯金属相比，合金不仅具有较高的力学性能和某些特殊的物理、化学性能，而且价格低廉。此外，通过调节其组成的比例，可获得一系列性能不同的合金，以满足不同性能要求，因此研究合金具有重要的生产实际意义。组成合金最基本的、独立的单元称为组元，组元可以是元素或稳定的化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组元组成的合金称为多元合金。合金中晶体结构和化学成分相同，与其他部分有明显分界的均匀区域称为相。只由一种相组成的合金称为单相合金，由两种或两种以上相组成的合金称为多相合金。用金相观察方法，在金属及合金内部看到的组成相的大小、方向、形状、分布及相间结合状态称为组织。合金的性能取决于它的组织，而组织的性能又取决于其组成相的性质。要了解合金的组织和性能，首先必须研究固态合金的相结构。按合金的结构和相图等特点，合金的结构一般可分为金属固溶体和金属化合物两大类。5.4.1 金属固溶体 合金在固态下由不同组元相互溶解而形成的相称为固溶体，即在某一组元的晶格中包含其他组元的原子，前一组元称为溶剂，其他组元称为溶质。根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，可将固溶体分为置换固溶体、间隙固溶体和缺位固溶体三种。1.置换固溶体 由溶质原子代替部分溶剂原子而占据溶剂晶格中某些结点位置形成的固溶体，称为置换固溶体，如图5-6(b)所示。图5-6 纯金属与金属固溶体结构比较 形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于晶格类型、原子直径差及它们在元素周期表中的位置。晶格类型相同，原子直径差越小，在元素周期表中的位置越靠近，则溶解度越大，甚至可以任何比例溶解而形成无限固溶体。反之，若溶质在溶剂中的溶解度是有限的，这种固溶体称为有限固溶体。2.间隙固溶体 直径很小的非金属元素的原子溶入溶剂晶格结点的空隙处，就形成了间隙固溶体，如图5-6(c)所示。能否形成间隙固溶体，主要取决于溶质原子和溶剂原子的尺寸。研究表明，只有当溶质元素与溶剂元素的原子直径的比值小于0.59时，间隙固溶体才有可能形成。此外，形成间隙固溶体还与溶剂金属的性质及溶剂晶格间隙的大小和形状有关。在固溶体中，溶质原子的溶入导致晶格畸变(图5-7)。溶质原子与溶剂原子的直径差越大，溶入的溶质原子越多，晶格畸变就越严重。晶格畸变使晶体变形的抗力增大，材料的强度、硬度提高，这种现象称为固溶强化。图5-7 晶格畸变的三种类型3.缺位固溶体 指被溶元素溶于金属化合物中生成的固溶体，如Sb溶于NiSb中的固溶体，溶入元素Sb占据着晶格的正常位置，但另一元素（Ni）应占的某些位置是空着的。5.4.2 金属化合物 两组元组成的合金中，在形成有限固溶体的情况下，如果溶质含量超过其溶解度时，将会出现新相，若新相的晶体结构不同于任一组元，则新相是组元间形成的化合物，称为金属化合物或金属间化合物。多数是金属与金属（或金属与非金属元素）之间形成的化合物，金属化合物中有金属键参与作用，因而具有一定的金属性质。常见的金属化合物有正常价化合物、电子化合物和间隙化合物1.正常价化合物 正常价化合物是由元素周期表中位置相距甚远、电化学性质相差很大的两种元素形成的。这类化合物的特征是严格遵守化合价规律，可用化学式表示，如Mg2Si、Mg2Sn等。正常价化合物具有高的硬度和脆性，能弥散分布于固溶基体中，可对金属起到强化作用。2.电子化合物 电子化合物是由周期表中第族或过渡元素与第族元素形成的金属化合物，它们不遵守化合价规律，服从电子浓度(价电子数与原子数的比值)规律。电子浓度不同，所形成金属化合物的晶体结构也不同。电子化合物以金属键相结合、熔点一般较高、硬度高、脆性大，是有色金属中的重要强化相。3.间隙化合物 间隙化合物是由过渡元素与硼、碳、氮、氢等原子直径较小的非金属元素形成的化合物。若非金属原子与金属原子半径之比小于0.59，则形成具有简单晶体结构的间隙相；若非金属原子与金属原子半径之比大于0.59，则形成具有复杂结构的间隙化合物。间隙相与间隙固溶体不同，后者保持金属的晶格，而前者的晶格则不同于组成它的任何一个组元的晶格。此外，尽管间隙相和间隙固溶体中直径小的原子均位于晶格的间隙处，但在间隙相中，直径小的原子呈现有规律的分布，而在间隙固溶体中，直径小的原子(溶质原子)则是随机分布于晶格的间隙位置。间隙化合物和间隙相都有高的熔点和硬度，但塑性较低。它们是硬质合金、合金工具钢中的重要组成相。总之，使用不同的原料、改变原料的用量比例、控制合金的结晶条件，就可以制得具有各种特性的合金。现代的机器制造、飞机制造、化学工业、原子能工业的成绩，尤其是导弹、火箭、人造卫星、宇宙飞船的制造成功，都与各种优良性能的合金有非常密切的关系。5.5 金属材料的制备 冶炼是金属材料制备的第一道工序也是最重要的一道工序。冶金学是一门研究如何经济的从矿物或原料中提取金属或金属化合物，并制成具有一定性能的金属材料的科学。冶金的分类方法很多，根据过程性质可分为：物理冶金和化学冶金。物理冶金是指通过成型加工的方法制备有一定性能的金属或合金材料，研究其组成、结构的内在联系。包括：金属学、粉末冶金、金属铸造和压力加工等。化学冶金指的是从矿物中提取金属或金属化合物的生产过程，整个过程中伴随着化学反应故称为化学冶金。根据冶金工艺过程不同分为：火法冶金、湿法冶金和电冶金。火法冶金指在高温下矿石经过熔炼和精炼反应和熔化作业，使其中的金属和杂质分开，获得较纯的金属的过程。大致流程是：采矿选矿熔炼精炼。湿法冶金 是在常温或低于100下，用溶剂处理矿石，使所要提取的金属溶剂在溶液里，而其它杂质不溶解，然后将金属从溶液里提出和分离的过程。绝对大部分溶液是水溶液，所以又称为水法冶金。电冶金 利用电能提取和精炼金属的方法。按电能的类型分为电热冶金和电化学冶金。前者是利用电能转变为热能，在高温下提炼金属的方法，过程大致与火法冶金相同。后者利用电化学反应使金属从金属的盐类水溶液或熔体中析出。如铜的电解精炼和电解铝等都属于此类方法。5.5.1 钢铁的冶炼 钢铁工业是一个国家一切工业的基础。它的产量是一个国家工业水平和生产能力的主要标志。钢铁是应用最多的金属材料主要原因是：铁在自然界的储量达，仅次于铝；冶炼加工容易，成本低；其具有良好的物理、力学和工艺性能；还可以利用钢铁制作性能更好的合金。1.炼铁 炼铁的主要过程是将铁矿石在高炉（图5-8为高炉结构示意图）里通过复杂的物理、化学反应生成金属铁的过程。其过程如图5-9所示。图5-9 高炉炼铁工艺流程原料、燃料高炉铁水炉渣煤气铸铁渣场重力除尘煤气（1）原料铁矿石的种类繁多，在自然界存在300多种含铁矿物。目前在炼铁行业应用最广泛的是铁矿石主要有：磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种。它们的分类、组成和性能见表5-1 所示。矿石类别代表性的化学式含铁量%颜色 性能 还原性磁铁矿Fe3O472.4黑色或灰色坚硬致密难菱铁矿FeCO348.2灰色带黄褐色易破碎焙烧后易还原褐铁矿Fe2O33H2O60黄褐色 疏松 易赤铁矿Fe2O370红色至浅灰色软易破碎易表5-5 常用的铁矿石分类、组成与性能（2）反应 高炉炼铁的过程非常复杂，其大致的过程是：将矿石、焦炭、助溶剂等按一定比例组成炉料，从高炉顶部加入，并从上到下进行一系列复杂的过程。焦炭的作用是产生还原气体、使熔融的铁增碳和产生反应需要的热量。助溶剂的作用是去除矿石里的杂质元素使之产生渣与铁水分离。如所示为高炉炼铁的工艺流程。从炉底部吹入800-1000的热空气。焦炭在炉的底部燃烧生成CO2，并与C进行反应生成CO。反应式为：2C+O22CO2 CO2+C2CO 在这里CO的还原成为简介还原，约在500-1000进行，当处于高温的炉体部分时，产生的焦炭的直接还原。但是由于焦炭是固体，发生还原反应时与氧化铁表面接触时面积不如气体CO大，所以炼铁中的主要反应依然是CO还原反应。3Fe2O3+CO2Fe3O4+2CO2 Fe3O4+CO3FeO+CO2 FeO+COFe+CO2 焦炭产生的CO气体与下落被加热的炉料相遇产生如下反应：另外还包括相应的造渣过程，反应如下：CaCO3CaO+CO2CaO+SiO2CaSiO33CaO+Al2O3Ca3(AlO3)22.炼钢 炼钢根据工艺流程可以分为三类：间接炼钢法 是先将矿石还原熔化成生铁，然后在将生铁装入炼钢炉得到钢的方法。其有高炉炼铁和转炉炼钢两步构成。其优点是工艺成熟，生产效率高，成本低，是现代炼钢大规模采用的方法。熔融还原法 将铁矿石高温熔融状态下用碳把铁氧化物还原成金属铁的非高炉炼铁方法。其产品为液态生铁，可用传统转炉精炼成为钢。其为全粉末流程，用非焦煤取代昂贵的焦炭，故工艺简单，是一个非高炉炼铁的好的技术方法。直接炼钢法 由铁矿石一步冶炼得到钢的方法。此法不用高炉和昂贵的焦炭，而是将矿石放入直接还原的电炉中，用气体或固体还原剂还原出含碳量比较低的、含有杂质的半熔融状态的海绵铁，从而形成直接还原-电炉串联生产钢的未大规模使用，只在某些地区作为典型钢铁的生产的补充方法。此外，炼钢根据所使用的炉子不同，可以分为：平炉炼钢、转炉炼钢和电炉炼钢的三种。平炉是历史悠久的一种炼钢方法。转炉炼钢现在使用的最广。电炉炼钢炼制的钢材质量高。（1）原料 炼钢用的原料可分为金属和非金属两类。金属料主要有铁水、废钢和铁合金等，非金属材料主要是造渣材料、氧化剂、冷却剂和增碳剂等。铁水是氧气转炉的必备材料，占金属材料的70-100%。铁水的成分和温度是否适当和稳定，对简化和稳定转炉操作十分重要。铁水应控制其含Si、Mn、S、P等量，应努力保证进入转炉的铁水温度大于1200-1300，且保持稳定，易利于炉子热行，迅速成渣，减少喷溅。废钢是电弧炉炼钢的基本原料，用量达到70-90%。对于 硅锰铝合金等。造渣材料主要目的是去除钢中多余的杂质元素。主要有废钢矿石法的平炉，其也是主要金属材料。而氧气转炉，即是金属料也是冷却剂。铁合金在炼钢中主要起到脱氧和合金化元素的作用。主要有：Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr及复合脱氧剂，如硅锰合金等。造渣材料的目的是除去钢中多余的杂质元素，主要有：石灰、萤石、白云石及合成造渣材料等。氧化剂主要作用是在炼钢过程中除去过多的C。主要有：氧气、铁矿石和氧化铁皮等。冷却剂主要作用是使钢快速冷却。使用的有：废钢、富铁矿和石灰石等。还原剂和增碳剂主要有：石墨电极、焦炭、电石、硅铁、硅钙和铝等。（2）反应 炼钢的基本任务主要有：脱碳 由于从高炉出来的生铁，含碳量高于4.3%，要达到钢的成分必须脱去多余的碳元素。钢中随着碳含量的增加，其硬度、强度和脆性增加，而延展性降低。脱碳的反应：2C+O22CO2 脱磷 磷是钢中的有害杂质，会引起冷脆性，要严格的加以控制。脱磷的反应式为：4P+5O22P2O5脱硫 磷与硫一样都是钢中的有害杂质，会引起热脆性，要严格的加以控制。反应式为：2S+O22SO2脱氧 由于在氧化精炼中，向熔池输入了大量的氧及氧化杂质，导致钢液中融入大量的氧，将大大影响钢的质量。因此必须降低钢中的含氧量。一般做法是往钢里加入与氧更和亲和力的Al、Si和Mn等元素。其原理是：C+FeOFe+COSi+2FeO2Fe+SiO2Mn+FeOFe+MnO2Al+3FeO3Fe+Al2O3去除气体和非金属夹杂 钢中的气体主要溶解的是氮和氢。非金属夹杂物包括：氧化物、硫化物、磷化物、氮化物已经它们形成的复杂化合物。其主要是依靠CO引起熔池的沸腾降低气体。非金属夹杂可以通过以下反应去除：SiO2+2CaO+O22CaSO4 P2O5+3CaO Ca3(PO4)2 SiO2+CaOCaSiO3 SiO2+MnOMnSiO3 5.5.2 有色金属的冶炼 现代冶金工业通常把金属分为黑色金属和有色金属，或者钢铁和非铁金属两大类。铁、铬、锰三种金属称为黑色金属，其余各种金属，例如铝、镁、钛、铜、铅、锌、钨、钼、稀土、金、银等数十种金属，称为有色金属。下面简单介绍生产中常用的铜、铝和锌金属的冶炼。1.铜的冶炼 目前自然界中含铜矿物有240多种，其中常见的约3040种，而具有工业开采价值的铜矿仅10余种。铜矿物可分为自然铜、硫化矿和氧化矿三种类型。自然铜在自然界中很少，主要是硫化矿和氧化矿。表3-2所示为硫化铜和氧化铜的相关性质。特别是硫化矿分布最广，是当今炼铜的主要原料。目前工业开采的铜矿石最低品位为0.4%0.5%。开采出来的低品位矿石，经过选矿富集，使铜的品位提高到10%30。表5-6 硫化铜和氧化铜的相关介绍矿物类别 矿物名称 化学分子式 含铜量 颜色硫化矿辉铜矿铜蓝黄铜矿斑铜矿硫砷铜矿黝铜矿Cu2SCuSCuFeS2Cu4FeS4Cu3AsS4（Cu,Fe)12Sb4S1379.866.734.663.549.025.0灰黑色红蓝色黄色红蓝色灰黑色灰黑色氧化矿赤铜矿黑铜矿孔雀石蓝铜矿硅孔雀石胆矾Cu2OCuOCuCO3Cu(OH)22CuCO3Cu(OH)2CuSiO32H2OCuSO45H2O88.879.957.568.236.225.5红色灰黑色亮绿色亮蓝色蓝绿色蓝色铜的冶金工艺 铜的生产方法概括起来有火法和湿法两大类。火法炼铜是当今生产铜的主要方法，世界上80左右的铜是用火法炼铜方法生产的。图5-10 为火法生产铜的流程图。图5-11 湿法炼铜的流程 湿法炼铜是在常压或高压下，用溶剂浸出矿石或焙烧矿中的铜，经净液使铜与杂质分离，而后用电积或置换等方法，将溶液中的铜提取出来。对氧化矿，大多数工厂用溶剂直接浸出；对硫化矿，一般先经焙烧然后浸出焙烧矿。其流程如图5-11 所示。图5-10 干法炼铜的流程图5-11 湿法炼铜的流程2.铝的冶炼 铝工业有三个主要生产环节：从铝土矿提取氧化铝-氧化铝生产；用冰晶石-氧化铝融盐电解法生产金屑铝铝电解；铝的加工。图5-12 所示为铝生产流程。铝土矿按其含有的氧化铝水合物的类型可分为：三水铝石型铝土矿；一水软铝石型铝土矿；一水硬铝石型铝土矿和混合型铝土矿。其主要化学成分有：Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2，少量的CaO、MgO、硫化物、微量的镓、钒、磷、铬等元素的化合物。氧化铝生产方法有：碱法、酸法、酸碱联合法、热法等。碱法 碱法生产氧化铝，就是用碱(NaOH 或Na2CO3)处理铝土矿，使矿石中的氧化铝水合物和碱反应生成铝酸钠溶液。铝土矿中的铁、钛等杂质和绝大部分的二氧化硅则成为不溶性的化合物进入固体残渣中。这种残渣被称为赤泥。铝酸钠溶液与赤泥分离后，经净化处理，分解析出A1(OH)3，将A1(OH)3与碱液分离并经过洗涤和焙烧后，即获得产品氧化铝。目前工业上几乎全部采用碱法生产氧化铝。酸法 酸法生产氧化铝就是用硫酸、盐酸、硝酸等无机酸处理铝矿石，得到含铝盐溶液，然后用碱中和这些盐溶液，使铝成氢氧化铝析出，焙烧氢氧化铝或各种铝盐的水合物晶体，便得到氧化铝。图5-13 铝电解生产流程 用酸法处理铝矿石时，存在于矿石中的铁、钛、钒、铬等杂质与酸作用进入溶液中，这不但引起酸的消耗，而且它们与铝盐分离比较困难。氧化硅绝大部分成为不溶物进入残渣与铝盐分离，但有少量成为硅胶进入溶液，所以铝盐溶液还需要脱硅，而且需要昂贵的耐酸设备。用酸法处理酸分布很广的高硅低铝矿(如粘土、高岭土、煤矸石和煤灰)在原则上是合理的，在铝土矿资源缺乏的情况下可以采用此法。酸碱联合法 酸碱联合法是先用酸法从高硅铝矿石中制取含铁、钛等杂质的不纯氢氧化铝，然后再用碱法处理。这一流程的实质是用酸法除硅，碱法除铁。热法 热法适合于处理高硅高铁的铝矿，其实质是在电炉中熔炼铝矿石和碳的混合物，使矿石中的氧化铁、氧化硅、氧化钛等杂质还原，形成硅合金。而氧化铝则呈熔融状态的炉渣而上浮，由于密度不同而分离，所得氧化铝渣再用碱法处理从中提取氧化铝。现代铝工业生产，主要采取冰晶石-氧化铝融盐电解法。直流电流通入电解槽，在阴极和阳极上起电化学反应。电解产物，阴极上是铝液，阳极上是CO和CO2气体。铝液用真空抽出，经过净化和澄清之后，浇铸成商品铝锭，其含铝质量达到99.5-99.8%。阳极气体中还含有少量有害的氟 化物和沥青烟气，经过净化之后，废气排放入大气收回的氟化物返回电解槽。图5-13是铝电解生产流程图。炼铝的原科是氧化铝，氧化铝是一种白色粉末，熔点为2050，比重3.5-3.68g/cm3，工业氧化铝中通常含有氧化铝铝99%左右。5.6 常见金属材料5.6.1 钢铁 钢铁材料是指所有的铁碳合金，又称黑色金属材料，包括碳钢、合金钢及铸铁。钢铁材料是工程中最重要的金属材料，其工程性能好、成本低、应用广泛。1.钢的分类（1）按化学成分分类 按化学成分不同，可将钢材分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢按含碳量不同，可分为低碳钢(C%0.25%)、中碳钢(C%=0.25%0.60%)和高碳钢(C%0.60%)三类。合金钢按合金元素的含量可分为低合金钢(合金元素总量10%)三类。合金钢按合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等。（2）按冶金质量分类 按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为普通钢(S%0.055%，P%0.045%)、优质钢(S、P0.040%)和高级优质钢(S%0.030%，P%0.035%)三类。根据冶炼时脱氧程度，又可将钢分为沸腾钢(脱氧不完全)、镇静钢(脱氧较完全)和半镇静钢三类。（3）按用途分类 按钢的用途分类可分为结构钢、工具钢、特殊钢三大类。结构钢又分为工程构件用钢和机器零件用钢两部分。工程构件用钢包括建筑、桥梁、船舶、车辆工程用钢。机器零件用钢包括调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳和渗氮钢、耐磨钢等。这类钢一般属于低、中碳钢和低、中合金钢。工具钢分为刃具钢、量具钢、模具钢，主要用于制造各种刃具、模具和量具，这类钢一般属于高碳、高合金钢。特殊性能钢分为不锈钢、耐热钢等。这类钢主要用于各种特殊要求的场合，如化学工业用的不锈耐酸钢、核电站用的耐热钢等。（4）按金相组织分类 按钢退火态的金相组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。按钢正火态的金相组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢四种。在对钢的产品命名时，往往把成分、质量和用途几种分类方法结合起来，如碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、高速工具钢等 2.钢的牌号 为了方便管理和使用，每一种钢都需要有简明的编号。世界各国钢的编号方法不一样，但编号原则主要是：根据编号可大致看出钢的成分或用途。我国的钢材编号是采用国际化学元素符号和汉语拼音字母并用的原则，即钢号中的化学元素采用国际化学元素符号表示。例如，Si、Mn、Cr、W 等，稀土元素用“RE”表示。具体的编号方法如下所述。（1）普通碳素结构钢与低合金高强度结构钢 普通碳素结构钢的牌号以“Q+数字+字母+字母”表示。其中“Q”字是钢材的屈服强度“屈”字的汉语拼音字首，紧跟后面的分别是屈服强度值、质量等级符号和脱氧方法。例如，Q235AF即表示屈服强度值为235MPa的A级沸腾钢。又如2008北京奥运