單元伍:金屬材料

一、金屬的特性

金屬是一種具有光澤、富有延展性、容易導電、傳熱等性質的物質。 金屬的上述特質都跟金屬晶體內含有自由電子有關

在自然界中,極大多數金屬以化合態存在,少數金屬例如金、鉑、銅、鉍以游離態存在。金屬礦物多數是氧化物及硫化物。其他存在形式有氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽及矽酸鹽。

常見的屬於金屬的物質有金、銀、銅、鐵、錳、鋅等。在一大氣壓及25攝氏度的常溫下,除汞外,其他金屬都是固體。大部分的金屬是銀灰色,少數金屬例外,比如:銅是暗紅色的金屬;金則是黃色的金屬。

由於金屬傾向於易失去電子,因此有良好的導電性,但溫度越高時,電阻將會變大。

金屬之間以金屬鍵結合,因此隨意更換位置都可再重新建立連結,這也是金屬伸展性良好的原因,已知自然界延展性較佳的為金屬元素,而其中又以「金」元素的延展性最佳。金屬元素在化合物中通常會呈現帶正電的形式。

 

二、金屬分類

金屬的分類各界不同,大致上可分為科學界及工業界二種分類法。

1.科學上的分類法:依元素周期表,金屬可分為以下各類。

(1)鹼金屬

(2)鹼土金屬

(3)鑭系元素

(4)錒系元素

(5)過渡金屬

(6)主族金屬

2.工業上的分類法:工業界的分類並不嚴謹。甚至存有錯誤。(如表一)

1 工業上材料的分類

分類依據

金屬分類

按顏色分類(工業最常用分類)

分為黑色金屬和有色金屬

按密度分類

分為重金屬和輕金屬

按市場上價值分類

分為貴金屬和賤金屬

按是否鐵分類

分為鐵和非鐵金屬

 

三、金屬晶體內的自由電子與金屬性質的關係

金屬具光澤、富有延展性、容易導電、利於傳熱。金屬的上述特質都跟金屬晶體內含有自由電子有關。 在金屬晶體中具有中性原子,金屬陽離子與自由電子。自由電子可在整個晶體中自由移動。

1.具光澤:

(1)當光線照射到金屬表面時,自由電子吸收所有頻率的可見光,然後很快的發射出大部分所吸收的可見光。 這也是因為絕大多數金屬呈銀白色,鋼灰色光澤的原因。

(2)金屬在粉末狀態時,由於晶體排列不規則,可見光被自由電子吸收後難以發射出去,是以金屬粉末一般呈暗灰色或灰色。

(3)少數金屬的粉末會保持原來的顏色及光澤,例如:金、鋁。

2.導電性強

自由電子在金屬晶體中作不規則的運動,在外電場的作用下,自由電子會做定向移動,形成電流,此乃金屬導電性強之因。

3.導熱性好

當金屬的一部分受熱時,受熱部分的自由電子能量增加,運動加劇,不斷與金屬陽離子碰撞而交換能量,把熱從一部分傳向各整體,此乃金屬導熱性好之因。

4.延展性良

金屬受外力時,金屬晶體內某一層金屬原子及離子與另一層的金屬原子及離子發生相對滑動,由於自由電子的運動,各層間仍保持著金屬鍵的作用力,此乃金屬延展性良之因。

 

四、常見金屬的重要特性

2 常見金屬的重要特性

性質

金屬種類

導熱性最強

延性最突出

展性最優

密度最大(2522.57g/cm3)

硬度最高(8.5)

熔點最高(3410)

 

五金即指金、銀、銅、鐵、和錫這五種常見的金屬元素,其後該詞引申至指一般常見的金屬製品,所以五金店所賣的不僅限於這五種金屬。

1.鐵:

(1)鐵的性質

鐵的發現和大規模使用,是人類發展史上的一個光輝里程碑,它把人類從石器時代、銅器時代帶到了鐵器時代,推動了人類文明的發展。至今鐵仍然是現代化學工業的基礎,人類進步所必不可少的金屬材料。化學符號是Fe,它的原子序數是26,是最常用的金屬。它是過渡金屬的一種。

(2)鐵的分佈

鐵是地球上分佈最廣的金屬之一。約占地殼質量的5.1%,居元素分佈序列中的第四位,僅次於氧、矽和鋁。

在自然界,游離態的鐵只能從隕石中找到,分佈在地殼中的 鐵都以化合物的狀態存在。鐵的主要礦石有:赤鐵礦Fe2O3,含鐵量在50%~60%之間;磁鐵礦Fe3O4,含鐵量60%以上,有磁性,此外還有褐鐵礦Fe2O3nH2O、菱鐵礦FeCO3和黃鐵礦FeS2,它們的含鐵量低一些,但比較容易冶煉。中國的鐵礦資源非常豐富,著名的產地有湖北大冶、東北鞍山等。

 

2.

(1)鋁的性質

鋁的化學符號是Al,它的原子序數是13。鋁具有特殊的化學、物理特性,是當今最常用的工業金屬之一,不僅重量輕,質地堅,而且具有良好的延展性、導電性、導熱性、耐熱性和耐核輻射性,是國民經濟發展的重要基礎原材料。

(2)自然分佈

鋁元素在地殼中的含量僅次於氧和矽,居第三位,是地殼中含量最豐富的金屬元素。在金屬品種中,僅次於鋼鐵,為第二大類金屬。

(3)鋁的應用

鋁的合金質量較輕而強度較高,因而在製造飛機、汽車、火箭中被廣泛應用。 由於鋁有良好的導電性和導熱性,可用作超高電壓的電纜材料。高純鋁具有更優良的性能。 鋁在高溫時的還原性極強,可以用於冶煉高熔點的金屬。(這種冶煉金屬的方法稱為「鋁熱法」) 鋁富展性,可製成鋁箔,用於包裝。

近五十年來,鋁已成為世界上最為廣泛應用的金屬之一。除上所述,在建築業上,由於鋁在空氣中的穩定性和陽極處理後的極佳外觀而受到很大應用;在航空及國防軍工部門也大量使用鋁合金材料;在電力輸送上則常用高強度鋼線補強的鋁纜;貨櫃運輸、日常用品、家用電器、機械設備等都需要大量的鋁。

 

3.

(1)銅的性質

  銅的化學符號是Cu,它的原子序數是29,是一種過渡金屬。純銅是一種堅韌、柔軟、富有延展性的紫紅色而有光澤的金屬,1g的銅可以拉成3000m長的細絲,或壓成10多平方米幾乎透明的銅箔。純銅的導電性和導熱性很高,僅次於銀,但比銀要便宜得多。銅的顏色很像金,但發紅,銅離子的顏色為藍色。有劇毒,不過,用特定加工法加工的銅沒有毒。銅在乾燥空氣中安定,可保持金屬光澤。但在潮溼空氣中,表面會生成一層銅綠(鹼式碳酸銅),保護內層的銅不再被氧化

(2)銅的發現

銅是古代就已經知道的金屬之一。一般認為人類知道的第一種金屬是金,其次就是銅。銅在自然界儲量非常豐富,並且加工方便。銅是人類用於生產的第一種金屬,最初人們使用的只是存在於自然界中的天然單質銅,用石斧把它砍下來,便可以錘打成多種器物。隨著生產的發展,只是使用天然銅製造的生產工具就不敷應用了,生產的發展促使人們找到了從銅礦中取得銅的方法。

含銅的礦物比較多見,大多具有鮮艷而引人注目的顏色,例如:金黃色的黃銅礦CuFeS2,鮮綠色的孔雀石CuCO3Cu(OH)2,深藍色的石青2CuCO3Cu(OH)2,赤銅礦Cu2O,輝銅礦Cu2S等,把這些礦石在空氣中焙燒後形成氧化銅CuO,再用碳還原,就得到金屬銅。另外,斑銅礦也是很常見的銅礦石。

銅製成的器物太軟,易彎曲。人們發現把錫摻到銅裡去,可以製成銅錫合金──青銅。青銅比純銅堅硬,使人們製成的勞動工具和武器有了很大改進,人類進入了青銅時代,結束了人類歷史上的新石器時代。

 

(3)用途

銅的最普遍用途在於製造電線,通常現時所用的電線都是由純銅製成,這是因為它的導電性和導熱性都僅次於銀,但卻比銀便宜得多。

(4)銅可用於製造多種合金:

(1)黃銅

黃銅是銅與鋅的合金,因色黃而得名。黃銅的機械性能和耐磨性能都很好,可用於製造精密儀器、船舶的零件、槍炮的彈殼等。黃銅敲起來聲音好聽,因此鑼、鈸、鈴、號等樂器都是用黃銅製做的。

(2)航海黃銅

銅與鋅、錫的合金,抗海水侵蝕,可用來製作船的零件、平衡器。

(3)青銅

銅與錫的合金叫青銅,因色青而得名。青銅一般具有較好的耐腐蝕性、耐磨性、鑄造性和優良的機械性能。用於製造精密軸承、高壓軸承、船舶上抗海水腐蝕的機械零件以及各種板材、管材、棒材等。青銅還有一個反常的特性——「熱縮冷脹」,用來鑄造塑像,冷卻後膨脹,可以使眉目更清楚。

(4)磷青銅

銅與錫、磷的合金,堅硬,可製彈簧。

(5)白銅

白銅是銅與鎳的合金,其色澤和銀一樣,銀光閃閃,不易生銹。常用於製造硬幣、電器、儀錶和裝飾品。

(6)18K

6/24的銅與18/24的金的合金。紅黃色,硬度大,可用來製作首飾、裝飾品。

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