金属

金属

具有光泽和热导电性的物质
金属是一种具有光泽(即对可见光强烈反射)、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。金属的上述特质都跟金属晶体内含有自由电子有关。在自然界中,绝大多数金属以化合态存在,少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。金属矿物多数是氧化物及硫化物。其他存在形式有氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐。金属之间的连结是金属键,因此随意更换位置都可再重新建立连结,这也是金属延展性良好的原因。
  • 中文名:金属
  • 外文名:
  • 所属品牌:
  • 英文名:Metal
  • 熔点:一般较高
  • 沸点:一般较高
  • 水溶性:一般不溶或难溶于水
  • 密度:一般较大
  • 外观:有金属光泽
  • 导热性:一般优良
  • 导电性:一般优良
  • 标准物态:除汞外均为固体

构成

由于金属的电子倾向脱离,因此具有良好的导电性,

且金属元素在化合物中通常带正价电,但当温度越高时,因为受到了原子核的热震荡阻碍,电阻将会变大。金属分子之间的连结是金属键,因此随意更换位置都可再重新建立连结,这也是金属伸展性良好的原因。

在自然界中,绝大多数金属以化合态存在,少数金属例如金、银、铂、铋以游离态存在。金属矿物多数是氧化物及硫化物,其他存在形式有氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐。

属于金属的物质有金、银、铜、铁、锰、锌等。在一大气压及25摄氏度的常温下,除汞(液态)外,其他金属都是固体。大部分的纯金属是银白(灰)色,只有少数不是,如金为黄赤色,铜为紫红色。金属大多带“钅”旁。

通常将具有正的温度电阻系数的物质定义为金属。使用的含112种元素的元素周期表中,金属元素共90种。位于“硼-砹分界线”的左下方,在s区、p区、d区、f区等5个区域都有金属元素,过渡元素全部是金属元素。

在固态金属导体内,有很多可移动的自由电子。虽然这些电子并不束缚于任何特定原子,但都束缚于金属的晶格内;甚至于在没有外电场作用下,因为热能,这些电子仍旧会随机地移动。但是,在导体内,平均净电流是零。挑选导线内部任意截面,在任意时间间隔内,从截面一边移到另一边的电子数目,等于反方向移过截面的数目。

原子结构

除锡、锑、铋等少数几种金属的原子最外层电子数大于或等于4以外,绝大多数金属原子的最外层电子数均小于4,主族金属原子的外围电子排布为ns1或ns2或ns2np(1-4),过渡金属的外围电子排布可表示为(n-1)d(1-10)ns(1-2)。主族金属元素的原子半径均比同周期非金属元素(稀有气体除外)的原子半径大。

分类

黑色金属:铁、铬、锰三种。

有色金属:铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡、铜、铅、锌、锡、钴、镍、锑、汞、镉、铋、金、银、铂、钌、铑、钯、锇、铱、铍、锂、铷、铯、钛、锆、铪、钒、铌、钽、钨、钼、镓、铟、铊、锗、铼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇、钍。

常见金属:如铁、铝、铜、锌等。

稀有金属:如锆、铪、铌、钽等。

轻金属:密度小于4500千克/立方米,如钛、铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡等。

重金属:密度大于4500千克/立方米,如铜、镍、钴、铅、锌、锡、锑、铋、镉、汞等。

贵金属:价格比一般常用金属昂贵,地壳丰度低(又称克拉克值(CLARKE value),一种表示地壳中化学元素平均含量的数值),提纯困难,如金、银及铂族金属。

准金属元素:性质价于金属和非金属之间,如硅、硒、碲、砷、硼等。

稀有金属:包括稀有轻金属,如锂、铷、铯等;

稀有难熔金属:如锆、钼、钨等;

稀有分散金属:如镓、铟、锗、铊等;

稀土金属:如钪、钇、镧系金属;

放射性金属:如镭、钫、钋及锕系元素中的铀、钍等。

变形结晶

压力加工:是利用金属的塑性,使其改变形状、尺寸和改善性能,获得型材、棒材、线材或锻压件的加工方法。

一、塑性变形的基本形式

当单晶体受拉力F时,在一定的晶面上分解为垂直于晶面的正应力σN和平行于晶面的切应力τ。

正应力只能使晶体产生弹性变形和断裂——脆性断裂。正应力作用下晶体变形示意图。

切应力使晶体产生滑移。

——延性断裂(断口呈纤维状,且灰暗无光泽).切应力作用下晶体变形示意图。

单晶体的塑性变形方式主要有两种:

(一)滑移

晶体塑性变形时,分切应力使晶体内部上下两部分的原子沿着某特定的晶面相对移动,这种现象称为滑移。它主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上,并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。

(一)滑移系:如图所示:

1)滑移面:发生滑移的面。

2)滑移方向:发生滑移的方向。

3)滑移系:晶体中每个滑移面

和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移系越多,塑性越好。

2、引起滑移的临界切应力

1)滑移面内的切应力分解到滑移方向上的分切应力是晶体产生滑移的动力。

2)分切应力:τ=σcosφcosλ(φ为滑移面与外力的夹角;λ为滑移方向与外力的夹角)。

3)cosφcosλ被称为取向因子,分切应力大的位向称为软位向,反之为硬位向。

4)能使滑移系产生滑移的最小分切应力值称为临界切应力:τc=σscosφcosλ。

(二)孪生(孪晶)

所谓孪生,就是晶体中的一部分原子对应特定的晶面(孪生面)沿着一定晶向(孪生方向)产生剪切变形。

孪生与滑移的主要区别是:发生滑移后,晶体已变形区和未变形区位向没有发生变化,而孪生就使晶体两部分位向发生了变化。

二、实际金属的塑性变形

1、晶界及晶粒位向的影响:

晶界抵抗塑性变形的能力较晶粒本身要大,多晶体中,由于晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大。金属晶粒越细,晶界越多,变形抗力越大,金属的强度就越大。多晶体塑性变形示意图。

2、实际金属塑性变形过程

(1)多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时,软位向晶粒先开始。

(2)当位错在晶界受阻逐渐堆积时,其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形,变形分散在材料各处。

(3)晶粒越细,晶界面积越大,对位错的阻力越大,多晶体的强度就越高。

(4)由于细晶粒金属的强度较高,塑性较好,所以断裂时需要消耗较大的功,因而韧性也较好。因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。

基本特性

金属材料性能为更合理使用金属材料,充分发挥其作用,必须掌握各种金属材料制成的零构件在正常工作情况下应具备的性能(使用性能)及其在冷热加工过程中材料应具备的性能(工艺性能)。

材料的使用性能包括物理性能(如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等),化学性能(耐用腐蚀性、抗氧化性),力学性能也叫机械性能。

材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。金属材料比表面积研究是非常重要的。

工艺性能

指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。

8、铸造性能:指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能,主要包括流性能、充满铸模能力;收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力;偏析指化学成分不均性。

1、焊接性能:指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法,把两个或两个以上金属材料焊接到一起,接口处能满足使用目的的特性。

2、顶气段性能:指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。

3、冷弯性能:指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度α(外角)或弯心直径d对材料厚度a的比值表示,a愈大或d/a愈小,则材料的冷弯性愈好。

4、冲压性能:金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。

5、锻造性能:金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。

化学性能

指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。

1、耐腐蚀性:指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。

2、抗氧化性:指金属材料在高温下,抵抗产生氧化皮能力。

氧化

金属的氧化有两种含义,狭义的含义是指金属与环境介质中的氧化合而生成金属氧化物的过程;广义金属氧化就是金属与介质作用失去电子的过程,氧化反应产物不一定是氧化物也可以是硫化物、卤化物、或其他化合物。

钝性

金属分为活性金属和钝性金属两种。根据金属活动性顺序,氢前金属称为活性金属,氢后金属就是钝性金属。

保护方法

1、改变金属的内部结构(如制造成合金等);2、在金属表面复盖保护层;3、电化学保护法:外加电源的阴极保护法,牺牲阳极的阴极保护法;4、缓蚀剂法。

金属表面工程技术是一种可以改变金属表面特性,达到预防金属腐蚀、提高金属的疲劳强度和抗应力腐蚀性能等目的的技术。在我国,这一技术的应用可以追溯到古代几千年前。

收获

1995年,俄罗斯奥尔登堡大学的生物学家梅格列特在研究一种叫蓼的一年生草本植物时,意外地发现蓼的叶子中含有异常高的锌、铅、镉等金属。这是否表明蓼有从土壤中吸收这些金属的“嗜好呢”?于是他带着这个疑问,在一些被锌、铅、镉之类金属污染过的土地上种了大量的蓼。这些蓼长得非常茂盛,叶子又大又厚,结果在1公顷的土地上,一个季节就收获了大量的蓼。梅格列特将蓼草放入800℃的炉子里烧,草化为灰烬,结果从中得到了1.3千克镉、23千克铅、322千克锌。

德国奥尔登大学的一个试验小组已在一处废金属堆放场引种俄罗斯大蓼获得成功,该试验小组已从德国各地尤其是环保组织接到了大量订单,同时还为推广这项研究成果专门成立了一家商业性公司。它的业务活动已引起德国军事部门的很大兴趣,因为历史上的各种军事演习场包括二战时期用作化学武器仓库的地方都有待改造,消除污染,公司方面业已应约在那些地方种下了大蓼,以净化环境,回收有害金属。

还有文献报到,美国加利福尼亚的专家们通过研究发现,野生芥菜有从土壤中蓄积镍的功能,他们把种植的半公顷的野生芥菜杆割下来,晒干再烧成灰,每100克芥菜灰中获得了15-20克镍。他们正着手培育蓄积金属能力更强的芥菜新品种,预计可以从每平方米的土地上获取12克镍。尽管通过这种方式获取镍的效果远不及其它办法,但对环境无任何污染。

科学研究证明,植物在千百万年漫长的进化演变过程中,已经练就了一身非凡绝招,许多植物有累积某些金属元素的能力。如堇菜好锌、香薷含铜比较丰富、烟草含铀特别多,还有紫云英含硒、苜蓿含钽、石松含锰格外丰富。生长在含黄金特别多的土壤中的玉米或木贼草,烧成灰,每吨竟可以提取到10克黄金。有些植物能累积稀有金属,如铬、镧、钇、铌、钍等,被称为“绿色稀有金属库”。它们对稀有金属的聚集能力要比一般植物高出几十倍、成百倍,甚至上千倍。

这一系列的发现引起了科学家们的极大兴趣,被人们称为“绿色冶金”技术。专家预言如果这一成果取得突破性的进展,人类将有可能通过种植植物来获得所需的金属,同时还可以改善遭受人类破坏的环境。

电化学沉积是目前广泛应用的金属表面着色技术,其颜色来自于由表面氧化层厚度决定的可见光干涉。

行业运行情况

(一)有色金属产量平稳增长

2013年1~6月,我国十种有色金属产量1946.8万吨,同比增长10%。其中,精炼铜产量323.4万吨,同比增长12.9%;原铝产量1058万吨,同比增长7.9%;铅产量227.2万吨,同比增长12.5%;锌产量257.1万吨,同比增长9.2%。

(二)生产企业效益有所下降

2013年1~6月,9078家规模以上有色金属工业企业(含黄金、稀土)实现主营业务收入24409.7亿元,同比增长14.1%;实现利税1259.8亿元,同比下降6.7%;实现利润773.1亿元,同比下降12.45%。

(三)有色金属产品价格震荡下行

2013年1~6月,有色金属价格呈现震荡下行态势,国内市场铜现货平均价为55060元/吨,同比下降4.7%;铝现货平均价为14701元/吨,同比下降8%;铅现货平均价为14363元/吨,同比下降7.7%;锌现货平均价为15125元/吨,同比下降1.5%。

(四)有色金属进、出口额出现回落

2013年1~6月,我国有色金属进出口贸易总额790.6亿美元,同比增长0.8%。其中:进口额489.1亿美元,同比下降8.7%,出口额301.5亿美元,同比增长21.4%,但扣除黄金首饰及零件出口额后,主要有色金属出口额为139.1亿美元,同比下降3.8%。

(五)行业结构调整稳步推进

2013年1~6月,我国有色金属工业(不包括独立黄金企业)完成固定资产投资额2846.7亿元,同比增长19.3%。其中,有色金属矿采选完成固定资产投资502.9亿元,同比增长0.9%;有色金属冶炼完成固定资产投资929亿元,同比增长2.2%;有色金属加工完成固定资产投资1414.8亿元,同比增长44.6%。开采、冶炼投资热缓解,压延加工项目投资出现上升势头。

(六)节能降耗水平进一步提高

2013年1~6月,我国铝锭综合交流电耗下降到13762千瓦时/吨,同比下降了114千瓦时/吨,节电12.1亿千瓦时;铜冶炼综合能耗下降到327千克标准煤/吨,同比下降了3.1%。

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