第八单元 金属和金属材料

课题 1 金属材料

一、常见金属的物理性质
关于金属的使用，也许你已有不少经验，如知道铁锅可以用来炒菜、做饭，铁丝、铝丝和铜丝可以导电，也可以弯曲等。图 8-2 所示是金属的一些物理性质和用途。
金属除了具有一些共同的物理性质，还具有各自的特性。例如，铁、铝等大多数金属呈银白色，但铜却呈红色，金呈黄色。金属的导电性、导热性、密度、熔点、硬度等物理性质差别也较大（如表 8-1）。
通过上述讨论，可以得出以下结论：
物质的性质在很大程度上决定了物质的用途，但这不是唯一的决定因素；在考虑物质的用途时，还需要考虑价格、资源，废料是否易于回收和对环境的影响，以及是否美观、使用是否便利等多种因素。

二、合金
钢铁是使用最多的合金材料。你也许会认为，钢的性能比生铁的好，是因为钢是很纯的铁。其实，钢是含有少量碳及其他金属或非金属的铁合金。就像厨师在炒菜时那样，他们常常会在菜里加入各种调料，以改善菜的色、香、味，并使菜的营养价值更高。如果在纯金属中加热熔合某些金属或非金属，就可以制得具有金属特征的合金。生铁和钢就是含碳量不同的两种铁合金。生铁的含碳量为 2%~4.3%，钢的含碳量为 0.03%~2%。除了含碳，生铁中还含有硅、锰等，不锈钢中还含有铬、镍等。由于在纯金属铁中熔合了一定量的碳、硅、锰或碳、铬、镍等，组成发生改变，合金性能也随之发生改变。例如：纯铁较软，而生铁比纯铁硬；不锈钢不仅比纯铁硬，而且其抗锈蚀性能也比纯铁好得多。因此，日常生活、工农业生产和科学研究中，大量使用的常常不是纯铁，而是铁的合金。
合金的很多性能与组成它们的纯金属不同，使合金更适合于不同的用途。因此，金属材料中合金的使用更加广泛（如图 8-4、图 8-5）。
目前已制得的纯金属只有几十种，但由这些纯金属（或纯金属与非金属）按一定组成和质量比制得的合金已达几千种。表 8-2 中列出了一些常见合金的主要成分、性能和用途。
钛和钛合金被认为是 21 世纪的重要金属材料，它们具有很多优良的性能，如熔点高、密度小（钛的密度仅为 4.5 g/cm 3）、可塑性好、易加工、机械性能好等。钛和钛合金的抗腐蚀性能非常好，即使把它们放在海水中数年，取出后仍光亮如初，其抗腐蚀性能远优于不锈钢。钛和钛合金被广泛用于火箭、导弹、航天器、船舶、化工设备、通信设备和医疗（如图 8-6）等。
我国的多项重大工程建设中使用了多种金属材料，凝聚了许多劳动者的智慧。例如，我国研发人员克服了工艺控制上的重重困难，生产出了厚度仅为0.015 mm的超薄不锈钢精密箔材（如图 8-7），实现了高精尖设备制造的创新性突破。又如，火箭发动机上的金属焊接是项极其精细的工程，要完成焊接，焊接工不仅要有高超的焊接技术，而且要有执着专注、精益求精、一丝不苟、追求卓越的工匠精神（如图8-8）。