合金的種類

純鐵是一種非常軟的金屬，用它甚至連結實的斧頭或刀都造不出來。人類需要純金屬只是最近的事。絕大部分的金屬製品都是用合金製造的。青銅，黃銅，鋼和鑄鐵都是合金。在現代技術中使用著好幾千種具有各種不同性質的合金。其中有些性質是組成合金的任何一種金屬所不具備的。 究竟什麼是合金呢？ 對這個問題目前還沒有一個一致的回答。您要用顯微鏡來觀察一小塊鉛銻合金，就可以看到它是有不同晶體鑲嵌成的金屬塊。其中一些是鉛的晶體，另一些是銻的晶體，這是一種機械混合物。鋁硅合金，鉍鎘合金等等也都是這樣。用鋁硅合金可以製造航空發動機的某些零件，用鉛，銅和銻的合金可以製造軸承。看來，各種機械混合物能將各種有益的性質巧妙地組合在一起，譬如說，在軸承合金的柔軟的鉛錫合金基中就分布著銻化合物的堅硬的細小晶粒。這種合金，一方面耐磨，從而保證軸承的使用壽命長；另一方面，易於加工，且摩擦係數很小。 科學家還能製造出這樣一些金屬的合金，例如，鐵和鉛的合金或鐵和鉍的合金。這些金屬在熔融狀態下完全不能互相混合在一起，就像水和油不能互相混合在一起一樣。在失重條件下倒是可以進行這些混合。這種合金通常是用粉末治金的方法（即將不同金屬的粉末在高溫下燒結的方法）製造的。 除了機械混合物之外，還有一種所謂固溶體。顧名思義，這是一種金屬溶於另一種金屬中的熔體。銅和鎳，像其他許多對金屬一樣，彼此可以按無限制的比例溶解在一起。而鉛與鋅，鉛與銅，鐵與鉛彼此之間只能按某種比例溶解在一起。如果把熔化在一起的鋅和鉛放在一邊澄清，液體很快就形成兩層；上層是鉛溶解在鋅中的較輕的一層，下層是鋅溶解在鉛中的較重的一層。這兩層溶液就這樣彼此分開凝固。 顯然，當溶液呈液態時，一種金屬的原子分布在另一種金屬的原子之間。而當合金結晶變硬時，會發生什麼現象呢？如果兩種金屬的原子大小差不多（更准切些說，如果兩者大小相差不大於15%），而且兩種金屬具有同一類型的晶格，那麼它們的原子在晶格的任何位置都可以互相置換。這樣的合金稱為置換固溶體。鐵和鉻和鎳的合金都屬於這一類。它們都廣泛地應用著。例如，日常習慣所稱的「銀幣」，實際上就是銅和鎳的合金製成。 如果被溶解元素（即溶質元素）的原子比溶劑金屬的原子小得多，則會得出一種所謂間隙固溶體。在這種情形下，溶質元素的原子分布在溶劑金屬晶格內的各原子之間。（就好像在裝有西瓜的箱子里填充的核桃可以安排在西瓜之間的空隙內一樣。） 在固溶體和機械混合物之間，還有數不清的中間過渡型的合金結構。在這種結構中，除置換晶體或間隙晶體以外，還生成每一種金屬的一些獨特的晶體。 大多數金屬能夠無限互溶，因為它們可以生成置換固溶體或間隙固溶體。然而，具有這種溶解度的，只有那些在元素周期表中排列相近而且它們的原子具有類似的電子層結構的元素。如果這些元素處在同一族內，則通常它們都具有同一類型晶格。晶格類型不同的元素也可能彼此具有有限互溶度。許多金屬，只有當一種金屬在另一種金屬中的濃度小於一定值時，才會形成固溶體，超過這個濃度，就會產生機械混合物。各元素的原子量之間相差愈大，互溶度愈小。在門捷列夫周期表中相距很遠的各種金屬，或者形成機械混合物，或者形成化合物。 總之，合金可能是金屬與非金屬的化合物，或者是不同的金屬彼此形成的化合物。在這些化合物中不保持組合化合物的各種金屬的一半化合價。這裡可例舉幾個化合物的化學式：MgZn5,NaZn12，IB104. 同一對金屬可能形成各種不同的化合物。例如，鈉同錫可以生成九種化合物！ 形成化合物的，主要是一些最外電子層結構的差別很大的元素，即在周期表中彼此位置相距遠的元素。 合金中也可能同時包含有機械混合物，固溶體和化合物。例如，當鐵，鎢以及其他金屬同碳相溶合時，不僅會形成碳在金屬中的固溶體，而且會形成化合物——碳化物。 隨著合金研究的發展，不斷增加許多新發現的各種不同的合金。這就像俄語里總共只有32個字母，按各種不同的方式組合，形成極為豐富的語言一樣，80種金屬可製成無數具有各種不同性質的合金。因此，原則上說，人們可以製成人類可能需要的任何材料。 與晶體結構比較簡單，單位晶格中只有幾個原子的那些金屬不同，金屬化合物往往具有非常複雜的晶體結構，例如，在B相鋁鎂合金的單位晶格內只有104個原子，而釔硼化合物的單位晶格內卻有1700個原子；它們的原子之間的鍵的類型也是各式各樣的：有金屬鍵，共價鍵和離子鍵。 原子鍵類型的多種多樣和晶體結構的多種多樣性，使得金屬化合物所具有的特殊的物理化學特性，電學特性，磁學特性，光學特性，力學特性以及其他特性的變化範圍很大。例如，許多金屬化合物的電學特性可以從液氦溫度下的超異性變化到室溫下的半導電性。 無論是超導體，還是具有非凡的永久磁鐵，都是金屬化合物。也正是金屬化合物具有機械記憶效應。金屬化合物也是所有中最難熔的物質。例如，碳化鉿和碳化鉭的固溶體的熔點為4215C，硬質合金的成分中90%是金屬化合物（碳化鎢等等）。在工具鋼中就含有大量的鐵，硼，鉻，錳，釩，鎢，鉬以及其他金屬的碳化物。 在軸承合金中，金屬化合物在軟質體中起著硬質支撐物的作用（例如，錫基合金中的銅錫化合物）。 正是金屬化合物使 輕合金在熱處理之後的強度得到提高。 在通常情況下，金屬化合物的特點是具有非常高的硬度和脆性。因此，許多金屬學家不久以前還認為，用它不能製成任何形狀的製品。他們也沒有看到它們在工業中應有的前景。然而，後來發現，金屬化合物只是在常溫下具有脆性。E。M。薩維茨基在蘇聯學院普通化學和無機化學研究所（該所當時是H。C。庫爾納科夫院士的一批學生在那裡工作，後來他們轉到蘇聯科學院巴依科夫治金研究所）工作時所做的研究發現，所有的金屬化合物在達到其熔點的70~90%的溫度下，它們的性能就像塑性極好的物體一樣。這就使我們可以擬定出製造金屬化合物製品的工藝。 後來，人們又發現另一個重要而有趣的現象；當金屬化合物和半導體（鍺，硅，金剛石）加熱至熔點的50~80%的溫度時，它們的強度都增大了。（而我們知道，那些塑性良好的金屬和合金在加熱時它們強度總是下降的）。這種強度的增大有時可達百分之幾百。這種效應除了具有重要的科學意義之外，還具有很重要的實用意義，特別是對於研製新型的耐熱材料來說更是如此。然而，對這種現象暫時尚未做出圓滿的解釋。 合金不僅可以在金屬熔化時形成，而且可以在金屬粉末燒結時形成，也可以使金屬或非金屬原子滲進金屬部件表層而形成。用這些方法可以使各種性能似乎是不可想像地結合在一起。例如，可以使曲軸或齒輪的芯體具有彈性和韌性，而使其表面堅硬，耐磨。這些零件使用軟質的低碳鋼製成，然後使其在有碳存在的900~950C的溫度下保持一段時間，碳就溶解在金屬的表層內。這樣一來，在零件的具有彈性和韌性的芯體上就成功地套上一層硬質高碳鋼的「鎧甲」。可以用類似方法給零件表明滲氮，使其有超級硬度，給零件表面滲鉻，使其具有抗腐蝕性；等等。
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