金属元素

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具有金属通性的元素。金属元素种类高达八十余种,性质相似,主要表现为还原性,有光泽,导电性导热性良好,质硬,有延展性常温下一般是固体(除汞:汞在常温下为银白色液体,俗称“水银”)。
中文名
金属元素
外文名
metallic element
具有通性
金属通性
标准物态
除汞是液体以外,其余均为固体
定    义
具有金属通性的元素
所属学科
化学

金属元素基本信息

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金属元素是具有金属通性的元素。
除Sn(锡)、Sb(锑)、Bi(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,所以其原子容易失去电子而本身常以阳离子形态存在于化合物中。它们的化合物和氢氧化物一般呈碱性。

金属元素原子结构特征

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除Sn、Sb、Bi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
元素周期表 元素周期表
小于4,主族金属原子的外围电子排布为ns1 或ns2 或np(1-4),过渡金属的外围电子排布可表示为ns(1-2)(n-1)d(1-10)。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。
金属元素在元素周期表里的排布:
第一主族(除H)为碱金属元素,第二主族为碱土金属元素。第三副族到第二副族为过渡金属,过渡金属一般密度较大,熔沸点较高,有较好的导电导热延展性和耐腐蚀性。过渡金属的化合物及其溶液大多带有颜色。

金属元素分类

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金属元素按冶金工业

黑色金属:铁、铬、锰。
有色金属:除铁、铬、锰以外的金属。

金属元素按密度

轻金属:密度小于4.5克/立方厘米。
重金属:密度大于4.5克/立方厘米。

金属元素按储量

常见金属:铁、铝等。
稀有金属:

金属元素在钢中作用

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金属元素硅(Si)

1、提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。
2、硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比,这是一般弹簧钢。
3、耐腐蚀性。硅的质量分数为15%-20%的高硅铸铁,是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时,表面也将形成一层SiO2薄膜,从而提高钢在高温时的抗氧化性。
4、磁钢中的主要合金元素(含量在0.40%范围内时,改善热裂倾向,含量高时,易形成柱状晶,增加热裂倾向)。
5、降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性缺点:使钢的焊接性能恶化。

金属元素锰(Mn)

1、在低含量范围内,对钢具有很大的强化作用,提高强度、硬度和耐磨性。
2、降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性。
3、稍稍改善钢的低温韧性。
4、在高含量范围内,作为主要的奥氏体化元素。
5、锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。
6、锰对钢的高温瞬时强度有所提高。
锰钢的主要缺点是:①含锰较高时,有较明显的回火脆性现象;②锰有促进晶粒长大的作用,因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服;③当锰的质量分数超过1%时,会使钢的焊接性能变坏;④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。

金属元素铬(Cr)

1、铬可提高钢的强度和硬度。
2、铬可提高钢的高温机械性能。
3、使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性。
4、降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性。
5、阻止石墨化缺点:①铬是显著提高钢的脆性转变温度;②铬能促进钢的回火脆性。

金属元素镍(Ni)

1、可提高钢的强度而不显著降低其韧性。
2、镍可降低钢的脆性转变温度,即可提高钢的低温韧性。
3、改善钢的加工性和可焊性。
4、镍可以提高钢的抗腐蚀能力,不仅能耐酸,而且能抗碱和大气的腐蚀。

金属元素钼(Mo)

1、钼对铁素体有固溶强化作用,提高钢的强度和硬度。
2、提高钢的耐热性和高温强度。
3、抗氢侵蚀的作用。
4、降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性。
缺点:钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向 [1] 

金属元素钨(W)

1、提高强度。
2、提高钢的高温强度。
3、提高钢的抗氢性能。
4、是使钢具有热硬性。
因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。

金属元素钒(V)

1、改善热强性。
2、钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。

金属元素钛(Ti)

1、钛能改善钢的热强性,提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度。
2、能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上,在珠光体低合金钢中,钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此,钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。

金属元素铌(Nb)

1、铌和碳、氮、氧都有极强的结合力,并与之形成相应的极为稳定的化合物,因而能细化晶粒,降低钢的过热敏感性和回火脆性。
2、有极好的抗氢性能。
3、铌能提高钢的热强性。

金属元素硼(B)

1、提高钢的淬透性。
2、提高钢的高温强度。强化晶界的作用。

金属元素铝(Al)

1、用作炼钢时的脱氧定氮剂,细化晶粒,抑制低碳钢的时效,改善钢在低温时的韧性,特别是降低了钢的脆性转变温度;
2、提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究:4%AI即可改变氧化皮的结构,加入6%Al可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时,其抗氧化性能有更大的提高。例如,含铁50%一55%、铬30%-35%、铝10%-15%的合金,在1400C高温时,仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用,近年来,常把铝作为合金元素加入耐热钢中。
3、此外,铝还能提高对硫化氢和V2O5的抗腐蚀性。
缺点:①脱氧时如用铝量过多,将促进钢的石墨化倾向;②当含铝较高时.其高温强度和韧性较低。

金属元素S(硫)

1、硫在钢中以FeS-Fe共晶体存在于钢的晶粒周界,降低钢的力学性能,优制钢含硫量一般应限制在0.04%以下。
2、在机械制造中,有时为了改善某些钢的切削加工性能,人为将含硫量提高,以形成硫化物,起中断基体连续性的作用。
缺点:硫含量的提高,增加铸件热裂倾向。

金属元素氢(H)

炼钢过程中钢液从炉气中吸收氢,钢液中氢的溶解度随温度升高而提高,在缓慢凝固条件下,氢以针孔形态析出。快速凝固时,析出氢在铁的晶格内造成高应力状态,导致脆性。

金属元素氮(N)

炼钢过程中钢液从炉气中吸收氮。
1、钢液中溶解的氮在凝固过程中因溶解度降低而析出,并与钢中的Si、Al、Zr等元素化合,生成SiN、AlN、ZrN等氮化物。少量氮化物能细化钢的晶粒。氮化物多时,会使钢的塑性和韧性降低。
2、氮属于扩大奥氏体区元素,在钢中可部分代替镍的作用,是铬锰氮不锈钢中的合金元素,在超低碳不锈钢中,可代替碳的作用,提高钢的强度。

金属元素氧(O)

1、钢液中溶解的FeO在凝固前温度降低过程中与钢液中的碳起反应,生成一氧化碳气泡,在铸件中造成气孔。
2、钢液凝固过程中,FeO因溶解度下降而析出在钢的晶粒周界处,降低钢的性能。
参考资料
  • 1.    赵先存, 郑鲁. 钼在特殊钢及合金钢中的应用现状与展望[J]. 中国钨业, 1990(7):11-15.
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