[科普中國]-金屬元素

具有金屬通性的元素。金屬元素種類高達八十余種，性質(zhì)相似，主要表現(xiàn)為還原性，有光澤，導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性良好，質(zhì)硬，有延展性，常溫下一般是固體（除汞：汞在常溫下為銀白色液體，俗稱“水銀”）。

概述金屬元素是具有金屬通性的元素。

除Sn(錫)、Sb(銻)、Bi(鉍)等少數(shù)幾種金屬的原子最外層電子數(shù)大于或等于4以外，絕大多數(shù)金屬原子的最外層電子數(shù)均小于4，所以其原子容易失去電子而本身常以陽離子形態(tài)存在于化合物中。它們的化合物和氫氧化物一般呈堿性。

原子結(jié)構(gòu)特征除Sn、Sb、Bi等少數(shù)幾種金屬的原子最外層電子數(shù)大于或等于4以外，絕大多數(shù)金屬原子的最外層電子數(shù)均小于4，主族金屬原子的外圍電子排布為ns1 或ns2 或np(1-4)，過渡金屬的外圍電子排布可表示為ns(1-2)(n-1)d(1-10)。主族金屬元素的原子半徑均比同周期非金屬元素(稀有氣體除外)的原子半徑大。

金屬元素在元素周期表里的排布：

第一主族(除H)為堿金屬元素，第二主族為堿土金屬元素。第三副族到第二副族為過渡金屬，過渡金屬一般密度較大，熔沸點較高，有較好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性和耐腐蝕性。過渡金屬的化合物及其溶液大多帶有顏色。

分類按冶金工業(yè)黑色金屬：鐵、鉻、錳。

有色金屬：除鐵、鉻、錳以外的金屬。

按密度輕金屬：密度小于4.5克/立方厘米。

重金屬：密度大于4.5克/立方厘米。

按儲量常見金屬：鐵、鋁等。

稀有金屬：鋯、釩、鉬。

金屬元素在鋼中作用硅（Si）1、提高鋼中固溶體的強度和冷加工硬化程度使鋼的韌性和塑性降低。

2、硅能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強比，這是一般彈簧鋼。

3、耐腐蝕性。硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%-20%的高硅鑄鐵，是很好的耐酸材料。含有硅的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面也將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。

4、磁鋼中的主要合金元素（含量在0.40%范圍內(nèi)時，改善熱裂傾向，含量高時，易形成柱狀晶，增加熱裂傾向）。

5、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性缺點：使鋼的焊接性能惡化。

錳（Mn）1、在低含量范圍內(nèi)，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、硬度和耐磨性。

2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。

3、稍稍改善鋼的低溫韌性。

4、在高含量范圍內(nèi)，作為主要的奧氏體化元素。

5、錳對提高低碳和中碳珠光體鋼的強度有顯著的作用。

6、錳對鋼的高溫瞬時強度有所提高。

錳鋼的主要缺點是：①含錳較高時，有較明顯的回火脆性現(xiàn)象；②錳有促進晶粒長大的作用，因此錳鋼對過熱較敏感t在熱處理工藝上必須注意。這種缺點可用加入細化晶粒元素如鉬、釩、鈦等來克服；③當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%時，會使鋼的焊接性能變壞；④錳會使鋼的耐銹蝕性能降低。

鉻（Cr）1、鉻可提高鋼的強度和硬度。

2、鉻可提高鋼的高溫機械性能。

3、使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性。

4、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。

5、阻止石墨化缺點：①鉻是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度；②鉻能促進鋼的回火脆性。

鎳（Ni）1、可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性。

2、鎳可降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，即可提高鋼的低溫韌性。

3、改善鋼的加工性和可焊性。

4、鎳可以提高鋼的抗腐蝕能力，不僅能耐酸，而且能抗堿和大氣的腐蝕。

鉬（Mo）1、鉬對鐵素體有固溶強化作用，提高鋼的強度和硬度。

2、提高鋼的耐熱性和高溫強度。

3、抗氫侵蝕的作用。

4、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。

缺點：鉬的主要不良作用是它能使低合金鉬鋼發(fā)生石墨化的傾向1。

鎢（W）1、提高強度。

2、提高鋼的高溫強度。

3、提高鋼的抗氫性能。

4、是使鋼具有熱硬性。

因此鎢是高速工具鋼中的主要合金元素。

釩（V）1、改善熱強性。

2、釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。

鈦（Ti）1、鈦能改善鋼的熱強性，提高鋼的抗蠕變性能及高溫持久強度。

2、能提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩(wěn)定性。使鋼在高壓下對氫的穩(wěn)定性高達600℃以上，在珠光體低合金鋼中，鈦可阻止鉬鋼在高溫下的石墨化現(xiàn)象。因此，鈦是鍋爐高溫元件所用的熱強鋼中的重要合金元素之一。

鈮（Nb）1、鈮和碳、氮、氧都有極強的結(jié)合力，并與之形成相應(yīng)的極為穩(wěn)定的化合物，因而能細化晶粒，降低鋼的過熱敏感性和回火脆性。

2、有極好的抗氫性能。

3、鈮能提高鋼的熱強性。

硼（B）1、提高鋼的淬透性。

2、提高鋼的高溫強度。強化晶界的作用。

鋁（Al）1、用作煉鋼時的脫氧定氮劑，細化晶粒，抑制低碳鋼的時效，改善鋼在低溫時的韌性，特別是降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度；

2、提高鋼的抗氧化性能。曾對鐵鋁合金的抗氧化性進行了較多的研究：4%AI即可改變氧化皮的結(jié)構(gòu)，加入6%Al可使鋼在980C以下具有抗氧化性。當(dāng)鋁和鉻配合并用時，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含鐵50%一55%、鉻30%-35%、鋁10%-15%的合金，在1400C高溫時，仍具有相當(dāng)好的抗氧化性。由于鋁的這一作用，近年來，常把鋁作為合金元素加入耐熱鋼中。

3、此外，鋁還能提高對硫化氫和V2O5的抗腐蝕性。

缺點：①脫氧時如用鋁量過多，將促進鋼的石墨化傾向；②當(dāng)含鋁較高時．其高溫強度和韌性較低。

S（硫）1、硫在鋼中以FeS-Fe共晶體存在于鋼的晶粒周界，降低鋼的力學(xué)性能，優(yōu)制鋼含硫量一般應(yīng)限制在0.04%以下。

2、在機械制造中，有時為了改善某些鋼的切削加工性能，人為將含硫量提高，以形成硫化物，起中斷基體連續(xù)性的作用。

缺點：硫含量的提高，增加鑄件熱裂傾向。

氫（H）煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氫，鋼液中氫的溶解度隨溫度升高而提高，在緩慢凝固條件下，氫以針孔形態(tài)析出。快速凝固時，析出氫在鐵的晶格內(nèi)造成高應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致脆性。

氮（N）煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氮。

1、鋼液中溶解的氮在凝固過程中因溶解度降低而析出，并與鋼中的Si、Al、Zr等元素化合，生成SiN、AlN、ZrN等氮化物。少量氮化物能細化鋼的晶粒。氮化物多時，會使鋼的塑性和韌性降低。

2、氮屬于擴大奧氏體區(qū)元素，在鋼中可部分代替鎳的作用，是鉻錳氮不銹鋼中的合金元素，在超低碳不銹鋼中，可代替碳的作用，提高鋼的強度。

氧（O）1、鋼液中溶解的FeO在凝固前溫度降低過程中與鋼液中的碳起反應(yīng)，生成一氧化碳氣泡，在鑄件中造成氣孔。

2、鋼液凝固過程中，F(xiàn)eO因溶解度下降而析出在鋼的晶粒周界處，降低鋼的性能。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王強 - 副教授 - 西南大學(xué)