2.2.2五光十色的有色金属（或非铁金属） 有色金属的产量和用量虽然大大低于钢铁，只占钢铁的约 6%但是其重要性却无法用数量来表示，我国有色金属的总产量 占世界第四位，但人均占有量在世界排名第50位（1994年)，世 界上有色金属生产的构成中，铝、铜、铅、锌4种占总量的95% 以上。 现将非铁金属的分类及主要特点介绍如下。 (1)轻合金 ①铝合金。铝是最重要的最有特色的有色金属，其主要特点： (a)密度2.7gcm3,只有钢的13；(b)抗大气腐蚀；(c)优良 的导电性，导电率是铜的23，从重量考虑铝更占优势：(d)比强 度（断裂强度/密度）比钢高得多；（ε）很好的加⊥性能。铝合金 应该说是现代航空工业的基础，据统计，协和式超音速飞机全部结 构的71%是用特殊的铝合金制造的，高速火车、汽车等用的铝型 材、铝制发动机缸休、活塞、散热器等用量不断加大；建筑装饰用 铝材越来越多，又漂亮，又耐蚀；电力系统和家用电器中，铝排和 铝导线的用量超过铜线；软饮料包装易拉罐，其制造精度和难度都 相当大，包装巧克力糖和香烟的铝箔从0.1~0.009mm厚度，食 品包装用占铝箔的60%，还可用作电容器：铝是热的良导体，又 是热的良好反射体，在储存汽油或牛奶时，在容器上铺一层铝箔， 可以把太阳的热反射出去，以防液体过热。高纯铝是最好的反光材 料，涂铝的反光镜特别受天文学家的青睐，因为它不易失去光泽并 且对紫外线的反射比银还好；铝餐具已进入千家万户…。铝合金 作为现代航空工业的奠基者给人的印象是很深刻的，随着飞机性能 要求的提高，对更轻更强材料的需求日益强烈。近十多年来铝锂 (A-Lⅰ合金的研制成功是航空材料的一个重要突破，锂是自然界 中最轻的金属，其密度为0.534g/cm3,只有铝的1/5，而且研究 表明，锂是提高铝的刚性的最有效元素，因此，铝锂合金中仅含有 2%~3%的Li,其密度可减少8%，刚性增大15%，比刚性则可 增大20%一30%，这对要求高刚性的航空材料来说是非常宝贵的
据预测，民航飞机改用铝锂合金后，飞机重量可以减轻8%一 16%这对航空工业的吸引力极大。前苏联已将铝锂合金广泛用于 多类军用飞机（米格27、29)和大型民用客机，可以预计，在新 的世纪之中，铝锂合金在航空航天领域将更光彩照人。 ②钛合金。钛合金是近代轻合金中的又一佼佼者，其密度小 （4.5gcm3),强度高，比强度高于铝合金，而且耐高温和耐腐蚀， 因此在航空航天及其他领域均有重要的用途。20世纪70年代起， 钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加，在F-14和F-15飞 机上用量占结构总重量的25%在F.100和T℉.39飞机发动机上 的用量达到33%。20世纪80年代，钛合金在美国的BIB轰炸机和 航天飞机上也得到应用。日前应用最多的是Ti-6A4V合金，用于 工作温度不超过400℃的结构件和发动机部件；Ti-6Al-2Sn-4Zr 2Mo合金的使用温度可到近500℃。钛合金的高强度和高耐蚀性 使其在海洋工稈中的应用前景十分看好，目前在海底石油钻探设备 中己有重要应用，海水淡化工程中钛合金也是最佳选择，钛制的耐 压舱己能下潜到水下6000m的深海安全作业，在深水潜艇、核潜 艇方面也有很好的应用价值。钛合金在核电站或火力发电站中用于 各种热交换器和冷凝器，以及核废料储罐的外包装材料，并用于远 程火箭的液氢(-253℃)储罐。 ③镁合金。密度仅1.74g/cm3,比强度高，减震能力强，在 航空航天领域有重要应用。 ④铍合金。密度1.8g/cm3,比刚度很高，尺寸稳定，惯性 低，用于惯性导航及航天低重量刚性件：比热大，可用于散热片和 飞行器头部，还用于X射线窗口；热中子吸收截面低，中子反射 截面高，用于原子能反应堆巾的反射层等。 (2)部分重有色合金 ①铜合金。包括黄铜（Cu-Zn),锡青铜、铝青铜、铍青铜， 白铜CN)用于机械、仪表、电机、轴承、化工、造船、汽车 工业等。 ②锌合金。用于电池锌板，照相和胶印制版，铸造温度低
(382℃)，用于模具和仪表零件，耐大气和水腐蚀，可用于钢板的 保护层（镀锌钢板）。 ③镍合金。Ni基高温合金（加入A1、Ti、Cr、W、Mo、Nb、 Ta、B、Zr等合金元素)高温强度高，工作温度<1050℃，用于 航空、火箭发动机和反应堆中高温部件，还有镍基耐蚀合金、耐磨 合金、精密合金等。 ④锰合金。减震锰合金，用于潜艇螺旋桨、钻杆等，还有高 膨胀锰合金，磁性锰合金(Mn-21Bi),磁光记录材料。 (3)低熔点合金 Pb(熔点327℃)、Sn(熔点232℃)、Cd(熔点321℃)、Bi (熔点271℃、In(熔点157℃)、Ga(熔点29.8℃)、Hg(熔点 一39℃及其合金，熔点低，强度和硬度也低，主要用于保险丝、 熔断器、焊料和轴承。 (4)难熔金属 ①钨合金。熔点高达3407℃，优异的电光源材料，电子发射 和电极材料，高温热电偶(W-Re)；密度很高(19.3gcm3),可 用于大威力穿甲弹：WC是硬质合金的土要组成。 ②钼合金。熔点2610℃，在1100~1650℃下有较高的比强 度，塑性较好，用于电子管中的栅极和阳极，电光源中高温发热体 的支架，战术火箭的尾喷管、热轧无缝钢管的钼顶头等。 ③铌合金。熔点2477℃，飞机和宇宙飞船推进系统中高温材 料的有力竞争者。 ④钽合金。熔点2985℃，在高性能电容器、核反应堆、化 工、医疗领域应用。 (5)贵金属 贵金属包括金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、钯（Pd)、佬 (Rh)、铱(Ir)、锇(Os)、钉(Ru),它们的特点如下。 ①有良好的化学惰性，艳丽的光泽，长期不褪色，可做装饰品。 ②耐蚀，Ir>Ru>Rh>Os>Au>Pt>Pd>Ag,Ir最好。 ③有催化特性和良好的导电性
常用于电子线路引线、精密电阻、热电偶、催化剂、牙科材料、 货币。 (6)稀土金属（详见第8章） (7)精密合金 ①弹性合金。恒弹性合金，弹性不随温度改变，有FeNiCrBe、 FeNiMo、FeNiCrNb、FeNiCrMoW、FeNiCrTiMoCu、FeNiCrTiZrAg等系 列，用于压力表、航空、航海仪表，高弹性合金2C19N9Mo、 Ni36 CrTiA1等，用途同上。 ②膨胀合金。具有异常或可控热膨胀特性的合金，以Fe-Ni 基合金为主，用于陶瓷、玻璃、硅、云母等物体对接，及热双金属 的主动层。 ③引线框架合金。用于固定集成块硅芯片端头，与外电路连 接并散热，要求导电导热性好，膨胀系数与硅接近，电镀性好、耐 蚀，有Fe基、Cu基。 ④精密电阻合金。电阻随温度变化小，稳定性高，用于精密 仪器，主要有Cu-Mn系、Cu-Ni系、Ni-Cr系和贵金属系。 ⑤电热合金。用于制造电热器发热体，把电能转换成热能， 如工业电炉和家电，Ni基：Ni29%~80%、Cr15%~31%,其余 为Fe无磁发热体，工作温度<1200℃，Fe基：Cr12%~30%, A14%~8%,其余为Fe,抗氧化，可用至1300℃，但质较脆。 ⑥热电偶。主要材料及其最高使用温度如下：铂铂铑 (1800℃)、镍铬镍硅(1300℃)、镍铬镍铜（康铜）(900℃)、 铁-康铜(750℃)、铜-康铜(400℃)、钨徕(2300℃)。 2,2.3金属材料科学 从人类进入铜器、铁器时代开始，一直到20世纪初，虽然各 种金属制造的机器、工具、用品已经司空见惯，金属制品工艺技术 已十分高超，但是这些技术只能说成是一种手艺，掌握了这些技术 的人只能称之为工匠，因为他们依赖的是长期积累的经验，谈不上 对金属本质的了解。1861年英国人H·C·肖比教授首先使用光学显 微镜对金属的显微结构进行了研究，他把金属的表面磨光抛光，然
后放在酸中浸蚀，在显微镜下发现了不同的花样，后来称之为显微 组织结构，显微组织结构与金属的性能有着直接的关系，他的实验 开创了金属材料科学的第一页一一“金相学”，也是人们揭示金属 材料微观奥秘的第一步。1905年X射线用于金属，发现了金属中 原子排列的规律性，即所谓晶体结构，它帮助人」了解各种金属中 原子在空间分布的规律，这一成功使人们对金属的微观结构的认识 又加深了一步。通过金相和X光衍射和化学分析的手段，人们对 金属材料的成分、显微组织结构和性能间的关系进行了大量研究， 发现了许多规律，解释了大量过去不可思议的现象，奠定了金属材 料科学的基础，并大大推动了合金钢及热处理等科学技术的发展。 20世纪50年代开始，电子显微镜开始用于金属的研究，光学显微 镜放大倍数的极限不超过2000倍，而电子显微镜的放大倍率可以 到百万倍，因此对金属微观世界的了解又前进了一大步，不仅如 此，电镜还可以透视金属的内部。随着现代科学技术的发展，近 20年来，各种电子显微分析仪器不断涌现出来，它们把微区的形 貌观察、晶体结构分析和微区成分分析集于一身，目前已经可以看 到原子排列的图像，分析到一个一个的不同原子的分布，随着对金 属微观奥秘的不断深入了解，推动了新型材料的发展，大大增进了 人类改造自然的能力。 从微观上看，金属和合金是由一些“合金相”以不同的数量、 大小、形状和分布状态形成的复杂体系，称为显微组织结构，研究 表明金属的显微组织是影响其性能的决定因素，而显微组织是中其 成分和制造工艺（冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理）来决定的。 因此研究金属材料的成分.显微组织工艺-性能之间的关系便是金属 材料学的基本任务，其中显微组织是核心。近百年来，无数的金属 材料科技人员利用各种先进手段研究了各种合金的显微组织的形成 过程和变化规律，提出了很多重要的理论，包括晶体结构、凝固与 结晶、晶体缺陷、扩散、相图、相变、塑性变形、强度与断裂、腐 蚀与氧化、金属的物理性能（热、电、磁）、材料设计以及金属的 各种加工技术和测试技术，形成了内容丰富的金属材料科学，它是