金属间化合物研究历史发展论文

金属间化合物将铁块放在高温炉中冶炼，我们看到铁块慢慢发红，变软，直至最后化成铁水。高温是大多数金属的大敌，金属在高温下会失去它原有的高强度，变得“不堪一击”。 而对金属间化合物来说，却不存在这样的问题。在七八百度的高温下，大多数金属间化合物只会更硬。可以说，在高温下方见金属间化合物的英雄本色。 金属间化合物具有这种特殊的性能，与其内部原子结构有关。所谓金属间化合物，是指金属和金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物，其原子的排列遵循某种高度有序化的规律。当它以微小颗粒形式存在于金属合金的组织中时，将会使金属合金的整体强度得到提高，特别是在一定温度范围内，合金的强度随温度升高而增强，这就使金属间化合物材料在高温结构应用方面具有极大的潜在优势。 然而事物的优劣总是一把双刃剑。伴随着金属间化合物的高温强度而来的，是它本质上难以克服的室温脆性。当30年代金属间化合物刚被发现时，它们的室温延性大多数为零，也就是说，一拉就会断。因此，许多人预言，金属间化合物作为一种大块材料是没有任何实用价值的。 80年代中期，美国科学家们在金属间化合物室温脆性研究上取得了突破性进展。他们往金属间化合物中加入少量硼，可以使它的室温延伸率提高到50%，与纯铝的延性相当。这一重要发现及其所蕴含的巨大发展前景，吸引了各国材料科学家展开了对金属间化合物的深入研究，使之开始以一种崭新的面貌在新材料天地登台亮相。 目前已有约300种金属间化合物可用，除了作为高温结构材料以外，金属间化合物的其他功能也被相继开发，稀土化合物永磁材料、储氢材料、超磁致伸缩材料、功能敏感材料等相继汹涌而来。金属间化合物材料的应用，极大地促进了当代高新技术的进步与发展，促进了结构与元器件的微小型化、轻量化、集成化与智能化，促进了新一代元器件的出现。 金属间化合物这一“高温英雄”最大的用武之地是将会在航空航天领域，如密度小、熔点高、高温性能好的钛铝化合物等具有极诱人的应用前景。

人因为会制造和使用工具而从一般动物中分离出来，而成为唯一的智能群体。在人类文明发展史上，经历了一个由石器时代到金属时代的过渡。金属时代（包括青铜时代和铁器时代）的到来为人类文明带来了新的曙光，人们发现了七种至今仍然广泛应用着的七种金属，它们是金银铜铁锡铅汞。下面讲讲这七种金属的发现过程及对人类发展的影响。 黄金时代 大约在5000多年前，即公元前3000年，四大文明古国的埃及已经建立起来，首都开罗已经是一个繁华的城镇了。每逢赶集的时候，这里的人群熙熙攘攘。一天中午，安静而有序的城镇却出现了骚乱，人们争相涌向一个地方，透过围得密密的人群，人们发现开罗有名的旅行家里希尔正拿着一块黄灿灿的东西，里希尔说这是神赐予人类的宝物，他把它称作黄金。很快，开罗城拥有黄金的人都变得富有起来。人们纷纷去寻找金子，河滩上的沙地里站满了寻找金子的人群，开始只有很少几个幸运儿找到成块的金子，后来人们注意到沙子中混着一些金沙，人们就发现了“披沙淘金”的方法。后来人们又发现了平地掘井开采山金的方法，使得金子的产量更大了。 就在里希尔发现金块后不久，他又发现了银子。一个寒冷的夜晚，里希尔和同伴围着一堆篝火聊天。第二天，就在他们快要启程的时候，里希尔扒拉一下火堆，他是一个细心的旅行家，每次出发前他总是要检查自己住的地方以免有东西丢失，这次检查他不但没有发现丢失的东西，火堆里的扒拉出来一些亮闪闪的东西却引起了他的注意，一个伟大的发现意外地产生了。里希尔发现这种新的金属与金子的特性十分类似，也是沉重而柔软，用手捏捏就能使它变形，他把这种金属命名为白银。后来人们沿用了里希尔意外发现的这个方法，即用篝火灼烧银矿石而得到银，这实际上是一个简单的化学还原反应，木炭把银矿石中的硫化银还原成银。 青铜时代 1939年正值我国抗日战争最艰苦的一年，这时考古界的一件重要发现在战火中诞生了，在安阳市武官村出土了一个殷代的庞然大物：司母戊大方鼎。这个大家伙重达875公斤，需要十二个强壮的成年男子才能抬得起来，可见当时铸造之不易。司母戊鼎是目前世界上出土的最大的青铜器。经检测，铜占84.11％，锡占11.64％，铅占2.79％。这个青铜器是我国青铜冶铸鼎盛时期的产物，从它的纹饰、构造等都反映了这个时代青铜冶铸的高超技术。 人类对铜的使用并非是从青铜而是从纯铜开始的。考古学家在伊朗西部的一些地区发现了大约公元前7000年前使用的小型铜器件，如小针、小珠和小锥等等。大英博物馆里收藏有5000年前苏美尔人铸造的铜牛头和3500年前埃及人制作的铜镜和铜制工具。在西亚地区，铜矿石裸于地表，人们在铜矿石上燃烧炭火，便会还原出与绿色矿石颜色不同的红色铜来。 由于纯铜硬度低，并不太适合于制作生产工具，后来，人们就有意识地在炼制铜矿石时掺入其他矿石，以制成铜的合金来提高工具的硬度。在我国，先秦的古籍《考工记》中记载了有名的“六齐”规则，即是青铜的六种配方，这套配方规定了铜和锡的不同比例造成的青铜的不同用途，其实质是比例不同硬度不同。据考古推测，这时人们已经能够制得纯铅和纯锡了。从商代的墓葬中先后发现了铅爵、铅戈和铅斛等纯铅制品。 铅属于重金属，因而铅及其化合物都有毒，古人开始因不了解这一点而大吃苦头。古罗马人曾经就喜欢用铅制的水管，考古发现古罗马人的尸骨上常常有黑色的硫化铅斑点，这就是由于使用了铅管里的水而导致的慢性中毒。后来人们渐渐认识到这一点，就不再使用铅制的器具作为饮食用具了。 锡由于其延展性好而易制成薄片，而且在常温下不易氧化，所以自古以来就被用来包裹器具。我国曾出土国几具殷代的虎面铜盔，其中一具很完整，内部红铜相当完好，外面镀了一层很厚的锡，锡层精美，至今仍光亮如新。这说明当时的人们不但认识到锡层美观，而且可以防腐。纯的锡器没有保存下来的，这是因为锡很怕冷，周围温度一旦低于13℃就会发生相变，变成粉末状的灰锡，这种现象被称为“锡疫”。 铁器时代 人类对铁的最早知识来源于从太空降下来的陨铁，埃及人称它为“天铁”，在西亚的一些游牧部落里还有一种有趣的传说，他们说铁既然是从天上降下来的，那么天空一定是个大铁盘。人们发现铁的硬度要比铜或青铜都大得多，尽管四处传说铁只有天上才有，但还是有一些不遵从祖训的年轻人企图在人间发现铁。大约在公元前2200 年，西亚的赫梯人已经会冶炼和使用铁器了。公元前1290年，埃及国王致信赫梯国王要求提供一些铁，赫梯国王回信答应给他提供一把钢剑，但要求用黄金来交换，可见当时铁还是一种贵重的金属。赫梯国王还在信中炫耀说：“在我们的国土上，铁和尘土一样平凡。” 早期的冶铁技术也大多是采用固体还原法，冶炼时，将铁矿石和木炭一层一层地堆放在炼铁炉中，点火燃烧，产生一氧化碳，从而使铁矿石中的氧化铁还原为单质铁。早期的铁由于冶炼温度很低而性能很差，是含大量碳氧杂质的合金，古人称之为“恶金”。我国在解放初期大炼钢铁的时候，由于地方上不少“土高炉”温度上不去，而生产了不少没有价值的 “恶金”。后来人们逐渐发现了升高炉温的方法而炼出了性能较好的生铁，继而发明了用退火的方法“柔化”生铁而得到低碳钢。后来人们进一步发明了熟铁和钢的冶炼方法，铁在生产中从得以广泛应用。 汞和炼金术 七种金属为人类文明带来了新的曙光，但也是这七种金属，使人类陷入了某种神秘的境地，古代的人们天真地认为世界上只有这七种金属。他们认为金属起源于水银（汞的俗名）和硫磺，实际上，水银是一种银白色的液体金属，颜色和外观与银类似，铜铁锡铅都能溶于水银形成与金银类似的合金——汞齐；水银与硫磺化合后会生成黄色的硫化汞，与黄金类似。 基于水银和金属的这些特性，同时人们也认识到水银的化合物并非金银，炼金家们认为应该有一种特别方法可以使便宜的金属铜铁锡等变成贵重金属金银，他们称转变的秘方是一种叫“哲人石”的东西，但千百年来，“哲人石”只是炼金家的一种幻想，谁也没有发现这种东西。俄国学者莫洛佐夫写了一首题名为《七种金属》的诗歌来描述炼金家的这种思想，诗的译文如下： 世界由七种金属造成 宇宙啊，她赋予我们 铜铁银 锡铅金 各种金属之父是硫磺 水银则是他们的母亲 这种被科学史界称为“化学萌芽”的炼金术虽然给化学发展积累了一些资料，但由于他们远离生活和实践，一味地靠逻辑推理，从而导致了这种科学探索的失败。一直到九十年代的今天，在我国仍然有不少人存在着一些关于科学的天真幻想，这就给一些科学以得逞的机会。八十年代的永动机，九十年代的“水变油”，就是很明显的科学。从历史到现实，都很好地说明了，科学不能以幻想为基础，而只能以正确理论指导下的实验为基础。

金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。我们对金属材料的认识应从以下几方面开始：一、分类：金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳 2％～4％的铸铁，含碳小于 2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属 、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。二、性能为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。三、生产工艺：金属材料生产，一般是先提取和冶炼金属 。有些金属需进一步精炼并调整到合适的成分，然后加工成各种规格和性能的产品。提炼金属，钢铁通常采用火法冶金工艺，即采用转炉、平炉、电弧炉、感应炉、冲天炉(炼铁)等进行冶炼和熔炼；有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺 ；高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空熔炼和粉末冶金工艺。金属材料通过冶炼并调整成分后，经过铸造成型，或经铸造、粉末冶金成型工艺制成锭、坯，再经塑性加工制成各种形态和规格的产品。对有些金属制品，要求其有特定的内部组织和力学性能，还常采用热处理工艺 。常用的热处理工艺有淬火、正火、退火、时效处理（将淬火后的金属制件置于室温或较高温度下保温适当时间，以提高其强度和硬度）等。四、发展趋势：金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。