金属在产品设计中的应用

金属在产品设计中的应用金属的基本情况：金属是一种具有光泽(即对可见光强烈反射)、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。金属的上述特质都跟金属晶体内含有自由电子有关。在自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。金属矿物多数是氧化物及硫化物。其他存在形式有氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐。金属之间的连结是金属键，因此随意更换位置都可再重新建立连结，这也是金属伸展性良好的原因。金属元素在化合物中通常只显正价。也是音乐风格用语，或被称为重金属，有不同的摇滚音乐金属分类。成分类别英语：metal(s)1、金属中延展性最好的是金（Au），常温下导电好的依次是银（Ag）、铜（Cu）、铝（Al）等；2、金属有几种分类方法：冶金工业分类法：黑色金属：铁、铬、锰三种有色金属：铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡、铜、铅、锌、锡、钴、镍、锑、汞、镉、铋、金、银、铂、钌、铑、钯、锇、铱、铍、锂、铷、铯、钛、锆、铪、钒、铌、钽、钨、钼、镓、铟、铊、锗、铼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇、钍。还可以把金属分为：常见金属：如铁、铝、铜、锌等稀有金属：如锆、铪、铌、钽等；1.轻金属。密度小于4500千克/立方米，如铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡等。2.重金属。密度大于4500千克/米3，如铜、镍、钴、铅、锌、锡、锑、铋、镉、汞等。3.贵金属。价格比一般常用金属昂贵，地壳丰度低，提纯困难，如金、银及铂族金属。4.非金属元素。性质价于金属和非金属之间，如硅、硒、碲、砷、硼等。5.稀有金属。包括稀有轻金属，如锂、铷、铯等；6.稀有难熔金属，如钛、锆、钼、钨等；7.稀有分散金属，如镓、铟、锗、铊等；8.稀土金属，如钪、钇、镧系金属；9.放射性金属，如镭、钫、钋及阿系元素中的铀、钍等。基本特性金属材料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。金属材料比表面积研究是非常重要的，(一)、机械性能机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。1、强度：材料在外力(载荷)作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。2、屈服点(бs)：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L。时应力值，单位用牛顿/毫米2(N/mm2)表示。3、抗拉强度(бb)也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿/毫米2(N/mm2)表示。4、延伸率(δ)：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。5、断面收缩率(Ψ)材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。6、硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度(HBS、HBW)和洛氏硬度(HKA、HKB、HRC)。7、冲击韧性(Ak)：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米2(J/cm2)。对低碳钢拉伸的应力——应变曲线分析1.弹性：εe=σe/E，指标σe，E2.刚性：△L=P·l/E·F抵抗弹性变形的能力强度3.强度：σs---屈服强度，σb---抗拉强度4.韧性：冲击吸收功Ak5.疲劳强度：交变负荷σ-1＜σs6.硬度HR、HV、HBⅠ阶段线弹性阶段拉伸初期应力—应变曲线为一直线，此阶段应力最高限称为材料的比例极限σe.Ⅱ阶段屈服阶段当应力增加至一定值时，应力—应变曲线出现水平线段(有微小波动)，在此阶段内，应力几乎不变，而变形却急剧增长，材料失去抵抗变形的能力，这种现象称屈服，相应的应力称为屈服应力或屈服极限，并用σs表示。Ⅲ阶段为强化阶段，经过屈服后，材料又增强了抵抗变形的能力。强化阶段的最高点所对应的应力，称材料的强度极限。用σb表示，强度极限是材料所能承受的最大应力。Ⅳ阶段为颈缩阶段。当应力增至最大值σb后，试件的某一局部显著收缩，最后在缩颈处断裂。对低碳钢σs与σb为衡量其强度的主要指标。刚性：△L=P·l/E·F，抵抗弹性变形的能力。P---拉力，l---材料原长，E---弹性模量，F---截面面积塑性变形：外力去处后，不能恢复的变形，即残余变形称塑性变形。材料能经受较大塑性变形而不破坏的能力，称为材料的塑性或延伸性。衡量材料塑性的两个指标是延伸率和断面收缩率。延伸率δ=(△l0/l)×100%断面收缩率ψ=((A-A1)/A)×100%韧性(冲击韧性)：常用冲击吸收功Ak表示，指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的力。疲劳强度：材料抵抗无限次应力(107)循环也不疲劳断裂的强度指标，交变负荷σ-1＜σs为设计标准。硬度：材料软硬程度。测定硬度试验的方法很多，大体上可以分为弹性回条法(肖氏硬度)压入法(布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度)和划痕法(莫氏硬度)等三大类，生产上应用最广泛的是压入法。它是将一定形状、尺寸的硬质压头在一定大小载荷作用下压入被测材料表层，以留下的压痕表面面积大小或深度计算材料的硬度值。由于硬度测定时的测定规范，所用仪器设备等不同，用压入法井台测定材料的硬度的方法也有多种。常用的方法是布氏硬度法(HB)，维氏硬度法(HV)，洛氏硬度法(HR)。(二)、工艺性能指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。8、铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。9、焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。10、顶气段性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。11、冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度α(外角)或弯心直径d对材料厚度a的比值表示，a愈大或d/a愈小，则材料的冷弯性愈好。12、冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。13、锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。(三)、化学性能指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。14、耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。15、抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。从植物中收获金属1995年，俄罗斯奥尔登堡大学的生物学家梅格列特在研究一种叫蓼的一年生草本植物时，意外地发现蓼的叶子中含有异常高的锌、铅、镉等金属。这是否表明蓼有从土壤中吸收这些金属的“嗜好呢”？于是他带着这个疑问，在一些被锌、铅、镉之类金属污染过的土地上种了大量的蓼。这些蓼长得非常茂盛，叶子又大又厚，结果在1公顷的土地上，一个季节就收获了大量的蓼。梅格列特将蓼草放入800℃的炉子里烧，草化为灰烬，结果从中得到了1.3千克镉、23千克铅、322千克锌。最近，德国奥尔登大学的一个试验小组已在一处废金属堆放场引种俄罗斯大蓼获得成功。现在该试验小组已从德国各地尤其是环保组织接到了大量订单，同时还为推广这项研究成果专门成立了一家商业性公司。它的业务活动已引起德国军事部门的很大兴趣，因为历史上的各种军事演习场包括二战时期用作化学武器仓库的地方都有待改造，消除污染，公司方面业已应约在那些地方种下了大蓼，以净化环境，回收有害金属。还有文献报到，美国加利福尼亚的专家们通过研究发现，野生芥菜有从土壤中蓄积镍的功能，他们把种植的半公顷的野生芥菜杆割下来，晒干再烧成灰，每100克芥菜灰中获得了15-20克镍。他们目前正着手培育蓄积金属能力更强的芥菜新品种，预计可以从每平方米的土地上获取12克镍。尽管通过这种方式获取镍的效果远不及其它办法，但对环境无任何污染。科学研究证明，植物在千百万年漫长的进化演变过程中，已经练就了一身非凡绝招，许多植物有累积某些金属元素的能力。如堇菜好锌、香薷含铜比较丰富、烟草含铀特别多，还有紫云英含硒、苜蓿含钽、石松含锰格外丰富。生长在含黄金特别多的土壤中的玉米或木贼草，烧成灰，每吨竟可以提取到10克黄金。有些植物能累积稀有金属，如铬、镧、钇、铌、钍等，被称为“绿色稀有金属库”。它们对稀有金属的聚集能力要比一般植物高出几十倍、成百倍，甚至上千倍。比如铬，在一般植物中用光谱检测也很难发现，而凤眼兰却能在根上累积铬，其含量可达到0.13％。这一系列的发现引起了科学家们的极大兴趣，被人们称为“绿色冶金”技术。专家预言如果这一成果取得突破性的进展，人类将有可能通过种植植物来获得所需的金属，同时还可以改善遭受人类破坏的环境。注：图片为金属钕特殊金属汞(mercury，Hg)，又称水银，在各种金属中，汞的熔点是最低的，只有-38.87℃，也是唯一在常温下呈液态并易流动的金属。比重13.595，蒸气比重6.9。它的化学符号来源于拉丁文，原意是“液态银”。有关金属汞的生产很多，例如汞矿的开采与汞的冶炼，尤其是土法火式炼汞，空气、土壤、水质都有污染;制造。校验和维修康铜合金汞温度计、血压计。流量仪、液面计、控制仪、气压表、汞整流器等，尤其用热汞法生产危害更大;制造荧光灯、紫外光灯、电影放映灯、X线球管等;化学工业中作为生产汞化合物的原料，或作为催化剂如食盐电解用汞阴极制造氯气、烧碱等;以汞齐方式提取金银等贵金属以及镀金、馏金等;口腔科以银汞齐填补龋齿;钚反应堆的冷却剂，等等。汞的无机化合物如硝酸汞(Hg(NO3)2)、升汞(HgCl2)、甘汞(HgCl)、溴化汞(HgBr2)、砷酸汞(HgAsO4)、硫化汞(HgS)、硫酸汞(HgSO4)、氧化汞(HgO)、氰化汞(Hg(CN)2)等，用于汞化合物的合成，或作为催化剂、颜料、涂料等;有的还作为药物，口服、过量吸入其粉尘及皮肤涂布时均可引起中毒。此外，雷汞(Hg(ONC)2.1/2H2O)用于制造雷管等。元素序号：80元素符号：Hg元素名称：汞元素原子量：200.6原子体积:(立方厘米/摩尔)14.82元素在太阳中的含量:(ppm)0.02元素在海水中的含量:(ppm)0.00000033（太平洋表面）地壳中含量：（ppm）0.05电子层排布：2、8、18、32、18、2氧化态：MainHg+2OtherHg+1声音在其中的传播速率：（m/S）1451.4晶胞参数：a=300.5pmb=300.5pmc=300.5pmα=70.520°β=70.520°γ=70.520°电离能(kJ/mol)M-M+1007M+-M2+1809M2+-M3+3300M3+-M4+4400M4+-M5+5900M5+-M6+7400M6+-M7+9100M7+-M8+11600M8+-M9+13400M9+-M10+15300元素描述：是在正常大气压力的常温下唯一以液态存在的金属。熔点-38.87℃，沸点356.6℃，密度13.59克/立方厘米。银白色液体金属。内聚力很强，在空气中稳定。蒸气有剧毒。溶于硝酸和热浓硫酸，但与稀硫酸、盐酸、碱都不起作用。能溶解许多金属。化合价为+1和+2。汞的七种同位素的混合物。具有强烈的亲硫性和亲铜性，即在常态下，很容易与硫和铜的单质化合并生成稳定化合物，因此在实验室通常会用硫单质去处理撒漏的水银。元素来源：自然界中主要有辰砂矿（HgS），也有少量的自然汞。常用辰沙矿加少许碳在空气中加热而制得。元素用途：常用于制造科学测量仪器（如气压计、温度计等）、药物、催化剂、汞蒸气灯、电极、雷汞等。汞的用途较广，在总的用量中，金属汞[1]的占30％，化合物状态的汞约占70％。冶金工业常用汞齐法（汞能溶解其它金属形成汞齐）提取金、银和铊等金属。化学工业用汞作阴极以电解食盐溶液制取烧碱和氯气。汞是制造汞弧整流器、水银真空泵、新型与酒精、浓硝酸溶液混合加热制成的。汞的一些化合物在医药上有消毒、利尿和镇痛作用，汞银合金是良好的牙科材料。在中医学上，汞用作治疗恶疮、疥癣药物的原料