[科普中国]-金属元素

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，导电性与导热性良好，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”）。

概述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。

原子结构特征除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。

分类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。

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。

按储量常见金属：铁、铝等。

稀有金属：锆、钒、钼。

金属元素在钢中作用硅（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学