金屬中氣體影響

有關(guān)氣體對(duì)金屬作用的研究可以追溯到18世紀(jì)后半葉。一般來說，固溶的氧和氮都能增大金屬的點(diǎn)陣常數(shù),提高強(qiáng)度和硬度,降低塑性和韌性，并使金屬的電阻率增加、磁化率減小。氫、氮和氧降低鈮和鉭的超導(dǎo)臨界溫度。過量的氧在鈮、鉬、鎢和鉭的晶界上析出氧化物，使其斷裂強(qiáng)度下降。氧和氮降低鉬和鎢的再結(jié)晶溫度。氧增加鈹?shù)拇嘈裕饘兮敱砻嬗幸粚友趸敱∧?，使鈹?shù)挠捕仍龈叩侥軇澠撇Ａ?。微量氧使銣的高溫抗腐蝕能力下降。氧能在多種金屬與合金表面和金屬元素作用，生成保護(hù)性氧化膜。 氮是導(dǎo)致鋼產(chǎn)生藍(lán)脆的主要原因。在金屬的熔煉澆注和凝固過程中，氧和氮與金屬反應(yīng)形成金屬氧化物和氮化物，在金屬凝固后繼續(xù) 保留在金屬中，形成金屬中非金屬夾雜物，對(duì)金屬性能產(chǎn)生重大影響。氧一般不作為有利元素加入金屬內(nèi)。氮有時(shí)被加到鋼中起著合金元素的作用，如鉻錳氮耐熱不銹鋼中氮代替了鎳鉻不銹鋼中的鎳。氮在滲氮結(jié)構(gòu)鋼中形成鉻和鋁的氮化物，可提高鋼的耐磨性和抗蝕性。鋼或金屬表面采用離子鍍新工藝鍍上氮化鈦層，可延長(zhǎng)材料的使用壽命，金黃色的氮化鈦還可制成仿金裝飾品。

氫在金屬中的作用，見金屬中氫。

氣體在液態(tài)或固態(tài)金屬中的溶解度s與金屬的溫度及氣體的分壓p有關(guān)。當(dāng)溫度不變時(shí)，s與p的平方根值成正比:即西韋特(Sievert)定律，式中k為常數(shù)。當(dāng)氣體分壓固定，溶解度s與溫度T的關(guān)系可用下式表示:式中C為常數(shù);Q為氣體的溶解熱;R為氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度。

氫、氮和氧在各種金屬元素中的可溶性見表1。氣體在金屬中的溶解度在相變溫度和熔化時(shí)出現(xiàn)突變。圖1反映了氫和氮在固態(tài)鐵和液態(tài)鐵中溶解度的變化。中R表示元素。 氫在鐵、鈷、鎳、銅和錳等金屬中的溶解是吸熱過程,溶解度(C)隨溫度升高而增大;反之，氫在過渡金屬、稀土金屬和釷中的溶解是放熱過程，溶解度隨溫度升高而減少;如圖2所示。 氮只溶于形成氮化物的金屬中，氮與各金屬元素的關(guān)系見表2。 許多金屬在熔融狀態(tài)能溶解大量氧;大多數(shù)金屬在凝固時(shí)析出氧化物。由于氧的濃度很低,一般在ppm數(shù)量級(jí)甚至更低，測(cè)定氧的溶解度也比較困難。

氣體在過渡族金屬中的溶解度隨其電子結(jié)構(gòu)而不同，ⅤB族金屬(V、Nb、 Ta)中的氫、氮和氧的溶解度便較高，而ⅥB族金屬(Cr、Mo、W)則甚低，如表3。 這些填隙原子在金屬中的含量超過溶解度時(shí)，就會(huì)使金屬變脆。通過純化來提高韌性，對(duì) V、Nb、Ta來說，比較容易做到，而對(duì)Cr、Mo和W來說就很難。這三種金屬在冶煉和加工工藝上的困難，也與此有關(guān)。

金屬中氣體通常指金屬中的氫、氮和氧。這些氣體的分子都是雙原子氣體(H2、N2和O2)。在固態(tài)金屬表面，它們能以分子形式產(chǎn)生物理吸附;當(dāng)氣體同金屬表面的結(jié)合力大于氣體分子內(nèi)部的結(jié)合力時(shí)產(chǎn)生化學(xué)吸附，在金屬表面形成薄層。吸附在金屬表面的氣體分子可以分解成原子從金屬表面擴(kuò)散入內(nèi)部。由于氫、氮和氧的原子半徑rX都很小,分別為0.46、0.71和0.70┱，因此在固態(tài)過渡族金屬中，它們占據(jù)晶體點(diǎn)陣的間隙位置，和這些金屬形成間隙固溶體。超過固溶極限時(shí)，將析出金屬化合物(即氫化物、氮化物和氧化物)，彌散于晶粒內(nèi)或存在于晶界上。同樣，由于原子半徑rX較金屬原子半徑rM小(rX/rM<0.59)，氫和氮在形成的金屬化合物中仍占據(jù)間隙位置，多數(shù)形成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的間隙相(見合金相)。常見的金屬氧化物則多為化學(xué)化合物。當(dāng)金屬中存在微孔隙時(shí)，過飽和氣體也能以氣體分子形態(tài)析出到這些微孔隙內(nèi)。

金屬溶解氣體，大多是在熔融狀態(tài)中。但是，也有極少數(shù)的金屬可以再固態(tài)常溫下溶解氣體，以下介紹兩種金屬。

先介紹一下鈀的性質(zhì)，這是一種銀白色金屬。晶體結(jié)構(gòu):晶胞為面心立方晶胞，每個(gè)晶胞

含有4個(gè)金屬原子。

其化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定。

據(jù)試驗(yàn)，鈀在常溫下可以吸收比他體積大700倍的氫氣，還可以吸收氮?dú)?，氧氣乙烯等常見氣體。

經(jīng)X射線研究表明，當(dāng)氫氣溶解到鈀中后，鈀的晶格脹大，當(dāng)鈀中的氫氣濃度大到某一個(gè)程度時(shí)，鈀的晶格會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邮杷傻囊粋€(gè)形式，可見，鈀溶解氣體這一特性與其特有的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

鉑應(yīng)該是一個(gè)不陌生的元素，此處不多做介紹。

晶體結(jié)構(gòu):等軸晶系，晶胞為面心立方晶胞，每個(gè)晶胞含有4個(gè)金屬原子。

晶胞參數(shù):

鉑也可以溶解許多氣體，如氫氣，氧氣。常溫下，鉑對(duì)于氫氣的溶解性要比鈀小，但是，粉末狀的鉑對(duì)于氧氣的溶解度要比鈀大。

由于類似鈀和鉑等金屬具有常溫下溶解氣體的能力，所以經(jīng)常用于作催化劑。比如在化學(xué)工業(yè)上在鉑的催化下，液態(tài)的油脂可以加氫變?yōu)楣虘B(tài);在鉑粉的催化下，常溫時(shí)，氫、氧就會(huì)爆炸發(fā)生化合。

雖然科學(xué)家沒有徹底弄清鈀和鉑的催化原理，但是人們普遍認(rèn)為由于鉑和鈀溶解了大量的氣體，相當(dāng)于將氣體壓縮，這樣增加了氣體分子只見碰撞的概率，從而加快了，促進(jìn)了反應(yīng)的發(fā)生。詳見碰撞理論