金屬中氣體

簡介

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)。在固態金屬表面，它們能以分子形式產生物理吸附；當氣體同金屬表面的結合力大於氣體分子內部的結合力時產生化學吸附，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散入內部。由於氫、氮和氧的原子半徑rX都很小,分別為0.46、0.71和0.70┱，因此在固態過渡族金屬中，它們占據晶體點陣的間隙位置，和這些金屬形成間隙固溶體。超過固溶極限時，將析出金屬化合物(即氫化物、氮化物和氧化物)，彌散於晶粒內或存在於晶界上。同樣，由於原子半徑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間隙位置，多數形成結構簡單的間隙相(見合金相)。常見的金屬氧化物則多為化學化合物。當金屬中存在微孔隙時，過飽和氣體也能以氣體分子形態析出到這些微孔隙內。

溶解度

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

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出現突變。圖1反映了氫和氮在固態鐵和液態鐵中溶解度的變化。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。　氮只溶於形成氮化物的金屬中，氮與各金屬元素的關係見表2。　許多金屬在熔融狀態能溶解大量氧；大多數金屬在凝固時析出氧化物。由於氧的濃度很低,一般在ppm數量級甚至更低，測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構而不同，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，就會使金屬變脆。通過純化來提高韌性，對 V、Nb、Ta來說，比較容易做到，而對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。

影響

有關氣體對金屬作用的研究可以追溯到18世紀後半葉。一般來說，固溶的氧和氮都能增大金屬的點陣常數,提高強度和硬度,降低塑性和韌性，並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，使其斷裂強度下降。氧和氮降低鉬和鎢的再結晶溫度。氧增加鈹的脆性，金屬鈹表面有一層氧化鈹薄膜，使鈹的硬度增高到能劃破玻璃。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，生成保護性氧化膜。氮是導致鋼產生藍脆的主要原因。在金屬的熔煉澆注和凝固過程中，氧和氮與金屬反應形成金屬氧化物和氮化物，在金屬凝固後繼續保留在金屬中，形成金屬中非金屬夾雜物，對金屬性能產生重大影響。氧一般不作為有利元素加入金屬內。氮有時被加到鋼中起著合金元素的作用，如鉻錳氮耐熱不鏽鋼中氮代替了鎳鉻不鏽鋼中的鎳。氮在滲氮結構鋼中形成鉻和鋁的氮化物，可提高鋼的耐磨性和抗蝕性。鋼或金屬表面採用離子鍍新工藝鍍上氮化鈦層，可延長材料的使用壽命，金黃色的氮化鈦還可製成仿金裝飾品。

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金屬中氣體

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溶解氣體金屬

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