什么是金属中气体?

[拼音]：jinshu zhong qiti

[外文]：gases in metals

金属中气体通常指金属中的氢、氮和氧。这些气体的分子都是双原子气体(H2、N2和O2)。在固态金属表面，它们能以分子形式产生物理吸附；当气体同金属表面的结合力大于气体分子内部的结合力时产生化学吸附，在金属表面形成薄层。吸附在金属表面的气体分子可以分解成原子从金属表面扩散入内部。由于氢、氮和氧的原子半径rX都很小，分别为0.46、0.71和0.70┱，因此在固态过渡族金属中，它们占据晶体点阵的间隙位置，和这些金属形成间隙固溶体。超过固溶极限时，将析出金属化合物(即氢化物、氮化物和氧化物)，弥散于晶粒内或存在于晶界上。同样，由于原子半径rX较金属原子半径rM小(rX/rM＜0.59)，氢和氮在形成的金属化合物中仍占据间隙位置，多数形成结构简单的间隙相(见合金相)。常见的金属氧化物则多为化学化合物。当金属中存在微孔隙时，过饱和气体也能以气体分子形态析出到这些微孔隙内。

气体在液态或固态金属中的溶解度s与金属的温度及气体的分压p有关。当温度不变时，s与p的平方根值成正比：

即西韦特(Sievert)定律，式中k为常数。当气体分压固定，溶解度s与温度T的关系可用下式表示：

式中C为常数；Q为气体的溶解热；R为气体常数;T为绝对温度。

氢、氮和氧在各种金属元素中的可溶性见表1。气体在金属中的溶解度在相变温度和熔化时出现突变。图1反映了氢和氮在固态铁和液态铁中溶解度的变化。

中R表示元素。

氢在铁、钴、镍、铜和锰等金属中的溶解是吸热过程，溶解度(C)随温度升高而增大；反之，氢在过渡金属、稀土金属和钍中的溶解是放热过程，溶解度随温度升高而减少;如图2所示。

氮只溶于形成氮化物的金属中，氮与各金属元素的关系见表2。

许多金属在熔融状态能溶解大量氧；大多数金属在凝固时析出氧化物。由于氧的浓度很低，一般在ppm数量级甚至更低，测定氧的溶解度也比较困难。

气体在过渡族金属中的溶解度随其电子结构而不同，ⅤB族金属(V、Nb、Ta)中的氢、氮和氧的溶解度便较高，而ⅥB族金属(Cr、Mo、W)则甚低，如表3。

这些填隙原子在金属中的含量超过溶解度时，就会使金属变脆。通过纯化来提高韧性，对 V、Nb、Ta来说，比较容易做到，而对Cr、Mo和W来说就很难。这三种金属在冶炼和加工工艺上的困难，也与此有关。

有关气体对金属作用的研究可以追溯到18世纪后半叶。一般来说，固溶的氧和氮都能增大金属的点阵常数，提高强度和硬度，降低塑性和韧性，并使金属的电阻率增加、磁化率减小。氢、氮和氧降低铌和钽的超导临界温度。过量的氧在铌、钼、钨和钽的晶界上析出氧化物，使其断裂强度下降。氧和氮降低钼和钨的再结晶温度。氧增加铍的脆性，金属铍表面有一层氧化铍薄膜，使铍的硬度增高到能划破玻璃。微量氧使铷的高温抗腐蚀能力下降。氧能在多种金属与合金表面和金属元素作用，生成保护性氧化膜。

氮是导致钢产生蓝脆的主要原因。在金属的熔炼浇注和凝固过程中，氧和氮与金属反应形成金属氧化物和氮化物，在金属凝固后继续保留在金属中，形成金属中非金属夹杂物，对金属性能产生重大影响。氧一般不作为有利元素加入金属内。氮有时被加到钢中起着合金元素的作用，如铬锰氮耐热不锈钢中氮代替了镍铬不锈钢中的镍。氮在渗氮结构钢中形成铬和铝的氮化物，可提高钢的耐磨性和抗蚀性。钢或金属表面采用离子镀新工艺镀上氮化钛层，可延长材料的使用寿命，金黄色的氮化钛还可制成仿金装饰品。

氢在金属中的作用，见金属中氢。