探索金属元素的奥秘：从自然界到人工合成的 90 多种元素

金属元素是指具有金属性质的元素，其价电子层电子数较少，在化学反应中容易失去电子。迄今为止，自然界中存在的和人工合成的金属元素有90多种，位于元素周期表的左侧和左下角，包括s区元素（H除外）、d区元素、ds区元素、f区元素、p区元素（p区元素）左下角的10个元素。

自然界中只有金、银、汞、铂族金属等少数金属元素以游离态存在，此外来自外太空的陨石还带来少量的铜、铁等金属元素，其他金属元素绝大多数都以化合物态存在于各种矿物中。一般s区和d区ⅢB族金属元素以氧化物型矿物形式存在，而p区、ds区和d区Ⅲ族金属元素则往往形成硫化物，共生于矿物中。另外，S区金属元素也以卤化物形式大量存在于海水、盐岩矿物中。

碳（C）：碳是决定钢材性能的最重要元素，随着钢中碳含量的增加，屈服点和抗拉强度提高，但塑性和冲击韧性下降，而且当碳含量超过0.23%时，钢材的焊接性能也会变坏，因此用于焊接的低合金结构钢碳含量一般不能超过0.20%。碳含量过高还会使钢材的耐大气腐蚀性能降低，例如露天料场中的高碳钢特别容易生锈；另外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。在实际生产中，控制碳含量对生产出的钢材的性能有很大的影响。

硅（Si）：硅是在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂加入的，所以一般镇静钢中含硅0.15-0.30%，如果钢中硅含量超过0.50-0.60%，硅就被认为是合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，所以在弹簧钢的生产中得到广泛的应用。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅，可使强度提高15-20%。

硅与钼、钨、铬等结合有提高耐腐蚀、抗氧化作用，可用来制造耐热钢，含硅1-4%的低碳钢具有极高的磁导率，因此常用于电器、工业硅钢板。在焊接应用方面，硅含量的提高会降低钢材的焊接性能，可以说硅含量的控制会影响钢材的应用领域和场景。

锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。一般钢中含锰0.30-1.00%。当碳钢中加入0.70%以上的锰时，就称为“锰钢”。一般含锰量较高的钢，不但具有足够的韧性，而且强度和硬度也较高，提高了钢的淬硬性，改善了钢的热加工性能，例如16Mn钢的屈服点比A3高40%。16Mn钢具有极高的耐磨性，用于挖掘机铲斗、球磨机衬板等。另外，随着锰含量的增加，钢的耐腐蚀性能会减弱，焊接性能也会降低。

磷（P）和硫（S）：一般来说，磷（P）和硫（S）是钢中的有害元素，它们的含量增加会降低钢的塑性、韧性和焊接性能。实际生产中，两种元素的含量都需要控制，一般要求P含量不大于0.045%，S含量不大于0.050%，含量越低对钢的性能越有利。

铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能明显提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬还能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因此是耐热钢的重要合金元素。

镍（Ni）：镍能提高钢的强度，同时又能保持良好的塑性和韧性，镍对酸、碱有较高的抗腐蚀性能，在高温下防锈、耐热，所以也是许多不锈钢的组成成分，耐热钢中重要的合金元素。

铜（Cu）：能提高钢的耐大气腐蚀性能，钢中铜含量若大于0.75%，经固溶、时效处理，可达到沉淀强化作用，显著提高钢的强度。

硼（B）：钢中添加少量的硼，可改善钢的密度和热轧性能，提高其强度和淬透性。

氮（N）：氮能提高钢的强度、低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。

金属元素分类：

按冶金行业

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4.5g/cm3。

重金属：密度大于4.5g/cm3。

按储备量

常见金属：铁、铝等。

稀有金属：锆、钒、钼。