金属材料的应用现状与发展趋势

金属材料的发展现状与前景

摘要：金属是人们日常生活生产中最不可或缺的材料，更是人类社会进步的关键所在，本篇论文主要论述金属材料的种类、性能及在社会发展中的重要应用，并且展望金属材料在未

的发展前景。

关键词：金属材料、镁合金、铝合金、稀土、汽车

引言

金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。

人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。我们对金属材料的认识应从以下几方面开始：

一、分类：

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

1、黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳 2％～4％的铸铁，含碳小于 2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

2、有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

3、特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。

4、金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。

二、性能

金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。

材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。

材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。

三、应用现状：

金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。

1、镁及镁合金

镁由于优良的物理性能和机械加工性能，丰富的蕴藏量，已经被业内公认为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。1.1在汽车领域的应用

20世纪70年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。据测算，汽车自重减轻10%，其燃油效率可提高5.5%，如果每辆汽车能使用70公斤镁，CO的年排放量就能减少30%以上。镁作为实际应用中最轻的金属结构材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人们的重视。

1.2、电子及家电用镁合金

汽车行业对镁合金的大量需求，推动了镁合金生产技术的多项突破，镁合金的使用成本也大幅度下降，从而促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、医疗、轻工等行业的应用发展。其中，镁合金应用发展最快的是电子信息和仪器仪表行业。在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成了厂家的最佳选择。另外，镁合金外壳可使产品更豪华、美观。在电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单位重量和尺寸不如汽车零部件，但它的数量大、覆盖面广，其用量也是巨大的。所以，近几年电子信息行业镁合金的消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量增加的另一重要因素。

1.3、其它应用领域

其它如铝合金添加剂、镁牺牲阳极和型材用镁合金等。镁牺牲阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于长距离输送的地下铁制管道和石油储罐。目前，作为镁牺牲阳极的镁合金有3～4万吨/年的市场需求量，且每年以20%的速度增长。镁合金型材、管材，以前主要用于航空航天等尖端或国防领域。近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高，其生产成本已下降到与铝合金相当的程度，极大地刺激了其在民用领域的应用，如用做自行车架、轮椅、康复和医疗器械及健身器材。

2、钛及钛合金

钛及钛合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等优良特性。随着国民经济及国防工业的发展，钛日渐被人们普遍认识，广泛地应用于汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域。

从钛金属的应用领域来看，以美国、日本为例，美国钛的最大应用领域是航空航天，占到总消费量的58.5%；日本则是火力、核电厂，及板式热交换器，两者合计占总消费量的41.9%。从下表可以看出，与美国相比，日本在更多方面使用钛。在体育用品方面，除了在高尔夫球杆头上使用钛以外，还有短距离用跑鞋的销钉、羽毛球拍及冰杖等登山器具、滑雪滑冰用的冰刀刃、自行车架、轮椅等等。美日两国在化学工业及油气田钻探装置上的用钛量都在增加。在计算机磁盘(真空镀膜)、纤维纺织机的框架、餐具、帐篷用具、拐杖和照相机等方面都巧妙地使用钛。

3、铝及铝合金

铝合金具有密度小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。随着电力工业的发展和冶炼技术的突破，其性价比大为提高，目前交通运输业已成为铝合金材料的第一大用户。

在世界范围内，交通运输业已成了铝材的第一大用户，2001年交通运输业消耗铝占全世界原铝产量的27.6%，有些国家达30%以上。随着交通运输业现代化进程的加快，铝及铝合金材料在航空航天和汽车三大领域的应用日益增加。

3.1、铝合金在航空领域的应用

铝合金是亚音速飞机的主要用材，目前民用飞机结构上的用量为70%～80%，其中仅铝合金铆钉一项每架飞机就有40～150万个；据波音飞机公司的统计，制造各类民用飞机31.6万架，共用铝材7100千吨，平均每架用铝22吨。2010年全球航空航天铝材的消费量可达60万吨，年平均增长率约为4.5%。

铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成型性能，用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%，被认为是航空航天工业中的理想结构材料。在航天领域，铝锂合金己在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。铝锂合金作为储箱、仪器舱等结构材料具有较大优势。

3.2、铝合金在汽车中的应用

铝及铝合金是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是工程材料中最经济实用、最有竞争力的汽车用轻金属材料，从生产成本、零件质量、材料利用率等方面看，具有多种优势。

铝基复合材料在某些范围内替代铝合金、钢和陶瓷等传统的汽车材料，用于汽车关键零件，特别是高速运动零件，对减少质量、减少运动惯性、降低油耗、改善排放和提高汽车综

合性能等具有非常积极的作用，在汽车领域有着良好的应用前景。

泡沫铝材被认为是一种大有前途的未来汽车的良好材料。泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板，即：芯层为泡沫铝或泡沫铝合金，上下层为铝板或其他金属薄板。德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车的顶盖板的刚度，比原来的钢构件高7倍左右，而其质量却比钢件轻25%。

四、发展展望

可以预见的是，金属材料依然不会被人类忽视，甚至应该是更受到重视和发展。但是就金属材料从古至今的长期发展规律我们可以发现，金属在人类的应用历史，正呈现着一种不断减重的趋势，即人类所最为依赖和一种的金属质量正在逐渐减少。这其实并不奇怪，在人类日新月异的技术，几乎越是高端的技术，就越是追求精巧别致，比如如今火热的纳米技术，核能开发等。而金属作为传统的人类常用材料，自然也要跟上这一趋势。这也便是人类在利用金属的过程会渐渐向质量轻的金属去靠拢。从最初的铜铁，到之后的铝，到如今，未来最热门的金属已变为了镁，钛等轻金属，这些，既证明了人类社会的不断进步，同时也让金属的价值得到了越来越大的发掘和提高。而在这其中，稀土的金属的开发已成为了全世界的一个焦点，稀土金属又称稀土元素，是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称。稀土元素是典型的金属元素，它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属，比其他金属元素都活泼，可与多种元素化合，稀土氧化物的熔点都很高，生成自由能负值很大，说明它们都是很稳定的化合物。由于稀土元素的特殊性质，决定了稀土的用途。其中炼钢生产中最常用的有两种，一是稀土合金，块状稀土硅铁合金，以前用于大包投入，大包压入，粉状一般用于大包内喷粉、模铸中注管喷粉等方法加入钢中；二是混合稀土金属，制成丝(φmm-φmm)或棒(≥φmm)，丝用于钢包、中注管或连铸结晶器，使用喂丝机喂入钢中，棒采用模内吊挂的方法熔入钢中。稀土金属包芯线作为线性添加材料的新品种，由于喂丝技术在炼钢生产中的广泛应用，必将得到进一步的发展。

可以肯定的是，在未来，随着人类生活中的不断需要，还会有更多的金属被开发出他独特的用途，成为人类社会中所必不可少的材料。也将同样引起未来科技的震荡，从而强力的推动社会的发展。好不夸张的说，未来社会人类能否生存，是否能利用好一些新兴金属将在很大程度上起着决定性的因素。因而，金属在未来的前景依然一片大好。

金属材料与人类社会进步的关系已不需多言，其体现的价值早已不再是简单一种人类所熟知的材料而已了。更多的，是一种社会进步的推动力。显而易见，金属材料的存在让人类的社会的进步加速了很多。而能够学会利用金属材料，毫无疑问，也是人类社会在不断前进中的一大幸事。所以，我们应该感谢金属材料在人类社会中起到的作用，也应更好的在未来利用好金属，让他的光芒更加闪耀。

参考文献：

1、《材料与社会进步》戚飞鹏著上海大学出版社

2、《金属材料学》王笑天著机械工业出版社 1987

3、《中国古代冷兵器》郑轶伟著上海文化出版社

4、《铝合金及应用》潘复生张丁菲等著化学工业出版社

5、《航空航天材料》李成功恒志傅著国防工业出版社

6、《稀土材料学》刘光华著化学工业出版社