金属材料的应用现状及发展趋势分析

金属材料的应用现状及发展趋势分析

在进行金属材料的应用现状及发展趋势分析之前，先简要介绍一下金属材料。金属材料是最重要的工程材料之一。按冶金工艺，金属材料可以分为铸锻材料、粉末冶金材料和金属基复合材料。铸锻材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括钢、铸铁和各种铁合金。有色金属是指除黑色金属以外的所有金属及其合金，如铝及铝合金、铜及铜合金等。工程结构中所用的金属材料90%以上是钢铁材料，其资源丰富、生产简单、价格便宜、性能优良、用途广泛。钢有分为碳钢和合金钢，铸铁又分为灰口铸铁和白口铸铁。

一、金属材料的应用现状

金属材料的结构及其性能决定了它的应用。而金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。工艺性能是指在加工制造过程中材料适应加工的性能，如铸造性、锻造性、焊接性、淬透性、切削加工性等。使用性能是指材料在使用条件和使用环境下所表现出来的性能，包括力学性能（如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等）、物理性能（如熔点、密度热容、电阻率、磁性强度等）和化学性能（如耐腐蚀性、抗氧化性等）。

金属材料具有许多优良性能，是目前国名经济各行业、各部门应用最广泛的工程材料之一，特别是在车辆、机床、热能、化工、航空航天、建筑等行业各种部件和零件的制造中，发挥了不可替代的作用。

（1）、在汽车中的应用。缸体和缸盖，需具有足够的强度和刚度，良好的铸造性能和切削加工性能以及低廉的价格等，目前主要用灰铸钢和铝合金；缸套和活塞，对活塞材料的性能要求是热强性高，导热性好，耐磨性和工艺性好，目前常用铝硅合金；冲压件，采用钢板和钢带制造，主要是热轧和冷轧钢板。热轧钢板主要用于制造承受一定载荷的结构件，冷轧钢板主要用于构型复杂、受力不大的机器外壳、驾驶室、轿车车身等。还有汽车的曲轴和连杆、齿轮、螺栓和弹簧等，都按其实用需要使用的了不同的金属材料

（2）、在机床方面的应用。机床的机身、底座、液压缸、导轨、齿轮箱体、轴承座等大型零件部，以及其他如牛头刨床的滑枕、带轮、导杆、摆杆、载物台、手轮、刀架等，首选材料为灰铸铁，球磨铸铁也可选用。随着对产品外观装饰效果的日益重视，不锈钢、黄铜的

使用日益增多。纯铝、防锈铝合金及硬铝合金的装饰效果也很好，可用于制作控制面板、标牌、底板及箱体等；螺旋传动件，通常不进行热处理的螺旋传动件用45、50钢制造，进行热处理的螺旋传动件用T10、65Mn、40Cr制造。螺母用铸造锡青铜制造。较小载荷或低速传动的螺母用耐磨铸铁制造；滑动轴承材料，有巴氏合金，铜基、铝基、锌基合金，粉末冶金含油轴承以及铸铁。粉末冶金含油轴承主要是铁基和铜基含油轴承；其他的如齿轮用材、轴类用材、螺栓用材、涡轮蜗杆传动、滚动轴承用钢和刀具用材等。

（3）、在热能设备方面。锅炉用钢，包含锅炉管道用钢和锅炉汽包用钢。管道用钢具有足够的蠕变极限和持久强度，高的抗氧化性、耐腐蚀性、组织稳定性，以及良好的焊接性能。汽包用钢具有较高的室温强度和中温强度、良好的塑性和韧性、良好的冷弯性能、焊接性能和低的缺口敏感性；汽轮主要零部件用钢，包含汽轮机叶片用钢、汽轮机转子用钢和汽轮机静子用钢。汽轮机叶片是在温度、介质和应力等复杂工况条件下长期工作的。对叶片材料提出严格的性能的要求：足够的室温和高温力学性能、良好的减震性、高的组织稳定性、良好的耐腐蚀性和抗冲蚀性，以及良好的冷、热加工性能。转子用钢一般选用中碳钢和中碳合金钢等等。

（4）、在化工设备中的应用。化工设备主要有压力容器、换热器、塔设备和反应釜等。所用金属包括合金钢和有色金属及其合金等。低合金高强钢，主要用于制造压力容器，具有较高的强度、良好的塑性和焊接性能；不锈钢，一般有铬不锈钢、耐热钢和铬镍不锈钢。分别用在轴、活塞杆、阀件、螺栓、热炉管、再热蒸汽管等；有色金属及其合金。铜和铜合金，纯铜主要用于蒸发器、蛇管等。黄铜用于制造容器零件等。锡青铜主要用于铸造耐蚀、耐磨零件，如泵壳、阀门、齿轮、轴瓦、蜗轮等零件；镍及镍合金，主要用于高温并在一定载荷下工作的耐蚀零件和设备。

（5）在航空航天中的应用。航空航天产品受使用条件和环境的制约，对材料提出严格要求。采用的结构材料须轻质、高强、耐高温和耐高温腐蚀。航空航天材料主要包括航空航天结构材料和航空航天功能材料。结构材料主要包括运载火箭及导弹材料和航天飞行材料。运载火箭箭体用金属材料主要是高强铝合金，推进剂储存箱用金属材料主要是高强可焊铝锂合金。火箭发动机主要使用电寿材料、高温合金、超低温钛合金、高强钛合金、不锈钢、金

属间化合物等材料。

在土木工程中的应用，主要是钢材、铝合金和铜合金等，在此就不赘述了。

二、金属材料的发展趋势

金属材料，尤其是新型金属材料在目前的情况下，应用较为广泛，前景依然不错，这种状况将持续很长时间，非金属材料的研究进展将决定这种状态的时间长短。

（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。汽车、摩托车等交通类产品用镁合金，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。世界各大汽车公司已经将镁合金制造零件作为重要发展方向。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。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。

（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。

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。国外预测，含钪铝-镁合金及其它系列的铝合金有可能成为下一代飞机的重要结构材料。TiAl基合金的板材除了有望直接用作结构材料外，还可以用作超塑性成型的预成型材料，并用于制作近净成型航空、航天发动机的零部件及超高速飞行器的翼、壳体等

总之，随着科技的进步，未来将会有大量的金属及金属合金产品面世。金属的应用将会应用到极致，其发展趋势也将一片明朗。