最新金属材料调研报告

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前言

文章简单介绍了三种新型高性能金属材料：非晶态合金、钛镍形状记忆合金、高温合金，并对这三种材料的研究现状及应用作出了一些的阐述。最后对21世纪高性能金属材料的发展方向作出了分析与展望。

1.非晶态合金

非晶态合金的发现源于20世纪70年代。我们知道金属在一般的冷却速度凝固后均形成晶体，而且晶体中存在着大量的空位、晶界、位错等缺陷。当时在美国喷气推进研究所的美国加州大学教授Duwez在一次实验中，无意将熔融的金硅合金液滴喷溅到铜板上时，由于冷却速度极高，液态合金来不及形成结晶就凝固了，结果获得了如同玻璃一样没有晶体结构的非晶态合金，所以也有人称之为金属玻璃，不过它并不是像玻璃那样透明的材料，而是一种在本质上与原来的晶态金属完全不同的新物质—原子无规则排列的金属。由于快速凝固，原子来不及扩散，金属中的合金元素偏析程度显著降低，没有晶界，从而可提高合金化程度，而不致产生脆化相，非晶态合金具有高强度、耐腐蚀等优点。例如非晶态合金Fe80B20抗拉强度达35310Mpa，而超高强度钢（晶态）的抗拉强度仅为1800~2000Mpa。

非晶态合金伸长率低但并不脆，而且具有很高的韧性，许多淬火态的非晶态合金薄带可以反复弯曲，即使弯曲180°也不会断裂。在工程应用中，通过激光束表面处理可在工件表面获得非晶态组织，从而使材料表面具有高耐磨和高强度，非晶态合金制成的硅太阳能电池，光电转换率可达15%。由于没有晶体缺陷，很多非晶态铁基合金具有很好的磁学性能，可以得到磁导率极高的软磁材料。当制作变压器铁心时，其磁滞损耗和涡流损耗只有硅钢片的1/3。现美国已建立了万吨级薄片和薄带的非晶体软磁材料生产线，美通用电器公司已采用Fe—B—Si 单晶制造了批量生产高压变压器。我国在非晶态合金的研究与应用上，也取得了很大的进展。可以预见，非晶态合金应用前景广阔。现在，非晶态合金已经成为新型的金属磁性材料，是材料科学瞩目的新领域。

2.钛镍形状记忆合金

形状记忆合金，是一种性质与过去的金属材料变形情况完全不同的合金。众所周知，金属材料质地较硬，若变形超过弹性极限，则形状永久不能回复。但是，

形状记忆合金容易变形，通过加热其形状可以复原。1963年，美国海军研究所在开发新型舰船材料时，在Ti-Ni合金中发现：把直条形的线材加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形，该合金能“记忆”原来的形状的能力。人们把这种现象称为形状记忆效应。研究表明，形状记忆机理是在形状记忆合金中有热弹性马氏体的可逆转变。热弹性马氏体转变时随着温度下降，原马氏体片会继续长大，而温度上升，它又会收缩呈现出热弹性，而且转变具有完全的可逆性，即马氏体（低温相）以足够快的速度加热不会分解而直接转变成高温相（母相）。如美国国家航空航天局所开发的宇宙火箭用天线，将该合金预先压缩成紧凑的一团而安装于运载火箭上，待运载火箭发射到月球表面时受到太阳光照射加热使合金升温，当温度达到一定值时，被折叠成球状的合金丝团就自动完全打开，成为原先定形的抛物状天线。这样，就可以认为如果汽车的车身也采用这种记忆合金制造，那么即使遭受碰撞变形也能够用热水等稍微加热的方式即可恢复原状，可使汽车外形“青春常驻”。

形状记忆合金的主要应用有：

（1）自动组装的结构件，如宇航天线、管子接头、记忆铆钉等。

（2）热能——机械能转换装置很多记忆合金在马氏体相变的逆转变时产生很大的应力和位移，因此可以作功。利用这一特性，可把热能转变成机械能。人们正利用这一原理制成记忆材料发动机。

（3）医学器械矫正牙齿的拱形金属丝，比不锈钢好，整形外科用材料：如脊椎矫正棒、人工股关节等。

3.高温合金

航空发展历史表明，材料科学每一次新的技术突破，都给航空技术带来巨大的影响，飞行器性能得到较大幅度提高；高温合金就是随航空技术的的发展而应运而生的。高温合金一般指在650℃以上的具有很高并且抗氧化、抗蠕变的金属材料。这类合金材料中Ni基合金最重要，在航空发动机中应用最广。高温合金的使用始于20世纪初，但我们知道，耐热钢和铁基耐热合金在较高载荷下的最高使用温度一般只能达到750-850℃，对于更高温度下使用的部件，则需要用Ni 基、Co基合金。因此40年代发展了Nimonic高温合金（Ni80Cr20）。目前，高温合金使用温度已达到1100℃。但是传统的高温合金主要的缺点是随着使用温

度的升高，力学性能将明显下降。金属间化合物是一种很有发展前途的新型高温结构材料，常见的类型是L12型如：C03Ti、Ni3Al，它不同于一般的金属材料，是一种有序的晶体结构，即晶胞中的Co、Ti、Al原子（按一定规律有序排列），因此，高温下晶体的滑移变形受大位错的分解而受阻。并且具有以下特性：在一定的高温范围内，具屈服强度随温度的升高不是降低而是增加，即出现了反常的高温力学性能，同时弹性模具高，比强度高，密度小，抗氧化性能好，因此，金属间化合物可以说是一种很好的航空材料，但金属间化合物在室温下脆性大，易断裂，因此，近十几年来，美国、日本各国的材料工作者，如美国Wilsdorf教授、日本东北大学的和泉修教授、我国清华大学材料学院和冶金工业部下属的钢铁研究总院也都对金属间化合物的这种反常的高温力学性能的物理本质、微观结构、合金化规律进行了深入的研究。

在90年代中期，Ni3Al、TiAl金属间化合物合金的开发已比较成熟，有了突破性的发展，美国已用TiAl制成了喷气发动机的高温构件，并已在进行试车考核，可以预言：金属间化合物高温合金航天、能源等领域的开发应用已为期不远。如能在航空上推广，则发动机推重比将有个大的飞跃。

金属材料的前景展望

二十一世纪是高新技术和新材料（包括新型金属材料）迅速发展的时代，高性能的金属材料的应用也将更加广泛。同时，先进的材料制备、成型和加工技术，如快速凝固技术、超塑性成型技术、真空热处理技术、双金属复合、高纯、超细、纳米金属制加工以及激光熔覆、等离子喷涂以及物理和化学气相沉积这些先进的材料表面改性技术的发展，还将极大地推动高性能新型金属材料快速发展。国家火距计划中重点支持的新材料应用领域将高性能金属材料列于首位，随着单晶技术的成熟和近期超导材料研究的重大突破和电子薄膜衍射等测试技术的不断进步。我们相信，在全球冶金学者的共同努力下，各种超高温、高韧性、耐腐蚀、抗氧化、高强度、多功能、新型金属材料的问世将为期不远，材料科学技术的明天将会更加辉煌灿烂。