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高速發(fā)展中的新型 金屬材料,姓名：于 波 常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院模具系,摘 要,文章簡單介紹了現(xiàn)代材料科學(xué)研究的基本內(nèi)容和最新進(jìn)展；對新型高性能金屬材料如高溫合金、鈦合金、鋁鋰合金等材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用作出了較為詳細(xì)的闡述；并對21世紀(jì)高性能金屬材料的發(fā)展方向作出了分析與展望。,關(guān)鍵詞,合金 金屬材料,能源、信息和材料被認(rèn)為是一個國家國民經(jīng)濟(jì)的三大支柱。沒有先進(jìn)的材料，就沒有先進(jìn)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學(xué)技術(shù)。人類從石器時代到青銅時代，從蒸汽機(jī)到電子芯片的誕生，每一次時代的飛躍都必然伴隨著材料的革命。如果沒有高純度、大直徑硅單晶的研制成功，就不會有后來發(fā)展起來的集成電路，更不會有今天如此先進(jìn)的計算機(jī)和電子設(shè)備。因此，歷史學(xué)家都將材料作為衡量一個國家文明程度的標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此而將歷史化分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代等等。從世界科技發(fā)展史看，重大的技術(shù)革新往往起始于新材料的產(chǎn)生。例如，上世紀(jì)50年代鎳基超級高溫合金的出現(xiàn)，使金屬高溫材料的使用溫度由原來的700提高到900以上，從而導(dǎo)致了超音速飛機(jī)的問世。反過來，近代新技術(shù)（如原子能技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、航天技術(shù)等）的發(fā)展又促進(jìn)了新材料的產(chǎn)生。在十八世紀(jì)后的歐洲工業(yè)革命中，隨著對金屬材料的需求，在化學(xué)、物理及材料力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了金屬學(xué)這門學(xué)科。二十世紀(jì)以后，由于X射線衍射技術(shù)、透射電子顯微技術(shù)以及固體物理、量子力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，進(jìn)一步推動了金屬材料的深入發(fā)展，在現(xiàn)代材料科技中高分子材料和復(fù)合材料（陶瓷材料）、復(fù)合材料和具有優(yōu)異的光、電、磁性能的功能,引言,材料應(yīng)用日益廣泛，金屬材料與非金屬材料相互滲透，互相促進(jìn)，逐漸形成了一門新形的學(xué)科體系材料科學(xué)與工程。 材料科學(xué)與工程關(guān)于材料成份、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系和應(yīng)用的一門科學(xué)，涉及的領(lǐng)域包括材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料工程、材料表面工程、材料的性能及測試技術(shù)等等。而金屬材料是材料學(xué)科中的重要組成（核心）部分，金屬材料的研究往往對一個國家的交通、機(jī)械、軍事等相關(guān)領(lǐng)域起到一個重要的影響作用。 我們知道，1957年11月，原蘇聯(lián)人造衛(wèi)星被送入太空，它對當(dāng)時美國朝野的震動可與二戰(zhàn)時期日本偷襲珍珠港事件相比。美國政府的調(diào)查表明，當(dāng)時主要的問題在于金屬材料的研究落后于原蘇聯(lián)。此后，以美國為代表的西方先進(jìn)工業(yè)國家十分重視材料的研究與開發(fā)。美國關(guān)鍵技術(shù)委員會早在1991年確定的22項關(guān)鍵技術(shù)中，材料占了五項：材料的合成與加工；電子和光電子材料；陶瓷材料；復(fù)合材料；高性能金屬和合金。日本為開拓21世紀(jì)選定的基礎(chǔ)技術(shù)研究項目中共涉及46個領(lǐng)域，其中關(guān)于新材料的基礎(chǔ)研究項目就占據(jù)14項之多。 鋼鐵材料的發(fā)展在上世紀(jì)中期，就世界范圍來說，處于最鼎盛的時期。金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)走過了它最輝煌的年代。在21世紀(jì)，金屬材料雖不像信息材料、生物材料、納米材料等屬于高科技的先進(jìn),材料，但由于其具有較高強(qiáng)度、高彈性模量、高韌性及優(yōu)異的物理特性和加工工藝性能。因此，在材料科學(xué)領(lǐng)域中仍然占有非常重要的地位，尤其在交通運(yùn)輸和機(jī)械制造業(yè)中，鋼鐵材料的應(yīng)用仍然占90%以上。美國福特汽車公司曾統(tǒng)計在汽車結(jié)構(gòu)件中，金屬材料占90%以上。正如世界著名的材料學(xué)家柯垂瓦（Cotterl）在美國金屬學(xué)會議上發(fā)言時說：“將來我們會繼續(xù)研究和使用金屬及合金，特別是鋼鐵”。 但就目前世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的情況可以看出，在金屬材料研發(fā)方面，常規(guī)的、傳統(tǒng)的金屬材料鋼種體系開發(fā)及熱加工成型工藝（即材料的鑄造技術(shù)，鍛壓技術(shù)、焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)），隨著鋼鐵物理冶金技術(shù)發(fā)展，隨著對鋼中馬氏體相變、貝氏體相變、鋼的合金化原理以及氫致開裂的機(jī)理的深入了解和斷裂力學(xué)的不斷發(fā)展，而逐漸趨于成熟和完善。因此，發(fā)達(dá)國家的材料學(xué)家、冶金學(xué)者，正在著力研究各種更高性能的新型金屬材料。 近十年來，開發(fā)各種高性能的新型金屬材料已成為金屬材料工程領(lǐng)域中主要的發(fā)展方向。所謂高性能是指具有比常用的金屬材料更高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐低溫、抗腐蝕、抗輻射等性能的金屬材料。這種材料的產(chǎn)生將對人類發(fā)展空間技術(shù)、核能技術(shù)、海洋開發(fā)等領(lǐng)域領(lǐng)域有著重要的推動意義。,目前，各種高性能金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料現(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、化工、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)、新能源等高技術(shù)領(lǐng)域，同普通的金屬材料相比較，它有明顯的性價比優(yōu)勢和廣闊的市場前景。今天，我就幾種新型金屬材料的研究情況和發(fā)展動態(tài)向各位作一簡單介紹。,一、高溫合金,航空發(fā)展歷史表明，材料科學(xué)每一次新的技術(shù)突破，都給航空技術(shù)帶來巨大的影響，飛行器性能得到較大幅度提高；高溫合金就是隨航空技術(shù)的的發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生的。高溫合金一般指在650以上的具有很高并且抗氧化、抗蠕變的金屬材料。這類合金材料中Ni基合金最重要，在航空發(fā)動機(jī)中應(yīng)用最廣。高溫合金的使用始于20世紀(jì)初，但我們知道，耐熱鋼和鐵基耐熱合金在較高載荷下的最高使用溫度一般只能達(dá)到750-850，對于更高溫度下使用的部件，則需要用Ni基、Co基合金。因此40年代發(fā)展了Nimonic高溫合金（Ni80Cr20）。目前，高溫合金使用溫度已達(dá)到1100。但是傳統(tǒng)的高溫合金主要的缺點(diǎn)是隨著使用溫度的升高，力學(xué)性能將明顯下降。金屬間化合物是,一種很有發(fā)展前途的新型高溫結(jié)構(gòu)材料，常見的類型是L12型如：C03Ti、Ni3Al，它不同于一般的金屬材料，是一種有序的晶體結(jié)構(gòu)，即晶胞中的Co、Ti、Al原子（按一定規(guī)律有序排列），因此，高溫下晶體的滑移變形受大位錯的分解而受阻。并且具有以下特性：在一定的高溫范圍內(nèi)，具屈服強(qiáng)度隨溫度的升高不是降低而是增加，即出現(xiàn)了反常的高溫力學(xué)性能，同時彈性模具高，比強(qiáng)度高，密度小，抗氧化性能好，因此，金屬間化合物可以說是一種很好的航空材料，但金屬間化合物在室溫下脆性大，易斷裂，因此，近十幾年來，美國、日本各國的材料工作者，如美國Wilsdorf教授、日本東北大學(xué)的和泉修教授、我國清華大學(xué)材料學(xué)院和冶金工業(yè)部下屬的鋼鐵研究總院也都對金屬間化合物的這種反常的高溫力學(xué)性能的物理本質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、合金化規(guī)律進(jìn)行了深入的研究。在90年代中期，Ni3Al、TiAl金屬間化合物合金的開發(fā)已比較成熟，有了突破性的發(fā)展，美國已用TiAl制成了噴氣發(fā)動機(jī)的高溫構(gòu)件，并已在進(jìn)行試車考核，可以預(yù)言：金屬間化合物高溫合金航天、能源等領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)。如能在航空上推廣，則發(fā)動機(jī)推重比將有個大的飛躍。,二、鈦合金,鈦及其合金也是近十幾年來發(fā)展應(yīng)用日益廣泛的一類新型結(jié)構(gòu)材料，其主要性能特點(diǎn)是比強(qiáng)度高，在大氣、海水以及酸、堿介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，抗氧化性優(yōu)于不銹鋼。同時具有超導(dǎo)、記憶、儲氫等特殊性能，作為尖端科技材料，在航空、電力、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。純鈦呈銀白色，熔點(diǎn)為1668，它的密度小（4.5g.cm-3）。鈦在固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度低于0.49K時，鈦呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，經(jīng)適當(dāng)合金化，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可提高到910。 鈦?zhàn)鳛橐环N強(qiáng)度高、耐腐蝕性好的材料廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中。鈦及鈦合金比強(qiáng)度是金屬材料中最大的。它是合金鋼的1.41.7倍；是鋁合金的1.3倍；抗拉強(qiáng)度可達(dá)1400Mpa。經(jīng)過淬火時效、形變熱處理和化學(xué)熱處理后耐磨性和疲勞強(qiáng)度會進(jìn)一步提高。鈦的耐腐蝕性特別是耐海水腐蝕性能力是目前金屬材料中最好的。一塊鈦板泡于海水中5年后取出仍是光亮閃閃，毫不生銹。 鈦還可與其他元素（如鋁、釩）組成各種具有特殊性能的鈦合金。例如儲氫合金、形狀記憶合金、超導(dǎo)合金。Ti合金塑性較差，不易加工成型，特別是制造形狀復(fù)雜的零件。如果Ti合金經(jīng)熱處理后形成極細(xì)的組織，就可實(shí)現(xiàn)所謂“超塑性成形”，這時Ti合金的行為就像熱加工玻璃一樣，可以吹制成各種中空的器皿，即可以柔軟得隨意加工成任意形狀。在醫(yī)學(xué)上鈦合金也可作為人體植入材料，現(xiàn)在已成功地用鈦合金制作人工心臟修復(fù)裝置，這是因為鈦合金和生物細(xì)胞有良好的相容性。美國生產(chǎn)的鈦合金,TA7（型鈦合金）和TC4（+型鈦合金）已大量用作火箭發(fā)動機(jī)外殼、航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤及壓力容器。波音747飛機(jī)，鈦合金用量達(dá)3.64噸。71高速高空偵探機(jī)合金用量達(dá)93，被稱為全鈦飛機(jī)。因此鈦被認(rèn)為繼Fe基和Al基合金之后的第三類金屬材料。鈦合金作為21世紀(jì)的新材料，被人們稱為“未來的鋼鐵”。 目前美、俄、日等材料科學(xué)家們都在開發(fā)鈦合金。鈦合金的種類很多，一個潛在的應(yīng)用是替代馬氏體不銹鋼制作大型蒸氣輪機(jī)葉片。目前應(yīng)用最多的是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金，我國Ti資源豐富，儲量居世界首位，這是我國發(fā)展鈦工業(yè)的優(yōu)勢，目前對Ti合金的相變及破壞機(jī)制還不太清楚，Ti合金的加工工藝及合金化研究正在進(jìn)行。北航空航天大學(xué)在這方面做了很多研究工作，并做得了一定的成果。 現(xiàn)在，鈦及其合金的表面處理技術(shù)發(fā)展很快 如激光涂覆鈦合金，應(yīng)用PVD（物理氣相沉積）技術(shù)在刀具上涂TiN層，可以使得切削刀具的壽命提高11.5倍。也可以作為日常生活裝飾用（彩色涂層），從而提升產(chǎn)品的附加值。,三、鋁鋰合金,Al-Li系合金是近年來引起人們廣泛關(guān)注的一種新型超輕結(jié)構(gòu)材料。該合金的研制與應(yīng)用，標(biāo)志著半個月多世紀(jì)以來鋁合金領(lǐng)域的重要發(fā)展。 鋰是一種極為活潑且很輕的化學(xué)元素，密度為0.533gcm-3，為鋁的1/5，鐵的1/15。鋰元素為地球存在較多的金屬，同時海水中還有相當(dāng)大的含量。 在鋁合金中加入鋰元素，可以更顯著的降低其密度，并明顯地改善合金的力學(xué)性能。例如，在鋁中添加鋰2%，密度可減少10%，強(qiáng)度可與鋁合金中強(qiáng)度最高的硬鋁12合金媲美。因此，Al-Li合金具有比重小、比強(qiáng)度高和剛度大，耐疲勞性能好，耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。用Al-Li合金制作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，可使飛機(jī)減重達(dá)20%，提高飛機(jī)的速度。因此，Al-Li合金被認(rèn)為是21世紀(jì)航空航天及兵器工業(yè)最理想的輕質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料。 目前，Al-Li合金的研究成了有色合金新材料研究中一個十分活躍的領(lǐng)域。在前蘇聯(lián)， Al-Li合金已用于火箭、航天飛機(jī)材料及民用飛機(jī)上，1999年，美國“奮進(jìn)號”航天飛機(jī)外儲箱使用Al-Li合金材料，使航天飛機(jī)的運(yùn)載能力提高了3.4t。我國Al-Li合金研究的起步較晚，目前仍處于研究階段，距應(yīng)用還有一段距離，國內(nèi)某此高效及研究所正在做這方面的工作，哈工大材料學(xué)院對Al-Li-Cu系、Al-Li-Mg系合金的時效動力學(xué)、斷裂機(jī)制及2091 Al-Li-合金焊接接頭的強(qiáng)化,機(jī)制進(jìn)行了研究。現(xiàn)已經(jīng)建立Al-Li合金的研究開發(fā)基地，以Sic纖維、Sic顆粒為增強(qiáng)體的Al-Li基復(fù)合材料是剛剛發(fā)展起來的新型材料。經(jīng)過3個五年計劃的材料研究與應(yīng)用開發(fā)后，其規(guī)模和水平已達(dá)到美、俄20世紀(jì)80年代水平，國產(chǎn)Al-Li合金已在航空航天工業(yè)中試用，其中1420Al-Li合金深沖模鍛件已批量應(yīng)用于我國的飛機(jī)和導(dǎo)彈上。,四、鈦鎳形狀記憶合金,形狀記憶合金，是一種性質(zhì)與過去的金屬材料變形情況完全不同的合金。眾所周知，金屬材料質(zhì)地較硬，若變形超過彈性極限，則形狀永久不能回復(fù)。但是，形狀記憶合金容易變形，通過加熱其形狀可以復(fù)原。1963年，美國海軍研究所在開發(fā)新型艦船材料時，在Ti-Ni合金中發(fā)現(xiàn)：把直條形的線材加工成彎曲形狀，經(jīng)加熱后它的形狀又恢復(fù)到原來的直條形，該合金能“記憶”原來的形狀的能力。人們把這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)。研究表明，形狀記憶機(jī)理是在形狀記憶合金中有熱彈性馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變。熱彈性馬氏體轉(zhuǎn)變時隨著溫度下降，原馬氏體片會繼續(xù)長大，而溫度上升，它又會收縮呈現(xiàn)出熱彈性，而且轉(zhuǎn)變具有完全的可逆性，即馬氏體（低溫相）以足夠快的速度加熱,不會分解而直接轉(zhuǎn)變成高溫相（母相）。 如美國國家航空航天局所開發(fā)的宇宙火箭用天線，將該合金預(yù)先壓縮成緊湊的一團(tuán)而安裝于運(yùn)載火箭上，待運(yùn)載火箭發(fā)射到月球表面時受到太陽光照射加熱使合金升溫，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時，被折疊成球狀的合金絲團(tuán)就自動完全打開，成為原先定形的拋物狀天線。這樣，就可以認(rèn)為如果汽車的車身也采用這種記憶合金制造，那么即使遭受碰撞變形也能夠用熱水等稍微加熱的方式即可恢復(fù)原狀，可使汽車外形“青春常駐”。 形狀記憶合金的主要應(yīng)用有：（1）自動組裝的結(jié)構(gòu)件，如宇航天線、管子接頭、記憶鉚釘?shù)?。?）熱能機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置 很多記憶合金在馬氏體相變的逆轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生很大的應(yīng)力和位移，因此可以作功。利用這一特性，可把熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。人們正利用這一原理制成記憶材料發(fā)動機(jī)。（3）醫(yī)學(xué)器械 矯正牙齒的拱形金屬絲，比不銹鋼好，整形外科用材料：如脊椎矯正棒、人工股關(guān)節(jié)等。,五、非晶態(tài)合金,非晶態(tài)合金的發(fā)現(xiàn)源于20世紀(jì)70年代。我們知道金屬在一般的冷卻速度凝固后均形成晶體，而且晶體中存在著大量的空位、晶界、位錯等缺陷。當(dāng)時在美國噴氣推進(jìn)研究所的美國加州大學(xué)教授Duwez在一次,實(shí)驗中，無意將熔融的金硅合金液滴噴濺到銅板上時，由于冷卻速度極高，液態(tài)合金來不及形成結(jié)晶就凝固了，結(jié)果獲得了如同玻璃一樣沒有晶體結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)合金，所以也有人稱之為金屬玻璃，不過它并不是像玻璃那樣透明的材料，而是一種在本質(zhì)上與原來的晶態(tài)金屬完全不同的新物質(zhì)原子無規(guī)則排列的金屬。由于快速凝固，原子來不及擴(kuò)散，金屬中的合金元素偏析程度顯著降低，沒有晶界，從而可提高合金化程度，而不致產(chǎn)生脆化相，非晶態(tài)合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。例如非晶態(tài)合金Fe 80B20抗拉強(qiáng)度達(dá)35310Mpa，而超高強(qiáng)度鋼（晶態(tài)）的抗拉強(qiáng)度僅為18002000Mpa。非晶態(tài)合金伸長率低但并不脆，而且具有很高的韌性，許多淬火態(tài)的非晶態(tài)合金薄帶可以反復(fù)彎曲，即使彎曲1800也不會斷裂。在工程應(yīng)用中，通