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1、高速发展中的新型金属材料，姓名：波常州机电职业技术学院模具系，摘要文章简要介绍了现代材料科学研究的基本内容和最新进展，详细阐述了高温合金、钛合金、铝合金等新型高性能金属材料的研究现状和应用，并对21世纪高性能金属材料的发展方向进行了分析和展望。 关键词、合金金属材料、能源、信息、材料被认为是国家国民经济的三大支柱。 没有先进的材料，就没有先进的工农科技。 人从石器时代到青铜时代，从蒸汽机到电子芯片的诞生，每个时代的飞跃必然伴随着材料的革命。 没有高纯度、大直径的硅单晶开发成功，就没有后来发展的集成电路，也没有像今天这样先进的计算机和电子设备。 因此，历史学家把材料作为衡量国家文明程度的标准，在

2、此基础上把历史化分为石器时代、青铜器时代、铁器时代等。 从世界科技发展史来看，重大的技术革新往往从新材料的产生开始。 例如，上世纪50年代镍基超高温合金的出现，使金属高温材料的使用温度从原来的700提高到900以上，导致超音速飞机的诞生。 相反，近代新技术(如原子能技术、计算机技术、航天技术等)的发展又促进了新材料的产生。 在十八世纪后的欧洲产业革命中，随着金属材料的需求，以化学、物理及材料力学等学科为基础，诞生了金属学这一学科。 二十世纪以来，随着x射线衍射技术、透射电子显微镜技术以及固体物理、量子力学等相关学科的发展，更加推进了金属材料的发展，现代材料科学技术中高分子材料与复合材料(陶瓷材

3、料)、复合材料与具有优异光、电、磁能的功能、引言、材料的应用日益广泛， 是关于金属材料和非金属材料科学和工程材料成分、结构和性能的关系和应用的科学，涉及的领域包括材料科学的基础、材料工程、材料表面工程、材料的性能和测试技术等。 金属材料是材料学科的重要组成(核心)部分，金属材料的研究往往对国家交通、机械、军事等相关领域产生重要影响。 1957年11月，前苏联的人造卫星被发射到宇宙，当时美国对朝野的震动可以和第二次世界大战中日本的珍珠港攻击事件相比。 根据美国政府的调查，当时的主要问题是金属材料的研究落后于前苏联。 此后，以美国为代表的西方发达国家非常重视材料的研究和开发。 美国重要技术委员会在

4、1991年确定的22项重要技术中，材料占5项：材料的合成和加工电子及光电材料； 陶瓷材料； 复合材料高性能金属和合金。 日本为开拓21世纪选定的基础技术研究项目达46个领域，其中有关新材料的基础研究项目占14个项目。 钢铁材料的发展在上世纪中期，世界处于鼎盛时期。 金属材料作为结构材料经历了最辉煌的年代。 在21世纪，金属材料并不像信息材料、生物材料、纳米材料等那样是高科技的先进材料，它具有高强度、高弹性模量、高韧性和优良的物理特性和加工工艺性能。 因此，钢铁材料在材料科学领域仍占有非常重要的地位，特别是在交通运输和机械制造业，钢铁材料的应用仍占90%以上。 美国福特汽车公司修订了在汽车结构物

5、中，金属材料占90%以上。 就像世界著名的材料学家科特拉尔在美国的金属学会议上的发言一样，他说：“将来，我们将继续研究和使用金属和合金，特别是钢铁。”但是，由于目前世界各工业发达国家的情况，在金属材料的研制中，常规、传统的金属材料钢种系统的开发和热加工成形技术(即材料铸造技术、锻压技术、焊接技术、热处理技术)，随着钢铁物理冶金技术的发展，钢中的马氏体相变、贝氏体相变、钢的合金化近十年来，开发各种高性能的新型金属材料成为金属材料工程领域的主要发展方向。 所谓高性能，是指比常用的金属材料具有高强度、高韧性、耐高温、耐低温、耐腐蚀性、耐放射线性等性能的金属材料。 这种材料的产生在人类发展空间技术、原

6、子能技术、海洋开发等领域具有重要的推进意义。 目前，各种高性能金属材料作为结构材料和功能材料广泛应用于机械、化工、航空航天、生物医学、信息技术、新能源等技术领域，与普通金属材料相比，具有明显的性价比优势和广阔的市场前景。 今天简要介绍一些新型金属材料的研究状况和发展动态。 一、高温合金、航空发展的历史表明，每当材料科学突破新技术，对航空技术产生很大影响，飞机性能大幅提高，高温合金随着航空技术的发展而诞生。 所谓高温合金，是指具有650以上的高抗氧化、耐蠕变性的金属材料。 在这种合金材料中，Ni基合金是最重要的，被广泛应用于航空发动机。 高温合金的使用从20世纪初开始，但耐热钢和铁基耐热合金在高

7、负荷下的最高使用温度一般只达到750-850，已知在更高温度下使用的部件需要Ni基、Co基合金。 因此，在40年代Nimonic高温合金(Ni80Cr20 )得到了发展。 现在高温合金的使用温度达到1100度。 但是，以往高温合金的主要缺点是，随着使用温度的升高，力学性能显着降低。 金属间化合物是有前途的新型高温结构材料，常见的类型为L12型，例如C03Ti、Ni3Al，与一般的金属材料不同，是规则的结晶结构，即晶胞中的Co、Ti、Al原子(以一定规则排列)，因此在一定的高温范围内屈服强度不是随着温度的上升而降低，而是增加，即出现异常的高温力学性能，同时由于弹性模具高、比强度高、密度小、抗氧化

8、性能好，因此金属间化合物可以说是优异的航空材料，金属间化合物在室温下脆性大、容易破坏、容易破坏的例如， 美国的Wilsdorf教授、日本东北大学的和泉修教授、中国清华大学材料学院和冶金工业部下的钢铁研究总院也对金属间化合物这种异常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研究。 90年代中期，Ni3Al、TiAl金属间化合物合金的开发比较成熟，取得了划时代的发展，美国已经用TiAl制造喷气发动机的高温部件，进行了试运行评价，可以预言，金属间化合物高温合金宇宙、能源等领域的开发应用已经迫在眉睫。 如果能在航空中推广的话，发动机的推进比将会有很大的飞跃吧。 二、钛合金、钛及其合金也是近

9、十多年来发展应用广泛的新型结构材料，其主要性能特点是比强度高，在大气、海水及酸、碱介质中具有良好的耐腐蚀性，抗氧化性优于不锈钢。同时具有超导、记忆、储氢等特殊性能，作为先进科学技术材料广泛应用于航空、电力、医疗等领域。 纯钛呈银白色，熔点为1668，密度小(4.5g.cm-3 )。 钛固体具有同质转变，温度低于0.49K时，钛呈超导特性，通过适当的合金化，超导转变温度上升到910。 钛作为强度高、耐腐蚀性优良的材料被广泛应用于化工。 钛及钛合金的比强度在金属材料中最大。 合金钢的1.41.7倍；铝合金的1.3倍；抗拉强度可达1400Mpa。 经过淬火时效、应变热处理及化学热处理，耐磨性及疲劳强

10、度进一步提高。 钛的耐腐蚀性，特别是海水耐腐蚀性能力是目前金属材料中最好的。 钛板浸入海水5年后取出来也会发光，不生锈。 钛也可以与铝、钒等其他元素构成具有特殊性能的钛合金。 例如贮氢合金、形状记忆合金、超导合金。 Ti合金塑性差，成形难加工，特别是制造形状复杂的零件。 如果Ti合金经过热处理成为极细的组织，则可以实现所谓的“超塑性成形”，此时Ti合金的行为就像热加工玻璃一样，可以喷涂各种中空的器皿，即可以加工成柔软任意的形状。 医学上，钛合金也可以作为人体植入材料，现在已经成功地用钛合金制作人工心脏修复装置，这是因为钛合金和生物细胞的相容性很好。 美国制造的钛合金、TA7(型钛合金)和TC4

11、(型钛合金)被大量用作火箭发动机壳、航空发动机压缩机盘、压力容器。 波音747飞机的钛合金使用量达到了3.64吨。 71高速高空侦察机的合金使用量达到了93，被称为全钛飞机。 因此，钛被认为是继Fe基和Al基的合金之后的第3种金属材料。 钛合金作为21世纪的新素材被称为“未来的钢铁”。 现在，美国、俄罗斯、日本等材料科学家正在开发钛合金。 钛合金种类繁多，一个潜在的应用是制造大型汽轮机叶片代替马氏体不锈钢。 目前应用最多的是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金，中国Ti资源丰富，储量居世界第一，这是中国钛工业发展的优势，目前Ti合金的相变和破坏机理尚不清楚，Ti合金的加工技术和合金化研究正

12、在进行中。 北航宇宙大学在这方面进行了许多研究，取得了一定的成果。 目前，钛及其合金表面处理技术的发展迅速激光涂层钛合金，应用PVD (物理气相沉积)技术在工具上涂层TiN层，可使切削工具的寿命提高11.5倍。 作为日常生活装饰用(彩色涂层)，也能提高产品的附加价值。 三、铝锂合金、Al-Li系合金是近年来备受瞩目的新型超轻质结构材料。 该合金的研制和应用，标志着半个多世纪以来铝合金领域的重要发展。 锂是极其活跃轻的化学元素，密度为0.533gcm-3，铝的1/5，铁的1/15。 锂元素是地球上存在很多的金属的同时，海水中也有相当的含量。 在铝合金中添加锂元素，可以使密度更显着降低，显着改善合

13、金的力学性能。 例如，如果在铝中添加2%的锂，则密度减少10%，成为与铝合金中强度最高的硬铝12合金相匹敌的强度。 因此，Al-Li合金具有比重小、比强度高刚性大、耐疲劳性能好、耐腐蚀性好等优点。 用Al-Li合金制作飞机构造材料，可以将飞机的重量减少20%，提高飞机的速度。 因此，Al-Li合金被认为是21世纪航空航天武器工业最理想的轻量高强度结构材料。 目前，Al-Li合金的研究已经成为有色合金新材料研究中非常活跃的领域。 在前苏联，Al-Li合金已经用于火箭、航天飞机材料和民用飞机，1999年，美国的“奋进号”航天飞机外储藏箱使用Al-Li合金材料，使航天飞机的运输能力提高了3.4t。我

14、国Al-Li合金研究起步较晚，目前尚处于研究阶段，离应用还有一定距离，国内的某些高效率及研究所正在从事这方面的工作。 哈佛大材料学院针对Al-Li-Cu系、Al-Li-Mg系合金的时效动力学、断裂机理以及2091al-建立了Al-Li合金的研究开发基地，以Sic纤维、Sic粒子为增强体的Al-Li系复合材料是刚刚发展起来的新材料经过三个五年订划的材料研究和应用开发，其规模和水平已达到美国、俄罗斯20世纪80年代水平，国产Al-Li合金已在航空航天工业试用，其中1420Al-Li合金深模锻件已大量应用于中国飞机和导弹。 四、钛镍形状记忆合金、形状记忆合金是性质与传统金属材料变形状况完全不同的合金

15、。 众所周知，金属材料材质坚硬，变形超过弹性极限时，形状永久不能恢复。 但是，形状记忆合金容易变形，通过加热其形状能够复原。 1963年，美国海军研究所在研制新型舰船材料时，发现了在Ti-Ni合金中，将直线状的线材加工成弯曲形状，加热成原来的直线状，能够“记忆”原来的形状的能力。 这种现象称为形状记忆效应。 发现形状记忆机理是形状记忆合金中具有热弹性的马氏体的可逆转变。 热弹性随着马氏体相变时温度下降，原马氏体片继续生长，温度上升、收缩显示热弹性，并且相变显示完全可逆性，即马氏体(低温相)以足够快的速度被加热，不分解而直接相变为高温相(母相)。 像美国国家航空宇宙局开发的宇宙火箭用天线一样，将

16、这种合金预先压缩成紧凑的块状安装在火箭上，火箭发射到月球表面后受太阳光照射合金升温，温度达到一定值时，折叠成球状的合金钢丝团自动完全打开，原定像这样，汽车的车身如果也采用这样的记忆合金制造的话，即使受到碰撞变形，用热水等稍微加热就可以恢复原状，可以认为汽车的外形“青春常驻”。 形状记忆合金的主要应用是： (1)航天天线、管接头、记忆铆钉等自动组装的结构。 (2)热能机械能转换装置的许多记忆合金在马氏体相变逆转变化时产生大的应力和位移，因此能够工作。 利用这个特性，可以把热能转化为机械能。 人们利用这个原理制造记忆材料引擎。 (3)医学器械是矫正牙齿的拱形铁丝，比不锈钢好，整形外科用材料如脊椎矫

17、正棒、人工髋关节等。 五、非晶合金、非晶合金的发现起源于20世纪70年代。 众所周知，金属在一般冷却速度下凝固后形成晶体，而且晶体中存在大量空穴、晶界、位错等缺陷。 当时，美国喷气推进研究所的美国加州大学教授Duwez曾在实验中，无意间将熔融的金硅合金的液滴喷到铜板上，结果冷却速度极快，液态合金不能结晶而凝固，结果得到没有玻璃那样的结晶结构的非晶合金，因此也称为金属玻璃， 不是玻璃那样的透明材料而是本质上快速凝固，因此原子不能扩散，金属中的合金元素的偏析程度显着降低，没有晶界，因此能够提高合金化的程度，不引起脆化相，非晶合金具有高强度、耐腐蚀等优点。 例如，非晶质合金Fe80B20的拉伸强度达到35310Mpa，而超高强度钢(结晶状态)的拉伸强度仅为18002000Mpa。 非晶合金薄带伸长率低，但不脆，而且韧性高，很多淬火状态的非晶合金薄带即使弯曲1800弯曲也不会断裂，可以反复弯曲。 的双曲馀弦值。在工程应用中，通过激光束表面处理可以在工件表面得到非晶态组织，使材料表面具有高耐磨性和高强度，非晶态合金制硅太阳能电池的光电转换率达到15%。 由于没有结晶缺陷，许多非晶铁基合金具有优异的磁学性能，能够得到导磁率极高的软磁性材料。 在制作变压器铁心时，其磁滞损耗和涡流损耗