金属材料的发展趋势（材料史六）

元素周期表

在我们日常生活中,经常谈到金属或金属材料．众所周知,铁、铜、铝、金和银是金属,钢是一种金属材料,而且,金属和金属材料的种类繁多,历史悠久．金属由于反射率高,因而有光泽,几乎可以说只有金属才有光泽．金属的重要特征是具有晶体结构．除水银之外,在室温下所有金属均为固体结晶状态．一提到金属,人们就会想到,它具有高强度而且又具有良好变形能力．众所周知,金属具有良好的导电性和导热性．腐蚀现象是金属和金属材料发生化学反应的一种标志．换句话说,这是其不利因素。

比重是划分金属和金属材料的一个重要标准．轻金属和轻金属合金,比重一般低于4.4 克每立方厘米；重金属和重金属合金,比重高于4.4 克每立方厘米,工业中最重要的轻金属是铝、镁及其合金；最重要的重金属包括铜、铅、锌和锡以及以这些金属为基础所组成的合金．在二者之间,还有钛,一般把钛划归轻金属。

虽然在古代已经使用金、银、汞和铅,到中世纪又发现了许多元素,但只是到18 世纪中叶以后才开始对金属进行科学研究．在这一时期,又发现了许多具有金属性质的元素．例如,铂、镍、锰、钨和铬．在1800 和1850年间,才首次制取了镁、镉及大部分碱土和碱金属,如铝、铍．到19 世纪末,发现了钛、铯、铷和镭．在原子衰变过程中也产生新的元素．当前,我们已经知道了118 种元素。

2016年，国际化学联合会正式确认它，制得者拥有命名权，他们为纪念俄罗斯极重元素合成先驱者尤里·奥加涅相(Yuri Oganessian)而命名为Og。

首次制得og元素，是2002年科学家由俄罗斯的U400回旋加速器将“钙-40”离子加速轰击“锎-249”，造出了3颗新原子，每个原子有118个质子与179个中子。

但由于这个新元素与po(钋)衰变能量相近，直到2005年再次制得证实后，2006年10月9日才正式宣布这是一种新元素：他们共检测到了3个og-297，2002年1个，2005年2个。

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十九世纪的工业高涨促进了冶金和制造技术的迅速发展,金属与金属材料产量越来越多,而且可加工成可以利用的器件．这时,虽然已能利用最现代化的科学知识和仪器仪表,但这种发展还不能认为是已进入真正科学研究的阶段．只是在二十世纪,材料科学才迅速发展,在金属和金属材料中有许多重要发现．截止二十世纪末,在高度工业化的国家,大约已生产和加工了500 种用量较大的金属材料,此时,金属已成为国民经济中头等重要的材料和工业材料的“主力”。

现代工业生产中,钢铁占有很重要的地位．钢铁产量往往是衡量一个国家工业水平和生产力水平的主要标志．目前,在整个结构材料中,钢铁占70％左右．由于它具有良好的物理和机械性能,资源丰富,价格低廉,并且工艺性能也很好,因此应用非常广泛。

钢铁虽然都是铁和碳组成的合金,但是含碳量不同,它们的“性格”有很大的差别．工业上以含碳量多少为标准,把钢铁分为生铁、纯铁和钢三种．钢铁按照组成元素分为碳素钢和合金钢；按用途可分为结构钢、工具钢和特种钢．结构钢具有一定的强度和韧性,用途最广,一般用作结构零件,如用来制造汽车、轮船、钢轨、机械、油田井架、电视塔等等；工具钢的强度高、耐磨性好,大量用于机械制造,用工具钢做的刀具,可像切豆腐那样切削一般金属材料．特种钢按用途不同可分为磁性钢、耐磨钢、高温合金钢、低温钢、精密合金钢、电工钢等等。

发展现代化工业技术不仅离不开钢铁,而且还对钢铁材料提出了更苛刻的要求．例如,海洋工程用的钢材,需要很高的强度、韧性和耐海水腐蚀的能力；大跨度桥梁需要采用强度和韧性都很好的钢铁材料建造；发展航空航天技术则要求材料重量轻、强度高．对于这些特殊要求,一般碳钢无能为力,只有合金钢才能担负起这方面的重任．所谓合金钢就是在钢中另外加入铬、镍、钨、钛和钒等化学元素,它们可以使钢材增加某一特殊性能．常用的合金钢有合金结构钢、弹簧钢、高速工具钢、滚珠轴承钢、不锈钢等．例如,高压容器要用合金结构钢制造；不锈钢韧性好、耐腐蚀,主要用于化工设备。

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目前,工业材料虽然仍以钢铁为主,但是有一部分被高分子合成材料所代替．同时,钢材在性能上也会有很大提高,除了钢材合金以外,将通过精炼技术、控制结晶技术、控制轧制技术,表面处理技术和热处理技术的综合应用来提高钢材性能,强度一般可提高一至二倍．各种复合钢材、预硬化钢材、异型断面钢材,彩色不锈钢将被大量采用；成百上千种性能近似的钢材由几种甚至几千种钢号所代替；钢材品种将更规范化、系列化,各国通用的钢材牌号也将取得一致；钢材的利用率将由现在的50％左右提高到80％,使用会更加合理。

自然界共有90多种金属元素,通常按外观颜色分为黑色和有色金属两大类．黑色金属包括铁、锰、铬和它们的合金,其余金属都可统称为有色金属．有色金属也是重要的金属材料,它是现代化工业的生力军．常用的有色金属有铝、铜、钛、镁、镍、钴、钼、铅、锡、锌、金、银和铂等,它们的消耗量虽只占金属材料消耗量的5％,但具有许多特殊的优良性能,是别的材料难以代替的．例如,它们的导电、导热性好,比重小,化学性质稳定,耐热、耐腐蚀,工艺性好等等,是电气、机械、化工、电子、轻工、仪表、航天工业不可缺少的材料。

元素被发现国家

许多人以为铁是地壳中最多的金属,其实地壳中最多的金属是铝,其次才是铁．铝占地壳总重量的7.45％,比铁多将近一倍．现在,世界铝的产量已经超过铜,仅次于钢铁。

电线、电缆材料以铝代铜为发展方向．虽然铝的导电性能比铜稍差,但是铝的比重几乎只有铜的三分之一,可以把铝线做得粗一些,以增强它的导电性能,同时,铝的价格要比铜低得多．因此,在电力工业上,铝成了铜的有力竞争者．例如,我国第一条电气化铁路——宝成铁路线上,输电线便由铝来充当。

铝的比重仅为铜的三分之一左右,今后随着节能和产品轻型化问题的突出,高强度铝作为机械产品结构材料的比重会增长较大。

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值得一提的还有钛．钛在地壳元素的大家庭里排行第九,比铜、镍、铅、锌的总和还要多16 倍．钛在地壳中的丰度为 0.56%，在所有元素中排第 9 位，储量远高于许多常见的金属，仅次于铁、铝居于第三位。由于钛熔炼技术复杂、加工难度大，钛被归为“稀有”金属。钛的制备方法共分为两类 ：热还原法和熔盐电解法。目前，世界上仅美国、俄罗斯、 日本、中国四个国家掌握完整的钛工业生产技术。

钛工业产业链

钛的外观很像钢铁,也呈银灰色．和钢铁相比,两者的硬度差不多,而钛的重量却只有同体积钢铁的一半,熔点也比钢铁高,要到1668℃才熔化,比号称不怕火的黄金的熔点还要高600℃．和铝比较,钛只比铝稍重一点,但比铝的硬度大二倍．钛在常温下性质很稳定,就是在强酸、强碱的溶液里,也不会被腐蚀．钛合金不仅强度高,而且耐高温和低温的性能也很好．由于钛具有以上许多优异的性能,已成为有色金属中倍受青睐的“后起之秀”．随着科技的发展,在提高冶炼技术和降低成本的前提下,钛成为继铜、铁、铅以后,被广泛使用的金属。

民航发动机常用材料

钛及其合金的比强度（强度与重量比）在金属结构材料中是很高的，它的强度与钢材相当,但其重量仅为钢材的57%。另外,钛及其合金的耐热性很强,在500℃的大气中仍能保持良好的强度和稳定性,短时间工作温度甚至还可更高些。而铝在150℃、不锈钢在310℃就失去原有的机械性能。当飞机、导弹、火箭高速飞行时，其发动机和表面温度相当高，铝合金已不能胜任，这时,采用钛合金是十分合适的。

F14战机材料分布

从20世纪40年代以来，钛的用途发展很快，被广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、军工、医疗以及石油化工等领域。最新的研究中发现，人体中含有一定的钛元素，钛元素会刺激吞噬细胞，可以加强免疫作用，因此不少实验室正致力于生物钛的开发和应用。

多孔钛合金人工椎体（中科院金属所）

正是由于钛及其合金具有强度大、重量轻、耐热性强的综合优良性能，在飞机制造中用它来代替其它金属时，不仅可以延长飞机使用寿命，而且可以减轻其重量，从而大大提高其飞行性能。所以，钛是航空工业和宇宙工业中最有前途的结构材料之一。钛及其合金在航空工业中主要用于制造飞机发动机和机身。一般来讲，马赫数小于2的飞机，其发动机使用一部分钛及其合金，机身一般用铝合金。马赫数等于2的飞机，其发动机用钛量增加，而且机身也部分需用钛。马赫数大于3.5的飞机,其发动机入口温度已很高,就不能用钛合金而需用超合金了，但其机身用钛量则显著增加。

采用钛钢复合材料的PTA氧化反应器

钛及其合金还具有良好的耐低温性能，即使在-250℃的超低温下，它仍具有较高的冲击强度，可耐高压抗震动，因此，钛及其合金在火箭、导弹和宇宙飞船上不仅用于制造发动机外壳和结构部件，而且用于制造高压容器，如高压气瓶、低温液态燃料箱等。

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除了常用的铁、铜、铅、铝、锌、锡、镁、金、银等金属以外,其它金属都可以算做稀有金属,其实,“稀有”与“普通”之间也没有什么严格的界限,不要把“稀有”和自然界含量很少的概念混为一谈．一百多年前,铝还被视为“稀有金属”,现在也把钛认为“稀有”．实际上,它们在地壳里的含量都不少．那么究竟什么是稀有金属呢? 可以这样来理解: 所谓稀有金属,是指那些发现得比较晚、形成的独立矿物少,并常与多种元素伴生、很分散、又不易提纯的一些金属。

稀有金属共有五十多种,可分为以下五大“族”: 轻稀有金属、难熔稀有金属、放射性稀有金属、稀散金属和稀土金属。

轻稀有金属包括: 锂、铍、铷和铯等．它们的共性是轻,其中锂最轻,比重只有水的一半,放到油里也会飘浮起来．锂用来制造氢弹,是热核反应的原料,一公斤锂释放出来的热量相当于燃烧二万吨煤；铍是“原子锅炉”的结构材料,铍和青铜的合金还能制成弹性极好的仪表零件；铷和铯用于电子技术和自动化方面,例如把铷和铯喷镀在银片上,可制成光电管中的敏感元件。

难熔稀有金属有: 钨、钼、钽、铪、铌、铼等,它们都具有优异的电子特性和比其它纯金属高得多的熔化温度,是电子工业材料中的“主力”,可制造合金钢及耐高温构件材料。

放射性稀有金属主要有铀和钍,它们是原子弹的“炸药”和“原子锅炉”的燃料．一吨铀—235 燃料,相当于250 万吨优质煤,可供北京市一年照明之用。

稀散金属主要是: 锗、镓、铟、铊．它们不但稀有,而且分散．以锗为例,它并不集中在锗矿石中,而是分散在煤炭、铅锌矿和某些铁矿里,含量少到十万分之一．为了提炼像黄豆那样大一点点的稀散金属,要消耗成吨矿石．稀散金属用处很大,特别是在电子工业上用途非凡．锗是一种良好的半导体材料；砷化镓是一种新型半导体；锑化铟是一种对红外敏感的半导体,为遥感技术不可缺少的材料。

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白云鄂博稀土矿

提起“稀土”,相信大家并不陌生．被称为“工业黄金”的关键战略资源与国运攸关，而我国国的稀土曾经很长一段时间以极低的价格被贱卖，卖出了土价没卖出稀价。说起来沉重，听起来心痛。

尽管美国稀土储量占全球20%，但是，美国每年的稀土进口量约80%来自中国。2022年9月21日，美国总统拜登决定不限制进口钕磁体。2021年，美国高达总量75%的烧结钕磁体来自中国进口，其余来自日本、菲律宾和德国。

美国进口的烧结钕磁体，75%来自中国

稀土当然不是“土”．就其资源来说,也并不稀少．它之所以叫稀土,是从18 世纪沿袭下来的．局限于当时的科学技术水平,人们以为能提取这类元素的矿物是一种稀少的、类似泥土的氧化物,故名稀土金属．其实,它是一大类金属,共有17 种元素: 镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇．它们好比孪生兄弟,性质都十分相似,因此,在自然界中总是共生在一起．它们在地壳中的含量比常见的金属如铜、锌、锡都多,现在已发现含稀土的矿物达二百五十多种。

稀土金属具有典型的金属性质,一般呈灰色,有的还有很高的导电性,适于锻造、热轧、冷轧和压力加工；化学性质也很活泼,能与许多元素发生化学反应生成化合物。

稀土用途

稀土金属在冶金、电气、玻璃工业等部门,多用来制造易燃合金、电弧碳棒和玻璃颜料等,也常用来改善合金性能,因此有“冶金工业维生素”之称．例如,在钢铁或有色金属里,只要加进千、万分之几的稀土金属,就可使零件“添劲强身、延年益寿”；生铁里加进铈,能得到球墨铸铁,使生铁变韧耐磨,可以铁代钢,以铸代锻．目前中国架设的从葛洲坝到武汉的高压线路,就是用稀土铝镁制的导线,它比一般导线强度高40％,每架设100 公里,可节约投资5－7 万元。

钕铁硼磁块

现代工业技术方面,稀土还在光电材料、磁性材料、化工催化剂及核能等方面得到应用．作为光电材料,稀土还适用于产生激光,目前已用稀土制造彩色荧光材料；稀土活化物是很好的永磁材料；在核反应堆里,稀土可制作控制棒和结构材料。

稀土是现代科技中不可或缺的元素，被称为高科技产业的维生素，它在荧光磁性激光、光纤通信、贮氢能源、超导等材料领域有着不可被替代的作用。稀土材料还被用于制造高科技武器的核心部件。一句话概括，从手机到新能源汽车巡航导弹都离不开稀土那么重要的战略资源。

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金属材料在国民经济中具有重要意义,倘若没有金属制品,当前人类的发展状况和整个科技进步是不堪设想的．无论冶金工业,还是金属加工工业,机器制造和电力工业,在发展过程中所获成就都是在材料科学和制造技术基础上取得的,这些成就同时也为未来新的重要任务奠定了基础。

根据金属材料在经济中的重要意义,可以断言,将来随着国民收入的不断增长以及工业产品生产的持续增多,对金属材料的需求也将增多．首先,除了提高冶金和金属加工工业的劳动生产率之外,还要发展、应用和广泛利用省料、节能、节约劳动时间的方法和工艺,更要充分发挥材料的经济效益。

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