金属材料

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  金属材料拼音jīn shǔ cái liào英文:metallic material),由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金金属间化合物、金属基复合材料等。金属材料的生产和应用已有几千年的历史。最初以结构材料为重点。自20世纪中叶,人类逐步进入信息时代,有色金属材料中功能材料比重增长很快,黑色金属材料中的电工钢、磁钢、无磁钢等也高速发展。

  人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代铁器时代,均以金属材料的应用为其时代的显著标志。18世纪由于产业革命的兴起,钢铁材料迅速发展并成为产业革命发展的物质基础。1856年,英国人H.贝塞麦发明转炉炼钢。1868年英国人K.W.西门子发明平炉炼钢,使全世界钢的总产量从1850年的不足6万吨增加到1900年的2 800万吨。1952年出现的顶吹氧气转炉炼钢以及大量炉外精炼速铸,冷、热速轧机相继投产,使钢铁材料的产量增加,质量大幅度提高、成本大为下降。随着炼钢技术的发展,合金钢的生产和应用也得到发展。如1868年发明含钨钢,1887年出现高锰耐磨钢,1889年发明含镍钢。1889年法国P.-L.-T.埃鲁发明了电炉炼钢,使优质合金钢得到生产和应用。20世纪初发明了高速钢,同时硅钢片不锈钢相继问世,大大推进了机械制造、石油化工等工业的发展。20世纪40年代喷气技术和核技术的发展推动了沉淀硬化不锈钢、超高强度钢、不锈钢和耐热钢、高温合金、精密合金的发展,材料也从变形到精铸、从多晶到单晶、从熔体到粉末,从单一到复合,从多维到零维方向发展。有色金属中,金、银、铜应用较早,但电解铜到1865年才问世。1886年美法两国以冰晶石–氧化铝为原料用熔盐电解法制出金属铝。钛在1795年被发现,但1932年用钙还原,1940年用镁还原四氧化钛成功后才进行工业生产。稀有金属稀土金属虽然早已发现,但20世纪中叶以后才投入生产。稀土元素18世纪末相继发现,稀土的应用始于19世纪80年代。到20世纪50年代,由于离子交换和萃取提纯技术的应用,稀土元素纯度提高,价格下降,用途扩大。如20世纪60年代用于催化剂荧光粉,70年代相继用于永磁材料,80年代用于低温超导和光盘材料等。

金属元素及其特性

  金属元素与其他元素在物理、化学性质上的区别主要取决于原子结构及其电子的壳层排布。在元素周期表中有1、2或3个外层价电子的元素是金属,有4个外层价电子的元素是半金属。周期表中自右向左、自上向下,元素的金属性增强;用硼和砹连线可作为金属与非金属的分界线,左下角元素的金属性最强。113种元素中有85种可归为金属。正常金属载流子的浓度在1022/厘米3以上。

  金属一般是晶体,以金属键结合,大多数具有对称性、高的配位数,典型晶体结构为面心立方、体心立方和密排立方。晶体按规则的图像构成三维点阵结构。价电子因其原子电离能低,在化学反应中容易释放而形成金属正离子,电子为整个晶体所公有。由于外层电子可以在离子组成的晶格内“自由”运动,故金属晶体区别于其他晶体,具有优良的导电性、导热性和可塑性。金属晶体的结合能以过渡金属最高,为100~200千卡/摩;贵金属约为70~80千卡/摩。过渡金属具有较高的强度,应用也最广泛。

种类

  金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。①黑色金属又称钢铁材料,包括含铁90%以上的工业纯铁,含碳2%~4%的铸铁,含碳小于2%的碳钢,以及各种用途的结构钢不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金,通常分为轻金属重金属贵金属、半金属、稀有金属稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高,并且电阻大、电阻温度系数小。③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料,以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金,以及金属基复合材料等。

  金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属、喷射成形金属,以及粉末冶金材料。①铸造金属通过铸造工艺成型,主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。②变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型,其化学成分与相应的铸造金属略有不同。③喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。

性能特点

  金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。工艺性能是保证生产出优质、高效、低成本产品的性能,主要包括液态金属的流动性、凝固收缩性和热裂性、最大塑性、变形温度范围、最大变形程度、再结晶温度、可焊性、残余应力以及淬透性(淬火时形成淬硬层)等。使用性能包括结构性能和功能性能。前者多为材料本身所具有的力学性能,如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、蠕变强度,以及延伸率、断面收缩率、冲击韧性、断裂韧性等。后者多为材料的化学、物理性能,如应力腐蚀、化学和电化学腐蚀、抗氧化、抗氢脆性能,密度、熔点、比热、线膨胀、光学效应、电学效应、磁学效应等。金属材料的各种性能指标通过材料物理试验、化学试验和工艺性能试验的方法获得。

生产工艺

  金属材料生产,一般是先提取和冶炼金属。有些金属需进一步精炼并调整到合适的成分,然后加工成各种规格和性能的产品。提炼金属,钢铁通常采用火法冶金工艺,即采用转炉、平炉、电弧炉、感应炉、冲天炉(炼铁)等进行冶炼和熔炼;有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺;高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空熔炼和粉末冶金工艺。金属材料通过冶炼并调整成分后,经过铸造成型,或经铸造、粉末冶金成型工艺制成锭、坯,再经塑性加工制成各种形态和规格的产品。对有些金属制品,要求其有特定的内部组织和力学性能,还常采用热处理工艺。常用的热处理工艺有淬火、正火、退火、时效处理(将淬火后的金属制件置于室温或较高温度下保温适当时间,以提高其强度和硬度)等。

发展趋势

  金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步,传统的金属材料得到了迅速发展,新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料,已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用,并产生了巨大的经济效益。金属材料的发展主要表现在以下几方面。

  1.合金设计。根据热力学、物理冶金、力学冶金和合金化理论,运用计算材料科学的方法,在相结构或原子、分子不同层次上,对金属材料的成分、组织结构进行设计。对材料加工成型过程中的宏观、微观层次上进行模拟仿真、性能预测,以实现材料成分设计和加工过程中的最优化控制。主要内容包括:非平衡相图计算与合金成分优化设计,合金元素在合金中存在形式和作用机理、微观组织结构的设计,合金凝固过程模拟,压力加工过程模拟,材料性能预测,材料失效预测等。

  2.材料的高纯洁度、高均匀性和超细组织。材料的纯洁度提高到一定限度后,不但可以改善材料的原有性能,还可赋予它新的性能。随着合金化程度提高,成分偏析愈趋严重,从而导致组织不均匀、性能不稳定,例如恶化了铸造、热加工和焊接等工艺性能,降低了疲劳强度、断裂韧性和耐腐蚀性能。超细组织是强化金属材料而不降低韧、塑性的唯一强韧化技术。控轧控冷、粉末冶金等是细化组织行之有效方法。

  3.金属均质材料的复合化。复合材料可以发挥两种或两种以上材料的优点而克服其缺点。研究内容有减震复合板、纤维强化耐热合金、粉末冶金阻尼材料,以及耐辐照、耐高温、耐苛刻介质腐蚀和生物相容性好的功能渐变材料等。研究重点是陶瓷和工程塑料与金属材料的复合材料。

  4.金属结构材料,特别是钢铁结构材料的功能化。金属功能材料大部分是有色金属材料,但有色金属材料的总产量不到钢总产量的20%。今后除继续提高现有金属功能材料的质量和性能,不断研究新型金属功能材料外,对形状记忆钢、阻尼钢、储氢钢、太阳能收集转化钢等一些有发展前景的黑色金属功能材料,也要大力研究开发。

  5.快速凝固金属与合金。急冷技术在工艺上使金属熔体以1×106℃/s速度急冷凝固成薄带或细丝,省略了传统冶金工艺的复杂加工工序。在材料上由于急冷凝固使原子混乱无规则分布,呈非晶态或微晶结构,具有传统材料无法获得的综合优异特性,如高电阻、防腐蚀、优良的磁学和力学性能等。已开发出多种非晶及纳米晶软磁材料、纳米双相永磁合金、非晶钎焊合金带、催化剂、耐蚀材料等。还利用双流雾化、离心雾化、机械雾化等制备微晶铝、镁、钛、铜、钴、铣、镍等合金和金属间化合物粉末,作为制备新型结构金属材料或功能金属材料的基础材料。

  6.金属间化合物。由两个或多个组元的金属元素组成的化合物。通常有AB、A2B、A3B、A5B3和A7B6等类型。由于金属键和共价键共存及原子长程有序结构,金属间化合物可以同时兼有金属的较好塑性和陶瓷的高温强度。铝化物、硅化物还具有低的宽度和良好的抗氧化性。由于金属间化合物还有许多独特的电、热、磁、光、声性能,可制成磁致伸缩、超导、储氢、形状记忆、热电子发射等材料,如NbTi、NiTi、Zr2Cr、Mg2Ni等。金属间化合物要发展成为一种工程材料的最大障碍是常温脆性问题。现在已发现的金属间化合物有两万多种,现仍在继续增长和不断开发其潜在特性与用途。

  7.金属基复合材料。用各种高性能增强体,如碳化物、硼化物、氧化物等的颗粒、晶须、纤维增强的各种金属、合金、化合物基体制成的复合材料。增强体一般有SiC、TiB2、Al2O3等。金属基体有铝、镁、钛、铜、铅、铸铁、镍的合金及金属间化合物等。它较树脂基复合材料有较高的使用温度(350~1 200℃)和较高的模量;较传统的金属材料重量轻、强度高、刚性好,耐磨损、高温性能好。但仍存在制造工艺复杂、造价昂贵及难形成规模生产等问题。金属基复合材料被认为是未来飞机、汽车、航天飞行器等先进运输工具不可少的材料。

  8.超细金属颗粒。通常指粒径小于100纳米的金属颗粒。按其基本特性和制配难易强度分为三级:粒径处于10~100纳米而得到通常应用的称为大超细颗粒;2~10纳米称中超细颗粒;小于2纳米的称为小超细颗粒,也称为原子簇。可用汽化蒸发、气相反应、水热、溶胶–凝胶等方法制备。当金属颗粒大于10纳米时,其性质区别于液体与固体,因其表面效应,颗粒间结合力超过重力而易团聚;又因其氧化速率与比表面积成正比而易自燃后爆炸;随比表面积增大、晶格常数发生变化,体积效应影响晶格振动,发生量子尺寸效应;晶界比例大、自由能高。反应在结晶学、电磁学、光学和热学方面,则有许多不同常规的奇异性能。超细磁性合金用于高密度磁记录;超细铝粉用作火箭助燃剂;超细镍、铜、锌用作混合催化剂,还可用于红外隐身、微生物分裂、细胞分裂、抗肿瘤药物等方面。

  9.金属功能材料。具有特殊物理性能、化学性能或生物性能等而主要用于功能器件的金属材料。

  10.新一代钢铁材料。其研发和发展已成为融多种学科及多种高新技术成果、高度综合与集成的材料制备技术。新一代钢铁材料研究开发的重点包括:400兆帕级高纯度、超细组织钢;800兆帕级高纯度、微合金化、超细组织钢;1 500兆帕级高纯度、微合金化或合金化、超细组织钢;杂质小于0.004%的超纯不锈钢;耐温650℃及耐压35兆帕的高效锅炉用热强钢;表面处理长期不生锈的耐腐蚀钢等。

  11.金属材料的表面涂层与改性。旨在改变金属基体材料的表面成分、结构、状态,赋予材料表面以新的特性,如耐蚀、耐磨、隔热、润滑、导电、隐身、光反射和化学相容性等。涂层可用金属、合金、无机非金属、有机聚合物和各种复合材料。涂层与改性的方法有三类:化学与电化学法,如浸蚀、电镀,阳极氧化、磷化等;物理方法,如气相沉积、真空蒸镀、溅射和离子镀涂层和用于离子束、激光束、电子束表面改性;机械法,如热喷涂,喷丸和挤压强化等。

  12.近终形成型。超塑成型、粉末直接热等静压、定向或单晶空心无余量精铸、计算机辅助无模精铸、喷射成型等技术的发展,使用昂贵新材料制造零件时,使用料少,耗能低,省工时,尺寸精而使产品的成本显著下降,从而促进新型金属材料的加速发展与应用。