论金属材料与人类发展_论环境保护与人类发展

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论金属材料与人类发展

沈凤

摘要：介绍了金属材料在人类社会进步中的重要性，突出介绍了合金钢及其发展，又着重介绍属于合金钢的新型金属材料目前的战略性研究，不同分类属性以及在生活中的重要应用。参考文献：材料科学概论

材料与人类文明

合金钢的现状与未来

新型金属材料及其应用研究

金属材料科学的发展历程与人类思维方式的演变

我国低合金钢及微合金钢的发展、问题和方向

众所周知，材料既是运用于人类社会，能经济地制造有用器件的实体物质。材料的范围非常广阔，其中包括：钢铁，土石，陶瓷，纤维，橡胶等众多千变万化的物质。随着人类科技文明的不断发展，材料的不同属性也被不断创新地结合起来形成越来越广泛使用的先进复合材料。

毫无疑问人类社会的历史就是一部利用材料为文明进步铺垫的历史，人类使用材料的历史已有7个时代，人类知识和经验的增长过程中，材料的使用才得以发展。我们可从中得知：是哪些或哪类材料在一定的历史条件下最能满足技术和经济的需要；而从中我们不得不承认，在千变万化的材料的世界，金属材料无论在过去还是现在，始终占有及其重要的地位。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。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。

从金属材料的定义来看，金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。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、高温合金不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。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、稀有金属和稀土金属等。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。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。

历史上来看公元1000年以后，技术领域才开始了一个新时代。原料的开采和加工技 术经历了重要的繁荣阶段，当时以水力为驱动能代替以往动物和人的力量。利用水力驱动的鼓风机使冶炼达到的温度，可将铁化为液体，铁在炉火中被加工成可锻铁，从而发明了精炼法。此法直到18世纪末才被其它方法淘汰，直到这时才可以大量生产质量较高的铁。因此，可以说正式炼铁技术的大力发展催动了西方伟大的工业革命，从此，西方世界整整强大起来。

在目前和可预见的未来, 合金钢仍然是社会和经济发展所需要的重要材料。新型合金钢 必须满足社会发展对钢铁生产、加工、使用和回收等环节提出的节约能源、节省资源、保护环境的要求为此, 合金钢将向高性能和多品种方向发展。概述了高强度低合金钢、合金结构钢、超高强度钢、不锈耐蚀钢、耐热钢、工具钢、模具钢、轴承钢等合金钢的现状和发展趋势。钢铁材料以其资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样、价格低廉、使用方便 和便于回收等特征成为工业生产和人民生活中广泛使用的材料。

合金钢的开发现状可以描述为高性能化和多品种化。由于采用新技术、新装备、新工艺和新的检测技术如精料、高洁净度冶炼、连铸、高精度轧制、控轧控冷、可控气氛热处理、在线检测和精整等, 合金钢的洁净度、均匀度、组织细化度和尺寸精度等得到了提高。合金

钢的洁净度提高到一定程度后, 不但原有性能大幅度改善, 而且还能赋予合金钢新的特性，例如轴承钢的氧含量降低后，轴承寿命的提高幅度超过一个数量级，磷含量降低到3×10的-6次方后奥氏体不锈钢则对应力腐蚀免疫，通过控制齿轮钢中的元素含量, 可将淬透性带波动控制在4HRC范围内, 从而提高齿轮的精度和寿命，大型模具钢需要三向力学性能 相当, 特别是三向塑性基本相当。组织的超细化可以在提高强度的同时改善韧性。

合金钢除了种类繁多之外, 在规格上也表现出与众不同的特点。除了板、管、丝、带、棒和异型材之外, 还有复合材、表面合金化材、表面处理材、静锻材、精密铸件、粉末冶金制品。进人21世纪后, 高层建筑、深层地下和海洋设施、大跨度重载桥梁、轻型节能汽车、石油开采和长距离油气输送管线、大型储存容器、工程机械、精密仪器、大型民 用船舶、军用舰艇、航空航天器、高速铁路设施、能源设施等国民经济的各个部门都需 要性能高、使用寿命长且成本低的新型合金钢, 新型合金钢必须同时满足社会发展对钢 铁生产、加工、使用和回收等环节提出的节约能源、节省资源、保护环境的要求。

近年来我国低合金钢及微合金钢的科研、生产和应用领域在国家“九五”攻关期间有了突飞猛进的变化:我国钢产量突破1 亿t, 新型的低合金钢开发在我国已形成一个自成体系的微合金钢门类。形成了一批微合金钢开发和生产的基地。它们从合金设计抓起,着力于装备的改造和工艺优化, 取得了各有侧重的成就，但是我国的低合金钢和微合金钢的生产和质量还远落后于各工业发达国家, 我国低合金钢的研究和生产有3 个明显的缺陷: ① 处于模仿开发阶段, 自主创新少;② 控轧控冷技术受制于现有的装备;③ 合金设计理论指导与生产水平的脱节, 宏观的合金设计尚处于基础研究阶段, 而微观层次上的合金设计过于超前。因此未来的发展, 将致力突出的缺点来寻求技术上的巨大进步。

其次，进入新世纪，新型技术材料的的发展也不容忽视，新型金属材料种类繁多，它们都属合金。从宏观上可以分为：金属基梯度复合材料，金属间化合物材料，金属功能材料，金属环境材料。梯度复合材料是指沿着某一方向其物理、化学、生物、力学等单一或复合性能发生连续变化，以适应不同环境，实现某种特殊功能的先进材料。构成梯度复合材料的组成及显微组织（陶瓷、金属或合金、有机物、纤维等）不仅是连续分布，适应环境，而且是可以控制的；具有普通金属基复合材料没有的性能特点，其应用领域不断扩大，对国民济的发展起到更大的推动作用。金属间化合物是指金属与金属，金属与类金属间形成的化合物。金属间化合物可以具有特定的组成成分，也可在一定范围内变化，从而形成以化合物为基体的固溶体。金属间化合物是长程有序的，具有特殊的晶体结构、电子结构与能带结构。在新型金属材料中金属间化合物具有高的比强度、耐高温、抗腐蚀、抗氧化、耐磨损等优点，是一类极具发展潜力的高温结构材料，在航空、航天、汽车、化工、机械等许多工业领域有着广阔的应用前景。金属功能材料在能量与信息的显示、转换、传输、存储等方面具有独特的功能，这些特殊功能是以它们所具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学等物理性能为基础的。金属功能材料往往在能量与信息的功能方面，具有导电性、磁性、导热性、热膨胀特性、弹性等一些特殊的物理性能，如形状记忆特性、储氢特性等，成为一类极为重要的功能材料。金属环境材料指从生产到使用及回收的整个过程中，性能优良、功能良好、对资源和能源消耗少、对环境污染小、循环再生利用率高的材料。用金属环境材料制造的产品具有以下基本特性：一是优良的环境友好性，即产品从生产到使用乃至废弃、回收处理的各个环节对环境无害或对环境危害甚小；用户在使用环境材料产品时不产生环境污染或只有微小的污染； 报废产品在回收处理过程中产生的废弃物很少。二是最大限度地利用材料资源，即产品应尽量减少材料的使用，减少使用材料的种类，特别是高温环境下的稳定性能好[6]。三是最大限度地节约能源，即产品在生命周期的各个环节所消耗能源应最少。

现今世界上具有战略意义的研究项目有：

一.金属基复合材料是一种新型材料，其研发历史虽仅有三十几年，但一些发达国家已把

这种材料的基础理论和开发应用研究作为其高新技术发展战略的重要组成部分。其中，铝基复合材料，比重小，比刚度、比强度高，耐磨性能好，热膨胀系数低，在金属基复合材料中始终占主导地位。目前，美国、日本和德国的一些公司已将铝基复材料成功地应用于活塞、连杆、缸套等内燃机零部件及传动轴、刹车制动盘等汽车零部件的制造上，不仅减轻了这些构件的重量、延长了寿命，而且还提高了内燃机、汽车的整体性能。二.形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。形状记忆合金能具有这种不可思议的“记忆力”目前的解释是因这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体结构转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。

三.其他重要的战略研究还有：高温合金，贮氢合金，非晶态合金等等。其中贮氢合金 氢是21世纪要开发的新能源之一。氢能源的优点是发热值高、没有污染和资源丰富。贮氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。随着石油资源逐渐枯竭，氢能源终将代替汽油、柴油驱动汽车，并一劳永逸消除燃烧汽油、柴油产生的污染。

综上所述我们不难发现金属材料在工程中一直是最重要的工程材料。随着科学技术的进步，从资源、能源和环境方面对金属材料提出了新的要求：一是对已有的金属材料要最大限度地提高它的质量，挖掘它的潜力，使其产生最大的效益；二是开拓金属材料新的功能，以适应更高的使用要求。

当今世界，我们正面临着又一场新的技术革命——有人称之为第四次工业革命。这次革命是以信息科学、材料科学和生物科学为前沿的。科技界权威人士认为，这场工业技术革命所带来的影响和创造的社会财富，将远远超过历次工业革命。如何才能在这次革命中占有先机呢？我们发现在所有国家，有效开发和利用原料，尤其是国内原料，是发展经济的重要前提。在其他工业高度发达的国家里，各种原料供应也很紧张。发达国家的原料出口，1955年约为94％，1960年约为90％，而1966年已下降到88 ％。各国都将材料的研究探索置于国家的首要地位。走在材料科学的最前沿，特别是对新型金属材料的探索研究将对社会进步，综合国力的增强，环境保护有着举足轻重的战略性意义。

在对材料科学的研究过程中，我们不能再将目光短浅地放在不同类别的材料上，金属材料的进一步发展也越来越依赖于与非金属材料，高分子材料等不同材料的合理结合，材料科学家们将开创一个合作研究的新局面，即在“系统论”的新时代，要求梭此分割的各专门学 科结合起来，要求被隔绝于各专门学科的科学工作者们认识到所肩负的共同使命，协同工作，高效地创造价廉、优质和低消耗的新材料。金属材料、无机非金属材料、有机高分子材 料和复合材料的界线将逐渐模糊，四类材料的统一性将会逐渐增加，包容这四类材料理论的“材料科学”将成为名副其实。

金属材料的新发展发展就是不断探索新材料，何为“新材料”？它包含着两个层面的含义，一是对传统材料的再开发，使其在性能上获得重大突破的材料；二是采用新工艺和新技术合成，开发出具有各种拥有不同金属材料亦或是非金属材料特性优点的材料。由此可以看出，新材料与新工艺、新技术有着密切的关系。一方面，新工艺与新技术的使用不断地扩展了人类的技术手段，从而使人类更加充分地开发传统材料中的各种新的性能或功能，更重要的是，通过新的合成工艺与技术，使人类获得种类更多、性能更佳的新型材料。

新型材料，新型工艺，新型技术需要一个对已有知识体系的熟练运用，去掌握材料科学发展的进程，使原有各理论相互结合的艰难创新的过程。