金屬材料的應用與發(fā)展

高晶（精奇（天津）科技股份有限公司，天津300000）

0 引言

一直以來，金屬材料都是至關重要的功能材料。進入二十世紀后期，社會生產力水平不斷提高，對材料的標準要求也隨之提高。同時，現(xiàn)代科技的卓越發(fā)展，使得材料種類多樣化，且生產工藝日趨完善化與成熟化。為此，全面探究金屬材料的應用與發(fā)展具有重要意義。

1 金屬材料的種類與特性

1.1 金屬材料的種類

金屬材料具有光澤度高、導電性強、延展性良好等基本特征。盡管金屬材料種類繁雜，但總體可歸納為如下兩類：黑色金屬和有色金屬。與這兩類金屬材料相比，特種金屬的應用領域較為特殊，也并不常見。

（1）黑色金屬。黑色金屬又稱之為鋼鐵材料，如純鐵、純鋼、鑄鐵等。此類金屬材料多應用于工業(yè)生產領域。（2）有色金屬。有色金屬是指除鐵、錳、鉻之外的其他金屬及合金。按照金屬材料的質地、稀缺性與交易價格等差異，可將其進一步細化為重金屬、輕金屬、貴金屬、稀缺金屬等。（3）特種金屬。特種金屬是指結構與功能較為特殊的金屬，如有機高分子復合金屬、納米晶金屬、非晶態(tài)金屬等。

1.2 金屬材料的特性

（1）硬度。硬度是各類金屬材料的基本特性。由于金屬材料的硬度較強，使得其被廣泛應用到對材料硬度有特殊要求的行業(yè)領域。硬度既是金屬材料自然屬性特征，又是衡量金屬材料性能的關鍵指標。具體來說，金屬材料的硬度越強，耐磨性越好。

（2）塑性。塑性是指金屬材料在受到外部荷載作用下，產生塑性形變，但不發(fā)生結構損害的能力。通常情況下，可以將斷面收縮率與長度延展率作為衡量金屬材料塑性的關鍵指標。具體來說，金屬材料的斷面收縮率與長度延展率越好，塑性能力越強。

（3）疲勞。金屬材料往往會被加工制作成各種規(guī)格、各種形狀的零構件。而金屬材質零構件在投入使用過程中，又會受到一定的承載負荷力。盡管這種常規(guī)荷載力并不會超過金屬材料本身的屈服強度，但隨著荷載力的非規(guī)律性變化和使用時間的延長，也極易導致金屬材料脆性斷裂。而這也就是金屬材料的疲勞狀態(tài)顯性特征。

2 金屬材料的實踐應用

2.1 金屬材料在生活領域的實踐應用

2.1.1 炊具制造與家電制造

在日常生活中，金屬材質的炊具和家電隨處可見。這些生活用具的功能不同，都具有耐高溫、抗氧化、防腐蝕等基本特性。在這種情況下，金屬材料完全替代了有機高分子合成塑料等材料。塑料在高溫條件下，極易發(fā)生形變、熔化、燃燒等情況，而且塑料燃燒還會釋放有毒害性氣體，對人體健康構成危害。此外，塑料的自然降解速率極慢，會造成嚴重的生態(tài)環(huán)境污染。相較而言，不銹鋼材料制作而成的炊具，有效解決了高溫形變與潮濕生銹等問題。

2.1.2 以易拉罐為主的快速消費品包裝

金屬材料不僅具有耐高溫、抗氧化與防腐蝕特性，還具有耐久性強、成本低廉、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。以易拉罐為例，多數易拉罐都是純鋁制或鋁鐵混合制成的。由于鋁及鋁合金的密度較大，使得易拉罐在正常保存條件下不會出現(xiàn)滲漏問題，而且密封隔絕性極強，能夠有效預防飲品變質。此外，鋁制易拉罐質地較為柔軟，能夠滿足快速消費品的便捷性需求，還可回收利用，節(jié)能環(huán)保。

2.2 金屬材料在工業(yè)生產領域的實踐應用

2.2.1 航空航天領域的實踐應用

當前，航空航天領域所應用的金屬材料主要包括鎂鋰合金、鋁合金與形態(tài)記憶合金三類。鎂鋰合金主要由鎂、鋰、鋅等構成，具有重量輕、強度大、導熱導電性能良好等基本特征。同時，鎂鋰合金的電磁屏蔽性能與減震性能良好。而這也是鎂鋰合金被廣泛應用到航空航天領域的重要原因。

航空航天對產品結構性能與質量標準的要求較高，投資成本也偏高。以航天飛機為例，經粗略計算，其重量每增加1 千克，發(fā)射投資成本增加約10萬元。如果能夠減輕航天飛機的自體重量，就可以在很大程度上降低發(fā)射投資成本。當前，鎂鋰合金在航空航天領域的應用范圍較為寬泛，如火箭艙的制造、飛機側翼板的制造、飛行器防護罩的制造以及燃料箱的制造等。

一直以來，鋁合金都是航空航天領域應用較為普遍的材料。隨著航空航天技術的蓬勃發(fā)展，對鋁合金性能與質量的標準要求也隨之不斷提高。與普通鋁合金相比，鋁鋰合金的強度、密度與耐腐蝕性都更加突出。經過專業(yè)學者大量的理論探究與實踐積累可知，向鋁合金中加入適量的鋰，不僅可以降低鋁合金的密度，還會在很大程度上提升鋁合金的彈性模量。以客機制造工程為例。采用鋁鋰合金代替鋁合金，可以顯著降低客機的自體重量，減輕助推器工作壓力，節(jié)省燃料與飛行投資成本。此外，鋁鋰合金在軍事裝備制造中的應用，也可以有效縮短戰(zhàn)機的起飛滑跑距離，提升續(xù)航力。

形狀記憶合金在航空航天領域的應用。形狀記憶合金是一種極其特殊的金屬材料，不需借助任何外力作用，單純改變環(huán)境溫度，即可使其產生規(guī)則的形變。這也使得其能夠充分滿足航空航天領域對材料的基本需求。以人造衛(wèi)星為例，在發(fā)射人造衛(wèi)星前，將拋物面天線折疊裝進衛(wèi)星體內，火箭升空將人造衛(wèi)星送到既定軌道。此時，僅需改變溫度條件，就可保證人造衛(wèi)星天線逐步恢復原有的拋物線形狀。

2.2.2 汽車制造領域的實踐應用

當前，人們對汽車的實用性能與安全性能的要求越來越高。在這種情況下，鋁鎂合金被廣泛應用于汽車零配件加工制造與汽車制造中。與傳統(tǒng)金屬材料相比，鋁鎂合金最大的優(yōu)勢就是質地輕盈。以同款車型為例，鋁鎂合金車身比傳統(tǒng)鋼制車身輕40%以上。鎂具有極高的強度與剛度，可以進一步優(yōu)化機動車的減震性能，保證駕駛安全。當前，鋁鎂合金材料被廣泛應用到汽車機身制造、方向盤制造與發(fā)動機制造中。

2.3 醫(yī)療衛(wèi)生領域的實踐應用

金屬材料在醫(yī)療衛(wèi)生領域的應用主要包括醫(yī)療器械與人體醫(yī)療兩方面。其中，醫(yī)療器械是指醫(yī)療設備，如胸透儀、放射儀等。人體醫(yī)療是指生理機能損傷的輔助材料，以及生理性能改造材料等，如骨折鋼板、人造關節(jié)、假牙等。

3 新金屬材料發(fā)展趨勢分析

新金屬材料是材料工業(yè)發(fā)展的重要表現(xiàn)，新金屬材料的發(fā)展與新型工業(yè)的發(fā)展有著千絲萬縷的聯(lián)系。除新興產業(yè)外，新興材料對傳統(tǒng)制造業(yè)技術的革新與節(jié)能減排指標的全面落實也起到了十分積極的作用。新型金屬材料是一種先進的技術，在發(fā)展中發(fā)揮著不可忽視的作用，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。新金屬材料的發(fā)展趨勢較為明顯。首先，新金屬材料的質量更輕，強度更大，該特點全面滿足了航空航天行業(yè)發(fā)展的基本要求。

其次是高溫金屬材料，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中，材料的使用溫度要求更為嚴格，新金屬材料在高溫環(huán)境下依然具備良好的性能。

最后是耐腐蝕性和耐疲勞性較強，其能夠抵御大氣腐蝕、煙霧腐蝕和振動疲勞等作用。

此外，利用先進技術開發(fā)新型金屬材料已經成為促進新型金屬材料創(chuàng)新優(yōu)化的主要方式。新型金屬材料開發(fā)和應用的過程中，諸多行業(yè)也會隨之發(fā)生較大的變動，汽車減震材料就是其中的典型代表。該材料具有減弱或消除振動的功能，有效減少了噪聲污染，從根源上杜絕了噪聲干擾問題。

4 結語

現(xiàn)階段，各行各業(yè)的市場競爭日趨白熱化，相關企業(yè)要想在激烈的市場競爭中占據一席之地，就必須不斷提升生產能力與管理能力。在金屬材料生產過程中，要全面且客觀分析材料屬性特征，并且不斷優(yōu)化材料結構，完善材料性能，推動企業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展。我們堅信在廣大科研工作者一絲不茍、堅持不懈的努力下，金屬行業(yè)必定會取得實質性的突破，并為國家經濟發(fā)展奠定堅實基礎。