金屬材料的應用現狀
與發展趨勢
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學號：金屬材料是指由金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統稱。包括純金屬、合金、金屬間化合物和特種金屬材料等。
人類文明的發展和社會的進步同金屬材料關係十分密切。繼石器時代之後出現的銅器時代、鐵器時代，均以金屬材料的應用為其時代的顯著標誌。現代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會發展的重要物質基礎。
我們對金屬材料的認識應從以下幾方面開始：
一、分類：
金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。
1、黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括含鐵90％以上的工業純鐵，含碳 2％～4％的鑄鐵，含碳小於 2％的碳鋼，以及各種用途的結構鋼、不鏽鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。
2、有色金屬是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、***、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等。有色合金的強度和硬度一般比純金屬高，並且電阻大、電阻溫度係數小。
3、特種金屬材料包括不同用途的結構金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態金屬材料，以及準晶、微晶、奈米晶金屬材料等；還有隱身、抗氫、超導、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金，以及金屬基複合材料等。
金屬材料按生產成型工藝又分為鑄造金屬、變形金屬 、噴射成形金屬，以及粉末冶金材料。
鑄造金屬通過鑄造工藝成型，主要有鑄鋼、鑄鐵和鑄造有色金屬及合金。
變形金屬通過壓力加工如鍛造、軋制、沖壓等成型，其化學成分與相應的鑄造金屬略有不同。
噴射成形金屬是通過噴射成形工藝製成具有一定形狀和組織效能的零件和毛坯。
金屬材料的效能可分為工藝效能和使用效能兩種。
二、效能
為更合理使用金屬材料，充分發揮其作用，必須掌握各種金屬材料製成的零、構件在正常工作情況下應具備的效能（使用效能）及其在冷熱加工過程中材料應具備的效能（工藝效能）。
材料的使用效能包括物理效能（如比重、熔點、導電性、導熱性、熱膨脹性、磁性等）、化學效能（耐用腐蝕性、抗氧化性），力學效能也叫機械效能。
材料的工藝效能指材料適應冷、熱加工方法的能力。
三、應用現狀與未來發展趨勢：
金屬材料的發展已從純金屬、純合金中擺脫出來。隨著材料設計、工藝技術及使用效能試驗的進步，傳統的金屬材料得到了迅速發展，新的高效能金屬材料不斷開發出來。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比強和高比模的鋁鋰合金、有序金屬間化合物及機械合金化合金、氧化物瀰散強化合金、定向凝固柱晶和單晶合金等高溫結構材料、金屬基複合材料以及形狀記憶合金、釹鐵硼永磁合金、貯氫合金等新型功能金屬材料，已分別在航空航天、能源、機電等各個領域獲得了應用，並產生了巨大的經濟效益。
1 鎂及鎂合金
鎂由於優良的物理效能和機械加工效能，豐富的蘊藏量，已經被業內公認為最有前途的輕量化材料及21世紀的綠色金屬材料，未來幾十年內鎂將成為需求增長最快的有色金屬。
（1）、汽車、電單車等交通類產品用鎂合金
20世紀70年代以來，各國尤其是發達國家對汽車的節能和尾氣排放提出了越來越嚴格的限制，1993-2023年歐洲汽車製造商提出「3公升汽油轎車」的新概念。美國提出了「pngv」（新一代交通工具）的合作計畫。其目標是生產出消費者可承受的每百公里耗油3公升的轎車，且整車至少80%以上的部件可以**。
這些要求迫使汽車製造商採用更多高新技術，生產重量輕、耗油少、符合環保要求的新一代汽車。據測算，汽車自重減輕10%，其燃油效率可提高5.5%，如果每輛汽車能使用70公斤鎂，co的年排放量就能減少30%以上。
鎂作為實際應用中最輕的金屬結構材料，在汽車的減重和效能改善中的重要作用受到人們的重視。
世界各大汽車公司已經將鎂合金製造零件作為重要發展方向。在歐美國家中，各國的汽車廠商正極力爭取採用鎂合金零件的多少作為自身車輛領先的標誌，大眾、奧迪、菲亞特汽車公司紛紛使用鎂合金。90年代初期，歐美小汽車上應用鎂合金的重量，平均每車約1公斤，至2023年已達到3.
6公斤左右，目前歐美各主要車廠都在規劃在今後15~20年的期間，將每車的鎂合金用量上公升至100～120公斤。行家**，在未來的7-8年中，歐洲汽車用鎂將佔總消耗量的14%，預計今後將以15%的速度遞增，2023年將達到20萬噸。
（2）、電子及家電用鎂合金
汽車行業對鎂合金的大量需求，推動了鎂合金生產技術的多項突破，鎂合金的使用成本也大幅度下降，從而促進了鎂合金在計算機、通訊、儀器儀表、家電、醫療、輕工等行業的應用發展。其中，鎂合金應用發展最快的是電子資訊和儀器儀表行業。在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上電磁遮蔽、散熱和環保方面的考慮，鎂合金成了廠家的最佳選擇。
另外，鎂合金外殼可使產品更豪華、美觀。在電子資訊和儀器儀表行業的鎂合金製品的單位重量和尺寸不如汽車零部件，但它的數量大、覆蓋面廣，其用量也是巨大的。所以，近幾年電子資訊行業鎂合金的消耗量急劇增加，成為拉動全球鎂消耗量增加的另一重要因素。
（3）、其它應用領域
其它如鋁合金新增劑、鎂犧牲陽極和型材用鎂合金等。鎂犧牲陽極作為有效的防止金屬腐蝕的方法之一，廣泛應用於長距離輸送的地下鐵製管道和石油儲罐。目前，作為鎂犧牲陽極的鎂合金有3～4萬噸/年的市場需求量，且每年以20%的速度增長。
鎂合金型材、管材，以前主要用於航空航天等尖端或國防領域。近幾年由於鎂合金生產能力和技術水平的提高，其生產成本已下降到與鋁合金相當的程度，極大地刺激了其在民用領域的應用，如用做自行車架、輪椅、**和醫療器械及健身器材。
2、鈦及鈦合金
鈦及鈦合金具有密度小、比強度高和耐蝕性好等優良特性。隨著國民經濟及國防工業的發展，鈦日漸被人們普遍認識，廣泛地應用於汽車、電子、化工、航空、航天、兵器等領域。
從2023年世界主要鈦生產國的產量及所佔比例來看，美國、獨立國協、日本占有重要地位。美國佔28.3%，獨立國協佔29.
7%，日本佔25.3%，三地的合計產量佔全球總產量的83%。
從鈦金屬的應用領域來看，以美國、日本為例，美國鈦的最大應用領域是航空航天，佔到總消費量的58.5%；日本則是火力、核電廠，及板式熱交換器，兩者合計佔總消費量的41.9%。
從下表可以看出，與美國相比，日本在更多方面使用鈦。在體育用品方面，除了在高爾夫球杆頭上使用鈦以外，還有短距離用跑鞋的銷釘、羽毛球拍及冰杖等登山器具、滑雪滑冰用的冰刀刃、自行車架、輪椅等等。美日兩國在化學工業及油氣田鑽探裝置上的用鈦量都在增加。
在計算機磁碟(真空鍍膜)、纖維紡織機的框架、餐具、帳篷用具、拐杖和照相機等方面都巧妙地使用鈦。
3、鋁及鋁合金
鋁合金具有密度小、導熱性好、易於成形、**低廉等優點，已廣泛應用於航空航天、交通運輸、輕工建材等部門，是輕合金中應用最廣、用量最多的合金。隨著電力工業的發展和冶煉技術的突破，其價效比大為提高，目前交通運輸業已成為鋁合金材料的第一大使用者。
在世界範圍內，交通運輸業已成了鋁材的第一大使用者，2023年交通運輸業消耗鋁佔全世界原鋁產量的27.6%，有些國家達30%以上。隨著交通運輸業現代化程序的加快，鋁及鋁合金材料在航空航天和汽車三大領域的應用日益增加。
（1）、鋁合金材料在航空航天中的應用
鋁合金是亞音速飛機的主要用材，目前民用飛機結構上的用量為70%～80%，其中僅鋁合金鉚釘一項每架飛機就有40～150萬個；據波音飛機公司的統計，製造各類民用飛機31.6萬架，共用鋁材7100千噸，平均每架用鋁22噸。鋁製零部件在先進軍用飛機中的比例雖低一些，但仍佔其自身總質量的40%～60%。
據**，2023年全球航空航天鋁材的消費量可達60萬噸，年平均增長率約為4.5%。
航空航天鋁材的**比普通民用鋁材的**高得多，為後者的18倍左右，是乙個非常重要的市場，而其政治與軍事意義則尤為重大。2023年美國航空航天鋁材的**為33000～44100美元/噸，而普通民用鋁材的**只不過2200～3500美元/噸。
美國是世界航空航天工業巨頭，其用鋁約佔全球此領域用鋁量的50%強，其他國家如法國、俄羅斯、中國、日本、巴西、加拿大、英國等的用量為50%弱。2023年，全世界航空航天用鋁量約42萬噸，其中美國的用量為21.4萬噸。
美國鋁業公司（alcoa）是世界航空航天鋁材的主要**者，佔全球總**量的35%以上，為了保持其在該領域的世界霸主地位，獲得更大的利潤，經過精心的全面的調查研究與策劃後，於2023年提出了乙個名為「20-20攻關計畫（20-20initiative）」的計畫。計畫內容與目標包括：在20年時間內，開發一批新的高效能鋁合金，改進鋁製零部件的設計，採用高技術製造工藝，使鋁製零部件的質量下降20%，使鋁製零部件的製造成本與維護費用減少20%。
鋁鋰合金具有低密度、高比強度、高比剛度、優良的低溫效能、良好的耐腐蝕性能和卓越的超塑成型效能，用其取代常規的鋁合金可使構件質量減輕15%，剛度提高15%～20%，被認為是航空航天工業中的理想結構材料。在航天領域，鋁鋰合金己在許多航天構件上取代了常規高強鋁合金。鋁鋰合金作為儲箱、儀器艙等結構材料具有較大優勢。
國外**，含鈧鋁-鎂合金及其它系列的鋁合金有可能成為下一代飛機的重要結構材料。tial基合金的板材除了有望直接用作結構材料外，還可以用作超塑性成型的預成型材料，並用於製作近凈成型航空、航天發動機的零部件及超高速飛行器的翼、殼體等。
（3）、鋁合金在汽車中的應用
鋁及鋁合金是最早用於汽車製造的輕質金屬材料，也是工程材料中最經濟實用、最有競爭力的汽車用輕金屬材料，從生產成本、零件質量、材料利用率等方面看，具有多種優勢。
鋁基複合材料在某些範圍內替代鋁合金、鋼和陶瓷等傳統的汽車材料，用於汽車關鍵零件，特別是高速運動零件，對減少質量、減少運動慣性、降低油耗、改善排放和提高汽車綜合性能等具有非常積極的作用，在汽車領域有著良好的應用前景。
泡沫鋁材被認為是一種大有前途的未來汽車的良好材料。泡沫鋁材在汽車製造中的應用多為三明治式的三夾板，即：芯層為泡沫鋁或泡沫鋁合金，上下層為鋁板或其他金屬薄板。
德國卡曼汽車公司用三明治式復合泡沫鋁材製造的吉雅輕便轎車的頂蓋板的剛度，比原來的鋼構件高7倍左右，而其質量卻比鋼件輕25%。
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