《人类科学技术史-416》当代金属材料

作为黑色金属之一的钢铁是最基本的结构材料。50年代初，使用氧气的炼钢法相继出现。其中纯氧顶吹的转炉炼钢法，于1952年在奥地利的林茨厂实现工业生产。这种方法比通用的平炉投资少40-50％，效率提高3-5倍。它被很快推广，同时还出现了可以生产优质的不同钢种的全部工艺，使炼钢生产跨入了一个新时代，钢产量急剧增长。第二次世界大战以后特别是60年代初，电炉炼钢也发展很快。由于供能、电路、耐火材料和电极的重大进步，电炉变压器容量由原来每吨为200-300千伏安迅速提高到500-600千伏安以上，提高了功率，缩短了冶炼时间，降低了电炉钢的成本。到70年代末，世界电炉炼钢产量已超过1亿吨。近年来，钢铁工业朝集中化、联合化、专业化方向发展，并出现了连续化和高速度的特点。1950年，连续铸钢开始出现，60年代后又有许多新进展。此外，连续式带钢冷轧被大力采用，并应用电子计算机进行自动化控制。生产某些特种钢的特殊熔炼法，如真空脱氧法、电渣重熔法等也在70年代发展起来。

有色金属，特别是一些稀有金属的发展也令人注目。铝的冶炼技术近40年来不断改进和提高，耗电量下降约40％。40年代初，美国第一次从海水中提炼出镁，开创了镁的工业生产的重要途径。60-70年代，用作结构材料的镁合金大幅度增加，新型镁合金成为制造直升飞机某些零件的重要材料。由于钛的冶炼技术困难，第二次世界大战后才实现工业生产。1947年，钛的世界产量只有2吨；1962年达10万吨；70年代后，以每年15％的速度增长。

钛合金在航空、航天以及电化学工业、电力工业方面已广泛应用。一些稀有金属的冶炼和应用近些年也进展迅速。锂被用于制造氢弹和进行热核反应。

铍被用于原子反应堆的中子减速剂。铷、铯则做为电子技术和自动化仪器方面的功能材料。铀、钍等放射性金属，用做原子反应堆和原子武器的主要材料。钨、钽、锆、锗、镓、铟等被用于电子工业和半导体工业。

当代金属材料发展中最引人注目的是各种新型金属。铝锂合金最早出现于20年代，但未得到发展。50年代中期，美国研制成功可供商品化的铝锂合金，并用于飞机制造。1971年，英国富尔门公司发明了新的铝锂合金。同年，美国也开发了铝-镁-锂合金。到目前为止，国际上已研制成铝-铜-锂、铝-镁-锂、铝-锂-铜-镁3个系列的铝锂合金。铝锂合金是航空、航天工业的理想结构材料。它可使民航飞机减轻8-16％。铝锂合金具有良好的抗辐照特性和低温特性。可用作核聚变装置的真空容器，以及用作低温容器。

本世纪中期以来，在金属材料制备中采用了具有突破意义的快速冷凝技术，由此产生了一系列新型非平衡态的金属及合金，即非晶、微晶、纳米晶和准晶。

1960年，美国的达沃等首先发现，某些液态贵金属合金如金硅合金通过急冷可以获得非晶态结构，从而开创了一系列非晶态材料的制备途径。这些非晶态材料具有类似玻璃的某些结构特征，因此被称为"金属玻璃"。它具有超耐蚀性、高磁导率、恒弹性、高强韧性、低热膨胀系数和高磁致伸缩等许多优异特性。美国、日本、原西德等国相继投入力量进行研究。70年代末，非晶态合金开始步入实用化阶段。80年代初，非晶态合金以电磁材料为中心获得推广应用。美国、日本、原西德已具有万砘级的生产规模。中国80年代末也建成了年产百吨级的中试线。

金属微晶材料的快速冷凝技术发展也很快。80年代，英国开发了快速冷凝粉末冶金技术。目前占领市场的是铁基和镍基粉末高温合金，正处于开发和应用初期的快速冷凝材料有粉末铝锂合金、粉末热强铝合金。

金属磁性材料是当代工业不可缺少的重要基础材料。50年代，铁氧体的应用，使可提供的磁能积明显增加。60年代，开发了第一代稀土永磁合金。

70年代，开发了第二代稀土永磁合金。80年代，开发了钕铁硼第三代稀土永磁合金。钕铁硼永磁材料具有突出的明显优势：体积小、重量轻、比功率大、效率高。它在汽车工业、电声器件、医疗、磁流体密封器、磁力器等方面都有广泛的应用。目前，国内外正在进行第四代稀土永磁材料的研究开发。

形状记忆合金是金属材料中的一朵奇葩。1951年，美国人发现金-镉合金有记忆形状的特性。1953年，又发现铟-铊合金有形状记忆效应。但真正实用化开始于1963年发现镍-钛合金的形状记忆效应以后。70年代初，镍-钛合金管接头在美国F14飞机油路连接系统上得到大量应用。近年来，在镍-钛合金中加铌、铜、铁、铝、硅、钼、钒、铬、锰、钴、锆、钯等元素，陆续发展了一系列改良型的镍-钛合金。此外，铜系、铁系形状记忆合金也处于研究开发阶段。

贮氢合金是一种性能奇特的新型贮能材料。1968年，美国首先发现镁-镍合金具有吸氢特性。1969年，荷兰菲利浦实验室发现钐-钴合金能大量吸氢，随后又发现镧-镍合金在常温下具有良好的可逆吸放氢性能。从此贮氢材料引起了人们极大关注。目前已开发的有镁系贮氢合金、稀土系贮氢合金和钛系贮氢合金等。钛系贮氢合金已经在氢的存贮、运输和氢的提纯精制等方面得到了较广泛的应用。锆系贮氢合金是80年代崛起的新秀，其特点是在100℃以上的高温下也具有很好的贮氢功能。

在新型金属材料中，金属间化合物是最重要的一类。70年代末以来，采用加硼的微合金化和加铌的宏合金化，分别提高了钛-铝和镍-铝这两种最主要的金属间化合物的塑性，从而使金属间化合物的研究取得突破性进展。金属间化合物是很好的新型高温结构材料，在航空、航天工业中可以大有作为。

对超细颗粒金属材料的研究，在80年代也成为一个非常活跃的领域。超细金属具有许多奇异性能，如高强度、低温下无热阻、有超导性、有较大表面能、容易进行各种活化反应等。目前，超细颗粒金属尚处于研究开发阶段。

虽然近年来其他新材料发展迅速，但金属材料特别是新型金属材料仍具有旺盛的生命力。在未来相当长时期内，金属材料仍将占据材料工业的主导地位，其独特的性质和使用性能是不可能完全被其他材料替代的。因此，发展金属材料尤其是新型金属仍是材料科学技术面临的重要课题。