浅谈金属材料

郑泓宇 申爱玲

摘 要：金属材料是人类使用最早并且与我们生活最密切相关的材料。文章介绍了金属材料的分类，性质，应用，前景，并将一些新兴的金属材料做了简单的介绍。

关键词：金属材料；性质；新兴金属材料；金属基复合材料

金属材料是指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、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。

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。

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。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。

金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能，主要有以下四个方面：⑴切削加工性能；⑵可锻性；⑶可铸性；金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。化学性能：金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。在实际应用中主要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性（又称作氧化抗力，这是特别指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性），以及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等等。在金属的化学性能中，特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义；物理性能：金属的物理性能主要考虑：⑴密度⑵熔点⑶热膨胀性⑷磁性能⑸电学性能（主要是电导率）；

新兴金属材料介绍：

1、金属基复合材料

金属基复合材料起源于20 世纪50 年代末或60 年代初期，它是一种把金属作为基体和增强材料进行复合加工而制成的一种材料。基体可以是铜、铝、镁以及金属间化合物等。增强材料的种类也很多，可以是碳化硅、碳纤维以及氧化铝等。它除了具有很高的韧性和可塑性之外，还能耐高温，且导电性能良好，可抗辐射，阻隔性能良好不吸潮。正是由于这些优良的特性，使得它经过了几十年的发展成为了如今最炙手可热的复合材料之一。由于金属基复合材料的性能优秀，所以它能够被运用到了各个行业。比如汽车行业中的柴油机活塞、Al发动机组的缸体驱动轴、连杆等；还有航空航天行业。比如战隼战机的机腹尾翼以及燃料通道门盖板，还有直升机的转子叶片；除此之外，各种工业、娱乐、体育用品都可以使用金属基复合材料。但是由于其制作工艺较为复杂，使得它还不能真正大范围的被普及。另外，成本较高，这也是金属基复合材料难以广泛应用的重要原因之一。金属基符合材料受世界上各个国家所重视，且最近几年的研究、发展速度较快。而制作技术和制作成本等问题相信也会在不就的将来得到解决，使其能够真正的被普及到我们的生活。

2、Ti（C，N）基金属陶瓷刀具材料

Ti（C，N）基金属陶瓷一般是用粉末冶金液相烧结法制成的，其显微组织较为复杂. 借用扫描电子显微镜的背散射电子成像观察，其主要特征由TiC 或Ti（C，N）硬质相为核心，颗粒边缘形成包覆层结构，溶入固溶界面结合处的组织结构是决定材料性能的关键区域.与普通金属材料相比，金属陶瓷是一种脆性材料，其断裂方式多为沿晶断裂，材料中硬质相与粘结相界面结合处的组织结构是决定材料性能的关键区域.现有的分析手段还不能清楚地表征工业上所用金属陶瓷的相界面结构，使得这方面的研究存在一定的困难.20 世纪90 年代以来，日本、美国和我国关于Ti（C，N）基金属陶瓷材料的研究和应用急剧增多，Ti（C，N）基金属陶瓷刀具材料的性能得到了极大的改善，现在Ti（C，N）基金属陶瓷的制备方法、晶粒细化、纳米改性以及纳米Ti（C，N）基金属陶瓷材料、梯度Ti（C，N）基金属陶瓷材料制备等方面已经取得了相当大的进展. 其应用范围已由精加工、半精加工扩大到粗加工，由切削扩大到铣削等苛刻条件下的加工. Ti（C，N）基金属陶瓷对推动高速切削、精密加工技术进步，促进机械、汽车、五金装备等行业水平的提高有着显著的积极意义.采用Ti（C，N）金属陶瓷刀具，可以解决各行业难加工材料的切削加工问题，改变传统的机械加工工艺；另一方面，由于Ti（C，N）金屬陶瓷具有较好的红硬性和抗氧化能力，可以实现高速高效切削加工和干式切削加工，减少或不用切削液，大大降低切削加工费用，并可实现绿色加工.

参考文献

[1] 刘华，沈胜利.颗粒增强金属基复合材料制备工艺的综述[J].热加工工艺，2011.

[2] 关明，常志梁.金属基复合材料制备技术的进展[J].热加工工艺，2010.

[3] 金属基复合材料的制备技术与运用，李玲玲，中国矿业大学南湖校区，江苏徐州，221116

作者简介

郑泓宇（1996-），男，汉族，江西景德镇人，邵阳学院本科在读，邵阳学院；专业方向：材料成型及控制工程

申爱玲，指导老师，当前任职邵阳学院

（作者单位：邵阳学院）