金属材料的历史、现状及未来

金属材料的历史、现状及未来一、金属材料的历史人类在大约公元前五千年由石器时代进入铜器时代，而后又在公元前一千二百年步入了所谓的铁器时代。此时出现的金属材料表明当时的社会生产力达到了一个新的高度，人们发现陶器能够承受高温，掌握了用火在陶质容器内把金属熔化、然后将液态的金属倒进模腔内，以铸成所需的工具。金属铜的应用早于金属铁，这是因为天然铜在自然界中存在而铁则被氧化，同时金属铜的熔点比金属铁的要低。在炼铜技术逐步提升时，我们的祖先已经不知不觉的发现了“合金”，最早的合金可能是青铜，它大约由百分之十的锡及百分之九十的铜构成。随着青铜技术的不断发展，人们意识到增大锡的比例会使合金变硬换句话说，“合金”比单一的金属拥有更好的性能。此后，更延伸出黄铜等适用于不同场合的合金。不久，人类社会从青铜时代进入铁器时代。铁器时代已经能运用很复杂的金属加工来生产铁器。铁的高硬度、高熔点与铁矿的高蕴含量，使得铁相对青铜来说来得便宜及可在各方面运用，所以其需求很快便远超青铜。而在几百年后的欧洲，资本主义萌芽带来的社会化大生产也促使着金属的冶炼和材料的制造向着工厂化、规模化发展。一些效率更高的大型炼铁炉被建造起来。英国在18世纪初已经出现了“高炉”的原型，日产铁以吨计。一开始工人们使用木炭等天然燃料，后来改用焦炭，并安装上鼓风机，从此慢慢演变为近代的高炉，这是炼铁工业的起点。由于铁的大规模生产，人类物质文明的进一步提高，铁轨等应运而生。19世纪一个英国人找到了将铁炼成钢的方法。他把空气直接鼓入铁水中,使杂质烧掉。后来知道，铁水中含有C、S、P等杂质，将影响铁的强度和脆性等；为提高铁的性能，需要对铁水进行再冶炼，以去除上述杂质。对铁水进行重新冶炼以调整其成分的过程叫作炼钢。在之后的一些由于铁的性能不足而引发的事故中，人类意识到钢是更适合的工程材料，于是代替铁轨的钢轨等钢材在人类社会中蔓延开来。由于金属材料的优良导电性，第二次工业革命的迅速开展并使人类步入电气时代。近代以来，合金钢以及其他金属材料飞速发展。高速钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢等特种钢如雨后春笋般地相继出现，其他合金如铝合金、铜合金、钛合金、钨合金、钼合金、镍合金等等加上各种稀有合金也不断发展，金属材料在全社会的经济发展中具有了不可替代的地位。二、金属材料的现状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。当前，金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。黑色金属材料又称为钢铁材料，包括工业纯铁、铸铁、碳钢材料，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金不锈钢等钢材。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金材料。有色金属材料是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金材料，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材料等，有色合金材料的强度和硬度一般比纯金属材料高，并且具有电阻大、电阻温度系数小的特点。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。同时，我们也形成了对金属材料研究的一系列系统方法。把金属的表面磨光抛光,然后放在酸中浸蚀、在显微镜下即可观察不同的花样也就是显微组织结构，从而研究金属的性能形成了金相学。金相学的出项帮助人们揭示金属材料微观的奥秘。X射线的出现及应用于观察金属中原子的排列促使人们了解各种金属中原子在空间分布的规律，加深了人们对金属的微观结构的认识通过金相和X光衍射等手段，人们对金属材料的成分、显微组织结构和性能间的关系进行了大量研究，发现了许多规律，解释了大量过去不可思议的现象，奠定了金属材料科学的基础，并大大推动了合金钢及热处理等科学技术的发展。当今，人们在金属材料的领域中，逐步由经验上升为理论，由被动变为主动，由理论去指导实践，再由实践去发展理论。三、金属材料的未来当下社会，金属材料在人类社会中的地位受到了前所未有的挑战。一方面是高分子材料和陶瓷材料对传统金属材料造成冲击。首先是高分子材料。高分子材料尤其是工程塑料，从性能到应用的许多方面已能和传统的金属材料相抗衡，加上其原料丰富、价格便宜、产量惊人，已经迅速崛起。其次是陶瓷材料，陶瓷材料在现代电子工业中占有异常重要的地位。另一方面金属材料自身对能源、资源和环境三方面造成的消耗很大。金属材料经过数千年的发展，某些主要的金属矿产资源日渐紧张、高质量的金属矿产很快减少、低质量的矿物使能源消耗和成本增加，这些都使金属工业成为能源的最重要消耗者，同时也是严重的环境污染者。基于以上的原因，金属材料的发展可以在以下两个方面进行：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。这要求金属材料的制造技术要有飞跃性的进步。冶炼技术、炉外精炼技术、铸造技术、连铸连轧技术、近终形加工成型技术、热处理技术、粉末冶金技术等传统工艺的改进，加上微量杂质的控制技术、微量元素的合金化技术、高纯净度低偏析技术等的发明，都使金属材料焕发了第二春。二是希望金属材料能够开拓出新的功能，以适应更高的使用要求。如钛合金的记忆性以及生物亲和性等，都是传统金属材料在未来发展的新方向。总之，回顾了金属材料的历史、现状和未来，我们有信心相信，金属材料会在人类社会的明天展现出更好地服务人类的一面。