輕合金材料的應用及發展

胡豪

摘 要：隨著能源、資源和環境問題的日漸突出，以鋁合金、鎂合金、鈦合金為代表的輕合金材料應用越來越廣泛，輕合金材料已經成為與人類生活、生產和社會發展密不可分的重要材料。文章介紹了輕合金材料的基本概念，綜述了輕合金材料的種類、性能及其在社會各方面的應用，并對輕合金材料的發展前景進行了展望。

關鍵詞：輕合金材料；種類與性能；應用現狀；發展前景

中圖分類號：TG146.22 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）11-0051-02

近年來輕合金材料發展迅速，在冶煉，加工，回收，應用和制造裝備等多方面有重要研究進展，并取得了大量的產業化成果。由于其具有特殊的優異性能和巨大的發展潛能，已經促使世界各國對輕合金材料的研究開發與推廣應用越來越重視。輕合金材料與鋼鐵材料不同，其開發應用隱含著相應國家的科技和經濟實力，每個國家輕合金材料用量的多少，標志著一個國家航空航天及軍事的實力，同時也體現了這個國家的綜合實力。因此，我們應不斷探索研究，進一步挖掘輕合金材料的優異性能，推動我國科技與經濟的發展。

1 輕合金材料的基本概念

在介紹輕合金材料的基本概念之前，首先闡述一下輕金屬的概念。輕金屬通常是指密度<3.5×103 kg/m3（鋇的密度）的金屬，其中包括鈹、鋁、鎂和堿金屬及堿土金屬，有時也將密度為4.5×103 kg/m3的鈦和通常稱之為半金屬的硼和硅歸屬于輕金屬。其中鋰是輕金屬中最輕的元素，鋁、鎂、鈦則是最重要和最具代表性的。在此基礎上，輕合金材料則是以輕金屬為基，通過添加一些合金元素形成的。由于鋁合金、鎂合金、鈦合金是目前使用量最大的三種輕合金結構材料，因此，輕合金材料一般是指鋁合金、鎂合金、鈦合金。

2 輕合金材料的種類、性能及應用

由于目前輕合金材料一般是指鋁合金、鎂合金、鈦合金，因此，主要對鋁合金、鎂合金、鈦合金的性能及應用進行闡述。

2.1 鋁合金

鋁合金是人們在生活和生產中最為常見的一種輕合金材料，它是以金屬鋁為基，通過添加一些合金元素形成的。其主要合金元素有銅、錳、硅、鋅、鎂、鋰等，此外還有鉻、鈦、鎳、鋯等輔加元素。鋁合金可加工成板、帶、條、箔、管、棒、線、型、自由鍛件和模鍛件等加工材（變形鋁合金），也可加工成鑄件、壓鑄件等鑄造材（鑄造鋁合金）。變形鋁合金和鑄造鋁合金又可分為可熱處理型鋁合金材料和非熱處理型鋁合金材料兩大類。其中，變形鋁合金包括超硬鋁合金、硬鋁合金、鍛鋁合金、防銹鋁合金。鑄造鋁合金包括Al-Si系鑄造鋁合金、Al-Cu系鑄造鋁合金、Al-Mg系鑄造鋁合金、Al-Zn系鑄造鋁合金。與純鋁相比，它不僅強度、硬度高，可塑性強，物理力學性能好，而且品種豐富，使用范圍更加廣泛。同時還具有優良的導電，導熱及抗蝕性能。在航空航天、電子通訊、建筑裝飾、機械電氣、石油化工等諸多領域鋁合金已成為不可或缺的重要材料。

2.2 鎂合金

鎂合金是以金屬鎂為基，通過添加一些合金元素形成的。其常用的合金元素主要有鋁、鈣、鋅、錳、稀土金屬（混合稀土、釹、釔、釓等）、釷、鋯、銀等，添加微量元素鈹，雜質元素有鐵、鎳等。同樣，鎂合金也可分為變形鎂合金和鑄造鎂合金。鑄造鎂合金適合于鑄造工藝，用于生產各種鑄件，如砂型鑄件、金屬型鑄件、蠟模鑄件、壓鑄件等。變形鎂合金適合于各種變形加工工藝，用于生產各種加工材，如板、棒、線、型、管等。在工業應用中，鎂合金是最輕的結構金屬，具有導熱導電性好、強度剛度高、抗電磁干擾能力強、吸振性能好、切削加工性能好和容易回收等優點。但耐蝕性差則是鎂合金的一大缺點。相比于鎂合金，純鎂由于強度太低，很少作為結構材料在工業中應用。由于這些諸多的優點，鎂合金因此被譽為“21世紀的綠色工程材料”，廣泛應用于便攜式器械及汽車制造業、3C產品（即計算機、通信器材、消費類電子產品）、國防軍工等行業。

2.3 鈦合金

鈦合金是以金屬鈦為基，通過添加一些合金元素形成的。其常用的合金元素主要有鋁、錫、鋯、釩、鉬、錳、鐵、鉻、銅、硅等。鈦合金一般按其退火組織分為三類：α型鈦合金，β型鈦合金，α+β型鈦合金。鈦合金被人們稱為金屬中的“全能”金屬，因其“三高一容”（即高強度、高耐熱、高耐蝕、相容性），而被應用于海、陸、空、太空及人體的各種環境中，是航天、航空、艦船、汽車、電子、建筑、化工、石油、冶金、生物醫學等許多領域非常重要的材料。同時，鈦合金還是一種非常關鍵的低溫結構金屬材料，它在低溫以及超低溫的狀態下，仍能較好的保持其力學性能。然而，鈦合金的切削加工性能較差。隨著國防科技和工業技術的不斷發展，鈦合金在各個行業的地位越來越重要，是任何材料都無法代替的。

3 輕合金材料的發展前景

材料、信息、能源被譽為人類社會進步和發展的三大支柱。輕合金材料作為一種新型金屬材料，其具有的特殊優異性能和巨大的發展潛力越來越受到人們的關注，并在各行各業中起著舉足輕重的作用。它不僅推動著整個材料工業的發展，而且作為高新技術的基礎和先導肩負著重要的使命和任務。它已經成為未來提高國家科技實力，發展國民經濟，提高人民物質生活和文化生活水平的重要基礎材料。

展望未來，在人類社會進步和發展中，輕合金材料必定會發揮巨大的作用，成為人類“工業文明大廈”的一塊基石。其主要的發展趨勢有以下兩個大的方面：①輕合金材料本身的發展；②輕合金材料加工技術的發展。

輕合金材料本身的發展方向包括：①趨向于質量輕、強度高。在航天航空、汽車制造業、國防軍工領域里對質量輕，強度高的金屬材料是迫切需求的；②耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞。適應各種環境，滿足各行業發展需求；③新型金屬復合材料。對鋁基復合材料，鎂基復合材料，鈦基復合材料的進一步研究和發展；④新型金屬功能材料。高功能及多功能化的趨勢。

輕合金材料加工技術的發展方向包括：①成形技術和熱處理工藝的優化；②探索新型的加工技術。其目的都是降低生產成本，得到性能更好的新型金屬材料，滿足各行業發展的需求。

4 結 語

隨著經濟與社會的發展，材料工業在人類工業文明的道路上扮演著越來越重要的角色，對各個行業都有著極其重要的影響，可以說“沒有材料就沒有豐富多彩的今天，更沒有炫彩奪目的明天”。尤其是在當今能源、資源、環境問題日益突出的時代背景下，對材料工業的發展提出了更高的要求，向為實現材料工業的可持續發展繼續邁進。而在金屬材料領域，輕合金材料作為一種新型金屬材料，一種“新生代力量”正以迅雷不及掩耳之勢推動著人類社會的發展，成為萬千材料中的“佼佼者”。相比于傳統的金屬材料，輕合金材料因其質量輕、高強度、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等優異性能，在機械制造業、航空航天、國防軍工、建筑裝飾、石油化工、電子信息、生物醫學等領域發揮其顯著的優勢。同時，輕合金材料的巨大發展潛能也吸引著世界各國對其不斷的探索和研究，其前景關鍵在于技術的革新與開發，以及材料本身的發展。可見，在未來人類社會的發展中，輕合金材料將繼續在各個行業中發揮巨大的作用，并且占據著不可撼動的地位。

參考文獻：

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